TWI579519B - 脈衝型多管式熱管 - Google Patents
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Description
本揭露係有關於一種做散熱用之熱管，尤指一種配置有截面大於該多管之總截面之至少一腔室，或設置有至少一對穿孔之一種脈衝型多管式熱管。
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。
運用具有毛細作用之平板型熱管，其困難在於毛細作用之結構燒結製作，其主要原因如下：1、平板型熱管越大型，毛細作用結構之均勻度越難以控制，因而容易導致性能不穩定；2、平板型熱管越大型，用於燒結毛細作用結構之燒結爐也必須加大，從而導致成本增加，量產速度降低；3、退火後之平板型熱管，其管壁強度大幅降低，因而可能導致其管壁不具可因應內外部壓力變化所需之強度。既然因為毛細作用結構的燒結，會衍生出許多製作上之問題，因此具有震盪式或脈衝型(pulsating heat pipe or
oscillating heat pipe)作用之熱管便成為平面傳熱之另一種選擇。
現有的脈衝型熱管之整體結構相當簡單，其係由單管的細管連結而成。脈衝型熱管之驅動力是藉由較小的管徑所產生的毛細作用力、工作液體所受之重力以及受熱產生的汽泡壓力來使熱管產生動作。然而傳統單管脈衝型熱管，其毛細作用力是相當有限的，因此傳統脈衝型熱管的運作主要還是利用重力。由於傳統脈衝型熱管的運作主要靠的是重力，因此當熱管處於水平或是受熱端高於散熱端的狀況時，熱管將無法運作。雖然Shafii等人發表之論文，使用磁性流體並輔以外部磁場控制、中華民國I387718號專利，及其他文獻記載使用止回閥的裝置，可改善水平啟動，卻無法解決負角度啟動的問題，但因受到重力影響時，工作流體不易流回蒸發段，而使脈衝型熱管失效，故無法解決負角度啟動的問題，且熱阻無法獲得改善。此一使用上之限制構成脈衝型熱管運用在平面傳熱要求之一主要的挑戰。
本揭露為了解決單管脈衝型熱管處於水平或是受熱端高於散熱端的狀況時(負角度)，該熱管將無法運作的問題，研發出一種脈衝型多管式熱管，為具有脈衝型作用之熱管，包含：複數根金屬管所形成，每根金屬管包含複數個蛇形迴路，並各自圍繞成一封閉系統；並使用一個或多個腔室將該複數脈衝型熱管連通，或在多管式熱管在面對面相鄰位置，分別形成多個穿孔，再將多管式熱管於多個穿孔兩端位置焊接，透過複數根金屬管連通的方式，產生不平衡的體積充填量，並且在作動時，該充填量會產生交叉流動作動態的變化、交替，在負90度操作下，亦即蒸發端在上，
冷凝端在下的操作狀態亦可作動，完成傳熱之效果。本發明實施例包括複數個相同管徑之蛇形迴路，並分別有一個或複數個腔室將該複數脈衝型熱管連通，亦可使用複數個不相同管徑之蛇形迴路，並分別有一個或複數個腔室將該複數脈衝型熱管連通。
透過複數根金屬管連通的方式，產生不平衡的體積充填量，並且在作動時，該充填量會產生交叉流動作動態的變化、交替，在負90度操作下，亦即蒸發端在上，冷凝端在下的操作狀態亦可作動，完成傳熱之效果。本發明實施例包括複數個相同管徑之蛇形迴路，並分別有一個或複數個腔室將該複數脈衝型熱管連通，亦可使用複數個不相同管徑之蛇形迴路，並分別有一個或複數個腔室將該複數脈衝型熱管連通。
本揭露所屬技術領域中具有通常知識者亦應可瞭解，這類等效的建構並無法脫離後附之申請專利範圍所提出之本揭露的精神和範圍。
1、2、3、4、5‧‧‧脈衝型多管式熱管
11、12、21、22、31、32、41、42、43、51、52、61、62‧‧‧金屬管
13、53、54‧‧‧蛇形迴路
14、33、34、55‧‧‧腔室
15、56‧‧‧受熱區
16、57、58‧‧‧冷凝區
63、64、65‧‧‧穿孔
D‧‧‧管徑
H‧‧‧高度
L1‧‧‧腔室之長度
L2‧‧‧穿孔之長度
圖1為本揭露第1實施例之脈衝型熱管之示意圖；圖2為本揭露第2實施例之脈衝型熱管之示意圖；圖3為本揭露第3實施例之脈衝型熱管之示意圖；圖4為本揭露第4實施例之脈衝型熱管之示意圖；圖5為本揭露第5實施例之脈衝型熱管之示意圖；圖6為本揭露第1實施例腔室與金屬管連通方式；圖6A~6C為圖6實施例之工作流體之流動狀態；圖7為本揭露第6實施例無腔室連通管方式；圖7A為本揭露無腔室連通管方式另一實施例；
圖8為本揭露一實施例之脈衝型熱管水平放置之熱阻曲線圖。
圖9為本揭露一實施例之脈衝型熱管負90度放置之熱阻曲線圖。
圖10為本揭露一實施例之脈衝型熱管正90度，負90度及負45度放置之熱阻曲線圖。
圖1揭露本發明第一實施例，揭示一種脈衝型多管式熱管1，為具有脈衝型作用之熱管，包含：兩個相同管徑之金屬管11、12所形成，每個金屬管11、12之一端包含複數個蛇形迴路13，並各自圍繞成一封閉系統，且兩個相同管徑之金屬管11、12互相並行，並使用一個腔室14將該兩個金屬管11、12連通形成一種脈衝型熱管1。該脈衝型熱管1之一端15為受熱區(亦可為冷凝區)，另一端16為冷凝區(亦可為受熱區)，且腔室14之位置不限定在冷凝區，在脈衝型熱管1之其他位置，亦在本專利範圍內。。
圖2揭露本發明第二實施例，揭示第二種脈衝型多管式熱管2，請參照圖1揭露本發明第一實施例，僅兩個金屬管21、22之管徑不相同而已，其餘均相同，故不再說明。
圖3揭露本發明第三實施例，揭示第三種脈衝型多管式熱管3，請參照圖1揭露本發明第一實施例，僅兩個相同管徑之根金屬管31、32使用兩個腔室33、34，將該兩個金屬管31、32脈衝型熱管連通不相同而已，其餘均相同，故不再說明，惟本實施例使用管徑不相同，或使用三個以上腔室將該兩個金屬管31、32脈衝型熱管連通，或兩個腔室33、34在脈衝型熱管1之其他位置，亦在本專利範圍內
亦在本專利範圍內。
圖4揭露本發明第四實施例，揭示第四種脈衝型多管式熱管4，請參照圖1揭露本發明第一實施例，僅三個相同管徑之金屬管41、42、43所形成脈衝型熱管4不相同而已，其餘均相同，故不再說明，惟本實施例使用管徑不相同，或使用二個以上腔室將該三個脈衝型熱管連通，亦在本專利範圍內。
圖5揭露本發明第五實施例，揭示第五種脈衝型多管式熱管5，由兩個不相同管徑尺寸之金屬管51、52所形成，每個金屬管之一端包含複數個蛇形迴路53、54，並各自圍繞成一封閉系統，且該複數個蛇形迴路53、54分別在脈衝型熱管5之一端，並於金屬管51、52之另一端使用一個腔室55將該兩個脈衝型熱管連通形成一種脈衝型熱管5，其中該些金屬管51、52分別位在腔室55之兩端，不互相並行。該脈衝型熱管5之中間部份56為受熱區(亦可為冷凝區)，該複數個蛇形迴路53、54分別在脈衝型熱管5之一端57、58分別為冷凝區(亦可為受熱區)，惟本實施例使用相同管徑，或使用二個以上腔室將該兩個脈衝型熱管連通，亦在本專利範圍內。上述脈衝型熱管1內之工作流體由腔室14上開一注入口注入，當工作流體注入完畢後，再將注入封住。工作流體注入前，需從注入口將流道系統抽真空，其餘上述四種實施例之工作流體充填方式亦相同。
必須說明的是，上述圖1所示金屬管11、12分別具有不同方向之雙斜線，是為了明確區別金屬管11、12，並非表示其為剖面結構，同理，圖2至圖5之金屬管21、22、41、42、43、51、52分別具有之雙斜線也是為了明確區別不同金屬管。
圖6為上述第一實施例腔室14與金屬管11，12連通方式，為將該兩個脈衝型熱管連通形成一種脈衝型熱管1之結構，先於腔室14兩端部開設圓孔，該金屬管11、12兩端，再分別經該圓孔置入腔室14內部後再焊接。此外，例如當金屬管11、12之管徑為D時，腔室14之寬度(圖中未示出)與高度H分別為2D到10D，而長度L1為2D到20D，D可例如為0.1到8.0mm。當脈衝型熱管1之受熱區15(請參閱圖1)受熱時，工作流體會蒸發而增加蒸汽壓力，進而推動工作流體之流動。高溫高壓之工作流體將會流至冷凝區16(請參閱圖1)，亦即將熱由高溫之受熱區15送至低溫之冷凝區16，以達到熱量傳遞之效果。本揭露之工作流體流動狀態請參閱圖6A~6C為於金屬管11、12內標示網點的部份示意工作流體，而中空箭頭示意工作流體流向。如圖6A所示，當金屬管11、12右邊工作流體之壓力大於左邊工作流體之壓力，將使得在腔室14內部之工作流體經過腔室分別往金屬管11、12左邊流動。當金屬管11、12左邊工作流體之壓力大於右邊工作流體之壓力，將使得在腔室14內部之工作流體經過腔室分別往金屬管11、12右邊流動，如圖6B所示。另一種狀況當金屬管12左右兩邊及金屬管11左邊之工作流體之壓力大於金屬管11右邊工作流體之壓力時，將造成腔室14內部之工作流體經過腔室分別往金屬管11右邊流動，如圖6C所示。如此，可使得金屬管11、12工作流體產生之壓力差大於單管之壓力差，造成工作流體交叉流動，使流體隨機分佈，形成非均勻充填量，產生不平衡的力，成功地克服脈衝型熱管水平啟動問題。並且可操作在負90度狀態(蒸發端在上，冷凝端在下)，使其缺乏重力輔助工作流體回流至蒸發端，亦可作動。其餘
上述四種實施例之腔室1與金屬管11，連通方式及工作流體交叉流動原理亦相同。
圖7為第六實施例無腔室連通管方式，將上述圖6腔室14與金屬管11、12連通方式，省略腔室14與金屬管11、12連通的方式。如圖7所示，而在金屬管61、62在面對面相鄰位置，先將金屬管61、62分別形成兩穿孔63、64，再將金屬管61、62於該位置焊接。又如圖7A為本揭露無腔室連通管方式另一實施例，該穿孔63、64。亦可在金屬管61、62在面對面相鄰位置之外側，使用鑽頭鑽成一穿孔65後，再於金屬管61、62於該位置之管壁，鑽成兩穿孔63、64，再使用相同方法焊接，並將穿孔65焊接封閉，且該穿孔63、64處與該至少二個金屬管連通，形成一脈衝型多管式熱管，其工作流體交叉流動原理與圖6所述者相同。上述圖1至圖5之五個實施例，均可使用本實施例無腔室連通管方式，可省略腔室14與金屬管11、12之連通方式。此外，例如當金屬管61、62之管徑為D時，穿孔63、64之長度L2為2D到20D，D可例如為0.1到8.0mm。
上述圖1至圖7A實施例，以圖2為最佳實施例，如在平板上刻槽方式形成相似之管路，亦在本發明範圍內。
【實驗範例】
在本實驗範例中，分別以圖1實施例之結構製作一傳統脈衝型單管式熱管與一本揭露之脈衝型多管式熱管。本揭露之脈衝型多管式熱管與傳統脈衝型單管式熱管皆抽真空，然後再分別填充約佔總流道系統體積百分之60之工作流體。接著，再對本揭露之脈衝型多管式熱管與傳統脈衝型單管式熱管分別施以不同之熱量
(Qin)，並調整本揭露之脈衝型多管式熱管與傳統脈衝型單管式熱管之角度，以量測本揭露之脈衝型多管式熱管與傳統脈衝型單管式熱管之受熱端(TH)與散熱端(TL)之溫度，最後藉由熱阻(Rth)計算公式：R th =(T H -T L )/Q in
計算在各操作角度下，本揭露之脈衝型多管式熱管與傳統脈衝型單管式熱管之熱阻與加熱量時間及等效熱傳導係數keff(W/mK)之曲線，藉以比較兩者之性能。
圖8，9及10分別為傳統脈衝型單管式熱管與本揭露一實施例之脈衝型熱管在各角度之熱阻曲線圖，橫座標為加熱時間(秒)，縱座標為熱阻(℃/W)。從圖8可發現，傳統脈衝型單管式熱管在水平放置，即操作角度為0度時，不論加熱量時間，其熱阻無甚變化，且均在7℃/W以上，無法發揮其散熱功能，傳統非均勻流道脈衝型單管式熱管在水平放置時，熱阻均在0.5-0.7℃/W，熱傳導係數平均值kavg為4240(W/mK)(其中，W代表熱功率單位，m代表長度單位米(公尺)，而K代表絕對溫度單位)，相較地，本揭露之脈衝型多管式熱管在水平放置時，其熱阻0.07-0.4℃/W，熱傳導係數平均值kavg為5524(W/mK)，從圖9可發現，傳統非均勻流道脈衝型單管式熱管在負90度放置時，平均熱阻均在6.4℃/W，且溫度不改變，亦即傳統非均勻流道脈衝型單管式熱管在負90度放置時，無法作動產生散熱效果，本揭露之脈衝型熱管在負90度放置時，其平均熱阻才0.16℃/W，且溫度上下震盪，證明本揭露之脈衝型熱管在負90度放置時，仍然作動產生傳熱效果。圖10顯示本揭露之脈衝型多管式熱管在正90度，負90度及負45度放
置時，熱阻變化均小於20%，重力影響散熱效果很小。此外，本揭露之脈衝型熱管內之工作流體填充率為30~80%(體積比)。
綜上所述，本揭露之脈衝型熱管由於透過多管連通的方式，產生不平衡的體積充填量，並且在作動時，該充填之工作流體在金屬管體內會起動態的變化、交替，可長時間處於作用力的不平衡狀態，使得本揭露之脈衝型熱管可在水平、負角度作動。
本發明利用複數脈衝型熱管，並使用一個或多個腔室將該複數脈衝型熱管連通，當該熱管啟動時，使流體產生不平衡的力，即使只有少量彎頭，亦可使流體持續作動進行蒸發、冷凝，不僅成功克服脈衝型熱管水平啟動問題。複數脈衝型熱管在少彎頭數，在負90度操作下，亦即蒸發端在上，冷凝端在下時，操作狀態亦可作動，完成傳熱之效果。
本揭露之技術內容及技術特點已揭示如上，然而熟悉本項技術之人士仍可能基於本揭露之教示及揭示而作種種不背離本揭露精神之替換及修飾。因此，本揭露之保護範圍應不限於實施例所揭示者，而應包括各種不背離本揭露之替換及修飾，並為以下之申請專利範圍所涵蓋。
1‧‧‧脈衝型多管式熱管
11、12‧‧‧金屬管
13‧‧‧蛇形迴路
14‧‧‧腔室
15‧‧‧受熱區
16‧‧‧冷凝區
Claims (24)
- 一種脈衝型多管式熱管，包括：至少二個金屬管，分別具有複數個蛇形迴路，且互相並行；以及至少一個腔室，與至少二個金屬管之兩端連通形成一種脈衝型多管式熱管。
- 如申請專利範圍第1項所述之脈衝型多管式熱管，其中該至少二個金屬管之管徑相同。
- 如申請專利範圍第1項所述之脈衝型多管式熱管，其中該至少二個金屬管之管徑不相同。
- 如申請專利範圍第1項所述之脈衝型多管式熱管，其中該至少二個金屬管之管徑為0.1到8.0mm。
- 如申請專利範圍第1項所述之脈衝型多管式熱管，其中該腔室之寬度與高度為2D到10D，長度為2D到20D，D為該金屬管之管徑。
- 如申請專利範圍第1項所述之脈衝型多管式熱管，其中該脈衝型多管式熱管內填充工作流體，該工作流體受熱時，可在水平或負90度狀態下操作。
- 如申請專利範圍第6項所述之脈衝型多管式熱管，其中該脈衝型多管式熱管內之工作流體填充率為30~80%(體積比)。
- 如申請專利範圍第1項所述之脈衝型多管式熱管，其中該複數個蛇形迴路之一端為受熱區，另一端為冷凝區。
- 一種脈衝型多管式熱管，包括：至少二個金屬管，分別具有複數個蛇形迴路； 至少一個腔室，與至少二個金屬管之兩端連通形成一種脈衝型多管式熱管，其中該些金屬管分別位在腔室之兩端，不互相並行。
- 如申請專利範圍第9項所述之脈衝型多管式熱管，其中該至少二個金屬管之管徑相同。
- 如申請專利範圍第9項所述之脈衝型多管式熱管，其中該至少二個金屬管之管徑不相同。
- 如申請專利範圍第9項所述之脈衝型多管式熱管，其中該至少二個金屬管之管徑為0.1到8.0mm。
- 如申請專利範圍第9項所述之脈衝型多管式熱管，其中該腔室之寬度與高度為2D到10D，長度為2D到20D，D為該金屬管之管徑。
- 如申請專利範圍第9項所述之脈衝型多管式熱管，其中該脈衝型多管式熱管內填充工作流體，該工作流體受熱時，可在水平或負90度狀態下操作。
- 如申請專利範圍第14項所述之脈衝型多管式熱管，其中該脈衝型多管式熱管內之工作流體填充率為30~80%(體積比)。
- 如申請專利範圍第9項所述之脈衝型多管式熱管，其中該複數個蛇形迴路之中間為受熱區，另兩端分別為冷凝區。
- 一種脈衝型多管式熱管，包括至少二個金屬管，其一端分別具有複數個蛇形迴路，且互相並行，在該至少二個金屬管另一端平行相疊同一位置之管壁，分別形成一穿孔，然後再將該金屬管於穿孔兩端相疊管壁處，將該至少二個金屬管焊接，且該穿孔與該至少二個金屬管連通，形成一脈衝型多管式熱管。
- 如申請專利範圍第17項所述之脈衝型多管式熱管，其中該至少二個金屬管之管徑相同。
- 如申請專利範圍第17項所述之脈衝型多管式熱管，其中該至少二個金屬管之管徑不相同。
- 如申請專利範圍第17項所述之脈衝型多管式熱管，其中該至少二個金屬管之管徑為0.1到8.0mm。
- 如申請專利範圍第17項所述之脈衝型多管式熱管，其中該穿孔之長度為2D到20D，D為該金屬管之管徑。
- 如申請專利範圍第17項所述之脈衝型多管式熱管，其中該脈衝型多管式熱管內填充工作流體，該工作流體之受熱時，可在水平或負90度狀態下操作。
- 如申請專利範圍第22項所述之脈衝型多管式熱管，其中該脈衝型多管式熱管內之工作流體填充率為30~80%(體積比)。
- 如申請專利範圍第17項所述之脈衝型多管式熱管，其中該複數個蛇形迴路之一端為受熱區，另一端為冷凝區。
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