TWI330250B - Heat pipe and methode of making the same - Google Patents

Description

1330250 _，— 099年07月05日核i替换頁 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 [0001] 本發明涉及一種熱管及其製備方法，特別涉及一種絲網 吸液芯型熱管及其製備方法。 【先前技術】 [0002] 近年來電子技術迅速發展，電子元件之高頻、高速以及 積體電路之密集及微型化，使得單位容積電子元件發熱 量劇增。習知之散熱方式包括散熱鰭片、熱管及導熱介 面等方式。如何提高散熱效率以解決電子元件所發出之 彳 熱能，防止因積體電路密集度增加而產生之高熱高溫造 成電子元件之損壞，成為當令續键^常題^'二_ :心乂 •落：蒙 [0003] 熱管係依靠自身内部工作流备湘等#•之導熱元件 ，其具有高導熱性、優良等溫性等特性，導熱效果好， 應用廣泛。且，熱管技術以其高效、緊凑以及靈活可靠 等特點，適合解决目前電子元件因性能提升所衍生之散 熱問題。 ; c -' - ( [0004] 典型熱管由管殼、吸液芯（毛細绪構）以及密封於所述管 殼内之工作流體組成。熱管之製作通常係先將管内抽成 真空後充以適當工作流體，使緊貼管殼内壁之吸液芯中 充滿工作流體後加以密封》熱管之一端爲蒸發端（加熱 端），另一端爲冷凝端（冷却端），根據應用需要可於蒸 發端與冷凝端之間設置絕熱段。當熱管蒸發端受熱時吸 液芯中工作流體蒸發汽化形成蒸汽，蒸汽在微小壓力差 作用下流向熱管之冷凝端，凝結成工作流體並放出熱量 ，工作流體再靠吸液芯之毛細作用流回蒸發端。如此循 094112040 表單編號A0101 第4頁/共16頁 0993237399-0 099年07月05日按正替换頁 1330250 環之結果係：熱量由熱管之蒸發端不斷地傳至冷凝端.， 並被位於冷凝端另一端之冷源吸收。 [0005] 熱管在實現上述之導熱過程中，主要包含以下六個相互 關聯之過程： [0006] (1)熱量從熱源藉由熱管管殼和充滿工作流體之吸液芯傳 遞給工作流體； [0007] (2)工作流體於蒸發端内液-氣分界面上蒸發；

[0008] (3)蒸汽從蒸發端流到冷凝端； [0009] (4)蒸汽於冷凝端内氣-液分本面上凝結； [0010] (5)熱量從氣-液分界面藉由吸液迖、工作流體及管殼傳 給冷源； [0011] (6)藉由吸液芯之毛細作用使冷凝後之液態工作流體回流 到蒸發端。 [0012] 從上述過程（1) 、（5)以及（6)中看出，吸液芯在導熱 過程中起到重要作用。 [0013] 先前技術中熱管之吸液芯通常係於管殼内壁上形成三角 形、方形或圓形等幾何圖案，或於管中添塞網狀金屬， 或將粉末金屬燒結於管殼内壁上。 [0014] 惟，上述吸液芯結構存在毛細極限現象（Wicki ng Lim-it)，阻礙熱量的傳導。即，熱管内因為吸液芯之毛細 吸力作用，於吸液芯内所含的液體中造成壓力差，此壓 力差能使冷凝部份的液體流回蒸發部份；熱管開始傳熱 094112040 表單編號A0101 第5頁/共16頁 0993237399-0 1330250 _. 099年07月05日梭i替換頁 後，工作流體於其管殼内開始循環流動，如果吸液芯内 的液體流動所造成之壓力差大於毛細吸力所能承受之壓 力差，則冷凝部份之工作流體無法流回蒸發部份，此時 蒸發部份之吸液芯由於工作流體無法到達而變得乾燥 (Dryout);這些乾燥的吸液芯不僅使工作流體無法循環 ，進一步阻礙熱的傳導。 [0015] 故，提供一種毛細吸力大、導熱效率高之熱管實為必要

【發明内容】 [0016] 以下，将以实施例说明一種毛細吸力大、導熱效率高之 熱管及其製備方法。 ~ f"' ·' 纏I 義^^穴.J,: [0017] 爲實現上述内容，提供一種熱管，其包括'一中空管殼、 緊貼管殼内壁之吸液芯以及充滿該吸液芯並密封於管殼 内之工作流體。其中，所述吸液芯包括導熱絲網、設於 該導熱絲網上之導熱顆粒及設於該導熱顆粒上之導熱纖 維。該導熱顆粒之粒徑為微米級，該導熱纖維之直徑為 奈米級。 [0018] 以及，提供上述熱管之製備方法，其包括：（1)提供一中 空管殼；（2)製備一具有導熱顆粒之導熱絲網，於該導熱 顆粒上形成導熱纖維，形成吸液芯；（3)將該吸液芯卷曲 塞入所述管殼；（4)使該吸液芯内充滿工作流體後將所述 管殼加以密封。該導熱顆粒之粒徑為微米級，該導熱纖 維之直徑為奈米級。 [0019] 與先前技術相比，本技术方案所提供之熱管吸液芯包括 094112040 表單編號Α0101 第6頁/共16頁 0993237399-0 1330250 099年07月05日核正替換百 微米級導熱顆粒及奈米級導熱纖維，可提高吸液芯之致 密性，增大毛細吸力，加快工作流體之傳遞速度，提高 熱管散熱效率，且可防止先前技術中毛細極限現象之產 生；另外，所述導熱顆粒採用微米級構造及導熱纖維採 用奈米級構造，可增加吸液芯之表面積，進一步提高熱 管之散熱效率。 【實施方式】

[0020] 如第一圖所示，本實施例所提供之熱管1包括管殼10、毛 細結構吸液芯20以及工作流體30，其一端為蒸發端40， 另一端為冷凝端50。如第二圖所示，吸液芯20包括導熱 絲網21、設於導熱絲網21上冬導熱顆轸2〗及設於導熱顆 粒22上之導熱纖維23。該導熱顆粒之粒徑為Λ微米級，該 • - * ·' 導熱纖維之直徑為奈米級。 ：:i [0021] 當熱管1之蒸發端40受熱時，吸液芯20中工作流體30蒸發 汽化形成蒸汽，蒸汽於微小壓力差作用下流向熱管1之冷 凝端50，於該端凝結成液態工作流體30並放出熱量，液 . .. % 態工作流體30再靠吸液芯20之毛細作角流回蒸發端40。 如此反復循環，熱量由熱管1之蒸發端40不斷地傳至冷凝 端50，並被位於冷凝端50另一端之冷源（圖未示）吸收。 [0022] 本實施例所提供之熱管吸液芯20包括微米級導熱顆粒22 及奈米級導熱纖維23，可提高吸液芯20之致密性，增大 吸液芯20對工作流體30之毛細吸力，加快工作流體30之 傳遞速度，提高熱管1之散熱效率，並可防止毛細極限現 象之產生；另外，於導熱顆粒22採用微米級構造及導熱 纖維23採用奈米級構造，可增加吸液芯20之表面積，進 094112040 表單編號A0101 第7頁/共16頁 0993237399-0 1330250 099年07月05日核i替換頁 一步提高熱管1之散熱效率。 [0023] 請參閱第三圖，本實施例所提供之熱管1之製備方法，包 括下述步驟： [0024] 步驟100 :提供一中空管殼10。管殼10包括基材及添加於 該基材内之奈米碳材。根據需要不同，所述基材可選自 如銅、銘、鋼、碳鋼、不銹鋼、鐵、鎳' 鈦等金屬及其 中兩種或以上金屬形成之合金、或如PASC、石夕橡膠等高 分子材料。所述奈米碳材包括中空奈米碳管、中空奈米 碳球以及内包覆高熱傳導材料之奈米碳管或奈米碳球中 任意一種或多種之組合，其^熟.傳.fi#料可選自銅

紹、金、銀或其中兩種或

金。 [0025] 画義'讀 A . ”冲 管殼10徑向截面可以爲標準u形，也可饮篇異型，如橢 圓形、正方形、矩形、三角形等。管徑爲2毫米〜200毫米 ，管長可從幾毫米至數十米。 [0026] 本實施例中，管殼10之基材爲添加有Ψ空奈米碳管之銅 ，成型爲圓柱形管，管徑爲4毫米，長50毫米。

[0027] 步驟200 :製備一具有導熱顆粒22之導熱絲網21，於導熱 顆粒22上形成導熱纖維23，形成吸液芯20。其具體製作 過程如下： [0028] 首先，於市場購置定型網目數之導熱絲網21，其材料根 據熱管工作流體3 0之相容性來選定，可選自銅、鋁、鋼 、碳鋼、不錄鋼、鐵、鎳、鈦等金屬及其中兩種或以上 金屬形成之合金、或如PASC、矽橡膠等高分子材料。本 實施方式中選用銅絲網。該銅絲網之網孔優選微米級。 094112040 表單編號A0101 第8頁/共16頁 0993237399-0 1330250 . [0029] 099年07月05日修正替換頁 其次，於導熱絲網21上形成導熱顆粒22。導熱顆粒22之 材料選自銅、銘、鋼、碳鋼、不銹鋼、鐵、錄、鈦等金 屬氧化物及其t兩種或以上金屬形成之合金氧化物。本 實施例中選用銅顆粒。於銅絲網上均勻分散銅顆粒，該 銅顆粒尺寸為微米級；將分散所述有銅顆粒之銅絲網送 入加熱爐，於氫氣保護下燒結約半小時，燒結溫度爲810 °C~880°C ;將所述銅絲網從加熱爐中取出冷却後，再次 放入加熱爐中燒結約1小時。 [0030] 最後，控制生長溫度及氧氣分壓，利用銅元素之自我催 化機制及朝材料優選方向成長以降低活化能之性質，於 銅絲網之銅顆粒上製得規則4#列^氧也銅纖維，從而獲 ^ f !. , 得吸液芯20。該氧化銅纖維根，據^導’1熱顆粒22之材料不 -,irXv. 、 同，可由導熱顆粒22之氧化物纖維取代。導熱纖維2 3直 徑為奈米級，優選0. 1〜1 OOnm。 [0031] 步驟300 :卷曲吸液芯20將其塞人管殼21.内。如果吸液芯 ....Γ - * , "· 广；..1 21貼合管殼22内壁不均勻，特別於蒸發端將出現局部過 熱而導致熱管之損壞，故，可通過機械牽引等方式使吸 ； ' t,- - + 液芯20緊貼管殼21内壁。 [0032] 步驟400 :使該吸液芯20内充滿工作流體30後將管殼1加 以密封。工作流體30可選用純水、氨水、甲醇、丙酮或 庚烷等液體，亦可於該液體中添加導熱材料之微粒，如 銅粉、奈米碳材等，以增加工作流體之導熱性能。本實 施方式采用純水作爲工作流體。 [0033] 综上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提 094112040 表單编號A0101 第9頁/共16頁 0993237399-0 1330250 [0034] [0035] [0036] [0037] [0038] [0039] [0040] [0041] [0042] [0043] [0044] [0045] 099年07月05日梭ϊέ替换頁 出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例 ，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡熟悉本案 技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化， 皆應涵蓋於以下申請專利範圍内。 【圖式簡單說明】 第一圖係本發明之熱管結構及其工作原理示意圖。 第二圖係本發明之吸液芯結構示意圖。 第三圖係本發明之熱管製備方法之流程圖。 【主要元件符號說明】 熱管：1 'i " .· ' 輝考讀分>. 管殼：10 々..，、< ·· 吸液芯：20 導熱絲網：21 導熱顆粒：22 導熱纖維：23 工作流體：30 蒸發端：40 冷凝端：50

094112040 表單編號Α0101 第10頁/共16頁 0993237399-0

Claims (1)

1330250 . -- 099年07月05日修正替换頁 七、申請專利範圍·· 1 . 一種熱管，其包括： 一中空之管殼； 一緊貼於管殼内壁上之吸液芯；以及 密封於管殼内之工作流體； 其改良在於，該吸液芯包括緊貼於管殼内壁上之導熱絲網 、設於該導熱絲網上之導熱顆粒及設於該導熱顆粒上之導 熱纖維，所述導熱顆粒的粒徑為微米級，所述導熱纖維之 ^ 直徑為奈米級。 2 .如申請專利範圍第1項所述之熱管，其中，所述導熱絲網 之材料係與該工作流體兼容‘之金.屬:、合金或高分子材料。 { … <，- 3 .如申請專利範圍第2項所述之熱鲁:.，其中：，所述導熱顆粒 之材料係與該工作流體兼容之金S或合金1。 4.如申請專利範圍第3項所述之熱管，其中，所述導熱纖維 之材料係與該工作流體兼容之金屬或合金之氧化物。 5 .如申請專利範圍第1項所述之熱嗜？其中，所述管殼徑向 Φ 截面包括標準圓形、橢圓形、正方形 '矩形或三角形。 6. 如申請專利範圍第1項所述之熱管，其中，所述管殼包括 基材及添加於該基材内之奈求碳材。 7. 如申請專利範圍第6項所述之熱管，其中，所述基材可選 自金屬、合金或高分子材料。 8. 如申請專利範圍第6項所述之熱管，其中，所述奈米碳材 包括中空奈米碳管、中空奈米碳球以及内包覆高熱傳導材 料之奈米碳管或奈米碳球中任意一種或多種之組合。 9. 如申請專利範圍第8項所述之熱管，其中，所述高熱傳導 094112040 表單編號A0101 第11頁/共16頁 0993237399-0 1099年〇7月〇5日修主替换頁I 材料可選自金屬或合金。 10 如申請專利範圍第1項所述之熱管，其中，所述工作流體 包括純水、氨水、甲醇、丙酮或庚烧。 11 12 如申請專利範圍第10項所述之熱管，其中，所述工作流體 進—步包括懸浮於液態工作流體中的導熱微粒。 如申請專利範圍第11項所述之熱管’其中，所述導熱微粒 包括銅粉、奈米碳材。 13 一種熱管之製備方法，包括下述步驟： 提供一中空管殼； 〇94112〇4〇 14 15 16 17 18 製備一具有導熱顆粒< 導熱绦網，並於葬導熱顆粒上形成 導熱纖維’以形成吸液芯，Λ 卸^徑為微米級 ’所述導熱纖維之直徑為奈米;級： 將該吸液芯卷曲塞入所述管殼；

使該吸液芯内充滿工作流體後將所述管殼加以密封。 如申請專利範圍第13項所述之熱管之製備方法，其中，所 述導熱纖維可藉由自我催-法_條J 如申請專利範圍第13項所述之熱铲之備方法，其中，所 述導熱絲網之材料係與該2作蠢容之金屬、合金或高 分子材料。 如申請專利範圍第13項所述之熱管之製備方法，其中，所 述導熱顆粒之材料係與該工作流體兼容之金屬或合金。 如申請專利範圍第13項所述之熱管之製備方法，其中，所 述導熱纖維之材料係與該工作流體兼容之金屬或合金之氧 化物。 如申請專利範圍第13項所述之熱管之製備方法，其中，所 述管殼徑向截面包括標準圓形、橢圓形、正方形、矩形或 表單編號A0101 第12頁/共16頁 0993237399-0

1330250 . _ 099年07月05日修正替換百 三角形。 19.如申請專利範圍第13項所述之熱管之製備方法，其中，所 述管殼包括基材及添加於該基材内之奈米碳材。 20 .如申請專利範圍第19項所述之熱管之製備方法，其中，所 述基材可選自金屬、合金或高分子材料。 ' 21 .如申請專利範圍第19項所述之熱管之製備方法，其中，所 述奈米碳材包括中空奈米碳管、中空奈米碳球以及内包覆 高熱傳導材料之奈米碳管或奈米碳球中任意一種或多種之 • 組合。 22 .如申請專利範圍第21項所述之熱管之製備方法，其中，所 述高熱傳導材料可選自金廢〃或合‘食Θ:广； s^.V<· , , " * 23 .如申請專利範圍第13項所述&熱.:覽製喁方.>i，其申，所 *v:"广,, 述工作流體包括純水、氨水、甲I醇丙酹或庚烷。 24 .如申請專利範圍第23項所述之熱管之製備方法，其中，所 述工作流體進一步包括懸浮於液態工作流體中的導熱微粒 φ 25 .如申請專利範圍第24項所述之熱管之製備方法，其中，所 述導熱微粒包括銅粉、奈米碳材。 094112040 表單編號A0101 第13頁/共16頁 0993237399-0