CN105814389A - 环型热管及其制造方法、以及电子设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供不产生由工作流体的逆流导致的热输送性能的降低且能够薄型化的环型热管及其制造方法、以及电子设备。环型热管(22)具有：蒸发器(23)，其使工作流体(C)气化；冷凝器(24)，其将工作流体(C)液化；液管(26)，其连接蒸发器(23)和冷凝器(24)；支柱状的多孔体(36)，其被设置于液管(26)内；以及蒸气管(25)，其连接蒸发器(23)和冷凝器(24)，并与液管(26)共同形成环。

Description

环型热管及其制造方法、以及电子设备
技术领域
本发明涉及环型热管及其制造方法、以及电子设备。
背景技术
随着高度信息化社会的到来，智能手机、平板终端等那样的移动型的电子设备正在普及。因为移动型的电子设备为了携带变得容易而被薄型化，所以难以设置用于冷却CPU(CentralProcessingUnit：中央处理单元)等发热部件的送风风扇。
作为冷却发热部件的方法，例如存在利用导热率良好的金属板、热扩散片将发热部件的热输送至外部的方法。但是，在该方法中，能够输送的热被金属板、热扩散片的导热率所限制。例如，被作为热扩散片而使用的石墨片材的导热率为500W/mK～1500W/mK左右，按照该程度的导热率，难以在发热部件的发热量变多时将发热部件冷却。
因此，研究了一种热管作为积极地冷却发热部件的设备。
热管是利用工作流体的相变化来输送热的设备，具有比上述的热扩散片高的导热率。例如，在直径为3mm的热管中示出导热率为1500W/mK～2500W/mK左右的较大的值。
热管有几种类型。环型热管具备利用发热部件的热使工作流体气化的蒸发器、以及将气化的工作流体冷却从而液化的冷凝器。而且，蒸发器和冷凝器通过形成环状的流路的液管和蒸气管而被连接，工作流体在该路径内单向地流动。
这样，环型热管使工作流体流动的方向为单向，所以与液相的工作流体和其蒸气在管内往返的热管相比较，工作流体承受的阻力较少，能够有效地进行热输送。
专利文献1:日本特表2011-530059号公报
专利文献2:日本特开2004-3816号公报
专利文献3:日本实开平5-25164号公报
然而，在如智能手机等这样被薄型化了的电子设备中搭载环型热管的情况下，必须根据电子设备的厚度将上述的液管、蒸气管的直径也缩小。其结果是，工作流体难以在液管、蒸气管中流动，存在环型热管的热输送的性能降低的担忧。
发明内容
本发明公开的技术是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供一种不产生由工作流体的逆流导致的热输送性能的降低且能够薄型化的环型热管及其制造方法、以及电子设备。
根据以下公开的一个观点，提供一种环型热管，具有：蒸发器，其使工作流体气化；冷凝器，其将上述工作流体液化；液管，其连接上述蒸发器和上述冷凝器；支柱状的多孔体，其被设置于上述液管内；以及蒸气管，其连接上述蒸发器和上述冷凝器，并与上述液管共同形成环。
另外，根据其公开的其它观点，提供一种电子设备，具有：发热部件；以及环型热管，其冷却上述发热部件，上述环型热管具有：蒸发器，其利用上述发热部件的热使工作流体气化；冷凝器，其将上述工作流体液化；液管，其连接上述蒸发器和上述冷凝器；支柱状的多孔体，其被设置于上述液管内；以及蒸气管，其连接上述蒸发器和上述冷凝器，并与上述液管共同形成环。
进一步，根据其公开的其它观点，提供一种环型热管的制造方法，具有：通过层叠多个金属层而分别形成蒸发器、冷凝器、液管、以及蒸气管的工序；在与上述液管对应的部分的上述金属层形成多个孔从而在上述液管内形成支柱状的多孔体的工序；以及向上述液管内注入工作流体的工序。
根据以下的公开，通过在环型热管的液管内设置多孔体，从而利用多孔体所产生的毛细管力将液管内的工作流体引导至蒸发器，能够抑制工作流体从蒸发器向液管逆流。并且，通过将该多孔体设置为支柱状，能够利用多孔体防止液管损坏。
附图说明
图1是研究所使用的环型热管的示意图。
图2是研究所使用的环型热管的蒸发器及其附近的放大俯视图。
图3是本实施方式所涉及的电子设备的示意俯视图。
图4是本实施方式所涉及的环型热管的蒸发器及其周围的剖视图。
图5是沿着图3的I-I线的剖视图。
图6是在本实施方式中去除了最上层的金属层的环型热管的示意俯视图。
图7是本实施方式所涉及的环型热管的液管的剖视图。
图8是表示本实施方式所涉及的环型热管中从第二层至第五层为止的各金属层的孔的俯视图。
图9是示意性地表示在本实施方式中层叠了各金属层时的各孔的位置的俯视图。
图10是表示本实施方式中孔的大小的其它例子的俯视图。
图11的(a)是表示本实施方式所涉及的蒸发器中的孔的大小的一个例子的示意俯视图，图11的(b)是表示本实施方式所涉及的液管中的孔的大小的一个例子的示意俯视图。
图12的(a)是比较例所涉及的环型热管的示意俯视图，图12的(b)是本实施方式所涉及的环型热管的示意俯视图。
图13是分别在比较例与本实施方式中测量刚从蒸发器出来的蒸气的温度而得到的图。
图14是制造本实施方式所涉及的环型热管所使用的金属层的俯视图(其1)。
图15是制造本实施方式所涉及的环型热管所使用的金属层的俯视图(其2)。
图16是本实施方式所涉及的环型热管的制造中途的剖视图。
图17是在本实施方式所涉及的环型热管中，基于相当于多孔体的部分的SEM(ScanningElectronMicroscope：扫描电子显微镜)像所描绘的剖视图。
具体实施方式
在进行本实施方式的说明之前，对本申请发明者曾进行的研究事项进行说明。
图1是研究所使用的环型热管的示意图。
该环型热管1被收容于智能手机等移动型的电子设备2，具有蒸发器3和冷凝器4。
在蒸发器3和冷凝器4连接有蒸气管5和液管6，利用这些管5、6形成有供工作流体C流动的环状的流路。另外，在蒸发器3固定有CPU等发热部件7，利用该发热部件7的热来生成工作流体C的蒸气Cv。蒸气Cv通过蒸气管5而被引导至冷凝器4，并在冷凝器4进行液化。由此，在发热部件7产生的热移动至冷凝器4。
图2是蒸发器3及其附近的放大俯视图。
如图2所示，在蒸发器3的内部收容有吸油绳10。吸油绳10为多孔性的烧结金属、烧结树脂，在靠近液管6的吸油绳10中渗透有液相的工作流体的状态为理想的状态。
若继续这样的状态，则从吸油绳10对液相的工作流体C作用有毛细管力，该毛细管力与工作流体C的蒸气Cv相抗衡，所以能够期待液相的工作流体C作为防止蒸气Cv从蒸气管5向液管6逆流的止回阀发挥作用。
然而，根据本申请发明者的调查清楚的是，若将环型热管1薄型化，则蒸气Cv在蒸发器3内逆流。
这被认为是因为，由于蒸气管5的压力损耗因薄型化而增大，导致蒸气管5内的蒸气Cv的流动停滞，从而无法利用蒸气Cv将冷凝器4(参照图1)内的液相的工作流体C推出至液管6侧。
另外，液管6被发热部件7加热，从而在液管6中，工作流体C的一部分也发生气化，由此也认为产生如上述那样的蒸气Cv的逆流。此外，这样液管6被发热部件7加热的现象也被称为热泄漏。
若蒸气Cv如上述那样逆流，则环型热管的热输送性能显著地降低，冷却发热部件7变得困难。
以下，对即使薄型化也能够防止工作流体的逆流的本实施方式进行说明。
(本实施方式)
图3是本实施方式所涉及的电子设备的示意俯视图。
该电子设备20为智能手机、平板终端等移动型的电子设备，具有壳体21以及被收容于其内部的环型热管22。
环型热管22具备生成工作流体C的蒸气Cv的蒸发器23、以及使工作流体C液化的冷凝器24。而且，在蒸发器23和冷凝器24连接有蒸气管25和液管26，利用这些管25、26形成有供工作流体C流动的环状的流路。
图4是蒸发器23及其周围的剖视图。
如图4所示，蒸发器23被螺钉33固定于电路板31。在电路板31之上搭载有CPU等发热部件32，该发热部件32的表面与蒸发器23紧贴，从而能够利用发热部件32将蒸发器23内的工作流体C气化。
工作流体C的种类并未被特别限定，但为了利用蒸发潜热将发热部件23有效地冷却，优选尽可能地使用蒸气压较高、蒸发潜热较大的流体作为工作流体C。作为这种流体，例如有氨、水、氟利昂、酒精、以及丙酮。
图5是沿着图3的I-I线的剖视图，相当于蒸气管25的剖视图。
如图5所示，蒸气管25例如通过层叠六层金属层34而形成。各金属层34例如为导热性优异的铜层，通过扩散接合而相互接合。另外，各金属层34的厚度为0.1mm～0.3mm左右。
此外，除了铜层之外，也可以使用不锈钢层、以及镁合金层等作为金属层34。但是，优选所有金属层34的材料相同，以便能够通过扩散接合将各金属层34彼此良好地接合。
并且，金属层34的层叠数也不局限于上述，也可以层叠五层以下、七层以上的金属层34。
而且，通过这些金属层34划定有蒸气管25的底面34w、顶面34v、以及管壁34x。
另外，在蒸气管25的中央附近设置有支柱35。支柱35从下方支撑蒸气管25的顶面34v，防止蒸气管25被层叠各金属层34时的冲压力损坏。由此，即使环型热管22被薄型化，也可确保供蒸气Cv在蒸气管25内流动的流路34y，使得蒸气Cv在环型热管22内顺畅地流动。
此外，蒸发器23、冷凝器24、以及蒸气管25也这样通过层叠金属层34而形成。
图6是去除了最上层的金属层34的环型热管22的示意俯视图。
环型热管22的尺寸并未被特别限定，在该例中，将蒸气管25的宽度W1设为约8mm、将液管26的宽度W2设为约6mm。
另外，上述的支柱35的平面形状为沿着蒸气管25延伸的线状。由此，蒸气Cv沿着支柱35在蒸气管25内顺畅地流动。此外，该支柱35的宽度W3约为1mm。
在冷凝器24设置有工作流体C的流路24x。流路24x的两端分别连接于蒸气管25和液管26。在流路24x中也设置有支柱35，能够利用支柱35防止流路24x损坏。
另外，在液管26设置有多孔体36。多孔体36沿着液管26延伸至蒸发器23的附近，利用该多孔体36所产生的毛细管力将液管26内的液相的工作流体C引导至蒸发器23。
其结果是，即使蒸气Cv因为来自蒸发器23的热泄漏等在液管26内逆流，也能够利用从多孔体36作用于液相的工作流体C的上述的毛细管力将蒸气Cv推回，从而能够防止蒸气Cv的逆流。
并且，该多孔体36也被设置在蒸发器23内。
在蒸发器23内的多孔体36中，在靠近液管26的部分渗透有液相的工作流体C。此时，从多孔体36作用于工作流体C的毛细管力成为使工作流体C在环型热管22内循环的抽运力。
而且，该毛细管力与蒸发器23内的蒸气Cv相抗衡，从而能够抑制该蒸气Cv向液管26逆流。
此外，在液管26形成有用于注入工作流体C的注入口34c，但注入口34c被未图示的密封部件堵塞，环型热管22内被保持为密封。
图7是液管26的剖视图，相当于沿着图6的II-II线的剖视图。
如图7所示，多孔体36整体在剖视下被设置为支柱状。由此，能够利用多孔体36防止液管26被层叠各金属层34时的冲压力损坏。
另外，在与多孔体36对应的部分的各金属层34设置有多个孔34a。相邻的孔34a彼此相互连通，利用这些孔34a划定有微小的沟道。该沟道在多孔体36内三维地延伸，工作流体C由于毛细管力而在该沟道内三维地延展。
此外，使多孔体36定位在液管26内的哪个部位并未被特别限定，但优选如图7那样与液管26的管壁34x隔着间隔地设置多孔体36。由此，在管壁34x与多孔体36之间形成有供工作流体C流动的微小的流路34y，使得工作流体C变得容易在液管26内流动。
图8是表示从第二层至第五层为止的各金属层34的孔34a的俯视图。
在图8的例子中，将各孔34a的形状形成为圆形，并且在相互正交的多条虚拟直线L的交点设置这些孔34a。
此外，孔34a的直径R、相邻的孔34a的间隔D能够根据环型热管22所需的热输送量和热输送距离、蒸气管25和液管26各自的高度等而被适当地优化。
并且，孔34a的形状并不局限于圆形，能够形成椭圆、多边形等任意形状的孔34a。
另外，孔34a的位置因第一层至第四层的各金属层34而不同。
图9是示意性地表示层叠各金属层34时的各孔34a的位置的俯视图。
如上述那样，孔34a的位置由于金属层34而不同，所以在如图9那样俯视时，孔34a彼此重叠。
如何重叠各孔34a并未被特别限定。在该例子中，在上下相邻的两个金属层34中，一方的金属层34的孔34a的至少一部分与另一方的金属层34的孔34a重叠。如此一来，工作流体C顺着上下相邻的金属层34的孔34a三维地流通。
此外，虽然图9例示了所有金属层34中的所有孔34a为相同的大小的情况，但孔34a的大小并未被限定于此。
图10是表示孔34a的大小的其它例子的俯视图。
在图10的例子中，在上下相邻的两个金属层34中，将一方的金属层34的孔34a的直径R1设为与另一方的金属层34的孔34a的直径R2不同。
这样，在上下相邻的金属层34改变孔34a的大小，从而能够调节从多孔体36作用于工作流体C的毛细管力。
另外，如上所述，多孔体36也被设置在蒸发器23内，但也可以如以下那样不在蒸发器23内和液管26内改变孔34a的大小。
图11的(a)是表示蒸发器23中的孔34a的大小的一个例子的示意俯视图，图11的(b)是表示液管26中的孔34a的大小的一个例子的示意俯视图。
在图11的(a)、(b)的例子中，将蒸发器23内的孔34a的直径R3设为小于液管26内的直径R4。
由此，在液管26内，工作流体C顺畅地在较大的孔34a内流通，能够使工作流体C迅速地移动至蒸发器23。而且，在蒸发器23内，能够利用从较小的孔34a受到的毛细管力将液相的工作流体C作为止回阀发挥作用，如上述那样有效地抑制蒸气Cv的逆流。
接下来，对本申请发明者曾进行的调查进行说明。
图12的(a)、(b)是该调查中使用的环型热管的示意俯视图。
图12的(a)是比较例所涉及的环型热管的示意俯视图。在该比较例中，未在液管26内设置多孔体36，并且未在蒸气管25内设置支柱35。
另一方面，图12的(b)是本实施方式所涉及的环型热管的示意俯视图。在本实施方式中，如上述那样，在液管26内设置多孔体36，并且在蒸气管25内设置支柱35。
在该调查中，在比较例与本实施方式各自的环型热管中设置温度的测量点P，在该测量点P测量刚从蒸发器23出来的蒸气Cv的温度。
该测量结果在图13中示出。图13的横轴表示利用未图示的热源将蒸发器23加热之后的经过时间，纵轴表示测量点P的温度。另外，在本实施方式和比较例的任意一个中都使用水作为工作流体C。
如图13所示，在比较例中，虽然温度在经过时间为0秒～600秒的期间内顺利地上升，但若经过时间超过800秒，则温度急剧地降低。这被认为是因为，在0秒～600秒的期间内，由蒸发器23生成的工作流体C的蒸气Cv通过测量点P使得温度上升，与此相对，若时间经过800秒，则蒸气Cv在蒸气管25逆流，使得测量点P不再被蒸气Cv加热。
与此相对，在本实施方式中，不产生如比较例中那样的温度降低，由此得知，蒸气Cv不在蒸气管25逆流，测量点P始终被蒸气Cv加热。
根据该结果能够确认的是，通过如本实施方式那样在液管26内设置多孔体36，能够抑制蒸气Cv的逆流。
接下来，对本实施方式所涉及的环型热管22的制造方法进行说明。
图14以及图15是制造环型热管22所使用的金属层34的俯视图。
其中，图14是环型热管22的最上层和最下层使用的金属层34的俯视图。而且，图15是在最上层与最下层之间使用的金属层34的俯视图。
图14与图15示出的金属层34例如可通过利用湿蚀刻将厚度约为0.1mm的铜层图案形成为规定的形状而制成。
另外，在该湿蚀刻中，如图15所示，在金属层34形成有开口34z。开口34z具有与环型热管22的蒸发器23、冷凝器24、蒸气管25、以及液管26对应的形状。
另外，在与液管26对应的部分的金属层34设置有上述的多孔体36的一部分36a。而且，在该一部分36a和蒸发器23内，利用上述的湿蚀刻形成有多个孔34a。
另一方面，在与蒸气管25对应的部分的金属层34设置有上述的支柱35的一部分35a。
此外，上述的各部分35a、36a利用桥34y与金属层34连结，从而防止了各部分35a、36a从金属层34脱离。为了防止蒸气管25、液管26被该桥34y封闭，优选按照每个金属层34改变桥34y的位置。
另外，在与液管26对应的部分的金属层34设置有用于注入工作流体C的注入口34c。
接下来，如图16所示，层叠多个上述的金属层34。图16是与层叠后的液管26对应的部分的剖视图。
在进行层叠时，将图14中示出的金属层34配置在最上层和最下层，并在它们之间夹着图15中示出的多个金属层34。
而且，一边将各金属层34加热至约900℃一边对各金属层34彼此进行冲压，由此，利用扩散接合将各金属层34彼此接合。此时，如上述那样，多孔体36作为支柱而发挥功能，所以能够防止液管26由于冲压而损坏。
其后，在使用未图示的真空泵从注入口34c(参照图15)对液管26内进行排气之后，从注入口34c向液管26内注入水作为工作流体C，其后将注入口34c密封。
通过以上所述，完成本实施方式所涉及的环型热管22。
图17是在该环型热管22中，基于相当于多孔体36的部分的SEM(ScanningElectronMicroscope：扫描电子显微镜)像所描绘的剖视图。
如图17所示，各金属层34通过扩散接合而一体化，各金属层34的界面消失了。
如以上说明的那样，根据本实施方式，在液管26内设置支柱状的多孔体36，从而利用多孔体36所产生的毛细管力将液管26内的工作流体C引导至蒸发器23，能够抑制工作流体C从蒸发器23向液管逆流。
并且，通过将多孔体36设置为支柱状，能够利用多孔体36防止液管26损坏。
另外，通过层叠多个金属层34来制造环型热管22，能够将环型热管22薄型化为能够收容于智能手机、平板终端等的程度。

Claims (12)

1.一种环型热管，其特征在于，具有：
蒸发器，其使工作流体气化；
冷凝器，其将所述工作流体液化；
液管，其连接所述蒸发器和所述冷凝器；
支柱状的多孔体，其被设置于所述液管内；以及
蒸气管，其连接所述蒸发器和所述冷凝器，并与所述液管共同形成环。
2.根据权利要求1所述的环型热管，其特征在于，
所述多孔体沿着所述液管延伸。
3.根据权利要求2所述的环型热管，其特征在于，
所述多孔体以与所述液管的管壁隔着间隔的方式被设置。
4.根据权利要求1～3中任意一项所述的环型热管，其特征在于，
所述蒸发器、所述冷凝器、所述液管、所述蒸气管、以及所述多孔体分别通过层叠多个金属层而制成，
在与所述多孔体对应的部分的多个所述金属层分别形成有多个孔。
5.根据权利要求4所述的环型热管，其特征在于，
在上下相邻的两个所述金属层中，一方的所述金属层的所述孔的至少一部与另一方的所述金属层的所述孔重叠。
6.根据权利要求4所述的环型热管，其特征在于，
在上下相邻的两个所述金属层中，一方的所述金属层的所述孔的大小不同于另一方的所述金属层的所述孔的大小。
7.根据权利要求4所述的环型热管，其特征在于，
所述多孔体也被设置于所述蒸发器内，
所述蒸发器内的所述多孔体的所述孔的大小小于所述液管内的所述多孔体的所述孔的大小。
8.根据权利要求1～7中任意一项所述的环型热管，其特征在于，
在所述蒸气管内设置有支柱。
9.根据权利要求8所述的环型热管，其特征在于，
所述支柱的平面形状为沿着所述蒸气管延伸的线状。
10.根据权利要求8或9所述的环型热管，其特征在于，
所述冷凝器具有分别与所述液管和所述蒸气管连接的流路，
所述支柱也被设置于所述流路内。
11.一种电子设备，其特征在于，具有：
发热部件；以及
环型热管，其冷却所述发热部件，
所述环型热管具有：
蒸发器，其利用所述发热部件的热使工作流体气化；
冷凝器，其将所述工作流体液化；
液管，其连接所述蒸发器和所述冷凝器；
支柱状的多孔体，其被设置于所述液管内；以及
蒸气管，其连接所述蒸发器和所述冷凝器，并与所述液管共同形成环。
12.一种环型热管的制造方法，其特征在于，具有：
通过层叠多个金属层而分别形成蒸发器、冷凝器、液管、以及蒸气管的工序；
在与所述液管对应的部分的所述金属层形成多个孔从而在所述液管内形成支柱状的多孔体的工序；以及
向所述液管内注入工作流体的工序。
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