TW202217214A - 立體脈衝式熱管 - Google Patents

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謝承原
曾智勇
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財團法人工業技術研究院
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Abstract

一種立體脈衝式熱管，包括立體環形結構以及熱交換腔體。立體環形結構係由至少金屬管件繞中心軸環繞並沿著中心軸的延伸方向堆疊而形成，且立體環形結構之相對二側分別設置受熱段與冷凝段。熱交換腔體位於受熱段，至少金屬管件之兩端連通至熱交換腔體之內部。

Description

立體脈衝式熱管
本發明是有關於一種立體脈衝式熱管。
習用脈衝式熱管(Pulsating Heat Pipe)主要由管徑尺寸為毛細管尺寸等級之細長管彎曲成蛇形管路，工作流體受表面張力影響使其管內自然形成液、汽相間的柱塞。在加熱段的液柱或者汽柱與管壁之間的液膜受熱蒸發，使汽柱體積膨脹，並推動汽、液柱向冷凝端移動，並在冷凝端冷凝與收縮。由於汽、液柱大小與位置隨機分佈，因而在管內產生不平衡的壓力差，使得管內工作流體產生強烈的往復脈衝，達成高效率的熱傳遞。
然而，習用脈衝式熱管於製作過程中，當管材之折彎段的折彎曲率半徑過小時，容易導致管材變形、破裂，故習用脈衝式熱管具有折彎加工困難的問題，並且折彎段的折彎曲率半徑會受到一定的限制，因而在管材與管材之間具有間隔。再者，由於管材與管材之間具有間隔，這些管材之間的間隔對於傳遞熱量而言是無效面積，使得單位投影面積可傳遞熱量(W/cm 2)降低，因而設計及開發上造成諸多不便，並且，折彎時需要特別折彎治具，因而會提高其製作成本。
另外，隨著科技的發展，電子零件的效能越來越好，體積卻越來越小。使得功率密度不斷提升，所需要的單位面積散熱量也越來越大。因此針對高功率電子元件，例如雷射投影機、電腦、網路交換機等的散熱需求也越來越高。因此提升熱交換元件的單位面積散熱量儼然成為一個趨勢。
因此，如何改善上述所遭遇到的問題，將是業界所要解決之課題之一。
本發明提供一種立體脈衝式熱管，藉由熱交換腔體會提升整體立體脈衝式熱管之單位面積熱傳量以及熱交換能力，且也不受到擺放角度的問題。
本發明之一實施例提供一種立體脈衝式熱管，包括一立體環形結構以及一熱交換腔體。立體環形結構係由至少一金屬管件繞一中心軸環繞並沿著中心軸的延伸方向堆疊而形成，且立體環形結構之相對二側分別設置一受熱段與一冷凝段。熱交換腔體位於受熱段，至少一金屬管件之兩端連通至熱交換腔體之內部。
基於上述，在本發明的立體脈衝式熱管中，在立體環形結構的受熱段連通熱交換腔體，熱交換腔體連接立體環形結構中金屬管件之相對兩端，以使熱交換腔體及立體環形結構共同形成單一封閉迴路，如此使得原本只有在受熱段對應的金屬管件的熱交換面積提升，熱交換腔體會讓更多的工作流體在受熱段被加熱，換言之，雖然在受熱段的加熱面積是相同的，但藉由熱交換腔體卻是提升整體立體脈衝式熱管之單位面積熱傳量以及熱交換能力。
為讓本發明能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
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。
需說明的是，在各個實施例的說明中，所謂的「第一」、「第二」係用以描述不同的元件，這些元件並不因為此類謂辭而受到限制。此外，為了說明上的便利和明確，圖式中各元件的厚度或尺寸，係以誇張或省略或概略的方式表示，以供熟悉此技藝之人士之瞭解與閱讀，且各元件的尺寸並未完全為其實際的尺寸，並非用以限定本發明可實施之限定條件，故不具技術上之實質意義，任何結構之修飾、比例關係之改變或大小之調整，在不影響本發明所能產生之功效及所能達成之目的下，均仍應落在本發明所揭示之技術內容涵蓋之範圍內。
第1圖為本發明的立體脈衝式熱管的示意圖。請參閱第1圖，本實施例的立體脈衝式熱管100包括一立體環形結構110以及一熱交換腔體120。立體環形結構110為具有脈衝式作用之熱管，立體環形結構110大致呈梯形。在其他實施例中，立體環形結構110可呈現矩形或三角形。立體環形結構110之相對二側(如第1圖中立體環形結構110之上側及下側)分別設置一冷凝段A1與一受熱段A2，其中受熱段A2與冷凝段A1的長度相異。在其他實施例中，受熱段A2與冷凝段A1的長度相同。冷凝段A1可連接一冷源60，受熱段A2可連接一熱源50，立體環形結構110之受熱段A2的水平高度係小於冷凝段A1的水平高度，其界定該立體脈衝式熱管100為正角度置放，亦即，受熱段A2係位於冷凝段A1的下方，如此，工作流體可透過重力的輔助，有利於受熱膨脹的汽柱一併推動液柱往位於上方的冷凝段A1流動，達到循環流動的目的，但本實施例之立體脈衝式熱管100的運作模式並不以此為限，可另參閱第9圖至第12圖其他運作模式之示意圖，當然，第1圖、第9圖至第12圖之外，可端視實際產品來調整立體環形結構110的纏繞形狀、熱交換腔體120的配置位置。
在本實施例中，立體環形結構110在冷凝段A1與受熱段A2之間具有兩個絕熱段A3、A4。熱源50例如為高功率燈具、雷射投影機、電腦、網路交換機、伺服器、5G(5th generation mobile networks，5th generation wireless systems)基地台、絕緣柵雙極電晶體（Insulated Gate Bipolar Transistor， IGBT）等需要高功率之電子零件設備，而冷源60例如為散熱鰭片模組。熱交換腔體120位於受熱段A2，且立體環形結構110中金屬管件之第一端E1與第二端E2分別連通至熱交換腔體120之內部。
在此配置之下，本實施例是在立體環形結構110的受熱段A2連通一個熱交換腔體120，熱交換腔體120連接立體環形結構110中金屬管件之相對的第一端E1與第二端E2，以使熱交換腔體120及立體環形結構110共同形成單一封閉迴路，如此使得原本只有在受熱段A2對應的金屬管件的熱交換面積提升，熱交換腔體120會讓更多的工作流體在受熱段A2被加熱，換言之，雖然在受熱段A2的加熱面積是相同的，但藉由熱交換腔體120可以讓更多的工作流體流過，來有效提升整體立體脈衝式熱管100之單位面積熱傳量以及熱交換能力。
在一測試數據而言，設定在同樣條件下的立體脈衝式熱管，案例一為不具本發明的熱交換腔體，作為對照組；案例二為本發明的立體脈衝式熱管100而具有熱交換腔體120，作為實驗組，所得到的結果中如下表一： 表一：
  案例一 案例二
體積充填率 35%±5% 35%±5%
最大加熱瓦數 900W(瓦) 1400W(瓦)
蒸發面積 72cm 2 (僅金屬管件之面積) 150cm 2
熱通量 25 W/cm 2 38.8 W/cm 2
表一中，最大加熱瓦數為蒸發溫度在100℃下可達到之最大瓦數。由表一可看出，相較於案例一，案例二的蒸發面積多了1.1倍，熱通量則多了55%，足顯本發明在受熱段A2連通一熱交換腔體120之後，熱交換腔體120確實能大幅提升整體立體脈衝式熱管100之單位面積熱傳量以及熱交換能力，亦可大幅降低熱阻值(如在正角度置放下為0.0426 K/W，負角度置放下為0.0701 K/W)。
以下可透過第2圖至第4圖更具體介紹本發明的立體脈衝式熱管。第2圖為本發明的立體脈衝式熱管一具體實施例的示意圖。第3圖為第2圖中的熱交換腔體與局部金屬管件連接的俯視示意圖。第4圖為第2圖中的熱交換腔體與局部金屬管件連接的側視示意圖。請參閱第2圖至第4圖。本實施例的立體脈衝式熱管200可視為第1圖立體脈衝式熱管100一具體實施例，立體脈衝式熱管200包括一立體環形結構210以及一熱交換腔體220。立體環形結構210係由金屬管件212、214繞一中心軸C環繞並沿著中心軸C的延伸方向堆疊而形成一立體結構且具有脈衝式作用之環形迴路，其中金屬管件214代表連接至熱交換腔體220的區段，而其餘為金屬管件212。透過上述立體堆疊，由於立體環形結構210的金屬管件212、214係繞中心軸C沿同一方向環繞而形成緊密堆疊的熱接觸面，可使製作時不受折彎曲率半徑限制，而易於加工，故本實施例無需使用特別的折彎治具而能降低製作成本。
在本實施例中，立體環形結構210之相對二側分別設置一冷凝段A1與一受熱段A2，其中冷凝段A1可連接一冷源60，受熱段A2可連接一熱源50，且立體環形結構210在冷凝段A1與受熱段A2之間具有兩個絕熱段A3、A4。另外，本實施例的立體環形結構210是對稱性結構，在其他實施例中，立體環形結構210為非對稱性結構，端視實際情況而可變化。此外，金屬管件212、214的管徑可為1.0公釐至5.0公釐。
在本實施例中，熱交換腔體220位於受熱段A2，且金屬管件214中的三根金屬管件214A、214B、214C之第一端E1分別連通至熱交換腔體220之第一端部T1，並沿著中心軸C之同一個方向環形繞圈，最後三根金屬管件214A、214B、214C的第二端E2分別再連通於熱交換腔體220之第二端部T2，以使熱交換腔體220及立體環形結構210共同形成單一封閉迴路，工作流體可於封閉迴路內進行冷卻循環，且三根甚或多根金屬管件流入或流出可降低流動阻力。在一實施例中，立體脈衝式熱管200更包括一充填管件216，充填管件216連通於立體環形結構210的第二端部T2，金屬管件212、214內填充一工作流體，工作流體於金屬管件212、214內的填充率可為30%至80%。
在此配置之下，本實施例的金屬管件212係穿過立體環形結構210下方與其連接之熱源50之間，另一個金屬管件214則連通立體環形結構210上方，可形成如第5圖所示的熱交換型態。除了前述，藉由熱交換腔體220可以讓更多的工作流體流過，來有效提升整體立體脈衝式熱管200之單位面積熱傳量以及熱交換能力以外，更可提供一個工作流體二次蒸發的型態。舉例而言，在第5圖中，工作流體可經由流入方向L2及/或流出方向L1至熱交換腔體220內的金屬管件212，熱交換腔體220內的金屬管件212中的工作流體會被加熱而對工作流體產生熱交換的第一次蒸發以外，經蒸發後的熱亦可經由熱傳導路徑P1被傳導至熱交換腔體220，或者工作流體透過前述立體環形結構210循環後，經由金屬管件214將工作流體經由流入方向L4流動至熱交換腔體220，而可對工作流體再進行第二次熱交換的第二次蒸發，並可由流出方向L3將第二次蒸發後的工作流體流出於金屬管件214，使得工作流體可以吸收更多熱量，來有效提升整體立體脈衝式熱管200之單位面積熱傳量以及熱交換能力。
本發明不限制上述熱交換腔體220的型態，舉例而言，如第4圖所示，熱交換腔體220包括一蓋體222與一容置槽224，容置槽224具有第一端部T1與第二端部T2，蓋體222蓋住於容置槽224。此外，熱交換腔體220更包括熱傳結構，也就是除了前述熱交換腔體220來提升熱通量以外，更能透過熱傳結構來再次強化提升熱通量之效果，熱傳結構的具體實施可參考第6圖至第8圖的實施例。
第6圖為本發明的熱交換腔體中熱傳結構一實施例的示意圖。請參閱第6圖，需說明的是，為了表示容置槽324內的熱傳結構，故省略蓋體。本實施例的容置槽324包括一側壁324A與一底壁324B，側壁324A連接於底壁324B以構成一具有容置空間的槽體。本實施例的熱傳結構為一凸柱324C，凸柱324C凸出於容置槽324之底壁324B，且這些凸柱324C排列設置於容置槽324之側壁324A之內，且第一端部T1與第二端部T2之間的每個凸柱324C之間距相等。以第6圖為例，這些凸柱324C係呈現規則排列，每個凸柱324C之間的間隔相同，透過在容置槽324內增加多個凸柱324C，這些凸柱324C更能提供熱交換面積的增加。在其他實施例中，這些凸柱324C之間的間隔不同。
第7圖為本發明的熱交換腔體中熱傳結構另一實施例的示意圖。請參閱第7圖，需說明的是，為了表示容置槽424內的熱傳結構，故省略蓋體。第7圖容置槽424內的熱傳結構與第6圖容置槽324內的熱傳結構至少差異在於：除了凸柱324C以外，更包括凸柱424D、凸柱424E，凸柱324C與凸柱424D係呈現交錯排列，可造成工作流體流動時壓力差。而凸柱324C與凸柱424D的長度相同，但凸柱324C、424D的長度小於凸柱424E的長度。以第7圖為例，鄰近第一端部T1的凸柱424E的長度不同於鄰近第二端部T2的凸柱324C的長度，在此凸柱424E可視為一長形柱體，而凸柱324C可視為一矩形柱體，當然，可依據實際而可調整，例如，鄰近第一端部的該些凸柱之間的間距不同於鄰近第二端部的該些凸柱之間的間距。透過前述不同排列方式或長度不同的調整，工作流動的流動之寬度大小差異造成壓力差，抗重力效果提升，如此可以讓工作流體產生非均勻流動阻力。作用力讓工作流體單方向流動，使得立體脈衝式熱管亦可於水平或負角度(熱源高於冷源，如第9圖)的狀態下操作時，仍可持續性的作動，達到導熱的作用，進而對熱源進行散熱。
本發明不對傳熱結構的型態加以限制，如第8圖所示，第8圖為本發明的熱交換腔體中熱傳結構又一實施例的示意圖。需說明的是，為了表示容置槽524內的熱傳結構，故省略蓋體。本實施例的熱傳結構為凸出肋條524F、524G，凸出肋條524F、524G凸出於容置槽524之底壁324B，其中鄰近第二端部T2的這些凸出肋條524F，具有不同之延伸方向，這些凸出肋條524F連接成蜿蜒形狀，且這些蜿蜒形狀之間形成流道S1，同理，鄰近第二端部T2的這些凸出肋條524G連接形成另一流道S2。由此可知，凸出肋條524F、524G更能提供熱交換面積的增加以外，流道S1的寬度不同於流道S2的寬度，導致本實施例的工作流體於容置槽524之內流動時，會產生流進、流出的不同寬度的壓力差，同樣亦可達成讓工作流體產生非均勻流動阻力，以及亦可在負角度(熱源高於冷源，如第9圖)的工作條件下進行操作。
以第9圖為例，第9圖為本發明的立體脈衝式熱管一實施例的示意圖。第9圖的立體脈衝式熱管600與第1圖的立體脈衝式熱管100至少差異在於：立體脈衝式熱管600為上方加熱，立體脈衝式熱管600為負角度置放，也就是熱源50連接的受熱段A2在立體環形結構610之上方，熱交換腔體620位於受熱段A2且熱交換腔體620連接立體環形結構610中金屬管件之相對的第一端E1與第二端E2，冷源60連接的冷凝段A2在立體環形結構620之下方，其中立體環形結構620可利用如第2圖所示的立體環形結構220的排列方式，而熱交換腔體620可運用如第2圖至第8圖的熱交換腔體。
第10圖為本發明的立體脈衝式熱管另一實施例的示意圖。第10圖的立體脈衝式熱管700與第1圖的立體脈衝式熱管100至少差異在於：立體脈衝式熱管700為側面加熱，以第10圖為例，立體脈衝式熱管700的受熱段A1與冷凝段A2分別在立體環形結構710的兩個相對的長邊上，也就是熱源50連接的受熱段A2在立體環形結構710的一側邊，冷源60連接的冷凝段A2在立體環形結構710的另一側邊，且受熱段A1與冷凝段A2分別靠近相對的兩個對角。熱交換腔體720位於立體環形結構710側邊之受熱段A2，且熱交換腔體720連接立體環形結構710中金屬管件之相對的第一端E1與第二端E2，其中立體環形結構720可利用如第2圖所示的立體環形結構220的排列方式，而熱交換腔體720可運用如第2圖至第8圖的熱交換腔體。
第11圖為本發明的立體脈衝式熱管又一實施例的示意圖。第11圖的立體脈衝式熱管800與第1圖的立體脈衝式熱管100至少差異在於：立體脈衝式熱管800為多個熱源52、54，以第11圖為例，熱交換腔體820連接立體環形結構810中金屬管件之相對的第一端E1與第二端E2，並相鄰一熱源54，其中立體環形結構820可利用如第2圖所示的立體環形結構220的排列方式，而熱交換腔體820可運用如第2圖至第8圖的熱交換腔體。當然，在其他實施例中，亦可在另一熱源52上再增設另一個熱交換腔體。
第12圖為本發明的立體脈衝式熱管再一實施例的示意圖。第12圖的立體脈衝式熱管900與第1圖的立體脈衝式熱管100至少差異在於：立體脈衝式熱管900為具有雙模組型態，其具有兩個立體環形結構910A、910B以及與其對應連接之熱交換腔體930、920。立體環形結構910A、910B可利用如第2圖所示的立體環形結構220的排列方式，而熱交換腔體920、930可運用如第2圖至第8圖的熱交換腔體。熱交換腔體930位於立體環形結構910A的受熱段A21，熱交換腔體920位於立體環形結構910B的受熱段A22，如此使得熱源50的上、下方均具有熱交換腔體920、930，來藉此更加提升熱傳量。
綜上所述，在本發明的立體脈衝式熱管中，在立體環形結構的受熱段連通熱交換腔體，熱交換腔體連接立體環形結構中金屬管件之相對兩端，以使熱交換腔體及立體環形結構共同形成單一封閉迴路，如此使得原本只有在受熱段對應的金屬管件的熱交換面積提升，熱交換腔體會讓更多的工作流體在受熱段被加熱，換言之，雖然在受熱段的加熱面積是相同的，但藉由熱交換腔體卻是提升整體立體脈衝式熱管之單位面積熱傳量以及熱交換能力。
再者，本發明能藉由在熱交換腔體之內所設置的熱傳結構來再次強化提升熱通量。
另外，本發明更可藉由不同熱傳結構的排列、形狀或寬度，來造成進、出口的壓力差，抗重力效果提升，如此可以讓工作流體產生非均勻流動阻力，使得立體脈衝式熱管可在正角度下操作，亦可於水平或負角度的狀態下操作時，仍可持續性的作動，達到導熱的作用，進而對熱源進行散熱。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
50,52,54:熱源 60:冷源 100,200,600,700,800,900:立體脈衝式熱管 110,210,610,710,810,910A,910B:立體環形結構 120,220,620,720,820,920,930:熱交換腔體 212,214,214A,214B,214C:金屬管件 216:充填管件 222:蓋體 224,324,424,524:容置槽 324A:側壁 324B:底壁 324C,424D,424E:凸柱 524F,524G:凸出肋條 A1:冷凝段 A2,A21,A22:受熱段 A3,A4:絕熱段 C:中心軸 L1,L3:流出方向 L2,L4:流入方向 E1:第一端 E2:第二端 S1,S2:流道 P1:熱傳導路徑 T1:第一端部 T2:第二端部
第1圖為本發明的立體脈衝式熱管的示意圖。 第2圖為本發明的立體脈衝式熱管一具體實施例的示意圖。 第3圖為第2圖中的熱交換腔體與局部金屬管件連接的俯視示意圖。 第4圖為第2圖中的熱交換腔體與局部金屬管件連接的側視示意圖。 第5圖為本發明的熱交換腔體與金屬管件一實施例熱交換過程的示意圖。 第6圖為本發明的熱交換腔體中熱傳結構一實施例的示意圖。 第7圖為本發明的熱交換腔體中熱傳結構另一實施例的示意圖。 第8圖為本發明的熱交換腔體中熱傳結構又一實施例的示意圖。 第9圖為本發明的立體脈衝式熱管一實施例的示意圖。 第10圖為本發明的立體脈衝式熱管另一實施例的示意圖。 第11圖為本發明的立體脈衝式熱管又一實施例的示意圖。 第12圖為本發明的立體脈衝式熱管再一實施例的示意圖。
50:熱源
60:冷源
100:立體脈衝式熱管
110:立體環形結構
120:熱交換腔體
A1:冷凝段
A2:受熱段
A3,A4:絕熱段
C:中心軸
E1:第一端
E2:第二端

Claims (18)

  1. 一種立體脈衝式熱管，包括： 一立體環形結構，係由至少一金屬管件繞一中心軸環繞並沿著該中心軸的延伸方向堆疊而形成，且該立體環形結構之相對二側分別設置一受熱段與一冷凝段；以及 一熱交換腔體，位於該受熱段，該至少一金屬管件之兩端連通至該熱交換腔體之內部。
  2. 如請求項1所述的立體脈衝式熱管，其中該熱交換腔體包括一蓋體、一容置槽以及至少一熱傳結構，該容置槽具有一第一端部與一第二端部，各該熱傳結構係凸出於該容置槽，該蓋體蓋住於該容置槽。
  3. 如請求項2所述的立體脈衝式熱管，其中各該熱傳結構係為一凸柱，各該凸柱排列設置於該容置槽。
  4. 如請求項3所述的立體脈衝式熱管，其中鄰近該第一端部的該些凸柱之間的間距不同於鄰近該第二端部的該些凸柱之間的間距。
  5. 如請求項3所述的立體脈衝式熱管，其中鄰近該第一端部的該些凸柱的長度不同於鄰近該第二端部的該些凸柱的長度。
  6. 如請求項3所述的立體脈衝式熱管，其中各該凸柱之間的間隔相同。
  7. 如請求項3所述的立體脈衝式熱管，其中各該凸柱之間的間隔不同。
  8. 如請求項2所述的立體脈衝式熱管，其中各該熱傳結構係為一凸出肋條，各該凸出肋條連接形成至少一流道。
  9. 如請求項8所述的立體脈衝式熱管，其中該第一端部與該第二端部之間的該些凸出肋條之寬度不同。
  10. 如請求項8所述的立體脈衝式熱管，其中該第一端部與該第二端部之間的該些凸出肋條之寬度相同。
  11. 如請求項1所述的立體脈衝式熱管，更包括： 一充填管件，連通於該立體環形結構。
  12. 如請求項1所述的立體脈衝式熱管，其中該立體環形結構在該受熱段及該冷凝段之間具有兩個絕熱段。
  13. 如請求項1所述的立體脈衝式熱管，其中該立體環形結構是對稱性結構或非對稱性結構。
  14. 如請求項1所述的立體脈衝式熱管，其中各該金屬管件的管徑為1.0公釐至5.0公釐。
  15. 如請求項1所述的立體脈衝式熱管，其中各該金屬管件內填充一工作流體，該工作流體於該金屬管件內的填充率為30%至80%。
  16. 如請求項1所述的立體脈衝式熱管，其中該立體環形結構呈矩形、梯形或三角形。
  17. 如請求項1所述的立體脈衝式熱管，其中該受熱段的長度與該冷凝段的長度相同。
  18. 如請求項1所述的立體脈衝式熱管，其中該受熱段的長度與該冷凝段的長度相異。
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