台湾专利TW201321703A 熱管及熱管製造方法

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专利摘要:
本發明揭露一種熱管及熱管製造方法。該熱管製造方法主要利用一中心棒插入一金屬管中，使得該中心棒緊密接觸該金屬管內側壁之一淨空區域；再將燒結粉末填充該中心棒與該金屬管間之空隙；最後進行燒結、取出該中心棒、封閉該金屬管。此時，該熱管即形成。使用上，可於該淨空區域處彎曲該熱管，由於該淨空區域處無燒結的粉末，故由燒結的粉末形成之毛細結構不會被破壞，該熱管內的工作流體流動路徑不會被中斷、影響，該熱管之熱傳遞效率得以維持，解決現有熱管一經彎曲即有熱傳遞效率明顯下降的問題。
公开号:TW201321703A
申请号:TW100142158
申请日:2011-11-17
公开日:2013-06-01
发明作者:Wei-Cheng Chou
申请人:Wistron Corp；
IPC主号:F28D15-00

专利说明:
熱管及熱管製造方法
本發明關於一種熱管及熱管製造方法，尤指一種以燒結粉末層作為毛細結構之熱管及熱管製造方法。
熱管利用毛細結構及工作流體之相變化提昇熱傳遞效率，其散熱效率明顯優於傳統單相熱傳遞效率。近年來已廣泛應用於3C產品之散熱元件上，不過於實際應用上，熱管皆須經過彎曲及壓扁等製程塑形以符合薄型散熱模組之設計。實驗結果顯示經過較大程度壓扁及彎曲塑性變形的熱管，其散熱效能有下降的趨勢。其原因是在彎曲與壓扁的過程中，熱管內部的毛細結構會分別受到壓應力與張應力作用，而有剝落與裂痕的情況出現，工作流體輸送的毛細作用力於是減弱，甚至停止輸送，嚴重影響熱管的熱傳性能。此外，於熱管彎曲時，其內側管壁承受壓應力而可能產生屈曲(buckling)現象，尤其是當管壁薄時，屈曲更易發生。管壁輕微的屈曲會造成工作流體流動路徑的改變，而管壁較嚴重的屈曲則會破壞毛細結構，甚至使毛細結構剝離管壁，造成工作流體流動路徑中斷、工作流體滯留等問題。故目前業界多於彎曲角度小於90度、彎曲半徑大於熱管外徑的三倍的條件下彎曲熱管。然而，在目前電子裝置小型化的趨勢下，熱管需作大角度、小半徑之彎曲已難避免，故如何使熱管於大角度、小半徑之彎曲後仍能保有不錯的熱傳遞效率，已久為業界極思克服的課題。
鑑於先前技術中的問題，本發明的目的之一在於提供一種熱管，其具有無毛細結構區域，故該熱管即可於此區域彎曲，可避免破壞該熱管內其他區域之毛細結構，使得該熱管之熱傳遞效率不因前述彎曲製程而有明顯的影響。
本發明之熱管包含一金屬管及一燒結粉末層。該金屬管之內側壁上定義一淨空區域，該燒結粉末層形成於該內側壁上但未覆蓋該淨空區域，即該淨空區域上無該燒結粉末層。此燒結粉末層即作為該熱管之毛細結構。進一步地，該熱管可被彎曲以於該金屬管上形成一彎曲部，該淨空區域位於該彎曲部之內側或外側。因此，該熱管因彎曲可能產生較嚴重的結構影響主要限制在未有毛細結構之該淨空區域，故該熱管內其他區域之毛細結構得以保持完整，使得該熱管之熱傳遞效率不因前述彎曲製程而有明顯的影響。
本發明之另一目的在於提供一種熱管製造方法，用以製造本發明之熱管。
本發明之熱管製造方法包含下列步驟：準備一金屬管，該金屬管具有一封閉端及一開口端，其中於該金屬管之內側壁上定義一淨空區域；固定該金屬管；準備一中心棒；將該中心棒自該開口端插入該金屬管內固定並使該中心棒緊密接觸該淨空區域，其中該中心棒與該金屬管間存有一空隙；以一燒結粉末填充該空隙；對該燒結粉末進行燒結以形成一燒結粉末層；以及取出該中心棒。該熱管製造方法可進一步注入一工作流體並封閉該開口端，即完成本發明之熱管。於實作上，該熱管製造方法可利用偏心固定該中心棒或利用具有滑塊結構之中心棒以實現未有該燒結粉末層覆蓋之該淨空區域，但本發明仍不以此為限。
簡言之，本發明之熱管製造方法製造之熱管具有無毛細結構覆蓋之淨空區域。若有需要時，即可於該淨空區域彎曲該熱管，使得因彎曲而產生較嚴重的結構影響能主要限制在該淨空區域，進而抑制變形的結構對該熱管整體毛細結構的影響。因此，該熱管之熱傳遞效率不因前述彎曲製程而有明顯的影響，解決現有熱管一經彎曲即有熱傳遞效率明顯下降的問題。此外，本發明之熱管因該淨空區域無毛細結構，故可於該淨空區域承受大角度、小半徑之彎曲，有助於該熱管的形塑，以適應小型化裝置的設置空間限制。
關於本發明之優點與精神可以藉由以下的發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。
請參閱第1至第6圖，第1圖為根據本發明一第一實施例之熱管製造方法之流程圖，第2至第6圖為根據該第一實施例之一熱管1(如第6圖所示)製造流程示意圖。該熱管製造方法首先準備一金屬管10，如步驟S100所示；接著利用一治具3將金屬管10固定，如步驟S110所示。固定後，如第2圖所示，其中金屬管10及部分治具3以剖面表示。金屬管10具有一封閉端12及一開口端14，金屬管10之開口端14朝上固定。金屬管10之內側壁16上定義一淨空區域18，以影線表示其範圍。
接著，該熱管製造方法準備一中心棒4，如步驟S120所示；將中心棒4自開口端14插入金屬管10內固定並使中心棒4緊密接觸淨空區域18，如步驟S130所示。固定後，如第3圖所示；其中，淨空區域18因被中心棒4遮蓋住，故未顯示於第3圖中，金屬管10與中心棒4之截面如第4圖所示，第4圖之剖面位置如第3圖中線X-X所示，淨空區域18於第4圖中即中心棒4與金屬管10之接觸面。於該第一實施例中，中心棒4係相對金屬管10偏心固定，亦即中心棒4之中心偏離金屬管10之中心；中心棒4與金屬管10間存有一空隙20。當中心棒4具有磁性時，例如不銹鋼(JIS SUS410)，中心棒4之固定可藉由治具3直接固定(例如治具3之夾頭32)外，亦可準備一條狀磁鐵5對應淨空區域18貼附於金屬管10外側以吸附中心棒4緊密接觸淨空區域18，並產生固定中心棒4之功效；於該第一實施例中，中心棒4之固定兼採兩種方法。另外，於該第一實施例中，為使中心棒4緊密接觸淨空區域18，中心棒4之載面輪廓與金屬管10於淨空區域18之載面輪廓相匹配。
補充說明的是，一般熱管多為銅製，原則上銅製品不具磁性，磁鐵無法直接藉由磁吸作用貼附於銅管上，故於實作上，前述條狀磁鐵5可與金屬管10一併以治具3固定，如第2圖及第3圖所示；但本發明不以此為限。另外，一般固定中心棒4之機構多以中心棒4之端部為施力點，中心棒4中間部分通常無承受機械力。而於該第一實施例中，如第3圖所示，中心棒4之一端頂住金屬管10之封閉端12，中心棒4露出金屬管10之部分以治具3夾持，中心棒4中間部分尚受到條狀磁鐵5之磁吸作用有助於中心棒4於震動時能保持與淨空區域18之緊密接觸，可有效避免於震動時燒結粉末落入淨空區域18；但本發明仍不以此為限。
接著，該熱管製造方法以一燒結粉末22a填充空隙20，如步驟S140所示；填充後，如第5圖所示。於該第一實施例中，金屬管10係銅管，燒結粉末22a採用燒結銅粉末，以增強燒結粉末22a與金屬管10間之結合強度。為使燒結粉末22a(以影線表示於第5圖中)能均勻密實堆積，該熱管製造方法可利用震動盤或類似裝置震動金屬管10(連同中心棒4、治具3等)以使燒結粉末22a均勻密實堆積。但本發明不以此為限。之後，該熱管製造方法將金屬管10(連同中心棒4、治具3等)置入加熱爐中以對燒結粉末22a進行燒結以形成一燒結粉末層22b，如步驟S150所示；此燒結粉末層22b即作為熱管1之毛細結構。由於中心棒4緊密接觸淨空區域18，故燒結粉末層22b未覆蓋淨空區域18。於該第一實施例中，燒結粉末層22b即一銅燒結粉末層；但本發明不以此為限。原則上，燒結粉末22a採用與金屬管10之材料相同材料或採用能與金屬管10之材料反應形成緊密結合之材料，例如反應形成反應層，即可產生不錯的結合效果。補充說明的是，於該第一實施例中，空隙20係誇大繪示，故燒結粉末層22b之厚度亦誇大繪示，以便於說明；於後續實施例中，亦同，不再贅述。
接著，金屬管10(連同中心棒4、治具3等)自加熱爐取出之後，該熱管製造方法取出中心棒4，如步驟S160所示；接著，注入一工作流體24、封閉金屬管10之開口端14，如步驟S170所示。此時，熱管1即完成，其剖面圖如第6圖所示。
於實作上，熱管1可能需配合設置環境而需被彎曲。請併參閱第7圖，第7圖為熱管1受彎曲後之示意圖，其中熱管1於其彎曲處剖開，移除部分以虛線繪示其原始輪廓。該熱管製造方法進一步包含彎曲金屬管10(或謂熱管1)以於金屬管10上形成一彎曲部26(以粗虛線表示其範圍)，如步驟S180所示。彎曲部26具有一內側262及一外側264，內側262及外側264之定義係基於彎曲部26之彎曲平面266(以鏈線表示其於熱管1剖面之位置)，即彎曲部26發生形變偏移(deflection)的平面，故彎曲部26之內側262即彎曲半徑較小處，外側264即彎曲半徑較大處。於該第一實施例中，淨空區域18位於彎曲部26之內側262(以箭頭表示其於熱管1剖面之位置)。又，於該第一實施例中，彎曲部26係承受純彎曲，故其中性面268(以鏈線表示其於熱管1剖面大致的位置)位於熱管1內，彎曲部26之內側262承受壓應力，而彎曲部26之外側264承受拉應力。當彎曲部26之外側264之應變尚在可容許範圍內，於外側264之燒結粉末層22b可保持結構完整；而即使彎曲部26之內側262承受之應力在可容許範圍內，彎曲部26之內側262仍可能發生屈曲現象。然而，位於內側262之淨空區域18並無燒結粉末層22b覆蓋，故燒結粉末層22b不受屈曲影響，至少其傳輸工作流體之機制不受嚴重影響。換言之，彎曲部26之彎曲半徑270不受習知需大於熱管1外徑三倍的限制，故於實作上可將彎曲半徑270設定為大於零且小於金屬管10外徑的三倍，以提供多樣化的幾何結構形態，且有助於設置於小型化裝置中。舉例來說，當需要彎折熱管1時，可將彎曲半徑270設定為金屬管10外徑的兩倍至三倍之間，此彎曲條件已可滿足大部分構件配置要求。
補充說明的是，於第7圖所示的截面中，雖熱管1於內側262無毛細結構，但於外側264之燒結粉末層22b即正對淨空區域18之燒結粉末層22b，其厚度大於燒結粉末層22b其他部分的厚度，藉以增加其傳輸工作流體之工作量，使得燒結粉末層22b整體傳輸工作流體效率不因淨空區域18的存在而有太大的影響。再補充說明的是，於該第一實施例中，雖彎曲部26係承受純彎曲，但實作上不以此為限。例如於彎曲熱管1時，同時施以拉力使得彎曲部26的內側262、外側264均承受拉應力，此時外側264承受較大的應力而可能造成燒結粉末層22b破碎或自金屬管10剝離；於此情形下，前述淨空區域18則宜設置於外側264，以避免破碎的燒結粉末層22b影響熱管1毛細結構整體熱傳遞的效率。
另外，於第7圖中，彎曲部26的上側272、下側274內之應力小於內側262、外側264內之應力，故位於上側272、下側274之燒結粉末層22b較不易出現破壞問題，故其厚度可加厚以增加傳輸工作流體之工作量。此外，由於彎曲部26的上側272、下側274仍有燒結粉末層22b，故縱使彎曲部26的內側262、外側264均無燒結粉末層22b，熱管1毛細結構仍是連續，整體熱傳遞的功能仍可有效發揮。此時，熱管1可承受更小的彎曲半徑，熱管1能更適應各種設置空間的限制。
如第6圖所示，於該第一實施例中，金屬管10沿一方向28(以一箭頭表示於圖中)延伸，淨空區域18亦沿方向28延伸至金屬管10之一端部，即封閉之開口端14。淨空區域18的延伸範圍幾乎貫穿整個金屬管10，但本發明不以此為限。請參閱第8圖，其為根據一第二實施例之熱管6之剖面圖。熱管6與熱管1之結構大致相同，主要不同之處在於熱管6之淨空區域19a(以影線表示其範圍)僅自金屬管10之中間部位延伸至金屬管10之一端，此可藉由改變中心棒4之輪廓來完成，例如於中心棒4上形成一階梯結構。其實施細節自可為本技術領域習知技術者基於前述說明而可了解，並據以實施，故不另贅述。
請參閱第9圖，其為根據一第三實施例之熱管製造方法之流程圖。第9圖之流程圖大致與第1圖之流程圖相同，主要不同之處在於該第三實施例之中心棒7之固定及取出不同於該第一實施例之中心棒4之固定及取出。以下僅就不同之處進行說明，其餘說明可參閱該第一實施例之相關說明。請併參閱第10圖，第10圖為根據該第三實施例之一熱管8之製造示意圖，其中中心棒7已固定。熱管8與熱管1之結構大致相同，主要不同之處在於熱管8之淨空區域19b僅限於金屬管10之中間部位，另外熱管8所使用之中心棒7亦與中心棒4結構不同。中心棒7包含一棒體72及一滑塊74，棒體72具有一滑槽722，滑塊74具有磁性並以一可滑動的方式設置於滑槽722內。如第9圖中步驟S230所示，該熱管製造方法將中心棒7自開口端14插入金屬管10內固定，使得滑塊74正對淨空區域19b；接著固定棒體72，如步驟S232所示，其中棒體72亦採用治具3之夾頭32固定。該熱管製造方法準備一磁鐵9，如步驟S234；接著將磁鐵9貼附於金屬管10外側使得滑塊74受磁吸作用而滑出滑槽722以緊密接觸淨空區域19b，如步驟S236所示。
至此，中心棒7已完成固定，半成品的熱管8如第10圖所示，其中中心棒7與金屬管10間存在一空隙21。由於熱管8於金屬管10上定義之淨空區域19b(已被滑塊74遮住，但以箭頭表示其位置)之大小已不同於該第一實施例中淨空區域18，故熱管8中中心棒7與金屬管10間之空隙21亦不同於該第一實施例中空隙20，因此於步驟S140(請參閱第1圖及前文相關說明)中，熱管8中可填充更多的燒結粉末，且燒結粉末層22c(請參閱第11圖或第12圖)可覆蓋更多金屬管10內壁面積，進而熱管8可具有更完整的毛細結構。另外，於該第三實施例中，磁鐵9係一電磁鐵，故實作上步驟S236包含對該電磁鐵通以電流以產生磁力吸引滑塊74；但本發明不以此為限，例如實作上，磁鐵9可為一永久磁鐵，而滑塊74則為一具磁性物件，當磁鐵9靠近滑塊74時，即磁吸滑塊74，同樣能達到使滑塊74緊密接觸淨空區域19b之目的。
請併參閱第11圖，第11圖為根據該第三實施例熱管8於燒結後之示意圖。當燒結粉末燒結後，需先使滑塊74縮入滑槽722中，以能順利將中心棒7取出。於該第三實施例中，滑塊74係一永久磁鐵，因此於步驟S236中，該熱管製造方法係以一第一電流方向對該電磁鐵通以電流以能磁吸滑塊74；而於步驟S260中，該熱管製造方法則以相反於該第一電流方向之一第二電流方向對該電磁鐵通以電流以產生磁力排斥滑塊74，使得滑塊74滑入滑槽722中。接著，該熱管製造方法即可直接將中心棒7抽出，如步驟S262所示。補充說明的是，於該第三實施例中，該熱管製造方法係直接以直流電源對磁鐵9通以電流以產生磁場，亦即利用直流電源與磁鐵9連接之極性來控制產生的磁極，進而達到控制滑塊74之運動。但本發明不以此為限，例如於燒結完後，將磁鐵9改放置於金屬管10相對淨空區域19b之相對側，亦能磁吸滑塊74以使其滑入滑槽722中。又例如於滑槽722內設置彈簧連接滑塊74及棒體72，使得於燒結完後，將磁鐵9移離，該彈簧即可將滑塊74拉回滑槽722中，其中該彈簧產生的彈力可設計為小於磁鐵9對滑塊74產生之磁力。又例如以其他機構實現滑塊74於滑槽722中滑出、滑入之作動，此時磁鐵9即可省略。
請參閱第12圖，其為根據該第三實施例之熱管8之剖面圖。於中心棒7抽出之後，該熱管製造方法執行步驟S170(請參閱第1圖及前文相關說明)，以形成熱管8。如第12圖所示，因淨空區域19b係限制在金屬管10中間部分，故熱管8中燒結粉末層22c仍覆蓋金屬管10大部分內壁，有效減少淨空區域19b對熱管8毛細結構傳輸工作流體效能的影響。於大部分實際上熱管彎曲的情形，熱管多僅包含單一彎曲部且多位於熱管中間部分，因此熱管8可適用於大部分彎曲的情形。此外，於該第三實施例中，熱管8之淨空區域19b雖位於金屬管10中間部分，但本發明不以此為限，實作上，淨空區域19b自可依需要設置於金屬管10之其他部位；並且，淨空區域19b設置之數量亦自可依需要而定。此外，實作上，多個淨空區域19b設置之位置不以位於熱管8之同側為限，藉由可實現立體彎曲的熱管8的應用。
補充說明的是，前述各實施例均以圓形金屬管10為例說明，但本發明不以此為限。目前實作上需具矩形截面之熱管時，慣以將具圓形截面之熱管壓扁形成，但此製程會造成熱管內毛細結構或多或少的損傷。反之，本發明得直接使用矩形截面之金屬管進行熱管製造，製程中使用之中心棒亦配合選用，此時具有非圓形截面之熱管即可直接形成，故其毛細結構能無損傷地形成。
如前述說明，本發明之熱管製造方法利用中心棒接觸部金屬管內壁以形成淨空區域，進而製造出具有無毛細結構覆蓋的淨空區域之熱管，使用上即得利用此淨空區域對熱管進行彎曲而不會嚴重傷及其他區域上的毛細結構，故熱管整體可承受相較於先前技術更大的彎曲角度及更小的彎曲半徑，進而能適應更多樣化的設置環境。簡言之，本發明突破先前技術對熱管的使用限制，增加熱管彎曲結構的多樣性，並有效抑制彎曲操作對毛細結構的影響。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
1、6、8．．．熱管
3．．．治具
4、7．．．中心棒
5、9．．．磁鐵
10．．．金屬管
12．．．封閉端
14．．．開口端
16．．．內側壁
18、19a、19b．．．淨空區域
20、21．．．空隙
22a．．．燒結粉末
22b、22c．．．燒結粉末層
24．．．工作流體
26．．．彎曲部
28．．．方向
32．．．夾頭
72．．．棒體
74．．．滑塊
262．．．內側
264．．．外側
266．．．彎曲平面
268．．．中性面
270．．．彎曲半徑
272．．．上側
274．．．下側
722．．．滑槽
S100~S180、S230~S236、S260、S262．．．實施步驟
第1圖為根據本發明一第一實施例之熱管製造方法之流程圖。
第2至第6圖為根據第1圖中流程圖之熱管製造流程示意圖。
第7圖為第6圖中熱管受彎曲後之示意圖。
第8圖為根據一第二實施例之熱管之剖面圖。
第9圖為根據一第三實施例之熱管製造方法之流程圖。
第10圖為根據該第三實施例之熱管之製造示意圖。
第11圖為根據該第三實施例熱管於燒結後之示意圖。
第12圖為根據該第三實施例之熱管之剖面圖。
1．．．熱管
10．．．金屬管
18．．．淨空區域
22b．．．燒結粉末層
26．．．彎曲部
262．．．內側
264．．．外側
266．．．彎曲平面
268．．．中性面
270．．．彎曲半徑
272．．．上側
274．．．下側

权利要求:
Claims (15)
[1] 一種熱管製造方法，包含下列步驟：(a)　準備一金屬管，該金屬管具有一封閉端及一開口端，其中於該金屬管之內側壁上定義一淨空區域；(b)　固定該金屬管；(c)　準備一中心棒；(d)　將該中心棒自該開口端插入該金屬管內固定並使該中心棒緊密接觸該淨空區域，其中該中心棒與該金屬管間存有一空隙；(e)　以一燒結粉末填充該空隙；(f)　對該燒結粉末進行燒結以形成一燒結粉末層；以及(g)　取出該中心棒。
[2] 如請求項1所述之熱管製造方法，其中步驟(d)更包含下列步驟：(d1)　將該中心棒相對該金屬管偏心固定。
[3] 如請求項2所述之熱管製造方法，其中該中心棒具有磁性，步驟(d1)更包含下列步驟：準備一條狀磁鐵；以及將該條狀磁鐵貼附於該金屬管外側以吸附該中心棒緊密接觸該淨空區域。
[4] 如請求項1所述之熱管製造方法，其中該中心棒包含一棒體及一滑塊，該棒體具有一滑槽，該滑塊具有磁性並以一可滑動的方式設置於該滑槽內，步驟(d)更包括下列步驟：(d2)　將該中心棒自該開口端插入該金屬管內固定，使得該滑塊正對該淨空區域；(d3)　固定該棒體；(d4)　準備一磁鐵；以及(d5)　將該磁鐵貼附於該金屬管外側使得該滑塊受磁吸作用而滑出該滑槽以緊密接觸該淨空區域。
[5] 如請求項4所述之熱管製造方法，其中該磁鐵係一電磁鐵，步驟(d5)更包含下列步驟：以一第一電流方向對該電磁鐵通以電流以產生磁力吸引該滑塊。
[6] 如請求項5所述之熱管製造方法，其中該滑塊係一永久磁鐵，步驟(g)更包含下列步驟：以相反於該第一電流方向之一第二電流方向對該電磁鐵通以電流以產生磁力排斥該滑塊，使得該滑塊滑入該滑槽中。
[7] 如請求項1所述之熱管製造方法，其中步驟(e)更包含下列步驟：震動該金屬管以使該燒結粉末均勻密實堆積。
[8] 如請求項1所述之熱管製造方法，更包含下列步驟：(h)　注入一工作流體；(i)　封閉該開口端；以及(j)　彎曲該金屬管以於該金屬管上形成一彎曲部，該淨空區域位於該彎曲部之內側或外側。
[9] 如請求項8所述之熱管製造方法，其中於步驟(j)中，該彎曲部之彎曲半徑大於零且小於該金屬管外徑的三倍。
[10] 一種熱管，包含：一金屬管，該金屬管之內側壁上定義一淨空區域；以及一燒結粉末層，形成於該內側壁上但未覆蓋該淨空區域。
[11] 如請求項10所述之熱管，其中該金屬管係一銅管，該燒結粉末層係一銅燒結粉末層。
[12] 如請求項10所述之熱管，其中該金屬管沿一方向延伸，該淨空區域沿該方向延伸至該金屬管之一端部。
[13] 如請求項12所述之熱管，其中該燒結粉末層正對該淨空區域之部分的厚度大於該燒結粉末層其他部分的厚度。
[14] 如請求項10所述之熱管，其中該金屬管具有一彎曲部，該淨空區域位於該彎曲部之內側或外側。
[15] 如請求項14所述之熱管，其中該彎曲部之彎曲半徑大於零且小於該金屬管外徑的三倍。

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法律状态:
2020-11-01| MM4A| Annulment or lapse of patent due to non-payment of fees|

优先权:

申请号 | 申请日 | 专利标题

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