CN105091643B - 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的金属管，并分别于多个蛇状金属管的两端，各设置一独立的腔室，分别将多个蛇状金属管的两端连通于独立的腔室内，以围绕成一开放式的回路，使得工作流体相互交叉流动以增大多管体当中的驱动力，因而增进散热效果，并成功地克服传统脉冲型热管的水平，负角度及低温无法启动的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种做散热用的热管，尤其涉及一种分别于多个蛇状金属管的两端，各设置一独立的腔室，分别将多个蛇状金属管的两端连通于独立的腔室内，以围绕成一开放式的回路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，特别是在个人电脑以及笔记型电脑之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、散热模块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结而成。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。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。本案申请人在中国台湾申请案号102131568虽已克服水平或负角度无法启动的问题，但仍无法解决低温无法启动的问题。
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)，或是低温时该热管将无法运作的问题，本发明的目的在于提供一种脉冲型多管式热管，为具有脉冲型作用的热管，能够使得工作流体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，并成功地克服传统脉冲型热管的水平，负角度及低温无法启动的问题。
本发明提供的脉冲型多管式热管包含：利用互相并行且弯曲成多个蛇状的金属管，并分别于多个蛇状金属管的两端，分别各设置一独立的腔室，分别将多个蛇状金属管的两端连通于独立的腔室内，以围绕成一开放式的的回路。
本发明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，及在低温状态下，皆可完成传热的效果。本发明实施例包括多个相同管径的蛇形金属管，亦可使用多个不相同管径的蛇形金属管，并分别在多个金属管的两端设有多个腔室，各自将该多蛇形金属管连通。
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2A,2B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6A,6B为本发明第6实施例的脉冲型热管的示意图；
图7为本发明第7实施例的脉冲型热管的示意图；
图8为本发明第8实施例的脉冲型热管的示意图；
图9为中国台湾申请案号102131568与本发明的水平操作特性比较表；
图10为中国台湾申请案号102131568与本发明的负90度操作特性比较表。
其中，附图标记
脉冲型多管式热管：1、2、3、4、5、6、7、8
金属管：11、12、21、22、31、32、41、42、43、51、52、53、61、62、63、71、72、81、82
蛇形回路：13、73、74
腔室：14,18,24,28
受热区：15、75
冷凝区：16、76、77
隔板：17
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为本发明第一实施例，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，并各自围绕成一开放系统，且两个相同管径的金属管11、12互相并行，并使用二个独立的腔室14,18将该两个金属管11、12连通形成一种脉冲型热管1，其中该二个独立腔室14,18系在一腔室内使用一隔板17，将该腔室隔开形成二个独立腔室14,18，该二个独立腔室14,18不在同一腔室内，且亦可使用二个分离的腔室形成二个独立腔室14,18。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14,18的位置不限定在冷凝区，在脉冲型热管1的其他位置，或该两个金属管11、12连接于二个独立的腔室14,18的不同侧，亦在本专利范围内。
图2A,2B为本发明第二实施例，揭示第二种脉冲型多管式热管2，请参照图1为本发明第一实施例，除了该两个独立的腔室24,28分别设在金属管21、22的两端连通成脉冲型热管2，该两个独立的腔室24,28，是不在同一腔室内，且分别设置在金属管21、22的上端，其余均相同，故不再说明。
图3为本发明第三实施例，揭示第三种脉冲型多管式热管3，请参照图1为本发明第一实施例，除了使用两个不相同管径的金属管31、32，分别使用两个独立腔室14,18，将该两个金属管31、32脉冲型热管连通成脉冲型热管3，其余均相同，故不再说明。
图4为本发明第四实施例，揭示第四种脉冲型多管式热管4，请参照图2A,2B为本发明第二实施例，除了使用两个不相同管径的金属管41、42，分别使用两个独立腔室24,28，将该两个金属管41、42脉冲型热管连通成脉冲型热管4，其余均相同，故不再说明。
图5为本发明第五实施例，揭示第五种脉冲型多管式热管4，请参照图1为本发明第一实施例，除了使用三个相同管径的金属管51、52、53所形成脉冲型热管5，其余均相同，故不再说明，惟本实施例使用管径不相同，或使用二个分离的腔室将该三个脉冲型热管连通，亦在本专利范围内。
图6为本发明第六实施例，揭示第六种脉冲型多管式热管6，请参照图2A,2B为本发明第二实施例，除了使用三个相同管径的金属管61、62、63所形成脉冲型热管6，其余均相同，故不再说明，惟本实施例使用管径不相同，亦在本专利范围内。
图7为本发明第七实施例，揭示第七种脉冲型多管式热管7，由两个不相同管径尺寸的金属管71、72所形成，每个金属管的一端包含多个蛇形回路73、74，并各自围绕成一开放式系统，且该多个蛇形回路73、74分别在脉冲型热管7的一端，并于金属管71、72的另一端分别使用两个独立腔室14,18将该两个脉冲型热管连通形成一种脉冲型多管式热管7，其中该些金属管71、72分别位在两个独立腔室14,18的两端，不互相并行，且该两个独立腔室14,18不在同一腔室内。该脉冲型热管7的中间部份75为受热区(亦可为冷凝区)，该多个蛇形回路73、74分别在脉冲型热管7的一端76、77分别为冷凝区(亦可为受热区)，惟本实施例使用相同管径，亦在本专利范围内。
图8为本发明第八实施例，揭示第八种脉冲型多管式热管8，请参照图7为本发明第七实施例，除了该两个独立腔室14,18分别设置在金属管81、82的两端连通成脉冲型热管8，该两个独立的腔室14,18，是不在同一腔室内,且分别设置在金属管81、82的两端，在一段距离设置，其余均相同，故不再说明，惟本实施例使用相同管径，亦在本专利范围内。
上述脉冲型热管1内的工作流体由腔室14,18上开一注入口注入，当工作流体注入完毕后，再将注入封住，本发明的脉冲型热管内的工作流体填充率为30～80％(体积比),体积比为管内填充该工作流体的体积与管内未填充工作流体时的管内体积的百分比。工作流体注入前，需从注入口将流道系统抽真空，其余上述七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，并非表示其为剖面结构，同理，图2A至图8的金属管分别具有的双斜线也是为了明确区别不同金属管。
上述两个独立腔室14,18与金属管连通方式，为将该两个脉冲型热管连通形成一种脉冲型热管的结构，先于两个独立腔室14,18两端部开设圆孔，该金属管两端再分别经该圆孔置入腔室14,18内部后再焊接。此外，例如当金属管11、12的管径为D时，腔室14,18的宽度(图中未示出)与高度H分别为2D到10D，因至少有两个金属管，故腔室14,18的宽度与高度至少为2D，也可使用多个金属管，但腔室14,18的体积越大型，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，所以腔室14,18的宽度与高度最好不要超过10D，而长度L1为2D到20D，因腔室14,18的长度较不影响散热模块的配置，故其长度可较宽度与高度大，管径D可为0.1到8.0mm，因管径D太小不易制作，故至少为0.1mm，管径D太大则毛细作用差，所以管径D最好不要超过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。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，请参考图2A中与独立腔室24连通的金属管21工作流体产生的压力大于金属管22工作流体产生的压力,使得位于最左边金属管21内的工作流体往上流动，位于最左边金属管22内的工作流体往下流动，多个蛇状金属管22内的工作流体流动方向如箭头方向所示，再请参考图2B中与独立腔室24连通的金属管21工作流体产生的压力小于金属管22工作流体产生的压力,使得位于最左边金属管21内的工作流体往下流动，位于最左边金属管22内的工作流体往上流动，多个蛇状金属管22内的工作流体流动方向如箭头方向所示，其工作流体流动方向与图2A相反；再参考图6A中与独立腔室24连通的金属管61工作流体产生的压力大于金属管62,63工作流体产生的压力,使得位于最左边金属管61内的工作流体往上流动，位于最左边金属管21内的工作流体往下流动，多个蛇状金属管62,63内的工作流体流动方向如箭头方向所示，再请参考图6B中与独立腔室24连通的金属管61工作流体产生的压力小于金属管62,63工作流体产生的压力,使得位于最左边金属管61内的工作流体往下流动，位于最左边金属管62,63内的工作流体往上流动，多个蛇状金属管62,63内的工作流体流动方向如箭头方向所示，其工作流体流动方向与图6A相反，故造成脉冲型多管式热管1至8内的工作流体交叉流动，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。其余上述七种实施例的连通方式及工作流体交叉流动原理亦相同。
【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封闭式脉冲型多管式热管与一本发明的开放脉冲型多管式热管。该脉冲型多管式热管皆先抽真空，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。接着该脉冲型多管式热管，分别施以不同的热量(Qin)，并调整该脉冲型多管式热管的角度，以量测受热端(TH)与散热端(TL)的温度，最后藉由热阻(Rth)计算公式：
Rth＝(TH-TL)/Qin，由此公式可知受热端(TH)与散热端(TL)的温度差愈小，则热阻(Rth)就愈小；再由冷凝流体带走的热量Qout计算公式：Qout＝(m/t)x(Cp)x(Tin-Tout),其中Qout为冷凝流体带走的热量，(m/t)为质量流率(Kg/S)，(Cp)为冷凝流体比热(J/Kg-℃)，(Tin-Tout)为冷凝流体入出口温度差(℃),由此公式可知Qout愈大则该脉冲型多管式热管效率愈好。
在各操作角度下，量测计算冷凝流体带走的热量Qout与量测受热端(TH)与散热端(TL)的温度，藉以可比较脉冲型多管式热管的性能。在图，分别为本案申请人在中国台湾申请案号102131568与本发明的水平操作特性比较表,其中Qout为冷凝流体带走的热量，ΔT为受热端(TH)与散热端(TL)的温度差，Tavg,h为受热区的平均温度，可知在受热区的平均温度Tavg,h＝45℃时，封闭式脉冲型多管式热管在低温(45℃)无法启动，但本发明的开放脉冲型多管式热管低温(45℃)可启动，其中Qout≒35W，ΔT≒7℃；在图10，分别为本案申请人在中国台湾申请案号102131568与本发明的负90度操作特性比较表，亦可知封闭式脉冲型多管式热管在低温(45℃)无法启动，但本发明的开放脉冲型多管式热管低温(45℃)可启动，其中Qout≒28W，ΔT≒4℃。
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90度(蒸发端在上，冷凝端在下)及低温可启动，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 (20)
1.一种脉冲型多管式热管，其特征在于，包括：
至少二个独立且互相并行的金属管，每一该金属管包含多个蛇形回路并各自围绕成一开放系统；以及
至少二个独立的腔室，分别与每一该金属管的两端连通形成一种脉冲型多管式热管；
其中，该至少二个独立且互相并行的金属管连通后产生不平衡的体积充填量，并且该充填量会产生交叉流动以实现动态的变化、交替。
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，该二个独立的腔室为不在同一腔室内，其宽度与高度为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，该二个独立腔室是在一腔室内使用一隔板形成二个独立腔室。
7.根据权利要求1所述的脉冲型多管式热管，其特征在于，该二个独立腔室是不在同一腔室内，且分别设置在该二个独立金属管的上端。
8.根据权利要求1所述的脉冲型多管式热管，其特征在于，该至少二个金属管内填充工作流体，该工作流体受热时，于水平、负90度或低温状态下操作。
9.根据权利要求1所述的脉冲型多管式热管，其特征在于，该至少二个金属管内的工作流体填充率为体积比30～80％。
10.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一端为受热区，另一端为冷凝区。
11.一种脉冲型多管式热管，其特征在于，包括：
至少二个独立金属管，每一该金属管分别具有多个蛇形回路并各自围绕成一开放系统；
至少二个独立的腔室，分别与每一该金属管的两端连通形成一种脉冲型多管式热管，其中该金属管的该蛇形回路分别位于该腔室的相对两侧；
其中，该至少二个独立的金属管连通后产生不平衡的体积充填量，并且该充填量会产生交叉流动以实现动态的变化、交替。
12.根据权利要求11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。
13.根据权利要求11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。
14.根据权利要求11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。
15.根据权利要求11所述的脉冲型多管式热管，其特征在于，该独立的腔室为不在同一腔室内，其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。
16.根据权利要求11所述的脉冲型多管式热管，其特征在于，该二个独立腔室是在一腔室内使用一隔板形成二个独立腔室。
17.根据权利要求11所述的脉冲型多管式热管，其特征在于，该二个独立腔室是不在同一腔室内，且分别设置在该二个独立金属管的上端。
18.根据权利要求11所述的脉冲型多管式热管，其特征在于，该至少二个金属管内填充工作流体，该工作流体受热时，于水平、负90度或低温状态下操作。
19.根据权利要求11所述的脉冲型多管式热管，其特征在于，该至少二个金属管内的工作流体填充率为体积比30～80％。
20.根据权利要求11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中间为受热区，另两端分别为冷凝区。
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