CN101939611B - 自激振荡热管 - Google Patents

Abstract

一种自激振荡热管，其特征在于，包括：加热部，上述加热部内部具有芯；冷却部，充满有工作流体；连接流路，直线状地连接上述加热部以及上述冷却部，并具有小于上述加热部的流路截面积的流路截面积；液体塞，从上述冷却部突出至上述连接流路内，包括上述工作流体；以及上述加热部中的蒸汽塞，具有已气化的上述工作流体，其中，上述液体塞在上述连接流路内自激振荡。

Description

自激振荡热管

相关申请的交叉参考

本申请基于并要求2008年2月8日在日本提交的日本专利申请(特願)2008-029713号的优先权和权益，其全部内容结合与此，作为参考。

技术领域

本发明涉及一种自激振荡热管。

背景技术

近年，随着电子设备的小型化、高集成化，半导体元件等的发热密度急剧增加，因此，当务之急是确立有效的散热方法。但是，如果笔记本型个人电脑等电子设备的小型化进一步发展，那么就无法确保在作为热源的中央运算装置(CPU)的正上方设置大型散热器的空间。在这种情况下，需要将产生的热量传送到能够设置散热器的位置。因此，目前作为热传送装置，使用一种芯热管(ゥィック式ヒ一トパィプ)。

在最近的笔记本型个人电脑中约90％都内置有芯热管。这种热管的外径约3mm，水平放置时的最大热传送量为12W左右。但是，如果将芯热管的管径微型化(缩小管径)，就会出现热传送能力急剧下降的问题。

因此，自激振荡热管最近受到瞩目，这种自激振荡热管利用了即使微型化仍具有高的热传送能力的相变。但是，其具有代表性的曲折环式(蛇行环式)自激振荡热管(内径0.5mm～2mm)具有需要使多个管曲折、如果水平设置就会难以工作等问题(参照非专利文献1)。

非专利文献1：长崎孝夫、《关于自激振荡热管的热传递特性的评论》、传热，Vol.44，No.186，p.13-17。

发明内容

鉴于上述技术缺陷，本发明旨在提供一种自激振荡热管，其无需使管曲折，即使水平设置，也能发挥高的热传送能力。

为达到上述目的，本发明采用下述结构。

(1)一种自激振荡热管，其特征在于，包括：加热部，上述加热部内部具有芯；冷却部，充满有工作流体；连接流路，直线状地连接上述加热部以及上述冷却部，并具有小于上述加热部的流路截面积的流路截面积；液体塞，从上述冷却部向上述连接流路里面突出，包括上述工作流体；以及上述加热部中的蒸汽塞，具有气化的上述工作流体，其中，上述液体塞在上述连接流路中自激振荡。

(2)上述自激振荡热管也可以为如下构成：充满在所述冷却部中的所述工作流体具有不受内压约束的自由液面。

(3)上述自激振荡热管也可以为如下构成：所述冷却部具有开口部，在所述开口部上设置有用于调整所述冷却部的内容积的调整部。

(4)上述自激振荡热管也可以为如下构成：所述加热部的截面积与所述连接流路的截面积之比为10∶1～2∶1。

根据本发明的自激振荡热管，可以提供一种无需使管曲折、即使水平设置也能发挥高的热传送能力的自激振荡热管。

附图说明

图1A为本发明一实施方式涉及的自激振荡热管的截面示意图。

图1B为上述自激振荡热管的变形例的截面示意图。

图1C为上述自激振荡热管的变形例的截面示意图。

图2为用于说明自激振荡热管的实验方法的的图，是示出实验装置的示意图。

图3为表示实施例1的自激振荡热管中自激振荡的发生情况的图，是自激振荡热管特定位置的温度随时间变化的曲线图。

图4为图3的放大图。

图5为实施例1～2以及比较例1～3的自激振荡热管中的热传递速度Q与有效导热率λ_eff之间的关系的曲线图。

图6为实施例1的自激振荡热管中的热传递速度Q与有效导热率λ_eff之间的关系的曲线图。图6还示出现有技术的热管的导热率的理论值。

符号说明

1热管(自激振荡热管)

2加热部

3，33，43冷却部

4芯

5连接流路

33b，43b开口部

34，44调整部

B蒸汽塞

L液体塞

M工作流体

M1自由液面

具体实施方式

下面，参照附图来说明本发明实施方式。图1A～图1C表示本实施方式的自激振荡热管的截面示意图。另外，图1A～图1C为用于说明自激振荡热管的结构的图，图示的各部的大小、厚度、尺寸等会出现与实际的自激振荡热管不同的情况。

图1所示的自激振荡热管1(以下称为热管1)大致包括工作流体M、加热部2以及冷却部3、内置于加热部2的芯4、连接加热部2以及冷却部3的连接流路5。

在热管1中，工作流体M从冷却部3流入连接流路5中，形成液体塞L。而且，在加热部2中，工作流体M被气化形成蒸汽塞B。液体塞L通过在连接流路5内自激振荡而进行热传递。

而且，本实施方式中的热管1无论以何种姿态都可以动作，但是，沿长度方向水平设置使用能够提高有效导热率，因此，优选。

加热部2设置有与连接流路5连通的中空部2a。在该中空部2a的内壁面上设置芯4。而且，在图1所示的例子中，冷却部3为盛满工作流体M的容器3a。在该容器3a中盛满工作流体M。而且，工作流体M面向热管1的外部，并形成不被热管1的内压束缚的自由液面M1。而且，连接流路5安装于容器3a的侧壁。连接流路5的容器3a侧的端部为开放端。通过该开放端连通容器3a和连接流路5。

加热管2以及连接流路5为由陶瓷、玻璃或金属构成的中空圆筒状的管。在加热管2的一端部1a上具有由陶瓷、玻璃或金属构成的密封部件1c。尤其是，在本实施方式中，优选方式是，加热部2以及连接流路5分别由硼硅酸玻璃构成。

连接流路5的流路截面积小于加热部2的中空部2a的流路截面积。在图1A～图1C所示的示例中，连接流路5以及加热部2的中空部2a的截面形状为大致圆形，连接流路5的内径小于加热部2的中空部2a的内径。因此，连接流路5的流路截面积小于加热部2的中空部2a的截面积。

优选地，加热部2的中空部2a的流路截面积与连接流路5的流路截面积之比，例如为加热部∶连接流路＝10∶1～2∶1的范围。

更具体地，如果在应用于个人电脑CPU的水冷的情况下进行说明，则优选加热部2的中空部2a的内径为3mm～6mm的范围，而且，优选连接流路5的内径为0.5mm～3mm的范围。

加热部2的流路截面积比、内径比或内径如果小于上述范围，则无法充分得到加热部2的蒸发量，或者由于加热部2的液体保持能力低而导致空烧状态，因此，不优选。而且，加热部2的流路截面积比、内径比或内径如果超过上述范围，加热部2内的流体的保有量增多，开始加热之后到产生蒸发的时间增加，而且，在低温的工作流体从冷却部3流入时，蒸发停止，由此导致自激振荡停止，到利用再次加热而开始蒸发的时间变长，不优选。

而且，加热部2与连接流路5的内径互不相同，各个壁厚大致相等，因此，外径也不同。所以，在加热部2与连接流路5之间的接合部8上形成凸缘部9。加热部2和连接流路5通过该凸缘部9相互接合。但是，该构成仅是一个示例。作为其他示例，例如，使加热部2和连接流路5的内径互不相同，使连接流路5的壁厚加厚，使双方的外径大致相等，使加热部2的端面与连接流路5的端面接合。

而且，在图1A～图1C所示的示例中，以接合部8为界，加热部2以及连接流路5的内径急剧变化，但是，也不仅限于本发明，也可以是，使加热部2及连接流路5的内径在接合部8的附近逐渐变化。

如图1A～图1C所示，在加热部2与冷却部3之间，连接流路5形成为直线状。本发明涉及的连接流路5不需要形成环状，只要在热管1工作时，工作流体M能够在直线状的连接流路5中进行往复振荡即可。这里，直线状是指单管结构，而并非是曲折成现有技术那样的环状结构。优选地，连接流路5为大致直线状，但是，在产生自激振荡的范围内，也可以有一些弯曲等。

工作流体M在自激振荡时的振荡幅度根据连接流路5的形状、大小而不同，例如，使加热部2的内径为5mm、连接流路5的内径为2mm、连接流路5的长度为150mm，并加热了加热管2的情况下的振荡幅度为±25～±50mm左右，变得非常大。只要是根据上述振荡幅度适当设计加热部2及连接流路5的长度即可。

芯4只要是能够利用毛细现象输送液态的工作流体即可，现有技术的芯4也可以。芯4可以是铜等导热性好的金属网、玻璃棉、脱脂棉等棉状体等即可。而且，也可以在加热部2的整个长度方向区域内充填芯4。或者，也可以是，只在加热部2的长度方向的一部分(例如长度方向上全长的2/3左右)填充芯4，以使芯4的一端与加热部2和连接流路5的接合部8一致。

可以根据热管1的工作温度适当选择工作流体M。例如，优选地，工作流体M是纯水、乙醇等有机液体、氟等制冷剂、氨等液化气等。

在热管1工作前，优选在连接流路5和加热部2中完全充满预先脱气后的工作流体。通过加热热管1的加热部2，使充满在加热部2的工作流体M气化后形成蒸汽塞B。通过该蒸汽塞B，从加热部2推出工作流体M。工作流体M留在连接流路5中并形成液体塞L。然后，一旦达到稳定状态，在液体塞L的前端的弯月面M中，交替发生工作流体M的蒸发和冷凝。因此，在连接流路5中液体塞L自激振荡。如果目视连接流路5，可以确认形成蒸汽塞B和液体塞L的气液界面的弯月面M在连接流路5内进行往复振荡，由此，可以判断有无自激振荡。

而且，在蒸汽塞B形成时和自激振荡产生时，虽然液体塞L的一部分被向冷却部3(容器3a)顶出，但是，充满容器3a的工作流体M具有自由液面M1，因此，可以吸收被顶出的液体塞L。

上述热管1具有工作流体M、配置于加热部2和冷却部3之间而使工作流体M流通的直线状连接流路5。连接流路5的流路截面积小于加热部2的流路截面积，而且，在加热部2中具有芯4。因此，与现有技术的自激振荡型导热管相比，极大地提高了有效导热率以及最大热传递量。

尤其是，由于在加热部2中具有芯4，从而可以使工作流体M稳定地蒸发，其结果是，更进一步提高有效导热率以及最大热传送量。

而且，上述热管1在水平放置时可以稳定地维持自激振荡。

而且，根据上述热管1，可以直接使加热部2和连接流路5互相连通。因此，每次当液体塞的前端的弯月面M来到加热部2和连接流路5的接合部8时，能够将一部分液体提供给加热部2。由此，能够使加热部2保持工作流体，并使其经常蒸发。从而稳定工作流体并使其自激振荡，提高有效导热率和最大热传送量。

即使1根上述热管1就可以达到很高的性能，但是，如果希望提高热传送量时，可以根据需要增加管的数量，使热设计变容易。

而且，对于现有技术的曲折环形型热管，必须进行多次的弯曲，才能发挥其使用性能，但是，根据上述热管1，不使其曲折，而是为直线状，因此，可以提高有效导热率和最大热传送量。

而且，上述热管1能够适用于CPU等电子元件的冷却。

如图1B示出热管的其他例子。该热管31与图1A所示的热管1的区别点在于冷却部的结构。

如图1B所示的热管31的冷却部33为由硼硅酸玻璃构成的中空圆柱状的玻璃管33a。冷却部33的内径大于连接流路5。在该玻璃管33a的一端上设置有开口部33b，该开口部33b由橡胶制的膜(调整部)34密封。而且，冷却部33中充满工作流体。

而且，在冷却部33的外周具有散热用的鳍35。

根据该热管31，在蒸汽塞B形成时以及自激振荡产生时，液体塞L的一部分被向冷却部33顶出，但是，由于在冷却部33中具有的橡胶制的膜34发生变形，因此，冷却部的内容积实质上增大，并且能够吸收被顶出的液体塞L的容积。在本实施方式中，作为调整部，使用了橡胶制的膜，但是，可以用隔膜(diaphragm)来取而代之。

图1C示出另外一种热管的例子。该热管41与图1B所示的热管31的不同之处是冷却部中具有的调整部的位置。

图1C所示的热管41的冷却部43是由硼硅酸玻璃构成的一端被闭塞的中空圆柱状玻璃管43a。冷却部43的内径大于连接流路5。在该玻璃管43a的侧面设置有开口部43b。该开口部43b由橡胶制的膜(调整部)44密封。然后，在冷却部43中充满工作流体。

而且，在冷却部43的外周上设置有散热用的鳍45。

根据该热管41，与上述的热管31一样，在蒸汽塞B形成时以及自激振荡产生时，液体塞L的一部分被向冷却部43顶出。此时，冷却部43中具有的橡胶制的膜44变形，从而冷却部43的内容积实质上增大，可以吸收被顶出的液体塞L的容积。在本实施方式中，作为调整部使用了橡胶制的膜，但是，可以用隔膜(diaphragm)来取而代之。

下面，结合实施方式更具体地说明本发明。

(自激振荡的观察：实施例1)

通过如图2所示的实验装置评价了热管的特性。

首先，准备作为连接流路5的玻璃管13和作为加热部2的玻璃管12，并使各玻璃管12、13融接(融着)，其中，连接流路5由内径2mm、长250mm的硼硅酸玻璃形成，加热部2由内径5mm、长150mm的硼硅酸玻璃形成。接着，在玻璃管12内壁，安装了由铜网制成的芯14。芯14安装在从融接部开始至长度达100mm的范围内。将安装有芯14的部分作为加热部2。接着，通过由硼硅酸玻璃制成的密封部件11c进行了密封。接着，使作为连接流路的玻璃管13的开放端11b浸渍于水浴21中，用作为工作流体20的纯水充满了玻璃管12、13。由此，制成了实施例1的热管11。

接着，在热管11的加热部2中，在50mm的长度L的范围安装加热器22，并且，大致水平地放置了热管11。而且，浸渍于水浴21中的部分作为热管11的冷却部3。然后，使水浴21的冷却水21a的温度维持在0℃。另一方面，将加热器22的发热量设定成加热部的温度被保持在水的沸点100℃左右并使热管11工作。

当热管11达到稳定状态(最大热传送量50W)之后，用热电偶分别测量了热管11各部分的表面温度和水浴21的冷却水21a的温度。其结果如图3以及图4所示。

在图2～图4中，测量位置TC1的温度为加热部2的温度，是加热器22的安装部分的一端部11a侧的表面温度。测量位置TC2的温度为加热部2的温度，是加热器22的安装部分的另一端部11b侧的表面温度。测量位置TC3的温度为冷却水22a的水温。测量位置TC4的温度为开放端11b的刚刚从出口出来的水温。

由图3～图4可知，TC1以及TC2维持100℃左右，TC3维持0℃左右。另一方面，TC4周期性地具有峰值。峰值的最大温度约为10℃，峰值频率为5Hz。而且，工作流体20的振幅最大为100mm(±50mm)。由此，对于实施例1中的热管11，在正常状态下，观察到了工作流体20的自激振荡。

热传递速度Q以及有效导热率λ_eff的测定

下面，描述实施例1的热管的热传递速度Q(热传送量)和有效导热率λ_eff的关系。在该实验中，适当改变冷却水的水温和加热器的加热温度并进行了测定。而且，通过下式(1)和下式(2)求出了热传递速度Q以及有效导热率λ_eff。结果如图5所示。

另外，在式(1)中，ρ为工作流体20(纯水)的密度，c_p为工作流体20(纯水)的定压比热，V为工作流体20的封入量，ΔT为冷却部的水温在时间Δt内的上升量。

在式(2)中，L_Φ2为加热部全长的二分之一与连接流路全长的合计长度，T_H为加热部的温度，T_L为水浴中冷却水的水温，d_Φ2为连接流路的内径。

【式1】

$Q={(\mathrm{\ρ}\·c_P\·V)}_{\mathrm{water}}\·\frac{\mathrm{\ΔT}}{\mathrm{\Δt}}---\left(1\right)$

【式2】

${\mathrm{\λ}}_{\mathrm{eff}}=\frac{Q\·L_{\mathrm{\φ}2}}{(T_H-T_L)\·\mathrm{\π}/4\·{d_{\mathrm{\φ}2}}^2}---\left(2\right)$

(实施例2)

接下来，除了使加热侧的管以及冷却侧的管的材质为石英玻璃以外，与实施例1一样地制造了实施例2的热管。然后，与实施例1一样，研究了实施例2的热管的热传递速度Q和有效导热率λ_eff的关系。结果如图5所示。

(比较例1)

除了使加热侧的管以及冷却侧的管的材质为石英玻璃并且不设置芯之外，与实施例1一样地制造了比较例1的热管。然后，与实施例1一样地，研究了比较例1的热管的热传递速度Q和有效导热率λ_eff的关系。结果如图5所示。

(比较例2)

准备内径5mm、长度400mm的由石英玻璃构成的玻璃管，并在该玻璃管的中空部的内壁面上安装了由铜网形成的芯。接着，由密封部件密封了管的一端。然后，用工作流体20(纯水)充满了中空部。由此，制成比较例2的热管11。

然后，与实施例1同样地，描述比较例2的热管的热传递速度Q和有效导热率λ_eff的关系。结果如图5所示。

(比较例3)

接着，除不设置芯之外，与比较例2一样地制成了比较例3的热管。然后，与实施例1一样地，研究了比较例3的热管的热传递速度Q和有效导热率λ_eff的关系。结果如图5所示。

(评价)

如图5所示可知，实施例1的热管热传递速度最大为33W，而且，有效导热率λ_eff最大为36000W/(m·K)。

而且，实施例2的热管在与实施例1相同的热传递速度下，为相同程度的有效导热率λ_eff。

另一方面，比较例1～3的热管，热传递速度最大为小于等于10W，有效导热率λ_eff最大为100W/(m·K)，与实施例1～2相比，可判定热传递速度Q和有效导热率λ_eff大幅降低。

从实施例1～2的结果可知，将内径不同的2根管接合，并在管的中空部封入工作流体，从而可以构成自激振荡热管，即使水平放置该热管，也能够发现自激振荡。

可以判定，在将内径不同的两根管接合并构成自激振荡热管(实施例1～2)中，热传递速度Q和有效导热率λ_eff的相关变高，并直线增加。而且，在实施例1中，有效导热率λ_eff最大增加到约40000W/(m·K)，但是，将该值与导热率较高的铜(导热率400W/(m·K))相比，有效导热率提高到100倍。

而且，如图3～4所示，可知加热部的温度(TC1、TC2)维持在工作流体(纯水)的沸点附近。此次使用了纯水，所以，加热部的温度为100℃附近，但只要根据冷却对象的容许温度选定合适的工作流体，就能够实现高效的导热。

另外，在上述实施例1中，有效导热率的最大值约为40000W/(m·K)左右，热传递速度的最大值约为50W，但是，该值并不是临界值，根据实验条件的改变，可能会得到更好的结果。

图6是为实施例1的热管的热传递特性的实验值和现有技术的热管(调整管)的热传递特性理论值的比较图，针对各热管，示出热传递速度Q和有效导热率λ_eff的关系。

该现有技术的热管是使管内的液体强制振荡从而在轴方向上传递热的类型的热管(调整管)。调整管(ドリ一ムパィプ)的有效导热率λ_eff由下式(3)和下式(4)算出。

【式3】

${\mathrm{\λ}}_{\mathrm{eff}}=\mathrm{\λ}\{1+\frac{2.12+\mathrm{\α}}{1.14(1+{\mathrm{Pr}}^{-1})(1+{\mathrm{Pr}}^{-1/2})}{\left(\frac{S}{r}\right)}^2\}---\left(3\right)$

【式4】

$\mathrm{\α}=r\sqrt{\frac{2\mathrm{\πf}}{\mathrm{\υ}}}---\left(4\right)$

此处，λ：流体的导热率，Pr：普朗特数，r：管内径，υ：水的运动粘度，f：振荡数，S：振幅。该现有技术的调整管是不具有比加热部2直径小的连接流路5的单一直径管式。

如图6所示，实施例1的热管的有效导热率为现有技术的热管的约10倍，非常大。产生该效果的原因之一是，在实施例1中的热管中，玻璃管13的开放端11b向水槽中开放，因此可以认为，每次在工作流体M振荡时，玻璃管13中的工作流体M与水浴21中的低温液体替换。

产业上的可利用性

根据本发明的自激振荡热管，可以提供一种不需要使管曲折、且即使水平放置也可以发挥很高的热传递能力的自激振荡热管。

Claims (4)

1.一种自激振荡热管，其特征在于，包括：

单一的加热部，所述加热部内部具有芯；

单一的冷却部，充满有工作流体；

连接流路，直线状地直接连接所述加热部以及所述冷却部，并具有小于所述加热部的流路截面积的流路截面积；

液体塞，从所述冷却部突出至所述连接流路内，包括所述工作流体；以及

所述加热部中的蒸汽塞，具有已气化的所述工作流体，其中，所述液体塞在所述连接流路内自激振荡。

2.根据权利要求1所述的自激振荡热管，其特征在于，充满在所述冷却部中的所述工作流体具有不受内压约束的自由液面。

3.根据权利要求1所述的自激振荡热管，其特征在于，所述冷却部具有开口部，在所述开口部上设置有用于调整所述冷却部的内容积的调整部。

4.根据权利要求1所述的自激振荡热管，其特征在于，所述加热部的截面积与所述连接流路的截面积之比为10∶1～2∶1。

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