CN1804756A - 脉动式热传输装置 - Google Patents

Abstract

一种脉动式热传输装置，其内设有一具有毛细作用的流道，所述流道中收容有呈片段式散布的工作流体，其中部分流道是由多根毛细管的内孔形成，该脉动式热传输装置于所述流道的延伸路径上设置一吸热单元及一散热单元，至少吸热单元及散热单元其中之一的内部设有构成另一部分流道的毛细沟道，所述管体与所述至少吸热单元及散热单元其中之一联接且与所述毛细沟道相通。本发明可减小脉动式热传输装置的体积，且可增强工作流体的脉动强度。

Description

脉动式热传输装置

【技术领域】

本发明涉及热传输装置，尤指一种用于电子元件散热的脉动式热传输装置。

【背景技术】

随着电子元件运行速度越来越快，发热量也越来越大。传统风冷式散热器已显得无法胜任高速电子元件的散热需求。基于此背景，高效的热管散热装置才日益得到广泛应用。

传统热管基本上由金属管、毛细构造物及工作流体组成。毛细构造物呈中空状，附着于金属管内壁形成中空通道。工作流体，如酒精、甲醇或水等，填充于金属管内部。热管一端是蒸发端，另一端是冷凝端。传统热管的工作原理简单介绍如下：当该蒸发端受热时，工作流体吸热蒸发成蒸气，蒸气经由中空通道流至热管的冷凝端冷凝成液体，冷凝热则排至外界被带走。冷凝液经由毛细构造物利用其毛细作用，送回至蒸发端，继续受热、蒸发，完成一连续而稳定的导热循环。

传统热管的主要缺点包括以下几个方面：(1)传统热管在制造过程中，需经历压扁与折弯成形工序，这使得热管中的毛细构造物易受破坏，也使得热管内气流通道横截面积变得不可控制，大小不均，增加气流流动阻力，从而严重影响热管的性能；(2)毛细构造物制造与品管不易，成本高；(3)热传输距离受毛细构造物的限制。

为改善传统热管的缺失，一种新式热管架构被相关研究者提出，其中，日本人Akachi于其美国专利第4,921,041及5,219,020号中揭露有这种热管的相关技术，其构造及工作原理有别于传统热管。如图10，此种新式热管的管路呈多重环路状，管路两端相连通。管路采用毛细管设计，因此管内不需要设置任何毛细构造物。多重环路的一边设有蒸发单元1，另一边设有冷凝单元2，蒸发单元1及冷凝单元2的位置不受限制。管内填充有体积小于管内容积的工作流体。工作流体由于受毛细作用而呈片段状随机散布于环路内，形成交替分布的液柱3及气柱4。

当蒸发单元1受热时，液柱3吸热蒸发形成蒸气，压力上升而推挤液柱3及气柱4朝一方向流动，但蒸气在行至冷凝单元2时被冷凝成液体，体积大为缩小，形成低压阻力，防止其继续向前流动；由于蒸发单元1及冷凝单元2相通，工作流体的液柱3及气柱4在这种蒸发压力及冷凝阻力相互作用下，形成脉动(Pulsating)或振荡(Oscillating)现象，达到热传输目的。因此，此种热管即被称为「脉动式热管」(Pulsating Heat Pipe，PHP)或「振荡热管」(Oscillating Heat Pipe)。

在上述脉动式热管中，流体是靠流体自身的体积变化产生的压力差驱动。其脉动机理需要满足的一个很重要的条件是蒸发单元与冷凝单元存在一定的温度梯度，此温度梯度是激励并维持压力脉动产生的条件。这就意味着，蒸发单元及冷却单元需要足够的长度，使该两单元热量快速传输，以便使蒸发单元及冷却单元维持一定的温度梯度。随着蒸发单元及冷却单元的长度增加，脉动式热管体积也增加。此即是目前业界鲜有将脉动式热管应用至体积日益见小的电脑散热领域的重要原因之一，因而如何减小脉动式热管的体积即成为业界急需要解决的问题。

而且，个人电脑或笔记本电脑这样的电脑系统通常具有中央处理器(CPU)及显卡(VGA)等多个热源，若使用传统热管或现有脉动式热管技术，则无法按其所给空间任意设计散热模块，因此，有一定的局限性。

另外，在上述脉动式热管中，流体本身压力变化越大，则脉动现象越剧烈，相应地热传效率就越高。因此，如何提高此脉动强度即成为业界的另一个研究方向。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题是提供一种体积较小的脉动式热传输装置。

本发明所要解决的进一步技术问题是提供一种可提高脉冲强度从而提高热传输效率的脉动式热传输装置。

为解决上述技术问题，本发明脉动式热传输装置，其内设有一具有毛细作用的流道，所述流道中收容有呈片段式散布的工作流体，其中部分流道是由多根毛细管的内孔形成，该脉动式热传输装置于所述流道的延伸路径上设置一吸热单元及一散热单元，至少吸热单元及散热单元其中之一的内部设有构成另一部分流道的毛细沟道，所述管体与所述至少吸热单元及散热单元其中之一联接且与所述毛细沟道相通。

根据本发明的实施方式，上述毛细沟道可具有分叉结构、网络状结构以及腔体结构。

相较现有管体设计，本发明的吸热部及散热部的块状设计使得吸热部及散热部体积降低，且提高工作流体的热传效率；另外，本发明的毛细沟道的分叉结构、网络状结构以及腔体结构可增强流道内压力脉动强度，从而加剧工作流体的脉动程度，提高热传效率。

【附图说明】

图1是本发明脉动式热传输装置的立体图。

图2是图1的立体分解图。

图3是图2中圈III部分的立体放大图。

图4是图2中圈IV部分的立体放大图。

图5是沿图1中线VI-VI的剖面图。

图6是本发明脉动式热传输装置的流道示意图。

图7至图9是本发明脉动式热传输装置的其它形状的部分流道示意图。

图10是现有脉动式热管的示意图。

【具体实施方式】

下面参照附图，结合实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明脉动式热传输装置10(下简称「热传输装置」)的立体示意图。根据该实施例，该热传输装置10包括三个吸热部100、200、300，一个散热部400，以及与这些吸热部100、200、300及散热部400联接的多根毛细管500。这些吸热部100、200、300及散热部400呈块状，其内部设有毛细沟道(于后详述)，这些毛细沟道与毛细管500连通形成一弯折延伸且具有毛细作用的流道，该流道内填充有交替排布的气柱及液柱(图6)。所述毛细管500可以是软质管，也可以是金属管如铜管。

所述吸热部100、200、300构成该热传输装置10的吸热单元，该散热部400构成该热传输装置10的散热单元。所述吸热部100、200、300的底部是平坦的热交换面，各自与发热元件(图未示)接触，工作时，所述吸热部100、200、300吸收的热量利用气柱及液柱的脉动循环传递至散热部400，然后散发至周围空气中。为增强散热效果，散热部400也可利用其平坦的热交换面结合其它形式的辅助散热装置，如风冷式、液冷式或半导体冷却等散热装置。

下面将针对吸热部100、200、300及散热部400详细介绍。

请参阅图2，每一吸热部100、200、300及散热部400是由热传导性良好的材料制成，如铜、铝等金属。所述吸热部100、200、300及散热部400皆由底座与上盖结合而成，其中，吸热部100包括底座110及上盖120，吸热部200包括底座210及上盖220，吸热部300包括底座310及上盖320，散热部400包括底座410及上盖420。

所述底座110、210、310及对应上盖120、220、320的相对表面上设有相同的沟槽(仅底座的沟槽可见)，当底座110、210、310与对应的上盖120、220、320结合时，即在上述底座110、210、310与上盖120、220、320之间形成内部毛细沟道，该毛细沟道具有至少两个出口，与外部毛细管500连通。

底座110上设有两处相互不连通的沟槽130、140。其中，沟槽130具有相互连通的凹陷132及134，凹陷134呈细长形并弯曲延伸，位于底座110边缘的两端且与毛细管500连通。凹陷132在底座110表面上的横向尺寸即宽度大于凹陷134的宽度，因此凹陷132所占面积较大，沟槽140具有一面积较大的凹陷142及连通凹陷142与毛细管500的细长形凹陷144。

底座210上设有一处沟槽230，该沟槽230与底座110的沟槽140形状类似，具有面积较大的凹陷232及连通凹陷232与毛细管500的细长凹陷234。

底座310上设有两处形状一致且相互不连通的沟槽330，该沟槽330具有面积较大的凹陷332及连通凹陷332与毛细管500的细长形凹陷334。

通过以上介绍可知，三个吸热部100、200、300共设有五个由沟槽共同形成的毛细沟道，该五个沟道具有十个出口，分别与十根毛细管500相连通。

散热部400的底座410及上盖420的相对表面设有四处相互不连通的沟槽430(仅底座430的沟槽可见)，每一沟槽430形状一致，与吸热部200的沟槽230大致类似。当底座410及上盖420结合时，该等沟槽430共同形成四个内部毛细沟道，共有八个出口，分别与外部十根毛细管500的其中八根相连通，其连接的方式为，散热部400的每一毛细沟道与吸热部100、200、300的其中两个毛细沟道连通，且吸热部100、200、300的每一毛细沟道与散热部400的其中两个毛细沟槽连通，如此即形成连续弯折延伸的流道。

除上述四个沟槽430外，该底座410及上盖420还设有一细长形沟槽440，该沟槽440环绕于所有沟槽430。当底座410及上盖420扣合时，沟槽440共同形成一细长形毛细沟道，其具有两个出口，与另外两根毛细管500相连通。如此，所有毛细沟道及毛细管500共同形成封闭的连续性弯折延伸的流道。

上述毛细沟道是由对应底座及上盖相对面的沟槽组合而成，作为另外一种成型方式，也可仅在上述底座及上盖其中之一表面上形成沟槽，而另一表面是呈平面。

在底座及上盖表面制作沟槽的方法有多种，如精密模具加工、蚀刻、放电加工等方式。

上述吸热部与散热部采用分体式设计，即由底座与上盖结合而成，该结合方式可有多种。下面将同时参照图2至图5，以吸热部300为例针对一种结合方式进行说明。

图3及图4是图2的局部放大图，从图中可以看出，吸热部300的上盖320设有一圈凸缘322，而底座310对应该凸缘322设有一圈嵌槽312，该凸缘322的截面外形略大于该嵌槽312截面外形。

请参照图5，当底座310与上盖320结合时，该凸缘322被压入该嵌槽312中，并在该嵌槽312中变形，从而将底座310与上盖320经由类似紧配合的方式结合成一体。除上述凸缘配嵌槽的结合方式外，本发明还可采用焊接、黏合剂黏结、烧结等方式将上述底座及上盖结合起来。

然而需要说明，上述经由底座及上盖结合形成具有内部毛细沟道的吸热部或散热部并不是唯一方式。所述吸热部或散热部也可以是一完整的一体结构，其可利用铸造工艺来制作。

请参阅图6，是工作流体在如图2所示的热传输装置10内的分布图。由于毛细作用，工作流体在流道内形成随机分布的气柱600及液柱700。藉由气柱600及液柱700的脉动循环，吸热部100、200、300吸收发热元件的热量被源源不断地传递至散热部400进行散发。由于吸热部100、200、300及散热部400呈块状，其与发热元件及辅助散热装置可紧密接触，可以减小界面热阻。

在吸热部100、200、300及散热部400内部的毛细沟道中，面积较大凹陷132、144、232、332位置形成有多个腔体，而在细长形毛细沟槽134、334两端形成分叉结构，使工作流体在该两端位置分成两股分别流进细长形毛细沟槽及前述腔体。由于采用此种设计，液柱700在遇到所述分叉/腔体后发生碰撞产生混合，可以增强工作流体与流道内壁的间的传热效果，同时增强流道内压力脉动强度，加剧流体脉动程度，传热效率得到提高。而对于气柱600而言，气柱600在遇到所述分叉/腔体后发生合并、破裂、碰撞、积聚等行为，也可以增强工作流体与流道内壁之间的传热效果，同时增强流道内压力脉动强度。

另外，于吸热部100、200、300及散热部400内部设置腔体及分叉结构也增加了工作流体与吸热部及散热部内壁的接触面积，提高热传效率，且块状设计较现有管体设计具有降低吸热部及散热部体积的功效。

在本实施例中，由于吸热部有多个，每一吸热部可对应一个发热元件，因此可对多个不同位置的发热元件进行散热。

除了上述本实施方式的几种吸热部100、200、300及散热部400的内部毛细沟道形状外，本创作还可采用其它形状的毛细沟道，如图7至图9所示的网状毛细沟道。需要说明，该等图式并非穷举性介绍，本发明并非仅限于图中所示的形状。为清楚显示沟道区与非沟道区，在图中也将气柱及液柱画出。

如图7，二相互连通的细长形毛细沟道71、72在吸热部或散热部内部以并列方式布置，然后与外部毛细管500连通构成连续流道，其中该二毛细沟道71、72两端形成分叉结构，如前所述，该分叉结构可提高工作流体的脉动强度。

如图8，是与图7类似，差别在于该图8的流道包括三个相互连通的细长形毛细沟道81、82、83，该三个毛细沟道81、82、83两端形成分叉结构。可以理解，吸热部或散热部内部还可以设置多于三个的毛细沟道。

如图9所示，是于吸热部或散热部内部形成两处网状毛细沟道91、92，该两处毛细沟道91、92连通。该网状毛细沟道91、92可采用前述第七及第八图的任何一种形式，于是该等毛细沟道91、92形成多处分叉结构。

上述实施方式中，本创作热传输装置10的吸热单元具有三个吸热部100、200、300，散热单元具有一个散热部400，可以理解，可以根据实际需要设置多于或少于三个吸热部，或者多个散热部。每个吸热部及散热部内部可采用前述的任何一种形状的沟道，也可以采用多种形状的沟道的组合。

另外，上述实施方式中，吸热单元及散热单元皆是内部设有毛细沟道的块状元件，其不仅可以减小吸热单元及散热单元的体积，还可以利用块状元件的平坦的热交换面与热源或辅助散热装置作紧密接触，以减小界面热阻。实际使用中，也可仅将吸热单元及散热单元其中之一设计成块状元件。

而且，在上述实施方式中，吸热部全部由金属材质制成，由于吸热功能主要由底座来完成，因此也可使底座由金属材质制成，而上盖由其它价格相对低廉的材料制成，如塑料等。

Claims (16)

1.一种脉动式热传输装置，其内设有一具有毛细作用的流道，所述流道中收容有呈片段式散布的工作流体，其中部分流道是由多根毛细管的内孔形成，该脉动式热传输装置于所述流道的延伸路径上设置一吸热单元及一散热单元，其特征在于：至少吸热单元及散热单元其中之一的内部设有构成另一部分流道的毛细沟道，所述管体与所述至少吸热单元及散热单元其中之一联接且与所述毛细沟道相通。

2.如权利要求1所述的脉动式热传输装置，其特征在于：所述至少吸热单元及散热单元其中之一具有一平坦之热交换面。

3.如权利要求1所述的脉动式热传输装置，其特征在于：所述至少吸热单元及散热单元其中之一包括至少一块状元件，所述毛细沟道是由所述块状元件内壁形成。

4.如权利要求3所述的脉动式热传输装置，其特征在于：所述块状元件呈一体式结构。

5.如权利要求3所述的脉动式热传输装置，其特征在于：所述块状元件包括一底座及一与该底座结合的上盖，所述毛细沟道形成于该底座及上盖之间。

6如权利要求5所述的脉动式热传输装置，其特征在于：该底座及上盖其中之一设有嵌槽，而另一设有紧配合于该嵌槽中的凸缘。

7.如权利要求5所述的脉动式热传输装置，其特征在于：该底座及上盖的相对表面皆设置有毛细沟槽，当底座及上盖结合时，该底座及上盖的毛细沟槽结合形成所述毛细沟道。

8.如权利要求5所述的脉动式热传输装置，其特征在于：该底座及上盖仅其中之一的表面设置有毛细沟槽，而另一之表面为平面。

9.如权利要求1、7或8所述的脉动式热传输装置，其特征在于：所述毛细沟道具有分叉结构。

10.如权利要求1、7或8所述的脉动式热传输装置，其特征在于：所述毛细沟道呈网络状。

11.如权利要求7或8所述的脉动式热传输装置，其特征在于：所述毛细沟道具有一腔体，在形成该毛细沟道的底座或上盖的表面上，该腔体的宽度大于与其连通的单一毛细沟道的宽度。

12.如权利要求1所述的脉动式热传输装置，其特征在于：所述吸热单元包括至少一吸热部，所述散热单元包括至少一散热部，该至少一吸热部内部设有多个毛细沟道，该至少一散热部内部也设有多个毛细沟道，其中吸热部的每一个毛细沟道与散热部的至少两个毛细沟道直接连通，且散热部的每一个毛细沟道与吸热部的至少两个毛细沟道直接连通。

13.一种脉动式热传输装置，包括至少一吸热部、至少一散热部及多根连接于所述至少一吸热部及至少一散热部间的毛细管，一具有毛细作用的流道延伸于所述至少一吸热部、至少一散热部及所述毛细管之间，所述流道内收容有呈片段状散布的工作流体，其特征在于：至少吸热部及散热部其中之一呈块状结构，所述块状结构内部设有构成所述流道一部分的毛细沟道。

14.如权利要求13所述的脉动式热传输装置，其特征在于：所述块状结构包括一底座及一与该底座结合的上盖，该毛细沟道设置于该底座及上盖之间。

15.如权利要求第13或14项所述的脉动式热传输装置，其特征在于：所述毛细沟道具有分叉结构。

16.如权利要求第13或14项所述的脉动式热传输装置，其特征在于：所述毛细沟道具有一腔体，于该块状结构的至少一内部截面上，该腔体的宽度大于与其连通的单一毛细沟道的宽度。

Images