TWI742993B - 應用於薄型均溫板之複合式毛細結構 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種應用於薄型均溫板之複合式毛細結構，包含有一第一金屬片材和一多孔隙金屬毛細結構。第一金屬片材具有一溝槽結構，溝槽結構具有一溝槽底面和兩個溝槽側壁。多孔隙金屬毛細結構連續性地形成於溝槽結構內。多孔隙金屬毛細結構具有一上表面、一下表面和兩個側表面。上表面具有一中間凹陷區和兩邊緣突起區。下表面貼附於溝槽底面。側表面自上表面向下表面內縮，側表面和溝槽側壁之間具有一側壁間隙。本發明能有效提升薄型均溫板中液相工作流體由冷凝區輸送往蒸發區之能力。

Description

應用於薄型均溫板之複合式毛細結構

本發明係關於一種應用於薄型均溫板之複合式毛細結構，尤其是指一種多孔隙金屬毛細結構和金屬基板溝槽側壁之間形成一間隙而構成一種高效率輸送液相工作流體之複合式毛細結構。

毛細結構的吸水能力是一般均溫板元件設計的重要參數，高滲透率的毛細結構對於液相工作流體具有較高的傳輸能力，有利於於液相工作流體的蒸發和冷凝回流，從而提高均溫板元件的傳熱性能。當均溫板元件的厚度越薄時，上下蓋板的容置空間變小，為了維持足夠的氣相工作流體的流動空間，也限制了毛細結構的厚度。

當毛細結構厚度越薄，其承載液相工作流體的量就越少，毛細極限值也隨之降低。液相工作流體從遠端冷凝區回流到蒸發區的速度也慢，進而影響了薄型均溫板的熱傳導功能及解熱功率。

目前，元件厚度小於0.8mm的超薄均溫板，都是以舖置銅網做為毛細結構。在許多超薄均溫板的設計應用中，為了彌補銅網本身毛細力的不足，還加舖了一條或多條編織網來局部的補強其對液相工作流體的輸送能力。目前產業上實現量產的超薄均溫板皆在0.3mm以上。一旦均溫板 的元件厚度低於0.3mm時，銅網毛細結構將面臨毛細極限的問題，在製作工藝上加鋪編織網難度亦高，而且此問題隨著元件厚度的降低而越加嚴重。產業界急需一種同時能滿足功效以及製程要求的新型毛細結構，來解決目前超薄均溫板元件因厚度降低及銅網毛細極限造成液相工作流體輸送速度及攜帶量不足的問題。

有鑑於此，本發明係提供一種應用於薄型均溫板之複合式毛細結構，利用指向性液相流之設計，在多孔隙金屬毛細結構和金屬基板溝槽側壁之間形成一定之間隙，而在超薄均溫板的金屬基板的表面形成一種能攜帶更多液相工作流體並快速輸送的高效複合式毛細結構，加快薄形均溫板元件中液相工作流體從冷凝區輸送至蒸發區之流動速度，進而提升了薄型均溫板元件的傳熱及解熱功效。

本發明提供一種具毛細結構之薄型均溫板，包含有一第一金屬片材和一多孔隙金屬毛細結構。第一金屬片材具有一溝槽結構，溝槽結構具有一溝槽底面和兩個溝槽側壁。多孔隙金屬毛細結構連續性地形成於溝槽結構內，多孔隙金屬毛細結構具有一上表面、一下表面和兩個側表面。上表面具有一中間凹陷區和兩邊緣突起區。下表面貼附於溝槽底面。側表面自上表面向下表面內縮，側表面和溝槽側壁之間具有一側壁間隙。由多孔隙金屬毛細結構及側壁間隙構成一種複合式的毛細結構。側壁間隙溝槽本身也是該複合式毛細結構之一部份。複合式毛細結構基本上由多孔隙金屬毛細結構和溝槽側壁所組成。複合式毛細結構形成一長條狀，可指向性的攜帶冷凝區的液相工作流體並快速輸送至蒸發區。

溝槽結構為一長條型溝槽結構，長條型溝槽結構深度介於0.05mm~0.50mm之間，長條型溝槽結構長度至少為30mm，長條型溝槽結構寬度介於1.0mm~3.0mm之間。

本發明之複合式毛細結構，進一步包含有一蒸發區和一遠端冷凝區，其中該長條型溝槽結構之一端指向蒸發區，長條型溝槽結構之另一端指向遠端冷凝區。

多孔隙金屬毛細結構之上表面之寬度大於下表面之寬度，多孔隙金屬毛細結構之上表面之寬度大於單一個側壁間隙之三倍寬度。多孔隙金屬毛細結構係為一銅粉末燒結毛細結構。銅粉末燒結毛細結構可包含有複數個鏈狀銅構件和複數個類球狀銅構件，該等鏈狀銅構件相互結合，該等類球狀銅構件散布於該等鏈狀銅構件之間，複數個孔隙形成於該等鏈狀銅構件及該等類球狀銅構件之間。

銅粉末燒結毛細結構為一漿料經印刷、烘乾、裂解和燒結工藝所製成，漿料可包含有複數個金屬銅粉末、複數個銅氧化物粉末以及一聚合物膠體。聚合物膠體於烘乾及裂解過程中被消除。

多孔隙金屬毛細結構可進一步分為一第一毛細結構和一第二毛細結構。第一毛細結構設置於蒸發區，且第一毛細結構之孔隙率大於第二毛細結構。

多孔隙金屬毛細結構之上表面和溝槽側壁之間距離介於10um~200um之間，多孔隙金屬毛細結構之下表面和溝槽側壁之間距離介於20um~300um之間。

溝槽結構上進一步設置有複數個支撐柱，多孔隙金屬毛細結 構進一步有複數個穿孔對應複數個支撐柱，且複數個支撐柱和毛細結構之間具有一穿孔間隙。

本發明利用了在多孔隙金屬毛細結構與基板溝槽之間形成微小間隔，而形成粉末燒結毛細結構與側邊間隙的溝槽毛細結構結合為一體的複合毛細結構，加快液相工作流體攜載量及輸送速度。

綜上所述，本發明提供之複合式毛細結構，利用多孔隙金屬毛細結構和溝槽側壁之間的側壁間隙來形成複合式毛細結構，使得液相工作流體的攜帶量增加並加快液相工作流體由遠端冷凝區往蒸發區的輸送速度，進行提升了薄型均溫板元件的熱傳導能力及解熱功率。

W:複合式毛細結構

W1:蒸發區

W2:遠端冷凝區

1:第一金屬片材

2:第二金屬片材

3:多孔隙金屬毛細結構

5:氣道

10:溝槽結構

18:支撐牆體

19:支撐柱

31:第一毛細結構

32:第二毛細結構

37:鏈狀銅構件

38:類球狀銅構件

39:穿孔

54:側壁間隙

59:穿孔間隙

70:液相工作流體

71:氣相工作流體

102:溝槽底面

104:溝槽側壁

301:上表面

302:下表面

304:側表面

3014:邊緣突起區

3015:中間凹陷區

圖1繪示本發明一具體實施例中複合式毛細結構之直剖面示意圖；

圖2繪示圖1具體實施例之複合式毛細結構之俯瞰示意圖；

圖3繪示多孔隙金屬毛細結構的結構尺寸示意圖；

圖4繪示本發明一具體實施例中多孔隙金屬毛細結構之示意圖；

圖5繪示第一毛細結構和第二毛細結構之橫剖面示意圖；

圖6繪示本發明另一具體實施例中複合式毛細結構之俯瞰示意圖；

圖7繪示本發明一具體實施例中液相工作流體及氣相工作流體之示意圖；

圖8繪示本發明一具體實施例中液相工作流體流向之示意圖。

為了讓本發明的優點，精神與特徵可以更容易且明確地了解，後續將以具體實施例並參照所附圖式進行詳述與討論。需注意的是， 這些具體實施例僅為本發明代表性的具體實施例，其中所舉例的特定方法、裝置、條件、材質等並非用以限定本發明或對應的具體實施例。又，圖中垂直方向、水平方向和各元件僅係用於表達其相對位置，且未按其實際比例繪述，合先敘明。

請參閱圖1和圖2。圖1和圖2繪示本發明一具體實施例中具毛細結構之薄型均溫板之剖面示意圖和俯瞰示意圖。本發明提供一種應用於薄型均溫板之複合式毛細結構W，包含有一第一金屬片材1、一多孔隙金屬毛細結構3。第一金屬片材1具有一個或多個溝槽結構10，溝槽結構10具有一個溝槽底面102和兩個溝槽側壁104。多孔隙金屬毛細結構3連續性地形成於溝槽結構10內，多孔隙金屬毛細結構3具有一上表面301、一下表面302和兩個側表面304。上表面301具有一中間凹陷區3015和兩個邊緣突起區3014。下表面302貼附並固著於溝槽底面102。側表面304自側表面304與上表面301連接處朝向側表面304與下表面302連接處內縮，側表面304和對應的溝槽側壁104之間具有一側壁間隙54。

多個溝槽結構10可以是被一個到多個支撐牆體18所隔開。支撐牆體18同時隔絕鄰近的兩個溝槽結構10液相工作流體直接的交換，而必須繞開支撐牆體18才能連通。

側壁間隙54向下向內漸縮；側表面304和高起的邊緣突起區3014使多孔隙金屬毛細結構3的橫剖面像是一個船型結構。於實際應用中，該船型多孔隙金屬毛細結構3上表面301中間凹陷區3015和兩邊緣突起區3014所形成的曲面之曲率越大則毛細力越佳。

一具體實施例中，溝槽結構10為一長條型溝槽結構10，長條 型溝槽結構10深度D1可介於0.05mm~0.50mm之間，以使得多孔隙金屬毛細結構3的厚度可以控制在0.02mm~0.2mm之間。長條型溝槽結構10可由一金屬片材經蝕刻方式製成。長條型溝槽結構10長度D2至少為30mm，長條型溝槽結構10寬度D3介於1.0mm~3.0mm之間。

請參閱圖3。圖3係複合式毛細結構的結構尺寸示意圖。多孔隙金屬毛細結構3之上表面301之寬度D4大於下表面302之寬度D5，多孔隙金屬毛細結構3之上表面301之寬度D4大於單一個側壁間隙54寬度D6之四倍。此處所述之側壁間隙54是指自上方俯瞰第一金屬片材1時所目視道的間隙寬度，也就是上表面301之邊緣與溝槽側壁104的最近距離。邊緣突起區3014對應之多孔隙金屬毛細結構3之高度D7高於中間凹陷區3015對應之該多孔隙金屬毛細結構3之高度D8。

多孔隙金屬毛細結構3之邊緣突起區3014和溝槽側壁104之間距離，也是側壁間隙54最小寬度D6，介於10um~200um之間。多孔隙金屬毛細結構3之下表面302和溝槽側壁之間距離，也是側壁間隙54最大寬度D9，介於20um~300um之間。D6及D9的寬度決定了側壁間隙溝槽內的液相工作流體承載量。

本發明之複合式毛細結構W是由船型的多孔隙金屬毛細結構3與長條型溝槽結構10以及側壁間隙54所構成的。側壁間隙54的通道與船型的多孔隙金屬毛細結構3形成之互補作用，共同做為薄型均溫板內液相工作流體的輸送渠道。由於側壁間隙54是一長條微細溝槽形狀，具有良好的液相工作流體滲透率，加上多孔隙金屬毛細結構3具良好的毛細壓差，合力將液相工作流體快速輸送至蒸發區。

於實際應用中，本發明複合式毛細結構中之多孔隙金屬毛細結構3是以粉末燒結方式而形成。或者，多孔隙金屬毛細結構3是以一金屬漿料舖置於金屬長條型溝槽結構10中，然後經過烘乾，裂解及燒結工藝而形成的。

請參閱圖2、圖4和圖5。圖4繪示本發明一具體實施例中多孔隙金屬毛細結構之示意圖；圖5繪示第一毛細結構和第二毛細結構之橫剖面示意圖。多孔隙金屬毛細結構3係為銅粉末燒結毛細結構，多孔隙金屬毛細結構3包含有複數個鏈狀銅構件37和複數個類球狀銅構件38，鏈狀銅構件37相互連結，類球狀銅構件38散佈於鏈狀銅構件37之間，複數個孔隙形成於該等鏈狀銅構件及該等類球狀銅構件之間。於一具體實施例中，類球狀銅構件38的平均直徑大於鏈狀銅構件37的平均直徑。

於一具體實施例中，多孔隙金屬毛細結構3為一漿料經印刷工藝、烘乾工藝、裂解工藝和燒結工藝所製成，漿料包含有一聚合物膠體、複數個金屬銅顆粒和複數個銅氧化物顆粒。漿料藉由鋼板印刷或網版印刷被鋪設到溝槽結構10當中。由於漿料的流變性，此時漿料會均勻舖滿溝槽結構10，覆蓋掉溝槽底面102並且碰觸到溝槽側壁104。

漿料經烘乾後去除溶劑形成一固化物，聚合物膠體附著於金屬銅粉末和銅氧化物粉末之間。固化物內的聚合物在裂解工藝中氣化並被排除，在金屬銅粉末和銅氧化物粉末之間留下孔洞。實際應用時，燒結工藝溫度控制在700~900度C之間，並且在嚴格控制的氮氫混合還原氣氛下進行，而形成了包含有船型多孔隙金屬毛細結構3以及側壁間隙54之複合型毛細結構W。

於一實施例中，漿料中含有的金屬銅粉末之平均粒徑D50約為10um~53um之間。或者在另一實施例中，，漿料中含有的金屬銅粉末之平均粒徑D50約為10um~30um之間。

銅氧化物粉末之平均例徑約為0.5um~5um，尤其可以是多角形晶體的氧化亞銅粉末。

漿料鋪置在溝槽結構10中，經烘乾及裂解工藝後再於氮氫混合氣氛下進行還原燒結工藝。燒結後金屬銅粉末形成類球狀銅構件38，銅氧化物粉末則還原燒結並拉伸形成鏈狀銅構件37。還原的銅氧化物粉末在前述孔洞中沿著類球狀銅構件38拉伸，固化後形成彼此交錯的鏈狀銅構件37和類球狀銅構件38。

複合式毛細結構W進一步可分為一蒸發區W1和一遠端冷凝區W2。長條型溝槽結構10之一端指向蒸發區W1，長條型溝槽結構10之另一端指向遠端冷凝區W2。多孔隙金屬毛細結構3進一步分為一第一毛細結構31和一第二毛細結構32。第一毛細結構31設置於蒸發區W1，第二毛細結構32不設置於蒸發區W1，第二毛細結構32設置於蒸發區W1以外之地方，尤其是遠端冷凝區W2。

第一毛細結構31和第二毛細結構32為連續性結構，且第一毛細結構與第二毛細結構具有不同之孔隙率。於一具體實施例中，第一毛細結構31之孔隙率大於第二毛細結構32。第一毛細結構31之孔徑大於第二毛細結構32之孔徑。第一毛細結構31之平均粒徑大於第二毛細結構32之平均粒徑。尤其，第一毛細結構31之類球狀銅構件38之平均粒徑大於第二毛細結構32之類球狀銅構件38之平均粒徑。

第一毛細結構31之平均粒徑大有利於液相工作流體沸騰時在表面形成較大面積的水薄膜而蒸發，進而降低熱阻，蒸發成氣相工作流體的速度較快；相對來說，第二毛細結構32之平均粒徑小則有利於提升輸送液相工作流體的毛細力，使液相工作流體的流動速度加快。因此，第一毛細結構31設置於蒸發區W1較有助於液相轉成氣相工作流體，第二毛細結構32設置於其他部分有助於液相工作流體回冷凝端回流至蒸發端。

請參閱圖6。圖6是本發明另一具體實施例中複合式毛細結構之俯瞰示意圖。溝槽結構10上進一步設置有複數個支撐柱19，多孔隙金屬毛細結構3進一步有複數個穿孔39對應複數個支撐柱19，且複數個支撐柱19和多孔隙金屬毛細結構3之間具有一穿孔間隙59。支撐牆體18和支撐柱19用於支撐第一金屬片材1和第二金屬片材之空間，支撐柱19尤其用於在不便設置支撐牆體18的蒸發區W1和遠端冷凝區W2當中，作為蒸發區W1和遠端冷凝區W2的主要支撐元件。在穿孔間隙59處，多孔隙金屬毛細結構3的側表面同樣是從上向下漸縮。

請參閱圖7和圖8。圖7繪示本發明一具體實施例中液相工作流體及氣相工作流體之示意圖；圖8繪示本發明一具體實施例中液相工作流體流向之示意圖。第一金屬片材和複合式毛細結構3上裝設第二金屬片材時可形成薄型均溫板元件。此時可灌注液相工作流體70至薄型均溫板元件內。液相工作流體70會吸附於多孔隙金屬毛細結構3之內及側壁間隙54之中。側壁間隙54中液相工作流體70的水位可能會高於多孔隙金屬毛細結構3之內液相工作流體70的平均水位。

實際運作時，側壁間隙54中的液相工作流體70和多孔隙金屬 毛細結構3之內的液相工作流體70朝向相同方向前進(圖8箭頭方向)。但是側壁間隙54中的流體阻力較小，液相工作流體70流動速度較快；多孔隙金屬毛細結構3之內的流體阻力較大，液相工作流體70流動速度較慢。側壁間隙54中的液相工作流體70也可以補充至多孔隙金屬毛細結構3內。

本發明之複合式毛細結構在反重力垂直吸水測試中，對於純水的輸送速度可達30mm/sec以上，遠比銅網毛細結構的純水輸送速度快上兩倍以上。對於薄型均溫板元件的毛細力而言，具有顯著的效益。

綜上所述，本發明提供之複合式毛細結構，利用多孔隙金屬毛細結構和溝槽側壁之間的側壁間隙來形成複合式毛細結構。由於側壁間隙亦形成了長條型微溝槽毛細作用，對液相工作流體而言有很好的滲透率，同時側壁間隙的存在也使得液相工作流體的在整個複合毛細結構的攜帶量增加，並加快液相工作流體由遠端冷凝區往蒸發區的輸送速度，進而提升了薄型均溫板元件的熱傳導能力及解熱功率。

藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。因此，本發明所申請之專利範圍的範疇應該根據上述的說明作最寬廣的解釋，以致使其涵蓋所有可能的改變以及具相等性的安排。

W:複合式毛細結構

1:第一金屬片材

3:多孔隙金屬毛細結構

5:氣道

10:溝槽結構

18:支撐牆體

54:側壁間隙

D1:溝槽深度

102:溝槽底面

104:溝槽側壁

301:上表面

302:下表面

304:側表面

3014:邊緣突起區

3015:中間凹陷區

Claims (10)

1. 一種應用於薄型均溫板之複合式毛細結構，包含有：

   一第一金屬片材，具有一溝槽結構，該溝槽結構具有一溝槽底面和兩溝槽側壁；以及

   一多孔隙金屬毛細結構，連續性地形成於該溝槽結構內，該多孔隙金屬毛細結構具有：

   一上表面，具有一中間凹陷區和兩邊緣突起區；

   一下表面，貼附於該溝槽底面；以及

   兩側表面，自該上表面向該下表面逐漸內縮，該等側表面和該等溝槽側壁之間具有一側壁間隙。
2. 如申請專利範圍第1項所述之應用於薄型均溫板之複合式毛細結構，其中該溝槽結構為一長條型溝槽結構，該長條型溝槽結構深度介於0.05mm~0.50mm之間，該長條型溝槽結構長度至少為30mm，且該長條型溝槽結構寬度介於1.0mm~3.0mm之間。
3. 如申請專利範圍第2項所述之應用於薄型均溫板之複合式毛細結構，進一步包含有一蒸發區和一遠端冷凝區，其中該長條型溝槽結構之一端指向該蒸發區，該長條型溝槽結構之另一端指向該遠端冷凝區。
4. 如申請專利範圍第3項所述之應用於薄型均溫板之複合式毛細結構，其中該多孔隙金屬毛細結構進一步分為一第一毛細結構和一第二毛細結構，該第一毛細結構設置於該蒸發區，且該第一毛細結構之孔隙率大於該第二毛細結構之孔隙率。
5. 如申請專利範圍第1項所述之應用於薄型均溫板之複合式毛細結構，其 中該多孔隙金屬毛細結構之該上表面之寬度大於該下表面之寬度，該多孔隙金屬毛細結構之該上表面之寬度大於單一個該側壁間隙之三倍寬度。
6. 如申請專利範圍第1項所述之應用於薄型均溫板之複合式毛細結構，其中該多孔隙金屬毛細結構之該上表面和該溝槽側壁之間距離介於10um~200um之間。
7. 如申請專利範圍第1項所述之應用於薄型均溫板之複合式毛細結構，其中該溝槽結構上進一步設置有複數個支撐柱，該多孔隙金屬毛細結構進一步有複數個穿孔對應該等支撐柱，且該等支撐柱和該多孔隙金屬毛細結構之間具有一穿孔間隙。
8. 如申請專利範圍第1項所述之應用於薄型均溫板之複合式毛細結構，其中該多孔隙金屬毛細結構係為一銅粉末燒結之毛細結構，該銅粉末燒結之毛細結構為一漿料經印刷、烘乾、裂解和燒結工藝所製成，該漿料包含有複數個金屬銅粉末以及一聚合物膠體。
9. 如申請專利範圍第1項所述之應用於薄型均溫板之複合式毛細結構，其中該多孔隙金屬毛細結構係為一粉末燒結之毛細結構，該粉末燒結之毛細結構包含有複數個由銅氧化物粉末燒結形成的鏈狀銅構件和複數個由銅粉末燒結形成的類球狀銅構件，該等鏈狀銅構件相互結合，該等類球狀銅構件散布於該等鏈狀銅構件之間，複數個孔隙形成於該等鏈狀銅構件及該等類球狀銅構件之間。
10. 如申請專利範圍第9項所述之應用於薄型均溫板之複合式毛細結構，其中該粉末燒結毛細結構為一漿料經印刷、烘乾、裂解和燒結工藝所製 成，該漿料包含有複數個金屬銅粉末、複數個銅氧化物粉末以及一聚合物膠體。

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