TW201542995A - 脈衝型多管式熱管 - Google Patents

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Abstract

一種脈衝型多管式熱管，利用互相並行且彎曲成複數個蛇狀之金屬管，並分別於複數個蛇狀金屬管之兩端，各設置一獨立之腔室，分別將複數個蛇狀金屬管之兩端連通於獨立之腔室內，以圍繞成一開放式之迴路，使得工作流體相互交叉流動以增大多管體當中之驅動力，因而增進散熱效果，並成功地克服傳統脈衝型熱管之水平，負角度及低溫無法啟動之問題。

Description

脈衝型多管式熱管
本揭露係有關於一種做散熱用之熱管，尤指一種分別於複數個蛇狀金屬管之兩端，各設置一獨立之腔室，分別將複數個蛇狀金屬管之兩端連通於獨立之腔室內，以圍繞成一開放式之迴路之一種脈衝型多管式熱管。
熱管具有良好之熱傳性能，因此被廣泛地應用在電子元件之散熱，特別是在個人電腦以及筆記型電腦之中幾乎都可以看見熱管的運用。通常，面臨平面發熱形式之散熱需求時，設計上必須同時採用多支熱管，方能滿足散熱之需求。可是，多支熱管的使用會造成散熱設計、散熱模組組裝與製作上的困難。因此，面對平面放置發熱形式之散熱要求時，平板型熱管(Vapor Chamber)會是較傳統熱管為合適的傳熱元件。
運用具有毛細作用之平板型熱管，其困難在於毛細作用之結構燒結製作，其主要原因如下：1、平板型熱管越大型，毛細作用結構之均勻度越難以控制，因而容易導致性能不穩定；2、平板型熱管越大型，用於燒結毛細作用結構之燒結爐也必須加大，從而導致成本增加，量產速度降低；3、退火後之平板型熱管，其管壁強度大幅降低，因而可能導致其管壁不具可因應內外部壓力變化所需之強度。既然因為毛細作用結構的燒結，會衍生出許多製作 上之問題，因此具有震盪式或脈衝型(pulsating heat pipe or oscillating heat pipe)作用之熱管便成為平面傳熱之另一種選擇。
現有的脈衝型熱管之整體結構相當簡單，其係由單管的細管連結而成。脈衝型熱管之驅動力是藉由較小的管徑所產生的毛細作用力、工作液體所受之重力以及受熱產生的汽泡壓力來使熱管產生動作。然而傳統單管脈衝型熱管，其毛細作用力是相當有限的，因此傳統脈衝型熱管的運作主要還是利用重力。由於傳統脈衝型熱管的運作主要靠的是重力，因此當熱管處於水平或是受熱端高於散熱端的狀況時，熱管將無法運作。中華民國I387718號專利，及其他文獻記載使用止回閥的裝置，可改善水平啟動，卻無法解決負角度啟動的問題，但因受到重力影響時，工作流體不易流回蒸發段，而使脈衝型熱管失效，故無法解決負角度啟動的問題，且熱阻無法獲得改善。本案申請人在申請案號102131568雖已克服水平或負角度無法啟動之問題，但仍無法解決低溫無法啟動之問題。
本揭露為了解決單管脈衝型熱管處於水平或是受熱端高於散熱端的狀況時(負角度)，或是低溫時該熱管將無法運作的問題，研發出一種脈衝型多管式熱管，為具有脈衝型作用之熱管，包含：利用互相並行且彎曲成複數個蛇狀之金屬管，並分別於複數個蛇狀金屬管之兩端，分別各設置一獨立之腔室，分別將複數個蛇狀金屬管之兩端連通於獨立之腔室內，以圍繞成一開放式之之迴路，使得工作流體相互交叉流動以增大多管體當中之壓力差，因而增進散熱效果，並成功地克服傳統脈衝型熱管之水平，負角度及低溫無法啟動之問題。
透過複數根金屬管連通的方式，產生不平衡的體積充填量，並且在作動時，該充填量會產生交叉流動作動態的變化、交替， 在負90度操作下，亦即蒸發端在上，冷凝端在下的操作狀態亦可作動，及在低溫狀態下，皆可完成傳熱之效果。本發明實施例包括複數個相同管徑之蛇形金屬管，亦可使用複數個不相同管徑之蛇形金屬管，並分別在複數個金屬管之兩端設有複數個腔室，各自將該複數蛇形金屬管連通。
本揭露所屬技術領域中具有通常知識者亦應可瞭解，這類等效的建構並無法脫離後附之申請專利範圍所提出之本揭露的精神和範圍。
1、2、3、4、5、6、7、8‧‧‧脈衝型多管式熱管
11、12、21、22、31、32、41、42、43、51、52、53、61、62、63、71、72、81、82‧‧‧金屬管
13、73、74‧‧‧蛇形迴路
14,18,24,28‧‧‧腔室
15、75‧‧‧受熱區
16、76、77‧‧‧冷凝區
17‧‧‧隔板
圖1為本揭露第1實施例之脈衝型熱管之示意圖；圖2A,2B為本揭露第2實施例之脈衝型熱管之示意圖；圖3為本揭露第3實施例之脈衝型熱管之示意圖；圖4為本揭露第4實施例之脈衝型熱管之示意圖；圖5為本揭露第5實施例之脈衝型熱管之示意圖；圖6A,6B為本揭露第6實施例之脈衝型熱管之示意圖；圖7為本揭露第7實施例之脈衝型熱管之示意圖；圖8為本揭露第8實施例之脈衝型熱管之示意圖；圖9為本揭露之水平操作特性比較表；圖10為本揭露之負90度操作特性比較表。
圖1揭露本發明第一實施例，揭示一種脈衝型多管式熱管1，為具有脈衝型作用之熱管，包含：兩個相同管徑之金屬管11、12所形成，每個金屬管11、12之一端包含複數個蛇形迴路13，並各自圍繞成一開放系統，且兩個相同管徑之金屬管11、12互相並行， 並使用二個獨立之腔室14,18將該兩個金屬管11、12連通形成一種脈衝型熱管1，其中該二個獨立腔室14,18係在一腔室內使用一隔板17，將該腔室隔開形成二個獨立腔室14,18，該二個獨立腔室14,18不在同一腔室內，且亦可使用二個分離之腔室形成二個獨立腔室14,18。該脈衝型熱管1之一端15為受熱區(亦可為冷凝區)，另一端16為冷凝區(亦可為受熱區)，且腔室14,18之位置不限定在冷凝區，在脈衝型熱管1之其他位置，或該兩個金屬管11、12連接於二個獨立之腔室14,18之不同側，亦在本專利範圍內。
圖2A,2B揭露本發明第二實施例，揭示第二種脈衝型多管式熱管2，請參照圖1揭露本發明第一實施例，除了該兩個獨立之腔室24,28分別設在金屬管21、22之兩端連通成脈衝型熱管2，該兩個獨立之腔室24,28，係不在同一腔室內，且分別設置在金屬管21、22之上端，其餘均相同，故不再說明。
圖3揭露本發明第三實施例，揭示第三種脈衝型多管式熱管3，請參照圖1揭露本發明第一實施例，除了使用兩個不相同管徑之金屬管31、32，分別使用兩個獨立腔室14,18，將該兩個金屬管31、32脈衝型熱管連通成脈衝型熱管3，其餘均相同，故不再說明。
圖4揭露本發明第四實施例，揭示第四種脈衝型多管式熱管4，請參照圖2A,2B揭露本發明第二實施例，除了使用兩個不相同管徑之金屬管41、42，分別使用兩個獨立腔室24,28，將該兩個金屬管41、42脈衝型熱管連通成脈衝型熱管4，其餘均相同，故不再說明。
圖5揭露本發明第五實施例，揭示第五種脈衝型多管式熱管 4，請參照圖1揭露本發明第一實施例，除了使用三個相同管徑之金屬管51、52、53所形成脈衝型熱管5，其餘均相同，故不再說明，惟本實施例使用管徑不相同，或使用二個分離之腔室將該三個脈衝型熱管連通，亦在本專利範圍內。
圖6揭露本發明第六實施例，揭示第六種脈衝型多管式熱管6，請參照圖2A,2B揭露本發明第二實施例，除了使用三個相同管徑之金屬管61、62、63所形成脈衝型熱管6，其餘均相同，故不再說明，惟本實施例使用管徑不相同，亦在本專利範圍內。
圖7揭露本發明第七實施例，揭示第七種脈衝型多管式熱管7，由兩個不相同管徑尺寸之金屬管71、72所形成，每個金屬管之一端包含複數個蛇形迴路73、74，並各自圍繞成一開放式系統，且該複數個蛇形迴路73、74分別在脈衝型熱管7之一端，並於金屬管71、72之另一端分別使用兩個獨立腔室14,18將該兩個脈衝型熱管連通形成一種脈衝型多管式熱管7，，其中該些金屬管71、72分別位在兩個獨立腔室14,18之兩端，不互相並行，且該兩個獨立腔室14,18不在同一腔室內。該脈衝型熱管7之中間部份75為受熱區(亦可為冷凝區)，該複數個蛇形迴路73、74分別在脈衝型熱管7之一端76、77分別為冷凝區(亦可為受熱區)，惟本實施例使用相同管徑，亦在本專利範圍內。
圖8揭露本發明第八實施例，揭示第八種脈衝型多管式熱管8，請參照圖7揭露本發明第七實施例，除了該兩個獨立腔室14,18分別設置在金屬管81、82之兩端連通成脈衝型熱管8，該兩個獨立之腔室14,18，係不在同一腔室內，且分別設置在金屬管81、82之兩端，在一段距離設置，其餘均相同，故不再說明，惟本實施 例使用相同管徑，亦在本專利範圍內。上述脈衝型熱管1內之工作流體由腔室14,18上開一注入口注入，當工作流體注入完畢後，再將注入封住，本揭露之脈衝型熱管內之工作流體填充率為30~80%(體積比)，體積比為管內填充該工作流體之體積與管內未填充工作流體時之管內體積的百分比。工作流體注入前，需從注入口將流道系統抽真空，其餘上述七種實施例之工作流體充填方式亦相同。
必須說明的是，上述圖1所示金屬管11、12分別具有不同方向之雙斜線，是為了明確區別金屬管11、12，並非表示其為剖面結構，同理，圖2A至圖8之金屬管分別具有之雙斜線也是為了明確區別不同金屬管。
上述兩個獨立腔室14,18與金屬管連通方式，為將該兩個脈衝型熱管連通形成一種脈衝型熱管之結構，先於兩個獨立腔室14,18兩端部開設圓孔，該金屬管兩端再分別經該圓孔置入腔室14,18內部後再焊接。此外，例如當金屬管11、12之管徑為D時，腔室14,18之寬度(圖中未示出)與高度H分別為2D到10D，因至少有兩個金屬管，故腔室14,18之寬度與高度至少為2D，也可使用多個金屬管，但腔室14,18之體積越大型，毛細作用結構之均勻度越難以控制，因而容易導致性能不穩定，所以腔室14,18之寬度與高度最好不要超過10D，而長度L1為2D到20D，因腔室14,18之長度較不影響散熱模組之配置，故其長度可較寬度與高度大，管徑D可為0.1到8.0mm，因管徑D太小不易製作，故至少為0.1mm，管徑D太大則毛細作用差，所以管徑D最好不要超過8.0mm。當脈衝型 熱管1之受熱區15(請參閱圖1)受熱時，工作流體會蒸發而增加蒸汽壓力，進而推動工作流體之流動。高溫高壓之工作流體將會流至冷凝區16(請參閱圖1)，亦即將熱由高溫之受熱區15送至低溫之冷凝區16，以達到熱量傳遞之效果。如此，可使得金屬管11、12工作流體產生之壓力差大於單管之壓力差，請參考圖2A中與獨立腔室24連通之金屬管21工作流體產生之壓力大於金屬管22工作流體產生之壓力，使得位於最左邊金屬管21內之工作流體往上流動，位於最左邊金屬管22內之工作流體往下流動，複數個蛇狀金屬管22內之工作流體流動方向如箭頭方向所示，再請參考圖2B中與獨立腔室24連通之金屬管21工作流體產生之壓力小於金屬管22工作流體產生之壓力，使得位於最左邊金屬管21內之工作流體往下流動，位於最左邊金屬管22內之工作流體往上流動，複數個蛇狀金屬管22內之工作流體流動方向如箭頭方向所示，其工作流體流動方向與圖2A相反；再參考圖6A中與獨立腔室24連通之金屬管61工作流體產生之壓力大於金屬管62,63工作流體產生之壓力，使得位於最左邊金屬管61內之工作流體往上流動，位於最左邊金屬管21內之工作流體往下流動，複數個蛇狀金屬管62,63內之工作流體流動方向如箭頭方向所示，再請參考圖6B中與獨立腔室24連通之金屬管61工作流體產生之壓力小於金屬管62,63工作流體產生之壓力，使得位於最左邊金屬管61內之工作流體往下流動，位於最左邊金屬管62,63內之工作流體往上流動，複數個蛇狀金屬管62,63內之工作流體流動方向如箭頭方向所示，其工作流體流動方向與圖6A相反，故造成脈衝型多管式熱管1至8內之工作流體交叉流動，使流體隨機分佈，形成非均勻充填量，產生不平 衡的力，成功地克服脈衝型熱管水平啟動問題。並且可操作在負90度狀態(蒸發端在上，冷凝端在下)，使其缺乏重力輔助工作流體回流至蒸發端，亦可作動。其餘上述七種實施例之連通方式及工作流體交叉流動原理亦相同。
【實驗範例】
在本實驗範例中，分別以圖1實施例之結構製作一封閉式脈衝型多管式熱管與一本揭露之開放脈衝型多管式熱管。該脈衝型多管式熱管皆先抽真空，然後再分別填充約佔總流道系統體積百分之60之工作流體。接著該脈衝型多管式熱管，分別施以不同之熱量(Qin)，並調整該脈衝型多管式熱管之角度，以量測受熱端(TH)與散熱端(TL)之溫度，最後藉由熱阻(Rth)計算公式：R th =(T H -T L )/Q in ，由此公式可知受熱端(TH)與散熱端(TL)之溫度差愈小，則熱阻(Rth)就愈小；再由冷凝流體帶走之熱量Qout計算公式：Qout=(m/t)x(Cp)x(Tin-Tout)，其中Qout為冷凝流體帶走之熱量，(m/t)為質量流率(Kg/S)，(Cp)為冷凝流體比熱(J/Kg-℃)，(Tin-Tout)為冷凝流體入出口溫度差(℃)，由此公式可知Qout愈大則該脈衝型多管式熱管效率愈好。在各操作角度下，量測計算冷凝流體帶走之熱量Qout與量測受熱端(TH)與散熱端(TL)之溫度，藉以可比較脈衝型多管式熱管之性能。在圖9之左右圖，分別為本案申請人在申請案號102131568與本揭露之水平操作特性比較表，其中Qout為冷凝流體帶走之熱量，△T為受熱端(TH)與散熱端(TL)之溫度差，Tavg,h為受熱區之平均溫度，可知在受熱區之平均溫度Tavg,h=45℃時，封閉式脈衝型多管式熱管在低溫(45℃)無法啟動，但本揭露之開放脈衝型多管 式熱管低溫(45℃)可啟動，其中Qout≒35W，△T≒7℃；在圖10之左右圖，分別為本案申請人在申請案號102131568與本揭露之負90度操作特性比較表，亦可知封閉式脈衝型多管式熱管在低溫(45℃)無法啟動，但本揭露之開放脈衝型多管式熱管低溫(45℃)可啟動，其中Qout≒28W，△T≒4℃。
綜上所述，本揭露之脈衝型熱管由於透過多管連通的方式，產生不平衡的體積充填量，並且在作動時，該充填之工作流體在金屬管體內會起動態的變化、交替，可長時間處於作用力的不平衡狀態，使得本揭露之脈衝型熱管可在水平、負角度90度(蒸發端在上，冷凝端在下)及低溫可啟動，完成傳熱之效果。
本揭露之技術內容及技術特點已揭示如上，然而熟悉本項技術之人士仍可能基於本揭露之教示及揭示而作種種不背離本揭露精神之替換及修飾。因此，本揭露之保護範圍應不限於實施例所揭示者，而應包括各種不背離本揭露之替換及修飾，並為以下之申請專利範圍所涵蓋。
1‧‧‧脈衝型多管式熱管
11、12‧‧‧金屬管
13‧‧‧蛇形迴路
14、18‧‧‧腔室
15‧‧‧受熱區
16‧‧‧冷凝區
17‧‧‧隔板

Claims (20)

  1. 一種脈衝型多管式熱管，包括：至少二個獨立金屬管，分別具有複數個蛇形迴路，且互相並行；以及至少二個獨立之腔室，與至少二個金屬管之兩端連通形成一種脈衝型多管式熱管。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之脈衝型多管式熱管，其中該至少二個金屬管之管徑相同。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之脈衝型多管式熱管，其中該至少二個金屬管之管徑不相同。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之脈衝型多管式熱管，其中該至少二個金屬管之管徑為0.1到8.0mm。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之脈衝型多管式熱管，其中該二個獨立之腔室為不在同一腔室內，其寬度與高度為2D到10D，長度為2D到20D，D為該金屬管之管徑。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之脈衝型多管式熱管，其中該二個獨立腔室係在一腔室內使用一隔板形成二個獨立腔室。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之脈衝型多管式熱管，其中該二個獨立腔室係不在同一腔室內，且分別設置在該二個獨立金屬管之上端。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之脈衝型多管式熱管，其中該至少二個金屬管內填充工作流體，該工作流體受熱時，可在水平，負90度或低溫狀態下操作。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之脈衝型多管式熱管，其中該至少 二個金屬管內之工作流體填充率為30~80%(體積比)。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之脈衝型多管式熱管，其中該至少二個金屬管之一端為受熱區，另一端為冷凝區。
  11. 一種脈衝型多管式熱管，包括：至少二個金屬管，分別具有複數個蛇形迴路；至少二個獨立之腔室，與至少二個金屬管之兩端連通形成一種脈衝型多管式熱管，其中該些金屬管分別位在腔室之兩端，不互相並行。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之脈衝型多管式熱管，其中該至少二個金屬管之管徑相同。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之脈衝型多管式熱管，其中該至少二個金屬管之管徑不相同。
  14. 如申請專利範圍第11項所述之脈衝型多管式熱管，其中該至少二個金屬管之管徑為0.1到8.0mm。
  15. 如申請專利範圍第11項所述之脈衝型多管式熱管，其中該獨立之腔室為不在同一腔室內，其腔室之寬度與高度為2D到10D，長度為2D到20D，D為該金屬管之管徑。
  16. 如申請專利範圍第11項所述之脈衝型多管式熱管，其中該二個獨立腔室係在一腔室內使用一隔板形成二個獨立腔室。
  17. 如申請專利範圍第11項所述之脈衝型多管式熱管，其中該二個獨立腔室係不在同一腔室內，且分別設置在該二個獨立金屬管之上端。
  18. 如申請專利範圍第11項所述之脈衝型多管式熱管，其中該至少二個金屬管內填充工作流體，該工作流體受熱時，可在水平， 負90度或低溫狀態下操作。
  19. 如申請專利範圍第11項所述之脈衝型多管式熱管，其中該至少二個金屬管內之工作流體填充率為30~80%(體積比)。
  20. 如申請專利範圍第11項所述之脈衝型多管式熱管，其中該至少二個金屬管之中間為受熱區，另兩端分別為冷凝區。
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