CN107588671A - 多管式立体脉冲式热管 - Google Patents

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杨恺祥
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Abstract

本发明公开一种多管式立体脉冲式热管，其包括至少二个管件以及至少两个腔室。至少二个管件具有环形回路，管件排列设置成一三维结构，环形回路的至少一侧形成一散热区域。至少二个管件的两端相互连通于至少两个腔室，以形成一种多管式立体脉冲式热管。本发明的多管式立体脉冲式热管，可有效提升性能，且可便于制作，降低制作成本。

Description

多管式立体脉冲式热管
技术领域
本发明涉及一种作为散热用的热管，尤指一种以立体堆叠排列而成的多管式立体脉冲式热管。
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。
传统脉冲式热管(Pulsating Heat Pipe)是由数个弯曲管路所构成的元件，利用管路内工作液体受热所产生的压力差来造成两相流脉冲现象，此种作动方式不需要毛细结构让液体回流到蒸发端，利用此概念可以轻易推动汽块及液柱在管内流动构成循环，把热量带走达到散热的效果。由于此项技术不需毛细结构故可有效降低制作成本，更适用于开发大热传量及长距离的热管产品，然而传统脉冲式热管结构有折弯曲率半径限制，使得加工困难，当折弯曲率半径过小时，容易导致管材变形、破裂，在应用上受到诸多限制。再者，上述折弯加工额外需要特别折弯的治具，相对会提高制作热管的成本。
此外，经过上述折弯加工后，弯头管材间有许多无效面积(无效区)，使得单位投影面积可传递热量(W/cm2)降低，也就是导致热通量不足，亦会有热阻过高的问题，因而设计及开发上有诸多不便之处。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多管式立体脉冲式热管，使其有效提升性能，且可便于制作，降低制作成本。
为实现上述目的，本发明的一实施例提出一种多管式立体脉冲式热管，该多管式立体脉冲式热管包括至少二个管件以及至少两个腔室。至少二个管件分别具有环形回路，各管件排列设置成一三维结构，环形回路的至少一侧形成一散热区域。至少二个管件的两端相互连通于至少两个腔室，以形成一种多管式立体脉冲式热管。
其中，该至少二个管件为一金属管或一非金属管。
其中，该三维结构是对称性结构或非对称性结构。
其中，该至少二个管件的流道截面积相同。
其中，该至少二个管件的流道截面积不相同。
其中，各该管件的环形回路包含一外框部与一篓空部。
其中，更包括：一加热源，设于该外框部的一侧。
其中，更包括：一置放元件，位于该篓空部。
其中，该置放元件为一电路结构、一机构或一散热元件。
其中，各该管件内填充工作流体，该工作流体受热时，能够在水平或负角度状态下操作。
其中，该至少二个管件的一侧为蒸发区，该至少二个管件的另一侧为冷凝区。
其中，该环形回路为呈一矩形、一梯形或一三角形。
基于上述，在本发明的多管式立体脉冲式热管中，在至少二个管件的两端点各加上一个腔室，作为流体交叉流动与充填工作流体之用，并通过立体堆叠方式，使本发明的多管式立体脉冲式热管不受原有折弯曲率半径的限制，让环形回路的至少一侧面所形成的散热区域为紧凑堆叠的结构而不具有无效面积区，因此，当多管式立体脉冲式热管的散热区域贴附于蒸发区时，能大幅提升最大热通量。
此外，本实施例的多管式立体脉冲式热管不需要现有技术中的折弯治具，可加速制作过程，并降低制作成本。
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为本发明的多管式立体脉冲式热管一实施例的示意图。
图2为图1的管件的环形回路的一侧的局部示意图。
图3为图1的多管式立体脉冲式热管的一视角的示意图。
图4为本发明的多管式立体脉冲式热管一实施例的示意图。
图5为本发明的多管式立体脉冲式热管一实施例的示意图。
图6为本发明的多管式立体脉冲式热管一实施例的示意图。
图7为本发明的多管式立体脉冲式热管一实施例的示意图。
图8为本发明的多管式立体脉冲式热管一实施例的示意图。
图9为本发明的多管式立体脉冲式热管一实施例的示意图。
图10为本发明的多管式立体脉冲式热管一实施例的示意图。
其中，附图标记：
100 多管式立体脉冲式热管
110 外框部
112 第一管件
114 第二管件
116 第三管件
120 腔室
130 篓空部
140 蒸发区
150 冷凝区
200 多管式立体脉冲式热管
210 外框部
230 篓空部
240 蒸发区
252、254 冷凝区
300 多管式立体脉冲式热管
310 外框部
330 篓空部
340 蒸发区
350 冷凝区
400 多管式立体脉冲式热管
440 蒸发区
450 冷凝区
500 多管式立体脉冲式热管
540 蒸发区
550 冷凝区
600 多管式立体脉冲式热管
640 蒸发区
650 冷凝区
700 多管式立体脉冲式热管
740 蒸发区
750 冷凝区
730 篓空部
770 另一外框部
800 多管式立体脉冲式热管
830 篓空部
840 蒸发区
850 冷凝区
A1、B1、C1 第一侧
A2、B2、C2 第二侧
A3、B3、C3 第三侧
A4、C4 第四侧
X 第一轴
Y 第二轴
Z 第三轴
具体实施方式
以下结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此限制本发明的保护范围。
图1为本发明的多管式立体脉冲式热管一实施例的示意图。图2为图1的管件的环形回路的一侧的局部示意图。请参阅图1及图2。需说明的是，为了便于后续说明，图1中具有第一轴X、第二轴Y与第三轴Z，其中第一轴X、第二轴Y与第三轴Z彼此相互垂直。
在本实施例中，多管式立体脉冲式热管100为具有脉冲式作用的热管，其包括至少二个管件以及至少两个腔室120。
以图1来说，多管式立体脉冲式热管100包含第一管件112、第二管件114、第三管件116以及两个腔室120。
第一管件112、第二管件114、第三管件116分别具有环形回路且包含一外框部110与一篓空部130，其中外框部110由第一侧A1、第二侧A2、第三侧A3及第四侧A4所构成，第一侧A1与第二侧A2为外框部110的上下相对两侧，而第三侧A3与第四侧A4为外框部110的左右相对两侧，换言之，环形回路为呈一矩形。
第一管件112、第二管件114与第三管件116例如分别立设于第一轴X与第三轴Z所在的平面上，且第一管件112、第二管件114与第三管件116依序沿着第三轴Z排列设置成一三维结构，经由前述立体堆叠方式而成的三维结构为一立体矩形结构且三维结构是对称性结构，于其它实施例中，三维结构方式为非对称性结构，端视实际情况而可变化。
第一管件112、第二管件114、第三管件116的两端相互连通于两个腔室120，以形成一种多管式立体脉冲式热管100。
多管式立体脉冲式热管100的所述环形回路的至少一侧形成一散热区域，如图2所示，第一管件112、第二管件114与第三管件116的环形回路的第一侧A1紧密结合形成散热区域，且第一管件112、第二管件114与第三管件116等管件之间的紧凑堆叠的结构而消除无效区，并形成一个以该散热区域的面来做为传导的模式。
在本实施例中，上述管件例如为一金属管，然，本发明不以此为限，于其它实施例中，管件例如为一非金属管。
在本实施例中，上述管件例如为相同管径或相同截面积，然，本发明不以此为限，于其它实施例中，管件例如为不相同管径或不相同截面积。
图3为图1的多管式立体脉冲式热管的一视角的示意图。请参阅图3。需说明的是，为了便于说明，图3省略部分构件，相关构件仍可参照图1所示及说明。
在本实施例中，多管式立体脉冲式热管100可在相对的两侧分别设置蒸发区140及冷凝区150，举例而言，以图3为例，多管式立体脉冲式热管100的管件的第一侧A1为蒸发区140，而多管式立体脉冲式热管100的管件的第二侧A2为冷凝区150。在一实施例中，多管式立体脉冲式热管的管件的第一侧亦可为冷凝区，而多管式立体脉冲式热管的管件的第二侧亦可为蒸发区。此外，腔室120的位置不限定在冷凝区，在多管式立体脉冲式热管100的其它位置，亦在本专利范围内。
加热源设于外框部110的一侧，以图3来说，加热源设于外框部110的第一侧A1，即蒸发区140，而外框部110的第二侧A2可以设置散热鳍片，作为冷凝区，换言之，本实施例以在底面(第一侧A1)加热作为举例，但本发明不以此为限。
多管式立体脉冲式热管100更包括一置放元件160。置放元件160位于篓空部130，换言之，外框部110可作为支撑结构的框架，而篓空部130可容置置放元件160，而本实施例的置放元件160例如为一电路结构，在其它实施例中，置放元件例如为一机构或一散热元件，端视实际情况而可择定适合的置放元件的态样。
在上述的配置之下，使用三个管件，分别于两端点各加上一个腔室120，作为流体交叉流动与充填工作流体之用，进行环形绕圈并通过立体堆叠方式，使多管式立体脉冲式热管100不受原有折弯曲率半径的限制，因而形成紧凑堆叠的结构。并且，从其中一个腔室120充填工作流体(如水、甲醇、丙酮、其它纯液体或混合液体等)，造成工作流体交叉流动，使流体产生不平衡的力，成功地克服现有技术中脉冲式热管水平启动问题。并且可操作在负90度状态(蒸发区在上，冷凝区在下)，使其缺乏重力辅助工作流体回流至蒸发区，亦可作动工作流体受热时，可在水平或负角度状态下操作。
再者，举例而言，当如多管式立体脉冲式热管100的第一侧A1紧密结合形成散热区域并贴附于蒸发区140时，该第一侧A1所形成的散热区域(如图2所示)不具有无效面积区，因此能大幅提升最大热通量。
此外，由于是对称性结构，故只需要沿着同一方向进行环形绕圈并以立体堆叠的方式排列，即可制作完成本实施例的多管式立体脉冲式热管100，故不需要现有技术中的折弯治具，可加速制作过程，并降低制作成本。
图4为本发明的多管式立体脉冲式热管一实施例的示意图。请参阅图4。需说明的是，图4的多管式立体脉冲式热管200与图1至图3的多管式立体脉冲式热管100相似，其中相同的元件以相同的标号表示且具有相同的功效而不再重复说明，以下仅说明差异处。
以图4而言，各管件的环形回路为呈一三角形且环形回路包含一外框部210与一篓空部230，其中外框部210由第一侧B1、第二侧B2及第三侧B3所构成，且环形回路的第一侧B1形成散热区域。经由前述立体堆叠方式而成的三维结构为一立体三角形结构。
多管式立体脉冲式热管200的管件的第一侧B1为蒸发区240，而多管式立体脉冲式热管100的管件的第二侧B2及第三侧B3分别为冷凝区252、254。
图4为本发明的多管式立体脉冲式热管一实施例的示意图。请参阅图4。需说明的是，图4的多管式立体脉冲式热管200与图1至图3的多管式立体脉冲式热管100相似，其中相同的元件以相同的标号表示且具有相同的功效而不再重复说明，以下仅说明差异处。
以图4而言，各管件的环形回路为呈一三角形且环形回路包含一外框部210与一篓空部230，其中外框部210由第一侧B1、第二侧B2及第三侧B3所构成，且环形回路的第一侧B1形成并作为散热区域，如此，经由前述立体堆叠方式而成的三维结构为一立体三角形结构。
多管式立体脉冲式热管200的管件的第一侧B1为蒸发区240，而多管式立体脉冲式热管200的管件的第二侧B2及第三侧B3为冷凝区252、254。
图5为本发明的多管式立体脉冲式热管一实施例的示意图。请参阅图5。需说明的是，图5的多管式立体脉冲式热管300与图1至图3的多管式立体脉冲式热管100相似，其中相同的元件以相同的标号表示且具有相同的功效而不再重复说明，以下仅说明差异处。
以图5而言，各管件的环形回路为呈一梯形且环形回路包含一外框部310与一篓空部330，其中外框部310由第一侧C1、第二侧C2、第三侧C3及第四侧C4所构成，第一侧C1与第二侧C2为外框部310的上下相对两侧，且第二侧C2的长度长于第一侧C1的长度，而第三侧C3与第四侧C4为外框部310的左右相对两侧，且环形回路的第一侧C1形成散热区域。经由前述立体堆叠方式而成的三维结构为一立体梯形结构。
多管式立体脉冲式热管300的管件的第一侧C1为蒸发区340，而多管式立体脉冲式热管300的管件的第二侧C2为冷凝区350。
由前述可知，堆叠形状不限于矩形，亦可为三角形(图4)或梯形(图5)，端视实际产品需求而可择定。
图6为本发明的多管式立体脉冲式热管一实施例的示意图。请参阅图6。需说明的是，图6的多管式立体脉冲式热管400与图1至图3的多管式立体脉冲式热管100相似，其中相同的元件以相同的标号表示且具有相同的功效而不再重复说明，以下仅说明差异处。
以图6而言，环形回路的第三侧A3形成散热区域。多管式立体脉冲式热管400的管件的第三侧A3为蒸发区440，而多管式立体脉冲式热管400的管件的第四侧A4为冷凝区450，换言之，相较于前述实施例(如图1至图5所示)为底面加热来说，图6所述的实施例为侧面加热，且蒸发区440位于冷凝区450之下。
图7为本发明的多管式立体脉冲式热管一实施例的示意图。请参阅图7。需说明的是，图7的多管式立体脉冲式热管500与图1至图3的多管式立体脉冲式热管100相似，其中相同的元件以相同的标号表示且具有相同的功效而不再重复说明，以下仅说明差异处。
以图7而言，环形回路的第二侧A2形成散热区域。多管式立体脉冲式热管500的管件的第二侧A2为蒸发区540，而多管式立体脉冲式热管500的管件的第一侧A1为冷凝区550，换言之，相较于前述实施例来说，图7所述的实施例为逆重力加热，即蒸发区540在上，冷凝区550在下的操作在负90度状态，故在缺乏重力辅助工作流体回流至蒸发区的情况，亦可作动。
图8为本发明的多管式立体脉冲式热管一实施例的示意图。请参阅图8。需说明的是，图8的多管式立体脉冲式热管600与图1至图3的多管式立体脉冲式热管100相似，其中相同的元件以相同的标号表示且具有相同的功效而不再重复说明，以下仅说明差异处。
以图8而言，环形回路的第二侧A2形成散热区域。多管式立体脉冲式热管500的管件的第三侧A3为蒸发区640，而多管式立体脉冲式热管500的管件的第四侧A4为冷凝区650，换言之，图8所述的实施例除了为侧面加热以外，亦为逆重力加热，即蒸发区640在上，冷凝区650在下。
由前述可知，蒸发区不限于底面，亦可为侧面加热、逆重力加热或其组合，端视实际产品需求而可择定
图9为本发明的多管式立体脉冲式热管一实施例的示意图。请参阅图9。需说明的是，图9的多管式立体脉冲式热管700与图1至图3的多管式立体脉冲式热管100相似，其中相同的元件以相同的标号表示且具有相同的功效而不再重复说明，以下仅说明差异处。
以图9而言，多管式立体脉冲式热管700为一双层传热模块，换言之，有一尺寸较大的管件所构成的外框部110，以及另一尺寸较小的管件所构成的另一外框部770，而另一外框部770位于所述外框部110之内，另一外框部770具有一篓空部730。
多管式立体脉冲式热管700的蒸发区740位于外框部110底侧与另一外框部770底侧之间，而冷凝区750则位于多管式立体脉冲式热管700的管件的第二侧A2。因此，蒸发区740内的加热源的上下两面皆可借由外框部110与另一外框部740作传热。
图10为本发明的多管式立体脉冲式热管一实施例的示意图。请参阅图10。需说明的是，图10的多管式立体脉冲式热管800与图9的多管式立体脉冲式热管700相似，其中相同的元件以相同的标号表示且具有相同的功效而不再重复说明，以下仅说明差异处。
以图10而言，多管式立体脉冲式热管800亦为一双层模块，换言之，有一尺寸较大的管件所构成的外框部110，以及另一尺寸较小的管件所构成的另一外框部870，而另一外框部870位于所述外框部110之内，另一外框部870具有一篓空部830。
蒸发区840位于多管式立体脉冲式热管800的管件的第二侧A1，而冷凝区850则位于多管式立体脉冲式热管800的管件的第二侧A2。
在此配置之下，本实施例的外框部110内的管件为一第一工作流体，而另一外框部870内的管件为一第二工作流体，第一工作流体不同于第二工作流体，而不同的工作流体会有不同的操作温度，举例而言，工作流体例如为水，在工作压力为0.3倍大气压下需要加热到约69℃才开始蒸发传热(相对高温区域)，并有驱动力来推动工作流体循环，而工作流体例如为丙酮，在工作压力为0.3倍大气压下则只需要约37℃度即可以启动(相对低温区域)。因此，针对不同工作流体，本实施例的多管式立体脉冲式热管800可作成双层传热模块，并分别负责相对高温与相对低温区域。
以下对传统脉冲式热管与本发明的多管式立体脉冲式热管做一实验比较范例。
表一、实验比较范例的差异结果
由上述表一可知，传统脉冲式热管的热通量为4W/cm2，而本发明的多管式立体脉冲式热管的热通量为33.3W/cm2，换言之，实验比较之下，本发明的多管式立体脉冲式热管的热通量提升约8倍，足见能大幅提升热通量。
由于传统脉冲式热管包含多个管材，这些管材经折弯而形成一蛇形回路，并各自围绕成一封闭系统，其中管材受限于折弯取率半径而在管材与管材之间具有间隔，故当传统脉冲式热管贴于加热源时，由于管材与管材之间具有间隔，故管材间的间隔形成许多无效面积(无效区)。反观本发明，本发明所提出的多管式立体脉冲式热管，经由立体堆叠的方式，让多管式立体脉冲式热管不受原有折弯曲率半径的限制，形成紧凑堆叠的结构而让环形回路的至少一侧面所形成的散热区域不具有无效面积区，故形成一面对面的热传模式，借此能大幅提升热通量。
综上所述，在本发明的多管式立体脉冲式热管中，在至少二个管件的两端点各加上一个腔室，作为流体交叉流动与充填工作流体之用，进行环形绕圈并通过立体堆叠方式，使多管式立体脉冲式热管不受原有折弯曲率半径的限制，让环形回路的至少一侧面所形成的散热区域为紧凑堆叠的结构而不具有无效面积区，当多管式立体脉冲式热管的散热区域贴附于蒸发区时，形成一面对面的热传模式，借此能大幅提升热通量。
并且，从其中一个腔室充填工作流体(如水、甲醇、丙酮、其它纯液体或混合液体等)，工作流体因毛细力拉扯，在气/液柱在管件内随机分布，液柱两端有不同作用力，使气柱推动液柱移动，形成气/液柱脉冲振动与循环，产生相变潜热传输以及液柱震荡时的显热传输，故能造成工作流体交叉流动，使流体产生不平衡的力，成功地克服现有技术中脉冲式热管水平启动问题。并且可操作在负90度状态(蒸发区在上，冷凝区在下)，使其缺乏重力辅助工作流体回流至蒸发区，亦可作动工作流体受热时，可在水平或负角度状态下操作。
此外，由于是对称性结构，故只需要沿着同一方向进行环形绕圈并以立体堆叠的方式排列，即可制作完成本实施例的多管式立体脉冲式热管，故不需要现有技术中的折弯治具，此举不仅可以简化制作多管式立体脉冲式热管的工序，加速制作过程，并降低制作成本。
另外，上述管件均为环形绕圈，外框部可作为支撑结构的框架，而篓空部可容置如电路结构、机构或散热元件等构件，并视构件的尺寸而可适时调整框架的范围大小，故本发明的多管式立体脉冲式热管可作为热管兼框架之用。
进一步地，除了可应用在绝缘闸双极晶体管(Insulated Gate BipolarTransistor,IGBT)散热外，也可应用在如CPU散热、COB(Chip On Board)-LED散热、服务器散热、数据中心散热、工业废热回收等其它高功率密度场域，并且，在应用上可搭配不同堆叠尺寸的元件，进行模块化设计。
另外，更可因应热源大的加热源，来设计双层传热模块，而可对蒸发区内的加热源的两面作传热的动作，以达到较佳的传热效果。另一方面，
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权利要求的保护范围。

Claims (12)

1.一种多管式立体脉冲式热管，其特征在于，其包括：
至少二个管件，分别具有环形回路，各该管件排列设置成一三维结构，其中该环形回路的至少一侧形成一散热区域；以及
至少两个腔室，该至少二个管件的两端相互连通于该至少两个腔室，以形成一种多管式立体脉冲式热管。
2.根据权利要求1所述的多管式立体脉冲式热管，其特征在于，该至少二个管件为一金属管或一非金属管。
3.根据权利要求1所述的多管式立体脉冲式热管，其特征在于，该三维结构是对称性结构或非对称性结构。
4.根据权利要求1所述的多管式立体脉冲式热管，其特征在于，该至少二个管件的流道截面积相同。
5.根据权利要求1所述的多管式立体脉冲式热管，其特征在于，该至少二个管件的流道截面积不相同。
6.根据权利要求1所述的多管式立体脉冲式热管，其特征在于，各该管件的环形回路包含一外框部与一篓空部。
7.根据权利要求6所述的多管式立体脉冲式热管，其特征在于，更包括：
一加热源，设于该外框部的一侧。
8.根据权利要求6所述的多管式立体脉冲式热管，其特征在于，更包括：
一置放元件，位于该篓空部。
9.根据权利要求8所述的多管式立体脉冲式热管，其特征在于，该置放元件为一电路结构、一机构或一散热元件。
10.根据权利要求1所述的多管式立体脉冲式热管，其特征在于，各该管件内填充工作流体，该工作流体受热时，能够在水平或负角度状态下操作。
11.根据权利要求1所述的多管式立体脉冲式热管，其特征在于，该至少二个管件的一侧为蒸发区，该至少二个管件的另一侧为冷凝区。
12.根据权利要求1所述的多管式立体脉冲式热管，其特征在于，该环形回路为呈一矩形、一梯形或一三角形。
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