一种超薄平板热管及其制造方法与流程

文档序号:11248926阅读:530来源:国知局
一种超薄平板热管及其制造方法与流程

本发明属于热管技术领域,特别涉及一种超薄平板热管及其制造方法。



背景技术:

电子元件朝着微型化、集成化、高运算速度方向发展,例如手机、笔记本电脑、高热流芯片等微型电子元器件的热流密度越来越高,其性能将受到散热能力的制约。热管作为一种相变传热装置,其本身无需外界的能量就可以自驱动,具有体积小、重量轻、传热性能高等优点,广泛应用于电子器件的冷却。

热管内部吸液芯主要有沟槽、丝网、多孔介质以及复合结构等。沟槽式的吸液芯槽道提供液体回流的渠道,但是毛细驱动力较小,并且对槽道深度和宽度要求较高;丝网式的吸液芯具有较好的传热性能,但是制造工艺复杂;多孔介质式吸液芯能够提供较大的毛细力,传热量较大,但是液体回流阻力也较大。传统的以铜丝作为吸液芯的热管,铜丝与管壳之间形成的尖角区作为液体回流的渠道,加工制作较为简单,但是尖角区提供的毛细力有限。当热管厚度较薄时,传统热管容易达到传热极限,造成传热恶化,临界热流密度较低,并且反重力运行效果差,传热性能较差。

受到电子器件的尺寸和高热流的限制,热管必须满足轻薄、具有较高传热性能以及加工制作简单等要求,因此,研制新型的超薄平板热管,已经是当今热管技术研究的重要课题。



技术实现要素:

针对现有技术不足,本发明提供了一种超薄平板热管及其制造方法。

一种超薄平板热管,包括形成密闭空腔的管壳1,在管壳1内的底部设有多孔介质底层2,在多孔介质底层2与管壳1的顶部之间并排设有多孔介质丝3,多孔介质丝3与管壳1的顶部相接触,且多孔介质丝3之间相隔开。

优选地,所述多孔介质底层2与管壳1的四个侧壁之间相隔开。

优选地,所述多孔介质丝3沿热管轴向平行排列,且其两端与多孔介质底层2的两端平齐。

优选地,相邻多孔介质丝3之间的中心距w为多孔介质丝3直径的2~2.5倍。

优选地,所述多孔介质底层2与管壳1的底部、多孔介质丝3之间烧结连接;所述多孔介质丝3与管壳1的顶部之间烧结连接或自然接触;所述多孔介质丝3与管壳1的顶部之间为零切角接触。

优选地,所述多孔介质丝3为由多孔介质材料33制成多孔结构的细丝状而成。

优选地,所述多孔介质丝3为在金属丝31的外圆周表面覆有一层由多孔介质材料33形成的多孔介质层32。

优选地,所述多孔介质丝3为在金属管34的内圆周表面和外圆周表面分别覆有一层由多孔介质材料33形成的多孔介质层32。

优选地,所述多孔介质底层2采用多孔介质材料33制备而成。

优选地,所述多孔介质材料33采用金属粉末;所述金属粉末的颗粒为球状、针状中的一种或者两种的混合。

优选地,所述多孔介质底层2和多孔介质丝3采用亲水结构;或,所述多孔介质底层2和多孔介质丝3经过超亲水改性处理。

优选地,该热管的冷凝段的冷凝面采用亲水结构;或该热管的冷凝段的冷凝面经过超疏水改性处理。

一种超薄平板热管的制造方法,包括以下步骤:

步骤一,烧结多孔介质底层2:在金属片11左半侧的表面烧结多孔介质底层2;

步骤二,烧结多孔介质丝3:在金属丝31的外圆周表面均匀地烧结一定厚度的多孔介质材料33形成多孔介质层32,制成多孔介质丝3;

或,将多孔介质材料33烧结形成多孔结构的细丝状,制成多孔介质丝3;

或,在金属管34的外圆周表面和内圆周表面分别均匀地烧结一定厚度的多孔介质材料33形成多孔介质层32,制成多孔介质丝3;

步骤三,组合烧结:利用定位模具将规定数量的多孔介质丝3与烧结在金属片11上的多孔介质底层2组合在一起,施加一定的压力后放入烧结炉中,进行组合烧结,使多孔介质丝3平行排列烧结在多孔介质底层2上;

步骤四,二次烧结:将金属片11的右半侧沿金属片11的中心线翻折,使金属片11的右半侧表面与多孔介质丝3的上侧接触,施加一定压力后再次放入烧结炉中,进行二次烧结,使多孔介质丝3的上侧与金属片11的右半侧表面烧结在一起;

步骤五,封装:将金属片11左半侧的边沿与右半侧的边沿焊接在一起,并将两端封口,形成密闭空腔的管壳1,然后注液,得到热管。

另一种超薄平板热管的制造方法,与上述方法的不同之处在于,步骤四为:将所述多孔介质底层2和多孔介质丝3进行超亲水改性处理,将冷凝段的冷凝面进行超疏水改性处理;将金属片11的右半侧沿金属片11的中心线翻折,使金属片11的右半侧表面与多孔介质丝3的上侧接触。

本发明的有益效果为:

(1)本发明所述的超薄平板热管,其内部吸液芯包括一层多孔介质底层、并排的多根多孔介质丝,且多孔介质丝与管壳内部上表面零切角接触,热管内部的吸液芯,以及多孔介质丝与管壳内部上表面之间的尖角区,多孔介质丝与多孔介质底层之间的尖角区,在有限的空间内提供了足够大的液体回流毛细驱动力,而并列的多孔介质丝之间形成的空间以及管状多孔介质丝的内部空间提供了蒸汽流通的通道,利于蒸汽与冷凝液体的流动。

(2)本发明所述的超薄平板热管所用的多孔介质丝,优选的,在金属丝外圆周面烧结一层多孔介质层的方法制成,由于金属丝的力学性能好,此种多孔介质丝不易折断,并且金属丝外圆周面的多孔介质层及其尖角区能够提供大的毛细力,使热管具有力学性能好、毛细力大的优点。

(3)本发明所述的超薄平板热管所用的多孔介质丝,优选的,由多孔介质烧结成多孔结构的细丝状制成,这种多孔介质丝中的多孔介质多,可以使热管具有更大的提高冷凝液体回流的能力,并且对蒸发段的沸腾传热起到强化作用。

(4)本发明所述的超薄平板热管所用的多孔介质丝,优选的,在金属管内、外圆周面分别烧结多孔介质层制成,这种多孔介质丝中的金属管能够起到强化作用,使得多孔介质丝不易折断,多孔介质丝的内部空间,增大了蒸汽流通的空间,此种多孔介质丝可以使热管具有强度高、毛细力大、冷凝液体回流的能力强以及蒸汽更易流通的优点。

(5)本发明所述的超薄平板热管,多孔介质层底层和多孔介质丝与管壳的四个侧壁之间相隔开,保证了多孔介质丝之间蒸汽通道的并联互通,增大了蒸汽流动截面积,降低蒸汽流通阻力,提高了蒸汽从蒸发段流向冷凝段的效率,更加合理的匹配汽-液相分布,提高热管的传热极限。

(6)本发明所述的超薄平板热管中的吸液芯经过改性处理,具有超亲水性能,进一步提高蒸发传热系数以及冷凝液体的回流能力;冷凝段的冷凝面经过改性处理,具有超疏水性能,冷凝机理为滴状冷凝,能够减薄冷凝面的冷凝液膜厚度,加快蒸汽凝结速度,缩短冷凝液体回流的路径,降低冷凝传热热阻,提高冷凝传热系数,提高临界热流密度。

(7)本发明所述的超薄平板热管具有传热性能高、毛细驱动力大、液体回流阻力小等特点,反重力运行特性优良,适用于各种角度的散热,且其厚度超薄,结构设计合理,制造方法简单,成本低廉,适合大批量生产。

附图说明

图1是一种实施方式中超薄平板热管的整体示意图。

图2是一种实施方式中超薄平板热管的横截面图。

图3是另一实施方式中超薄平板热管的横截面图。

图4是再一实施方式中超薄平板热管的横截面图。

图5是一种实施方式中金属片的示意图。

图6是一种实施方式中金属片上烧结多孔介质底层的示意图。

图7是一种实施方式中多孔介质丝的示意图。

图8是一种实施方式中多孔介质丝与多孔介质底层组合示意图。

图9是一种实施方式中金属片翻折示意图。

标号说明:

1-管壳;

11-金属片;

2-多孔介质底层;

3-多孔介质丝;

31-金属丝;

32-多孔介质层;

33-多孔介质材料;

34-金属管;

4-蒸汽通道;

41-内部蒸汽通道;

w-中心距。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。应该强调的是,下述说明仅仅是示例性的,而不是为了限制本发明的范围及其应用。

如图1所示,为本发明提供的一种超薄平板热管,包括形成密闭空腔的管壳1、多孔介质底层2、多孔介质丝3和蒸汽通道4。

管壳1采用具有良好导热性的金属材质,可以是但不限于铜、不锈钢、铝、铁、钛。管壳1中,壁的厚度为0.1~0.2mm,管壳1的厚度为0.8~1.3mm。

多孔介质底层2采用导热性能良好的金属粉末烧结而成,其厚度为0.1~0.2mm。金属粉末可以是但不限于铜粉、镍粉、铁粉、银粉,金属粉末颗粒为球状或针状,或为两者的混合。多孔介质底层2烧结连接在管壳1内侧底部,且多孔介质底层2的四侧边沿与管壳1的四个侧壁之间均预留一定的距离,目的是增大蒸汽流通截面积,降低蒸汽流通阻力,提高了蒸汽从蒸发段流向冷凝段的效率,更加合理的匹配汽-液相分布。

如图2所示,在一种实施方式中,多孔介质丝3是由金属丝31和金属丝31外圆周表面的多孔介质层32组成。金属丝31采用力学性能及导热性均良好的金属材质,可是但不限于铜丝、不锈钢丝、铝丝、铁丝、钛丝,其外径为0.3~0.5mm。多孔介质层32的材质采用上述的金属粉末。在规定的烧结参数下,利用管式模具,在金属丝31的外圆周表面均匀地烧结一层厚度为0.1mm的金属粉末形成多孔介质层32,制成多孔介质丝3。

如图3所示,在另一实施方式中,多孔介质丝3是由上述金属粉末直接烧结成多孔结构的细丝状而成,其外径为0.5~0.7mm。具体为,在规定的烧结参数下,利用管式模具,将金属粉末填入到管式模具中,烧结制成多孔介质丝3。

如图4所示,在再一实施方式中,多孔介质丝3是由金属管34和金属管34内、外圆周面的多孔介质层32组成。金属管34采用力学性能及导热性均良好的金属材质,可是但不限于铜管、不锈钢管、铝管、铁管、钛管,其外径为0.4~0.5mm,内径为0.3~0.4mm。在规定的烧结参数下,利用管式模具,在金属管34的外圆周面均匀地烧结一层厚度为0.1mm的上述金属粉末形成多孔介质层32,并且利用圆柱模具在金属管34内圆周表面均匀地烧结一层厚度为0.1mm的上述金属粉末形成多孔介质层32。

多孔介质丝3位于多孔介质底层2与管壳1内的上表面之间,与多孔介质底层2、管壳1内的上表面烧结连接或自然接触,并且与管壳1内的上表面零切角接触。多孔介质丝3沿着热管轴向平行排列,相邻多孔介质丝3之间的中心距w最佳值约为多孔介质丝3直径的2.0~2.5倍。多孔介质丝3的长度与多孔介质底层2的长度一致,并且其两端与多孔介质底层2的两端平齐。

由多孔介质丝3之间的空间形成蒸汽通道4。对于金属管34制备的管状多孔介质丝3,其内部空间形成内部蒸汽通道41,增大了蒸汽流通的空间。

吸液芯包括多孔介质底层2和多孔介质丝3,其可以采用亲水结构。或将其经过通过氧化还原法、电化学法、气相沉积法或自组装法进行超亲水改性处理,具有超亲水性能。进一步提高了蒸发传热系数以及冷凝液体的回流能力。

热管冷凝段的冷凝面,其可以采用亲水结构,冷凝机理为膜状冷凝。或将其通过刻蚀法、气相沉积法、自组装法、氧化法或化学腐蚀法进行超疏水改性处理,具有超疏水性能,冷凝机理为滴状冷凝。能够减薄冷凝面的冷凝液膜厚度,降低冷凝传热热阻,加快蒸汽凝结速度,提高了冷凝传热系数,提高了蒸汽凝结效率,提高了临界热流密度。

超薄平板热管内部的工作液体优选汽化潜热大、比热容高的液体,比如纯水、无水乙醇、丙酮中的一种或几种的混合液体。充液比为20%~50%。

上述超薄平板热管的工作原理:

在蒸发段,内部工作液体受热蒸发,蒸汽通过蒸汽通道4达到冷凝段,在冷凝面蒸汽凝结成液体,通过潜热和显热的形式将热量散发到外界,然后冷凝液体经过多孔介质底层2、多孔介质丝3,以及多孔介质丝3与管壳1内的上表面之间的尖角区,多孔介质丝3与多孔介质底层2之间的尖角区,通过毛细驱动力回流到蒸发段,完成一个循环。

实施例1

一种超薄平板热管,制造方法如下:

步骤一,材料准备:裁剪预定尺寸的金属片11和金属丝31,两者均采用t2紫铜材质。金属片11外形如图5所示,其长为200.0mm、宽为63.0mm、厚度为0.20mm,并且将其进行除油污、除氧化膜处理。金属丝31的外径为0.50mm。

步骤二,烧结多孔介质底层2:如图6所示,在金属片11的左半侧表面烧结一层厚度为0.20mm的多孔介质底层2,具体操作是将平均粒径为82.8μm的球形紫铜粉末填入到石墨模具中的矩形凹槽中,控制好紫铜粉末的厚度,将装有紫铜粉末的石墨模具压在金属片11的规定位置,使多孔介质底层2的四侧边沿距离金属片11的上、下、左侧边沿及中心线一定距离,放入烧结炉中进行烧结。

步骤三,烧结多孔介质丝3:如图7所示,在规定的烧结参数下,利用管式模具,在金属丝31的外圆周表面均匀地烧结一层厚度为0.10mm的多孔介质层32,制成多孔介质丝3。其中,多孔介质层32采用平均粒径为82.8μm的球形紫铜粉末;多孔介质丝3的直径为0.70mm,长度等于多孔介质底层2的长度。具体的烧结参数为:烧结温度为810℃,升温速度为4.50℃/min,保温时间为60min。

步骤四,组合烧结:如图8所示,将18根步骤三所得的多孔介质丝3放入到具有矩形凹槽的定位模具中,然后将多孔介质底层2与装有多孔介质丝3的定位模具组合在一起,施加2.1kpa的压力后放入烧结炉中进行组合烧结,使多孔介质丝3平行排列烧结在多孔介质底层2上,且其两端与多孔介质底层2的两端平齐。取下定位模具。其中,具体的烧结参数为:烧结温度为850℃、升温速度为4.72℃/min、保温时间为60min。

步骤五,二次烧结:如图9所示,将金属片11的右半侧沿金属片11的中心线翻折,使金属片11的右半侧表面与多孔介质丝3上侧接触,施加2.3kpa的压力后放入烧结炉中进行二次烧结,使多孔介质丝3的上侧与管壳1内的上表面烧结在一起,形成零切角紧密接触。其中,具体的烧结参数为:烧结温度为850℃、升温速度为4.72℃/min、保温时间为60min。

步骤六,封装:将金属片11左半侧的边沿与右半侧的边沿焊接在一起,在热管其中一端插入注液管后,将两端的上下边沿焊接封口,形成密闭空腔的管壳1。多孔介质底层2的轴向两侧边沿距离管壳1的两个轴向侧壁的距离分别为4.0mm,径向两侧边沿距离管壳1的两个径向侧壁的距离分别为1.5mm。然后进行检漏、抽真空、注液等操作,最后将注液管焊接封口,制得热管。所得超薄平板热管的厚度仅为1.3mm。其中,本实施例中换热工质采用去离子水,充液比为35%。

实施例2

一种超薄平板热管,制造方法如下:

步骤一至步骤四同实施例1。

步骤五:将所述多孔介质底层2和多孔介质丝3进行超亲水改性处理,将冷凝段的冷凝面进行超疏水改性处理。具体改性方法如下:采用化学氧化的方法,将多孔介质底层2和多孔介质丝3进行超亲水处理,即将步骤四所得热管半成品,仅将含有吸液芯的半侧,在70℃的温度下,浸入含有2.5mol/lkoh和0.065mol/lk2s2o8的混合溶液中反应30min,使得吸液芯的金属表面接触角接近0°。利用自组装的方式,将冷凝段的冷凝面进行超疏水处理,即仅将冷凝段的冷凝面,在70℃的温度下,浸入到含有2.5mol/lkoh和0.065mol/lk2s2o8的混合溶液中反应30min,然后在70℃的温度下,在含有0.0025mol/l十八烷基硫醇(c18h38s)的乙醇溶液中反应30min,使得冷凝面的接触角大于155°,在此过程中,仅使化学溶液处理冷凝段的冷凝面而不能污染吸液芯及热管其他部位。然后将金属片11的右半侧沿金属片11的中心线翻折,使金属片11的右半侧表面与多孔介质丝3的上侧接触。

步骤六,封装:封装方法同实施例1。其中,多孔介质底层2的轴向两侧边沿距离管壳1的两个轴向侧壁的距离分别为4.0mm,径向两侧边沿距离管壳1的两个径向侧壁的距离分别为1.5mm。所得超薄平板热管的厚度仅为1.3mm。换热工质采用去离子水,充液比为35%。

对比例1

一种超薄平板热管,制作方法如下:

步骤一,材料准备:金属片11、金属丝31的材质、尺寸、预处理均同实施例1。

步骤二,组合烧结:将18根金属丝31放入到实施例1所述的定位模具中,然后将装有金属丝3的定位模具放置在金属片11的左半侧同样位置,施加2.1kpa的压力后放入烧结炉中进行烧结,使金属丝31平行排列烧结在多孔介质底层2上。其中,具体的烧结参数为:烧结温度为850℃、升温速度为4.72℃/min、保温时间为60min。

步骤三,二次烧结:将金属片11的右半侧沿金属片11的中心线翻折,使金属片11的右半侧表面与金属丝31上侧接触,施加2.3kpa的压力后放入烧结炉中进行二次烧结,使金属丝31的上侧与管壳1内的上表面烧结在一起,形成零切角紧密接触。其中,具体的烧结参数为:烧结温度为850℃、升温速度为4.72℃/min、保温时间为60min。

步骤四,封装:封装方法同实施例1。其中,换热工质采用去离子水,充液比为35%。

对比例2

一种超薄平板热管,制造方法如下:

步骤一,材料准备:金属片11、金属丝31的材质、尺寸、预处理均同实施例1。

步骤二,烧结多孔介质底层2:同实施例1。

步骤三,组合烧结:将18根金属丝31放入到实施例1所述的定位模具中,然后将多孔介质底层2与装有金属丝31的定位模具组合在一起,施加2.1kpa的压力后放入烧结炉中进行组合烧结,使金属丝31平行排列烧结在多孔介质底层2上。其中,具体的烧结参数为:烧结温度为850℃、升温速度为4.72c/min、保温时间为60min。

步骤四,二次烧结:将金属片11的右半侧沿金属片11的中心线翻折,使金属片11的右半侧表面与金属丝31上侧接触,施加2.3kpa的压力后放入烧结炉中进行二次烧结,使金属丝31的上侧与管壳1内的上表面烧结在一起,形成零切角紧密接触。其中,具体的烧结参数为:烧结温度为850℃、升温速度为4.72℃/min、保温时间为60min。

步骤五,封装:封装方法同实施例1。其中,换热工质采用去离子水,充液比为35%。

对上述几种平板热管进行热性能测试:

实施例1的超薄平板热管,在各种角度下,均能够保持高效运行。其在90°时(蒸发段在冷凝段的正下方),临界热流密度大于76.1w/cm2,最高当量传热系数大于23000w/(m·k),最小总热阻低于0.16k/w。而在相同实验工况下,对比例1热管的临界热流密度、最高当量传热系数以及最小总热阻的数值分别为4.6w/cm2、5500w/(m·k)和0.94k/w;对比例2热管的临界热流密度、最高当量传热系数以及最小总热阻的数值分别为18.8w/cm2、10000w/(m·k)和0.41k/w。由以上数据可知,本发明的一种超薄平板热管的热性能更加突出。

实施例2的超薄平板热管,在各种角度下,当蒸发段最高温度达到80℃后,其均未出现传热恶化现象,即未达到临界热流密度,依然能够保持高效运行。例如,在-90°时(蒸发段在冷凝段的正上方),即反重力运行时,当蒸发段最高温度达到80℃后,热流密度大于29.0w/cm2,蒸发传热系数大于56.2kw/(m2·k),但此时并未达到临界热流密度。

本发明的超薄平板热管,能够在高热流密度下高效运行,可操作温度范围大,承受的热流密度大,并且其反重力运行性能优良,远高于现有技术水平,解决了当前超薄热管反重力运行效果差的问题。本发明的超薄平板热管可适用于各种角度的散热,热性能突出,能够满足市场上大多数高热流密度微型电子器件的冷却。

需要说明的是,以上数据仅为某个特定工况下的实验性能,并非是本发明所述热管的最佳性能。

进一步需要说明的是,以上所述的仅是本发明优选实施例的具体实施方式,目的是使本领域专业技术人员能够实现或者使用本发明,并不用于限制本发明。对于这些实施例的多种修改和改进,对本领域的专业技术人员来说是显而易见的,在不脱离本发明的精神和范围的情况下,还可以做出若干变形和改进,这些也应视为属于本发明的保护范围。

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