脈沖型多管式熱管的制作方法
【專利摘要】一種脈沖型多管式熱管，利用互相并行且彎曲成多個蛇狀回路的多管體當中，藉由接上截面大于該多管體的總截面的至少一腔室，或在多管當中，設置面對面相鄰管壁上的兩相連通的至少一對穿孔，使得流動于多管體當中的工作流體，因經由該些腔室或該些相連通的穿孔，而相互交叉流動以增大多管體當中的壓力差，因而增進散熱效果并成功地克服傳統單管式熱管的水平啟動問題。
【專利說明】脈沖型多管式熱管
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種做散熱用的熱管，尤其涉及一種配置有截面大于該多管的總截面的至少一腔室，或設置有至少一對穿孔的一種脈沖型多管式熱管。
【背景技術】
[0002]熱管具有良好的熱傳性能，因此被廣泛地應用在電子元件的散熱，特別是在個人計算機以及筆記型計算機的中幾乎都可以看見熱管的運用。通常，面臨平面發熱形式的散熱需求時，設計上必須同時采用多支熱管，方能滿足散熱的需求。可是，多支熱管的使用會造成散熱設計、散熱模組組裝與制作上的困難。因此，面對平面放置發熱形式的散熱要求時，平板型熱管(Vapor Chamber)會是較傳統熱管為合適的傳熱元件。
[0003]運用具有毛細作用的平板型熱管，其困難在于毛細作用的結構燒結制作，其主要原因如下:1、平板型熱管越大型，毛細作用結構的均勻度越難以控制，因而容易導致性能不穩定；2、平板型熱管越大型，用于燒結毛細作用結構的燒結爐也必須加大，從而導致成本增力口，量產速度降低；3、退火后的平板型熱管，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的強度。既然因為毛細作用結構的燒結，會衍生出許多制作上的問題，因此具有震蕩式或脈沖型(pulsating heat pipe or oscillating heat pipe)作用的熱管便成為平面傳熱的另一種選擇。
[0004]現有的脈沖型熱管的整體結構相當簡單，其是由單管的細管連接而成。脈沖型熱管的驅動力是藉由較小的管徑所產生的毛細作用力、工作液體所受的重力以及受熱產生的汽泡壓力來使熱管產生動作。然而傳統單管脈沖型熱管，其毛細作用力是相當有限的，因此傳統脈沖型熱管的運作主要還是利用重力。由于傳統脈沖型熱管的運作主要靠的是重力，因此當熱管處于水平或是受熱端高于散熱端的狀況時，熱管將無法運作。雖然Shafii等人發表的論文，使用磁性流體并輔以外部磁場控制、中國臺灣1387718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，而使脈沖型熱管失效，故無法解決負角度啟動的問題，且熱阻無法獲得改善。此一使用上的限制構成脈沖型熱管運用在平面傳熱要求的一主要的挑戰。
【發明內容】
[0005]本發明為了解決單管脈沖型熱管處于水平或是受熱端高于散熱端的狀況時(負角度)，該熱管將無法運作的問題，提供一種脈沖型多管式熱管，為具有脈沖型作用的熱管。
[0006]為達上述目的，本發明提供一種脈沖型多管式熱管，其包括:
[0007]至少二個金屬管，分別具有多個蛇形回路，且互相并行；以及
[0008]至少一個腔室，與至少二個金屬管的兩端連通形成一種脈沖型多管式熱管。
[0009]為達上述目的，本發明提供一種脈沖型多管式熱管，其包括:
[0010]至少二個金屬管，分別具有多個蛇形回路；
[0011]至少一個腔室，與至少二個金屬管的兩端連通形成一種脈沖型多管式熱管，其中該些金屬管分別位在腔室的兩端，且不互相并行。
[0012]為達上述目的，本發明提供一種脈沖型多管式熱管，其包括至少二個金屬管，其一端分別具有多個蛇形回路，且互相并行，在該至少二個金屬管另一端平行相疊同一位置的管壁，分別形成一穿孔，然后再將該金屬管于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，形成一脈沖型多管式熱管。
[0013]本發明提供的脈沖型多管式熱管，包含:多根金屬管所形成，每根金屬管包含多個蛇形回路，并各自圍繞成一封閉系統；并使用一個或多個腔室將該多個脈沖型熱管連通，或在多管式熱管在面對面相鄰位置，分別形成多個穿孔，再將多管式熱管于多個穿孔兩端位置焊接，通過多根金屬管連通的方式，產生不平衡的體積充填量，并且在作動時，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，完成傳熱的效果。本發明實施例包括多個相同管徑的蛇形回路，并分別有一個或多個腔室將該多個脈沖型熱管連通，亦可使用多個不相同管徑的蛇形回路，并分別有一個或多個腔室將該多個脈沖型熱管連通。
[0014]通過多根金屬管連通的方式，產生不平衡的體積充填量，并且在作動時，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，完成傳熱的效果。本發明實施例包括多個相同管徑的蛇形回路，并分別有一個或多個腔室將該多個脈沖型熱管連通，亦可使用多個不相同管徑的蛇形回路，并分別有一個或多個腔室將該多個脈沖型熱管連通。
[0015]以下結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細描述，但不作為對本發明的限定。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1為本發明第I實施例的脈沖型熱管的示意圖；
[0017]圖2為本發明第2實施例的脈沖型熱管的示意圖；
[0018]圖3為本發明第3實施例的脈沖型熱管的示意圖；
[0019]圖4為本發明第4實施例的脈沖型熱管的示意圖；
[0020]圖5為本發明第5實施例的脈沖型熱管的示意圖；
[0021]圖6為本發明第I實施例腔室與金屬管連通方式；
[0022]圖6A?圖6C為圖6實施例的工作流體的流動狀態；
[0023]圖7為本發明第6實施例無腔室連通管方式；
[0024]圖7A為本發明無腔室連通管方式另一實施例；
[0025]圖8為本發明一實施例的脈沖型熱管水平放置的熱阻曲線圖；
[0026]圖9為本發明一實施例的脈沖型熱管負90度放置的熱阻曲線圖；
[0027]圖10為本發明一實施例的脈沖型熱管正90度，負90度及負45度放置的熱阻曲線圖。
[0028]其中，附圖標記
[0029]脈沖型多管式熱管:1、2、3、4、5
[0030]金屬管:11、12、21、22、31、32、41、42、43、51、52、61、62
[0031]蛇形回路:13、53、54
[0032]腔室:14、33、34、55
[0033]受熱區:15、56
[0034]冷凝區:16、57、58
[0035]穿孔:63、64、65
[0036]管徑:D
[0037]高度:H
[0038]腔室的長度:L1
[0039]穿孔的長度:L2
【具體實施方式】
[0040]下面結合附圖對本發明的結構原理和工作原理作具體的描述:
[0041]圖1發明本發明第一實施例，揭示一種脈沖型多管式熱管1，為具有脈沖型作用的熱管，包含:兩個相同管徑的金屬管11、12所形成，每個金屬管11、12的一端包含多個蛇形回路13，并各自圍繞成一封閉系統，且兩個相同管徑的金屬管11、12互相并行，并使用一個腔室14將該兩個金屬管11、12連通形成一種脈沖型熱管I。該脈沖型熱管I的一端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的位置不限定在冷凝區，在脈沖型熱管I的其他位置，亦在本專利范圍內。
[0042]圖2發明本發明第二實施例，揭示第二種脈沖型多管式熱管2，請參照圖1發明本發明第一實施例，僅兩個金屬管21、22的管徑不相同而已，其余均相同，故不再說明。
[0043]圖3發明本發明第三實施例，揭示第三種脈沖型多管式熱管3，請參照圖1發明本發明第一實施例，僅兩個相同管徑的根金屬管31、32使用兩個腔室33、34，將該兩個金屬管31、32脈沖型熱管連通不相同而已，其余均相同，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脈沖型熱管連通，或兩個腔室33、34在脈沖型熱管I的其他位置，亦在本專利范圍內。
[0044]圖4發明本發明第四實施例，揭示第四種脈沖型多管式熱管4，請參照圖1發明本發明第一實施例，僅三個相同管徑的金屬管41、42、43所形成脈沖型熱管4不相同而已，其余均相同，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沖型熱管連通，亦在本專利范圍內。
[0045]圖5發明本發明第五實施例，揭示第五種脈沖型多管式熱管5，由兩個不相同管徑尺寸的金屬管51、52所形成，每個金屬管的一端包含多個蛇形回路53、54，并各自圍繞成一封閉系統，且該多個蛇形回路53、54分別在脈沖型熱管5的一端，并于金屬管51、52的另一端使用一個腔室55將該兩個脈沖型熱管連通形成一種脈沖型熱管5，其中該些金屬管51、52分別位在腔室55的兩端，不互相并行。該脈沖型熱管5的中間部分56為受熱區(亦可為冷凝區)，該多個蛇形回路53、54分別在脈沖型熱管5的一端57、58分別為冷凝區(亦可為受熱區)，本實施例使用相同管徑，或使用二個以上腔室將該兩個脈沖型熱管連通，亦在本發明范圍內。上述脈沖型熱管I內的工作流體由腔室14上開一注入口注入，當工作流體注入完畢后，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，其余上述四種實施例的工作流體充填方式亦相同。
[0046]必須說明的是，上述圖1所示金屬管11、12分別具有不同方向的雙斜線，是為了明確區別金屬管11、12，并非表示其為剖視結構，同理，圖2至圖5的金屬管21、22、41、42、43、51、52分別具有的雙斜線也是為了明確區別不同金屬管。
[0047]圖6為上述第一實施例腔室14與金屬管11，12連通方式，為將該兩個脈沖型熱管連通形成一種脈沖型熱管I的結構，先于腔室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內部后再焊接。此外，例如當金屬管11、12的管徑為D時，腔室14的寬度(圖中未示出)與高度H分別為2D到10D，而長度LI為2D到20D，D可例如為0.1到8.0_。當脈沖型熱管I的受熱區15 (請參閱圖1)受熱時，工作流體會蒸發而增加蒸汽壓力，進而推動工作流體的流動。高溫高壓的工作流體將會流至冷凝區16(請參閱圖1)，亦即將熱由高溫的受熱區15送至低溫的冷凝區16，以達到熱量傳遞的效果。本發明的工作流體流動狀態請參閱圖6A?圖6C為于金屬管11、12內標示網點的部分示意工作流體，而中空箭頭示意工作流體流向。如圖6A所示，當金屬管11、12右邊工作流體的壓力大于左邊工作流體的壓力，將使得在腔室14內部的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左邊工作流體的壓力大于右邊工作流體的壓力，將使得在腔室14內部的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左邊的工作流體的壓力大于金屬管11右邊工作流體的壓力時，將造成腔室14內部的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工作流體產生的壓力差大于單管的壓力差，造成工作流體交叉流動，使流體隨機分布，形成非均勻充填量，產生不平衡的力，成功地克服脈沖型熱管水平啟動問題。并且可操作在負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。其余上述四種實施例的腔室I與金屬管11，連通方式及工作流體交叉流動原理亦相同。
[0048]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所不,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于該位置焊接。又如圖7A為本發明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在面對面相鄰位置的外側，使用鉆頭鉆成一穿孔65后，再于金屬管61、62于該位置的管壁，鉆成兩穿孔63、64，再使用相同方法焊接，并將穿孔65焊接封閉，且該穿孔63、64處與該至少二個金屬管連通，形成一脈沖型多管式熱管，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的五個實施例，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的連通方式。此外，例如當金屬管61、62的管徑為D時，穿孔63、64的長度L2為2D到20D, D可例如為0.1到8.0mm。
[0049]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的管路，亦在本發明范圍內。
[0050]【實驗范例】
[0051]在本實驗范例中，分別以圖1實施例的結構制作一傳統脈沖型單管式熱管與一本發明的脈沖型多管式熱管。本發明的脈沖型多管式熱管與傳統脈沖型單管式熱管皆抽真空，然后再分別填充約占總流道系統體積百分的60的工作流體。接著，再對本發明的脈沖型多管式熱管與傳統脈沖型單管式熱管分別施以不同的熱量(Qin)，并調整本發明的脈沖型多管式熱管與傳統脈沖型單管式熱管的角度，以量測本發明的脈沖型多管式熱管與傳統脈沖型單管式熱管的受熱端(TH)與散熱端(TL)的溫度，最后藉由熱阻(Rth)計算公式:
[0052]Rth 一 (TH_TL) /Qin
[0053]計算在各操作角度下，本發明的脈沖型多管式熱管與傳統脈沖型單管式熱管的熱阻與加熱量時間及等效熱傳導系數keff (W/mK)的曲線，藉以比較兩者的性能。
[0054]圖8，圖9及圖10分別為傳統脈沖型單管式熱管與本發明一實施例的脈沖型熱管在各角度的熱阻曲線圖，橫坐標為加熱時間(秒)，縱坐標為熱阻CC/W)。從圖8可發現，傳統脈沖型單管式熱管在水平放置，即操作角度為O度時，不論加熱量時間，其熱阻無甚變化，且均在7V /W以上，無法發揮其散熱功能，傳統非均勻流道脈沖型單管式熱管在水平放置時，熱阻均在0.5-0.7V /W，熱傳導系數平均值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，本發明的脈沖型多管式熱管在水平放置時，其熱阻0.07-0.40C /W，熱傳導系數平均值kavg為5524 (W/mK)，從圖9可發現，傳統非均勻流道脈沖型單管式熱管在負90度放置時，平均熱阻均在6.40C /W，且溫度不改變，亦即傳統非均勻流道脈沖型單管式熱管在負90度放置時，無法作動產生散熱效果，本發明的脈沖型熱管在負90度放置時，其平均熱阻才0.16°C /W，且溫度上下震蕩，證明本發明的脈沖型熱管在負90度放置時，仍然作動產生傳熱效果。圖10顯示本發明的脈沖型多管式熱管在正90度，負90度及負45度放置時，熱阻變化均小于20%，重力影響散熱效果很小。此外，本發明的脈沖型熱管內的工作流體填充率為30?80%(體積比)。
[0055]綜上所述，本發明的脈沖型熱管由于通過多管連通的方式，產生不平衡的體積充填量，并且在作動時，該充填的工作流體在金屬管體內會起動態的變化、交替，可長時間處于作用力的不平衡狀態，使得本發明的脈沖型熱管可在水平、負角度作動。
[0056]本發明利用多個脈沖型熱管，并使用一個或多個腔室將該多個脈沖型熱管連通，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，不僅成功克服脈沖型熱管水平啟動問題。多個脈沖型熱管在少彎頭數，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，完成傳熱的效果。
[0057]當然，本發明還可有其它多種實施例，在不背離本發明精神及其實質的情況下，熟悉本領域的技術人員當可根據本發明作出各種相應的改變和變形，但這些相應的改變和變形都應屬于本發明所附的權利要求的保護范圍。
【權利要求】
1.一種脈沖型多管式熱管，其特征在于，包括: 至少二個金屬管，分別具有多個蛇形回路，且互相并行；以及 至少一個腔室，與至少二個金屬管的兩端連通。
2.根據權利要求1所述的脈沖型多管式熱管，其特征在于，該至少二個金屬管的管徑相同。
3.根據權利要求1所述的脈沖型多管式熱管，其特征在于，該至少二個金屬管的管徑不相同。
4.根據權利要求1所述的脈沖型多管式熱管，其特征在于，該至少二個金屬管的管徑為 0.1 到 8.0_。
5.根據權利要求1所述的脈沖型多管式熱管，其特征在于，該腔室的寬度與高度為2D到10D，長度為2D到20D，其中，D為該金屬管的管徑。
6.根據權利要求1所述的脈沖型多管式熱管，其特征在于，該脈沖型多管式熱管內填充工作流體，該工作流體受熱時，能夠在水平或負90度狀態下操作。
7.根據權利要求6所述的脈沖型多管式熱管，其特征在于，該脈沖型多管式熱管內的工作流體填充率，其體積比為30?80%。
8.根據權利要求1所述的脈沖型多管式熱管，其特征在于，該多個蛇形回路的一端為受熱區，另一端為冷凝區。
9.一種脈沖型多管式熱管，其特征在于，包括: 至少二個金屬管，分別具有多個蛇形回路； 至少一個腔室，與至少二個金屬管的兩端連通形成一種脈沖型多管式熱管，其中該些金屬管分別位在腔室的兩端，且不互相并行。
10.根據權利要求9所述的脈沖型多管式熱管，其特征在于，該至少二個金屬管的管徑相同。
11.根據權利要求9所述的脈沖型多管式熱管，其特征在于，該至少二個金屬管的管徑不相同。
12.根據權利要求9所述的脈沖型多管式熱管，其特征在于，該至少二個金屬管的管徑為 0.1 到 8.0_。
13.根據權利要求9所述的脈沖型多管式熱管，其特征在于，該腔室的寬度與高度為2D到10D，長度為2D到20D，其中，D為該金屬管的管徑。
14.根據權利要求9所述的脈沖型多管式熱管，其特征在于，該脈沖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。
15.根據權利要求14所述的脈沖型多管式熱管，其特征在于，該脈沖型多管式熱管內的工作流體填充率，其體積比為30?80%。
16.根據權利要求9所述的脈沖型多管式熱管，其特征在于，該多個蛇形回路的中間為受熱區，另兩端分別為冷凝區。
17.—種脈沖型多管式熱管，其特征在于，包括至少二個金屬管，其一端分別具有多個蛇形回路，且互相并行，在該至少二個金屬管另一端平行相疊同一位置的管壁，分別形成一穿孔，然后再將該金屬管于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，形成一脈沖型多管式熱管。
18.根據權利要求17所述的脈沖型多管式熱管，其特征在于，該至少二個金屬管的管徑相同。
19.根據權利要求17所述的脈沖型多管式熱管，其特征在于，該至少二個金屬管的管徑不相同。
20.根據權利要求17所述的脈沖型多管式熱管，其特征在于，該至少二個金屬管的管徑為0.1到8.0mm。
21.根據權利要求17所述的脈沖型多管式熱管，其特征在于，該穿孔的長度為2D到20D,其中，D為該金屬管的管徑。
22.根據權利要求17所述的脈沖型多管式熱管，其特征在于，該脈沖型多管式熱管內填充工作流體，該工作流體受熱時，能夠在水平或負90度狀態下操作。
23.根據權利要求22所述的脈沖型多管式熱管，其特征在于，該脈沖型多管式熱管內的工作流體填充率，其體積比為30?80%。
24.根據權利要求17所述的脈沖型多管式熱管，其特征在于，該多個蛇形回路的一端為受熱區，另一端為冷凝區。
【文檔編號】F28D15/02GK104422319SQ201310439322
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2013年9月24日 優先權日:2013年9月2日
【發明者】曾智勇 申請人:財團法人工業技術研究院