TWI425178B - A Closed Groove Heat Pipe Capillary Structure - Google Patents

Description

一種交錯溝槽式熱管毛細結構

本發明係一種「溝槽式熱管」的技術領域，尤指一種「毛細溝槽肋採交錯式設計」的熱管結構。

輕、薄、短、小為目前電子產品之發展重點，在高效能之要求下，電子元件之散熱問題日益嚴重，而「熱管」為常見之高效能熱傳元件。傳統熱管管體內壁皆設有毛細組織，常見之毛細組織包含「編織網」、「燒結粉末」或「微溝槽」等。其中，微溝槽式毛細組織為一體成型，因此不會有高溫造成毛細組織與熱管管壁脫離之顧慮。就熱管內部毛細力而言，提供熱管內部流體由冷凝端返回蒸發端之最大毛細壓差可定義為：(△P _c ) _max =2 σ/r _eff 。其中σ為流體表面張力；r _eff 為等效毛細半徑。亦即，等效毛細半徑愈小，可提供的毛細壓差就愈大，熱管最大熱傳量亦隨之增加。但若毛細半徑達到數十μm甚至更小的數量級，則尚須考慮液體滲透度與毛細力的最佳化關係。以下列出創作者於實作上採用「鋁-丙酮板式熱管」所獲得不同毛細溝槽寬度的熱管性能比較：

由上可知，縮小毛細溝槽寬度確可有效提升熱管最大熱傳量。但在一般金屬機械加工，通常深寬比大於一的矩形溝槽，其加工極限約為寬度300μm，此時毛細力仍是影響熱管性能的主要參數，若要更進一步縮小其尺寸，所 付出的加工成本也勢必大幅提升。

以下茲就三種習用熱管結構作一比較及說明：

1.如第一圖所示，為台灣專利申請第91136383號之「溝槽式熱管及其製程」，主要是以沖壓的方式，於一基片平面11形成多數沿其長度方向延伸且不間斷的溝槽12，再依需求的外形，模塑該基片，並接合封裝該基片，形成多數封閉的流道。傳統溝槽式熱管其製程較為單純且可達到一體成型的目的，但溝槽寬度過寬、毛細力不若燒結式熱管為其缺點。

2.如第二圖所示，為台灣專利申請第94114032熱號之「熱傳元件之複合式毛細結構」，係於腔體13之內表面以燒結粉粒14與表面凹凸狀微結構或網狀結構15複合成型，以使得毛細結構具有更高的等效熱傳導與較低的熱阻值，但如此製程複雜度將大為提高。

3.如第三圖所示，為美國專利證號US 6,951,243 B2之「Axially Tapered and Bilayer Microchannels for Evaporative Cooling Devices」，係利用流體入口至出口寬度漸縮之流道設計提升毛細力。此設計仍須考量實際製作上的困難與加工限制。

由此可知，採用溝槽式熱管時，需考慮兩個問題：一、微溝槽所提供的毛細力必須足夠，在實際應用面可能尚需考量重力效應的影響；二、熱管製程需單純化以降低製造成本。本發明針對上述問題，提出創新溝槽式毛細結構以解決溝槽式熱管所面臨的問題。

本創作之目的係提供一種創新毛細溝槽肋交錯設計之熱管，具有易於加工、製程單純化、大幅提升熱管毛細力及最大熱傳量，達成良好導熱效果之溝槽式熱管。

本創作之熱管主體包括第一基板及第二基板。該主體為一個密閉且具有適當真空度的高導熱性容器，內部具有液氣相變化的工作流體及溝槽式毛細結構。其中，該第一基板與第二基板設有複數個溝槽肋，第一基板之溝槽肋與第二基板之溝槽肋相互交錯排列，且溝槽肋延伸入對向基板溝槽，但並不與對向溝槽或基板貼合，其交錯形成之空間為熱管內工作流體之通道。該熱管主體之上方或下方則設有熱源區，該熱源區可供連接電子產品之發熱體。

與現有技術相比，本創作熱管第一基板與第二基板上之溝槽肋相互延伸交錯排列，可以在不更動製程的條件下有效提升熱管毛細力，進而增加熱管最大熱傳量，達成極佳的導熱效果。

為使審查委員清楚了解本發明之詳細流程及技術內容，本發明人將配合以下之圖式及詳細之解說，以求審查委員清楚了解本發明之精神所在：

如第四圖所示，為本發明第一實施例之剖面圖，本發明之熱管主體100為一密封且內部具有適當真空度的容器，該容器為導熱性佳之材料所構成，例如銅、鋁或其他材料，該主體100內充填適量且與該主體100結構匹配之工作流體，該工作流體為易於液氣相變化的流體，例如純水、氨水或為有機溶劑如甲醇、丙酮或其他各種溶液，以利沸騰熱傳的進行。該主體100外部連接一熱源區，該熱源區可位於該主體100外部之任何位置。另，該主體100包括第一基板102與第二基板104，該第一基板102與第二基板104設有毛細溝槽肋106，該毛細溝槽肋106可由擠製、鍛造、冲壓或 銑床等加工方式成型。本發明特殊之處在於第一基板102與第二基板104之毛細溝槽肋106採相互交錯式設計，毛細溝槽肋106延伸入對向基板寬型流體通道108，但並不與對向溝槽或基板接合，藉以形成窄型流體通道110，因而達到增強毛細力之效果。該毛細溝槽肋106之構型、大小及交錯之區域是依欲達到的效果而定，並不以此為限。

本發明係利用熱源區所產生之熱直接傳導至該主體100，與分佈於該主體100內的工作流體進行熱交換，工作流體受熱沸騰後，上方寬型流體通道108為蒸氣流體通道，而具較強毛細力之窄型流體通道110以及因重力作用而使部分液體往下流至下方寬型流體通道108，此二者合稱液體流體通道，如此循環運作，乃能獲得均熱的效果及良好的散熱需求。

在上述實施中，該熱管毛細溝槽肋106為均勻且置中交錯齒合，但實際應用可能因效能、製程或成本需求而採其他交錯方式，如第五A、B圖所示，為本發明第二種實施例。在本實施例中該毛細溝槽肋106交錯的相對位置視實際加工精度可為置中交錯、向左偏移或向右偏移其中任一型態者，如第五A圖所示。另外，該毛細溝槽肋106亦可為均勻交錯齒合或非均勻交錯齒合，如第五B圖所示。意即，因製程所造成之毛細溝槽肋106之橫向偏差或加工精度誤差並不會影響該毛細溝槽肋106交錯排列所欲達成之最主要目的，如此可提升熱管製程彈性。

本發明第三種實施例如第六A、B圖所示，在本實施例中，該毛細溝槽肋106交錯方式可為溝槽肋高密度交錯112及溝槽肋低密度交錯114。溝槽肋高密度交錯112的擺放位置可依實際需求置於熱源區正上方，其餘區域 採用溝槽肋低密度交錯114或溝槽肋無交錯116任一型態者，如第六圖A、B所示。如此本發明之熱管更能符合實際應用需求。

綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，並非限定本發明實施例之範圍。亦即凡依本發明申請專利範圍所作的均等變化及修飾，皆為本發明之專利範圍所涵蓋。

11‧‧‧基片平面

12‧‧‧溝槽

13‧‧‧熱管腔體

14‧‧‧燒結粉粒

15‧‧‧凹凸狀微結構或網狀結構

100‧‧‧熱管主體

102‧‧‧第一基板

104‧‧‧第二基板

106‧‧‧毛細溝槽肋

108‧‧‧寬型流體通道

110‧‧‧窄型流體通道

112‧‧‧溝槽肋高密度交錯

114‧‧‧溝槽肋低密度交錯

116‧‧‧溝槽肋無交錯

第一圖為台灣專利申請第91136383號之結構示意圖；第二圖為台灣專利申請第94114032號之結構示意圖；第三圖為美國專利證號US 6,951,243 B2之結構示意圖；第四圖為本發明第一實施例之剖面圖；第五A圖為本發明第二實施例之剖面圖，其中溝槽肋交錯方式可為置中、向左偏移或向右偏移任一型態者。

第五B圖為本發明第二實施例之剖面圖，其中溝槽肋交錯方式可為均勻齒合或非均勻齒合任一型態者。

第六A圖為本發明第三實施例之剖面圖，其中熱源正上方採溝槽肋高密度交錯，其餘區域採溝槽肋低密度交錯。

第六B圖為本發明第三實施例之剖面圖，其中熱源正上方採溝槽肋交錯設計，其餘區域採溝槽肋無交錯設計。

100‧‧‧熱管主體

102‧‧‧第一基板

104‧‧‧第二基板

106‧‧‧毛細溝槽肋

108‧‧‧寬型流體通道

110‧‧‧窄型流體通道

Claims (5)

1. 一種熱管，該熱管主體包括第一基板及第二基板，該主體為一個密閉且具有適當真空度的高導熱性容器，內部具有液氣相變化的工作流體及溝槽式毛細結構，其中，該第一基板與第二基板設有複數個溝槽肋，第一基板之溝槽肋與第二基板之溝槽肋相互交錯排列，且溝槽肋延伸入對向基板溝槽，但並不與對向溝槽或基板貼合，其交錯形成之空間為熱管內工作流體之通道，該熱管主體之上方或下方則設有熱源區，該熱源區可供連接電子產品之發熱體。
2. 如申請專利範圍第1項所述之熱管，其中該溝槽肋之幾何構型係為多邊形、圓弧形任一型態者。
3. 如申請專利範圍第1項所述之熱管，其中該溝槽肋相互交錯方式係為置中交錯、向左偏移、向右偏移任一型態者。
4. 如申請專利範圍第1項所述之熱管，其中該溝槽肋相互交錯方式係為均勻齒合交錯、非均勻齒合交錯任一型態者。
5. 如申請專利範圍第1項所述之熱管，該熱管位於發熱體正上方之內部結構係為溝槽肋高密度交錯，其餘區域則為溝槽肋低密度交錯、溝槽肋無交錯任一型態者。