CN1987329A - 散热模块及其热管 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种散热模块，包括热管以及至少一散热鰭片。散热鰭片设置于热管外并与热管相连接，热管包括热管本体、上盖、第一与第二毛细结构以及工作流体。热管本体具有一底部以及一环设于底部的侧壁部，而上盖则与热管本体结合后形成一封闭空间，且上盖被一空心管体所贯穿，且空心管体的一端伸入热管内部。第一毛细结构设置于热管本体的底部内表面与侧壁部内表面上，而第二毛细结构与空心管体相连，且第二毛细结构与第一毛细结构相接触，使得于上盖处凝结的工作流体能够沿着空心管体进入第二毛细结构并流至第一毛细结构。

Description

散热模块及其热管

技术领域

本发明涉及一种散热模块，特别是涉及具有高效能热管的散热模块。

背景技术

随着技术的进步，电子元件单位面积上的晶体管数量越来越多，造成其工作时发热量的增加。另一方面，电子元件的工作频率也越来越高，晶体管工作时开/关(on/off)转换所造成的热量(switch loss)，也是电子元件发热量增加的原因。若未能适当的处理这些热量，将会造成芯片运算速度的降低，严重者甚至影响到芯片的寿命。为加强电子元件的散热效果，现行的做法大多为在热源处以散热器将热导出，经由散热器的鳍片(fin)以自然或强制对流方式将热散逸至环境中。

由于热管(heat pipe)可在很小的截面积与温度差之下，将大量的热传送一段可观的距离，且不需外加电源供应即可运作，在无需动力提供和空间利用经济性的考虑之下，各式热管已是电子散热产品中广为应用的传热元件之一。请参考图1，其为现有一种柱状型热管的剖面示意图。现有柱状型的热管10A是由其一端封闭且其另一端开放的热管本体12与一上盖14a结合后所形成的一密闭中空腔体。

热管本体12为一体成型的罐体，且由侧壁部122以及底部124所组成。在热管本体12的内壁上(亦即是侧壁部122的内表面以及底部124的内表面上)设置有毛细结构16，且在上盖14a及热管本体12焊接组合后，再从注水管18填入工作流体W，使热管10A内部充填有工作流体W。

当柱状型的热管10A实际在使用时，是以底部124直接与位于热管10A下方的热源(未绘示)接触，用以将热源所产生的热直接导离热源。柱状型热管10A的底部124为蒸发端，而侧壁部122与上盖14a则为冷凝端。在蒸发端的工作流体W因吸热而蒸发成气态，并在压差的影响下自然流向冷凝端，然后于冷凝端处释出潜热(latent heat)后转变为液态的工作流体W。冷凝后的工作流体W再藉由毛细结构16的毛细力流回蒸发端。如此，一再循环达到散热的效果。

然而，由于柱状型的热管10A在上盖14a的内表面处通常没有设置毛细结构，使得凝结于上盖14a处的工作流体无法回流，造成上盖14a处变成无效的冷凝端，影响热管10A内工作流体质量的变动，进而影响热管10A的传热效率及整体热阻。再者，在上盖14a处凝结的工作流体累积至一定量后，将受重力的影响而垂直直接往下滴落至蒸发端处(即底部124及其上的毛细结构16处)，往往造成工作流体的两相变化循环不顺畅，且使得蒸发端的蒸发效能不稳定，使蒸发端的温度随时间的变动过大，进而导致热阻随时间的变动过大，使得蒸发端的蒸发效能不稳定，降低热管10A整体的散热能力及稳定性。

若要使上盖14a的内表面也设置有毛细结构，则需使用铜粉烧结或额外放置铜网等方式，才能于上盖14a的内表面处形成毛细结构。然而，若使用铜粉烧结的制作工艺，不仅增加材料与制作工艺成本，且要控制欲生成的毛细结构的形状相当困难。若使用额外放置铜网的方式，则由于位于上盖14a处的网状毛细结构与位于侧壁部122及底部124上的毛细结构16并非同时制作，且因铜网本身强度较弱的材质特性，故于两毛细结构接触部分的连接性与接触强度很差，使得工作流体无法靠毛细力从上盖14a顺利流到侧壁部122，因此造成热管10A的整体导热特性变差。

请参照图1B，其为现有另一种柱状型热管的剖面示意图。为了改善图1A中的柱状型热管10A的缺点，图1B的柱状型热管10B采用使用类似钟罩形状的上盖14b，可使凝结于上盖14b的工作流体沿着弧形的上盖14b而逐渐流至位于侧壁122的毛细结构16中。然而，仅利用钟罩形状的上盖14b来做导引的效果有限，且此一类似钟罩形状的上盖14b使得加装于其外的注水管18更加向外凸起，造成整体热管10B所占的体积增大，且若此柱状型热管10B欲与散热鳍片及风扇并用的话，在有限的空间限制之下，向外凸起的上盖14b及注水管18，势必无法与散热鳍片及风扇达成良好组装。

发明内容

因此，为解决上述问题，本发明提出一种散热模块及其热管，具有有效降低热阻的变动幅度的效果，使两相循环顺畅，增加蒸发效率，进而增进整体的散热能力，使散热稳定度增加。

根据本发明的目的，提出一种热管，内含一工作流体。此热管包括一热管本体、一上盖、一第一毛细结构以及一第二毛细结构。热管本体具有一底部以及一环设于底部的侧壁部，而上盖则与热管本体结合后形成一封闭空间，且上盖被一空心管体所贯穿，且空心管体的一端伸入热管内部。第一毛细结构设置于热管本体的底部内表面与侧壁部内表面上，而第二毛细结构与空心管体相连，且第二毛细结构与第一毛细结构相接触，使得于上盖处凝结的工作流体能够沿着空心管体进入第二毛细结构并流至第一毛细结构。

如上述之热管，更包括一挡止片，且第二毛细结构设置于挡止片上。挡止片套设于空心管体的深入热管内部的端处，且挡止片与空心管体以及第一毛细结构或侧壁部相接触。再者，在挡止片与第一毛细结构或侧壁部相接触的一接触处，挡止片具有一弯折，用以增加第一毛细结构与第二毛细结构的接触面积与接触强度。挡止片包括一扁平状的片状物、一有弧度的片状物或是具有其它等效的形状，且第二毛细结构包括一铜网式毛细结构、粉末烧结毛细结构或是沟槽式毛细结构。

或者，如上述的热管，其空心管体具有一弯折部，且空心管体的伸入热管内部的端与第一毛细结构或侧壁部相接触。第二毛细结构为一粉末烧结毛细结构、沟槽式毛细结构或是网状毛细结构，且设置于空心管体的表面并与第一毛细结构相连接。或者，第二毛细结构为一网状毛细结构，且单独设置于热管内部并同时与空心管体及第一毛细结构接触。

第一毛细结构与第二毛细结构的材质包括选自塑料、金属、合金、多孔性非金属材料所组成的族群其中之一，第一毛细结构设置的方法选***结、黏着、填充及沈积所组成的族群其中之一或其结合。上盖与热管本体是以氩焊、高周波或等离子体的加工方式结合。热管本体及/或上盖包括一高热传导材料，例如为铜、银、铝或其合金等等。工作流体为无机化合物、纯水、醇类、酮类、液态金属、冷媒、有机化合物或其混合物之一。

根据本发明的另一目的，提出一种散热模块，包括热管以及至少一散热鳍片。热管包括一热管本体、一上盖、一第一毛细结构以及一第二毛细结构。散热鰭片设置于热管外并与热管相连接，热管本体具有一底部以及一环设于底部的侧壁部，而上盖则与热管本体结合后形成一封闭空间，且上盖被一空心管体所贯穿，且空心管体的一端伸入热管内部。第一毛细结构设置于热管本体的底部内表面与侧壁部内表面上，而第二毛细结构与空心管体相连，且第二毛细结构与第一毛细结构相接触，使得于上盖处凝结的工作流体能够沿着空心管体进入第二毛细结构并流至第一毛细结构。

散热鳍片是以铝挤成型、冲压或其它加工方式制作，且散热鳍片为水平间隔分布、垂直间隔分布、斜向间隔分布、放射状分布或其它分布方式。散热鳍片设置于热管外并与热管相连接，且连接方式选自焊接、嵌合、卡固、黏着所组成的族群其中之一。例如，散热鳍片与热管是以热镶方式进行嵌合以及/或卡固。另外，散热鳍片与热管之间更具有一锡膏(soldering paste)、一导热膏(grease)，或一可充当导热界面的材料。

如上述的散热模块，热管可通过一基座或是直接与一热源接触，用以将热源发散的热直接传导至散热鳍片。基座为一实心金属块体，且热源为一发热的电子元件，如中央处理器、晶体管、服务器、高阶绘图卡、硬盘、电源供应器、行车控制***、多媒体电子机构、无线通信基地台或高阶游戏机等。再者，上述的散热模块是与一风扇组接，用以促进由散热模块所导出的热更加迅速逸散。

为让本发明的上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下：

发明内容

图1A为现有一种柱状型热管的剖面示意图；

图1B为现有另一种柱状型热管的剖面示意图；

图2为依照本发明较佳实施例的一种柱状型热管的剖面示意图；

图3为依照本发明较佳实施例的另一种柱状型热管的剖面示意图；

图4为图1A与图3的两柱状型热管的热阻值变化比较图；

图5A与图5B为将图3的柱状型热管应用于二散热模块的示意图。

主要元件符号说明：

10A、10B、20、30：热管

12、22、32：热管本体

122、222、322：侧壁部

124、224、324：底部

14a、14b、24、34：上盖

16：毛细结构

18：注水管

26a、36a：第一毛细结构

26b、36b：第二毛细结构

28、38：空心管体

281：弯折部

282、382：一端

39：挡止片

391：接触处

50A、50B：散热模块

52a、52b：散热鳍片

W：工作流体

具体实施方式

以下将参照相关图式，说明依本发明的散热模块及其热管的实施例。

请参照图2，其为依照本发明较佳实施例的一种柱状型热管的示意图。在图2中，柱状型热管20包括一热管本体22、一上盖24、一第一毛细结构26a、一第二毛细结构26b以及一充填于热管20内部的工作流体W。热管本体22具有一底部224以及一环设于底部224的侧壁部222，且侧壁部222与底部224为一体成型在热管本体22上，或者，侧壁部222以及底部224也可为两相互分离的元件，且两相互组合后而形成热管本体22。

在热管本体22的内壁上(亦即是侧壁部222的内表面以及底部224的内表面上)设置有第一毛细结构26a，而第二毛细结构26b与一空心管体28相连，且第二毛细结构26b与第一毛细结构26a相接触。上盖24则与热管本体22利用如氩焊、高周波或等离子体等加工方式，将上盖24及热管本体22焊接组合，使得结合后形成一封闭空间，且上盖24被一空心管体28所贯穿，使得工作流体W能够从空心管体28处填入，使热管20内部充填有工作流体W。

空心管体28具有一弯折部281，且空心管体28的一端282伸入热管20的内部，且与第一毛细结构26a或侧壁部222相接触。在空心管体28伸入热管20内部的一端282的表面上设置有第二毛细结构26b，例如是一粉末烧结毛细结构、沟槽式毛细结构或是网状毛细结构，且第二毛细结构26b与第一毛细结构26a相连接。

当柱状型的热管20实际在使用时，是以底部224直接与位于热管20下方的热源(未绘示)接触，用以将热源所产生的热直接导离热源。柱状型热管20的底部224为蒸发端，而侧壁部222与上盖24则为冷凝端。在蒸发端的工作流体W因吸热而蒸发成气态，并在压差的影响下自然流向冷凝端，然后于冷凝端处释出潜热(latent heat)后转变为液态的工作流体W。

由于第二毛细结构26b与空心管体28相连，且第二毛细结构26b与第一毛细结构26a相接触，使得冷凝于上盖24处的工作流体W，可沿着图2上所示的箭头方向流向位于空心管体28表面上的第二毛细结构26b，再通过第一毛细结构26a所提供的毛细力而流回至蒸发端，如此循环不已地将热持续带离热源，以达到散热的功效。因此，凝结于上盖24处的工作流体W便不会如现有的一般直接往下滴落至蒸发端处(即底部及其上的毛细结构处)，避免现有的工作流体两相变化循环不顺畅，使得蒸发端的蒸发效能不稳定，且使蒸发端的温度随时间的变动过大，进而导致热阻随时间变动过大的缺点。本发明的凝结于上盖24处的工作流体W的回流方式，顺着上盖24流至第二毛细结构26b，且由于第二毛细结构26b与第一毛细结构26a相接触，而能使位于第二毛细结构26b处的工作流体W顺利输送至位于侧壁部222上的第一毛细结构26a而回到蒸发端。如此一来，能够有效降低热阻的变动幅度，使散热稳定度增加，进而增进散热性能。

第一毛细结构26a与第二毛细结构26b的材质包括选自塑料、金属、合金、多孔性非金属材料所组成的族群其中之一，第一毛细结构26a设置的方法选***结、黏着、填充及沉积所组成的族群其中之一或其结合。热管本体22及/或上盖24包括一高热传导材料，例如为铜、银、铝或其合金等等。工作流体W为无机化合物、纯水、醇类、酮类、液态金属、冷媒、有机化合物或其混合物之一。

在此，需特别注意的是，图2为以具有弯折部281的空心管体28为例，然而，本发明并不限定于此，请参照图3，其为依照本发明较佳实施例的另一种柱状型热管的剖面示意图。在图3中，柱状型热管30包括一热管本体32、一上盖34、一第一毛细结构36a、一第二毛细结构36b以及一充填于热管30内部的工作流体W。热管本体32具有一底部324以及一环设于底部324的侧壁部322，且侧壁部322与底部324为一体成型于热管本体32上，或者，侧壁部322以及底部324也可为两相互分离的元件，且为两相互组合后而形成热管本体32。

与图2的热管20相似，在热管本体32的内壁上(也即是侧壁部322的内表面以及底部324的内表面上)设置有第一毛细结构36a，而第二毛细结构36b与一空心管体38相连，且第二毛细结构36b与第一毛细结构36a相接触。上盖34则与热管本体32利用如氩焊、高周波或等离子体等加工方式，将上盖34及热管本体32焊接组合，使得结合后形成一封闭空间，且上盖34被一空心管体38所贯穿，使得工作流体W能够从空心管体38处填入，使热管30内部充填有工作流体W。与图2的热管20所不同的是，热管30更包括一挡止片39，且第二毛细结构36b设置在挡止片39上，挡止片39可为一扁平状的片状物或是一有弧度的片状物。

挡止片39套设于空心管体38的深入热管30内部的一端382处，且挡止片39与空心管体38以及第一毛细结构36a或侧壁部322相接触。当柱状型的热管30实际在使用时，以底部324直接与位于热管30下方的热源(未绘示)接触，用以将热源所产生的热直接导离热源。柱状型热管30的底部324为蒸发端，而侧壁部322与上盖34则为冷凝端。在蒸发端的工作流体W因吸热而蒸发成气态，并在压差的影响下自然流向冷凝端，然后在冷凝端处释出潜热(latent heat)后转变为液态的工作流体W。

第二毛细结构36b，例如是一铜网式毛细结构、粉末烧结毛细结构或是沟槽式毛细结构，且由于第二毛细结构36b设置在挡止片39上，并与空心管体38以及第一毛细结构36a相接触，使得冷凝于上盖34处的工作流体W，可沿着图3上所示的箭头方向经过空心管体38而流向位于挡止片39上的第二毛细结构36b，再通过与其相连的第一毛细结构36a所提供的毛细力而流回至蒸发端，如此循环不已地将热持续带离热源，以达到散热的功效。另外，在挡止片39与第一毛细结构36a或侧壁部322相接触的接触处391，挡止片39较佳地可具有一弯折，且其上仍布满第二毛细结构36b，如此一来，可增加第一毛细结构36a与第二毛细结构36b的接触面积与接触强度，使工作流体W的输送效果更加顺利。其它实施方法与图2具有相同的技术特征，在此不再赘述。

因此，凝结于上盖34处的工作流体W便不会如现有的一般直接往下滴落至蒸发端处(即底部及其上的毛细结构处)，避免现有的工作流体两相变化循环不顺畅，使得蒸发端的蒸发效能不稳定，且使蒸发端的温度随时间的变动过大，进而导致热阻随时间变动过大的缺点。本发明的凝结于上盖34处的工作流体W的回流方式，是顺着上盖34与空心管体38而流至第二毛细结构36b，且利用第二毛细结构36b与第一毛细结构36a相接触，而能使位于第二毛细结构36b处的工作流体W顺利输送至位于侧壁部322上的第一毛细结构36a而回到蒸发端。

请参照图4，其为图1A与图3的两柱状型热管的热阻值变化比较图。图3的热管30(即本发明)的热阻值随着时间的变动，虽仍然也产生周期性的升降，然而与图1A的热管10A(即现有技术)相比较，此一热阻值随时间的变动明显降低，本发明的热阻值仅于介于0.100(℃/W)与0.102(℃/W)之间变动，其变化量仅为0.002(℃/W)，然而现有的热阻值却在0.093(℃/W)与0.105(℃/W)之间剧烈变动，其变化量高达0.012(℃/W)。因此，此一结果足可证明本发明确实具有降低热阻的变动幅度的有效效果，且有效降低在热管散热运作时，其热管本体32与热源相接触面(即蒸发端处)的温度(Tcase)的变动幅度，使最大值与最小值的温度差在0.2℃以内，使两相(气相与液相)循环顺畅，可增加蒸发效率，进而增进整体的散热能力，使散热稳定度增加。

另外，请同时参照图5A与图5B，其为将图3的柱状型热管应用于二散热模块的示意图。散热模块50A、50B可应用于一热源(未绘示)上，且热管30与热源直接接触或是通过一位于热管下方并位于热源上方的外部基座(未绘示)而与热源接触。热源为一发热的电子元件，例如为中央处理器、晶体管、服务器、高阶绘图卡、硬盘、电源供应器、行车控制***、多媒体电子机构、无线通信基地台，或高阶游戏机等。另外，散热模块50A、50B更可与一风扇组接，用以促进由散热模块50A、50B所导出的热更加迅速逸散。

在图5A中，散热模块50A包括一热管30以及至少一散热鳍片52a。热管30可与图3的热管30具有相同的技术特征，在此不再赘述。散热鳍片52a是以铝挤成型、冲压或其它加工方式制作，且散热鳍片52a设置于热管30外并与热管30相连。散热鳍片52a与热管30的连接方式选自焊接、嵌合、卡固、黏着所组成的族群其中之一。例如，散热鳍片与热管是以热镶方式进行嵌合以及/或卡固。另外，散热鳍片52a与热管30之间更涂布有一锡膏(soldering paste)、一导热膏(grease)，或一可充当导热界面的材料。

多个散热鳍片52a呈放射状分布于热管30外并与热管30相连，且热管30被套设于多个散热鳍片52a之间。或者，如图5B所示，多个散热鰭片52b是以水平间隔分布的方式套设于热管30外，且多个散热鳍片52b之间彼此平行。然散热鳍片52a或52b的分布方式仅为举例，本发明并不限制于此，散热鳍片52a、52b的排列方式也可以是垂直间隔分布、斜向间隔分布或其它分布方式。

承上所述，本发明的散热模块及其热管，由于其第二毛细结构26b、36b与空心管体28、38相连，且第二毛细结构26b、36b与第一毛细结构26a、36a相接触，使得冷凝于上盖24、34处的工作流体W，能沿着上盖24、34处流经空心管体28、38与第二毛细结构26b、36b，并进而能够顺利被输送至位于侧壁部222、322上的第一毛细结构26a、36a而回到蒸发端。如此一来，解决了现有凝结于上盖处的工作流体直接往下滴落至蒸发端处之问题。因此，本发明的散热模块及其热管具有有效降低热阻的变动幅度的效果，使两相循环顺畅，增加蒸发效率，进而增进整体的散热能力，使散热稳定度增加。

以上所述仅为举例性，而非为限制性者。任何未脱离本发明的精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应包括于所附的申请专利范围中。

Claims (20)

1、一种热管，内含一工作流体，该热管包括：

一热管本体，具有一底部以及一环设于该底部的侧壁部；

一上盖，是与该热管本体结合后形成一封闭空间，且该上盖被一空心管体所贯穿，且该空心管体的一端伸入该热管内部；

一第一毛细结构，设置于该热管本体的该底部内表面与该侧壁部内表面上；以及

一第二毛细结构，与该空心管体相连，且该第二毛细结构与该第一毛细结构相接触，使得在该上盖处凝结的该工作流体能够沿着该空心管体进入该第二毛细结构并流至该第一毛细结构。

2、如权利要求1所述的热管，其中该空心管体具有一弯折部，且该空心管体的伸入该热管内部的该端与该第一毛细结构或该侧壁部相接触。

3、如权利要求2所述的热管，其中该第二毛细结构设置于该空心管体的表面且与该第一毛细结构相连接。

4、如权利要求1所述的热管，其中该第二毛细结构包括一粉末烧结毛细结构、沟槽式毛细结构、铜网式毛细结构或是网状毛细结构。

5、如权利要求1所述的热管，其中该第二毛细结构是单独设置于该热管内部，且同时与该空心管体及该第一毛细结构接触。

6、如权利要求1所述的热管，更包括一挡止片，且该第二毛细结构设置于该挡止片上。

7、如权利要求6所述的热管，其中该挡止片套设于该空心管体的深入该热管内部的该端处，且该挡止片与该空心管体以及该第一毛细结构或该侧壁部相接触。

8、如权利要求6所述的热管，其中在该挡止片与该第一毛细结构或该侧壁部相接触的一接触处，该挡止片具有一弯折，用以增加该第一毛细结构与该第二毛细结构的接触面积与接触强度。

9、如权利要求6所述的热管，其中该挡止片包括一扁平状的片状物、一有弧度的片状物或是具有其它等效的形状。

10、如权利要求1所述的热管，其中该底部与该侧壁部这一体成型于该热管本体，或者该底部与该侧壁部为两相互分离的元件，且该底部与该侧壁部组合后而形成该热管本体。

11、一种散热模块，包括：

一热管，内含一工作流体且该热管包括：

一热管本体，具有一底部以及一环设于该底部的侧壁部；

一上盖，与该热管本体结合后形成一封闭空间，且该上盖被一空心管体所贯穿，且该空心管体的一端伸入该热管内部；

一第一毛细结构，设置于该热管本体的该底部内表面与该侧壁部内表面上；以及

一第二毛细结构，与该空心管体相连，且该第二毛细结构与该第一毛细结构相接触，使得于该上盖处凝结的该工作流体能够沿着该空心管体进入该第二毛细结构并流至该第一毛细结构；以及

至少一散热鳍片，设置于该热管外并与该热管相连接。

12、如权利要求11所述的散热模块，其中该空心管体具有一弯折部，且该空心管体的伸入该热管内部的该端与该第一毛细结构或该侧壁部相接触。

13、如权利要求11所述的散热模块，其中该第二毛细结构设置于该空心管体的表面且与该第一毛细结构相连接。

14、如权利要求11所述的散热模块，其中该第二毛细结构包括一粉末烧结毛细结构、沟槽式毛细结构、铜网式毛细结构或是网状毛细结构。

15、如权利要求11所述的散热模块，其中该第二毛细结构单独设置于该热管内部，且同时与该空心管体及该第一毛细结构接触。

16、如权利要求11所述的散热模块，更包括一挡止片，且该第二毛细结构设置于该挡止片上。

17、如权利要求16所述的散热模块，其中该挡止片套设于该空心管体的深入该热管内部的该端处，且该挡止片与该空心管体以及该第一毛细结构或该侧壁部相接触。

18、如权利要求16所述的散热模块，其中在该挡止片与该第一毛细结构或该侧壁部相接触的一接触处，该挡止片具有一弯折，用以增加该第一毛细结构与该第二毛细结构的接触面积与接触强度。

19、如权利要求16所述的散热模块，其中该挡止片包括一扁平状的片状物、一有弧度的片状物或是具有其它等效的形状。

20、如权利要求11所述的散热模块，其中该底部与该侧壁部为一体成型于该热管本体，或者该底部与该侧壁部为两相互分离的元件，且该底部与该侧壁部组合后而形成该热管本体。

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