專利名稱：自激振蕩熱管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種自激振蕩熱管。
背景技術(shù)：
近年，隨著電子設(shè)備的小型化、高集成化，半導(dǎo)體元件等的發(fā)熱密度急劇增加，因 此，當(dāng)務(wù)之急是確立有效的散熱方法。但是，如果筆記本型個(gè)人電腦等電子設(shè)備的小型化進(jìn) 一步發(fā)展，那么就無法確保在作為熱源的中央運(yùn)算裝置(CPU)的正上方設(shè)置大型散熱器的 空間。在這種情況下，需要將產(chǎn)生的熱量傳送到能夠設(shè)置散熱器的位置。因此，目前作為熱 傳送裝置，使用一種芯熱管(々〗7夕式t一卜/、M )。在最近的筆記本型個(gè)人電腦中約90%都內(nèi)置有芯熱管。這種熱管的外徑約3mm， 水平放置時(shí)的最大熱傳送量為12W左右。但是，如果將芯熱管的管徑微型化(縮小管徑)， 就會(huì)出現(xiàn)熱傳送能力急劇下降的問題。因此，自激振蕩熱管最近受到矚目，這種自激振蕩熱管利用了即使微型化仍具有 高的熱傳送能力的相變。但是，其具有代表性的曲折環(huán)式(蛇行環(huán)式)自激振蕩熱管(內(nèi) 徑0.5mm 2mm)具有需要使多個(gè)管曲折、如果水平設(shè)置就會(huì)難以工作等問題(參照非專利 文獻(xiàn)1)。非專利文獻(xiàn)1 長崎孝夫、《關(guān)于自激振蕩熱管的熱傳遞特性的評(píng)論》、傳熱， Vol. 44，No. 186，p. 13-17。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述技術(shù)缺陷，本發(fā)明旨在提供一種自激振蕩熱管，其無需使管曲折，即使水 平設(shè)置，也能發(fā)揮高的熱傳送能力。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用下述結(jié)構(gòu)。(1) 一種自激振蕩熱管，其特征在于，包括加熱部，上述加熱部內(nèi)部具有芯；冷卻 部，充滿有工作流體；連接流路，直線狀地連接上述加熱部以及上述冷卻部，并具有小于上 述加熱部的流路截面積的流路截面積；液體塞，從上述冷卻部向上述連接流路里面突出，包 括上述工作流體；以及上述加熱部中的蒸汽塞，具有氣化的上述工作流體，其中，上述液體 塞在上述連接流路中自激振蕩。(2)上述自激振蕩熱管也可以為如下構(gòu)成充滿在所述冷卻部中的所述工作流體 具有不受內(nèi)壓約束的自由液面。(3)上述自激振蕩熱管也可以為如下構(gòu)成所述冷卻部具有開口部，在所述開口 部上設(shè)置有用于調(diào)整所述冷卻部的內(nèi)容積的調(diào)整部。
(4)上述自激振蕩熱管也可以為如下構(gòu)成所述加熱部的截面積與所述連接流路 的截面積之比為10 1 2 1。根據(jù)本發(fā)明的自激振蕩熱管，可以提供一種無需使管曲折、即使水平設(shè)置也能發(fā) 揮高的熱傳送能力的自激振蕩熱管。


圖IA為本發(fā)明一實(shí)施方式涉及的自激振蕩熱管的截面示意圖。圖IB為上述自激振蕩熱管的變形例的截面示意圖。圖IC為上述自激振蕩熱管的變形例的截面示意圖。圖2為用于說明自激振蕩熱管的實(shí)驗(yàn)方法的的圖，是示出實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖。圖3為表示實(shí)施例1的自激振蕩熱管中自激振蕩的發(fā)生情況的圖，是自激振蕩熱 管特定位置的溫度隨時(shí)間變化的曲線圖。圖4為圖3的放大圖。圖5為實(shí)施例1 2以及比較例1 3的自激振蕩熱管中的熱傳遞速度Q與有效 導(dǎo)熱率Xrff之間的關(guān)系的曲線圖。圖6為實(shí)施例1的自激振蕩熱管中的熱傳遞速度Q與有效導(dǎo)熱率Arff之間的關(guān) 系的曲線圖。圖6還示出現(xiàn)有技術(shù)的熱管的導(dǎo)熱率的理論值。符號(hào)說明1熱管(自激振蕩熱管)2加熱部3，33，43 冷卻部4 芯5連接流路33b，43b 開口部34，44 調(diào)整部B蒸汽塞L液體塞M工作流體Ml自由液面
具體實(shí)施例方式下面，參照附圖來說明本發(fā)明實(shí)施方式。圖IA 圖IC表示本實(shí)施方式的自激振 蕩熱管的截面示意圖。另外，圖IA 圖IC為用于說明自激振蕩熱管的結(jié)構(gòu)的圖，圖示的各 部的大小、厚度、尺寸等會(huì)出現(xiàn)與實(shí)際的自激振蕩熱管不同的情況。圖1所示的自激振蕩熱管1 (以下稱為熱管1)大致包括工作流體M、加熱部2以及 冷卻部3、內(nèi)置于加熱部2的芯4、連接加熱部2以及冷卻部3的連接流路5。在熱管1中，工作流體M從冷卻部3流入連接流路5中，形成液體塞L。而且，在加 熱部2中，工作流體M被氣化形成蒸汽塞B。液體塞L通過在連接流路5內(nèi)自激振蕩而進(jìn)行 熱傳遞。
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而且，本實(shí)施方式中的熱管1無論以何種姿態(tài)都可以動(dòng)作，但是，沿長度方向水平 設(shè)置使用能夠提高有效導(dǎo)熱率，因此，優(yōu)選。加熱部2設(shè)置有與連接流路5連通的中空部2a。在該中空部2a的內(nèi)壁面上設(shè)置 芯4。而且，在圖1所示的例子中，冷卻部3為盛滿工作流體M的容器3a。在該容器3a中 盛滿工作流體M。而且，工作流體M面向熱管1的外部，并形成不被熱管1的內(nèi)壓束縛的自 由液面Ml。而且，連接流路5安裝于容器3a的側(cè)壁。連接流路5的容器3a側(cè)的端部為開 放端。通過該開放端連通容器3a和連接流路5。加熱管2以及連接流路5為由陶瓷、玻璃或金屬構(gòu)成的中空?qǐng)A筒狀的管。在加熱 管2的一端部Ia上具有由陶瓷、玻璃或金屬構(gòu)成的密封部件lc。尤其是，在本實(shí)施方式中， 優(yōu)選方式是，加熱部2以及連接流路5分別由硼硅酸玻璃構(gòu)成。連接流路5的流路截面積小于加熱部2的中空部2a的流路截面積。在圖IA 圖 IC所示的示例中，連接流路5以及加熱部2的中空部2a的截面形狀為大致圓形，連接流路 5的內(nèi)徑小于加熱部2的中空部2a的內(nèi)徑。因此，連接流路5的流路截面積小于加熱部2 的中空部2a的截面積。優(yōu)選地，加熱部2的中空部2a的流路截面積與連接流路5的流路截面積之比，例 如為加熱部連接流路=10 1 2 1的范圍。更具體地，如果在應(yīng)用于個(gè)人電腦CPU的水冷的情況下進(jìn)行說明，則優(yōu)選加熱部2 的中空部2a的內(nèi)徑為3mm 6mm的范圍，而且，優(yōu)選連接流路5的內(nèi)徑為0. 5mm 3mm的范圍。加熱部2的流路截面積比、內(nèi)徑比或內(nèi)徑如果小于上述范圍，則無法充分得到加 熱部2的蒸發(fā)量，或者由于加熱部2的液體保持能力低而導(dǎo)致空燒狀態(tài)，因此，不優(yōu)選。而 且，加熱部2的流路截面積比、內(nèi)徑比或內(nèi)徑如果超過上述范圍，加熱部2內(nèi)的流體的保有 量增多，開始加熱之后到產(chǎn)生蒸發(fā)的時(shí)間增加，而且，在低溫的工作流體從冷卻部3流入 時(shí)，蒸發(fā)停止，由此導(dǎo)致自激振蕩停止，到利用再次加熱而開始蒸發(fā)的時(shí)間變長，不優(yōu)選。而且，加熱部2與連接流路5的內(nèi)徑互不相同，各個(gè)壁厚大致相等，因此，外徑也不 同。所以，在加熱部2與連接流路5之間的接合部8上形成凸緣部9。加熱部2和連接流路 5通過該凸緣部9相互接合。但是，該構(gòu)成僅是一個(gè)示例。作為其他示例，例如，使加熱部2 和連接流路5的內(nèi)徑互不相同，使連接流路5的壁厚加厚，使雙方的外徑大致相等，使加熱 部2的端面與連接流路5的端面接合。而且，在圖IA 圖IC所示的示例中，以接合部8為界，加熱部2以及連接流路5 的內(nèi)徑急劇變化，但是，也不僅限于本發(fā)明，也可以是，使加熱部2及連接流路5的內(nèi)徑在接 合部8的附近逐漸變化。如圖IA 圖IC所示，在加熱部2與冷卻部3之間，連接流路5形成為直線狀。本 發(fā)明涉及的連接流路5不需要形成環(huán)狀，只要在熱管1工作時(shí)，工作流體M能夠在直線狀的 連接流路5中進(jìn)行往復(fù)振蕩即可。這里，直線狀是指單管結(jié)構(gòu)，而并非是曲折成現(xiàn)有技術(shù)那 樣的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，連接流路5為大致直線狀，但是，在產(chǎn)生自激振蕩的范圍內(nèi)，也可以
有一些彎曲等。工作流體M在自激振蕩時(shí)的振蕩幅度根據(jù)連接流路5的形狀、大小而不同，例如， 使加熱部2的內(nèi)徑為5mm、連接流路5的內(nèi)徑為2mm、連接流路5的長度為150mm，并加熱了加熱管2的情況下的振蕩幅度為士 25 士 50mm左右，變得非常大。只要是根據(jù)上述振蕩 幅度適當(dāng)設(shè)計(jì)加熱部2及連接流路5的長度即可。芯4只要是能夠利用毛細(xì)現(xiàn)象輸送液態(tài)的工作流體即可，現(xiàn)有技術(shù)的芯4也可以。 芯4可以是銅等導(dǎo)熱性好的金屬網(wǎng)、玻璃棉、脫脂棉等棉狀體等即可。而且，也可以在加熱 部2的整個(gè)長度方向區(qū)域內(nèi)充填芯4。或者，也可以是，只在加熱部2的長度方向的一部分 (例如長度方向上全長的2/3左右)填充芯4，以使芯4的一端與加熱部2和連接流路5的 接合部8—致?？梢愿鶕?jù)熱管1的工作溫度適當(dāng)選擇工作流體M。例如，優(yōu)選地，工作流體M是純 水、乙醇等有機(jī)液體、氟等制冷劑、氨等液化氣等。在熱管1工作前，優(yōu)選在連接流路5和加熱部2中完全充滿預(yù)先脫氣后的工作流 體。通過加熱熱管1的加熱部2，使充滿在加熱部2的工作流體M氣化后形成蒸汽塞B。通 過該蒸汽塞B，從加熱部2推出工作流體M。工作流體M留在連接流路5中并形成液體塞L。 然后，一旦達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，在液體塞L的前端的彎月面M中，交替發(fā)生工作流體M的蒸發(fā)和 冷凝。因此，在連接流路5中液體塞L自激振蕩。如果目視連接流路5，可以確認(rèn)形成蒸汽 塞B和液體塞L的氣液界面的彎月面M在連接流路5內(nèi)進(jìn)行往復(fù)振蕩，由此，可以判斷有無 自激振蕩。而且，在蒸汽塞B形成時(shí)和自激振蕩產(chǎn)生時(shí)，雖然液體塞L的一部分被向冷卻部 3 (容器3a)頂出，但是，充滿容器3a的工作流體M具有自由液面Ml，因此，可以吸收被頂出 的液體塞L。上述熱管1具有工作流體M、配置于加熱部2和冷卻部3之間而使工作流體M流通 的直線狀連接流路5。連接流路5的流路截面積小于加熱部2的流路截面積，而且，在加熱 部2中具有芯4。因此，與現(xiàn)有技術(shù)的自激振蕩型導(dǎo)熱管相比，極大地提高了有效導(dǎo)熱率以 及最大熱傳遞量。尤其是，由于在加熱部2中具有芯4，從而可以使工作流體M穩(wěn)定地蒸發(fā)，其結(jié)果 是，更進(jìn)一步提高有效導(dǎo)熱率以及最大熱傳送量。而且，上述熱管1在水平放置時(shí)可以穩(wěn)定地維持自激振蕩。而且，根據(jù)上述熱管1，可以直接使加熱部2和連接流路5互相連通。因此，每次當(dāng) 液體塞的前端的彎月面M來到加熱部2和連接流路5的接合部8時(shí)，能夠?qū)⒁徊糠忠后w提 供給加熱部2。由此，能夠使加熱部2保持工作流體，并使其經(jīng)常蒸發(fā)。從而穩(wěn)定工作流體 并使其自激振蕩，提高有效導(dǎo)熱率和最大熱傳送量。即使1根上述熱管1就可以達(dá)到很高的性能，但是，如果希望提高熱傳送量時(shí)，可 以根據(jù)需要增加管的數(shù)量，使熱設(shè)計(jì)變?nèi)菀住６?，?duì)于現(xiàn)有技術(shù)的曲折環(huán)形型熱管，必須進(jìn)行多次的彎曲，才能發(fā)揮其使用性 能，但是，根據(jù)上述熱管1，不使其曲折，而是為直線狀，因此，可以提高有效導(dǎo)熱率和最大熱
傳送量。而且，上述熱管1能夠適用于CPU等電子元件的冷卻。如圖IB示出熱管的其他例子。該熱管31與圖IA所示的熱管1的區(qū)別點(diǎn)在于冷 卻部的結(jié)構(gòu)。如圖IB所示的熱管31的冷卻部33為由硼硅酸玻璃構(gòu)成的中空?qǐng)A柱狀的玻璃管33a。冷卻部33的內(nèi)徑大于連接流路5。在該玻璃管33a的一端上設(shè)置有開口部33b，該開 口部33b由橡膠制的膜(調(diào)整部)34密封。而且，冷卻部33中充滿工作流體。而且，在冷卻部33的外周具有散熱用的鰭35。根據(jù)該熱管31，在蒸汽塞B形成時(shí)以及自激振蕩產(chǎn)生時(shí)，液體塞L的一部分被向冷 卻部33頂出，但是，由于在冷卻部33中具有的橡膠制的膜34發(fā)生變形，因此，冷卻部的內(nèi) 容積實(shí)質(zhì)上增大，并且能夠吸收被頂出的液體塞L的容積。在本實(shí)施方式中，作為調(diào)整部， 使用了橡膠制的膜，但是，可以用隔膜(diaphragm)來取而代之。圖IC示出另外一種熱管的例子。該熱管41與圖IB所示的熱管31的不同之處是 冷卻部中具有的調(diào)整部的位置。圖IC所示的熱管41的冷卻部43是由硼硅酸玻璃構(gòu)成的一端被閉塞的中空?qǐng)A柱 狀玻璃管43a。冷卻部43的內(nèi)徑大于連接流路5。在該玻璃管43a的側(cè)面設(shè)置有開口部 43b。該開口部43b由橡膠制的膜(調(diào)整部)44密封。然后，在冷卻部43中充滿工作流體。而且，在冷卻部43的外周上設(shè)置有散熱用的鰭45。根據(jù)該熱管41，與上述的熱管31 —樣，在蒸汽塞B形成時(shí)以及自激振蕩產(chǎn)生時(shí)，液 體塞L的一部分被向冷卻部43頂出。此時(shí)，冷卻部43中具有的橡膠制的膜44變形，從而 冷卻部43的內(nèi)容積實(shí)質(zhì)上增大，可以吸收被頂出的液體塞L的容積。在本實(shí)施方式中，作 為調(diào)整部使用了橡膠制的膜，但是，可以用隔膜(diaphragm)來取而代之。下面，結(jié)合實(shí)施方式更具體地說明本發(fā)明。(自激振蕩的觀察實(shí)施例1)通過如圖2所示的實(shí)驗(yàn)裝置評(píng)價(jià)了熱管的特性。首先，準(zhǔn)備作為連接流路5的玻璃管13和作為加熱部2的玻璃管12，并使各玻璃 管12、13融接(融著)，其中，連接流路5由內(nèi)徑2mm、長250mm的硼硅酸玻璃形成，加熱部 2由內(nèi)徑5mm、長150mm的硼硅酸玻璃形成。接著，在玻璃管12內(nèi)壁，安裝了由銅網(wǎng)制成的 芯14。芯14安裝在從融接部開始至長度達(dá)IOOmm的范圍內(nèi)。將安裝有芯14的部分作為加 熱部2。接著，通過由硼硅酸玻璃制成的密封部件Ilc進(jìn)行了密封。接著，使作為連接流路 的玻璃管13的開放端lib浸漬于水浴21中，用作為工作流體20的純水充滿了玻璃管12、 13。由此，制成了實(shí)施例1的熱管11。接著，在熱管11的加熱部2中，在50mm的長度L的范圍安裝加熱器22，并且，大致 水平地放置了熱管11。而且，浸漬于水浴21中的部分作為熱管11的冷卻部3。然后，使水 浴21的冷卻水21a的溫度維持在0°C。另一方面，將加熱器22的發(fā)熱量設(shè)定成加熱部的溫 度被保持在水的沸點(diǎn)100°C左右并使熱管11工作。當(dāng)熱管11達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)(最大熱傳送量50W)之后，用熱電偶分別測(cè)量了熱管11 各部分的表面溫度和水浴21的冷卻水21a的溫度。其結(jié)果如圖3以及圖4所示。在圖2 圖4中，測(cè)量位置TCl的溫度為加熱部2的溫度，是加熱器22的安裝部 分的一端部Ila側(cè)的表面溫度。測(cè)量位置TC2的溫度為加熱部2的溫度，是加熱器22的安 裝部分的另一端部lib側(cè)的表面溫度。測(cè)量位置TC3的溫度為冷卻水22a的水溫。測(cè)量位 置TC4的溫度為開放端lib的剛剛從出口出來的水溫。由圖3 圖4可知，TCl以及TC2維持100°C左右，TC3維持0°C左右。另一方面， TC4周期性地具有峰值。峰值的最大溫度約為10°C，峰值頻率為5Hz。而且，工作流體20的振幅最大為IOOmm(士50mm)。由此，對(duì)于實(shí)施例1中的熱管11，在正常狀態(tài)下，觀察到了工 作流體20的自激振蕩。熱傳遞速度Q以及有效導(dǎo)熱率λ eff的測(cè)定下面，描述實(shí)施例1的熱管的熱傳遞速度Q(熱傳送量)和有效導(dǎo)熱率Xrff的關(guān) 系。在該實(shí)驗(yàn)中，適當(dāng)改變冷卻水的水溫和加熱器的加熱溫度并進(jìn)行了測(cè)定。而且，通過下 式(1)和下式(2)求出了熱傳遞速度Q以及有效導(dǎo)熱率Xrff。結(jié)果如圖5所示。另外，在式(1)中，P為工作流體20 (純水)的密度，Cp為工作流體20 (純水)的 定壓比熱，V為工作流體20的封入量，ΔΤ為冷卻部的水溫在時(shí)間At內(nèi)的上升量。在式(2)中，Ltc2為加熱部全長的二分之一與連接流路全長的合計(jì)長度，Th為加熱 部的溫度，Tl為水浴中冷卻水的水溫，(1Φ2為連接流路的內(nèi)徑。式1
權(quán)利要求
一種自激振蕩熱管，其特征在于，包括加熱部，所述加熱部內(nèi)部具有芯；冷卻部，充滿有工作流體；連接流路，直線狀地連接所述加熱部以及所述冷卻部，并具有小于所述加熱部的流路截面積的流路截面積；液體塞，從所述冷卻部突出至所述連接流路內(nèi)，包括所述工作流體；以及所述加熱部中的蒸汽塞，具有已氣化的所述工作流體，其中，所述液體塞在所述連接流路內(nèi)自激振蕩。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自激振蕩熱管，其特征在于，充滿在所述冷卻部中的所述工 作流體具有不受內(nèi)壓約束的自由液面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自激振蕩熱管，其特征在于，所述冷卻部具有開口部，在所述 開口部上設(shè)置有用于調(diào)整所述冷卻部的內(nèi)容積的調(diào)整部。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自激振蕩熱管，其特征在于，所述加熱部的截面積與所述連 接流路的截面積之比為10 1 2 1。
全文摘要
一種自激振蕩熱管，其特征在于，包括加熱部，上述加熱部內(nèi)部具有芯；冷卻部，充滿有工作流體；連接流路，直線狀地連接上述加熱部以及上述冷卻部，并具有小于上述加熱部的流路截面積的流路截面積；液體塞，從上述冷卻部突出至上述連接流路內(nèi)，包括上述工作流體；以及上述加熱部中的蒸汽塞，具有已氣化的上述工作流體，其中，上述液體塞在上述連接流路內(nèi)自激振蕩。
文檔編號(hào)F28D15/02GK101939611SQ20098010441
公開日2011年1月5日 申請(qǐng)日期2009年2月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月8日
發(fā)明者奧山邦人, 森昌司 申請(qǐng)人:國立大學(xué)法人橫浜國立大學(xué)