专利名称：薄型环路式散热装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种散热装置，特别是关于一种无须外加动力即可将发热组件热量快速散发之薄型环路式散热装置。
背景技术：
随着电子信息产业的快速发展，高科技电子产品正朝向更轻薄小巧及多功能、快速的趋势发展，然而在电子元件运作频率及速度不断提升下，将使其每单位面积所释出的热量(热通量)愈来愈高，严重威胁电子元件的运作性能及稳定性，甚至因高温而烧毁该等昂贵的电子元件，基于散热装置的优劣将直接影响电子元件的寿命及运作品质，为确保电子元件的正常运作，必需对电子元件进行有效且快速的散热。唯现有单独强制风冷式散热装置很难满足高频高速电子元件发展之散热需求，因为如果单以提高风扇转速会造成过大的噪音与振动问题，如果单以增加散热面积又违背轻薄小巧的市场产品需求。欲使高科技电子产品发挥应有的功能，设计出具有高效率、质量轻、超静音、且随电子元件不同操作功率自动调节移热能力、并能随产品既有狭小空间作弹性设计之散热装置，已成为业界发展下一代先进电子产品的重要挑战与机会。
目前已有许多不同结构与型式之散热装置可供应用于计算机微处理器(CPU)的散热，最典型的例子是利用热管进行传热以提升传热效果，其操作原理是藉由工作流体之汽、液两相变化的潜热来传递热量，即在热管的蒸发段藉蒸发潜热自热源带走大量热量，使蒸汽快速通过原已抽成真空的管内空间，并在热管的冷凝段凝结成液体且释放热能，而冷凝后的液体靠贴于金属管内壁的毛细结构所提供的毛细力快速回流至蒸发段，达到持续相变化循环以传递热能的功效。唯现有热管技术仍有待克服的严重缺点，主要体现在由于蒸汽与回流液体系于同一管中作逆向流动，会阻碍液体藉毛细力的回流，进而限制热管的最大传热能力，而当回流的液体不足以提供蒸发所需的量时，会发生干化(dry-out)现象而导致计算机微处理器急速升温。
于是为避免上述缺点，乃有环路式热管的开发。环路式热管的构成通常包括蒸发器、冷凝器、蒸汽导管及回流导管，该蒸发器内设有毛细结构并填充有适量的工作液体，该蒸汽导管与回流导管均分别连接该蒸发器与冷凝器以构成一环路热传路径，其操作原理为藉由蒸发器吸收电子元件的热量而使工作流体汽化，产生的蒸汽经由蒸汽导管传递至冷凝器放出热量后冷凝成液体，并藉由回流导管返回蒸发器而继续下次循环，以达到利用相变化的潜热来传递热量的功效，其优于传统非环路热管之处主要在于工作流体汽、液两相分别以不同的流道进出蒸发器，使两相的流动不互相干扰而将热量传至冷凝器散出。唯在实务上环路式热管仍存在有须克服的缺点，体现在工作液体在蒸发器内受热汽化后，压力会迫使产生的蒸汽除沿蒸汽导管方向行进外，还会沿回流导管逆流，从而破坏原有循单一方向传热的机制，同时亦阻碍冷凝后的工作液体及时补充蒸发所需的量，容易引发蒸发器干化现象。
发明内容为解决环路式热管中工作液体回流不顺畅及单一方向循环传热被蒸汽破坏的技术问题，有必要提供一种能够沿单一方向循环且高效传热的薄型环路式散热装置。
该薄型环路式散热装置包括一蒸发器、一冷凝器、一蒸汽导管及一回流导管，该蒸发器内形成一腔体并充填有工作流体，该腔体被区分为蒸发区与液相微流之通道区，该工作流体在蒸发区吸收热量后产生蒸汽并经由该蒸汽导管到达该冷凝器冷却成液态，该冷却液再经由该回流导管而返回至该蒸发器，以构成一密闭的热传导环路，该蒸发器上设有减少蒸汽蓄积于通道区之结构。
作为进一步改进，该蒸发器的腔体由上盖板与下盖板密闭形成，该减少蒸汽蓄积于通道区之结构为于下盖板上并正对该蒸发器的蒸发区所设置的较厚的均热段，或者为于蒸发器上正对通道区设置的一散热部。
上述薄型环路式散热装置通过在蒸发器上设置减少蒸汽蓄积于通道区之结构，可以减少蒸汽在通道区的蓄积，以确保沿单一方向循环传热的机制不被破坏且使冷凝后的工作液体能顺利回流至蒸发区以补充蒸发所需的量，降低工作液体回流至蒸发区的阻力并防止干化现象。具体而言，于蒸发区设置的较厚的均热段可以减少传递给通道区的热量，而间接减少蒸汽在通道区的生成；而于通道区设置散热部可以降低该区的温度，促使在该区聚集的蒸汽冷凝成液态，藉此从整体上减少蒸汽在通道区的蓄积，确保沿单一方向循环且高效传热。
下面参考附图，结合实施例对本发明作进一步描述。
图1是本发明薄型环路式散热装置第一个实施例之外观立体示意图。
图2是图1中的蒸发器由II-II截面所视之剖面图。
图3是图1中的蒸发器除去上盖板之一立体示意图。
图4是本发明薄型环路式散热装置第二个实施例之外观立体示意图。
图5是图4中蒸发器由V-V截面所视之剖面图。
图6是本发明薄型环路式散热装置第三个实施例之外观立体示意图。
图7是图6中蒸发器由VII-VII截面所视之剖面图。
图8是图6中蒸发器由底部所视之示意图。
图9是本发明薄型环路式散热装置第四个实施例之外观立体示意图。
图10是本发明薄型环路式散热装置第五个实施例之外观立体示意图。
具体实施方式图1为本发明薄型环路式散热装置第一个实施例之外观立体示意图，该散热装置10包括一蒸发器20、一蒸汽导管30、一冷凝器40以及一回流导管50。该蒸发器20之一侧壁于相对位置上分别设有出口201与入口202，该蒸汽导管30与回流导管50为可绕性金属或可绕性非金属管件，分别连通该蒸发器20之出口201与入口202，并与远程之冷凝器40连接，从而相互连通构成一热传导密死循环路。该冷凝器40可为任何现有之散热结构，比如散热鳍片、风扇、水循环散热装置等，旨在将传递至此处的蒸汽释放热量并冷却成液态。该蒸发器20形成为平板状，结合图2所示，其由上盖板210与下盖板220密闭构成一密封的扁平腔体，该下盖板220底部朝向回流导管50一侧为一较薄之遏止段221而朝向蒸汽导管30一侧为一较厚的均热段223，该均热段223的适当位置凸设一吸热面225供发热组件接触传热。该腔体可藉由另一侧壁上的填充管203充入一定量的可随发热组件温度变化而产生不同沸腾程度的工作流体(图未示)，待腔体内抽真空后即可将该填充管203密封而构成该腔体，该工作流体可以是冷媒、水、乙醇、甲醇、丙酮、庚烷、氨水及其混合物。该蒸发器20的上、下盖板210、220系由导热性良好材质制成的内凹状薄盖体，其中上盖板210周缘具有易于与下盖板220结合密封及定位的接面(未标示)。
图3为揭示蒸发器20除去上盖板210之立体示意图，该腔体内设置有毛细结构230，被蒸发器20腔体紧密包覆的毛细结构230可为由多层紧实堆栈的金属网紧密贴服于腔体的上盖板210与下盖板220内壁所形成的微流道结构，该金属网系由金属线编织成交错的网目，该毛细结构230除了各层金属网原有的网目所形成的微流道外，多层紧实的金属网中的各层之间亦形成更多的毛细微流道，为回流液体提供强大的毛细力。当然，该毛细结构230除了为金属网之外，还可为纤维束或者为粉末烧结结构。
该蒸发器20之腔体正对下盖板220之遏止段221区域被毛细结构230充满而形成液相微流之通道区231，而腔体正对下盖板220之均热段223区域则形成蒸发区232，部分毛细结构230沿中心凸伸入蒸发区232内并涵盖下盖板220位于中心的吸热面225，另有部分毛细结构230沿蒸发器20的两侧凸伸入蒸发区232内，致使该毛细结构230同时跨设于该通道区231及蒸发区232，如此使蒸发区232的毛细结构230在工作流体被蒸发后，便可以藉由毛细力从通道区231中将工作流体吸附过来而不断产生汽化过程。另外，该蒸发区232未设置毛细结构的区域形成一用于容纳蒸汽的蓄积区233。该蓄积区233与蒸汽导管30接通以使产生的蒸汽能顺利地流出蒸发器20，该蓄积区233具有较大的流动空间，使得腔体内不致因汽化膨胀而产生过高的饱和压力。为更加速冷凝液体回流，该回流导管50之管壁内亦可设置毛细结构501，其可由卷曲的金属网构成，或者为粉末烧结结构或微细沟槽结构，以提供回流液体进入通道区231的毛细力。
操作时，先将下盖板220的吸热面225与发热组件的热表面之间涂上热接口材质(TIM)并使其紧密服贴，下盖板220的均热段223吸收发热组件产生的热量并均匀分布，再将热量传至腔体中由该均热段223所涵盖的蒸发区232内的毛细结构230，将蕴含于其中的工作流体迅速产生汽化，成为急速膨胀的蒸汽，由于该蒸汽在通道区231的流阻甚高，必然顺利进入周边不含毛细结构230且宽敞的蓄积区233，接着在蒸汽压力下进入蒸汽导管30并于冷凝器40中冷却后，冷却液体再经由回流导管50并藉由回流导管50中的毛细结构501回流至蒸发器20的通道区231，然后由该蒸发区232内的毛细结构230将工作流体由该通道区231送至该蒸发区232，从而形成一具有汽、液分离且确保液进汽出的蒸发器20，以驱动一朝单方向进行高效率散热的热循环环路。
由于该蒸发器20的下盖板220与发热组件接触的部分为较厚的均热段223，而远离发热组件的部分为较薄的遏止段221，该均热段223一方面具有均热的功能，将来自发热组件的热量遍布于整个均热段223并充分传递给腔体内由该均热段223所涵盖的毛细结构230中；另一方面，由于均热段223与遏止段221之间形成段差且遏止段221厚度较薄，如此配置可使由均热段223往遏止段221方向传递的热量降至更少，减少由于传递至遏止段221的热量使得通道区231上的工作流体蒸发而在该区形成过多的蒸汽，造成蒸汽在该通道区231蓄积，甚至沿回流导管50逆流，且该区蓄积的过多蒸汽亦会阻碍冷凝后的工作液体及时补充至蒸发区232，容易引发干化现象。
本发明的蒸发器20内的腔体被区隔形成低流阻的蓄积区233，使回流到蒸发区232毛细结构230中的工作流体能快速汽化，并从蓄积区233直接汇流进入蒸汽导管30，达到降低热阻以进一步强化散热效率之功效；而于蒸发区232设置较厚的均热段223，使回流之工作流体得以充分吸热汽化，且可藉由设置遏止段221于涵盖大部份的通道区231，扼阻由下盖板220中涵盖蒸发区232之均热段223将热量传导至远离涵盖通道区231之遏止段221，有效遏止蒸发区232的热量沿下盖板220直接传导到该通道区231的工作流体而使其升温汽化之侧向热传导效应，防止过多蒸汽在通道区231蓄积，有效降低液态介质流入蒸发区232毛细结构230中之流阻。藉此，工作流体不但可顺利被送达蒸发区232的毛细结构230中，且可同时发挥高效率的移热功能，有效防止干化现象及提升移热容量。
由于当蒸发器20的均热段223吸热时，在接近蒸发区232的通道区231中之工作流体，亦会直接受到邻近高温蒸发区232的蒸汽膨胀溢散所造成的热对流效应，导致上述接近加热区的通道区231中之工作流体升温汽化，进而阻碍回流的工作流体藉由毛细结构230顺利送达蒸发区232，致使工作流体进入蒸发区232的流阻增加，如此将导致蒸发区232的干化而急速升温。有鉴于此，在图4与图5所揭示之本发明薄型环路式散热装置的第二个实施例中，其在蒸发器20a之上盖板210上并对应腔体内通道区231的位置设置有由若干散热鳍片构成的一散热部250，但该蒸发器20a之下盖板220a形成为厚度均一的结构。该散热部250之设置可降低蕴含于通道区231中的工作流体的温度，并同时遏止工作流体因受到高温蒸发区232内的蒸汽热对流效应而引起升温汽化的负面影响，减少蒸汽蓄积在通道区231，确保持续将工作流体顺利送达蒸发区232，有效防止干化现象，并防止蒸汽沿回流导管50逆流，使工作流体遵循单一方向进行高效率散热。实务上该散热部250还可采用目前现有的散热装置，例如风扇、热电致冷装置等。由于藉毛细结构230蕴含于通道区231中的工作流体存量较少，故欲降低其中流体的温度通常仅需很小的散热量即可，因此采用不需加装风扇的短散热鳍片，仅藉由增加散热面积的自然循环即可达成，因此，该散热部250可采用一低高度的散热鳍片，以适合于有扁平化设计需求的相关产品应用，如笔记型计算机。
而若无此散热部250之设计，则加热区的液体会汽化且随着时间的增加其将渐渐往四周传导开来，最后将连含毛细结构230的通道区231失去储水作用，在通道区231上方增加散热鳍片则将部份热量移走，以维持整个通道区231的毛细作用力。本发明在蓄积区233有空旷的空间，而通道区231毛细结构设计其空间小阻力大，因此，当有液态介质因吸热而产生汽化现象时，其蒸汽体积膨胀，此膨胀压力将迫使蒸汽流沿蒸汽导管30前进。若无此散热鳍片构造则此蒸汽与液态介质之接口线将因时间的增加而往通道区231移动，直到通道区231的毛细力失效，则液态介质无法有效且顺利回到蒸发区232以提供蒸发所需之液态介质量，最后可能导致环路失效。
图6至图8揭示为本发明薄型环路式散热装置的第三个实施例。其中，蒸发器20b的下盖板220形成为第一个实施例所示之厚度非均匀结构，且蒸发器20b的上、下盖板210、220之外壁上或其中之一的外壁上对应腔体内液态介质通道区231的位置还设置有一散热部250。藉此，下盖板220上设置之较厚的均热段223可有效遏止将热量传导至遏止段221上的侧向热传导效应，减少均热段223传导至远离蒸发区232之遏止段221上的热量，同时由于该侧向热传导效应而导致通道区231的工作流体升温汽化所产生的蒸汽量减少；而该上、下盖板210、220之外壁上或其中之一的外壁上所设置的散热部250可进一步降低蕴含于通道区231中的工作流体的温度，并遏止工作流体由于受到高温蒸发区232内的蒸汽热对流效应而引起升温汽化的负面影响，进一步降低蒸汽在通道区231中的蓄积，确保工作流体持续顺利补充至蒸发区232，促使环路热管循环散热的机制正常运行。另外，该设置于蒸发器20上、下盖板210、220外壁对应于通道区231的散热部250可与上、下盖板210、220一体成形制成，除可达到简化量产制程及降低成本的目的外，更因消除接口热阻而可进一步提升散热效率，且简化安装及提升可靠度。
本发明除可藉由设置于蒸发器20的毛细结构230与冷凝液回流导管50内的毛细结构510达到持续将回流的工作流体迅速送达蒸发器20的蒸发区232外，并结合设置于蒸发器20上、下盖板210、220外壁对应于通道区231的散热部250以及对应蒸发区232之较厚的均热段223功能，可同时克服现有技术中的蒸汽热对流效应及侧向热传导效应而阻碍工作流体顺利送达蒸发区232之困难，减少蒸汽在通道区231中的蓄积，有效防止干化现象，并由于流入蒸发区232之前的工作流体得以维持在较低温度，待其进入蒸发区232之后得以更有效的冷却发热组件，还可避免待机状态之低功率输出时发生工作流体自蒸发器20逐渐被推向回路空间，但却无法使足够的冷凝液回流到蒸发器20的蒸发区232，造成所谓的激活问题，且由于通道区231的毛细结构230设计对液相工作流体具有高毛细力吸附效益，但对汽化而急速膨胀的蒸汽或沸腾流体却具有高流阻特性，均确保本发明之薄型环路式散热装置朝单一方向进行高效率循环散热。
图9为本发明薄型环路式散热装置的第四个实施例之外观立体示意图，本实施例与前述第三个实施例的基本构成相似，唯，为达分担热负荷的目的，可以采用一个蒸发器20b配置一个以上的散热环路，以将热负荷由两个散热环路来分担以增加散热能力。
图10为本发明薄型环路式散热装置的第五个实施例之外观立体示意图，本实施例与前述第四个实施例的基本构成相似，唯，为达降低发热组件表面温度的散热功效并提升散热容量及防止干化现象，必须使蓄积区233内的蒸汽能顺畅通过蒸汽导管30到达冷凝器40散热，以免因蒸汽导管30的流阻过大而造成环路系统压力升高而造成的阻塞问题，因此，在实务上可以采用较大管径之蒸汽导管30及较小管径之回流导管50，或为扁平化、薄型化应用，可以采用每一散热环路上对应于蒸发器20b的蓄积区233并列配置一支以上的蒸汽导管30，以降低蒸汽在通往冷凝器40时所遭遇的阻力。
权利要求
1.一种薄型环路式散热装置，包括一蒸发器、一冷凝器、一蒸汽导管及一回流导管，该蒸发器内形成一腔体并充填有工作流体，该腔体被区分为蒸发区与液相微流之通道区，该工作流体在蒸发区吸收热量后产生蒸汽并经由该蒸汽导管到达该冷凝器冷却成液态，该冷却液再经由该回流导管而返回至该蒸发器，以构成一密闭的热传导环路，其特征在于该蒸发器上设有减少蒸汽蓄积于通道区之结构。
2.如权利要求1所述的薄型环路式散热装置，其特征在于所述蒸发器的腔体由上盖板与下盖板密闭形成。
3.如权利要求2所述的薄型环路式散热装置，其特征在于所述减少蒸汽蓄积于通道区之结构为于下盖板上并正对该蒸发器的蒸发区所设置的较厚的均热段。
4.如权利要求2所述的薄型环路式散热装置，其特征在于所述减少蒸汽蓄积于通道区之结构为于蒸发器上正对通道区设置的一散热部。
5.如权利要求4所述的薄型环路式散热装置，其特征在于所述该散热部为若干散热鳍片。
6.如权利要求4所述的薄型环路式散热装置，其特征在于所述该散热部设置于上、下盖板之至少其中一盖板上并正对该通道区。
7.如权利要求1所述的薄型环路式散热装置，其特征在于所述蒸发器的腔体内设置有毛细结构，该毛细结构跨设于蒸发器的通道区及蒸发区。
8.如权利要求7所述的薄型环路式散热装置，其特征在于所述毛细结构充满蒸发器的整个通道区且该毛细结构之其余部分伸入蒸发区内。
9.如权利要求7所述的薄型环路式散热装置，其特征在于所述蒸发器之腔体正对蒸发区的部分区域形成一容纳蒸汽的蓄积区。
10.如权利要求1所述的薄型环路式散热装置，其特征在于所述蒸汽导管及回流导管为绕性金属或绕性非金属管件。
11.如权利要求1所述的薄型环路式散热装置，其特征在于所述回流导管内设置有毛细结构。
12.如权利要求1所述的薄型环路式散热装置，其特征在于所述蒸发器上连接设有两个所述之热传导环路。
13.如权利要求1所述的薄型环路式散热装置，其特征在于所述热传导环路中并列设有多根蒸汽导管。
全文摘要
本发明公开了一种薄型环路式散热装置，包括一蒸发器、一冷凝器、一蒸汽导管及一回流导管，该蒸发器内形成一腔体并充填有工作流体，该腔体被区分为蒸发区与液相微流之通道区，该工作流体在蒸发区吸收热量后产生蒸汽并经由该蒸汽导管到达该冷凝器冷却成液态，该冷却液再经由该回流导管而返回至该蒸发器，以构成一密闭的热传导环路，该蒸发器上设有减少蒸汽蓄积于通道区之结构，以降低工作液体回流至蒸发区的阻力，确保沿单一方向循环且高效传热。
文档编号G06F1/20GK1893041SQ20051003593
公开日2007年1月10日 申请日期2005年7月8日 优先权日2005年7月8日
发明者刘泰健, 童兆年, 侯春树, 范智峰, 杨志豪 申请人:富准精密工业(深圳)有限公司, 鸿准精密工业股份有限公司