TW201802425A - 多管式立體脈衝式熱管 - Google Patents

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TW201802425A
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曾智勇
楊愷祥
吳世國
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財團法人工業技術研究院
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Abstract

一種多管式立體脈衝式熱管，其包括至少二個管件以及至少兩個腔室。至少二個管件具有環形迴路，管件排列設置成一三維結構，環形迴路的至少一側形成一散熱區域。至少二個管件之兩端相互連通於至少兩個腔室，以形成一種多管式立體脈衝式熱管。

Description

多管式立體脈衝式熱管
本發明是有關於一種作為散熱之用的熱管，尤指一種以立體堆疊排列而成的多管式立體脈衝式熱管。
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。
傳統脈衝式熱管(Pulsating Heat Pipe)是由數個彎曲管路所構成的元件，利用管路內工作液體受熱所產生的壓力差來造成兩相流脈衝現象，此種作動方式不需要毛細結構讓液體回流到蒸發端，利用此概念可以輕易推動汽塊及液柱在管內流動構成循環，把熱量帶走達到散熱的效果。由於此項技術不需毛細結構故可有效降低製作成本，更適用於開發大熱傳量及長距離的熱管產品，然而傳統脈衝式熱管結構有折彎曲率半徑限制，使得加工困難，當折彎曲率半徑過小時，容易導致管材變形、破裂， 在應用上受到諸多限制。再者，上述折彎加工額外需要特別折彎的治具，相對會提高製作熱管的成本。
此外，經過上述折彎加工後，彎頭管材間有許多無效面積(無效區)，使得單位投影面積可傳遞熱量(W/cm2)降低，也就是導致熱通量不足，亦會有熱阻過高的問題，因而設計及開發上有諸多不便之處。
本發明提供一種多管式立體脈衝式熱管，其有效提升性能，且可便於製作，降低製作成本。
本發明的一實施例提出多管式立體脈衝式熱管，多管式立體脈衝式熱管包括至少二個管件以及至少兩個腔室。至少二個管件分別具有環形迴路，各管件排列設置成一三維結構，環形迴路的至少一側形成一散熱區域。至少二個管件之兩端相互連通於至少兩個腔室，以形成一種多管式立體脈衝式熱管。
基於上述，在本發明的多管式立體脈衝式熱管中，在至少二個管件之兩端點各加上一個腔室，作為流體交叉流動與充填工作流體之用，並透過立體堆疊方式，使本發明的多管式立體脈衝式熱管不受原有折彎曲率半徑的限制，讓環形迴路的至少一側面所形成的散熱區域為緊湊堆疊的結構而不具有無效面積區，因此，當多管式立體脈衝式熱管的散熱區域貼附於蒸發區時，能大幅提升最大熱通量。
此外，本實施例的多管式立體脈衝式熱管不需要習用技術中的折彎治具，可加速製作過程，並降低製作成本。
100‧‧‧多管式立體脈衝式熱管
110‧‧‧外框部
112‧‧‧第一管件
114‧‧‧第二管件
116‧‧‧第三管件
120‧‧‧腔室
130‧‧‧簍空部
140‧‧‧蒸發區
150‧‧‧冷凝區
200‧‧‧多管式立體脈衝式熱管
210‧‧‧外框部
230‧‧‧簍空部
240‧‧‧蒸發區
252、254‧‧‧冷凝區
300‧‧‧多管式立體脈衝式熱管
310‧‧‧外框部
330‧‧‧簍空部
340‧‧‧蒸發區
350‧‧‧冷凝區
400‧‧‧多管式立體脈衝式熱管
440‧‧‧蒸發區
450‧‧‧冷凝區
500‧‧‧多管式立體脈衝式熱管
540‧‧‧蒸發區
550‧‧‧冷凝區
600‧‧‧多管式立體脈衝式熱管
640‧‧‧蒸發區
650‧‧‧冷凝區
700‧‧‧多管式立體脈衝式熱管
740‧‧‧蒸發區
750‧‧‧冷凝區
730‧‧‧簍空部
770‧‧‧另一外框部
800‧‧‧多管式立體脈衝式熱管
830‧‧‧簍空部
840‧‧‧蒸發區
850‧‧‧冷凝區
A1、B1、C1‧‧‧第一側
A2、B2、C2‧‧‧第二側
A3、B3、C3‧‧‧第三側
A4、C4‧‧‧第四側
X‧‧‧第一軸
Y‧‧‧第二軸
Z‧‧‧第三軸
第1圖為本發明之多管式立體脈衝式熱管一實施例的示意圖。
第2圖為第1圖之管件之環形迴路的一側的局部示意圖。
第3圖為第1圖之多管式立體脈衝式熱管之一視角的示意圖。
第4圖為本發明之多管式立體脈衝式熱管一實施例的示意圖。
第5圖為本發明之多管式立體脈衝式熱管一實施例的示意圖。
第6圖為本發明之多管式立體脈衝式熱管一實施例的示意圖。
第7圖為本發明之多管式立體脈衝式熱管一實施例的示意圖。
第8圖為本發明之多管式立體脈衝式熱管一實施例的示意圖。
第9圖為本發明之多管式立體脈衝式熱管一實施例的示意圖。
第10圖為本發明之多管式立體脈衝式熱管一實施例的示意圖。
以下結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式作進一步描述。以下實施例僅用於更加清楚地說明本發明的技術方案，而不能以此限制本發明的保護範圍。
第1圖為本發明之多管式立體脈衝式熱管一實施例的示意圖。第2圖為第1圖之管件之環形迴路的一側的局部示意圖。請參閱第1圖及第2圖。需說明的是，為了便於後續說明，第1圖中具有第一軸X、第二軸Y與第三軸Z，其中第一軸X、第二軸Y與第三軸Z彼此相互垂直。
在本實施例中，多管式立體脈衝式熱管100為具有脈衝式作 用之熱管，其包括至少二個管件以及至少兩個腔室120。
以第1圖來說，多管式立體脈衝式熱管100包含第一管件112、第二管件114、第三管件116以及兩個腔室120。
第一管件112、第二管件114、第三管件116分別具有環形迴路且包含一外框部110與一簍空部130，其中外框部110由第一側A1、第二側A2、第三側A3及第四側A4所構成，第一側A1與第二側A2為外框部110的上下相對兩側，而第三側A3與第四側A4為外框部110的左右相對兩側，換言之，環形迴路為呈一矩形。
第一管件112、第二管件114與第三管件116例如分別立設於第一軸X與第三軸Z所在的平面上，且第一管件112、第二管件114與第三管件116依序沿著第三軸Z排列設置成一三維結構，經由前述立體堆疊方式而成的三維結構為一立體矩形結構且三維結構是對稱性結構，於其他實施例中，三維結構方式為非對稱性結構，端視實際情況而可變化。
第一管件112、第二管件114、第三管件116之兩端相互連通於兩個腔室120，以形成一種多管式立體脈衝式熱管100。
多管式立體脈衝式熱管100之所述環形迴路的至少一側形成一散熱區域，如第2圖所示，第一管件112、第二管件114與第三管件116之環形迴路的第一側A1緊密結合形成散熱區域，且第一管件112、第二管件114與第三管件116等管件之間的緊湊堆疊的結構而消除無效區，並形成一個以該散熱區域的面來做為傳導的模式。
在本實施例中，上述管件例如為一金屬管，然，本發明不以此為限，於其他實施例中，管件例如為一非金屬管。
在本實施例中，上述管件例如為相同管徑或相同截面積，然，本發明不以此為限，於其他實施例中，管件例如為不相同管徑或不相同截面積。
第3圖為第1圖之多管式立體脈衝式熱管之一視角的示意圖。請參閱第3圖。需說明的是，為了便於說明，第3圖省略部分構件，相關構件仍可參照第1圖所示及說明。
在本實施例中，多管式立體脈衝式熱管100可在相對的兩側分別設置蒸發區140及冷凝區150，舉例而言，以第3圖為例，多管式立體脈衝式熱管100的管件之第一側A1為蒸發區140，而多管式立體脈衝式熱管100的管件之第二側A2為冷凝區150。在一實施例中，多管式立體脈衝式熱管的管件之第一側亦可為冷凝區，而多管式立體脈衝式熱管的管件之第二側亦可為蒸發區。此外，腔室120之位置不限定在冷凝區，在多管式立體脈衝式熱管100之其他位置，亦在本專利範圍內。
加熱源設於外框部110之一側，以第3圖來說，加熱源設於外框部110之第一側A1，即蒸發區140，而外框部110之第二側A2可以設置散熱鰭片，作為冷凝區，換言之，本實施例係以在底面(第一側A1)加熱作為舉例，但本發明不以此為限。
多管式立體脈衝式熱管100更包括一置放元件160。置放元件160位於簍空部130，換言之，外框部110可作為支撐結構的框架，而簍空部130可容置置放元件160，而本實施例的置放元件160例如為一電路結構，在其他實施例中，置放元件例如為一機構或一散熱元件，端視實際情況而可擇定適合的置放元件的態樣。
在上述的配置之下，使用三個管件，分別於兩端點各加上一個腔室120，作為流體交叉流動與充填工作流體之用，進行環形繞圈並透過立體堆疊方式，使多管式立體脈衝式熱管100不受原有折彎曲率半徑的限制，因而形成緊湊堆疊的結構。並且，從其中一個腔室120充填工作流體(如水、甲醇、丙酮、其他純液體或混合液體等)，造成工作流體交叉流動，使流體產生不平衡之力，成功地克服習用技術中脈衝式熱管水平啟動問題。並且可操作在負90度狀態(蒸發區在上，冷凝區在下)，使其缺乏重力輔助工作流體回流至蒸發區，亦可作動工作流體受熱時，可在水平或負角度狀態下操作。
再者，舉例而言，當如多管式立體脈衝式熱管100的第一側A1緊密結合形成散熱區域並貼附於蒸發區140時，該第一側A1所形成的散熱區域(如第2圖所示)不具有無效面積區，因此能大幅提升最大熱通量。
此外，由於是對稱性結構，故只需要沿著同一方向進行環形繞圈並以立體堆疊的方式排列，即可製作完成本實施例的多管式立體脈衝式熱管100，故不需要習用技術中的折彎治具，可加速製作過程，並降低製作成本。
第4圖為本發明之多管式立體脈衝式熱管一實施例的示意圖。請參閱第4圖。需說明的是，第4圖的多管式立體脈衝式熱管200與第1圖至第3圖的多管式立體脈衝式熱管100相似，其中相同的元件以相同的標號表示且具有相同的功效而不再重複說明，以下僅說明差異處。
以第4圖而言，各管件之環形迴路為呈一三角形且環形迴路包含一外框部210與一簍空部230，其中外框部210由第一側B1、第二側B2 及第三側B3所構成，且環形迴路的第一側B1形成散熱區域。經由前述立體堆疊方式而成的三維結構為一立體三角形結構。
多管式立體脈衝式熱管200的管件之第一側B1為蒸發區240，而多管式立體脈衝式熱管100的管件之第二側B2及第三側B3分別為冷凝區252、254。
第4圖為本發明之多管式立體脈衝式熱管一實施例的示意圖。請參閱第4圖。需說明的是，第4圖的多管式立體脈衝式熱管200與第1圖至第3圖的多管式立體脈衝式熱管100相似，其中相同的元件以相同的標號表示且具有相同的功效而不再重複說明，以下僅說明差異處。
以第4圖而言，各管件之環形迴路為呈一三角形且環形迴路包含一外框部210與一簍空部230，其中外框部210由第一側B1、第二側B2及第三側B3所構成，且環形迴路的第一側B1形成並作為散熱區域，如此，經由前述立體堆疊方式而成的三維結構為一立體三角形結構。
多管式立體脈衝式熱管200的管件之第一側B1為蒸發區240，而多管式立體脈衝式熱管200的管件之第二側B2及第三側B3為冷凝區252、254。
第5圖為本發明之多管式立體脈衝式熱管一實施例的示意圖。請參閱第5圖。需說明的是，第5圖的多管式立體脈衝式熱管300與第1圖至第3圖的多管式立體脈衝式熱管100相似，其中相同的元件以相同的標號表示且具有相同的功效而不再重複說明，以下僅說明差異處。
以第5圖而言，各管件之環形迴路為呈一梯形且環形迴路包含一外框部310與一簍空部330，其中外框部310由第一側C1、第二側C2、第 三側C3及第四側C4所構成，第一側C1與第二側C2為外框部310的上下相對兩側，且第二側C2的長度長於第一側C1的長度，而第三側C3與第四側C4為外框部310的左右相對兩側，且環形迴路的第一側C1形成散熱區域。經由前述立體堆疊方式而成的三維結構為一立體梯形結構。
多管式立體脈衝式熱管300的管件之第一側C1為蒸發區340，而多管式立體脈衝式熱管300的管件之第二側C2為冷凝區350。
由前述可知，堆疊形狀不限於矩形，亦可為三角形(第4圖)或梯形(第5圖)，端視實際產品需求而可擇定。
第6圖為本發明之多管式立體脈衝式熱管一實施例的示意圖。請參閱第6圖。需說明的是，第6圖的多管式立體脈衝式熱管400與第1圖至第3圖的多管式立體脈衝式熱管100相似，其中相同的元件以相同的標號表示且具有相同的功效而不再重複說明，以下僅說明差異處。
以第6圖而言，環形迴路的第三側A3形成散熱區域。多管式立體脈衝式熱管400的管件之第三側A3為蒸發區440，而多管式立體脈衝式熱管400的管件之第四側A4為冷凝區450，換言之，相較於前述實施例(如第1圖至第5圖所示)為底面加熱來說，第6圖所述的實施例為側面加熱，且蒸發區440位於冷凝區450之下。
第7圖為本發明之多管式立體脈衝式熱管一實施例的示意圖。請參閱第7圖。需說明的是，第7圖的多管式立體脈衝式熱管500與第1圖至第3圖的多管式立體脈衝式熱管100相似，其中相同的元件以相同的標號表示且具有相同的功效而不再重複說明，以下僅說明差異處。
以第7圖而言，環形迴路的第二側A2形成散熱區域。多管式 立體脈衝式熱管500的管件之第二側A2為蒸發區540，而多管式立體脈衝式熱管500的管件之第一側A1為冷凝區550，換言之，相較於前述實施例來說，第7圖所述的實施例為逆重力加熱，即蒸發區540在上，冷凝區550在下之操作在負90度狀態，故在缺乏重力輔助工作流體回流至蒸發區的情況，亦可作動。
第8圖為本發明之多管式立體脈衝式熱管一實施例的示意圖。請參閱第8圖。需說明的是，第8圖的多管式立體脈衝式熱管600與第1圖至第3圖的多管式立體脈衝式熱管100相似，其中相同的元件以相同的標號表示且具有相同的功效而不再重複說明，以下僅說明差異處。
以第8圖而言，環形迴路的第二側A2形成散熱區域。多管式立體脈衝式熱管500的管件之第三側A3為蒸發區640，而多管式立體脈衝式熱管500的管件之第四側A4為冷凝區650，換言之，第8圖所述的實施例除了為側面加熱以外，亦為逆重力加熱，即蒸發區640在上，冷凝區650在下。
由前述可知，蒸發區不限於底面，亦可為側面加熱、逆重力加熱或其組合，端視實際產品需求而可擇定
第9圖為本發明之多管式立體脈衝式熱管一實施例的示意圖。請參閱第9圖。需說明的是，第9圖的多管式立體脈衝式熱管700與第1圖至第3圖的多管式立體脈衝式熱管100相似，其中相同的元件以相同的標號表示且具有相同的功效而不再重複說明，以下僅說明差異處。
以第9圖而言，多管式立體脈衝式熱管700為一雙層傳熱模組，換言之，有一尺寸較大的管件所構成的外框部110，以及另一尺寸較小的管件所構成的另一外框部770，而另一外框部770位於所述外框部110之 內，另一外框部770具有一簍空部730。
多管式立體脈衝式熱管700的蒸發區740位於外框部110底側與另一外框部740底側之間，而冷凝區750則位於多管式立體脈衝式熱管700的管件之第二側A2。因此，蒸發區740內的加熱源的上下兩面皆可藉由外框部110與另一外框部740作傳熱。
第10圖為本發明之多管式立體脈衝式熱管一實施例的示意圖。請參閱第10圖。需說明的是，第10圖的多管式立體脈衝式熱管800與第9圖的多管式立體脈衝式熱管700相似，其中相同的元件以相同的標號表示且具有相同的功效而不再重複說明，以下僅說明差異處。
以第10圖而言，多管式立體脈衝式熱管800亦為一雙層模組，換言之，有一尺寸較大的管件所構成的外框部110，以及另一尺寸較小的管件所構成的另一外框部870，而另一外框部870位於所述外框部110之內，另一外框部870具有一簍空部830。
蒸發區840位於多管式立體脈衝式熱管800的管件之第二側A1，而冷凝區850則位於多管式立體脈衝式熱管800的管件之第二側A2。
在此配置之下，本實施例的外框部110內的管件為一第一工作流體，而另一外框部870內的管件為一第二工作流體，第一工作流體不同於第二工作流體，而不同的工作流體會有不同的操作溫度，舉例而言，工作流體例如為水，在工作壓力為0.3倍大氣壓下需要加熱到約69℃才開始蒸發傳熱(相對高溫區域)，並有驅動力來推動工作流體循環，而工作流體例如為丙酮，在工作壓力為0.3倍大氣壓下則只需要約37℃度即可以啟動(相對低溫區域)。因此，針對不同工作流體，本實施例的多管式立體脈衝式熱管800 可作成雙層傳熱模組，並分別負責相對高溫與相對低溫區域。
以下對傳統脈衝式熱管與本發明的多管式立體脈衝式熱管做一實驗比較範例。
Figure TW201802425AD00001
由上述表一可知，傳統脈衝式熱管的熱通量為4W/cm2，而本發明的多管式立體脈衝式熱管的熱通量為33.3W/cm2，換言之，實驗比較之下，本發明的多管式立體脈衝式熱管的熱通量提升約8倍，足見能大幅提升熱通量。
由於傳統脈衝式熱管包含複數個管材，這些管材經折彎而形成一蛇形迴路，並各自圍繞成一封閉系統，其中管材受限於折彎取率半徑 而在管材與管材之間具有間隔，故當傳統脈衝式熱管貼於加熱源時，由於管材與管材之間具有間隔，故管材間的間隔形成許多無效面積(無效區)。反觀本發明，本發明所提出的多管式立體脈衝式熱管，經由立體堆疊的方式，讓多管式立體脈衝式熱管不受原有折彎曲率半徑的限制，形成緊湊堆疊的結構而讓環形迴路的至少一側面所形成的散熱區域不具有無效面積區，故形成一面對面的熱傳模式，藉此能大幅提升熱通量。
綜上所述，在本發明的多管式立體脈衝式熱管中，在至少二個管件之兩端點各加上一個腔室，作為流體交叉流動與充填工作流體之用，進行環形繞圈並透過立體堆疊方式，使多管式立體脈衝式熱管不受原有折彎曲率半徑的限制，讓環形迴路的至少一側面所形成的散熱區域為緊湊堆疊的結構而不具有無效面積區，當多管式立體脈衝式熱管的散熱區域貼附於蒸發區時，形成一面對面的熱傳模式，藉此能大幅提升熱通量。
並且，從其中一個腔室充填工作流體(如水、甲醇、丙酮、其他純液體或混合液體等)，工作流體因毛細力拉扯，在氣/液柱在管件內隨機分佈，液柱兩端有不同作用力，使氣柱推動液柱移動，形成氣/液柱脈衝振動與循環，產生相變潛熱傳輸以及液柱震盪時的顯熱傳輸，故能造成工作流體交叉流動，使流體產生不平衡之力，成功地克服習用技術中脈衝式熱管水平啟動問題。並且可操作在負90度狀態(蒸發區在上，冷凝區在下)，使其缺乏重力輔助工作流體回流至蒸發區，亦可作動工作流體受熱時，可在水平或負角度狀態下操作。
此外，由於是對稱性結構，故只需要沿著同一方向進行環形繞圈並以立體堆疊的方式排列，即可製作完成本實施例的多管式立體脈衝 式熱管，故不需要習用技術中的折彎治具，此舉不僅可以簡化製作多管式立體脈衝式熱管的工序，加速製作過程，並降低製作成本。
另外，上述管件均為環形繞圈，外框部可作為支撐結構的框架，而簍空部可容置如電路結構、機構或散熱元件等構件，並視構件的尺寸而可適時調整框架的範圍大小，故本發明的多管式立體脈衝式熱管可作為熱管兼框架之用。
進一步地，除了可應用在絕緣閘雙極電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)散熱外，也可應用在如CPU散熱、COB(Chip On Board)-LED散熱、伺服器散熱、資料中心散熱、工業廢熱回收等其他高功率密度場域，並且，在應用上可搭配不同堆疊尺寸的元件，進行模組化設計。
另外，更可因應熱源大的加熱源，來設計雙層傳熱模組，而可對蒸發區內的加熱源的兩面作傳熱的動作，以達到較佳的傳熱效果。另一方面， 以上所述之具體實施例，僅係用於例釋本發明之特點及功效，而非用於限定本發明之可實施範疇，於未脫離本發明上揭之精神與技術範疇下，任何運用本發明所揭示內容而完成之等效改變及修飾，均仍應為下述之申請專利範圍所涵蓋。
100‧‧‧多管式立體脈衝式熱管
110‧‧‧外框部
112‧‧‧第一管件
114‧‧‧第二管件
116‧‧‧第三管件
120‧‧‧腔室
130‧‧‧簍空部
A1‧‧‧第一側
A2‧‧‧第二側
A3‧‧‧第三側
A4‧‧‧第四側
X‧‧‧第一軸
Y‧‧‧第二軸
Z‧‧‧第三軸

Claims (12)

  1. 一種多管式立體脈衝式熱管，其包括：至少二個管件，分別具有環形迴路，各該管件排列設置成一三維結構，其中該些環形迴路的至少一側形成一散熱區域；以及至少兩個腔室，該至少二個管件之兩端相互連通於該至少兩個腔室，以形成一種多管式立體脈衝式熱管。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之多管式立體脈衝式熱管，其中該至少二個管件為一金屬管或一非金屬管。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之多管式立體脈衝式熱管，其中該三維結構是對稱性結構或非對稱性結構。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之多管式立體脈衝式熱管，其中該至少二個管件之管徑/截面積相同。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之多管式立體脈衝式熱管，其中該至少二個管件之管徑/截面積不相同。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之多管式立體脈衝式熱管，其中各該管件之環形迴路包含一外框部與一簍空部。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之多管式立體脈衝式熱管，更包括：一加熱源，設於該外框部的一側。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之多管式立體脈衝式熱管，更包括：一置放元件，位於該簍空部。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之多管式立體脈衝式熱管，其中該置放元件為一電路結構、一機構或一散熱元件。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之多管式立體脈衝式熱管，其中各該管件內填充工作流體，該工作流體受熱時，可在水平或負角度狀態下操作。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之多管式立體脈衝式熱管，其中該複數個管件之一側為蒸發區，該複數個管件之另一側為冷凝區。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之多管式立體脈衝式熱管，其中該些環形迴路為呈一矩形、一梯形或一三角形。
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