CN1844833A - 烧结式热管及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种烧结式热管，其包括金属管体，该管体内壁上设有烧结粉末构成的多孔毛细结构，该多孔毛细结构沿热管之径向形成多层式结构，且每一层沿热管之轴向形成多段式结构，该多孔毛细结构是通过于管体内填入尺寸大小不同的粉末颗粒，并以芯棒作为结构层厚度的控制的方式，烧结在管体的内壁上形成。由于该多孔毛细结构形成为立体梯度孔隙变化，可同时达到提供较低回流阻力及提高毛细作用力，从而提升热管性能。

Description

烧结式热管及其制造方法

【技术领域】

本发明涉及散热领域，特别是关于一种用于传递热量的烧结式热管及其制造方法。

【背景技术】

随着大规模集成电路技术之不断进步及广泛应用，信息产业之发展突飞猛进，高频高速处理器不断推出。由于高频高速运行使得处理器单位时间产生大量热量，如不及时排除这些热量将引起处理器自身温度之升高，对系统之安全及性能造成很大影响，目前散热问题已经成为新一代高速处理器推出时必需解决之问题。

由于对散热需求不断提高，新式散热装置不断出现。将热管应用于电子组件散热就是其中一种，其是利用液体在气、液两态间转变时温度保持不变而可吸收或放出大量热量之原理工作，一改传统散热器单纯以金属热传导方式散热而效率有限之状况。热管是于一密封低压管形壳体内盛装适量汽化热高、流动性好、化学性质稳定、沸点较低之液态物质，如水、乙醇、丙酮等，利用该液态物质受热和冷却而在气、液两态间转变时，吸收或放出大量热量而使热量由管体一端迅速传到另一端。

为便于冷凝后的液体回流，热管内壁面上一般设置有多孔毛细结构，通过该多孔毛细结构产生毛细作用力驱动冷凝后之液体回流，习知热管的多孔毛细结构一般采用单一均匀孔隙的多孔构造，如单一烧结式金属粉末构造。由于毛细作用力与多孔毛细结构孔隙大小成反比，即孔隙之直径越小毛细作用力越大，因此为达到较大之毛细作用力而便于液体回流，所使用之多孔材料孔隙之孔径越小越好。然，由于流体在流动过程中通过流道之孔径越小，流体所受之摩擦阻力及粘滞力也越大，因此使得液体回流之阻力亦随之增加、流速变小。当热管吸收热量之端部吸收热量增加时，蒸发加快，而液体由于回流阻力而速度减小，无法迅速补充吸热端之蒸发液体，容易造成干烧，损坏热管。因此热管多孔毛细结构之孔隙大小及孔隙分布直接影响热管之性能，故希望能提供具有变化孔隙之多孔毛细结构，利用孔隙变化提升热管性能。

【发明内容】

为改善热管内多孔结构层之构造，在此有必要提供一种具有较高毛细力与较低回流阻力之热管，以及同时提供一种该热管的制造方法。

该烧结式热管包括金属管体，该管体内壁上设有烧结粉末构成的多孔毛细结构，该多孔毛细结构沿热管之径向形成多层式结构，且每一层沿热管之轴向形成多段式结构。

该烧结式热管之制造方法包括以下步骤：准备步骤，即提供一金属管体及具有多种尺寸大小的粉末颗粒；填粉步骤，即以一芯棒作为结构层厚度的控制，将上述粉末颗粒分批次填入至管体内，以在管体之轴向形成多段式结构并作快速烧结，重复该步骤致使沿该管体的径向形成多层结构层；整体烧结及后续处理步骤，即在所有粉末均填入管体内后作整体烧结，烧结完成后将最后一次插入的芯棒抽出，并往管体空腔内充入工作液体后密闭该管体。

相较现有技术，上述烧结式热管通过制成多层多段式烧结粉末多孔结构，形成立体梯度孔隙变化，孔隙较大的多孔结构对流体阻力小，而孔隙较小的多孔结构对流体的毛细作用力大，可同时达到提供较低回流阻力及提高毛细作用力，从而提升热管性能。

【附图说明】

下面参考附图，结合实施例对本发明作进一步描述。

图1是本发明烧结式热管第一较佳实施例沿轴向之剖面示意图。

图2是本发明烧结式热管第二较佳实施例沿轴向之剖面示意图。

图3是本发明烧结式热管第三较佳实施例沿轴向之剖面示意图。

图4A至图4C是本发明烧结式热管第一较佳实施例的制造方法过程示意图。

【具体实施方式】

如图1所示，本发明热管10包括一管体12以及设于该管体12内壁面的多孔毛细结构。其中，该管体12由导热性能良好之金属材料如铜等制成，图中所示管体12之横截面呈圆形，可以理解地，管体12之横截面也可为其它形状，如方形，多边形，椭圆形等。另外，管体12内还填充有工作液体(图未示)，该工作液体一般采用低沸点之液体，如水、酒精等。

该热管10一端形成蒸发段A，另一端形成冷凝段C，且根据应用需要可在两段中间布置绝热段B，该蒸发段A用于接收外界热源的热量，并且把热量传递给管内的工作液体，使其蒸发，该绝热段B主要是负责传输蒸气，并担负着与外界隔热的作用，该冷凝段C的作用是使气态的蒸气冷凝，并把热量通过管壁传到管外。

该热管10内的多孔毛细结构由三层厚度大致相等且相互紧密接触之烧结粉末层构成，沿热管10之径向由管体12内壁向轴心方向依次为内层14、中间层16、外层18，各层烧结粉末可由陶瓷粉末或者金属粉末如铜粉等经由烧结制程而形成。其中，每一层烧结粉末沿管体12的轴向(长度方向)对应蒸发段A、绝热段B及冷凝段C形成三段式结构，且各段之粉末颗粒大小不同，从而在各段粉末颗粒中形成的孔隙大小也不同；另外，各层烧结粉末在管体12的轴向排列上也不相一致，使得从蒸发段A、绝热段B及冷凝段C的任意一段沿管体12的径向看，各层烧结粉末之间亦相互层叠形成孔隙大小不同的梯度结构，从而上述各层烧结粉末沿热管之轴向及径向均形成梯度变化之立体孔隙结构，当热管10工作时，利用该多孔毛细结构之孔隙呈立体梯度变化来调整热管性质，孔隙较大的多孔结构对流体阻力小，而孔隙较小的多孔结构对流体的毛细作用力大，从而达到低流阻及高毛细压力差之功效，提升热管10之整体性能。

上述实施例中多孔毛细结构之各层厚度均匀，且每一层之各段的长度正好与热管10的蒸发段A、绝热段B或冷凝段C的长度相匹配，当然在实际中，可根据需要设计多孔毛细结构层各层之厚度及每一层各段的长度，如图2所示之本发明第二较佳实施例所揭示之热管20中，其多孔毛细结构之外层28厚度最小，中间层26厚度最大，内层24厚度居中，又如图3所示之本发明第三较佳实施例所揭示之热管30中，其多孔毛细结构每一层之各段设计成长度不等之三段式结构，并且使相邻两层的各段之间呈部分错开型态。

本发明之上述实施例中，所采用的多孔毛细结构均沿热管径向形成三层结构，且每一层沿热管轴向形成三段式结构，当然，根据实际需要，该多孔毛细结构亦可以沿热管径向形成两层或者三层以上的结构，而每一层沿热管轴向亦可以两段或者三段以上的结构，且每一层的各段中，非相邻段之间所采用的粉末颗粒大小可以不相同，但也可以相同。

图4A至图4C为本发明烧结式热管之上述第一实施例的制造方法过程示意图，大致包括三个步骤，分别为准备步骤、填粉步骤及整体烧结及后续处理步骤，以下详述之。

首先，通过筛选等方式准备多种尺寸大小的陶瓷粉末颗粒或者金属粉末颗粒如铜粉等，以供分梯次形成在管体12内；然后，在预先取得的金属管体12中插入一芯棒40a如铜柱，并于芯棒40a与管体12内壁所形成的空间内分多批次填入尺寸大小不同的粉末颗粒，并作快速初步烧结，以使所填入之粉末颗粒在管体12的轴向上成多段式排布之内层14，如图4A所示，该快速烧结的目的在于使金属粉末颗粒暂时连接在管体12上，当芯棒40a抽出后不致沿管体12上散脱下来，以金属铜粉末为例，该快速烧结温度一般为630℃左右；之后，抽出芯棒40a并替换另一尺寸较小的芯棒40b，如图4B所示，此时接着于芯棒40b与上述内层之间再分批次填入颗粒大小不同的粉末，并作快速初步烧结，以在上述内层之基础上再形成沿管体12轴向呈多段式排布的中间层16；接着，抽出芯棒40b并替换另一尺寸较小的芯棒40c，并于于芯棒40c与上述中间层之间分批次填入颗粒大小不同的粉末，以在上述中间层之基础上再形成沿管体12轴向呈多段式排布的外层18，如图4C所示，此时，粉末颗粒填充完毕，即可对所填入之粉末进行整体烧结，针对金属铜粉末而言，该整体烧结温度为950℃左右，烧结完成后将最后一次插入的芯棒40c抽出；最后，往管体12空腔内充入工作液体，抽成真空后并对该管体12进行密闭，即制得本发明第一实施例所述之烧结式热管。

当然，上述制造方法亦同样适用本发明所述之其它实施例，比如在使用芯棒对结构层进行厚度控制时，合理选择各次所使用芯棒的尺寸，即可使上述多层结构层形成如上述第二实施例中所示之厚度非均匀结构；而针对每一结构层之各段在填粉时进行控制，则可以使其各段形成长度不等，如上述第三实施例中所示，且使相邻两层的各段之间呈部分错开型态。

可以理解地，针对每一层之各段进行填粉时，改变各段粉末颗粒大小的填入顺序，即可获得更多型态的具有立体梯度的多孔毛细结构；另外，为防止后填入的细粉掉入先填入的粗粉间隙中，可在层与层之间或者每一层的各段之间喷一层高分子粘结剂进行隔开，该粘结剂在预烧或者最终烧结时可被烧除掉。

最后需要说明一下，虽然上述实施例中仅针对圆形热管进行说明，但是可以理解地，本发明亦可以采用横截面为其它形状的热管，比如横截面为方形、椭圆形及多边形等，因此，本发明之说明书及申请专利范围所述之“径向”与“轴向”应作广义之理解，即“径向”应该理解为由管体内壁向管体空腔或者由管体空腔向管体内壁的方向，而“轴向”应该理解为管体长度方向。

Claims (10)

1.一种烧结式热管，其包括金属管体，该管体内壁上设有烧结粉末构成的多孔毛细结构，其特征在于：该多孔毛细结构沿热管之径向形成多层式结构，且每一层沿热管之轴向形成多段式结构。

2.如权利要求1所述的烧结式热管，其特征在于：该烧结粉末为陶瓷粉末或金属铜粉。

3.如权利要求1所述的烧结式热管，其特征在于：该多孔毛细结构径向各层之厚度形成非均匀结构。

4.如权利要求1所述的烧结式热管，其特征在于：该多孔毛细结构每一层之各段设计成长度不等的多段式结构。

5.如权利要求1所述的烧结式热管，其特征在于：该多孔毛细结构相邻两层的各段之间呈部分错开。

6.一种烧结式热管的制造方法，包括以下步骤：

准备步骤，即提供一金属管体及具有多种尺寸大小的粉末颗粒；

填粉步骤，即以一芯棒作为结构层厚度的控制，将上述粉末颗粒分批次填入至管体内，以在管体之轴向形成多段式结构并作快速烧结，重复该步骤致使沿该管体的径向形成多层结构层；

整体烧结及后续处理步骤，即在所有粉末均填入管体内后作整体烧结，烧结完成后将最后一次插入的芯棒抽出，并往管体空腔内充入工作液体后密闭该管体。

7.如权利要求6所述的烧结式热管的制造方法，其特征在于：该多层结构层以芯棒控制形成厚度之非均匀结构。

8.如权利要求6所述的烧结式热管的制造方法，其特征在于：每一结构层在填粉时进行控制以使其各段形成长度不等。

9.如权利要求6所述的烧结式热管的制造方法，其特征在于：在填粉时进行控制以使相邻两层的各段之间呈部分错开型态。

10.如权利要求6所述的烧结式热管的制造方法，其特征在于：所提供的粉末颗粒为金属铜粉，快速烧结的温度为630℃左右，而整体烧结的温度为950℃左右。

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