CN110736376B - 具有带可变渗透率的管芯结构的热管 - Google Patents

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Abstract

提供一种热管，其具有限定内部蒸气空间、蒸发器区域和冷凝器区域的中空本体、形成为中空本体的内壁的衬里的管芯结构、以及设置在中空本体中的工作流体，其中处于液体状态的工作流体的路径从冷凝器区域朝向蒸发器区域延伸，或者其中管芯结构沿着从中空本体的第一端朝向第二端的方向延伸，并且其中管芯结构包括第一和第二区域，第一和第二区域沿着所述路径或方向延伸并且每者均具有限定不同于彼此的相应孔隙尺寸的管芯颗粒。

Description

具有带可变渗透率的管芯结构的热管
相关申请的交叉引用
本申请要求2019年7月16日提交的PCT申请No.PCT/US2019/ 041921以及2018年7月18日提交的美国临时申请No.62/699,948的优先权，上述申请中的每者的全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明大体涉及依赖于毛细管作用作为输送机构的传热装置，并且更具体地涉及具有管芯结构的热管，该管芯结构有助于热管内的工作流体的毛细管作用。
背景技术
热管通常用于冷却电子装置。热管使用工作流体的蒸发和冷凝循环，以将热量从电子装置上的热源移动到远离热源而间隔开的位置，并快速冷却电子装置。热管通常包括设置在热管内的管芯结构，以有助于热管内的工作流体的运动（例如，毛细管作用）、特别是工作流体从热管的冷凝器端到热管的蒸发器端的运动。目前的管芯结构本质上通常是均匀的，这意味着管芯结构中的颗粒和/或孔隙的尺寸在管芯结构内不会变化。
发明内容
在一些实施例中，提供了一种热管，并且其包括：第一端和第二相对端，其中第一端限定蒸发器区域，并且第二端限定冷凝器区域，其中热管包括从第一端延伸到第二端的内壁；和管芯结构，其邻近内壁设置并沿着从第一端朝向第二端的方向延伸，管芯结构包括沿着该方向延伸的第一区域，第一管芯结构区域具有限定第一孔隙尺寸的管芯颗粒，管芯结构包括从所述第一管芯结构区域沿着所述方向延伸的第二区域，第二管芯结构区域具有限定不同于所述第一孔隙尺寸的第二孔隙尺寸的管芯颗粒。
本发明的一些实施例提供了一种热管，其包括：限定内部蒸气空间的中空本体，该中空本体具有蒸发器区域、冷凝器区域、以及沿着中空本体的长度设置在蒸发器区域和冷凝器区域之间的中间区域；联接到中空本体的内壁的管芯结构；以及设置在中空本体内的工作流体，其中当向在蒸发器区域处的工作流体施加热量时，工作流体被构造成蒸发成蒸气状态，以蒸气状态通过内部蒸气空间，在冷凝器区域处从蒸气状态冷凝回到液体状态，并且以液体状态通过管芯结构从冷凝器区域返回到蒸发器区域，使得沿着中间区域，冷凝的液态工作流体沿方向移动通过管芯结构；其中管芯结构包括第一区域，所述第一区域具有沿第一方向的长度并且具有限定第一孔隙尺寸的管芯颗粒，并且其中管芯结构包括具有沿着所述第一方向的长度的第二区域，第二管芯结构区域从第一管芯结构区域沿着第一方向延伸，第二管芯结构区域具有管芯颗粒，所述管芯颗粒限定不同于第一孔隙尺寸的第二孔隙尺寸。
在一些实施例中，提供一种热管，并且其包括：细长中空管，该细长中空管在其中限定蒸气空间，细长中空管具有限定蒸发器区域的第一端、限定冷凝器区域的第二相对端、以及从第一端延伸到第二端的内壁；以及邻近所述内壁设置的管芯结构，所述管芯结构包括多个区域，其中多个管芯结构区域中的每个管芯结构区域具有管芯颗粒，所述管芯颗粒限定与由其他管芯结构区域中的每者中的管芯颗粒限定的孔隙尺寸不同的孔隙尺寸，所述多个管芯结构区域中的第一管芯结构区域适于在蒸发器区域处的热量输入，所述多个管芯结构区域中的第二管芯结构区域适于在冷凝器区域处的热量排放，并且第一管芯结构区域具有第一孔隙尺寸的孔隙，并且第二管芯结构区域具有大于第一颗粒尺寸的第二孔隙尺寸的孔隙。
本发明的一些实施例提供了一种热管，其包括：第一端和第二相对端，其中第一端限定蒸发器区域，并且第二端限定冷凝器区域，其中热管包括从第一端延伸到第二端的内壁；以及管芯结构，其邻近所述内壁设置并沿着从所述第一端朝向所述第二端的方向延伸，所述管芯结构包括沿所述方向延伸的第一区域，第一管芯结构区域具有第一渗透率，所述管芯结构包括从第一管芯结构区域沿着所述方向延伸的第二区域，第二管芯结构区域具有不同于第一渗透率的第二渗透率。
在一些实施例中，提供了一种热管，并且其包括：限定内部蒸气空间的中空本体，该中空本体具有蒸发器区域和冷凝器区域；设置在中空本体内的工作流体；以及管芯结构，其形成为中空本体的内壁的衬里（lining）并且限定处于液体状态的工作流体的从冷凝器区域朝向蒸发器区域的路径，其中管芯结构包括沿着所述路径延伸的第一区域，第一管芯结构区域具有限定第一孔隙尺寸的管芯颗粒，所述管芯结构包括从所述第一管芯结构区域沿着所述路径延伸的第二区域，所述第二管芯结构区域具有限定与所述第一孔隙尺寸不同的第二孔隙尺寸的管芯颗粒。
通过考虑具体实施方式和所附附图，本发明的其他方面将变得显而易见。
附图说明
图1是根据一个实施例的热管的示意图。
图2是热管的一部分的示意图，其示出了具有颗粒区域的管芯结构，每个区域具有在该区域内的尺寸变化的颗粒。
图3是热管的另一实施例的示意图，其示出了具有颗粒区域的管芯结构，每个区域具有相同尺寸的颗粒。
图4是图3的竖直取向的热管的示意图。
图5是具有特定尺寸和均匀厚度的热管的另一实施例的示意图。
图6是图5的热管的横截面视图。
图7是热管的另一实施例的示意图。
图8和图9是热管的另一实施例的示意图。
图10是热管的另一实施例的示意图。
图11是示出相对于传统热管的毛细管限值改善的图表。
具体实施方式
在详细地解释本发明的任何实施例之前，要理解，本发明在其应用方面不限于在以下描述中阐述或在所附附图中示出的构造细节以及部件的布置。本发明能够具有其他构造，并且能够以各种方式实践或执行。而且，要理解，本文中所使用的措辞和术语是出于描述的目的，并且不应该被认为是限制性的。
图1示出了热管10。热管10被定尺寸和成形成传递和/或扩散由至少一个热源14（例如，半导体装置或其他电子元件）产生的热能。热管10包括第一端18和第二相对端22。第一端18限定了蒸发器区域26，并且第二端22限定了冷凝器区域30。热管10可以采用各种各样的形状和形式。例如，在一些实施例中，热管10可以是单个细长轴向管。在其他实施例中，热管10可以包括至少一个曲线部或弯曲部。在一些实施例中，热管10是环形热管、或热虹吸管、或者是可变传导热管。替代性地，热管10可以具有基本扁平的轮廓（例如，具有基本上大于热管10的厚度的长度和宽度尺寸），在这种情况下，蒸发器区域26和冷凝器区域30可以替代地由热管10的相对的基本扁平的侧部限定。其他实施例包括与针对热管10所示出的形状和尺寸不同的各种形状和尺寸。
在图1的所示实施例中，热管10是沿轴线32延伸的密封的、中空的并且通常为细长的管状结构。所示出的热管10包括至少部分地由壁38限定的主体34，壁38具有朝向内部蒸气空间46径向向内面向的内表面42，以及朝向外部环境径向向外面向的外表面44。主体34可以至少部分地由金属形成，所述金属包括但不限于铜、铝、不锈钢、钢、镁、钛、这些金属的任何合金、超合金、其他合适的材料（例如，其他固体导热材料、或其任何组合。
继续参考图1，热管10包括管芯结构50，管芯结构50沿着主体34的至少一部分联接到壁38的内表面42或以其他方式形成为壁38的内表面42的衬里，并且用于移动在热管10内的冷凝的工作流体（例如，水、制冷剂、甲醇、氨、铯、钾、钠、氮、氖、氢、氦或任何其他合适的工作流体及其任何组合。管芯结构50具有：外管芯结构表面54，其径向向外地面向并且在一些实施例中与主体38的内表面42接触；以及内管芯结构表面58，其朝向蒸气空间46径向向内面向。在所示出的实施例中，管芯结构50由铜粉形成，但是其他实施例包括不同的管芯材料（例如，金、铝等）或其组合。管芯结构50可以另外地或替代性地包括一个或多个凹槽（例如，平行于轴线32延伸）、和/或包括筛网或网状结构，以有助于冷凝的工作流体在热管10内的运动。
参考图2和图3，其示出了管芯结构50的两个替代性实施例，管芯结构50的至少一部分包括：颗粒62（例如，铜粉的颗粒），其可以被烧结、熔融、钎焊或以其他方式保持在一起；管芯结构50内的形成孔隙66（例如，开口或间隙）。颗粒62可以是球形的、扁圆的、树枝状的、不规则的、或者可以具有其他形状。管芯结构50包括具有不同尺寸（例如，不同直径）的颗粒62的两个或更多个管芯结构区域。因此，管芯结构50包括具有不同尺寸的孔隙66的两个或更多个管芯结构区域。例如，并且如图2中所示出的，热管10沿着方向70从第一端18延伸到第二端22，以限定沿着该方向延伸的流体通路。在所示出的实施例中，方向70从第一端18直接线性地延伸到第二端22，但是在其中热管10具有曲率或弯曲部的实施例中，方向70将跟随热管曲率或弯曲部从第一端18到第二端22。在其他实施例中，热管10沿着一个或多个其他方向延伸（即，伸长），这些方向可以或可以不对应于工作流体在蒸发器区域26和冷凝器区域30之间移动的方向。不管热管10的形状如何，热管中的工作流体都沿着工作流体通路行进，所述工作流体通路包括：当处于液体形式的工作流体在热管10中从冷凝器区域30朝向蒸发器区域26移动时由该工作流体采取的通路、和/或当处于蒸气形式的工作流体在热管10中从蒸发器区域26朝向冷凝器区域30移动时由该工作流体采取的通路。
在图2和图3的所示实施例中，管芯结构50包括在第一端14和蒸发器区域26处的第一管芯结构区域74、从第一区域74沿方向70延伸的第二管芯结构区域78、从第二区域78沿着方向70延伸的第三管芯结构区域82、以及从第三区域82沿着该方向延伸的第四管芯结构区域86，使得第二区域78沿着方向70设置在第一区域74和第三区域82之间，并且第三区域82沿着该方向设置在第二区域78和第四区域86之间。图2和图3的所示实施例的第四区域86设置在第二端22和冷凝器区域30处。管芯结构50可以沿着方向70从蒸发器区域26连续地延伸到冷凝器区域30、可以在蒸发器区域26和冷凝器区域30之间仅部分地延伸、或者可以细分为蒸发器区域26和冷凝器区域30之间的各种管芯结构50。
管芯结构50的颗粒尺寸变化，并且因此孔隙尺寸也变化。例如，如图2中所示出的，第一区域74包括平均颗粒尺寸比第二区域78中的颗粒62更小的颗粒62，第二区域78包括平均颗粒尺寸比第三区域82中的颗粒62更小的颗粒，并且第三区域82包括平均颗粒尺寸比第四区域86中的颗粒62更小的颗粒62。如本文中和所附权利要求中所使用的，术语“颗粒尺寸”（及其等同表述（facsimile））可以对应于例如颗粒62的直径和/或颗粒62的总体积。类似地，如本文中和所附权利要求中所使用的，术语“孔隙尺寸”（及其等同表述）可以对应于例如孔隙62的总体积。并且，在一些实施例中，管芯结构的给定区域具有“颗粒尺寸”或“孔隙尺寸”，这要理解成包括在该区域中的都基本上相同尺寸的颗粒和孔隙，并且在其中在该区域中存在颗粒和孔隙尺寸的组合的那些实施例中，要理解成包括该区域中的颗粒或孔隙的平均尺寸的颗粒和孔隙。
在其中管芯结构50由不被认为是“颗粒”的元素和/或由不被认为是“孔隙”的空隙限定的那些实施例中，管芯结构可变性可以以其他方式来表达。具体地，管芯结构50具有在管芯结构50的不同区域中变化的流体渗透率。参考图2和图3的所示实施例，区域74、78、82、86的渗透率从第一区域74到第四区域86是增加的。
继续参考图2和图3的所示实施例，沿着方向70从蒸发器区域26移动到冷凝器区域30，颗粒62的颗粒尺寸（以及因此管芯结构50的流体渗透率）增加。在图2的所示实施例中，颗粒尺寸（以及因此流体渗透率）在区域74、78、82、86本身内也增加，使得沿着方向70移动，通常存在颗粒尺寸的连续变化。
如图2中所示出的，在运行期间，热管10内的工作流体在蒸发器区域26处被加热和蒸发。工作流体移动通过蒸气空间46，并在冷凝器区域30处冷凝，如由箭头88所示出的。冷凝的工作流体然后通过管芯结构50从第四管芯结构区域86顺序地行进返回到第三管芯结构区域82，到第二管芯结构区域78，并最终到达第一管芯结构区域74，如由箭头90所示出的。
参考图3和图4，在其他实施例中，第一区域74具有全部（或基本上全部）为第一颗粒尺寸的颗粒，第二区域78具有全部（或基本上全部）为第二颗粒尺寸的颗粒，第三区域82具有全部（或基本上全部）为第三颗粒尺寸的颗粒，并且第四区域86具有全部（或基本上全部）为第四颗粒尺寸的颗粒。在图3和图4的所示实施例中，第一颗粒尺寸小于第二颗粒尺寸，第二颗粒尺寸小于第三颗粒尺寸，并且第三颗粒尺寸小于第四颗粒尺寸。第一区域74、第二区域78、第三区域82和第四区域86中的孔隙尺寸从第一区域74到第四区域86是增加的。尽管图3和图4的实施例均具有四个区域74、78、82、86，在其他实施例中，管芯结构50具有少至两个或三个区域、或多于四个区域，每个区域具有从蒸发器区域26到冷凝器区域30的增加的颗粒尺寸、孔隙尺寸和/或流体渗透率，如本文所公开的。
颗粒尺寸以及颗粒尺寸的比率（例如，直径或体积尺寸）在热管10内可以变化。例如，不同的管芯结构区域74、78、82和/或86中的颗粒尺寸的比率（例如，第二颗粒尺寸与第一颗粒尺寸的比率、第三颗粒尺寸与第二颗粒尺寸的比率、和/或第四颗粒尺寸与第三颗粒尺寸的比率）可以是至少1.5：1、至少2：1、至少3：1、或其他值。替代性地或另外地，孔隙尺寸以及孔隙尺寸的比率在热管10内可以变化。例如，不同的管芯结构区域74、78、82和/或86中的孔隙尺寸的比率（例如，第二孔隙尺寸与第一孔隙尺寸的比率、第三孔隙尺寸与第二孔隙尺寸的比率、和/或第四孔隙尺寸与第三孔隙尺寸的比率）可以是至少1.5：1、至少2：1、至少3：1、或其他值。在一些实施例中，管芯结构50的流体渗透率在热管10内可以变化。例如，不同的管芯结构区域74、78、82和/或86的流体渗透率的比率（例如，第二区域78的流体渗透率与第一区域74的流体渗透率的比率、第三区域82的流体渗透率与第二区域76的流体渗透率的比率、和/或第四区域86的流体渗透率与第三区域82的流体渗透率的比率）可以是至少1.5：1、至少2：1、至少3：1、或其他值。本文中所公开的管芯结构区域（例如，图2和图3的所示实施例中的区域74、78、82、86）被示出为紧邻彼此（例如，彼此接触）。然而，不要求区域之间的这种关系。在替代性实施例中，管芯结构区域可以分离，诸如通过热管10的不具有管芯结构的区域或通过具有不同性质的管芯结构区域来实现。
在一些实施例中，通过将第一颗粒尺寸（例如，标准尺寸）的多个颗粒62沉积（例如，手动地或经由机器）到热管10的中空内部中来形成第一区域74（例如，到设置在中空内部的心轴与壁38之间的间隙中）。然后可以沿着热管10的轴向方向将第一颗粒尺寸的颗粒62按压或以其他方式压实在一起。然后将第二尺寸（例如，不同的标准尺寸）的颗粒62沉积到中空内部中（例如，到心轴和壁38之间的间隙中）并且可以将其轴向地按压或以其他方式压实在一起，以形成第二区域78。然后将第三颗粒尺寸（例如，不同的标准尺寸）的颗粒62沉积到中空内部中（例如，到心轴和壁38之间的间隙中），并且可以将其轴向地按压或以其他方式压实在一起，以形成第三区域82。然后将第四颗粒尺寸（例如，不同的标准尺寸）的颗粒62沉积到中空内部中（例如，到心轴和壁38之间的间隙中）并且可以将其轴向地按压或以其他方式压实在一起，以形成第四区域86。该过程可以执行任何次数，以限定如本文中所公开的热管10的两个、三个或更多个管芯结构区域。
颗粒62然后可以烧结、熔融、钎焊或以其他方式结合在一起。至少部分地取决于形成管芯的方式，可以在该管芯形成步骤之前或之后移除心轴（如果被使用的话）。管芯结构50留在热管10中，沿壁38和蒸气空间46延伸。其他实施例包括形成颗粒62的各个区域的不同方法。另外，并且如上文所述，虽然在图2和图3中示出了四个不同的区域74、78、82、86，在其他实施例中，热管10可以包括仅仅两个区域、三个区域、或者可以包括多于四个区域（例如，五个、六个等）。
在一些实施例中，在管芯结构50已经形成之后对其进行测试（例如，使其变干），以检测性能。基于所测试的性能，可以将部分或全部管芯结构50移除和替换为具有不同颗粒尺寸、孔隙尺寸和/或流体渗透率的管芯结构区域，以形成新的管芯结构50。
管芯结构50产生毛细管作用，其将热管10内的冷凝工作流体从冷凝器区域30泵送到蒸发器区域26。在一些实施例中，接近蒸发器区域26的区域（例如，图2和图3的所示实施例中的第一管芯结构区域74）中的较小尺寸的颗粒62或孔隙尺寸提供更大的毛细管泵送，而接近冷凝器区域30的区域（例如，图2和图3的所示实施例中的第四管芯结构区域86）中的较大尺寸的颗粒62或孔隙尺寸提供更高的渗透率并降低液体流动阻力。在具有三个或更多个区域（诸如对应于蒸发器区域26和冷凝器区域30以及一个或多个另外的中间管芯结构区域的管芯结构区域）的那些实施例中，提供了对沿着管芯结构50的毛细管泵送的更大控制，特别是根据沿着管芯结构50的不同位置处的工作流体的特性（例如，温度、流体压力等）来提供所述控制。该控制可以提高管芯结构50的效率和泵送能力，并且在一些情况下可以根据热管10的特定应用或预期运行条件进行调整。
使用具有从蒸发器区域26到冷凝器区域30是增加的颗粒尺寸、孔隙尺寸和/或渗透率的两个或更多个管芯结构区域相对于整个具有均匀颗粒尺寸的管芯结构50来说可以实现更有效的泵送作用。例如，冷凝器区域30处的较大颗粒尺寸（和孔隙尺寸）可以允许蒸发的工作流体快速地进入管芯结构50并朝向蒸发器区域26往回移动。相反地，当液体远离热管10的接近冷凝器区域30的较冷区域朝向热管10的接近蒸发器区域26的较热区域行进时，并且当更接近蒸发器区域26的液体蒸发并从接近该区域的较小颗粒/较小孔隙管芯结构逸出时，沿热管10朝向蒸发器区域26移动的越来越小的颗粒尺寸（和孔隙尺寸）可以有助于更大的泵送作用。因此，工作流体自然地积聚并流向蒸发器区域26，其中工作流体被至少一个热源14保持和加热。
可以通过重力辅助管芯结构50的毛细管作用。例如，并参考图4，在一些实施例中，蒸发器区域26设置在冷凝器区域30的较高高度（例如，上方）（即，在所示出的实施例中角度θ为90度，作为示例）。在这种实施例中，在运行期间，冷凝的工作流体抵抗重力竖直向上行进、通过管芯结构50并返回到蒸发器区域26。在其他实施例中，蒸发器区域26设置在冷凝器区域30的较低高度（例如，下方），并且重力有助于将冷凝的工作流体移动回到蒸发器区域26。在又其他实施例中，并且如图1至图3中所示出的，蒸发器区域26和冷凝器区域30通常可以彼此水平地间隔开，使得重力在冷凝的工作流体从冷凝器区域30回到蒸发器区域26的运动方面不是实质因素（或根本不是因素）。其他实施例包括热管10的各种其他取向（例如，角度θ的各种值）。
沿着热管10的方向（或沿着由在蒸发器区域26和冷凝器区域30之间的工作流体遵循的路径）的管芯结构区域的长度可以变化。参考图4的所示实施例以及仅作为示例的四区域式（four-region）管芯结构50，如沿着方向70测量的第一区域74、第二区域78、第三区域82和第四区域86的长度可以变化。例如，第一区域74可以具有第一长度L1，第二区域可以具有第二长度L2，第三区域可以具有第三长度L3，并且第四区域可以具有长度L4。可以沿着如所示出的实施例中示出的笔直热管的长度的方向测量这种长度。表达适用于这些和其它实施例的这些长度的替代性方式是测量在热管10的运行期间工作流体从冷凝器区域30移动到蒸发器区域26所沿着的管芯结构50的区域长度。在一些实施例中。第一长度L1小于第二长度L2，第二长度L2小于第三长度L3，和/或第三长度L3小于第四长度L4。在一些实施例中，第二长度L2与第一长度L1的比率为至少1.5：1、至少2：1、至少3：1或其他值。类似地，在一些实施例中，第三长度L3与第二长度L2的比率为至少1：5：1、至少2：1、至少3：1或其他值，而在一些实施例中，第四长度L4与第三长度L3的比率为至少1：5：1、至少2：1、至少3：1或其他值。
在一些实施例中，第一管芯结构区域74的长度（即，具有第一颗粒尺寸、孔隙尺寸和/或流体渗透率，并且接近热管10的蒸发器区域26定位）不大于管芯结构50的总长度的50％（即，包括管芯结构50的其余部分，其远离第一管芯结构区域74延伸并且具有与第一管芯结构区域74中的管芯不同的颗粒尺寸、孔隙尺寸和/或流体渗透率）。在其他实施例中，第一管芯结构区域74不大于管芯结构的总长度的40％。在又其他实施例中，第一管芯结构区域74不大于管芯结构的总长度的30%。
再次参考图4的所示实施例（以及仅作为示例的四区域式管芯结构50），在一些实施例中，第一长度L1大于第二长度L2，第二长度L2大于第三长度L3，和/或第三长度L3大于第四长度L4。其他实施例包括各种其他构造。例如，在一些实施例中，第二长度L2可以小于第一长度L1和第三长度L3两者，或者第三长度L3可以小于第二长度L2和第四长度L4两者。在一些实施例中，管芯结构50的接近冷凝器区域30的长度（即，图4的所示出的四区域的实施例中的第四长度L4，但是在其他实施例中的具有任何其他数量的管芯结构区域的管芯结构50中可识别）比接近蒸发器区域的管芯结构50的长度（即，图4的所示出的四区域的实施例中的第一长度L1，但是在其他实施例中的具有任何其他数量的管芯结构区域的管芯结构50中再次可识别）大、是其至少两倍大或是其至少三倍大。
继续参考图4，蒸发器区域26具有长度Le，冷凝器区域30具有长度Lc，并且沿着方向70在蒸发器区域26和冷凝器区域30之间延伸的热管10的中间区段98（例如，绝热区域）具有长度La。热通量102表示热量从热源14流入蒸发器区域26。热通量106表示热量从冷凝器区域30流出。
在图4的所示实施例中，蒸发器区域26的长度Le近似等于或小于第一区域74的长度L1，使得在管芯结构50的第一区域74中发生所有或基本上所有热通量102进入热管10。替代性地，第一区域74的长度L1可以小于蒸发器区域26的长度Le，使得热通量102的一部分延伸到管芯结构50的相邻区域（例如，在图4的所示出的四区域式管芯结构实施例中的第二区域78）中。
继续参考图4，冷凝器区域30的长度Lc近似等于或小于第四区域86的长度L4，使得在管芯结构50的第四区域86中发生所有或基本上所有的热通量106流出热管10。替代性地，第四区域86的长度L4可以小于冷凝器区域30的长度Lc，使得热通量106的一部分延伸到管芯结构50的相邻区域（例如，在图4的所示出的四区域式管芯结构实施例中的第三区域82）中。
还参考图4的所示实施例，中间区段98包括整个第二管芯结构区域78和整个第三管芯结构区域82两者。在其他实施例中，中间区段98可以包括仅第二管芯结构区域78的一部分和/或第三管芯结构区域82的一部分。蒸发器区域26可以包括第一管芯结构区域74，中间区域98可以包括第二管芯结构区域78和第三管芯结构区域82，并且冷凝器区域30可以包括第四管芯结构区域86。在又其他实施例中，管芯结构50可以仅具有两个区域（例如，形成热管10的蒸发器区域26的至少一部分的第一管芯结构区域，以及形成热管10的冷凝器区域30的至少一部分的第二管芯结构区域）、可以包括三个管芯结构区域、五个管芯结构区域、六个管芯结构区域、或甚至另外的管芯结构区域。在一些实施例中，蒸发器区域26可以包括两个、三个或更多个管芯结构区域，每个管芯结构区域具有不同尺寸的颗粒62（或孔隙，如本文中所描述的）、或者另外具有不同量的流体渗透率。类似地，冷凝器区域30可以包括两个、三个或更多个管芯结构区域，每个管芯结构区域具有不同尺寸的颗粒62（或孔隙，如本文所描述的）、或者另外具有不同量的流体渗透率。
图5至图9示出了根据本发明的一些实施例的热管10的其他更具体的示例。例如，并参考图5，热管10通常可以是细长的柱形管，其具有厚度为0.25mm的主体34并且具有带有铜粉树枝状颗粒62的管芯结构50。所示出的管芯结构50包括长度为30mm的第一管芯结构区域74、具有180mm的长度的第二管芯结构区域78、以及具有沿方向70的90mm的长度的第三管芯结构区域82。第一管芯结构区域74定位在热管10的蒸发器区域26处，第二管芯结构区域78定位在热管10的中间（例如，绝热）区域98中，并且第三管芯结构区域82定位在热管10的冷凝器区域30中。在第一管芯结构区域74中的颗粒62的直径为25-50μm，在第二管芯结构区域78中的颗粒62的直径为50-100μm，并且第三管芯结构区域82中的颗粒62的直径为100-200μm。热管10还包括蒸气空间46，该蒸气空间46具有5.6mm的直径，并在第一端18和第二端22两者处被密封。
其他实施例包括管芯结构50和蒸气空间46的各种其他材料、形状、尺寸、取向和长度。例如，在一些实施例中，蒸气空间46的直径为5.0mm、或4.5mm、或4.0mm、或各种其他值。同样在其他实施例中，第一管芯结构区域74的长度可以小于30mm、或大于30mm。类似地，并且参考仅作为示例的图5和图7，第二管芯结构区域78和第三管芯结构区域82的长度还可以分别小于或大于180mm和90mm。在一些实施例中，管芯结构50包括仅两个区域、或者多于三个区域。例如，管芯结构50可以包括在热管10的蒸发器区域26处的第一管芯结构区域74以及在热管10的冷凝器区域30处的第二管芯结构区域78。第一管芯结构区域74可以具有例如180mm的长度，并且第二管芯结构区域78可以具有例如100mm或90mm的长度。另外，在各种管芯结构区域中的颗粒62的尺寸可以变化。例如，在第一管芯结构区域74中的颗粒62的直径可以小于或大于25-50μm（例如，50-100μm），在第二管芯结构区域78中的颗粒62的直径可以小于或者大于50-100μm，并且在第三管芯结构区域82中的颗粒62的直径可以小于或大于100-200μm。
参考图6，管芯结构50可以包括（除了或代替限定用于如上文所述的毛细管泵送作用的孔隙的颗粒）凹槽110，其有助于毛细管作用。凹槽110可以均平行于方向70延伸。其他实施例不包括凹槽110，或包括与所示出的凹槽不同的数量和形状的凹槽。
尽管图1至图6中所示出的管芯结构50具有大致恒定或均匀的厚度，在一些实施例中，管芯结构50可以具有沿方向70移动的可变（例如，逐渐减小）的厚度。例如，如图7中所示出的，管芯结构50的厚度从蒸发器区域26移动到冷凝器区域30可以是增加的。管芯结构50的逐渐变小的厚度导致蒸气空间46在蒸发器区域26处具有更大的直径，并且在冷凝器区域30处具有更小的直径。在又其他实施例中，管芯结构50可以朝向冷凝器区域30减小厚度，或者可以针对管芯结构50的仅一部分朝向冷凝器区域30增加或减小厚度，其中管芯结构50的一个或多个其他部分可以具有大致恒定或均匀的厚度。
尽管图1至图7中所示出的管芯结构50均从热管10的第一端18完全或基本上完全地延伸到热管10的第二端22，在又其他实施例中，管芯结构50可以不完全延伸到第一端18和/或第二端22。另外，虽然所示出的管芯结构50从一个管芯结构区域连续地延伸到下一管芯结构区域，但是在一些实施例中，可以在热管10内设置多个管芯结构50或管芯结构区域，所述多个管芯结构50或管芯结构区域中的任一者或全部可以彼此邻接或通过沿方向70的一个或多个间隙彼此分离。
参考图8和图9，在一些实施例中，热管10的一部分可以与热源14重叠，使得蒸发器区域与热管10的第一端18间隔开，并且使得来自热源14的热量被引导到管芯结构50的与第一端18间隔开的区域中。另外，如图8和图9中所示出的，换热器114（例如，一组冷却翅片）可以直接或间接地联接到冷凝器区域30，以有助于从热管10移除热量。仅作为示例，图8和图9示出了总长度为300mm的热管10、长度和宽度为25mm并且与第一端18间隔17.5mm的热源14、以及长度为80mm的换热器114。其他实施例包括热管10、热源14和换热器114的各种其他尺寸、大小和位置。
参考图1至图9，在一些实施例中，工作流体的温度沿方向70变化。例如，工作流体在蒸发器区域26处可以比在冷凝器区域30处温度更高，并且工作流体的温度可以在沿着蒸发器区域26和冷凝器区域30之间的距离变化。第一管芯结构区域74中的第一颗粒尺寸的颗粒62（或第一管芯结构区域74中的孔隙尺寸）的尺寸因此可以对应于工作流体的第一温度，在第二管芯结构区域78中的第二颗粒尺寸的颗粒62（或第二管芯结构区域78中的孔隙尺寸）的尺寸可以对应于工作流体的第二温度，第三管芯结构区域82中的第三颗粒尺寸的颗粒62（或第三管芯结构区域82中的孔隙尺寸）的尺寸可以对应于工作流体的第三温度，和/或第四颗粒区域86中的第四颗粒尺寸的颗粒62（或第四管芯结构区域86中的孔隙尺寸）的尺寸可以对应于工作流体的第四温度。第一温度可以高于第二温度，第二温度可以高于第三温度，和/或第三温度可以高于第四温度。在一些实施例中，第一、第二、第三或第四温度中的一者或多者可以相同或相似。例如，在一些实施例中，第二和第三温度可以是相似的，而在第一和第二温度以及第三和第四温度之间存在显著的温差（例如，由于热量快速进入第一管芯结构区域74中的颗粒62以及热量迅速离开第四管芯结构区域86中的颗粒62）。
在一些实施例中，在热管10的运行期间，热管10内的蒸发的工作流体与冷凝的工作流体的比率沿着方向70变化。例如，在热管10的运行期间，在蒸发器区域26处的蒸发的工作流体与冷凝的工作流体的比率可以高于在冷凝器区域30处的蒸发的工作流体与冷凝的工作流体的比率，并且可以沿着蒸发器区域26和冷凝器区域30之间的距离变化。因此，第一颗粒尺寸的颗粒62的尺寸（或孔隙的尺寸）可以对应于蒸发的工作流体与冷凝的工作流体的第一比率，第二颗粒尺寸的颗粒62的尺寸（或者孔隙的尺寸）可以对应于蒸发的工作流体与冷凝的工作流体的第二比率，第三颗粒尺寸的颗粒62的尺寸（或孔隙的尺寸）可以对应于蒸发的工作流体与冷凝的工作流体的第三比率，和/或第四颗粒尺寸的颗粒62的尺寸（或孔隙的尺寸）可以对应于蒸发的工作流体与冷凝的工作流体的第四比率。第一比率可以高于第二比率，第二比率可以高于第三比率，和/或第三比率可以高于第四比率。在一些实施例中，第一、第二、第三或第四比率中的一者或多者可以相同或相似。例如，在一些实施例中，第二和第三比率可以是相似的，而在蒸发器区域26和冷凝器区域30处存在显著的相移（例如，由于热量快速进入第一管芯结构区域74中的颗粒62以及热量迅速离开第四管芯结构区域86中的颗粒62）。
如本文中所述，虽然本文中的实施例通常根据沿着管芯结构50和热管10移动的颗粒尺寸的变化来描述，但是在又其他实施例中，管芯结构50可以替代地被视为具有沿着管芯结构和热管10移动的孔隙尺寸的变化。例如，一些管芯结构50可以不是由按压、结合或以其他方式联接在一起的单独颗粒形成，而是由处理过的或以其他方式形成以包括孔隙、孔、间隙、开口或空隙（为了便于描述，在本文中统称为“孔隙”）的单一材料形成。充满孔隙的管芯结构50可以具有带有第一尺寸的孔隙66的第一区域、带有第二尺寸的孔隙66的第二区域等等。第一区域的孔隙（例如，接近蒸发器区域26的区域）可以小于另一区域或多个区域的孔隙（例如，接近冷凝器区域30的区域）。
参考图10，已经发现在管芯结构50内的不同颗粒或孔隙尺寸（或不同的流体渗透率）的多个区域的使用可以改善热管10的毛细管限值(capillary limit)（即，最大热管运行功率，当泵送速率由于液体和蒸气压力下降的总和超过管芯结构50可以承受的最大毛细管压力而不再足以向蒸发器区域26提供足够的工作流体时）。特别地，在一些实施例中，通过将区域的数量增加到两个区域，与整个具有相同颗粒（或孔隙）尺寸的传统均匀管芯结构相比，毛细管限值几乎加倍。同样在一些实施例中，通过将区域的数量增加到三个区域，毛细管限值几乎增加至三倍，而通过将区域的数量增加到五个或更多个区域，毛细管限值是均匀管芯结构50的毛细管限值的大约3.5倍。
参考图11，还已经发现的是，管芯结构50内的不同颗粒或孔隙尺寸（或不同的流体渗透率）的多个区域的使用改善了热管的整体性能。例如，如图11中所示出的，具有不均粒的（non-graded）管芯的热管（表示为热管22和23）在其在蒸发器区域26和冷凝器区域30之间的给定温差下传热的能力相对于具有均粒（graded）的管芯的热管（表示为热管18、19、20和21）是更有限的。
虽然本文已经描述和示出了大致柱形的热管10以及大致柱形的管芯结构50，但是在一些实施例中，热管10具有其他形状。例如，热管10可以具有更立方体（或基本上立方体）的形状、可以具有如上文所述的基本扁平的形状等。另外，尽管上文所述的热管10是根据具有单个蒸发器区域26和单个冷凝器区域30被描述，但在其他实施例中，热管10可以包括多于一个蒸发器区域26和/或多于一个冷凝器区域。例如，热管10可以包括暴露于热源的单个集中式蒸发器区域26，并且工作流体可以向外（例如，径向地）移动到一个或多个冷凝器区域30，或者蒸发器区域26和冷凝器区域30在这种结构中可以颠倒。当工作流体从蒸发区域26移动到冷凝器区域30时，设置在蒸发区域26和冷凝器区域30之间的管芯结构50可以具有各种区域，诸如上文所述的那些区域。作为另一示例，热管10可以包括在基本扁平的热管10的一个宽侧上的蒸发器区域26、以及在基本扁平的热管10的相对的宽侧上的冷凝器区域30。当工作流体从蒸发器区域26移动到冷凝器区域30时，设置在蒸发器区域26和冷凝器区域30之间的管芯结构50可以具有各种区域，诸如上文所述的那些区域。在这种基本扁平的热管实施例中，管芯结构50可以沿着热管的短且窄的邻接侧延伸。同样或替代地，在这种基本扁平的热管实施例中，管芯结构50可以在柱、列、壁或其他元件上或限定这些元件，所述柱、列、壁或其他元件在蒸气空间46内并由蒸气空间46围绕并且从热管10的一个宽侧延伸到另一宽侧。
要理解，本发明决不仅限于本文中所公开的以在附图中示出的特定构造，而是还包括在权利要求的范围内的任何修改或等同物。

Claims (17)

1.一种热管，包括：
第一端和第二相对端，其中，所述第一端限定蒸发器区域，并且第二端限定冷凝器区域，其中所述热管包括从所述第一端延伸到所述第二端的内壁；以及
管芯结构，其邻近所述内壁设置并沿着从所述第一端朝向所述第二端的方向延伸，所述管芯结构包括沿着所述方向延伸的第一管芯结构区域，所述第一管芯结构区域具有限定第一孔隙尺寸的管芯颗粒，所述管芯结构包括从所述第一管芯结构区域沿着所述方向延伸的第二管芯结构区域，所述第二管芯结构区域具有限定与所述第一孔隙尺寸不同的第二孔隙尺寸的管芯颗粒，其中所述第二孔隙尺寸与所述第一孔隙尺寸的比率为至少1.5：1，并且
其中，所述管芯结构包括第三管芯结构区域，所述第三管芯结构区域从所述第二管芯结构区域沿着所述方向延伸并且具有限定第三孔隙尺寸的管芯颗粒，所述第三孔隙尺寸不同于所述第一孔隙尺寸和所述第二孔隙尺寸两者，其中所述第一管芯结构区域沿所述方向具有第一长度，所述第二管芯结构区域沿着所述方向具有第二长度，并且所述第三管芯结构区域沿所述方向具有第三长度，其中所述第三长度大于所述第二长度，并且所述第二长度大于所述第一长度。
2.如权利要求1所述的热管，其中，所述管芯结构沿着所述方向从所述蒸发器区域连续地延伸到所述冷凝器区域。
3.如权利要求1所述的热管，其中，所述热管是细长的密封管，并且其中所述管芯结构至少部分地限定内部蒸气空间，所述内部蒸气空间沿着所述方向从所述第一端延伸到所述第二端。
4.如权利要求1所述的热管，其中，所述热管包括中空本体，所述中空本体具有扁平的非柱形形状并限定内部蒸气空间，其中所述管芯结构在所述第一端和所述第二端之间延伸。
5.如权利要求1所述的热管，其中，所述第一管芯结构区域定位成接近所述蒸发器区域，并且所述第二管芯结构区域定位成接近所述冷凝器区域。
6.如权利要求1所述的热管，其中所述第三孔隙尺寸大于所述第二孔隙尺寸。
7.如权利要求1所述的热管，其中所述第二长度与所述第一长度的比率为至少1.5：1。
8.如权利要求1所述的热管，其中，所述管芯结构沿所述第一管芯结构区域和第二管芯结构区域两者的至少一部分逐渐减小。
9.如权利要求1所述的热管，其中，所述第一管芯结构区域中的基本上每一颗粒具有第一共同尺寸，并且所述第二管芯结构区域中的基本上每一颗粒具有不同于所述第一共同尺寸的第二共同尺寸。
10.一种热管，包括：
限定内部蒸气空间的中空本体，所述中空本体具有蒸发器区域、冷凝器区域以及沿着所述中空本体的长度设置在所述蒸发器区域和所述冷凝器区域之间的中间区域；
联接到所述中空本体的内壁的管芯结构；以及
设置在所述中空本体内的工作流体，其中当向所述蒸发器区域处的所述工作流体施加热量时，所述工作流体被构造成蒸发成蒸气状态，以所述蒸气状态通过所述内部蒸气空间，在所述冷凝器区域处从所述蒸气状态冷凝回到液体状态，并且以所述液体状态通过所述管芯结构从所述冷凝器区域返回到所述蒸发器区域，使得沿着所述中间区域，冷凝的液态工作流体沿方向移动通过所述管芯结构；
其中，所述管芯结构包括：第一管芯结构区域，所述第一管芯结构区域具有沿所述方向的第一长度并且具有限定第一孔隙尺寸的管芯颗粒；具有沿着所述方向的第二长度的第二管芯结构区域，所述第二管芯结构区域从所述第一管芯结构区域沿着所述方向延伸；以及具有沿着所述方向的第三长度的第三管芯结构区域，所述第三管芯结构区域从所述第二管芯结构区域沿所述方向延伸，其中所述第三长度大于所述第二长度并且所述第二长度大于所述第一长度，其中所述第二管芯结构区域具有限定不同于所述第一孔隙尺寸的第二孔隙尺寸的管芯颗粒，并且其中所述第三管芯结构区域具有限定不同于所述第一孔隙尺寸和所述第二孔隙尺寸的第三孔隙尺寸的管芯颗粒。
11.如权利要求10所述的热管，其中，所述热管是在所述方向上是细长的密封管。
12.如权利要求10所述的热管，其中，所述热管包括中空本体，所述中空本体具有扁平的非柱形形状并限定内部蒸气空间，所述中空本体具有限定所述蒸发器区域的第一端以及限定所述冷凝器区域的第二相对端，其中所述管芯结构在所述第一端和第二端之间延伸。
13.如权利要求10所述的热管，其中，所述管芯结构沿所述第一管芯结构区域和第二管芯结构区域两者的至少一部分逐渐减小。
14.如权利要求10所述的热管，其中所述第二长度与所述第一长度的比率为至少1.5：1。
15.如权利要求10所述的热管，其中，所述第一管芯结构区域中的基本上每一颗粒具有第一共同尺寸，并且所述第二管芯结构区域中的基本上每一颗粒具有不同于所述第一共同尺寸的第二共同尺寸。
16.如权利要求10所述的热管，其中：
所述方向是第一方向；
蒸气沿着所述中间区域在所述内部蒸气空间内沿第二方向移动；以及
所述第二方向与所述第一方向相反。
17.一种热管，包括：
中空本体，其具有扁平的非柱形形状并限定内部蒸气空间，所述中空本体具有限定蒸发器区域的第一端和限定冷凝器区域的第二相对端；
设置在所述中空本体内的工作流体；以及
管芯结构，其在所述中空本体的第一端和第二端之间延伸，所述管芯结构形成为所述中空本体的内壁的衬里并且限定处于液体状态的所述工作流体的在所述冷凝器区域和所述蒸发器区域之间的路径，其中所述管芯结构包括沿着所述路径延伸的第一管芯结构区域，所述第一管芯结构区域具有第一流体渗透率，所述管芯结构包括第二管芯结构区域，所述第二管芯结构区域从所述第一管芯结构区域沿着所述路径延伸，所述第二管芯结构区域具有限定与第一流体渗透率不同的第二流体渗透率；
其中，所述管芯结构包括第三管芯结构区域，所述第三管芯结构区域从所述第二管芯结构区域沿着所述路径延伸并且具有第三流体渗透率，所述第三流体渗透率不同于所述第一流体渗透率和所述第二流体渗透率两者，其中所述第一管芯结构区域沿所述路径具有第一长度，所述第二管芯结构区域沿着所述路径具有第二长度，并且所述第三管芯结构区域沿所述路径具有第三长度，其中所述第三长度大于所述第二长度，并且所述第二长度大于所述第一长度。
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