一种仿生均热板吸液芯的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种仿生均热板吸液芯，该吸液芯结构是以植物叶片高效的运输结构为基础，依据植物叶片从点到面的运输原理以及传输的最短路径原理，设计了一种新型的仿植物叶片输运结构的均热板。该均热板能与吸液芯呈一体化设计,使工质在毛细压力作用下快速进入分形通道，通过分形通道运输来的工质能迅速进入分形通道所围成的多边形微结构组织中,并迅速到达均热板整个冷凝面,快速凝结成液态后在毛细压力的作用下回流至蒸发端,完成一个循环后为下一步的蒸发准备。同时，仿叶脉结构的多边形微通道结构，促使液态工质沿着吸液芯的网络通道快速地流向冷凝端的周缘，加快了工质传输回路的循环，提高了传热效率，整体尺寸小，适用于精密的电子设备。
【专利说明】一种仿生均热板吸液芯
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种仿生均热板吸液芯结构，有效地克服了流阻大、传输慢、局部微通道堵塞、均温性低、强度低等现有均热板吸液芯技术存在的缺陷，能够高效地解决电子器件局部散热问题。
【背景技术】
[0002]随着电子技术的发展，电路集成技术不断地推动着电子产品日益精密化。与此同时，高度集成的电子器件造成热流密度的急剧增加，散热已经成为电子技术发展中不可逾越的瓶颈问题。均热板作为一种高效的传热装置已广泛运用于电子设备散热当中。吸液芯作为均热板的核心结构，对均热板的传热性能起着至关重要的作用。
[0003]由于均热板采用了面传热的方式，相比于传统的热管散热，效率更高，已广泛应用于电子器件的散热当中。均热板与传统的热管相比，工作原理相同。其主要有蒸发端、冷凝端、吸液芯、工质组成。其工作原理为:电子器件将热传递到均热板蒸发端基板，基板再将热传递到工质，工质受热后蒸发，并到达冷凝端凝结成液体放出热量。液态工质在吸液芯毛细压力的作用下回流至蒸发端形成一个循环，如此反复。为了使工质能在较低的温度下产生凝结，所以均热板内需要抽真空。
[0004]吸液芯作为均热板最重要部件，已发展成各种形式。其结构主要包括烧结多孔型、沟槽型、丝网型和纤维型吸液芯结构。沟槽型吸液芯具有很大的渗透率，但是毛细吸力最小；烧结多孔型刚好与沟槽型吸液芯性能相反；丝网和纤维型吸液芯处于两者之间，但是占用相对较大的空间。
[0005]均热板的传热性能主要取决于吸液芯结构，而吸液芯的渗透率和毛细吸力又是一对矛盾的关系。同时，日益精细化的电子设备对均热板的空间尺寸要求越来越严苛。同时，均热板由于高度方向厚度较小，而且随着电子技术的发展，要求均热板越来越薄，因此均热板的壁壳会变得更薄以增加均热板空腔的体积，但是这会造成均热板强度降低，在抽真空后会造成均热板变形或产生塌陷。因此为了增加强度，在均热板中增加了支撑柱，但支撑柱的增加会极大地减小蒸发面积，同时会造成均热板腔内流场的变化，不利于散热效率的提闻。
[0006]植物叶片经过亿万年的发展进化，已经形成了一种优化的工质输运体系。研究发现植物叶脉的中轴对称结构具有最短的运输路径。基于植物叶脉多边形分形结构具有防止叶脉堵塞或断裂而对植物叶片造成毁灭性的损害。基于植物叶片的叶脉及叶肉组织结构能够将营养物质快速从点运输到植物叶片的各个部位，该组织结构具有最短的运输路径。
[0007]受此启发，本发明提供了一种基于植物叶片组织结构仿生均热板吸液芯。该吸液芯充分考虑了现阶段已有均热板技术存在的不足，并汲取了植物叶片高效运输系统结构，设计了 一种新型的仿生均热板吸液芯结构。
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种毛细压力大、流动阻力小、均温性好、散热性能高、避免局部出现干涸以及堵塞的新型仿植物叶片优化运输结构的吸液芯结构。
[0009]本发明通过以下技术方案来实现:
一种仿生均热板吸液芯，包括用于容纳液态工质的中央冷凝区、主运输通道、支撑柱、连接通道、环形凸缘、冷凝基板、微细通道，所述冷凝基板上设置有凸台区域，所述中央冷凝区呈槽状设置于冷凝基板的凸台区域中部，该中央冷凝区形成蓄液池，搜集冷凝后的液态工质向主运输通道内运输。
[0010]所述主运输通道与中央冷凝区相连通且以中央冷凝区为共同出发点朝冷凝基板的边缘呈二叉树状结构的叶脉状均匀辐射地分布在冷凝基板上，所述的主运输通道之间通过连接通道横向连接，使所有主运输通道形成相互贯通的网络通道，在相邻主运输通道所围成的多边形凸台区域上加工有微细通道，各微细通道之间形成用于对均热板起到支撑、增加均热板强度的立方体支撑柱，所述冷凝基板的边缘设置有凸缘以与蒸发端焊接形成完整的均热板整体结构。
[0011]通过在冷凝基板上加工出基于植物叶脉分形结构与分型尺寸的主运输通道，且每一主运输通道由中心向外辐射，形成冷凝工质流动的主要通道。冷凝基板中部开有圆形凹槽，形成冷凝端的中央冷凝区。工质在中央冷凝区I冷凝后在毛细压力的作用下迅速进入主运输通道，并在主运输通道内由中心向外流动。由于主运输通道2尺度相对较大，工质流动较快，且该形式的主运输通道布置有利于吸液芯整体流动阻力的减小。
[0012]每一向外辐射的主运输通道通过连接通道相连，当发生堵塞、局部干涸等意外情况时，将会由相邻主运输通道的工质在毛细压力驱动下进行补充，由此增加了均热板适应不同功率环境的能力。同时由于主运输通道在连接通道的连接作用下，相互连通形成封闭循环的回路结构，大大增强了均热板的均温性和使用性能。
[0013]在主运输通道形成的多边形凸台上加工微细通道，该微细通道7尺度应小于同级主运输通道的尺度。主运输通道运输来的冷凝工质在微细通道毛细压力的作用下进入微细通道。微细通道相互交错，使冷凝工质在微细通道中迅速扩散到冷凝端各个点。由于主运输通道和微细通道7截面均为矩形，通道中的液态工质除了沿通道长度方向的流动外，大部分的液态工质都将从通道高度方向回流至蒸发端，缩短回流路径。同时，由基于植物叶脉分形结构的主运输通道所围成的六边形与七边形通道与微细通道一起构成基于植物叶片优化的运输结构体系，是从点到面运输的最短路径，因此能提高均热板散热效率。
[0014]进一步地，所述的冷凝基板为圆形，采用厚度为Imm?3mm的铜板、招板或不锈钢板，所述中央冷凝区呈圆形槽状设置于冷凝基板的凸台区域中部。
[0015]进一步地,所述的冷凝基板为矩形,采用厚度为Imm?3mm的铜板、招板或不锈钢板，所述中央冷凝区呈矩形槽状设置于冷凝基板的凸台区域中部。
[0016]进一步地，所述凸台区域与冷凝基板为材质相同的一体式结构。
[0017]进一步地，所述凸台区域为采用真空烧结技术，将粒径为0.075mm?0.150mm的铜粉均匀地烧结在上述的冷凝基板上的铜粉层。
[0018]进一步地，所述铜粉为红铜、紫铜或黄铜。
[0019]进一步地，所述凸台区域采用真空烧结技术将丝网均匀地烧结在冷凝基板上的丝网层。
[0020]进一步地，所述主运输通道的分叉角为30°?60°，后一分支与相邻前一分支的长度比为0.6?0.8，宽度比为0.4?0.6。
[0021]进一步地，所述液态工质为纯净水、甲醇、乙醇、丙酮中的任意一种。
[0022]主运输通道和微细通道围成微小的立方柱体，形成均热板内天然的支撑柱，该支撑柱顶面直接与冷凝端基板接触或者直接与冷凝端吸液芯接触，对均热板起到支撑作用，增加均热板的强度，避免均热板壁壳太薄，因抽真空造成的变形和塌陷。
[0023]在冷凝基板上最外端加工有凸缘，凸缘厚度在均热板高度方向上的厚度与支撑柱高度相同，用于与均热板冷凝端进行焊接形成完整的均热板结构，同时对均热板起支撑作用。凸缘在均热板径向方向的厚度大于0.5_。
[0024]基于上述的吸液芯结构可以通过在铜板上进行激光雕刻形成集槽道、支撑柱的一体化设计与加工，也可以通过在带凸缘的冷凝基板上烧结丝网和烧结粉末，然后进过激光雕刻形成主运输通道。主运输通道和微细通道共同组成多尺度微通道，提高吸液芯的毛细压力和渗透率。
[0025]考虑到毛细压力的情况，主运输通道第一级的通道宽度小于1mm，且每一级的微通道长度与宽度之比大于10，分叉角度为30°?60°。所述冷凝基板为直径大于10mm，厚度为0.5?3mm的金属圆板，材料为铜、铝、硅等导热系数较高的材料。
[0026]与现有技术相比，本发明的有益效果在于:
1.本发明所涉及的吸液芯结构中主运输通道与微通道一起构成传质回路，能够减小传输阻力。同时主运输通道和微细通道共同构成相互连通的分级多尺度网络回路结构，有利于避免发生局部干涸现象。
[0027]2.本发明所涉及的一种仿生均热板吸液芯可以是芯、板一体设计，也可以是在带凸缘的冷凝基板上烧结丝网或者烧结粉形成整体微细通道后，通过激光加工出主运输通道。微细通道加速了液态工质向冷凝面的各个点扩散，同时增加了散热面积，有利于均热板散热效率的提高。粉末烧结或者丝网烧结形成的微小立方体支撑柱不但有支撑均热板的作用，同时也强化了均热板的散热能力，对均热板的工质流畅并无不理影响。粉末烧结和丝网烧结后能根据实际需要增大或减小均热板整体结构尺寸，增大均热板的适用范围。
[0028]3.本发明所涉及的吸液芯结构中主运输通道与微细通道均匀分布在基板上，增大了液态工质的散热面积，因而具有更高的散热效率。
[0029]4.本发明所涉及的吸液芯中主运输通道和微细通道形成多尺度的微通道结构，主运输通道由于流阻小，工质流动速度快。微细通道由于尺度小，毛细压力大。该结构形式吸液芯能够促使主运输通道的工质快速进入微细通道并散热，散热效率更高。
[0030]5.本发明所涉及的吸液芯结构，充分利用了植物叶片优化的运输结构体系及运输原理，以植物叶脉及叶肉多孔组织为设计依据。主通以六边形和七边形为运输单元，并将中心点的液态工质快速运输到冷凝端的各部位，并迅速回流至蒸发端。散热效率更高，均温性更好。
[0031]6.本发明所涉及的一种均热板吸液芯便于产品系列化生产。
【专利附图】
【附图说明】[0032]图1为本发明所涉及的一种仿生均热板吸液芯整体结构俯视示意图。
[0033]图2为本发明所涉及的一种仿生均热板吸液芯一个单元脉状分型通道结构示意图。
[0034]图3为本发明所涉及的一种仿生均热板吸液芯槽道局部放大示意图。
[0035]图4为本发明所涉及的一种仿生均热板吸液芯实施案例I横截面示意图。
[0036]图5为本发明所涉及的一种仿生均热板吸液芯实施案例2横截面示意图。
[0037]图6为本发明所涉及的一种仿生均热板吸液芯实施案例3横截面示意图。
[0038]图7为本发明实施例2的仿生均热板吸液芯工作结构示意图。
[0039]图8为本发明所涉及的一种仿生均热板吸液芯实施案例4的整体结构俯视示意图。
[0040]图中所示为:1-中央冷凝区；2_主运输通道；3_支撑柱；4_连接通道；5_环形凸缘；6_冷凝基板；7_微细通道；8_热源；9_蒸发端。
【具体实施方式】
[0041 ] 下面对本发明的【具体实施方式】作进一步详细的说明，但本发明的实施方式不限于此。
[0042]实施例1
参见图1、图2、图3所示，一种仿生均热板吸液芯，包括用于容纳液态工质的中央冷凝区1、主运输通道2、支撑柱3、连接通道4、环形凸缘5、冷凝基板6、微细通道7，所述冷凝基板6上设置有凸台区域，所述中央冷凝区I呈圆形槽状设置于冷凝基板6的凸台区域中部，所述主运输通道2与中央冷凝区I相连通且以中央冷凝区I为共同出发点朝冷凝基板6的边缘呈二叉树状结构的叶脉状均匀辐射地分布在冷凝基板6上，所述的主运输通道2之间通过连接通道4横向连接，使所有主运输通道2形成相互贯通的网络通道，在相邻主运输通道2所围成的多边形凸台区域上加工有微细通道7，各微细通道7之间形成用于对均热板起到支撑、增加均热板强度的立方体支撑柱3，所述冷凝基板6的边缘设置有凸缘以与蒸发端焊接形成完整的均热板整体结构。本实施例中，冷凝基板6选用红铜，直径为45_，厚度为
1.5mm，凸台区域采用真空烧结技术，将粒径为0.075mm?0.150mm的铜粉均匀地烧结在上述的冷凝基板6上而成，形成均匀分布且厚度0.8mm的微细通道结构，然后通过激光雕刻或者化学腐蚀的方法在烧结有铜粉的冷凝基板6上加工出叶脉状主运输通道2，其中主运输通道2深度为烧结铜粉的厚度。中央冷凝区I的直径为5mm。环形凸缘5的宽度为1mm。厚度与吸液芯厚度相同为0.5mm。
[0043]所述主运输通道2的分叉角为30°，后一分支与相邻前一分支的长度比为0.6，宽度比为0.4。
[0044]所述液态工质为纯净水、甲醇、乙醇、丙酮中的任意一种。
[0045]参见图5所示，铜粉烧结厚度可以根据具体的工作环境予以适当调节，铜粉可以是红铜，紫铜，黄铜，本实施例中铜粉烧结厚度为0.8_，铜粉选用红铜。
[0046]实施例2
如图参见图1、图2、图3、图4所示，本实施例与实施例1的区别在于:所述凸台区域采用真空烧结技术将丝网均匀地烧结在冷凝基板6而成，所述主运输通道2的分叉角为45°，后一分支与相邻前一分支的长度比为0.7，宽度比为0.5。
[0047]进一步地，所述液态工质为纯净水、甲醇、乙醇、丙酮中的任意一种。
[0048]实施例3
参见图1、图2、图3、图6所示，一种仿生均热板吸液芯，包括用于容纳液态工质的中央冷凝区1、主运输通道2、支撑柱3、连接通道4、环形凸缘5、冷凝基板6、微细通道7，所述冷凝基板6上设置有凸台区域，所述中央冷凝区I呈圆形槽状设置于冷凝基板6的凸台区域中部，所述主运输通道2与中央冷凝区I相连通且以中央冷凝区I为共同出发点朝冷凝基板6的边缘呈二叉树状结构的叶脉状均匀辐射地分布在冷凝基板6上，所述的主运输通道2之间通过连接通道4横向连接，使所有主运输通道2形成相互贯通的网络通道，在相邻主运输通道2所围成的多边形凸台区域上加工有微细通道7，各微细通道7之间形成用于对均热板起到支撑、增加均热板强度的立方体支撑柱3，所述冷凝基板6的边缘设置有凸缘以与蒸发端焊接形成完整的均热板整体结构。
[0049]本实施例中，所述凸台区域与冷凝基板6为材质相同的一体式结构。冷凝基板6选用红铜，直径为45mm，厚度为3mm，首先采用激光雕刻或化学腐蚀的方法在基板上加工出叶脉状通道(由主运输通道2和连接通道4构成)，主运输通道2深度为0.8_。叶脉状通道加工完成后，基板上会形成有叶脉状通道围成的六边形和七边形凸台，此时再用激光雕刻工艺在多边形凸台上加工出微细通道7，加工深度等于主运输通道2的深度。
[0050]参见图6，主运输通道2的深度和微通道宽度可以根据具体的工作环境选择，本实施例中微细通道7的深度为0.8mm,宽度为0.08_。
[0051]参见图2所示，上述两实施案例中叶脉状分形通道第一级槽道的长度为6mm，宽度为0.4mm,分叉角为60° ,后一级与前一级分形通道的长度比和宽度比分别为:0.7、0.6。且主运输通道2每一级长度比必须大于或者等于同级通道宽度比。
[0052]图7为本发明实施例2的仿生均热板吸液芯工作结构示意图，如图所述，吸液芯支撑柱3朝下地扣合固定在蒸发端9上方，所述热源8紧贴在蒸发端9下方。
[0053]实施例4
如图8所示，本实施例与实施例1的区别在于:所述的冷凝基板6为矩形，所述中央冷凝区I呈矩形槽状设置于冷凝基板6的凸台区域中部。
[0054]实施例5
本实施例与实施例2的区别在于:所述的冷凝基板6为矩形，所述中央冷凝区I呈矩形槽状设置于冷凝基板6的凸台区域中部。
[0055]实施例6
本实施例与实施例3的区别在于:所述的冷凝基板6为矩形，6所述中央冷凝区I呈矩形槽状设置于冷凝基板6的凸台区域中部。
[0056]上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明并不受上述实施例的限制，可以根据具体的工况环境适当调节各项参数以达到较佳实施效果。其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种仿生均热板吸液芯，其特征在于:包括用于容纳液态工质的中央冷凝区(I)、主运输通道(2)、支撑柱(3)、连接通道(4)、环形凸缘(5)、冷凝基板(6)、微细通道(7)，所述冷凝基板(6 )上设置有凸台区域，所述中央冷凝区(I)呈槽状设置于冷凝基板(6 )的凸台区域中部，所述主运输通道(2)与中央冷凝区(I)相连通且以中央冷凝区(I)为共同出发点朝冷凝基板(6)的边缘呈二叉树状结构的叶脉状均匀辐射地分布在冷凝基板(6)上，所述的主运输通道(2)之间通过连接通道(4)横向连接，使所有主运输通道(2)形成相互贯通的网络通道，在相邻主运输通道(2)所围成的多边形凸台区域上加工有微细通道(7)，各微细通道(7)之间形成用于对均热板起到支撑、增加均热板强度的立方体支撑柱(3)，所述冷凝基板(6)的边缘设置有凸缘以与蒸发端(9)焊接形成完整的均热板整体结构。
2.根据权利要求1所述的一种仿生均热板吸液芯，其特征在于:所述的冷凝基板(6)为圆形，采用厚度为Imm?3mm的铜板、铝板或不锈钢板，所述中央冷凝区(I)呈圆形槽状设置于冷凝基板(6)的凸台区域中部。
3.根据权利要求1所述的一种仿生均热板吸液芯，其特征在于:所述的冷凝基板(6)为矩形，采用厚度为Imm?3mm的铜板、铝板或不锈钢板，所述中央冷凝区(I)呈矩形槽状设置于冷凝基板(6)的凸台区域中部。
4.根据权利要求2或3所述的仿生均热板吸液芯，其特征在于在:所述凸台区域与冷凝基板(6)为材质相同的一体式结构。
5.根据权利要求2或3所述的仿生均热板吸液芯，其特征在于在:所述凸台区域为采用真空烧结技术，将粒径为0.075mm?0.150mm的铜粉均匀地烧结在上述的冷凝基板(6)上的铜粉层。
6.根据权利要求5所述的仿生均热板吸液芯，其特征在于在:所述铜粉为红铜、紫铜或黄铜。
7.根据权利要求2或3所述的仿生均热板吸液芯，其特征在于在:所述凸台区域采用真空烧结技术将丝网均匀地烧结在冷凝基板(6 )上的丝网层。
8.根据权利要求1所述的仿生均热板吸液芯，其特征在于:所述主运输通道(2)的分叉角为30°?60°，后一分支与相邻前一分支的长度比为0.6?0.8，宽度比为0.4?0.6。
9.根据权利要求1所述的仿生均热板吸液芯，其特征在于:所述液态工质为纯净水、甲醇、乙醇、丙酮中的任意一种。
【文档编号】F28D15/02GK103542749SQ201310479595
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2013年10月15日 优先权日:2013年10月15日
【发明者】刘旺玉, 彭毅, 陈伟, 田玉福, 黄家乐 申请人:华南理工大学