專利名稱：載熱器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種載熱器，它通過加熱介質(zhì)將該載熱器受熱區(qū)的熱量傳遞到載熱器的散熱區(qū)。
例如在日本專利公開文件8-303970中公開了一種典型的用于冷卻發(fā)熱元件，例如便攜式個人電腦(PC)的MPU的冷卻單元，這種冷卻單元所用的熱管內(nèi)為芯吸(Wick)結(jié)構(gòu)，它包括多個用于充裝例如水的工作流體或加熱介質(zhì)的細(xì)管線。
在該公開文獻(xiàn)介紹的熱管中，加熱介質(zhì)在熱管的受熱區(qū)(發(fā)熱區(qū))蒸發(fā)。產(chǎn)生的蒸汽將熱量帶到或傳送到散熱區(qū)，加熱介質(zhì)在該散熱區(qū)因放出熱量而得到冷卻，并在通過Wick結(jié)構(gòu)回到受熱區(qū)以前變成液態(tài)，由此連續(xù)將受熱區(qū)的熱量傳到散熱區(qū)，冷卻發(fā)熱區(qū)。
因為熱管內(nèi)為傳送工作流體的Wick結(jié)構(gòu)，所以不能制成緊湊式結(jié)構(gòu)。因此，如果將上述結(jié)構(gòu)的熱管用于電子設(shè)備，則該設(shè)備必然變得很龐大。
在日本專利公開文件7-253254中公開了另一種在生態(tài)學(xué)上具有安全性能的超臨界流體式的加熱介質(zhì)。
但是，在該公開文獻(xiàn)中所述的技術(shù)是很大的空調(diào)器系統(tǒng)，它包括一個使超臨界加熱介質(zhì)在兩個熱交換器之間循環(huán)的氣泵，這兩個熱交換器一個吸熱，另一個放熱。因此，該系統(tǒng)太大，不能用在電子設(shè)備中。
本發(fā)明旨在提供一種緊湊式載熱器來克服上述缺陷，本發(fā)明只用薄壁熱管，而不用傳統(tǒng)的厚壁熱管或使載熱器體積很大的泵。本發(fā)明還在于提供一種用在小型電子設(shè)備，例如便攜式PC中的緊湊式載熱器。
一方面，本發(fā)明的載熱器包括一個密閉容器，該容器包括至少一個受熱區(qū)和至少一個散熱區(qū)，所述閉合容器中裝有加熱介質(zhì)，其中所述加熱介質(zhì)在所述受熱區(qū)中受到加熱時，該加熱介質(zhì)變成超臨界流體，由于所述受熱區(qū)和所述散熱區(qū)之間的溫差引起的密度差，使得流體通過對流循環(huán)，將熱量從受熱區(qū)傳到散熱區(qū)。
在這種設(shè)置中，由于加熱介質(zhì)在超臨界狀態(tài)下的黏度較低，所以只需要很少的循環(huán)能量，這樣就能夠制造出緊湊高效的載熱器。
所述密閉式容器可以做成長方體，也可以做成圓筒形，由此便于加熱介質(zhì)在容器中對流循環(huán)。
但是，所述容器最好是連接受熱區(qū)和散熱區(qū)的環(huán)形熱管，這樣就可以使加熱介質(zhì)平穩(wěn)地流過所述熱管。
環(huán)形熱管可以朝上彎曲，這樣加熱介質(zhì)在重力作用下可以方便地對流換熱。
除了受熱區(qū)和散熱區(qū)之外，在整個管上涂敷絕熱材料，這樣就可以增強(qiáng)加熱介質(zhì)的循環(huán)或使加熱介質(zhì)更有效地循環(huán)，使受熱區(qū)向散熱區(qū)的傳熱更佳。
最好能使環(huán)形熱管在受熱區(qū)和散熱區(qū)之間以之字形延伸多次，它代替?zhèn)鹘y(tǒng)載熱器中的若干用于連接受熱區(qū)和散熱區(qū)的管道。這樣就可以減輕在很多管道中充裝加熱介質(zhì)的負(fù)擔(dān)。
通過在環(huán)形熱管中設(shè)置多個小尺寸的散熱區(qū)，就可以減少各個散熱區(qū)放出的熱量，由此可減小各個散熱區(qū)的尺寸，從而就可以將它們設(shè)置在較小的空間內(nèi)。本發(fā)明對于小尺寸的PCs特別有利。
另一方面，可以將一個公共散熱區(qū)連接到環(huán)形熱管的多個受熱區(qū)，從而可減少散熱區(qū)的空間和降低載熱器的成本。
環(huán)形熱管的一部分可以是用作受熱區(qū)的平面形網(wǎng)格，例如這種網(wǎng)格適用于印刷電路板。
在這種情況中，使各個管道的直徑小于該熱管的其余部分的直徑，就可以理想地使受熱區(qū)和散熱區(qū)之間實現(xiàn)均勻的熱傳遞，這種載熱器例如適用于緊湊輕型的便攜式PC。
可以在受熱區(qū)沿一個包括該受熱區(qū)在內(nèi)的物體的周邊設(shè)置足夠長的熱管，這樣就可以使裝置理想散熱。
由于二氧化碳在7．3MPa的壓力下和在31℃左右的溫度下能理想地變成超臨界狀態(tài)，所以二氧化碳可以用于冷卻電子設(shè)備，例如冷卻具有發(fā)熱元件的PC，如果該P(yáng)C沒有得到冷卻，則其溫度會上升到約80℃。


圖1示出了本發(fā)明第一種載熱器的基本結(jié)構(gòu)；圖2是二氧化碳的莫利示圖(mollier diagram)；圖3A和3B示出了本發(fā)明第二種載熱器的基本結(jié)構(gòu)；圖4A和4B示出的是如圖3A和3B所示的載熱器的熱管中的加熱介質(zhì)的對流圖；圖5示出的是本發(fā)明用于太陽能集能器的例子；
圖6示出的是本發(fā)明用于具有散熱翅片的散熱器的例子，其中圖6A是散熱器的透視圖，圖6B是側(cè)視圖；圖7示出的是本發(fā)明用于將熱源的熱量傳送到用熱系統(tǒng)中的傳熱系統(tǒng)的例子；圖8示出的是本發(fā)明用于溫度控制槽的例子；圖9是環(huán)形熱管在受熱區(qū)和散熱區(qū)之間為之字型的例子；圖10示出的是本發(fā)明用于筆記本電腦中的例子；圖11是用于圖10筆記本電腦中的環(huán)形熱管的例子；圖12到14示出的是根據(jù)不同方法用于筆記本電腦印刷電路板上的本發(fā)明的載熱器，其中圖12示出的是電路板包括多個發(fā)熱件的例子；圖13示出的是電路板包括單個發(fā)熱件以及多個散熱區(qū)的另一個例子；而圖14示出的是整個印刷電路板都用作受熱區(qū)的又一個例子；圖15是用于例如筆記本電腦類的電子設(shè)備的載熱器的透視圖，所示出的安裝的環(huán)形熱管的形狀與電子設(shè)備的相同。
現(xiàn)在參見圖1，所示的本發(fā)明的載熱器包括一個通過該載熱器的受熱區(qū)2和散熱區(qū)3的環(huán)形熱管1。環(huán)形熱管1上除了該管在受熱區(qū)2和散熱區(qū)3部分以外全部涂敷有絕熱材料層4。環(huán)形熱管1內(nèi)封裝有二氧化碳作為加熱介質(zhì)。
環(huán)形熱管1中的二氧化碳在7．3MPa以上的壓力下和在約31℃的溫度下變成易于對流的低黏度超臨界流體。當(dāng)環(huán)形熱管1中的超臨界流體出現(xiàn)溫度梯度時，就會產(chǎn)生密度梯度，這樣不需要任何外部驅(qū)動設(shè)備就會使得流體自然對流，由此在流體流過環(huán)形熱管1時將受熱區(qū)2的熱量傳遞給散熱區(qū)3。
超臨界流體是熱力學(xué)狀態(tài)與流體物質(zhì)臨界點處或臨界點以上的液態(tài)或氣態(tài)不同的流體。二氧化碳的臨界點的壓力為7．3MPa，溫度約為31℃，這在圖2中用點“a”表示。所以二氧化碳在影線區(qū)域b中變成超臨界流體。
下表示出了含有二氧化碳的各種物質(zhì)的臨界溫度和臨界壓力。
表Ⅰ
從上表中可以看到，與別的物質(zhì)相比，二氧化碳具有用作上述載熱器加熱介質(zhì)的理想臨界點。但是應(yīng)當(dāng)注意的是本發(fā)明的加熱介質(zhì)并不限于二氧化碳，根據(jù)載熱器的用途可以使用其它合適的物質(zhì)。
應(yīng)注意的是，如表2所示，二氧化碳的密度和熱導(dǎo)率與液體的類似，黏度與氣體類似。
表2
從表2可以看到，超臨界流體通常具有以下特性(1)由于黏度低，所以流動性高；和(2)與液體和氣體比較，運動粘度較低，所以容易出現(xiàn)對流。
雖然上面已經(jīng)結(jié)合圖1的環(huán)形熱管描述了本發(fā)明的用于加熱介質(zhì)的載熱器的容器，但本發(fā)明的容器并不限于這種環(huán)形熱管。例如，容器可以是圖3所示的里面沒有閉合回路的簡單的封閉式長方體容器5或簡單封閉式圓筒體6。
在上述簡單閉合容器中，當(dāng)容器在受熱區(qū)7得到加熱時，加熱介質(zhì)沿圖4箭頭X所示的方向進(jìn)行對流。由于對流X，使得受熱區(qū)7的熱量由加熱介質(zhì)傳遞到容器的散熱區(qū)8。
本發(fā)明的載熱器可以用于下面所述的各種傳熱系統(tǒng)。圖5示出的是裝在房屋9的屋頂10上的用于接收太陽能的太陽能收集器11。太陽能收集器11收集的熱量可以通過環(huán)形熱管13傳遞給水加熱器12，由此加熱水加熱器12中的水。環(huán)形熱管13包括一個連接太陽能收集器11和水加熱器12的容器，熱管中有例如二氧化碳的加熱介質(zhì)，在使用時二氧化碳變成超臨界流體。
圖6示出的是大面積散熱器，即具有多個散熱翅片14的散熱器。若干伸入翅片的導(dǎo)熱管15與翅片14連接。將本發(fā)明的環(huán)形熱管16裝在導(dǎo)熱管15的周圍，它們之間相互接觸。
在這種設(shè)置中，例如當(dāng)翅片在部位H受到局部加熱時，環(huán)形熱管16將熱量傳遞到翅片14的其他部位，由此有效地冷卻加熱部位H。
圖7示出的是將熱源17的熱量通過環(huán)形熱管19傳送到用熱設(shè)備18中的例子；熱源例如是地?zé)嵴?，工廠或鍋爐的廢熱，用熱設(shè)備例如是充分利用熱量的熱水供應(yīng)系統(tǒng)。環(huán)形熱管19上可以涂敷絕熱材料，以便在傳熱過程中使熱量損失最小。
圖8示出的是通過環(huán)形熱管21將溫度控制槽20與熱源22連接的例子。使環(huán)形熱管21在溫度控制槽20的壁上延伸，以便迅速將熱源的熱量傳遞給槽，將槽內(nèi)保持在給定溫度。
圖9是環(huán)形熱管25在受熱區(qū)23和散熱區(qū)24之間為之字型的例子。受熱區(qū)23所處的位置低于散熱區(qū)24，從而使環(huán)路中的超臨界加熱介質(zhì)進(jìn)行對流。環(huán)形熱管25上涂敷有絕熱材料26，以防止熱量外漏到環(huán)境空氣中。
環(huán)形熱管25的內(nèi)部空間25a充有作為超臨界傳熱介質(zhì)的二氧化碳。一旦受熱區(qū)23和散熱區(qū)24之間出現(xiàn)溫差，超臨界流體就在環(huán)形熱管25中開始對流，從而有效地將受熱區(qū)23的熱量傳遞給散熱區(qū)24。
在環(huán)形熱管中使用超臨界加熱介質(zhì)可以克服現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，如果氣體加熱介質(zhì)轉(zhuǎn)變成稠的液體，則這種黏度就可以抑制所要求的介質(zhì)對流，由此減少傳熱。由于超臨界傳熱介質(zhì)的這種有效傳熱，所以可以減少環(huán)形熱管的內(nèi)徑，這樣也就可以減少環(huán)形熱管本身的直徑。此外，可以用很小的能量使超臨界流體流過環(huán)形熱管，從而可以得到高效的載熱器。
如下所述，本發(fā)明的載熱器可用于筆記本電腦。圖10示出的是本發(fā)明的用于冷卻CPU31的載熱器，所述CPU31控制筆記本電腦30的全部運行。計算機(jī)除了CPU31之外還包括一個具有顯示屏32a的顯示器32，顯示屏嵌入框32b中。CPU31的頂端具有用于吸收該CPU31發(fā)出的熱量的受熱區(qū)33。CPU31發(fā)出的熱量通過設(shè)置在顯示屏32a周圍的環(huán)形熱管34傳遞，最后由作為載熱器散熱區(qū)的一部分的框32b釋放。環(huán)形熱管34內(nèi)的密閉空間中充有加熱介質(zhì)，例如上述實施例中的用于對流的超臨界二氧化碳。在這種設(shè)置中，加熱介質(zhì)吸收受熱區(qū)33中的熱量，當(dāng)加熱介質(zhì)在熱管中流動時，放出LCD屏32a的熱量。當(dāng)加熱介質(zhì)是二氧化碳時，由于里面是二氧化碳的受熱區(qū)33的溫度超過31℃，所以環(huán)形熱管34中的加熱介質(zhì)變成低稠度的超臨界流體。因此，當(dāng)CPU31將受熱區(qū)加熱到31℃時，由于在受熱區(qū)和散熱區(qū)之間的溫差造成這兩者之間的密度梯度，因而在熱管中出現(xiàn)對流。因此，通過對流進(jìn)行傳熱，并對LCD屏32a的周圍進(jìn)行散熱。
另外，為了便于利用加熱介質(zhì)中出現(xiàn)的密度梯度進(jìn)行對流，如圖11所示，可以在環(huán)形熱管34的靠近該熱管受熱區(qū)33的部位有一個朝上的彎曲部34a。
圖12表示的是象PC母板一類的印刷電路板35，例如它包括多個發(fā)熱件36a-36c。
在該例子中，環(huán)形熱管37的受熱區(qū)38a-38c與各個發(fā)熱件36a-36c接觸或靠近。這些發(fā)熱件通過熱管與遠(yuǎn)離它們的散熱區(qū)39熱連接。環(huán)形熱管37可以有若干靠近受熱區(qū)38a-38c的彎曲部40a-40c，從而就象上面的例子所描述的那樣便于超臨界流體對流。
由超臨界流體得到的熱量通過熱管從各個發(fā)熱件36a-36c傳遞到散熱區(qū)39，并由散熱區(qū)進(jìn)行散熱。應(yīng)注意的是，在該例子中，只有一個散熱區(qū)冷卻多個發(fā)熱件，以便節(jié)省應(yīng)滿足其他需求的散熱區(qū)的額外經(jīng)費和空間。
圖13是包括多個用于冷卻電路板35上的發(fā)熱件36的散熱區(qū)39a-39c的例子。
應(yīng)注意的是，在該例子中，發(fā)熱件可以理想地受到多個散熱區(qū)的冷卻，每一個散熱區(qū)的熱容量都比較小，所以占的空間均比較小。
圖14示出的是具有多個分布在PC印刷電路板35上的分支的環(huán)形熱管37，這些分支連接在一起，以便起到冷卻多個分布在印刷電路板35上的發(fā)熱件36a-36c的板式受熱區(qū)41的作用。
應(yīng)注意的是，圖14所示的板式受熱區(qū)41具有與印刷電路板35上的發(fā)熱件36接觸或靠近的方格型分支，從而吸收發(fā)熱件上的熱量。如果不形成這種具有方格型分支的環(huán)形熱管37，則可以形成具有一系列平行分支的板式熱管。
當(dāng)加熱介質(zhì)是超臨界流體時，由于黏度較低，所以分支中的流阻也較小，這樣在受熱區(qū)41中的熱管就可以比環(huán)形熱管37其余的部位薄。因此，例如便攜式PCs就可以變薄，使其具有較小的重量。
當(dāng)發(fā)熱件36加熱到高于一定的溫度，也就是說50℃時，環(huán)形熱管37中的超臨界流體開始在熱管中流動，將受熱區(qū)41的熱量傳遞給散熱區(qū)39，由此冷卻受熱區(qū)41。
在圖15所示的例子中，將熱管的受熱區(qū)46鋪在待冷卻物體44的外周上。容器42有一個用于安裝長方體44的槽43，長方體例如可以是PC的電子元件。環(huán)形熱管45的受熱區(qū)46鋪在待冷卻物體44的外周上，以致于受熱區(qū)46可以與物體44一起設(shè)置在槽43內(nèi)。環(huán)形熱管的散熱區(qū)47設(shè)置在容器42外。
應(yīng)注意的是，在這里所示的例子中，由于超臨界流體的黏度較小，所以超臨界流體的流動沒有受到熱管彎曲部的妨礙。反之，利用若干朝上彎曲部分更便于對流，由此更有效地將熱量傳遞到散熱區(qū)47。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)明白，也可以考慮采用其他包括對這些載熱器改變的措施。例如可以將所述例子的若干特征進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕M合。
權(quán)利要求
1．一種載熱器包括一個密閉容器，該容器中裝有加熱介質(zhì)，所述容器包括至少一個受熱區(qū)和至少一個散熱區(qū)，其中所述加熱介質(zhì)在受到加熱時，該加熱介質(zhì)變成超臨界流體，由于所述受熱區(qū)和所述散熱區(qū)之間的溫差，使得超臨界流體進(jìn)行對流，從而將熱量從所述載熱區(qū)傳到所述散熱區(qū)。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的載熱器，其中所述密閉式容器為長方體或圓筒形。
3．根據(jù)權(quán)利要求1所述的載熱器，其中所述加熱介質(zhì)是二氧化碳。
4．根據(jù)權(quán)利要求1所述的載熱器，其中所述容器是連接所述受熱區(qū)和所述散熱區(qū)的環(huán)形管。
5．根據(jù)權(quán)利要求4所述的載熱器，其中所述環(huán)形管具有至少一個朝上彎曲的部分。
6．根據(jù)權(quán)利要求4所述的載熱器，其中所述環(huán)形管上除了所述受熱區(qū)和所述散熱區(qū)之外均涂敷有絕熱材料。
7．根據(jù)權(quán)利要求4所述的載熱器，其中所述環(huán)形管具有一個以上的散熱區(qū)。
8．根據(jù)權(quán)利要求4所述的載熱器，其中所述環(huán)形管具有一個以上的受熱區(qū)和一個散熱區(qū)。
9．根據(jù)權(quán)利要求4所述的載熱器，其中所述環(huán)形管在受熱區(qū)和散熱區(qū)之間具有成之字形的部分。
10．根據(jù)權(quán)利要求9所述的載熱器，其中所述加熱介質(zhì)是二氧化碳。
11．根據(jù)權(quán)利要求4所述的載熱器，其中在所述受熱區(qū)的所述環(huán)形管是平面形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。
12．根據(jù)權(quán)利要求11所述的載熱器，其中所述環(huán)形管在受熱區(qū)的直徑小于該管的其余部分的直徑。
13．根據(jù)權(quán)利要求12所述的載熱器，其中所述加熱介質(zhì)是二氧化碳。
14．根據(jù)權(quán)利要求4所述的載熱器，其中在所述受熱區(qū)的所述環(huán)形管沿一個包括該受熱區(qū)在內(nèi)的物體的周邊設(shè)置。
15．根據(jù)權(quán)利要求14所述的載熱器，其中所述加熱介質(zhì)是二氧化碳。
全文摘要
一種載熱器,包括一個密閉或環(huán)形熱管,該熱管包括一個受熱區(qū)和一個散熱區(qū),所述熱管中有加熱介質(zhì),例如二氧化碳,所述加熱介質(zhì)受到加熱時,該加熱介質(zhì)變成低黏度超臨界流體。由于所述受熱區(qū)和所述散熱區(qū)之間的溫差引起的密度差,使得超臨界流體在熱管中通過對流循環(huán),從而將熱量從受熱區(qū)傳遞到散熱區(qū)。
文檔編號F28D15/02GK1295230SQ0013385
公開日2001年5月16日 申請日期2000年9月16日 優(yōu)先權(quán)日1999年9月17日
發(fā)明者高田智仁, 廣直樹, 山本泰司, 隱岐勝慶, 名迫賢二 申請人:三洋電機(jī)株式會社