CN1936478A - 工作介质充填方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种工作介质充填方法，是于热导管或者均热板等所形成的中空腔体内封入定量的工作介质并维持腔内一定真空度，其主要是即时使用经过沸腾之工作介质并辅以加热除气方式，有效去除中空腔体内之气体分子，再以抽水致真空方式形成一定的真空度及维持所设计含量之工作介质，最后在适时以夹紧、压扁、焊接等制程来封闭该中空腔体，以达到精确控制封入中空腔体内的工作介质含量及真空度的目的。

Description

工作介质充填方法

【技术领域】

本发明涉及一种工作介质充填方法，特别是关于一种将工作介质充填至热导管或者均热板的中空腔体内，有效去除中空腔体内部气体，能精确掌握封入中空腔体内部之工作介质含量及真空度之方法。

【背景技术】

为解决高密度散热问题，目前业界普遍采用利用相变化原理进行散热或者传热的技术，比如目前常用的热导管(Heat Pipe)以及均热板(Vapor Chamber)等产品。就热导管而言，其因体积小、利用相变潜热作用快速输送大量热能、温度分布均匀、构造简单、重量轻、无需外加作用力、寿命长、低热阻、远距传输等特性，符合目前计算机等领域的散热需求，因此被广泛用来解决散热问题。而评估热导管性质主要是以热阻(R_HP)为标准，影响热阻之主要因子为Q_MAX及ΔT，而其关系式为：

$R_{\mathrm{HP}}=\frac{\mathrm{\ΔT}}{Q_{\max }}(k/W)$

为获得较好的热传性能，热导管的热阻值要越小越好，所以一般期望Q_MAX值要越大越好，而ΔT值要越小越好，当两者无法同时兼顾时，通常舍Q_MAX而取ΔT。归纳影响热导管性质的相关因子，可发现Q_MAX及ΔT与热导管内所添加的工作介质的量以及其管内真空度有密切的关系。工作介质含量愈多其Q_MAX越大；真空度越高其反应时间越短，所以其ΔT可以降低。

由热导管基本原理可知，影响真空度的主要因素是热导管内部的空气、工作介质的含气量及残存非凝结性气体。首先分析工作介质的含气量，由图1所示之水中含气量与温度的关系显示，在室温25℃时水中含气量为8.2毫克/升(mg/L)，当温度高达100℃以上时其水中含气量将达到定值约3.2毫克/升，因此当热导管产生相变作用时(假定产生相变的温度点为100℃)管内约有5毫克/升(67％)的气体被释放于热导管内，这些气体将影响管内热传效率。其次，由于热导管内毛细结构的微小孔隙(比如颗粒与颗粒间的孔隙)内吸附大量气体，这些气体光靠真空泵浦的抽引是不足以抽离管内的。

现有之排除热导管内部气体的方法有真空泵浦抽气法，其是以真空泵浦连接热导管容器之填充缩管口处，利用机械力将热导管内空气抽出，当系统管路内之真空度到达设定值时，即自动关闭抽气阀门，同时并打开填充阀，灌入定量之工作介质，然后将热导管之填充缩管以机械力夹紧、切断并焊接密封开口端，此时即完成热导管的制作。但是由于热导管要利于夹紧、焊接等作业而将填充缩管做缩管处理，一般填充缩管的外径约为3毫米(mm)而其内径约为2毫米左右，如此小的内径其抽气耗时，更不易将管内非凝结性气体有效抽出，易造成热导管不良率的增加，且工作介质残留管路及溢流的问题亦造成工作介质含量控制不良。

加热除气法为另一种用于排除热导管内部气体的方法，其是先将热导管内填充约略多于设计量的工作介质，然后关闭阀门，再以火焰或电热器对热导管周围加热，管内大部份气体将被蒸发而聚于热导管之上方，当热导管容器内之蒸汽压达到设定值时，打开阀门，此时工作介质将发生瞬间闪变，其蒸汽连同管内之气体将同时自阀门一道被排出，当排出之工作介质量达到填充量和设计量之差时，即进行封管、切断及焊接制程。该排出工作介质及气体量的多寡将依加热方式、加热时间、蒸汽温度及注入管形状等而有差异。此方法主要由于蒸汽流体是先被热导管暂时锁紧之排气孔所封闭，待达到一定蒸汽压力时，才将暂时锁紧之排气孔打开，以供非凝结气体被蒸汽赶出，但如是放开暂时锁紧之排气口的动作，并无法精确地掌握蒸汽流体的排出量(依排气口的大小、放开时间、加热方式、加热温度等而有所不同)，导致热导管内部工作介质含量与实际设计的含量或多或少有些差距，严重影响热导管性能的可靠度问题。

因此，上述两种对热导管之中空腔体进行抽气及封入工作介质的方法在实务上均存在严重缺点，主要表现为剩余工作介质的量控制不易、非凝结性气体的排出量是否完全、真空度大小的控制等等都是无法有效掌握的，对于工作介质本身所固溶的气体及微毛细孔隙内之气体是否能完全排除或排除多少亦无确切答案，因此所生产的热导管可靠度将受到质疑。

【发明内容】

有鉴于此，在此实有必要提供一种工作介质充填方法，以精确有效控制封入中空腔体内的工作介质含量以及中空腔体的真空度。

该工作介质充填方法，是于一中空腔体内封入定量的工作介质并维持腔体内一定真空度，该中空腔体具有一填充口，该方法包括如下步骤：沿该填充口往中空腔体内填满工作介质；以及在保持该中空腔体与外界空气不相通的情形下，将中空腔体内预定量的工作介质抽走，致使在中空腔体内形成真空，而中空腔体内剩下的工作介质即为所需封入的工作介质含量。

作为进一步的改进，上述充填方法中还进一步包括在工作介质填入中空腔体之前，通过加热或者减压的方式去除工作介质本身所固溶的气体。

作为进一步的改进，上述充填方法中还进一步包括在中空腔体内填满工作介质后且在抽预定量工作介质之前，对该中空腔体进行加热以去除该毛细结构中的气体。

上述工作介质充填方法，由于是采用抽工作介质致真空的方式，可有效去除中空腔体内的非凝结性气体，并且还可通过对工作介质进行前处理，去除工作介质本身所固含的气体，以及通过对填入之工作介质进行加热而将毛细结构之微小孔隙内吸附的气体排出，达到有效排除中空腔体内气体的目的，可精确控制封入中空腔体内的工作介质含量及中空腔体的真空度。

【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是水中含气量与温度的关系图。

图2是本发明工作介质充填方法其中一实施例之流程图。

图3是热导管填充工作介质时的动作示意图。

图4是热导管填充工作介质时的另一动作示意图。

图5是热导管加热除气时的剖视图。

图6是热导管回补工作介质时的剖视图。

图7是热导管填充口密封后的剖视图。

图8是热导管抽工作介质致真空的动作示意图。

图9是热导管夹紧与压扁时的动作示意图。

图10是热导管切断时的动作示意图。

图11是热导管焊接后的示意图。

图12是热导管抽工作介质致真空的另一动作示意图。

图13是经图12动作后的热导管剖面示意图。

图14是本发明工作介质充填方法之其中一实施例在自动化生产时的站别示意图。

【具体实施方式】

图2是为本发明工作介质充填方法其中一实施例的流程图，其步骤主要包含工作介质前处理、填满工作介质至中空腔体内、对中空腔体加热除气、回补工作介质、抽工作介质致真空、封闭该中空腔体，下面结合图示以热导管为例作详细说明。

如图3所示，该热导管10之壳体11包括一端具有填充口12的一中空腔体14，该中空腔体14内沿壳体11的内壁设置有毛细结构15。在充填进行之前，首先将工作介质16予以加热至沸腾以去除工作介质16本身所固溶的气体，比如以纯水作为工作介质时，根据图1所示，可在每升纯水中去除5毫克左右的空气。随后将此加热后之工作介质16利用填充管20沿该填充口12填充至中空腔体14内，填充的方法可以是将填充管20插入已形成缩口状的填充口12内，如图3所示；亦可采用如图4所示，将该填充管20伸入至热导管10之内部，具高温之工作介质16由热导管10底部进入，其液面随着时间的增加而缓缓上升，主要是便于将毛细结构15内之气体沿气-液界面慢慢逼出，以避免图3中，直接将高温工作介质16由填充口12加入壳体11内，因高度(即位能)转换成动能而造成不可避免的气泡产生。

上述是利用加热方式去除工作介质16内之含气量，但为达成此去除工作介质16内含气量之目的，工作介质16之前处理还可通过减压方式实施，即通过减压来去除工作介质16内的含气量。

于热导管10之中空腔体14内填满工作介质16后，即将其置于一加热区30内，并由定位块40进行定位，如图5所示，由壳体11四周通过电热丝32等加热方式提供和缓的加热环境，将毛细结构15之微小孔隙内之气体有效逼出，所产生之气泡50经由上端的填充口12排出。为达成此去除毛细结构15内气体之目的，该加热区30可设计为一沿壳体11之轴向具温度梯度的加热区。可以理解地，当此处加热的温度足够高以致接近工作介质16的沸点时，该步骤即可同时达到去除毛细结构15内所含气体以及去除工作介质16本身所固溶气体的目的，即对工作介质16的前处理可一并于该加热步骤中完成。

通常，加热除气后之热导管10内液面会降低，此时需再将壳体11之中空腔体14内补满已去除本身所固含气体的工作介质16，如图6所示。在补满工作介质16后，为保持该中空腔体14与外界空气不相通，防止外界空气再次进入中空腔体14内，可将填充口12藉由软塞60密封，该软塞60可为具有弹性回复力的橡胶密封体，以确保壳体11内部为单一的工作介质16，如图7所示。

之后，将壳体11反转180度使其填充口12朝下，即将壳体11置于倒扣方式，利用抽水机构70的抽水导管72刺入该软塞60而伸入中空腔体14内，此时工作介质16可藉由重力及外加抽水机构70之机械力而抽离壳体11，此时中空腔体14内液体界面下降，且工作介质16被抽离后的空间呈现真空状态，一直抽到设计时所需的工作介质含量为止，如8图及图9所示。为达成此抽水目的，抽水机构70上可加装一切换开关或使用程控阀门开启及关闭时间以及开启大小。在该步骤中，壳体11内被抽离之工作介质16可以送回工作介质前处理阶段进行回收使用。

最后对壳体11之填充口12进行密封动作，该密封过程可运用公母模治具80先沿填充口12处夹紧及压扁，并将多余部分利用公母模治具90截断后，再以焊接机(图未示)对封口区进行密封焊接，如图9至图11所示，以达将热导管10形成具一定工作介质16含量的真空腔体之密闭结构，最后为确保热导管密合及外观可做修整及锡焊制程。为达成此密闭热导管腔体之目的，焊接机可以使用点焊机、轮焊机、碰焊机、电焊机、氩焊机、雷射焊接机。为达成此密闭热导管外型美观及加强密闭效果之目的，可以使用锡焊制程。

图12与图13揭示为抽工作介质16致真空的另一种方式，其与第八图所示将壳体11倒扣的方式区别在于，此处壳体11是处于填充口12朝上的正扣位置，利用控制抽水导管72伸入中空腔体14内的相对深度来控制保留于中空腔体14内的工作介质含量，亦即利用控制抽水导管72与壳体11底部相对高度h来控制保留于壳体11之中空腔体14内所需的工作介质含量，待抽水完成后抽水导管72会抽离壳体11开口端，以利于后段之密封动作，由于填充口12处已由软塞60密封，因此，在抽工作介质16时可有效防止外界的空气再次进入中空腔体14内。

图14揭示为本发明工作介质充填方法其中一实施例之各步骤在自动化生产时的站别示意图，其主要是组合前述各步骤并组合于一系统上，并以程控其作动顺序以达到自动化之目的，主要站别包括进料区、工作介质处理区、填充工作介质区、加热除气区、回补工作介质区、抽工作介质区、夹紧切断焊接区以及出料区。

是以，上述实施例之工作介质定压定量充填方法具有改善现有技术的诸多优点：

(一)即时使用沸腾的工作介质，可去除工作介质本身所固含的气体；

(二)使用加热除气方式，可将毛细结构内之气体有效排出；

(三)使用抽工作介质致真空的方式，可确保热导管内之真空度及工作介质含量为定值；

(四)可组合各步骤而成自动化生产。

Claims (11)

1.一种工作介质充填方法，是于一中空腔体内封入定量的工作介质并维持腔体内一定真空度，该中空腔体具有一填充口，其特征在于：该方法包括如下步骤：

沿该填充口往中空腔体内填满工作介质；及

在保持该中空腔体与外界空气不相通的情形下，将中空腔体内预定量的工作介质抽走，致使在中空腔体内形成真空，而中空腔体内剩余的工作介质即为所需封入的工作介质含量。

2.如权利要求1所述的工作介质充填方法，其特征在于：还包括在工作介质填入中空腔体之前，通过加热或者减压的方式去除工作介质本身所固溶的气体。

3.如权利要求1所述的工作介质充填方法，其特征在于：还包括在中空腔体内设置毛细结构，并在中空腔体内填满工作介质后而在抽预定量工作介质之前，对该中空腔体进行加热以去除该毛细结构中的气体。

4.如权利要求3所述的工作介质充填方法，其特征在于：还包括在中空腔体加热后再往腔体内回补工作介质至填满状态。

5.如权利要求4所述的工作介质充填方法，其特征在于：还包括在回补工作介质至填满状态后，利用具有弹性回复力的密封体对上述填充口进行密封。

6.如权利要求3所述的工作介质充填方法，其特征在于：形成该中空腔体的结构为热管或者均热板。

7.如权利要求1所述的工作介质充填方法，其特征在于：该抽工作介质致真空是在中空腔体处于倒扣的方位下进行。

8.如权利要求1所述的工作介质充填方法，其特征在于：该抽工作介质致真空是在中空腔体处于正扣的方位下进行，且利用抽水导管伸入中空腔体之相对深度来控制保留于中空腔体内的工作介质含量。

9.如权利要求1所述的工作介质充填方法，其特征在于：在填入工作介质时，是利用填充管伸入至中空腔体之内部，使工作介质由中空腔体远离填充口的底部进入。

10.如权利要求1所述的工作介质充填方法，其特征在于：该填充口形成缩口状。

11.如权利要求1所述的工作介质充填方法，其特征在于：该工作介质为水。

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