CN104422319A - 脉冲型多管式热管 - Google Patents

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Abstract

一种脉冲型多管式热管，利用互相并行且弯曲成多个蛇状回路的多管体当中，藉由接上截面大于该多管体的总截面的至少一腔室，或在多管当中，设置面对面相邻管壁上的两相连通的至少一对穿孔，使得流动于多管体当中的工作流体，因经由该些腔室或该些相连通的穿孔，而相互交叉流动以增大多管体当中的压力差，因而增进散热效果并成功地克服传统单管式热管的水平启动问题。

Description

脉冲型多管式热管
技术领域
本发明涉及一种做散热用的热管，尤其涉及一种配置有截面大于该多管的总截面的至少一腔室，或设置有至少一对穿孔的一种脉冲型多管式热管。
背景技术
热管具有良好的热传性能，因此被广泛地应用在电子元件的散热，特别是在个人计算机以及笔记型计算机的中几乎都可以看见热管的运用。通常，面临平面发热形式的散热需求时，设计上必须同时采用多支热管，方能满足散热的需求。可是，多支热管的使用会造成散热设计、散热模组组装与制作上的困难。因此，面对平面放置发热形式的散热要求时，平板型热管(Vapor Chamber)会是较传统热管为合适的传热元件。
运用具有毛细作用的平板型热管，其困难在于毛细作用的结构烧结制作，其主要原因如下：1、平板型热管越大型，毛细作用结构的均匀度越难以控制，因而容易导致性能不稳定；2、平板型热管越大型，用于烧结毛细作用结构的烧结炉也必须加大，从而导致成本增加，量产速度降低；3、退火后的平板型热管，其管壁强度大幅降低，因而可能导致其管壁不具可因应内外部压力变化所需的强度。既然因为毛细作用结构的烧结，会衍生出许多制作上的问题，因此具有震荡式或脉冲型(pulsating heat pipe or oscillating heat pipe)作用的热管便成为平面传热的另一种选择。
现有的脉冲型热管的整体结构相当简单，其是由单管的细管连接而成。脉冲型热管的驱动力是藉由较小的管径所产生的毛细作用力、工作液体所受的重力以及受热产生的汽泡压力来使热管产生动作。然而传统单管脉冲型热管，其毛细作用力是相当有限的，因此传统脉冲型热管的运作主要还是利用重力。由于传统脉冲型热管的运作主要靠的是重力，因此当热管处于水平或是受热端高于散热端的状况时，热管将无法运作。虽然Shafii等人发表的论文，使用磁性流体并辅以外部磁场控制、中国台湾I387718号专利，及其他文献记载使用止回阀的装置，可改善水平启动，却无法解决负角度启动的问题，但因受到重力影响时，工作流体不易流回蒸发段，而使脉冲型热管失效，故无法解决负角度启动的问题，且热阻无法获得改善。此一使用上的限制构成脉冲型热管运用在平面传热要求的一主要的挑战。
发明内容
本发明为了解决单管脉冲型热管处于水平或是受热端高于散热端的状况时(负角度)，该热管将无法运作的问题，提供一种脉冲型多管式热管，为具有脉冲型作用的热管。
为达上述目的，本发明提供一种脉冲型多管式热管，其包括：
至少二个金属管，分别具有多个蛇形回路，且互相并行；以及
至少一个腔室，与至少二个金属管的两端连通形成一种脉冲型多管式热管。
为达上述目的，本发明提供一种脉冲型多管式热管，其包括：
至少二个金属管，分别具有多个蛇形回路；
至少一个腔室，与至少二个金属管的两端连通形成一种脉冲型多管式热管，其中该些金属管分别位在腔室的两端，且不互相并行。
为达上述目的，本发明提供一种脉冲型多管式热管，其包括至少二个金属管，其一端分别具有多个蛇形回路，且互相并行，在该至少二个金属管另一端平行相叠同一位置的管壁，分别形成一穿孔，然后再将该金属管于穿孔两端相叠管壁处，将该至少二个金属管焊接，且该穿孔与该至少二个金属管连通，形成一脉冲型多管式热管。
本发明提供的脉冲型多管式热管，包含：多根金属管所形成，每根金属管包含多个蛇形回路，并各自围绕成一封闭系统；并使用一个或多个腔室将该多个脉冲型热管连通，或在多管式热管在面对面相邻位置，分别形成多个穿孔，再将多管式热管于多个穿孔两端位置焊接，通过多根金属管连通的方式，产生不平衡的体积充填量，并且在作动时，该充填量会产生交叉流动作动态的变化、交替，在负90度操作下，亦即蒸发端在上，冷凝端在下的操作状态亦可作动，完成传热的效果。本发明实施例包括多个相同管径的蛇形回路，并分别有一个或多个腔室将该多个脉冲型热管连通，亦可使用多个不相同管径的蛇形回路，并分别有一个或多个腔室将该多个脉冲型热管连通。
通过多根金属管连通的方式，产生不平衡的体积充填量，并且在作动时，该充填量会产生交叉流动作动态的变化、交替，在负90度操作下，亦即蒸发端在上，冷凝端在下的操作状态亦可作动，完成传热的效果。本发明实施例包括多个相同管径的蛇形回路，并分别有一个或多个腔室将该多个脉冲型热管连通，亦可使用多个不相同管径的蛇形回路，并分别有一个或多个腔室将该多个脉冲型热管连通。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1为本发明第1实施例的脉冲型热管的示意图；
图2为本发明第2实施例的脉冲型热管的示意图；
图3为本发明第3实施例的脉冲型热管的示意图；
图4为本发明第4实施例的脉冲型热管的示意图；
图5为本发明第5实施例的脉冲型热管的示意图；
图6为本发明第1实施例腔室与金属管连通方式；
图6A～图6C为图6实施例的工作流体的流动状态；
图7为本发明第6实施例无腔室连通管方式；
图7A为本发明无腔室连通管方式另一实施例；
图8为本发明一实施例的脉冲型热管水平放置的热阻曲线图；
图9为本发明一实施例的脉冲型热管负90度放置的热阻曲线图；
图10为本发明一实施例的脉冲型热管正90度，负90度及负45度放置的热阻曲线图。
其中，附图标记
脉冲型多管式热管：1、2、3、4、5
金属管：11、12、21、22、31、32、41、42、43、51、52、61、62
蛇形回路：13、53、54
腔室：14、33、34、55
受热区：15、56
冷凝区：16、57、58
穿孔：63、64、65
管径：D
高度：H
腔室的长度：L1
穿孔的长度：L2
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：
图1发明本发明第一实施例，揭示一种脉冲型多管式热管1，为具有脉冲型作用的热管，包含：两个相同管径的金属管11、12所形成，每个金属管11、12的一端包含多个蛇形回路13，并各自围绕成一封闭系统，且两个相同管径的金属管11、12互相并行，并使用一个腔室14将该两个金属管11、12连通形成一种脉冲型热管1。该脉冲型热管1的一端15为受热区(亦可为冷凝区)，另一端16为冷凝区(亦可为受热区)，且腔室14的位置不限定在冷凝区，在脉冲型热管1的其他位置，亦在本专利范围内。
图2发明本发明第二实施例，揭示第二种脉冲型多管式热管2，请参照图1发明本发明第一实施例，仅两个金属管21、22的管径不相同而已，其余均相同，故不再说明。
图3发明本发明第三实施例，揭示第三种脉冲型多管式热管3，请参照图1发明本发明第一实施例，仅两个相同管径的根金属管31、32使用两个腔室33、34，将该两个金属管31、32脉冲型热管连通不相同而已，其余均相同，故不再说明，惟本实施例使用管径不相同，或使用三个以上腔室将该两个金属管31、32脉冲型热管连通，或两个腔室33、34在脉冲型热管1的其他位置，亦在本专利范围内。
图4发明本发明第四实施例，揭示第四种脉冲型多管式热管4，请参照图1发明本发明第一实施例，仅三个相同管径的金属管41、42、43所形成脉冲型热管4不相同而已，其余均相同，故不再说明，惟本实施例使用管径不相同，或使用二个以上腔室将该三个脉冲型热管连通，亦在本专利范围内。
图5发明本发明第五实施例，揭示第五种脉冲型多管式热管5，由两个不相同管径尺寸的金属管51、52所形成，每个金属管的一端包含多个蛇形回路53、54，并各自围绕成一封闭系统，且该多个蛇形回路53、54分别在脉冲型热管5的一端，并于金属管51、52的另一端使用一个腔室55将该两个脉冲型热管连通形成一种脉冲型热管5，其中该些金属管51、52分别位在腔室55的两端，不互相并行。该脉冲型热管5的中间部分56为受热区(亦可为冷凝区)，该多个蛇形回路53、54分别在脉冲型热管5的一端57、58分别为冷凝区(亦可为受热区)，本实施例使用相同管径，或使用二个以上腔室将该两个脉冲型热管连通，亦在本发明范围内。上述脉冲型热管1内的工作流体由腔室14上开一注入口注入，当工作流体注入完毕后，再将注入封住。工作流体注入前，需从注入口将流道系统抽真空，其余上述四种实施例的工作流体充填方式亦相同。
必须说明的是，上述图1所示金属管11、12分别具有不同方向的双斜线，是为了明确区别金属管11、12，并非表示其为剖视结构，同理，图2至图5的金属管21、22、41、42、43、51、52分别具有的双斜线也是为了明确区别不同金属管。
图6为上述第一实施例腔室14与金属管11，12连通方式，为将该两个脉冲型热管连通形成一种脉冲型热管1的结构，先于腔室14两端部开设圆孔，该金属管11、12两端，再分别经该圆孔置入腔室14内部后再焊接。此外，例如当金属管11、12的管径为D时，腔室14的宽度(图中未示出)与高度H分别为2D到10D，而长度L1为2D到20D，D可例如为0.1到8.0mm。当脉冲型热管1的受热区15(请参阅图1)受热时，工作流体会蒸发而增加蒸汽压力，进而推动工作流体的流动。高温高压的工作流体将会流至冷凝区16(请参阅图1)，亦即将热由高温的受热区15送至低温的冷凝区16，以达到热量传递的效果。本发明的工作流体流动状态请参阅图6A～图6C为于金属管11、12内标示网点的部分示意工作流体，而中空箭头示意工作流体流向。如图6A所示，当金属管11、12右边工作流体的压力大于左边工作流体的压力，将使得在腔室14内部的工作流体经过腔室分别往金属管11、12左边流动。当金属管11、12左边工作流体的压力大于右边工作流体的压力，将使得在腔室14内部的工作流体经过腔室分别往金属管11、12右边流动，如图6B所示。另一种状况当金属管12左右两边及金属管11左边的工作流体的压力大于金属管11右边工作流体的压力时，将造成腔室14内部的工作流体经过腔室分别往金属管11右边流动，如图6C所示。如此，可使得金属管11、12工作流体产生的压力差大于单管的压力差，造成工作流体交叉流动，使流体随机分布，形成非均匀充填量，产生不平衡的力，成功地克服脉冲型热管水平启动问题。并且可操作在负90度状态（蒸发端在上，冷凝端在下），使其缺乏重力辅助工作流体回流至蒸发端，亦可作动。其余上述四种实施例的腔室1与金属管11，连通方式及工作流体交叉流动原理亦相同。
图7为第六实施例无腔室连通管方式，将上述图6腔室14与金属管11、12连通方式，省略腔室14与金属管11、12连通的方式。如图7所示，而在金属管61、62在面对面相邻位置，先将金属管61、62分别形成两穿孔63、64，再将金属管61、62于该位置焊接。又如图7A为本发明无腔室连通管方式另一实施例，该穿孔63、64。亦可在金属管61、62在面对面相邻位置的外侧，使用钻头钻成一穿孔65后，再于金属管61、62于该位置的管壁，钻成两穿孔63、64，再使用相同方法焊接，并将穿孔65焊接封闭，且该穿孔63、64处与该至少二个金属管连通，形成一脉冲型多管式热管，其工作流体交叉流动原理与图6所述者相同。上述图1至图5的五个实施例，均可使用本实施例无腔室连通管方式，可省略腔室14与金属管11、12的连通方式。此外，例如当金属管61、62的管径为D时，穿孔63、64的长度L2为2D到20D，D可例如为0.1到8.0mm。
上述图1至图7A实施例，以图2为最佳实施例，如在平板上刻槽方式形成相似的管路，亦在本发明范围内。
【实验范例】
在本实验范例中，分别以图1实施例的结构制作一传统脉冲型单管式热管与一本发明的脉冲型多管式热管。本发明的脉冲型多管式热管与传统脉冲型单管式热管皆抽真空，然后再分别填充约占总流道系统体积百分的60的工作流体。接着，再对本发明的脉冲型多管式热管与传统脉冲型单管式热管分别施以不同的热量(Qin)，并调整本发明的脉冲型多管式热管与传统脉冲型单管式热管的角度，以量测本发明的脉冲型多管式热管与传统脉冲型单管式热管的受热端(TH)与散热端(TL)的温度，最后藉由热阻(Rth)计算公式：
Rth＝(TH-TL)/Qin
计算在各操作角度下，本发明的脉冲型多管式热管与传统脉冲型单管式热管的热阻与加热量时间及等效热传导系数keff(W/mK)的曲线，藉以比较两者的性能。
图8，图9及图10分别为传统脉冲型单管式热管与本发明一实施例的脉冲型热管在各角度的热阻曲线图，横坐标为加热时间(秒)，纵坐标为热阻(℃/W)。从图8可发现，传统脉冲型单管式热管在水平放置，即操作角度为0度时，不论加热量时间，其热阻无甚变化，且均在7℃/W以上，无法发挥其散热功能，传统非均匀流道脉冲型单管式热管在水平放置时，热阻均在0.5-0.7℃/W，热传导系数平均值kavg为4240(W/mK)（其中，W代表热功率单位，m代表长度单位米（公尺），而K代表绝对温度单位），相较地，本发明的脉冲型多管式热管在水平放置时，其热阻0.07-0.4℃/W，热传导系数平均值kavg为5524(W/mK)，从图9可发现，传统非均匀流道脉冲型单管式热管在负90度放置时，平均热阻均在6.4℃/W，且温度不改变，亦即传统非均匀流道脉冲型单管式热管在负90度放置时，无法作动产生散热效果，本发明的脉冲型热管在负90度放置时，其平均热阻才0.16℃/W，且温度上下震荡，证明本发明的脉冲型热管在负90度放置时，仍然作动产生传热效果。图10显示本发明的脉冲型多管式热管在正90度，负90度及负45度放置时，热阻变化均小于20%，重力影响散热效果很小。此外，本发明的脉冲型热管内的工作流体填充率为30～80%(体积比)。
综上所述，本发明的脉冲型热管由于通过多管连通的方式，产生不平衡的体积充填量，并且在作动时，该充填的工作流体在金属管体内会起动态的变化、交替，可长时间处于作用力的不平衡状态，使得本发明的脉冲型热管可在水平、负角度作动。
本发明利用多个脉冲型热管，并使用一个或多个腔室将该多个脉冲型热管连通，当该热管启动时，使流体产生不平衡的力，即使只有少量弯头，亦可使流体持续作动进行蒸发、冷凝，不仅成功克服脉冲型热管水平启动问题。多个脉冲型热管在少弯头数，在负90度操作下，亦即蒸发端在上，冷凝端在下时，操作状态亦可作动，完成传热的效果。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (24)

1.一种脉冲型多管式热管，其特征在于，包括：
至少二个金属管，分别具有多个蛇形回路，且互相并行；以及
至少一个腔室，与至少二个金属管的两端连通。
2.根据权利要求1所述的脉冲型多管式热管，其特征在于，该至少二个金属管的管径相同。
3.根据权利要求1所述的脉冲型多管式热管，其特征在于，该至少二个金属管的管径不相同。
4.根据权利要求1所述的脉冲型多管式热管，其特征在于，该至少二个金属管的管径为0.1到8.0mm。
5.根据权利要求1所述的脉冲型多管式热管，其特征在于，该腔室的宽度与高度为2D到10D，长度为2D到20D，其中，D为该金属管的管径。
6.根据权利要求1所述的脉冲型多管式热管，其特征在于，该脉冲型多管式热管内填充工作流体，该工作流体受热时，能够在水平或负90度状态下操作。
7.根据权利要求6所述的脉冲型多管式热管，其特征在于，该脉冲型多管式热管内的工作流体填充率，其体积比为30～80%。
8.根据权利要求1所述的脉冲型多管式热管，其特征在于，该多个蛇形回路的一端为受热区，另一端为冷凝区。
9.一种脉冲型多管式热管，其特征在于，包括：
至少二个金属管，分别具有多个蛇形回路；
至少一个腔室，与至少二个金属管的两端连通形成一种脉冲型多管式热管，其中该些金属管分别位在腔室的两端，且不互相并行。
10.根据权利要求9所述的脉冲型多管式热管，其特征在于，该至少二个金属管的管径相同。
11.根据权利要求9所述的脉冲型多管式热管，其特征在于，该至少二个金属管的管径不相同。
12.根据权利要求9所述的脉冲型多管式热管，其特征在于，该至少二个金属管的管径为0.1到8.0mm。
13.根据权利要求9所述的脉冲型多管式热管，其特征在于，该腔室的宽度与高度为2D到10D，长度为2D到20D，其中，D为该金属管的管径。
14.根据权利要求9所述的脉冲型多管式热管，其特征在于，该脉冲型多管式热管内填充工作流体，该工作流体受热时，可在水平或负90度状态下操作。
15.根据权利要求14所述的脉冲型多管式热管，其特征在于，该脉冲型多管式热管内的工作流体填充率，其体积比为30～80%。
16.根据权利要求9所述的脉冲型多管式热管，其特征在于，该多个蛇形回路的中间为受热区，另两端分别为冷凝区。
17.一种脉冲型多管式热管，其特征在于，包括至少二个金属管，其一端分别具有多个蛇形回路，且互相并行，在该至少二个金属管另一端平行相叠同一位置的管壁，分别形成一穿孔，然后再将该金属管于穿孔两端相叠管壁处，将该至少二个金属管焊接，且该穿孔与该至少二个金属管连通，形成一脉冲型多管式热管。
18.根据权利要求17所述的脉冲型多管式热管，其特征在于，该至少二个金属管的管径相同。
19.根据权利要求17所述的脉冲型多管式热管，其特征在于，该至少二个金属管的管径不相同。
20.根据权利要求17所述的脉冲型多管式热管，其特征在于，该至少二个金属管的管径为0.1到8.0mm。
21.根据权利要求17所述的脉冲型多管式热管，其特征在于，该穿孔的长度为2D到20D，其中，D为该金属管的管径。
22.根据权利要求17所述的脉冲型多管式热管，其特征在于，该脉冲型多管式热管内填充工作流体，该工作流体受热时，能够在水平或负90度状态下操作。
23.根据权利要求22所述的脉冲型多管式热管，其特征在于，该脉冲型多管式热管内的工作流体填充率，其体积比为30～80%。
24.根据权利要求17所述的脉冲型多管式热管，其特征在于，该多个蛇形回路的一端为受热区，另一端为冷凝区。
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