热管的制作方法

本实用新型涉及相变换热设备技术领域，尤其涉及一种热管。

背景技术：

随着微机电系统技术的发展，电子器件集成化和高频化程度不断提高，特征尺寸不断减小，单位容积的发热量不断增大，设备紧凑化的设计又使得散热更加困难，因此迫切需要解决高效散热技术难题。传统的风冷和液体对流换热技术很难将大量热量及时带走，造成电子器件温度升高，大大降低其实用性和可靠性。因此，微小空间高热通量的散热技术已经成为制约信息、电子、航空航天以及国防军事技术的关键因素之一。

热管作为一种相变换热方式，与传统的风冷和液体对流换热相比，换热系数具有显著提升且传热热阻很小，可将大量热量通过很小的截面积远距离传输而无需外加动力，是一种非常有效的散热方式。然而，目前热管的临界热流密度依然不能满足高端电子器件的散热需求，限制热管临界热流密度的主要原因是受限于吸液芯的回液能力，当蒸发段的冷却液蒸发速度大于吸液芯的回液速度时，热管将进入干烧状态，温度会迅速增加，导致热管失效，这使得目前热管的临界热流密度依然不能满足高端电子器件的散热需求。尤其在某些突发情况下导致电子器件热源热量突然增大超过热管原设计换热极限值时，热管的干烧将会导致电子器件的损坏，危害整个电子系统的安全。

技术实现要素：

本实用新型实施例提供一种热管，用以解决现有的热管的临界热流密度不能满足高端电子器件的散热需求、易出现干烧失效的问题，以强化热管换热性能。

本实用新型实施例提供一种热管，包括内部设有空腔的管壳以及贴设于所述管壳的内壁的吸液芯，还包括侧壁设有至少一个出液口的液体分配器以及与所述出液口一一对应的热敏出液组件，所述液体分配器安装于所述空腔内；所述热敏出液组件用于封闭所述出液口，且所述热敏出液组件在关闭构型和开放构型之间可转换。

其中，所述热敏出液组件为双金属片，所述双金属片包括相互贴接的主动层和被动层，所述主动层的热膨胀系数大于所述被动层的热膨胀系数；所述主动层贴覆于所述出液口。

其中，所述热敏出液组件包括永磁铁、弹片和热敏铁氧体磁芯，所述永磁铁固接于所述液体分配器的内壁；所述弹片的一端固接于所述液体分配器的外侧，所述弹片的另一端固接于所述热敏铁氧体磁芯，所述热敏铁氧体磁芯用于被所述永磁铁吸引，以带动所述弹片封闭所述出液口。

其中，还包括设于所述管壳的外部的储液单元，所述液体分配器的端部设有至少一个连接于所述储液单元的进液口。

其中，所述管壳沿所述管壳的轴向分为依次连通的蒸发段、绝热段和冷凝段，所述绝热段的外壁包覆有隔热层，所述储液单元固接于所述隔热层的外表面。

其中，所述储液单元的上部设有毛细管，所述毛细管的一端连通所述储液单元的储液腔，所述毛细管的另一端与位于所述冷凝段的所述吸液芯相连。

其中，所述出液口包括出液孔和通气孔，所述出液孔朝向所述蒸发段，所述通气孔朝向所述冷凝段。

其中，所述液体分配器安装于所述绝热段，且所述液体分配器靠近所述蒸发段。

其中，所述冷凝段的外壁安装有翅片。

其中，所述吸液芯为丝网吸液芯、沟槽吸液芯、丝束吸液芯或者烧结吸液芯。

本实用新型实施例提供的热管，包括内部设有空腔的管壳以及贴设于管壳的内壁的吸液芯，还包括侧壁设有至少一个出液口的液体分配器以及与出液口一一对应的热敏出液组件，空腔和液体分配器内均用于盛装冷却液，空腔内的冷却液在管壳的一端受热蒸发，蒸汽流动至管壳的另一端放热冷凝，重新生成的冷却液在吸液芯的毛细作用下重新回流至蒸发段。正常工况下冷却液的蒸发速度与吸液芯的回液速度相当，此时热敏出液组件处于关闭构型，封闭出液口；当发热源因突发原因导致其功率增加从而使吸液芯的回液速度跟不上冷却液的蒸发速度时，热管将处于干烧状态而导致热管内部温度有所升高，此时热敏出液组件因为受热而转换为开放构型，开启出液口，使得液体分配器中的冷却液流入管壳中对其进行自动补液。该热管在出现干烧状态而温度刚有所升高时，能够自动给蒸发段补充冷却液，以强化热管换热性能，满足瞬时高效散热需求，保证热管在热源功率短时突增的情况下仍能正常工作，使热管的临界热流密度得到提高。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例中的一种热管的结构示意图；

图2是图1中a部分的局部放大图；

图3是本实用新型实施例中的一种热管的俯视图；

图4是本实用新型实施例中的一种热敏出液组件处于关闭构型时的示意图；

图5是图4中的热敏出液组件处于开放构型时的示意图；

附图标记说明：

1：管壳；11：空腔；12：蒸发段；

13：绝热段；14：冷凝段；2：吸液芯；

3：液体分配器；31：出液口；311：出液孔；

312：通气孔；32：进液口；4：双金属片；

5：储液单元；51：毛细管；6：隔热层；

7：冷却液；8：热敏磁性单元；81：永磁铁；

82：弹片；83：热敏铁氧体磁芯。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“第一”“第二”是为了清楚说明产品部件进行的编号，不代表任何实质性区别。“上”“下”“左”“右”的方向均以附图所示方向为准。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型实施例中的具体含义。

需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在实用新型实施例中的具体含义。

图1是本实用新型实施例中的一种热管的结构示意图，图2是图1中a部分的局部放大图，图3是本实用新型实施例中的一种热管的俯视图，如图1～图3所示，本实用新型实施例提供的一种热管，包括内部设有空腔11的管壳1以及贴设于管壳1的内壁的吸液芯2，还包括侧壁设有至少一个出液口31的液体分配器3以及与出液口31一一对应的热敏出液组件，液体分配器3安装于空腔11内。热敏出液组件用于封闭出液口，且热敏出液组件在关闭构型和开放构型之间可转换。

具体地，管壳1为一封闭的中空壳体，可以为圆形、方形或者其他形状。管壳1还可以设有连通空腔11的注液口，通过注液口对空腔11进行抽真空和注入冷却液7。空腔11具有一定的真空度，真空度可以根据实际需要的冷却液的类型和沸点温度进行确定。冷却液7可以采用低沸点液体，例如氨、乙醇、r21、r113或者水，沸点温度可根据具体发热元件(发热源)所需控制的温度确定，并以此确定液体类型。吸液芯2紧贴于管壳1的内壁布置。通常冷却液7在管壳1的一端受热蒸发，然后在另一端放热冷凝，将冷却液7蒸发的一段区域称为蒸发段12，将冷却液7冷凝的一段区域称为冷凝段14，蒸发段12和冷凝段14相互连通。吸液芯2的功能就是将在冷凝段14冷凝后的冷却液7输送回蒸发段12进行补液。

使用时，将蒸发段12紧贴发热源表面，从热源吸收热量并将热量通过热传导传递给空腔11内的冷却液7，使冷却液7吸热蒸发形成蒸汽，使得空腔11内的压力有所增加，推动蒸汽通过空腔11运送到冷凝段14进行冷凝放热，放出的热量通过管壳1的壁面导热传递到外界。冷凝段可以通过风冷或者液冷的方式进行冷却，也可根据实际情况选取其他合适的冷却方式。由于热管内部采用的是液体沸腾蒸发换热的方式，其换热系数较高，同时热管内部处于汽液两相状态，因此空腔11的温度基本处于冷却液7的蒸发温度，这使得管壳1具有很好的均温性。

液体分配器3安装于空腔11内，且液体分配器3内可以存放冷却液7，液体分配器3的端部连接于管壳1的内壁，液体分配器3的侧壁开设有一个或者多个出液口31，每个出液口31上均设置一个对应的热敏出液组件，热敏出液组件在温度高于预设值时，会发生状态变化(如形变)。正常工况下，热敏出液组件为关闭构型，封闭出液口31；特殊超温工况下，热敏出液组件转换为开放构型，打开出液口31，使液体分配器3内的冷却液7及时补入蒸发段，保证热管的蒸发能力。

在实际应用中，可能会由于一些特殊情况，比如电子元件负荷突然增大从而导致热源的发热量逐渐增加时，冷却液7的蒸发速度加快，当热源的发热量增加到一定值后，冷却液7的蒸发量将会大于由吸液芯2从冷凝段14吸取并回流的冷却液7的量，即冷却液7的蒸发速度大于吸液芯2的回流速度。从而使管壳1的蒸发段处于干烧状态，此时热管内部的温度将会速度上升，对于传统热管来说，此时热管将会失效，这将导致电子元件因温度过高而损坏，这主要是受限于吸液芯2自身的回液能力，即使管壳1的冷凝段14的冷却能力能跟得上需要，但是吸液芯2自身的回流能力也是有一定极限的，这是热管失效的重要原因之一。

然而，本实施例中的热管则是通过液体分配器3储存一定量的冷却液7作为补充液，并利用热敏出液组件基于温度变化会发生状态改变(如形变)的特性，来控制冷却液7的及时补充。在热管处于干烧状态使得内部温度升高到一定值，但又处于发热源表面允许温度的情况下，比如温升5℃～10℃后，将会使液体分配器3的表面温度同步升高，从而使安装于出液口31处的热敏出液组件的温度也升高，从而发生状态改变，即从关闭构型转换为开放构型，液体分配器3中的冷却液7则通过出液口31流入空腔11，并对管壳1的蒸发段12进行冷却液7的补充，与吸液芯2的回液补充相结合一起对热管的蒸发段12进行补液，直到冷却液7的回液补充量等于蒸发段12内的冷却液7的蒸发量时，热管将再次恢复正常工作状态，空腔11的温度降低并再次回到汽液两相时的冷却液7的蒸发温度，该温度则为热敏出液组件的回位温度，此时热敏出液组件将会从开放构型再次回复至关闭构型，重新关闭出液口31。

若此时热源的发热量还没有降低，则当热敏出液组件回位，停止了额外补液后，蒸发段12的补液量又将会不足，空腔11的温度将会再次升高，从而再次触发热敏出液组件的开启，对蒸发段12进行再次补液，如此往复，直到外界特殊情况回复正常，热源发热量回复正常为止。这在一定程度上提高了热管的临界热流密度，并且能够避免在特殊情况下因热源发热量的突然增加导致热管失效，进而使电子元件散热不足而损坏的事故发生。

本实施例提供的一种热管，包括内部设有空腔的管壳以及贴设于管壳的内壁的吸液芯，还包括侧壁设有至少一个出液口的液体分配器以及与出液口一一对应的热敏出液组件，空腔和液体分配器内均用于盛装冷却液，空腔内的冷却液在管壳的一端受热蒸发，蒸汽流动至管壳的另一端放热冷凝，重新生成的冷却液在吸液芯的毛细作用下重新回流至蒸发段。正常工况下冷却液的蒸发速度与吸液芯的回液速度相当，此时热敏出液组件处于关闭构型，封闭出液口；当发热源因突发原因导致其功率增加从而使吸液芯的回液速度跟不上冷却液的蒸发速度时，热管将处于干烧状态而导致热管内部温度有所升高，此时热敏出液组件因为受热而转换为开放构型，开启出液口，使得液体分配器中的冷却液流入管壳中对其进行自动补液。该热管在出现干烧状态而温度刚有所升高时，能够自动给蒸发段补充冷却液，以强化热管换热性能，满足瞬时高效散热需求，保证热管在热源功率短时突增的情况下仍能正常工作，使热管的临界热流密度得到提高。

进一步地，如图1～图2所示，热敏出液组件为双金属片4，双金属片4包括相互贴接的主动层和被动层，主动层的热膨胀系数大于被动层的热膨胀系数，主动层贴覆于出液口31。具体地，双金属片4可以安装在液体分配器3的内壁面或者外壁面上对应出液口31的部位，且主动层贴覆于出液口31。当热管将处于干烧状态而导致热管内部温度有所升高时，双金属片4由于主动层和被动层的金属材料的膨胀系数不同，出现受热后向膨胀系数低的被动层一侧弯曲，从关闭构型转换为开放构型，进而打开出液口31，使得液体分配器3中的冷却液7从出液口31流入蒸发段12，对其进行自动补液。

本实施例中以双金属片4安装于液体分配器3的内壁面为例进行说明，当热管处于干烧状态时，主动层直接贴覆于出液口31，由于温度升高发成膨胀，而被动层由于与液体分配器3中的冷却液7直接接触，虽然液体分配器3中的冷却液7也会因空腔11的温度升高而发生吸热沸腾蒸发，但是其仍处于汽液两相状态，温度仍然为冷却液7的沸腾温度，该温度比此时蒸发段12的温度要稍低，进一步地导致被动层的膨胀减小，同时被动层的膨胀系数又小于主动层的膨胀系数，进而导致双金属片4整体向液体分配器3内部弯曲，从而开启液体分配器3的出液口。

进一步地，如图4～图5所示，热敏出液组件还可以采用热敏磁性单元8，包括永磁铁81、弹片82和热敏铁氧体磁芯83，永磁铁81固接于液体分配器3的内壁。弹片82的左端固接于液体分配器3的外侧，弹片82的右端固接于热敏铁氧体磁芯83，热敏铁氧体磁芯83用于被永磁铁81吸引，以带动弹片82封闭出液口31。

具体地，热敏铁氧体磁芯83采用热敏铁氧体材料制成，是一种利用铁氧体的磁导率和饱和磁化强度随温度变化的特性，而制成的各种热敏元件的铁氧体材料。热敏铁氧体材料的特点是其磁性在居里点附近会发生骤变：当温度达到居里点时，其磁导率和饱和磁通密度突然下降，铁磁性消失；温度回到居里点以下时，其铁磁性又恢复。热敏铁氧体材料可以是氧化铁和其它过渡族金属的氧化物的混合烧结体。因而可以根据需要补液时的蒸发段12的温度值，来合理选择居里点在该温度值附近的热敏铁氧体材料。

如图4所示，当热管处于正常工况时，冷却液7的蒸发速度与吸液芯2的回流速度相当，此时蒸发段12的温度始终保持在正常温度值，该温度值低于热敏铁氧体磁芯83的居里点，因而永磁铁81可以吸引热敏铁氧体磁芯83，此时弹片82可以封闭出液口31，热敏出液组件处于关闭构型。

如图5所示，当热管处于干烧等异常超温工况时，冷却液7的蒸发速度大于吸液芯2的回流速度，此时蒸发段12的温度升高，超过正常温度值，达到热敏铁氧体磁芯83的居里点，因而热敏铁氧体磁芯83的铁磁性消失，永磁铁81无法吸引热敏铁氧体磁芯83，此时弹片82在热敏铁氧体磁芯83的重力作用下，向下弯曲发生形变，打开出液口31，热敏出液组件处于开放构型。

进一步地，如图1和图3所示，还包括设于管壳1的外部的储液单元5，液体分配器3的端部设有至少一个连接于储液单元5的进液口32。具体地，储液单元5可以为一个或者多个储液罐，在储液罐内填充有冷却液7。储液单元5的最低点连接于液体分配器3的进液口32，因而储液罐内的液位高于进液口32，可以利用重力作用对液体分配器3进行及时的补液。本实施例中以液体分配器3为沿管壳1的径向设置的长形管，储液单元5为两个紧贴于管壳1的外壁面的立式储液罐为例进行说明，但不作为对储液单元5的限制。两个储液罐相对地设置于液体分配器3的两侧，液体分配器3的左端部开设有进液口32连通左侧的储液罐，液体分配器3的右端部开设有进液口32连通右侧的储液罐。

更进一步地，管壳1沿管壳1的轴向分为依次连通的蒸发段12、绝热段13和冷凝段14，绝热段13的外壁包覆有隔热层6，储液单元5固接于隔热层6的外表面。具体地，隔热层6可以采用绝热保温材料，如保温棉、聚苯板等。通过设置隔热层6可以隔离储液单元5与管壳1，防止壁面热量直接通过管壳1的壁面传递给储液单元5内的冷却液7，而导致液体吸热蒸发。

更进一步地，如图1所示，储液单元5的上部设有毛细管51，毛细管51的下端连通储液单元5的储液腔，毛细管51的上端与位于冷凝段14的吸液芯2相连。具体地，在热敏出液组件处于开放构型时，液体分配器3中的冷却液7流入空腔11后，储液单元5中的冷却液7将在重力的作用下通过其下方的进液口32对液体分配器3进行补液，同时储液单元5的上部通过毛细管51与冷凝段14中的吸液芯2相连通，当储液单元5中的冷却液7因流入液体分配器3而导致液位下降时，储液单元5中的压力将会降低，使冷凝段14中的吸液芯2中的冷却液7通过毛细管51流入储液单元5中对其进行冷却液7的补充，从而维持储液单元5中液位。通过设置毛细管51可以从冷凝段14的吸液芯2中吸取冷却液7，进而对储液单元5进行补液。

进一步地，如图2所示，出液口31包括出液孔311和通气孔312，出液孔311朝向蒸发段12，通气孔312朝向冷凝段14。具体地，液体分配器3的下表面可以为平面，上表面可以为拱形，并在中间位置拱起，在最高点的两侧附近开设通气孔312，通气孔312也采用热敏出液组件进行启闭。当液体分配器3中的冷却液7可能因吸热蒸发而形成的蒸汽时，通过通气孔312的开启，可以将蒸汽排出。当液体分配器3中的冷却液7没有形成蒸汽时，可以通过通气孔312的开启，向空腔11内补液，其作用与出液孔311相同。

进一步地，液体分配器3安装于绝热段13，且液体分配器3靠近蒸发段12。具体地，液体分配器3可以安装于蒸发段12和绝热段13的交界处。

进一步地，冷凝段14的外壁安装有翅片。通过在冷凝段14的外部加装翅片等方式，可以增加换热面积，强化冷凝段14的换热效率。

进一步地，空腔11的压力可以为负压，使得冷却液7的沸点降低，更容易蒸发，而且蒸发温度较低，可根据实际需要通过控制空腔11中的负压值来控制冷却液7的沸点。

进一步地，吸液芯2可以为丝网吸液芯、沟槽吸液芯、丝束吸液芯或者烧结吸液芯。

通过以上实施例可以看出，本实用新型提供的热管，包括内部设有空腔的管壳以及贴设于管壳的内壁的吸液芯，还包括侧壁设有至少一个出液口的液体分配器以及与出液口一一对应的热敏出液组件，空腔和液体分配器内均用于盛装冷却液，空腔内的冷却液在管壳的一端受热蒸发，蒸汽流动至管壳的另一端放热冷凝，重新生成的冷却液在吸液芯的毛细作用下重新回流至蒸发段。正常工况下冷却液的蒸发速度与吸液芯的回液速度相当，此时热敏出液组件处于关闭构型，封闭出液口；当发热源因突发原因导致其功率增加从而使吸液芯的回液速度跟不上冷却液的蒸发速度时，热管将处于干烧状态而导致热管内部温度有所升高，此时热敏出液组件因为受热而转换为开放构型，开启出液口，使得液体分配器中的冷却液流入管壳中对其进行自动补液。该热管在出现干烧状态而温度刚有所升高时，能够自动给蒸发段补充冷却液，以强化热管换热性能，满足瞬时高效散热需求，保证热管在热源功率短时突增的情况下仍能正常工作，使热管的临界热流密度得到提高。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。