CN1697171A - 内含平行微流道的平板式热管 - Google Patents

Abstract

本发明揭示利用二相循环工作流体的平板式热管热沈装置，用来将包括电脑中央处理器等发热装置所产生的热量散出。工作流体在一密闭金属容器中循环。金属容器内含分隔的上、下两区，两区之间藉一传输通道相连接，并包含一位于下区的毛细蒸发器。蒸发器中的工作液体被发热装置产生的热量所蒸发，工作蒸汽然后进入上区内凝结，释出的凝结热通过金属容器的上壁散出。凝结液体被微流道收集并经传输通道流入下区，再进一步藉毛细作用流回蒸发器中而完成循环。上、下两区中至少有一区是由一空隙或一含有平行微流道组的元件所构成，以减小工作液体流动时的摩擦阻力。

Description

内含平行微流道的平板式热管

技术领域

本发明与具高热通量的热源的散热有关，更特定而言，与平板式热管有关，可用于电脑中的电子晶片或其它应用中需冷却物件的散热上。

背景技术

最新一代的个人电脑中央处理器发热量已经超过一百瓦，为维持晶片在许可的温度以防止其效能降低或损坏，需要高效率的散热方式。美国专利字号5,880,524揭示一平板式热管来均匀分散(spread)半导体晶片产生的热量，其构造如图1所示。工作流体(未图标)在金属容器100的内部空间105作循环，热沈鳍片101置于金属容器100的上方将热散出。中央处理器藉一导热介质102与金属容器100下表面相接触。一种二相可蒸发液体填充于空间105中作为热管的工作流体。一种金属毛细结构103覆盖容器的内壁面作为工作流体的循环回路。工作流体在空间105中的流动方向以图1中的箭头表示。工作流体先吸附于毛细结构103的底部，当中央处理器的热量传入时即蒸发成蒸汽，然后在毛细结构103的项部凝结，释放出的凝结热经热沈鳍片101从上方散出。毛细结构103顶部吸收的凝结液体藉毛细作用输送至毛细结构103的底部，而完成循环。

发明内容

本发明的目的之一是将空隙通道，平行微流道或两者的组合纳入热管内工作流体的循环路径中，以减少工作流体流动时的摩擦阻力。进一步的目的是建立一更有效的热管散热机制。当工作流体的循环路径中部分采用空隙通道，平行微流道或两者的组合，工作液体流动时的摩擦阻力可以减小，进而使毛细作用能更有效地带动工作流体的循环。

附图说明

图1是先前技术。

图2是本发明的第一个实施例。

图3是图2中循环机制的放大平面图。

图4是图2中循环机制的爆炸投影图(explosive perspective view)。

图5是本发明的第二个实施例。

图6是本发明的第三个实施例。

图7是本发明的第四个实施例。

图8是本发明的第五个实施例。

图9是本发明的第六个实施例。

图10是本发明的第七个实施例。

图11是本发明的第八个实施例。

图12是本发明的垂直使用例。

图13是本发明的第九个实施例。

图14是本发明的第十个实施例。

图15是本发明的第十一个实施例。

图16是本发明的第十二个实施例。

图17是本发明的第十三个实施例。

图18是本发明的第十四个实施例。

图19是本发明的第十五个实施例。

图20是本发明的第十六个实施例。

图21是本发明的第十七个实施例。

图22是本发明的第十八个实施例。

图23是图22中实施例的爆炸投影图。

图24是本发明的第十九个实施例。

图25是本发明的第二十个实施例。

图26是本发明的第二十一个实施例。

图27是本发明的第二十二个实施例。

图28是本发明的第二十三个实施例。

具体实施方式

本发明的原理是将空隙通道，平行微流道或两者的组合作为平板式热管内工作流体的循环路径的一部份。图2揭示本发明的第一个实施例。密封金属容器100的内部空间105可分为上、下两区，供工作流体循环之用，工作流体的循环路径如箭号所示。

图3显示图2中空间105内工作流体循环机制的放大平面图。此一设计包括四组平行微流道。毛细结构203左边包括上区的第一组平行微流道201及下区的第二组平行微流道202；右边包括上区的第三组平行微流道201及下区的第四组平行微流道202。第一组平行微流道201及第二组平行微流道202之间被一分隔板205分隔。由于左右两边的平行微流道组201及202的工作原理相同，以下仅针对左边的两组平行微流道作说明。

工作流体(未图示)吸附于毛细结构203中。毛细结构203可由铜、镍或不锈钢等金属粉末烧结而成，或由单层或多层的金属网(metal mesh)或金属布(metal cloth)构成。当热管与中央处理器或其它发热装置接触时，毛细结构203中的工作液体受热蒸发而向上释出蒸汽，如箭号所示。部分蒸汽在空间105的上内壁面上凝结，部分蒸汽进入第一组平行微流道201中凝结。凝结液体聚集于平行微流道201的角落处，然后被蒸汽流及毛细力所带动，流经传输通道204后进入下方的第二组平行微流道202中。传输通道204位于两组平行微流道201及202的一共同端以连接两者。毛细结构203位于平行微流道202的另一端，且其厚度不小于平行微流道202的高度。当毛细结构203中的工作液体蒸发时，会在毛细结构203内部形成一液汽界面。此液汽界面造成一毛细拉力，使平行微流道202中的工作液体被拉入毛细结构203，如此完成一完整的循环：液体→蒸汽→冷却→液体，如图3中箭号所示。

图4显示图2中循环机制的爆炸投影图。平行微流道组201及202可分别制作再接合，亦可一体成型制作，其方法可用铸造或押出成型制作，或可对一金属板作蚀刻、切割、或其它加工而成。平行微流道截面形状可如图示的三角形，亦可为其它形状，如方形或梯形等。平行微流道组201及202的基材可为金属，亦可为非金属，如矽或塑胶等。

在此一实施例中，平行微流道201及202之间除藉传输通道204相通外，彼此分隔，如此微流道202中流动的液体不会被微流道201中逆向流动的蒸汽所拖曳。

为使平行微流道201中的蒸汽能有效地凝结，平行微流道201只宜制作在与空间105的上内壁面接触的一侧。然而，平行微流道202乃为液体流道，采用单侧或双侧沟槽均一样有效。双侧沟槽可用波状绉折板形成(未图示)。图4中显示的为单侧沟槽，可用铸造或押出成型制作，或可对一金属板作蚀刻、切割、或其它加工而成。

图5揭示本发明的第二个实施例。此实施例中，在毛细结构203上方增加一绉折状的垂直导引片207，以连通毛细结构203与金属容器100的内上壁面。导引片207可将部分上壁面的凝结水直接导引入毛细结构203，同时亦可作为加强结构，以抵抗金属容器内部空间105被抽真空时的内向压力。

图6揭示本发明的第三个实施例。此实施例中采用跨越毛细结构203上方的一延长微流道组201B。

图7揭示本发明的第四个实施例。图中显示的物件是在原物件对称面切开后的对半物件，其前表面代表完整物件中间对称面的剖面。此实施例中，第一组平行微流道及传输通道204乃一体成型制作于金属容器100的顶部，而形成顶部结构201C。平行微流道2011及传输通道204可以铸造而成，亦可在金属容器壁上加工制作而成。

图8揭示本发明的第五个实施例。图中显示的物件亦是在原对象对称面切开后的对半物件，其前表面代表完整物件中间对称面的剖面。类似图7中的第四个实施例，第二组平行微流道及传输通道204亦可一体成型制作于金属容器100的底部，而形成底部结构202C。平行微流道2021及传输通道204可以铸造而成，亦可在金属容器壁上加工制作而成。

图9揭示本发明的第六个实施例。本实施例揭示在前述的各实施例中，毛细结构203可以替换成一柱阵列区块(pin-array block)203B。各柱间的空隙以毛细力吸收工作液体。上方开放的柱间空隙可便于在高散热量状况下可能产生的沸腾蒸汽泡排出。本设计的目的在于提升毛细结构203中工作液体的干化(dry-out)极限。

图10揭示本发明的第七个实施例。本实施例揭示一种不同形状的绉折状导引片207B，此处采用的方形绉折状导引片207B与图5中的V形绉折状导引片207不同。另可采用其它的绉折形状，如螺旋形、S形等，不在此赘述。

图11揭示本发明的第八个实施例。本实施例揭示一种以金属网制成的绉折状导引片207C，与图10中的金属片绉折状导引片207B不同。

图12揭示图3的实施例可以垂直使用。此时，毛细结构203释出的部分蒸汽会直接在毛细结构203对面的内表面上凝结或进入下半部的第一组平行微流道201中凝结，凝结液被蒸汽流及重力向下带动，进入底部的液池(liquid pool)中(未图示)。工作液体会被毛细结构203及第二组平行微流道202两者的毛细力向上拉回毛细结构203中。

毛细结构203释出的另一部分蒸汽会进入上半部的第一组平行微流道201中凝结，此凝结液的一部分会向下流入下半部的第一组平行微流道201中，另一部份会被蒸汽流向上带动，先进入上方的传输通道204，再进入上半部的第二组平行微流道202中，最后回到毛细结构203中。

在上述的各实施例中，当两组平行微流道201及202同时存在时，第二组平行微流道202中的微流道截面的水利直径(hydraulic diameter)或截面积宜小于第一组平行微流道201。

图13揭示本发明的第九个实施例。本实施例为图12中实施例的变体。图12中上半部的第一组平行微流道201换成一空隙A。当毛细结构203释出的蒸汽进入空隙A，部分蒸汽凝结于金属容器100的内上壁面。此凝结液的一部分会向下流入下半部的第一组平行微流道201中，另一部份会被蒸汽流向上带动，经过传输通道204，再进入上半部的第二组平行微流道202中。第二组平行微流道202作为凝结液体的通道，其中的液体被重力以及毛细结构203与平行微流道202提供的毛细力带回到毛细结构203中。

图14揭示本发明的第十个实施例。本实施例为图12中实施例的变体。图12中上半部的第二组平行微流道202换成一空隙B。空隙B作为液体通道，其中的液体被重力以及毛细结构203与空隙B提供的毛细力带回到毛细结构203中。

图15揭示本发明的第十一个实施例。本实施例为图12中实施例的变体。图12中上半部的第一组平行微流道201换成一空隙A，而上半部的第二组平行微流道202换成一空隙B。空隙B作为液体通道，其中的液体被重力以及毛细结构203与空隙B提供的毛细力带回到毛细结构203中。

图16揭示本发明的第十二个实施例。本实施例为图3或图4中实施例的简化版，其中只使用单组的平行微流道201及单组的平行微流道202。其循环机制与图3或图4完全相同。

图17揭示本发明的第十三个实施例。本实施例为图16中实施例的变体。图16中的第一组平行微流道201换成一空隙A。毛细结构203释出的蒸汽进入空隙A后，部分蒸汽凝结于金属容器100的内上壁面。此凝结液会被蒸汽流向上带动，经过传输通道204，再进入第二组平行微流道202中。第二组平行微流道202中的液体被重力以及毛细结构203与平行微流道202提供的毛细力带回到毛细结构203中。

图18揭示本发明的第十四个实施例。本实施例为图16中实施例的变体。图16中的第二组平行微流道202换成一空隙B。空隙B作为液体通道，其中的液体被重力以及毛细结构203与空隙B提供的毛细力带回到毛细结构203中。

图19揭示本发明的第十五个实施例。本实施例为图16中实施例的变体。图16中的第一组平行微流道201换成一空隙A，而第二组平行微流道202换成一空隙B。毛细结构203释出的蒸汽进入空隙A后，部分蒸汽凝结于金属容器100的内上壁面。此凝结液会被蒸汽流向上带动，经过传输通道204，再进入空隙B中。空隙B作为液体通道，其中的液体被重力以及毛细结构203与空隙B提供的毛细力带回到毛细结构203中。

图20揭示本发明的第十六个实施例。本实施例可作为前述所有实施例的变体。图20揭示第二个毛细结构204B可置入传输通道204中，使液体流动更平顺。毛细结构204B的毛细力大于前述所有实施例中传输通道204的毛细力，得以抓牢工作液体，防止蒸汽进入第二组平行微流道202中，而使液体流动更平顺。

图21揭示本发明的第十七个实施例。本实施例为图3中实施例的变体。图3中下区的两组平行微流道202均换成一空隙B。空隙B作为液体通道，其中的液体被重力以及毛细结构203与空隙B提供的毛细力带回到毛细结构203中。

图22揭示本发明的第十八个实施例。本实施例采用一与下区长度相同的毛细结构203C。此长毛细结构203C的中段作为蒸发器，吸收其下方发热装置(未图示)产生的热量。长毛细结构203C位于平行微流道组201下方的其它区段则作为液体回流至中段蒸发器的通道。毛细结构203C可由烧结金属粉末、金属网或金属布构成。

图23显示图22中实施例的爆炸投影图。两组平行微流道201分别置于内部空间105的上放区域的左右两边，用来帮助收集凝结液体。

图24揭示本发明的第十九个实施例，其中在毛细结构203C上，介于左右两平行微流道组201间，安置一V形绉折状导引片207。

图25揭示本发明的第二十个实施例。本实施例采用一组延长的平行微流道201B跨越长毛细结构203C上方。长平行微流道201B与长毛细结构203C之间用一金属或非金属分隔板205隔开，但保留一空间300供蒸汽流入平行微流道201B。本实施例中的分隔板205亦可采用网布材质，如此，长平行微流道201B所收集的部分凝结液体可不必绕经传输通道204而可直接进入长毛细结构203C中。

图26揭示本发明的第二十一个实施例。本实施例采用一V形绉折网302取代上一实施例中的长平行微流道201B。本实施例中的分隔板205亦可采用网布材质。

图27揭示本发明的第二十二个实施例。本实施例显示图25中长毛细结构203C可用一绉折金属网302取代。

图28揭示本发明的第二十三个实施例。本实施例显示绉折金属网302上方可增加一层金属网304，以加强毛细力，尤其是针对中段蒸发器部分。

本发明意欲涵盖对于熟悉此相关技术人士而言是显而易知的设计，因此，权利要求范围应根据最广的诠释，以包含所有此类相似的设计、配置、与应用领域。

Claims (18)

1.一种作为发热装置散热用的热沈装置，其特征在于：包括

一密闭金属容器，与上述发热装置相接触；

一种二相可蒸发工作流体，在上述金属容器内部作循环，以移除上述发热装置产生的热量；

一工作流体路径，包括上区与下区，上区与下区彼此被一分隔板分隔，但上区与下区的一共同端被一传输通道连接，使上述工作流体可自上区流入下区，上述的上区与上述金属容器的上内壁面接触，以供蒸汽凝结以及散出热量之用；上述的下区作为凝结工作液体的循环通道的一部份；

一传输通道，连接上述工作流体路径的上区与下区的一共同端；及

一毛细蒸发器，与上述工作流体路径的下区相连，藉毛细力收集上述工作流体路径的下区的凝结液体，而上述的凝结液体等待吸收上述发热装置产生的热量而蒸发。

2.一种作为发热装置散热用的热沈装置，其特征在于：包括

一密闭金属容器，与上述发热装置相接触；

一种二相可蒸发工作流体，在上述金属容器内部作循环，以移除上述发热装置产生的热量；

一工作流体路径，包括上区与下区，上区与下区彼此被一分隔板分隔，但上区与下区的一共同端被一传输通道连接，使上述工作流体可自上区流入下区，上述的上区与上述金属容器的上内壁面接触，以供蒸汽凝结以及散出热量之用；上述的下区作为凝结工作液体的循环通道的一部份；

一传输通道，位于上述工作流体路径的上区的一端，并与下区的一端连接；及

一毛细结构，位于上述工作流体路径的下区，上述毛细结构的一部份作为蒸发器，其余部分则作为液体通道，藉毛细力收集上述工作流体路径的下区的凝结液体，而上述的凝结液体等待吸收上述发热装置产生的热量而蒸发。

3.如权利要求1或2所述的的热沈装置，其特征在于：其中的发热装置为一积体电路晶片。

4.如权利要求1或2所述的的热沈装置，其特征在于：其中的毛细结构属于由烧结铜粉、烧结镍粉、和烧结不锈钢粉组成的族群之一。

5.如权利要求1或2所述的的热沈装置，其特征在于：其中的毛细结构属于由金属网和金属布组成的族群之一。

6.如权利要求1或2所述的的热沈装置，其特征在于：其中工作流体路径的上区与下区中至少有一区属于由空隙和平行微流道组所组成的族群之一。

7.如权利要求6所述的热沈装置，其特征在于：其中的平行微流道组的微流道截面形状属于由V形、三角形、方形、和梯形所组成的族群之一。

8.如权利要求1或2所述的热沈装置，其特征在于：更包括一导引片，置于上述蒸发器上方，使上述金属容器上内壁面的部分凝结液体可以直接向下流回蒸发器中。

9.如权利要求1或2所述的热沈装置，其特征在于：其中的工作流体路径的上区及上述的传输通道与上述金属容器的上壁面一体制作成一顶部结构。

10.如权利要求1所述的热沈装置，其特征在于：其中的工作流体路径的下区及上述的传输通道与上述金属容器的下壁面一体制作成一底部结构。

11.如权利要求1所述的热沈装置，其特征在于：其中的毛细结构为一柱阵列，各柱间的空隙可提供毛细力吸收工作液体。

12.如权利要求8所述的热沈装置，其特征在于：其中的导引片是由金属网制成。

13.如权利要求1或2所述的热沈装置，其特征在于：其中的密闭金属容器由水平方向旋转成垂直方向。

14.如权利要求1或2所述的热沈装置，其特征在于：更包括置于上述的传输通道中的第二个毛细结构。

15.如权利要求1或2所述的热沈装置，其特征在于：其中的工作流体路径的上区安置一层属于由金属网和金属布所组成的族群之一的绉折金属结构物形成的平行微流道组。

16.如权利要求2所述的热沈装置，其特征在于：其中的毛细结构换成属于由金属网和金属布所组成的族群之一制作成的绉折金属结构物形成的平行微流道毛细结构。

17.如权利要求16所述的热沈装置，其特征在于：其中的绉折金属平行微流道毛细结构上方再增加一层属于由金属网和金属布所组成的族群之一的结构层，以使其中的绉折金属结构物形成封闭的平行微流道。

18.如权利要求2所述的热沈装置，其特征在于：其中的分隔板由属于由金属网和金属布组成的族群之一的材料制成。

Images