TWI547327B - An ultra - thin heat pipe and its manufacturing method - Google Patents

Description

一種超薄熱管及其製造方法

本發明係有關一種熱管，特別是一種超薄熱管及其製造方法。

熱管因其超高的導熱效率，被廣泛應用於各種需要良好散熱的領域。常規的熱管結構，主要為一密閉的金屬管，在管內設置有毛細結構，並注有適量的工作液，在配合蒸發端使用時，蒸發端熱量傳遞于熱管一端，管內工作液吸熱而汽化，蒸汽在壓差作用下，高速流向另一端，向冷凝端放出熱量而凝結，凝結液體在毛細作用下，利用毛細構造從冷凝端返回至蒸發端，如此循環，就把熱量高效迅速的從蒸發端傳至冷凝端，達到快速熱交換的目的。

由於過去使用的銅管+銅絲網的效果不佳，銅絲網不易緊貼在銅管管壁，因此多以彈簧圈強迫銅絲網貼住銅管管壁上(如JP2012-2417)或者以銅管(含溝槽)+銅絲網+銅粉燒結(如CN1815131A或US2006/0196641A)，由於都是銅絲網貼滿銅管管壁，因此不容易形成高功率的超薄熱管，而使用銅粉燒結形成超薄熱管的前案(如CN101581548A及 CN102538528A)其所形成的熱管在現在的平板電腦極其嚴格的規格要求下(熱管的厚度0.6-1.0mm，並且傳導功率不得減小)，過去筆記本電腦所適用規格的超薄熱管都已經無法適用，因此必須使用新的結構及製程才能達成越來越嚴苛的客戶要求。

為了克服現有技術的不足，本發明提供一種在保證或提高散熱效果的前提下，厚度更薄的超薄熱管。

本發明還提供一種該超薄熱管的製造工藝。

本發明解決其技術問題所採用的技術方案是：一種超薄熱管，其特徵在於：包括一扁狀管體，該扁狀管體具有對稱於左、右側的兩壓縮部及對稱於上、下側的兩平整部；所述管體兩端密封，該密封的兩端配合管體的壁面形成一密閉內腔，密閉內腔內填充有工作液；所述密閉內腔內壓縮部內表面沿管體軸向設置有複數個溝槽，形成兩組對稱的第一溝槽部；所述密閉內腔內平整部內表面沿管體軸向設置有複數個溝槽，形成兩組對稱的第二溝槽部；並且所述第一溝槽部的溝槽密度小於第二溝槽部的溝 槽密度；作為進一步的改進，所述金屬網上分佈有金屬顆粒，且該金屬顆粒與金屬網燒結在一起。

作為另一實例的結構，所述扁狀管體包括蒸發端及冷凝端，所述第一溝槽部及第二溝槽部均位於冷凝端，所述平整部位於蒸發端的部分的內表面設有粉末燒結部。

作為上述的改進，金屬網延伸至所述蒸發端形成一延伸段，所述粉末燒結部與該延伸段燒結在一起。

一種超薄熱管的製造方法，其特徵在於：包括以下步驟：步驟1：材料準備：準備具有預定尺寸和規格的金屬圓管及金屬網；步驟2：拉伸溝槽：採用模具，在金屬圓管內壁拉出軸向延伸的第二溝槽部，該第二溝槽部分兩組並以圓管軸心呈相互對稱；步驟3：探傷及測厚：檢查金屬管壁是否存在傷痕，並檢測金屬管壁厚度是否合格，剔除不良品；步驟4：裁切：將金屬圓管裁切為預定長度；步驟5：清洗金屬圓管；步驟6：縮口一：對金屬圓管的第一端進行縮口： 步驟7：塞網，將裁切到預定尺寸並清洗後的金屬網使用第一中心棒輔助塞入金屬圓管內，且金屬網的位置要與第二溝槽部分位置對應；步驟8：插棒，從金屬圓管的第二端插入第二中心棒，以將金屬網壓附於第二溝槽部上；步驟9：燒結：對金屬圓管進行燒結以使金屬網與第二溝槽部結合在一起，之後拔出第一中心棒和第二中心棒，燒結溫度為900℃-950℃，燒結時間為4-6小時；步驟10：縮口二：對金屬圓管的第二端進行縮口：步驟11：密封一：對金屬圓管的第二端進行密封；步驟12：退火：將金屬圓管放入退火爐中進行退火；步驟13：注液真空：從金屬圓管的第一端向金屬圓管內注入工作液，並對管內抽真空；步驟14：密封二：對金屬圓管的第一端進行密封：步驟15：壓扁：將金屬圓管壓扁，使金屬圓管形成具有分別對稱的壓縮部和平整部的扁狀管，並保證平整部的位置對應於管內的第二溝槽部；步驟16：測試，對成品的超薄熱管進行測試。

所述第一中心棒包括兩弧形棒，該弧形棒包括一圓弧面，所 述金屬網通過該圓弧面的擠壓能夠完全緊密貼附於第二溝槽部上；所述第二中心棒為一扁平棒。

所述步驟12具體包括以下步驟：步驟12.1，將金屬圓管放入退火爐中，在退火爐的爐溫達到600℃之前，於退火爐中充入氮氣，持續時間為40-45分鐘；步驟12.2，在退火爐的爐溫達到600℃-750℃時，於退火爐中充入氮氣和氫氣的混合氣，持續時間為40-45分鐘；步驟12.3，退火爐的爐溫再冷卻到室溫，冷卻的同時充入氮氣。

其中所述步驟2的拉伸溝槽中，還採用模具在金屬圓管內壁拉出軸向延伸的第一溝槽部，該第一溝槽部分兩組並以圓管軸心呈相互對稱，其中該第一溝槽部的溝槽密度小於第二溝槽部的溝槽密度。

所述步驟7還包括一金屬圓管的內部顯示過程：塞網前，在金屬圓管的縮口端處打一個光源，在金屬圓管的另一端設置攝像頭，從而將金屬圓管的內部結構顯示於顯示器上。

在步驟2與步驟7間還有步驟A：打磨，將位於金屬圓管的蒸發端的內表面上的第一及第二溝槽部磨平；在步驟8與步驟9間還有步驟B：填粉，於金屬圓管的蒸發 端的內表面與第一中心棒間填入金屬粉末。

所述金屬粉末所含的金屬顆粒的直徑要大於第二溝槽部中溝槽的寬度。

本發明的有益效果是：本發明提供了一種尺寸能夠做的足夠小，總厚度為0.6-1.0mm的超薄熱管，而且在厚度減小的同時亦能夠保證良好的導熱效率及穩定性，其功率能夠控制在25瓦以上，並提供了其配套的製造方法；本發明能夠適用於各種需要良好散熱但尺寸受限的領域的更高要求。

參照第1圖至第3圖，上述圖示所展示的是本發明的優選實施例之一，該實施例中超薄熱管主要包括扁狀管體1，該扁狀管體1由一銅圓管經壓制形成扁狀，從而形成對稱於左、右側的兩壓縮部11及對稱於上、下側的兩平整部12；管體兩端密封，該密封的兩端配合管體的壁面形成一密閉內腔，密閉內腔內填充有工作液，如水，酒精，冷卻劑或其他液體。

此外，在密閉內腔內還設有第一溝槽部13和第二溝槽部14，其中有第一溝槽部13位置對應於扁狀管體1外部的壓縮部11處，並由沿扁狀管體1的軸向延伸的複數個溝槽構成，在 銅圓管被壓扁時，第一溝槽部13可以對管壁起到支撐作用，並且能夠吸收部分管壁應變，從而能夠防止管壁太薄而在受壓時產生畸變，而第二溝槽部14位置對應扁裝管體外部的平整部12處，並由沿扁裝管體的軸向延伸的複數個溝槽構成(約30-80個)，第二溝槽部14上附著有長條型片狀金屬網2，而第一溝槽部13上則不布任何絲網，該金屬網2採用了銅網，且該金屬網2與第二溝槽部14的尖端經燒結而結合在一起，從而在保證毛細力不降低的情況下，金屬網2佔用的空間更小，不僅能夠使超薄熱管的總厚度降至0.6-1.0mm，而且能夠保證密閉內腔中的蒸汽通道的空間不減小甚至增加，提高了蒸汽通道內蒸汽的通過力，而第二溝槽部14有助於工作液的回流。

本實例中，該第一溝槽部13的溝槽密度小於第二溝槽部14的溝槽密度，如此在第一溝槽部13配合於壓縮部11部位的情況下，不會造成溝槽之間的相互擠壓或空隙過小。在超薄熱管的總厚度降至0.6-1.0mm時，為了能夠使超薄熱管內的結構更合理，不影響超薄熱管的散熱效率，第二溝槽部14的溝槽寬度小於或等於0.1mm，而溝槽高度為0.05-0.15mm，且為了使溝槽的毛細力達到最佳，第二溝槽部14的溝槽深 寬比值為0.5-2.0。

為了使金屬網2的毛細力達到最佳且超薄熱管的總厚度能夠控制在0.6-1.0mm，金屬網2網目數優選為250-500目，金屬網2中的金屬絲的直徑優選為0.02-0.05mm，金屬網2厚度優選為0.05-0.13mm，對稱的第二溝槽部14的尖端上附著的金屬網2優選1-4層，為了使超薄熱管的總厚度能夠控制在0.6-1.0mm且兼具一定的強度，扁狀管體1的壁厚(不含溝槽高度)為0.1-0.3mm。

本發明的超薄熱管的工作原理為，用於將發熱元件的熱量快速傳遞，其應用時，扁狀管體1的外壁某處，通常是平整部12處接觸發熱元件，接觸發熱元件的一端通常視為蒸發端，其餘部分為冷凝端，扁狀管體1的密閉內腔內的工作液受熱氣化，並在氣化的壓差下流通到密閉內腔的另一端，冷凝成液體並釋放出熱量，冷凝的液體在通過毛細力作用流回蒸發端。

如第4圖及第5圖所示，本發明的優選實施例之二，該實例與實施例之一大部分結構相同，不同之處在於：第一溝槽部13及第二溝槽部14均位於扁狀管體1的冷凝端，而扁狀管體1的蒸發端則沒有第一溝槽部13及第二溝槽部14，因而 也沒有附著金屬網2，而是在平整部12位於蒸發端處的內表面設置了粉末燒結部，該粉末燒結部的端部與金屬網2及第二溝槽部14燒結連接，該粉末燒結部採用銅粉燒結而成，因而，不僅增加了蒸發端對工作液的吸附力，而且蒸發端含水量更大，從而更有利於蒸發端對熱量的吸收，從而有利於提高熱傳遞效率。作為本實例更進一步的改進，金屬網2延伸至蒸發端形成一延伸段，粉末燒結部與該延伸段燒結在一起，因而，不僅增加了蒸發端對工作液的吸附力使蒸發端含水量更大，而且金屬網2所形成的毛細結構連續到蒸發端，有利於工作液的回流，從而更提高熱傳遞效率。

如第6圖至第12圖所示，為得到本發明實施例之一的超薄熱管，可採用製造工藝一製成：步驟1：材料準備：準備具有預定尺寸和規格的金屬圓管3及金屬網2；保證該金屬圓管3的直徑及壁厚和最終的超薄熱管適配；金屬網2的目數及厚度、金屬網2中的金屬絲的直徑符合要求，步驟2：拉伸溝槽：採用如第8圖所示的模具4，該模具4沿軸向開設有若干刀槽，通過模具4的刀槽41，在金屬圓管3內壁拉出軸向延伸的第二溝槽部14，該第二溝槽部14分 兩組並以金屬圓管3軸心呈相互對稱，其結構如第6圖所示；此外如第7圖所示，在優選方案中，可以加入第一溝槽部13，其同樣採用模具4上對應的刀槽42拉出，且同樣有沿軸向延伸的溝槽組成，並且其同樣分兩組並以金屬圓管3軸心呈相互對稱，需要保證的是，該第一溝槽部13的溝槽密度小於第二溝槽部14的溝槽密度；步驟3：探傷及測厚：檢查金屬管壁是否存在傷痕，並檢測金屬管壁厚度是否合格，剔除不良品；步驟4：裁切：將金屬圓管3裁切為預定長度；步驟5：清洗金屬圓管3；步驟6：縮口一：對金屬圓管3的第一端進行縮口：步驟7：塞網，將裁切到預定尺寸的並清洗後的金屬網2使用弧形棒5輔助塞入金屬圓管3內，本例中，金屬網2寬3mm，且金屬網2的位置要與第二溝槽部14分位置對應，保證金屬網2能夠完全覆蓋在第二溝槽部14分上，作為優選步驟，步驟7還包括一金屬圓管3的內部顯示過程：塞網前，在金屬圓管3的縮口端處打一個光源，在金屬圓管3的另一端設置攝像頭，從而將金屬圓管3的內部結構顯示於顯示器上，通過該過程，塞網的人員能夠通過顯示器看到金屬圓管3的 內部結構及金屬網2位於金屬圓管3內的第二溝槽部上的位置，從而在塞網時可以對金屬網2的位置糾正，使其位於準確的位置處，不僅提高了準確率，還節省了操作時間，為了得到較好的毛細結構，金屬網2優選1-4層，金屬網2網目數優選為250-500目，金屬網2中的金屬絲的直徑優選為0.02-0.05mm，金屬網2厚度優選為0.05-0.13mm,；步驟8：插棒，從金屬圓管3的第二端插入扁平棒6，以將金屬網2壓附於第二溝槽部14上；如第11圖或第12圖所示，該弧形棒5包括一圓弧面和一平面，該扁平棒6兩面磨平的，先插入兩弧形棒5分別將兩金屬網2定位好，然後再將扁平棒6插入兩弧形棒5間，通過扁平棒6的平面擠壓弧形棒5的平面，從而金屬網2通過該圓弧面的擠壓能夠完全緊密貼附於第二溝槽部14上，從而使金屬網2本身或與第二溝槽部14的尖端能夠很好燒結在一起，構成良好的毛細結構，具有較高的毛細力，弧形棒5僅是一優選結構，本實例也可採用其它具有圓弧面的棒狀結構。

步驟9：燒結：對金屬圓管3進行燒結以使金屬網2與第二溝槽部14結合在一起形成毛細結構，之後拔出兩弧形棒5和扁平棒6，燒結溫度為900℃-950℃，燒結時間為4-6小 時，在此條件下能夠獲得較好的燒結效果，有助於形成較好的毛細結構；步驟10：縮口二：對金屬圓管3的第二端進行縮口，以便於抽真空或注液：步驟11：密封一：對金屬圓管3的第二端進行密封，優選採用點焊密封；步驟12：退火：將金屬圓管3放入退火爐中進行退火，以消除內應力；該步驟於本實例中的優選過程為，步驟12.1，將金屬圓放入退火爐中，在退火爐的爐溫達到600°之前，持續時間為40-45分鐘，充入的氣體保護金屬圓管3，防止在加熱過程中金屬圓管3被氧化；步驟12.2，在退火爐的爐溫達到600℃-750℃時，於退火爐中充入氮氣和氫氣的混合氣，持續時間為40-45分鐘，通過氫氣將在密封一時被氧化的金屬還原；步驟12.3，退火爐的爐溫再冷卻到室溫，冷卻的同時充入氮氣，充入的氣體保護金屬圓管3，防止在在冷卻過程中中被氧化，進一步，在此冷卻過程中採用了風冷以加速冷卻，經步驟12.1-步驟12.3後金屬圓管3的內應力得以消除，並且改善了金屬圓管3自身的各項力學性能而達到最佳。 步驟13：注液真空：從金屬圓管3的第一端向金屬圓管3內注入工作液，並對管內抽真空，以防混入氣體；步驟14：密封二：對金屬圓管3的第一端進行密封，優選採用點焊密封：步驟15：壓扁：將金屬圓管3壓扁，使金屬圓管3形成具有分別對稱的壓縮部11和平整部12的扁狀管，並保證平整部12的位置對應於管內的第二溝槽部14；步驟16：測試，對成品的超薄熱管進行測試。

為得到本發明實施例之二的超薄熱管，可採用製造工藝二製成：製造工藝二與製造工藝一大部分步驟相同，其區別在於：製造工藝二還有步驟A及步驟B；在前一工藝的步驟2與步驟7間還有步驟A：打磨，將位於金屬圓管3的蒸發端的內表面上的第二溝槽部14磨平，當然，為了加工時方便，在將第二溝槽部14磨平的同時也將第一溝槽部13磨平；在步驟8與步驟9間還有步驟B：填粉，於金屬圓管3的蒸發端的內表面與第一中心棒間填入金屬粉末，該金屬粉末優選銅粉，並且銅粉所含的銅粉顆粒的直徑要大於第二溝槽部 中溝槽的寬度，能夠避免在填粉過程中，銅粉顆粒掉入第二溝槽部中溝槽內，從而堵塞溝槽造成冷凝介質回流障礙；對填粉後的金屬圓管3進行燒結，形成毛細結構的粉末燒結部，該粉末燒結部的端部與金屬網2及第二溝槽部14燒結連接。因而，增加了蒸發端對工作液的吸附力，使蒸發端含水量更大，從而更有利於蒸發端對熱量的吸收，從而有利於提高熱傳遞效率。作為本步驟更進一步的改進，在裁網時，加長金屬網2的長度，使金屬網2延伸至蒸發端形成一延伸段，粉末燒結部與該延伸段燒結在一起，因而，不僅增加了蒸發端對工作液的吸附力使蒸發端含水量更大，而且金屬網2所形成的毛細結構連續到蒸發端，有利於工作液的回流，從而有提高熱傳遞效率。

上述本發明所述的銅網燒結方式也可以用擴散鍵合(Diffusion bonding)方法取代。以上只是對本發明的一些優選實施例進行了圖示和描述，但本發明的實施方式並不受上述實施例的限制，只要其以基本相同的手段達到本發明的技術效果，都應屬於本發明的保護範圍。

1‧‧‧扁狀管體

2‧‧‧金屬網

3‧‧‧金屬圓管

4‧‧‧模具

5‧‧‧弧形棒

6‧‧‧扁平棒

11‧‧‧壓縮部位

12‧‧‧平整部

13‧‧‧第一溝槽部

14‧‧‧第二溝槽部

41‧‧‧刀槽

42‧‧‧刀槽

下面結合附圖和具體實施方式進行進一步的說明：第1圖是本發明超薄熱管的第一實施例結構示意圖；第2圖是本發明超薄熱管的第一實施例縱剖面示意圖；第3圖是本發明超薄熱管的第一實施例橫截面示意圖；第4圖是本發明的優選實施例之二中超薄熱管的蒸發端的橫截面示意圖；第5圖是本發明的優選實施例之二中超薄熱管的蒸發端更進一步的改進結構的橫截面示意圖；第6圖是金屬圓管通過模具開設溝槽，構成第二溝槽部後的橫截面結構示意；第7圖是金屬圓管通過模具開設溝槽，構成第二溝槽部及第一溝槽部後的橫截面結構示意；第8圖是於金屬圓管中開設溝槽所需的模具立體視圖；第9圖是金屬圓管通過模具開設溝槽並塞入金屬網後的橫截面結構示意；第10圖是金屬圓管的立體示意圖；第11圖是第一中心棒及第二中心棒的立體示意圖；第12圖是第一中心棒及第二中心棒的另一結構的立體示意圖；

1‧‧‧扁狀管體

2‧‧‧金屬網

11‧‧‧壓縮部位

12‧‧‧平整部

13‧‧‧第一溝槽部

14‧‧‧第二溝槽部

Claims (9)

1. 一種超薄熱管，包括：一扁狀管體，該扁狀管體具有對稱於左、右側的兩壓縮部及對稱於上、下側的兩平整部，所述管體兩端密封，該密封的兩端配合管體的壁面形成一密閉內腔，所述密閉內腔內壓縮部內表面沿管體軸向設置有複數個溝槽，形成兩組對稱的第一溝槽部，所述密閉內腔內平整部內表面沿管體軸向設置有複數個溝槽，形成兩組對稱的第二溝槽部；一對片狀金屬網分別附著在對稱的所述第二溝槽部上；工作液填充於密閉的扁狀管體內腔內；其特徵在於：該金屬網與所述的第二溝槽部的尖端經燒結而結合在一起，所述扁狀管體包括蒸發端，所述平整部位於蒸發端的部分的內表面設有粉末燒結部，所述金屬網延伸至所述蒸發端形成一延伸段，所述粉末燒結部與該延伸段燒結在一起。
2. 如申請專利範圍第1項所述的一種超薄熱管，所述扁狀管體包括冷凝端，所述第一溝槽部及第二溝槽部均位於冷凝端。
3. 一種超薄熱管的製造方法，包括以下步驟：步驟1：材料準備：準備具有預定尺寸和規格的金屬圓管及金屬網；步驟2：拉伸溝槽：採用模具，在金屬圓管內壁拉出軸向延伸的第二溝槽部，該第二溝槽部分兩組並以圓管軸心呈相互對稱；步驟3：探傷及測厚：檢查金屬管壁是否存在傷痕，並檢測金屬管壁厚度是否合格，剔除不良品；步驟4：裁切：將金屬圓管裁切為預定長度；步驟5：清洗金屬圓管；步驟6：縮口一：對金屬圓管的第一端進行縮口：步驟7：塞網，將裁切到預定尺寸並清洗後的金屬網使用第一中心棒輔助塞入金屬圓管內，且金屬網的位置要與第二溝槽部分位置對應；步驟8：插棒，從金屬圓管的第二端插入第二中心棒，以將金屬網壓附於第二溝槽部上；步驟9：燒結：對金屬圓管進行燒結以使金屬網與第二溝槽部結合在一起，之後拔出第一中心棒和第二中心棒，燒結溫度為900℃-950℃，燒結時間為4-6小時； 步驟10：縮口二：對金屬圓管的第二端進行縮口：步驟11：密封一：對金屬圓管的第二端進行密封；步驟12：退火：將金屬圓管放入退火爐中進行退火；步驟13：注液真空：從金屬圓管的第一端向金屬圓管內注入工作液，並對管內抽真空；步驟14：密封二：對金屬圓管的第一端進行密封：步驟15：壓扁：將金屬圓管壓扁，使金屬圓管形成具有分別對稱的壓縮部和平整部的扁狀管，並保證平整部的位置對應于管內的第二溝槽部；步驟16：測試，對成品的超薄熱管進行測試，其中在步驟8與步驟9間還有步驟B：填粉，於金屬圓管的蒸發端的內表面與第一中心棒間填入金屬粉末，以使平整部位於蒸發端的內表面設有粉末燒結部，且金屬網延伸至所述蒸發端形成一延伸段，所述粉末燒結部與延伸段燒結在一起。
4. 如申請專利範圍第3項所述的一種超薄熱管的製造方法，所述第一中心棒包括兩弧形棒，該弧形棒包括一圓弧面，所述金屬網通過該圓弧面的擠壓能夠完全緊密貼附於第二溝槽部上；所述第二中心棒為一扁平棒。
5. 如申請專利範圍第3項所述的一種超薄熱管的製造方法，所述步驟12具體包括以下步驟：步驟12.1，將金屬圓管放入退火爐中，在退火爐的爐溫達到600℃之前，於退火爐中充入氮氣，持續時間為40-45分鐘；步驟12.2，在退火爐的爐溫達到600℃-750℃時，於退火爐中充入氮氣和氫氣的混合氣，持續時間為40-45分鐘；步驟12.3，退火爐的爐溫再冷卻到室溫，冷卻的同時充入氮氣。
6. 如申請專利範圍第3項所述的一種超薄熱管的製造方法，所述步驟2的拉伸溝槽中，還採用模具在金屬圓管內壁拉出軸向延伸的第一溝槽部，該第一溝槽部分兩組並以圓管軸心呈相互對稱，其中該第一溝槽部的溝槽密度小於第二溝槽部的溝槽密度。
7. 如申請專利範圍第3項所述的一種超薄熱管的製造方法，所述步驟7還包括一金屬圓管的內部顯示過程：塞網前，在金屬圓管的縮口端處打一個光源，在金屬圓管的另一端設置攝像頭，從而將金屬圓管的內部結構顯示於顯示器上。
8. 如申請專利範圍第3項所述的一種超薄熱管的製造方法，在步驟2與步驟7間還有步驟A：打磨，將位於金屬圓管的蒸發端的內表面上的第二溝槽部磨平。
9. 如申請專利範圍第8項所述的一種超薄熱管的製造方法，所述金屬粉末所含的金屬顆粒的直徑要大於第二溝槽部中溝槽的寬度。