CN115307468A - 一种具有船型多孔隙毛细结构的管形元件及热导管 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有船型多孔隙毛细结构的管形元件，包含有铜金属管材和船型多孔隙毛细结构。铜金属管材具有一内表面，内表面具有多个沟槽结构，沟槽结构具有沟槽底面和沟槽侧壁。船型多孔隙毛细结构连续性地形成于每一沟槽结构内，该船型多孔隙毛细结构具有上表面、下表面、侧表面。上表面具有一中间凹陷区和一边缘突起区。下表面贴附于沟槽底面。侧表面自上表面向下表面逐渐内缩，侧表面和沟槽侧壁之间具有一侧壁间隙。本发明增加了热导管元件中液相工作流体的输送速度，进而提升了热导管元件的热传导能力及解热功率。

Description

一种具有船型多孔隙毛细结构的管形元件及热导管

技术领域

本发明系关于一种热导管结构元件，尤其是指一种毛细结构和基板沟槽侧壁之间形成间隙的热导管管状结构元件。

背景技术

毛细结构的吸水能力是一般热导管元件设计的重要参数，高渗透率的毛细结构对于热导管元件内液相工作流体具有较高的传输能力，有利于液相工作流体的冷凝回流，提高热导管元件的两相循环，进而增加元件的传热性能。热导管打扁后的元件厚度越薄时，上下管壁间的容置空间变小，为了维持足够的气相工作流体的流动空间，须限制毛细结构的厚度。

当毛细结构厚度越薄，其承载液相工作流体的量就越少，液相工作流体从远端冷凝区回流到蒸发区的速度也慢，影响了热导管元件的两相循环，进而影响热传导功能及解热功率。

热导管内部的毛细结构型态，大致有烧结铜粉式毛细结构、铜网式毛细结构、沟槽式毛细结构和复合式毛细结构几种形式。烧结铜粉式毛细结构中，铜粉式热导管C1是将铜粉烧结在金属管C10内壁形成烧结多孔隙铜粉层C11，管体中心保留为气道，如图1A所示。铜网式热导管C2是将铜网C21铺置在金属管C20内部空间，剩余空间为气道，如图2A所示。由于现今电子产品多设计为扁平式，热导管也通常进一步压成扁平状以增加接触面积和便于装设，如图1B和图2B所示。

然而，烧结铜粉式的毛细结构必须有相当厚度的铜粉层且容易产生裂纹。当管状热导管元件打扁后的的元件厚度小于1.0mm时，目前只有铜网式毛细结构的工艺能够适应量产制造。且小于1.0mm时，铜网式毛细结构也面临毛细极限的问题，大幅降低液相工作流体的输送能力。在生产时，铜网需要用人工在铜管中进行穿网及位置的精准置放，非常不利于自动化大量生产。

产业界急需一种同时能满足功效以及自动化制程要求的新型毛细结构，来解决目前热导管元件因厚度尺寸缩小及铜网毛细极限，导致液相工作流体输送速度不足，以及热导管元件高效自动化生产的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种具有船型多孔隙毛细结构的管形元件及热导管，其包含有沟槽结构和船型多孔隙毛细结构，且多孔隙毛细结构和管内沟槽侧壁之间形成间隙的管状结构元件，此种复合式新型毛细结构的管状结构元件能够高度自动化量产，又具有极佳的工作流体渗透率及毛细输送能力，克服了目前烧结铜粉毛细式和铜网毛细式热导管难以高度自动化量产的问题。

为实现上述目的，本发明公开了一种具有船型多孔隙毛细结构的管形元件，其特征在于包含有：

一铜金属管材，具有一内表面，该内表面具有多个沟槽结构，每一沟槽结构具有一沟槽底面和一沟槽侧壁；以及

一船型多孔隙毛细结构，形成于每一沟槽结构内，该船型多孔隙毛细结构具有：

一上表面，具有一中间凹陷区和一边缘突起区；

一下表面，贴附于该沟槽底面；以及

一侧表面，自该上表面向该下表面逐渐内缩，该侧表面和该沟槽侧壁之间具有一侧壁间隙。

其中，每一沟槽结构为一长条型沟槽结构，并向该铜金属管材的两端延伸，该长条型沟槽结构深度介于0.1mm～1.0mm之间，该长条型沟槽结构长度至少为100mm，且该长条型沟槽结构宽度介于0.5mm～5.0mm之间。

其中，该上表面的宽度大于该下表面的宽度，以及该船型多孔隙毛细结构的最大宽度大于该侧壁间隙的最小宽度的3倍。

其中，该侧壁间隙的最小宽度大于10um。

其中，该船型多孔隙毛细结构为一粉末烧结的多孔隙毛细结构，该粉末烧结的多孔隙毛细结构为一浆料经由印刷、烘干、裂解和烧结工艺所形成，以及该浆料包含有多个金属铜颗粒、多个氧化亚铜颗粒以及一聚合物胶体。

还公开了一种具有船型多孔隙毛细结构的热导管，其特征在于包含有：

一铜金属密闭管材，具有一内表面并形成一密闭空腔，该内表面具有多个沟槽结构，每一沟槽结构具有一沟槽底面和一沟槽侧壁；

一船型多孔隙毛细结构，形成于每一沟槽结构内，该船型多孔隙毛细结构具有：

一上表面，具有一中间凹陷区和一边缘突起区；

一下表面，贴附于该沟槽底面；以及

一侧表面，自该上表面向该下表面逐渐内缩，该侧表面和该沟槽侧壁之间具有一侧壁间隙；以及

一工作流体，以气相或液相型态于该密闭空腔中流动。

其中，进一步具有一蒸发区和一冷凝区，其中每一沟槽结构为一长条型沟槽结构，该长条型沟槽结构的一端指向该蒸发区，该长条型沟槽结构的另一端指向该冷凝区，该长条型沟槽结构深度介于0.1mm～1.0mm之间，该长条型沟槽结构长度至少为80mm，且该长条型沟槽结构宽度介于0.5mm～5.0mm之间。

其中，该上表面的宽度大于该下表面的宽度，以及该船型多孔隙毛细结构的最大宽度大于该侧壁间隙的最小宽度的3倍。

其中，该侧壁间隙的最小宽度大于10um。

其中，该船型多孔隙毛细结构系为一粉末烧结的多孔隙毛细结构，该粉末烧结的多孔隙毛细结构为一浆料经由印刷、烘干、裂解和烧结工艺所形成，以及该浆料包含有多个金属铜颗粒、多个氧化亚铜颗粒以及一聚合物胶体。

综上所述，本发明由于船型多孔隙金属毛细结构与基板沟槽之间形成微小的侧壁间隙，而侧壁间隙属于微沟槽结构，对于工作流体具有很好的渗透率，本身也提供毛细力，进而形成船型多孔隙毛细结构与侧壁间隙结合为一体的复合式毛细结构。本发明增加了热导管中液相工作流体的渗透率并加快液相工作流体由冷凝区往蒸发区的毛细输送速度，进而提升了热导管元件的热传导能力及解热功率。

附图说明

图1A和图1B绘示先前技术中烧结铜粉毛细式热导管的横剖面示意图；

图2A和图2B绘示先前技术中铜网毛细式热导管的横剖面示意图；

图3绘示本发明一具体实施例中具有船型多孔隙毛细结构的管形元件的横剖面示意图；

图4A绘示图3实施例中具有船型多孔隙毛细结构的管形元件的局部放大示意图；

图4B绘示图3实施例中船型多孔隙毛细结构的示意图；

图5绘示图3实施例中船型多孔隙毛细结构的组成示意图；

图6绘示图3实施例中具有船型多孔隙毛细结构的管形元件的俯瞰示意图；

图7绘示本发明另一具体实施例中具有船型多孔隙毛细结构的热导管元件的俯瞰示意图；

图8绘示本发明一具体实施例中液相工作流体流向的示意图。

具体实施方式

为了让本发明的优点，精神与特征可以更容易且明确地了解，后续将以具体实施例并参照所附图式进行详述与讨论。需注意的是，这些具体实施例仅为本发明代表性的具体实施例，其中所举例的特定方法、装置、条件、材质等并非用以限定本发明或对应的具体实施例。又，图中垂直方向、水平方向和各元件仅系用于表达其相对位置，且未按其实际比例绘述，合先叙明。

请参阅图3、图4A和图4B。图3绘示本发明一具体实施例中具有船型多孔隙毛细结构的管形元件的横剖面示意图；图4A绘示图3实施例中具有船型多孔隙毛细结构的管形元件的局部放大示意图；图4B绘示图3实施例中船型多孔隙毛细结构的示意图。本发明的一范畴是提供一种具有船型多孔隙毛细结构的管形元件T，包含有铜金属管材1和船型多孔隙毛细结构2。铜金属管材1具有一内表面，内表面具有多个沟槽结构10，沟槽结构10具有沟槽底面102和沟槽侧壁104。船型多孔隙毛细结构2连续性地形成于每一沟槽结构10内，该船型多孔隙毛细结构2具有上表面21、下表面22、侧表面24。上表面21具有一中间凹陷区215和一边缘突起区217。下表面22贴附于沟槽底面102。侧表面24自上表面21向下表面22逐渐内缩，侧表面24和沟槽侧壁104之间具有一侧壁间隙106。

沟槽结构10为一长条型沟槽结构，向铜金属管材1的两端延伸。多个沟槽结构10可以是被多个支撑墙体18所隔开。支撑墙体18隔绝相邻的两个沟槽结构10中液相工作流体的直接交换，而必须绕开支撑墙体18才能连通。沟槽侧壁104是沟槽结构10的长边侧壁。

侧表面24是船型多孔隙毛细结构2的长边侧面。至少一个侧表面24向下向内渐缩且和沟槽侧壁104间隔有侧壁间隙106。在两个侧面都间隔有侧壁间隙106的实施例中，侧表面24和高起的边缘突起区217使船型多孔隙毛细结构2的横剖面像是一个横看的船型。于实际应用中，该船型多孔隙毛细结构2上表面21中间凹陷区215和边缘突起区217所形成的曲面的曲率越大则毛细力越佳。侧壁间隙106越大对工作流体的渗透率越好，携带量也越大。若将此具有船型多孔隙毛细结构的管形元件T进一步加工制作成热导管元件并打扁成薄型热导管，有利于双相流的循环效率，进而增加博型热导管的热传导能力。

船型多孔隙毛细结构2的上表面21的宽度大于下表面22的宽度，船型多孔隙毛细结构2的横向最大宽度大于侧壁间隙106的最小宽度的3倍。该侧壁间隙的最小宽度大于10um。侧壁间隙106上窄下宽，有利增加工作流体3和船型多孔隙毛细结构2间工作流体储存容积。

请参阅图4A和图8。图8绘示本发明一具体实施例中液相工作流体流向的示意图。图8仅表现单一沟槽结构的工作流体流向。本发明的复合式毛细结构是由船型多孔隙毛细结构2、沟槽结构10以及侧壁间隙106所构成的。侧壁间隙106的通道与船型多孔隙毛细结构2形成的互补作用，共同做为热导管内液相工作流体3的输送渠道。

灌注液相工作流体3至热导管元件内。液相工作流体3会吸附于船型多孔隙毛细结构2的内及侧壁间隙106之中。侧壁间隙106中液相工作流体3的水位可能会高于船型多孔隙毛细结构2的内液相工作流体3的平均水位。

由于侧壁间隙106是一长条微细沟槽形状，具有良好的液相工作流体渗透率，加上船型多孔隙毛细结构2具良好的毛细压差，合力将液相工作流体快速输送至蒸发区。

请参阅图5和图6。图5绘示图3实施例中船型多孔隙毛细结构的组成示意图；

图6绘示图3实施例中具有船型多孔隙毛细结构的管形元件的俯瞰示意图。长条型沟槽结构10深度D1介于0.1mm～1.0mm之间，长条型沟槽结构10长度D2至少为100mm，且长条型沟槽结构10宽度D3介于0.5mm～5.0mm之间。

具有船型多孔隙毛细结构的管形元件T具有两个开口端15，因此管形元件内部具有开放空腔14连通外界。长条型沟槽结构10长度D2可以和具有船型多孔隙毛细结构的管形元件T等长，或是让长条型沟槽结构10如同虚线般的间节设置于具有船型多孔隙毛细结构的管形元件T内。实际应用中，若要大量生产长度100mm的管形元件，可以先制作出长度500mm的管形元件，再分节截断成5个具有船型多孔隙毛细结构的管形元件T。或者，可制作出任意长度的具有船型多孔隙毛细结构的管形元件，然后裁切成任意长度的短小管型元件，用于加工制作任意长度的热导管元件。

船型多孔隙毛细结构2系为粉末烧结毛细结构，船型多孔隙毛细结构2包含有多个链状铜构件26和多个类球状铜构件28，链状铜构件26相互连结，类球状铜构件28散布于链状铜构件26之间，多个孔隙形成于该等链状铜构件及该等类球状铜构件之间。于一具体实施例中，类球状铜构件28的平均直径大于链状铜构件26的平均直径。

船型多孔隙毛细结构2系为一粉末烧结的多孔隙毛细结构，例如铜粉末，粉末烧结的多孔隙毛细结构为一浆料经印刷、烘干、裂解和烧结工艺所制成。

浆料包含多个金属铜(Cu)颗粒、多个氧化亚铜(Cu₂O)颗粒、有机溶剂及聚合物；所述颗粒为一种细小的粉末颗粒，多个团聚时具有粉末性质，或可称为金属铜粉末和氧化亚铜粉末。聚合物在常温常压条件下以流变性胶体形式存在，并混匀在溶剂当中。铺置浆料于可挠性铜片材的沟槽结构中，例如直接连续刮印方式，或藉由藉由钢板印刷或网版印刷铺设浆料。由于浆料的流变性，此时浆料会均匀铺满沟槽结构10，覆盖沟槽底面并且碰触到沟槽侧壁。加热浆料以去除有机溶剂及裂解聚合物，使金属铜颗粒彼此烧结并形成具有侧壁间隙的船型多孔隙毛细结构。

浆料经烘干后去除溶剂形成一固化物，聚合物胶体附着于金属铜颗粒和氧化亚铜颗粒之间，并且使聚合物、金属铜颗粒和氧化亚铜颗粒向内部聚缩，形成烧结后侧壁间隙106的雏型。固化物内的聚合物在裂解工艺中气化并被排除，在金属铜颗粒和氧化亚铜颗粒之间留下孔洞。在含氢的气氛下烧结时，氧化亚铜晶体会局部还原并延伸拉长成长条链状。烧结后金属铜粉末形成类球状铜构件28，氧化亚铜颗粒则还原烧结并拉伸形成链状铜构件26。还原的氧化亚铜颗粒在前述孔洞中沿着类球状铜构件28拉伸，固化后形成彼此交错的链状铜构件26和类球状铜构件28。

氧化亚铜晶体在超过一定温度时会由最远两端延伸拉长，而金属铜晶体不会延伸拉长；氧化亚铜在高温下不能彼此烧结，而金属铜会彼此烧结。因此烧结过程中，为确保氧化亚铜颗粒能够确实发生烧结和延伸拉长，需。实际应用时，烧结工艺温度控制在700～800℃之间，并且在严格控制的氮氢混合还原气氛下进行。

金属铜颗粒的平均粒径D50约为10um～53um之间。或者在另一实施例中，金属铜颗粒的平均粒径D50约为10um～30um之间。氧化亚铜颗粒的平均粒径约为0.5um～5um，尤其是菱形八面体晶体的氧化亚铜颗粒为佳。

请参阅图7和图8。图7绘示本发明另一具体实施例中具有船型多孔隙毛细结构的热导管元件的俯瞰示意图。本发明的另一范畴是提供一种具有船型多孔隙毛细结构的热导管P。本实施例中与前述实施例相同名称或标号的元件大致具有相同的结构或效果，于此不再赘述。与前述实施例不同之处将于下说明。

具有船型多孔隙毛细结构的热导管P包含有一铜金属密闭管材4、一船型多孔隙毛细结构2和一工作流体3。铜金属密闭管材4具有一内表面并形成一密闭空腔44，内表面具有多个沟槽结构，沟槽结构具有沟槽底面和沟槽侧壁。工作流体3以气相或液相型态于密闭空腔44中流动。船型多孔隙毛细结构2形成于每一该沟槽结构内，该船型多孔隙毛细结构2具有上表面、下表面、侧表面。上表面具有一中间凹陷区和一边缘突起区。下表面贴附于沟槽底面。侧表面自上表面向下表面逐渐内缩，侧表面和沟槽侧壁之间具有一侧壁间隙。

铜金属密闭管材4具有两个密闭端45，使管材内形成密闭空腔44。密闭空腔44的气压为小于1大气压的负压。真空且包含有毛细结构和工作流体3的密闭空腔44形成了具有热交换功能的热导管。

具有船型多孔隙毛细结构的热导管P进一步具有一蒸发区P1和一冷凝区P2，其中沟槽结构为一长条型沟槽结构，长条型沟槽结构的一端指向蒸发区，长条型沟槽结构的另一端指向冷凝区。

船型多孔隙毛细结构2进一步还可以分为一第一毛细结构和一第二毛细结构。第一毛细结构设置于蒸发区P1，第二毛细结构不设置于蒸发区P1，第二毛细结构设置于蒸发区P1以外的地方，尤其是远端冷凝区P2和蒸发区P1及冷凝区P2之间的绝热段。

第一毛细结构和第二毛细结构为连续性结构，且第一毛细结构与第二毛细结构具有不同的孔隙率。于一具体实施例中，第一毛细结构的孔隙率大于第二毛细结构。第一毛细结构的孔径大于第二毛细结构的孔径。第一毛细结构的平均粒径大于第二毛细结构的平均粒径。尤其，第一毛细结构的类球状铜构件的平均粒径大于第二毛细结构的类球状铜构件的平均粒径。

第一毛细结构的平均粒径大，有利于液相工作流体沸腾时在表面形成较大面积的水薄膜而蒸发，进而降低热阻，蒸发成气相工作流体的速度较快；相对来说，第二毛细结构的平均粒径小则有利于提升输送液相工作流体的毛细力，使液相工作流体的流动速度加快。因此，第一毛细结构设置于蒸发区W1较有助于液相转成气相工作流体，第二毛细结构设置于其他区段有助于液相工作流体回冷凝端回流至蒸发端。

实际应用中，具有船型多孔隙毛细结构的热导管P可以是从如图6的具有船型多孔隙毛细结构的管形元件T进一步加工制成，并且具有先前实施例的元件特征和制作方法。加工步骤包含有：先封闭其中一个开口端15成为密闭端45；从另一开口端15灌注工作流体3到开放空腔14中；从另一开口端15抽真空；封闭另一开口端15成为另一密闭端45。

请再参阅图8。具有船型多孔隙毛细结构的热导管P于实际运作时，侧壁间隙中的液相工作流体3和船型多孔隙毛细结构2的内的液相工作流体3朝向相同方向前进(箭头方向)。但是侧壁间隙中的流体阻力较小，液相工作流体3流动速度较快；船型多孔隙毛细结构2内的流体阻力较大，液相工作流体3流动速度较慢。侧壁间隙中的液相工作流体3也可以补充至船型多孔隙毛细结构2内。

本发明的复合式毛细结构在反重力垂直吸水测试中，对于纯水的输送速度可达30mm/sec以上，远比铜网毛细结构的纯水输送速度快上两倍以上。对于热导管元件的毛细力而言，具有显著的效益。

综上所述，本发明提供的复合式毛细结构，利用多孔隙金属毛细结构和沟槽侧壁之间的侧壁间隙来形成复合式毛细结构。由于侧壁间隙亦形成了长条型微沟槽毛细作用，对液相工作流体而言有很好的渗透率。同时，侧壁间隙的存在也使得液相工作流体的在整个复合毛细结构的携带量增加，并加快液相工作流体由远端冷凝区往蒸发区的输送速度，进而提升了热导管元件的热传导能力及解热功率。

藉由以上较佳具体实施例的详述，系希望能更加清楚描述本发明的特征与精神，而并非以上述所揭露的较佳具体实施例来对本发明的范畴加以限制。相反地，其目的是希望能涵盖各种改变及具相等性的安排于本发明所欲申请的专利范围的范畴内。因此，本发明所申请的专利范围的范畴应该根据上述的说明作最宽广的解释，以致使其涵盖所有可能的改变以及具相等性的安排。

Claims (10)

1.一种具有船型多孔隙毛细结构的管形元件，其特征在于包含有：

一铜金属管材，具有一内表面，该内表面具有多个沟槽结构，每一沟槽结构具有一沟槽底面和一沟槽侧壁；以及

一船型多孔隙毛细结构，形成于每一沟槽结构内，该船型多孔隙毛细结构具有：

一上表面，具有一中间凹陷区和一边缘突起区；

一下表面，贴附于该沟槽底面；以及

一侧表面，自该上表面向该下表面逐渐内缩，该侧表面和该沟槽侧壁之间具有一侧壁间隙。

2.如权利要求1所述的具有船型多孔隙毛细结构的管形元件，其特征在于，每一沟槽结构为一长条型沟槽结构，并向该铜金属管材的两端延伸，该长条型沟槽结构深度介于0.1mm～1.0mm之间，该长条型沟槽结构长度至少为100mm，且该长条型沟槽结构宽度介于0.5mm～5.0mm之间。

3.如权利要求1所述的具有船型多孔隙毛细结构的管形元件，其特征在于，该上表面的宽度大于该下表面的宽度，以及该船型多孔隙毛细结构的最大宽度大于该侧壁间隙的最小宽度的3倍。

4.如权利要求1所述的具有船型多孔隙毛细结构的管形元件，其特征在于，该侧壁间隙的最小宽度大于10um。

5.如权利要求1所述的具有船型多孔隙毛细结构的管形元件，其特征在于，该船型多孔隙毛细结构为一粉末烧结的多孔隙毛细结构，该粉末烧结的多孔隙毛细结构为一浆料经由印刷、烘干、裂解和烧结工艺所形成，以及该浆料包含有多个金属铜颗粒、多个氧化亚铜颗粒以及一聚合物胶体。

6.一种具有船型多孔隙毛细结构的热导管，其特征在于包含有：

一铜金属密闭管材，具有一内表面并形成一密闭空腔，该内表面具有多个沟槽结构，每一沟槽结构具有一沟槽底面和一沟槽侧壁；

一船型多孔隙毛细结构，形成于每一沟槽结构内，该船型多孔隙毛细结构具有：

一上表面，具有一中间凹陷区和一边缘突起区；

一下表面，贴附于该沟槽底面；以及

一侧表面，自该上表面向该下表面逐渐内缩，该侧表面和该沟槽侧壁之间具有一侧壁间隙；以及

一工作流体，以气相或液相型态于该密闭空腔中流动。

7.如权利要求6所述的具有船型多孔隙毛细结构的热导管，其特征在于，进一步具有一蒸发区和一冷凝区，其中每一沟槽结构为一长条型沟槽结构，该长条型沟槽结构的一端指向该蒸发区，该长条型沟槽结构的另一端指向该冷凝区，该长条型沟槽结构深度介于0.1mm～1.0mm之间，该长条型沟槽结构长度至少为80mm，且该长条型沟槽结构宽度介于0.5mm～5.0mm之间。

8.如权利要求6所述的具有船型多孔隙毛细结构的热导管，其特征在于，该上表面的宽度大于该下表面的宽度，以及该船型多孔隙毛细结构的最大宽度大于该侧壁间隙的最小宽度的3倍。

9.如权利要求6所述的具有船型多孔隙毛细结构的热导管，其特征在于，该侧壁间隙的最小宽度大于10um。

10.如权利要求6所述的具有船型多孔隙毛细结构的热导管，其特征在于，该船型多孔隙毛细结构系为一粉末烧结的多孔隙毛细结构，该粉末烧结的多孔隙毛细结构为一浆料经由印刷、烘干、裂解和烧结工艺所形成，以及该浆料包含有多个金属铜颗粒、多个氧化亚铜颗粒以及一聚合物胶体。

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