熱管及其加工方法和具有該熱管的電子設備與流程
2023-07-25 03:29:36
本發明涉及電子技術領域，具體涉及一種熱管及其加工方法和具有該熱管的電子設備。
背景技術：
眾所周知，良好的散熱能夠保證電子產品系統各部件的工作穩定性，要保證各個部件散熱良好，相應散熱配置均需要佔用必要的設計空間。然而，伴隨著科技的發展及應用需求的提高，小型化、集成化電子產品不斷推陳出新，由於電子元件集成化程度的提高，單位面積的散熱功率也必然隨之增大，因此高度集成的電子元件在工作時，其表面溫度會迅速上升。由此，散熱性能與產品小型化之間存在相互制約的矛盾。例如，對於筆記本電腦來說，越來越輕薄的產品設計留給系統散熱的空間也越來越小。傳統筆記本散熱模組的設計，熱管厚度直接影響到產品堆疊高度和產品出風處表面溫度，並且影響到風扇在系統裡的風量風壓；現有超薄熱管在打扁時，蒸氣通道的截面面積變小，蒸汽流動阻力增加，蒸汽高速流動會把毛細結構裡的水帶回冷凝端，就樣就很容易達到蒸汽的攜帶極限，所以熱管所能帶走的熱通量就極大地受到限制。因此，在高性能筆記本電腦中，如何既滿足高功率導熱性能的要求，又能符合超薄設計趨勢，目前仍沒有行之有效的方法，這也使得產品設計受到極大局限。再者，平板電腦受其自身空間的限制，傳統熱管設計無法應用於其散熱系統，因而採用被動散熱的方式；即，主要依靠殼體及熱擴散材料(金屬箔片、石墨片等)進行散熱。由於殼體及熱擴散材料導熱能力有限，因此CPU等晶片的功率都不可能太高，進而限制整機性能的提升。有鑑於此，亟待針對現有熱管進行結構優化設計，以有效解決現有技術所存在的散熱性能與外形尺寸無法得以有效控制的缺陷。
技術實現要素：
針對上述缺陷，本發明解決的技術問題在於提供一種熱管，該熱管通過管芯結構排布的改進可有效降低蒸汽流動阻力，在獲得良好散熱性，同時能夠最大限度的控制其外形尺寸，從而為高性能筆記本電腦的良好散熱，以及應用於自身空間較小的平板電腦的可能提供了可靠保障。在此基礎上，本發明還提供一種具有該熱管的電子設備及該熱管的加工方法。本發明提供的熱管，包括管殼及內置於所述管殼內的具有液相介質的第一流道和氣相介質的第二流道的管芯；所述管芯包括：第一管段，所述第一管段中的所述第一流道包圍所述第二流道；第二管段，所述第二管段中的所述第一流道與所述第二流道並行設置。優選地，所述第一管段設置在所述管芯的蒸發段和冷凝段；所述第二管段設置在所述管芯的中間段。優選地，在蒸發段末端和冷凝段起始端的所述管芯的一側管壁上均開有延伸至其最大直徑處的切口；兩個所述切口之間的所述管芯的一側管壁向內折彎至與另一側管壁貼合，形成蒸發段和冷凝段的所述第一管段及中間段的第二管段。優選地，所述熱管為扁管，其壓管方向貫穿兩層所述管芯的向內折彎的一側管壁，且所述管芯的一側管壁向內折彎形成的兩條折邊重合。優選地，在與所述壓管方向垂直的投影面內，所述切口自所述管芯的端部向中部斜向開設。本發明提供的電子設備，包括多個內部發熱部件和與所述多個內部發熱部件相應設置的散熱模組；所述散熱模組包括散熱器和連接所述散熱器和所述內部發熱部件的熱管；所述熱管包括管殼和內置於所述管殼內的具有液相介質的第一流道和氣相介質的第二流道的管芯；所述管芯，包括：第一管段，所述第一管段中的所述第一流道包圍所述第二流道；第二管段，所述第二管段中的所述第一流道與所述第二流道並行設置。優選地，所述第一管段設置在所述管芯的蒸發段和冷凝段；所述第二管段設置在所述管芯的中間段。優選地，在蒸發段末端和冷凝段起始端的所述管芯的一側管壁上均開有延伸至其最大直徑處的切口；兩個所述切口之間的所述管芯的一側管壁向內折彎至與另一側管壁貼合，形成蒸發段和冷凝段的所述第一管段及中間段的第二管段。優選地，所述熱管為扁管，其壓管方向貫穿兩層所述管芯的向內折彎的一側管壁，且所述管芯的一側管壁向內折彎形成的兩條折邊重合。優選地，在與所述壓管方向垂直的投影面內，所述切口自所述管芯的端部向中部斜向開設。本發明提供的一種熱管的加工方法，包括如下步驟：a.製備管芯本體和管殼；b.在所述管芯本體的管壁上按照第一方向切兩個開口，所述兩個開口之間的管壁構成第一部分；c.按照所述開口的方向將所述第一部分按壓折彎製得管芯，所述管芯的所述第一部分至少與所述管芯本體上與所述第一部分對應的第二部分的管壁貼合；d.將所述管芯裝入與所述管殼中；e.將所述管芯和所述管殼按照第二方向進行壓制形成扁狀熱管，所述第二方向與所述第一方向不同；其中，所述管芯上的所述第一部分和與所述第一部分對應的管壁形成第二管段，所述第二管段中的所述第一流道與所述第二流道並行設置；所述管芯上的其餘部分形成第一管段，所述第一管段中的所述第一流道包圍所述第二流道。優選地，步驟b中，在與所述第二方向垂直的投影面內，所述開口自所述管芯的端部向中部斜向開設；且，所述開口延伸至所述管芯本體的最大直徑處。優選地，步驟d中，沿所述管芯的一側管壁向內折彎形成的兩條折邊重合的方向確定所述第二方向。優選地，步驟d中，所述管芯裝入所述管殼中後填充製冷工質並封管；或者，步驟e中，壓制形成所述扁狀熱管後填充製冷工質並封管。本發明根據液相介質和氣相介質流動所需空間的不同，合理排布管芯的結構，管芯整體上包括兩種不同結構的管段。在第一管段，其液相介質的第一流道包圍氣相介質的第二流道，在第二管段，其液相介質的第一流道與氣相介質的第二流道並行設置；也就是說，本方案所述管芯的兩個管段具有不同工作狀態。相比較而言，位於第一管段的第一流道和第二流道之間的相對位置關係與傳統管芯相同，而位於第二管段的兩個流道並行設置。與現有技術相比，本發明可有效兼顧散熱性能及其外形尺寸兩方面的要求。首先，在熱管外徑尺寸及壁厚一致的基礎上，與第一管段相比，第二管段的第一流道和第二流道之間的接觸比表面積可減少50％左右，從而第二管段當中承載的氣相介質的流通阻力得以有效降低，進而可以提高氣相介質的流速；與此同時，由於第二管段的第一流道和第二流道之間的接觸比表面積的減小，氣相介質對回流的液相介質的影響可降到最低，極大地提高了蒸氣攜帶極限。經生產試驗數據表明，本發明相對於傳統熱管可提高30％以上的效能，且該熱管的基本製備工藝相比於傳統熱管工藝沒有大的改動，在顯著提高熱管效能的基礎上，製造成本得以有效控制。其次，由於管芯的第二管段的兩個流道並行設置，因此，壓管方向只要能夠貫穿兩層管殼和四層管芯的管壁，就能夠確保第一流道與第二流道之間的並行，扁管的最小極限厚度僅為兩層管殼和四層管芯的壁厚；而傳統熱管結構為預留有效的氣相介質流動空間無法獲得前述扁管厚度。顯然，相同效能的基礎上，本發明提供的熱管相比於傳統熱管結構，壓扁後的熱管厚度可大大減薄，一方面，基於現有電子設備超薄設計趨勢，能夠在有限空間內滿足高功率導熱性能的要求，適應高性能電子設備的發展；同時，該結構熱管為平板電腦應用主動散熱系統提供了良好的技術支持。在本發明的優選方案中，通過蒸發段末端和冷凝段起始端的管芯的一側管壁上開設有切口，且兩個切口之間的管芯一側管壁向內折彎至與另一側管貼合，以形成蒸發段和冷凝段的第一管段及中間段的第二管段。如此設計，切口後折彎工藝簡單易於操作，可進一步控制熱管制造成本。在本發明的另一優選方案中，在與所述壓管方向垂直的投影面內，所述切口自所述管芯的端部向中部斜向開設，以形成最佳的貼合狀態，進一步提高局部液相介質回流能力。附圖說明圖1是具體實施方式中所述筆記本電腦的打開狀態示意圖；圖2示出了散熱模組與內部發熱元件之間的裝配關係示意圖；圖3是具體實施方式中所述熱管的裝配爆炸示意圖；圖4是圖3中所示第一管段處的熱管截面圖；圖5是圖3中所示第二管段處的熱管截面圖；圖6至圖10分別示出了具體實施方式中所述熱管加工方法的各工序示意圖。圖中：基座100、顯示器200、發熱元件10、散熱模組20、散熱器21、熱管22、熱管蒸發段221、熱管冷凝段222、熱管中間段223、管殼31、管芯32、第一流道321、第二流道322。具體實施方式本發明的核心是提供一種兼具良好傳熱效能及外形尺寸的熱管，該熱管通過結構改進可有效降低蒸汽流動阻力，在獲得良好散熱性，同時能夠最大限度的控制其外形尺寸。下面結合說明書附圖具體說明本實施方式。不失一般性，本實施方式以筆記本電腦作為主體進行說明。請參見圖1，該圖為本實施方式所述筆記本電腦的打開狀態示意圖。如圖1所示，該筆記本電腦包括具有鍵盤模塊的基座100和顯示器200，兩者之間鉸接。其中，基座100內設置有多個發熱元件10以及與發熱元件10相應設置的散熱模組20，該發熱部件10具體可為CPU、顯卡等功能元件；具體請參見圖2，該圖示出了散熱模組與內部發熱元件之間的裝配關係示意圖。如圖2所示，散熱模組20包括散熱器21和熱管22，熱管22連接在散熱器21與發熱元件10之間。具體地，與發熱元件10相連的熱管蒸發段221用於吸收發熱元件10工作產生的熱量，與散熱器21相連的熱管冷凝段222用於將熱管22吸收的熱量通過氣流傳遞輸出。上述換熱過程中，對於類似於CPU這樣發熱面積較大的發熱元件，也可以增加集熱部件(圖中未示出)配合使用，以提高傳熱效率。需要說明的是，基座100與顯示器200的主體結構均可以採用現有技術實現，故本文不予贅述。此外，前述散熱模組20與殼體及發熱元件10之間的相對位置配合關係可以與現有技術相同；同時，除散熱模組10外，該筆記本電腦的其他功能組件也可以採用現有技術實現，本文同樣不再贅述。請參見圖2，該圖是散熱模組10的整體結構示意圖。為詳細說明本申請的核心設計，請一併參見圖3，該圖為熱管的裝配爆炸示意圖。與現有技術相同，該熱管22包括管殼31和內置於管殼31內的具有液相介質的第一流道和氣相介質的第二流道的管芯32；管芯32可以為金屬網管芯、溝槽管芯或者粉末燒結管芯，管壁上的毛細結構形成液相介質的第一流道，並通過管壁內腔空間形成氣相介質的第二流道。本方案的管芯包括上述第一流道和第二流道相關方位改進的第一管段和第二管段，具體地，本方案中第一管段應用於熱管蒸發段221和熱管冷凝段222，第二管段應用於熱管中間段223。當然，沿熱管的長度方向，前述第一管段、第二管段排布關係並不構成對本申請保護範圍的限定。請一併參見圖4和圖5，其中，圖4是第一管段(熱管蒸發段221或者熱管冷凝段222)處的熱管截面圖，圖5是第二管段(熱管中間段223)處的熱管截面圖。第一管段中的第一流道321包圍第二流道322，第二管段中的第一流道321與第二流道322並行設置。顯然，管芯第一管段中兩個流道的方位關係與現有技術完全相同，其第二管段中並行設置的兩個流道對熱管效能的提高產生了實質性的影響，以下進行對比說明。首先，結合圖4、圖5所示內容可知，在熱管外徑尺寸及壁厚一致的基礎上，與第一管段相比，第二管段的第一流道321和第二流道322之間的接觸比表面積可減少50％左右，由此使得第二管段當中所承載的氣相介質流通阻力得以有效降低，進而可以提高氣相介質的流速；與此同時，由於第二管段的第一流道321和第二流道322之間較小的接觸比表面積，氣相介質對回流的液相介質的影響可降到最低，極大地提高了蒸氣攜帶極限，為提升熱管的效能提供了可靠保障。另外，正是由於承載氣相、液相兩種介質的流道在管芯32的第二管段並行設置，壓扁後的熱管22厚度能夠作到最小尺寸，且該最小尺寸厚度下的第二管段依然能夠以前述較小的接觸比表面積的特性獲得較好的傳熱效能。以圖中所示的芯管工藝為例，熱管厚度可達到的最小值為兩層管殼31和四層管芯32的管壁，也就是說，壓管方向只要能夠貫穿兩層管殼31和四層管芯32的管壁，所貫穿的實體結構壓後依次貼合，就能夠確保第二管段的第一流道321與第二流道322之間的並行。然而，傳統熱管結構為預留有效的氣相介質流動空間無法獲得前述扁管厚度，進行超薄設計時受熱管效能影響存在瓶頸(傳統熱管的各截面完全一致，且與本發明第一管段的截面相同，因此可參考圖4所示內容進行說明)，結合圖4可知，熱管22的厚度尺寸鏈主要是由管殼31壁厚、管芯32的壁厚以及真空度很高的內部氣相流動區域組成，顯然，由於管殼31和管芯32的壁度存在客觀的物理上的極限，當熱管打扁時減小整體厚度將直接減小供氣相高速流動的區域，也就是說，打扁厚度越小該空間越小。因此，受熱管效能的影響無法滿足現有超薄電子設備的需求，而本發明提供的熱管相比於傳統熱管結構，壓扁後的熱管厚度可大大減薄。工作過程中，熱管蒸發段經過熱源加熱，其內的液相介質開始轉化為氣相；在熱管中間段，氣相介質從第二流道高速傳送，液相介質從管芯第二流道的毛細結構中由虹吸力驅動回流到蒸發段；而當高溫氣相介質到達冷凝段時，由於散熱器或者冷卻器件使熱管溫度降低，氣相介質轉化為液相介質，並進入冷凝段的管芯第一流道的毛細結構中。下面結合熱管的不同工作段描述其工作原理。一、熱管蒸發段。其中製冷工質大部份為液相流質，經過熱源加熱，開始轉化為氣相，這時所需要佔用的內部氣相流道空間很小，因此採用圖4所示第一管段結構的管芯物理排布，這種排布可以充分使液相介質周均勻覆蓋熱管內部，不影響流質蒸發。具有較高的蒸發效率，可避免因沒有毛細結構產生的無效蒸發麵積，降低蒸發熱阻。二、熱管中間段。其中高溫氣相介質佔的第二流道空間比較大，因此採用圖5所示的第二管段結構的管芯物理排布，從而減少氣液兩相接觸面積，降低蒸汽流通阻力，這樣，蒸汽對回流的液相工質的影響降到最低，極大提高了熱管的蒸氣攜帶極限，從而提高熱管的效能。三、熱管冷凝段。其中高溫氣相介質開始放熱，轉化為液相，這時所需要佔用的空間變小，因此，採用圖4所示第一管段結構的管芯物理排布，這種排布可以充分使液相介質周向均勻覆蓋熱管內部，使熱管內部溫度均勻，提高熱管冷卻速率。可確保較好的冷凝後冷凝水的回流效率，避免因沒有毛細結構產生的無效冷凝面積，降低冷凝熱阻。基於前述關於管芯物理空間排布的結構改進，以及現有加工製造技術水平，可以確定多種該結構管芯的製備方法。例如，粉末燒結直接成形，溝槽管芯側壁材料去除後成開，金屬網管芯側壁材料去除後成形等。以下結合圖6至圖10詳細闡述一種前述熱管的加工方法。該熱管的加工方法主要按照以下步驟進行：a.製備管芯本體和管殼，如圖6所示，其中僅示出管芯本體結構；b.在管芯本體的管壁上按照第一方向切兩個開口，兩個開口之間的管壁構成第一部分，如圖7所示；c.按照所述開口的方向將所述第一部分按壓折彎製得管芯，該第一部分至少與管芯本體上與第一部分對應的第二部分的管壁貼合，如圖8所示；d.將管芯裝入與管殼中，如圖9所示；e.將管芯和管殼按照第二方向進行壓制形成扁狀熱管，第二方向與所述第一方向不同，如圖10所示；其中，管芯上的第一部分和與第一部分對應的管壁形成第二管段，第二管段中的第一流道與第二流道並行設置；管芯上的其餘部分形成第一管段，第一管段中的第一流道包圍第二流道。其中，製冷工質的注入可以有不同的處理方式。一種方式是在步驟d中，所述管芯裝入所述管殼中後填充製冷工質並封管；另外一種方式是在步驟e中，壓制形成所述扁狀熱管後填充製冷工質並封管。在前述製造方式的基礎上，可以從加工工藝的角度作進一步改進。例如，步驟b中，在與第二方向(壓管方向)垂直的投影面內，該開口自管芯的端部向中部斜向開設，且，開口延伸至所述管芯本體的最大直徑處也就是說，形成於蒸發段末端和冷凝段起始端的管芯的一側管壁上的切口均延伸至其最大直徑處，以形成最佳的貼合狀態。例如，步驟d中，沿管芯的一側管壁向內折彎形成的兩條折邊重合的方向確定所述第二方向(壓管方向)，其壓管方向貫穿兩層所述管芯的向內折彎的一側管壁，以確保其第二管段的液相介質第一流道與氣相介質第二流道之間並列狀態具有最小的接觸比表面積。以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。