CN1815127A - 一种热导管 - Google Patents

Abstract

本发明涉及计算机配件技术领域，尤其是涉及计算机散热器内部的热导管。该热导管具有一中空状的铜管，铜管内烧结有一铜球粉层，其含有各种易吸水的无机盐球 而且铜管的不同区段有不同的添加比例。所述铜管的内壁上有一层在800℃以下不与铜产生烧结反应的阻绝层，使铜球粉层与铜管互不烧结。由于铜管内壁有阻绝层的存在，使烧结铜球粉与铜管成为分离的个体，在烧结的过程中铜球粉层会往中心些微内缩，以致在铜球粉层与铜管之间形成一薄层空隙成为水流通道 可增加储水量，使水流顺畅，并降低折弯或压平时的应力避免断裂。

Description

一种热导管

技术领域：

本发明涉及计算机配件技术领域，尤其是涉及计算机散热器内部的热导管。

背景技术：

目前的电子产品芯片的运算速度越来越快，故所使用的散热器逐渐无法满足需求，为了改善散热器金属片散热速率的不足，目前许多散热器开始加装热导管(heat pipe)以提升导热速率。

见附图1所示，热导管的原理是：一根两端密封的铜管01，其内缘有一层使液体能以毛细作用输送液体的介质(wick)，当加热端液体气化，沿着中心空间到冷却端再度冷却为液体，然后再沿着内缘的输送介质回到加热端，如此周而复始即可达到快速传热的目的。

见附图2所示，上述的位于铜管01内缘而以毛细现象输送液体的介质(wick)有四种形式：(1)、在铜管01内刻出多条轴向的沟槽02以输送液体(见附图2a)；(2)、以烧结铜粉的形式黏附在铜管01内缘的一层多孔铜球粉03(见附图2b)；(3)、一种是编织网04(见附图2c)；一种是纤维05再加螺旋弹簧06(见附图2d)。

以实际的测试情况来看，以第二种，即烧结铜粉的方式为最佳，尤其是在水平放置、甚至冷却端低于蒸发端的情况下更是如此，此种多孔形铜球粉烧结物更能发挥毛细现象的作用，因此导热效果更好。其它的设计只有在冷却端的高度高于蒸发端甚至垂直的情况下，才能使其性能达到多孔烧结铜球粉型的效果。所以，如果应用在必须水平放置热导管的场合，甚至因使用者的操作动作可能使冷却端低于蒸发端的情况下，例如在膝上操作笔记本电脑，则仍以烧结铜球粉的热导管为最佳选择。

然而，在铜管内缘烧结一层铜球粉是一项高难度的技术，其难度远高于一般气动组件或是喷火枪枪头所用的烧结铜球。因为铜球在熔化后会因内聚力而熔合，若控制不佳则容易造成某些地方的孔隙较大，而有些地方的孔隙则较窄，从而阻碍水回流的毛细作用或是出现因烧结不足而导致热导管结构脆弱。另外，热导管折弯或压平后造成熔接界面裂开，这样也会阻碍水的回流。

热导管产品难以全检其热阻性能，因为一件产品测量的时间过长，只能以抽检的方式进行。但抽检只能代表整体水平，仍有少部分产品烧结过度而造成孔隙太小，令毛细现象作用不佳，性能下降；或者是熔合不足而使导管的结构脆弱。

另外一方面，许多热导管须折弯或压平，此过程会对烧结铜球粉产生应力，有些会立即断裂而造成水流不畅；还有一些则在交付使用者使用一段时间后才产生断裂现象，使得热导管所在的服务器产品或工作量庞大的多媒体计算机产生过热问题。

发明内容：

本发明的目的就在于针对现有技术存在的不足之处而提供一种导热效果良好，折弯或压平时不会影响其使用性能的热导管。

为达到上述目的，本发明的技术方案为：该热导管具有一中空状的铜管，铜管内烧结有一铜球粉层，所述铜管的内壁上以涂覆或电镀或结晶沉积的方式，附着有一层在800℃以下不与铜产生烧结反应的阻绝层，以使铜球粉层与铜管互不烧结而相互分离。

所述铜球粉层由具有如下比例的成分组成：金属球粉A 100份、金属球粉B 100份、金属球粉C 10～30份、易吸水的无机盐球5～20份、碳酸钙5～10份，其中，金属球粉A和金属球粉B皆为铜锡合金，但金属球粉B中的锡含量高于金属球粉A，以使其熔点低于金属球粉A，金属球粉C则为铝球粉，铜球粉层烧结后，以酸液去除碳酸钙。

所述的易吸水的无机盐球为石英、陶土、三氧化二铝、硅酸盐、沸石、硅藻土的混合物。

所述无机盐球的添加比例，在铜管的不同区段各不相同，其中，在蒸发端含有较多硅藻土，而冷却端含较多的石英和硅酸盐，在中段添加较多吸水性沸石。

所述的在800℃以下不与铜产生烧结反应的阻绝层为无机盐或高熔点金属或高分子聚合物。

无机盐所形成的阻绝层，为各种金属氧化物、卤化物、硫化物、碳酸盐、硫酸盐与硝酸盐。

高熔点金属所形成的阻绝层，为铁或镍或铬或钨或其它在800℃以下不与铜产生烧结的高熔点金属。

高分子聚合物所形成的阻绝层为各种橡胶或塑料高分子。

无机盐阻绝层为将无机盐粉末以水调合，并加入少许油漆涂料作为黏合剂而成为浆状物，然后以细毛刷涂覆于铜管内壁，再塞入圆棒控制厚度，烘烤固化。

另一些氧化物无机盐阻绝层为氧化铝或氧化镍或氧化铬，其产生方式是：先电镀一层铝或镍或铬，之后以阳极处理的方式使铝镍或铬氧化而构成致密不熔接的氧化铝或氧化镍或氧化铬。

高熔点金属所形成的阻绝层，其成型方法为电镀或化学镀

高分子聚合物阻绝层，为将高分子聚合物溶于有机溶剂后以细毛刷涂覆于铜管内壁，再烘烤固化。

本发明的有益效果在于：(1)、由于铜管内壁附着有一层在800℃以下不与铜产生烧结反应的阻绝层，以使铜球粉层与铜管互不烧结而成为分离的个体，在烧结的过程中铜球粉层会往中心些微内缩，以致在铜球粉层与铜管之间形成一薄层空隙成为水流通道可增加储水量，并增进毛细现象之回流作用使水流顺畅。而且有些本发明所使用的阻绝层材质会在高温烧结时破坏，例如碳酸盐与高分子的分解，或随后的酸洗过程中溶解可使薄层空隙进一步变宽。另外铜球粉层与铜管分离可降低折弯或压平时的应力避免断裂；(2)、铜球粉层中含有的两种不同合金比例的铜球粉混合烧结，搭配铝球粉后，容易控制孔隙的大小，降低制造风险避免熔合过度；而加入碳酸钙球体一起烧结，之后以酸液蚀除后可以留下孔隙并去除铜表面的突尖，控制适当的表面粗糙度，从而增加水流空间并防止烧结过度的突尖阻碍水回流；另外，铜球粉层中加入石英、陶土、三氧化二铝、沸石、硅藻土一起烧结，可增加对水的吸引力，并且可以依据铜管的区段不同而设定不同的添加比例，例如冷凝端只要加入石英、陶土、硅酸盐，在中段添加较多沸石(其吸水力高于石英而低于硅藻土)，而蒸发端主要是加入硅藻土以利用其强吸水力将水从冷凝端拉过来。(3)、本发明由于改变了烧结铜球粉层的材质以及增加了一个内部酸蚀的工序，使铜球粉层的烧结间隙容易控制，而且增加了毛细现象作用力，热导管即使平放或冷凝端向下倾斜时亦可产生足够的导热率。

附图说明：

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

附图1为热导管的工作原理图

附图2a～2d为现有四种形式的热导管的结构示意图

附图3为本发明的较佳实施例的结构示意图

具体实施方式：

以下所述仅为体现本发明原理的较佳实施例，并不因此而限定本发明的保护范围。

见附图3所示：本发明的热导管具有一中空状的铜管10，铜管10内烧结有一铜球粉层20，所述铜管10的内壁上附着有一层在800℃以下不与铜产生烧结反应的阻绝层30，铜球粉层20与铜管10可以相互分离。

本发明的结构以及制造过程与一般热导管不同，传统的热导管会与铜球粉烧结在一起，为整体式烧结。而本发明通过对铜管10内壁先附着有一层阻绝层30，使铜球粉层20与铜管10互不烧结，即铜球粉层20与铜管10本身彼此可分离，可达到增加储水量与增进毛细现象，并避免折弯断裂的效果。

上述的铜球粉层20由具有如下比例的成分组成：金属球粉A100份、金属球粉B100份、金属球粉C10～30份、易吸水的无机盐球5～20份、碳酸钙5～10份，其中，金属球粉A和金属球粉B皆为铜锡合金，但金属球粉B中的锡含量高于金属球粉A，以使其熔点低于金属球粉A；铜球粉层20烧结后，以酸液去除碳酸钙。

金属球粉A为锡青铜合金球粉，其含有的锡可以降低烧结温度；金属球粉B亦是锡青铜合金，只是其内锡的添加量高于金属球粉A2～10％(当然，锡的含量还可视需求而增减)，使金属球粉B的熔点低于金属球粉A20～50℃。降低金属球粉B的熔点的目的，是使在烧结的过程中，金属球粉B产生烧结变形时，金属球粉A的变形较少，不过仍极易烧结连接。如此设计可避免过度烧结使孔隙率快速下降，其制造过程也容易控制。

金属球粉A与金属球粉B的添加比例为100∶100，这样，当两者充分混合后，每一个金属球粉B与金属球粉A熔接的数目机会相同。

金属球粉C为铝粉球，其添加量相对金属球粉A和金属球粉B较少，为10～30份，其作用在于：(1)、降低整体烧结温度，因铝的熔点为660℃，比锡青铜合金低200℃左右，故在达到锡青铜合金烧结温度之前呈现液态，先行将金属球粉B与金属球粉A连接起来，可降低整体烧结温度；(2)、铝的塑性远高于锡青铜，故添加铝作为锡青铜合金之间的桥梁可以增加塑性。当制成热导管后须进行折弯或压平作业时可以降低结构断裂的风险；

铜球粉层20中的易吸水无机盐球混合物，其作用在于利用本身易吸水以及具多孔性、且表面粗糙的特点，以增进水分子的吸附力促进毛细现象，使热导管平放或冷凝端较低时，帮助水输往蒸发端。

上述无机盐球为石英、陶土、三氧化二铝、硅酸盐、沸石、硅藻土等的混合物，利用其与水的亲和力强且表面粗糙的特点达到促进毛细现象的作用。

本发明的无机盐球与碳酸钙球的添加量可依热导管的不同区段而有所不同，只要分次装入不同含量的混合粉末即可。在需要折弯或压平的区段可以添加少量，以避免较少的金属熔接产生折弯或压平断裂；在蒸发段可以添加多一些硅藻土以使其能保留较大量的水分，产生较大的毛细作用力，使在平放或冷凝端较低时，从冷却端将水分拉过来；而冷却端不添加硅藻土，以硅酸盐或石英代替，只要适当增加亲水性即可，以避免与水的吸附力过大。在中段添加较多吸水性沸石(其吸水力高于石英而低于硅藻土)，故可作为中间传递作用。

本发明的铜球粉层中的碳酸钙在铜球粉层20烧结后，注入酸液将其溶解，形成空隙，具有储水的作用，也可增强毛细现象。因为对于水流而言，较大的空间代表较小的阻力。而对于蒸发区段而言，代表有较多的水可以蒸发，在平放或冷凝端较低的热导管，此空间将使蒸发端与回流端有较多的水量，利用水的内聚力将冷凝端的水拉向蒸发端。

本发明用酸液溶解碳酸钙的同时，亦可以去除烧结时金属球表面出现的微细毛尖，以提升毛细现象回流的作用。铜球粉在烧结过程中本身会变得粗糙，继续加温则出现很多毛尖。因为毛细现象乃是水的内聚力以及水与管壁吸附共同作用的结果，适度的粗糙会增进水与铜的亲和力，增进毛细现象，但继续加温产生的毛尖则会阻碍水的回流，故使用酸液溶解碳酸钙的同时，亦可以去除烧结的金属球表面的微细毛尖，只保持适度的粗糙表面，以提升毛细现象回流的作用。

无机盐球与碳酸钙球含量不超过铜球粉层的10％，以避免降低金属球A和金属球B接触熔接的机会。尤其如果热导管应用在的散热器须折弯或压平时，虽然较多的碳酸钙酸蚀孔隙可降低应力，但是太低的熔接点数将产生断面，所以不宜加入太多。另外，添加无机盐球的另一个好处是因为其不与金属粉球A或金属粉球B熔接，故可帮助控制间隙，避免过度的熔合造成间隙缩小。

铜管10内壁的阻绝层30为无机盐薄层或高熔点金属薄层或高分子聚合物薄层，其成份与成型方法叙述如下：

1.以类似建筑之批石灰的方法形成无机盐阻绝层，首先以水调合无机盐粉末，并加入少许油漆涂料作为黏合剂而成为浆状物，然后以细毛刷涂覆于铜管内壁，再塞入圆棒控制厚度，烘烤固化后即在铜管内璧附着一层厚度为0.05-0.1mm的薄层。

所述的无机盐为石膏(化学式为硫酸钙)或碳酸钙或碳酸钠或碳酸镁或陶土或三氧化二铝或其它任何无机盐类(包括各种金属氧化物、卤化物、硫化物、碳酸盐、硫酸盐与硝酸盐)。

亦可用电镀金属镀层之后以阳极处理形成金属氧化物。例如先电镀一层铝，之后以阳极处理的方式使铝氧化而构成致密不熔接的氧化铝，因氧化铝层的阻绝，铜管10也不会与铜球粉层熔接。此法亦可形成氧化镍或氧化铬。

2.形成高熔点金属镀层的方法为电镀或化学镀，其材质为铁或镍或铬或钨或其它在800℃以下不与铜产生烧结反应的高熔点金属，镀层的厚度为4～5微米。在烧结过程中，因铜球粉层20烧结温度远低于铁或镍或铬的熔点，所以铜管10不会与铜球粉层20熔接；

3.形成高分子聚合物阻绝层的方法，是将为各种橡胶或塑料高分子(包括油漆涂料)溶于有机溶剂后，以细毛刷涂覆于铜管内壁，再烘烤固化以形成厚度为0.01mm的高分子聚合物阻绝层。在升温的过程中，高分子会逐渐分解碳化，不过仍能阻绝铜管10不会与铜球粉层熔接，而且分解碳化后可使薄层空隙进一步变宽。

本发明的热导管烧结时，铜管10的内壁并不与铜球粉层20熔接，在烧结的过程中铜球粉层会往中心些微内缩，以致在铜球粉层与铜管之间形成一薄层空隙成为水流通道可增加储水量，并使水流顺畅增进毛细现象之回流作用，改进使用效能。而且有些本发明所使用的阻绝层材质会在高温烧结时破坏，例如碳酸盐与高分子的分解，或随后的酸洗过程中溶解可使薄层空隙进一步变宽。

另外，热导管在烧结过程中，靠近铜管10管壁的铜球粉不会与管壁熔接，热量只往内部传送，不会出现外层烧结比内层致密的状况。

与一般的热导管相比，一般的热导管虽然铜球粉熔化温度比铜管低，但两者毕竟皆为铜材，故铜球粉熔化后仍会与铜管管壁结合，在烧结过程中，愈靠近铜管管壁的铜球粉受热愈早温度较高，熔接也就愈多导致孔隙较小，阻碍水的回流。而在折弯或压平的过程中此部分的强度最高，靠近铜管中心部的铜球粉则较脆弱，故折弯或压平后靠近中心的铜球粉易被拉扯断裂，从而降低热导管的性能。另外，一般的热导管，在折弯或压平时，其折弯或压平应力较大，这是因为个别铜球粉与管壁烧结在一起，位置固定而不可移动，与靠近中心的铜球粉产生拉扯，造成折弯或压平时应力较大，易产生裂痕，或是产生潜在的应力，在日后造成裂痕。

本发明的热导管其烧结铜球粉层20与铜管10本身为相互分离的个体，在折弯或压平时，因管壁与外层铜球粉分离，故在折弯或压平时铜管管壁不会限制铜球粉的微小位移，因此应力小很多，且降低了日后产生裂痕的风险。

另外，本发明的烧结铜球粉层20与铜管10之间有一层薄的储水层，若折弯或压平使烧结层产生裂痕，此薄储水层仍可发挥作用。而一般的整体烧结式的热导管，铜管管壁处受热最多，烧结最致密，故若内部折弯产生断裂，则水流即被阻断。

Claims (9)

1、一种热导管，它具有一中空状的铜管(10)，铜管(10)内烧结有铜球粉层(20)，其特征在于：所述铜管(10)的内壁上附着有一层在800℃以下不与铜产生烧结反应的阻绝层(30)，铜球粉层(20)与铜管(10)可以相互分离。

2、根据权利要求1所述的热导管，其特征在于：所述铜球粉层(20)由具有如下比例的成分组成：金属球粉A 100份、金属球粉B100份、金属球粉C 10～30份、易吸水的无机盐球5～20份、碳酸钙5～10份，其中，金属球粉A和金属球粉B皆为铜锡合金，但金属球粉B中的锡含量高于金属球粉A，以使其熔点低于金属球粉A；金属球粉C则为铝球粉；铜球粉层(20)烧结后，以酸液去除碳酸钙。

3、根据权利要求2所述的热导管，其特征在于：所述的易吸水的无机盐球为石英、陶土、三氧化二铝、硅酸盐、沸石、硅藻土的混合物。

4、根据权利要求3所述的热导管，其特征在于：所述无机盐球的添加比例，在铜管(10)的不同区段各不相同，其中，在蒸发端含有较多硅藻土，而冷却端含较多的石英和硅酸盐，在中段添加较多吸水性沸石。

5、根据权利要求1至4中任一项所述的热导管，其特征在于：所述的在800℃以下不与铜产生烧结反应的阻绝层(30)为无机盐或高熔点金属或高分子聚合物。

6、根据权利要求5所述的热导管，其特征在于：无机盐所形成的阻绝层(30)，为各种金属氧化物、卤化物、硫化物、碳酸盐、硫酸盐与硝酸盐。

7、根据权利要求5所述的热导管，其特征在于：高熔点金属所形成的阻绝层(30)，为铁或镍或铬或钨或其它在800℃以下不与铜产生烧结的高熔点金属。

8、根据权利要求6所述的热导管，其特征在于：所述的铜管(10)内壁的阻绝层(30)为氧化铝或氧化镍或氧化铬，其产生方式是：先电镀一层铝或镍或铬，之后以阳极处理的方式使铝镍或铬氧化而构成致密不熔接的氧化铝或氧化镍或氧化铬。

9、根据权利要求5所述的热导管，其特征在于：高分子聚合物所形成的阻绝层(30)为各种橡胶或塑料高分子。

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