一种自优化散热的双腔室热管的制作方法

本发明涉及热交换技术领域，更具体地，涉及一种自优化散热的双腔室热管。

背景技术：

大功率半导体器件高效散热的热交换器一直是现代传热技术的主要应用之一。半导体元器件可靠性的改善率，功率容量的增加率以及结构的微小化等都直接取决于器件本身热控制的完善程度。

近年来随着电子技术以及大功率半导体激光技术的迅猛发展，各种电子装置和半导体激光芯片封装逐步向小型化、大功率方向发展，使得元器件内部产生的热流密度迅速增大，极大影响器件的寿命及可靠性。

然而，与此同时芯片耗能和散热问题也凸现出来，半导体元器件的发热功率与功率密度急剧增加。CPU芯片的热流密度已由几年前的1×105W/m²左右猛增到现在的1×106W/m²。如果散热不良，产生的过高温度不仅会降低芯片的工作稳定性，增加出错率，同时还会因为模块内部与外部环境间过大的温差而产生过大的热应力，影响芯片的电性能、工作频率、机械强度及可靠性。

同时，传统的水冷散热严重制约大功率半导体激光器的集成化，而如今其热功率密度已经达到1.5×106W/m²到6.0×106W/m²，对其集成化更加需要高效传热器件。半导体器件的冷却技术将是影响微电子技术与大功率半导体激光技术发展的关键因素，半导体元器件的可靠性及其性能，在很大程度上取决于设备是否具有良好的热设计考虑，以及所采取的散热措施是否有效。

热管是目前已知最有效的传热元件之一，在解决半导体器件的散热问题方面具有非常明显的优势。目前，热管技术已经在微电子冷却领域得到广泛应用。但每种热管的最佳散热效率只对应特定功率与热流密度的热源，当热源功率或者热流密度变化时热管的传热性能会受到很大的影响，这种局限性限制了其应用。因此，对热管的结构进行优化和设计具有重要的实际意义。

现有热管的最佳工作效率范围狭小，容易受热管充液率和饱和蒸汽压极限的影响，当热源功率或者热流密度不在热管的最佳工作效率区间内时，会导致热管换热单元的热传导效率急剧下降，在半导体器件等热源热量很高的领域中，往往不能满足散热的要求。

技术实现要素：

本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的自优化散热的双腔室热管，该热管相比现有普通热管，具有更宽的最佳工作效率范围。

根据本发明的一个方面，提供一种自优化散热的双腔室热管，该热管包括主腔室、次腔室和双向蒸汽开关组，所述主腔室通过所述双向蒸汽开关组与所述次腔室连接。热管在传统热管单腔室的基础上增加了次腔室，通过两腔室之间的双向蒸汽开关组的开启与关闭，来调节两腔室的充液率和蒸汽压。

进一步，所述主腔室内包括毛细管芯，所述毛细管芯贴附在所述主腔室的内壁，所述主腔室的内部形成中间腔体。

进一步，所述主腔室内的所述毛细管芯所占的体积与所述中间腔体的体积相同，所述主腔室充液率为50％，以使其充液率接近于各种工况下对应的最佳充液率。在热管开始工作后，双腔室间气压改变，使开关打开，所述主腔室内工质得到填充或去除，其充液率为对应最佳充液率。

进一步，所述次腔室的体积是所述主腔室的中间腔体的体积的二分之一。

进一步，所述主腔室和所述次腔室之间设有隔热材料，所述隔热材料采用导热率较低的材料制成，以减少所述主腔室和所述次腔室之间的热传导。

进一步，所述毛细管芯与所述次腔室之间通过所述双向蒸汽开关组分隔开。

进一步，所述双向蒸汽开关组包含至少两个蒸汽开关。蒸汽开关数量优选为2到10个。

所述双向蒸汽开关组的开启与关闭由开关本身弹力与开关两侧主次腔室间的压差共同决定。当所述主腔室和次腔室的蒸汽压力不同，且两者的压力差值大于所述双向蒸汽开关组的开关闭合弹力时，双向蒸汽开关打开，蒸汽由气压大的腔室流入气压小的腔室。

所述双向蒸汽开关组在所述毛细管芯的蒸发段，由于热流密度不均匀或者热流密度过高而产生局部蒸汽压过高时，局部区域对应的蒸汽开关打开，其他区域蒸汽开关仍然关闭，从而调节局部蒸汽压而不影响其他部分的工质流动。

进一步，所述毛细管芯采用烧结结构、织网结构、蜂巢结构或3D打印结构，不适用于槽道结构。

进一步，在所述主腔室和次腔室衔接的腔壁上，所述毛细管芯的靠近所述主腔室一侧的毛细密度高于靠近所述次腔室一侧的毛细密度，所述毛细管芯的靠近所述主腔室一侧的毛细间隙大于靠近所述次腔室一侧的毛细间隙。所述毛细管芯的靠近所述主腔室一侧的毛细密度较高毛细间隙较大，靠近所述次腔室一侧的毛细密度较低毛细间隙较小，毛细间隙的大小范围为50目到400目。

进一步，所述次腔室的侧壁连接有电热装置。通过所述电热装置，可使热管适应不同工况和使用完成后初始化热管。

进一步，所述电热装置包括电热片，所述电热片通过导热硅脂或铟膜与所述次腔室的远离所述毛细管芯一侧的外壁良好接触，加热功率的范围为1W-50W。不同的热功率下的所述双向蒸汽开关组有不同的阈值，以适应各种工况。所述热管工作结束后，用所述次腔室外壁的电热装置对所述次腔室进行加热，以使工质回流，完成热管的初始化。

基于上述技术方案，本申请提出的热管在传统热管单腔室的基础上增加了次腔室，通过两腔室之间的双向蒸汽开关组的开启与关闭，来调节两腔室的充液率和蒸汽压。通过调整所述次腔室外壁的电热装置的热功率，使蒸汽开关有不同的开关阈值。

与普通热管相比，本申请提出的自优化散热的双腔室热管的优点在于，可以通过双腔室间的双向蒸汽开关组调整热管的充液率，使之与热源功率和热流密度相匹配，达到最佳散热效率。并且可以有效抑制热管内部蒸汽极限对毛细滤芯液体回流的影响。此外，该热管可以使用3D打印技术实现热管的一体化制备，该热管制作简单，工艺重复性及可靠性良好。

附图说明

图1为根据本发明实施例的双腔室热管结构的示意图；

图2为根据本发明实施例的毛细管芯的示意图；

图3为根据本发明实施例的毛细管芯的局部放大图。

图中标记：1.主腔室，2.次腔室，3.双向蒸汽开关组，4.电热装置，5.毛细管芯，6.毛细间隙，7.热源。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在根据本申请的一个实施例中，参考图1，提供一种自优化散热的双腔室热管，该热管包括主腔室1、次腔室2和双向蒸汽开关组3，所述主腔室1通过所述双向蒸汽开关组3与所述次腔室2连接。热管在传统热管单腔室的基础上增加了次腔室2，通过两腔室之间的双向蒸汽开关组3的开启与关闭，来调节两腔室的充液率和蒸汽压。

所述主腔室1内包括毛细管芯5，所述毛细管芯5贴附在所述主腔室1的内壁，所述主腔室1的内部形成中间腔体。

所述主腔室1内的所述毛细管芯5所占的体积与所述中间腔体的体积相同，所述主腔室1充液率为50％。使其充液率接近于各种工况下对应的最佳充液率。在热管开始工作后，双腔室间气压改变，使开关打开，所述主腔室1内工质得到填充或去除，其充液率为对应最佳充液率。

所述次腔室2的体积是所述主腔室1的中间腔体的体积的二分之一。

所述主腔室1和所述次腔室2之间设有隔热材料，所述隔热材料采用导热率较低的材料制成，以减少所述主腔室1和所述次腔室2之间的热传导。

所述毛细管芯5与所述次腔室2之间通过所述双向蒸汽开关组3分隔开。

所述双向蒸汽开关组3包含至少两个蒸汽开关。蒸汽开关数量优选为2到10个。

所述双向蒸汽开关组3的开启与关闭由开关本身弹力与开关两侧主次腔室2间的压差共同决定。当所述主腔室1和次腔室2的蒸汽压力不同，且两者的压力差值大于所述双向蒸汽开关组3的开关闭合弹力时，双向蒸汽开关打开，蒸汽由气压大的腔室流入气压小的腔室。

所述双向蒸汽开关组3在所述毛细管芯5的蒸发段，由于热流密度不均匀或者热流密度过高而产生局部蒸汽压过高时，局部区域对应的蒸汽开关打开，其他区域蒸汽开关仍然关闭，从而调节局部蒸汽压而不影响其他部分的工质流动。

所述毛细管芯5可采用烧结结构、织网结构、蜂巢结构或3D打印结构，不适用于槽道结构。

所述毛细管芯5的靠近所述主腔室1一侧的毛细密度高于靠近所述次腔室2一侧的毛细密度，所述毛细管芯5的靠近所述主腔室1一侧的毛细间隙6大于靠近所述次腔室2一侧的毛细间隙6。所述毛细管芯5的靠近所述主腔室1一侧的毛细密度较高、毛细间隙较大，靠近所述次腔室2一侧的毛细密度较低、毛细间隙较小，毛细间隙6的大小范围为50目到400目。

所述次腔室2的侧壁连接有电热装置4。通过所述电热装置4，可使热管适应不同工况和使用完成后初始化热管。

所述电热装置4包括电热片，所述电热片通过导热硅脂或铟膜与所述次腔室2的远离所述毛细管芯5一侧的外壁良好接触，加热功率的范围为1W-50W。不同的热功率下的所述双向蒸汽开关组3有不同的阈值，以适应各种工况。所述热管工作结束后，用所述次腔室2外壁的电热装置4对所述次腔室2进行加热，以使工质回流，完成热管的初始化。

所述主腔室1外侧设置的热源工况在标准工况下工作，所述次腔室2的电热模块在相应功率下工作。所述主腔室1和次腔室2内的压力平衡时，所述双向蒸汽开关组3闭合。工质在主腔室1中由热源所在的蒸发端到冷凝端循环，完成热量传输，热管各部分长度由实际工作情况决定。

所述电热装置4对所述次腔室2加热，调节所述主腔室1和次腔室2的压力差在设计范围，由于次腔室2相对独立，只需很少热量即可达到腔内压力平衡，故增加热量对系统散热影响不大。

当所述主腔室1的外侧的热源7的功率改变后，对应的所述电热装置4功率随之改变，两腔室之间蒸汽压力不同并且差值大于开关闭合弹力时，所述双向蒸汽开关组3打开，蒸汽由气压大的腔室流入气压小的腔室，从而改变主腔室1充液率，提高传热效率，完成优化。

下面以一个具体例来说，对于设计工况为30W热源的平板热管，主腔室1充液率50％。毛细间隙6从50目到400目。管体冷凝端为TEC控温25摄氏度，所述电热装置4功率为5W，此时双向蒸汽开关组3闭合，工质相变与流动仅限于主腔室1中。

当热源7改变，功率降低到20W时，由于相对此状态主腔室1充液率过高，液体过多使得热响应速度降低，工质沸腾阈值升高，毛细管芯5吸力减少，导致热管传热效率低下。此时降低所述电热装置4的功率，工质由主腔室1进入次腔室2，主腔室1中充液率下降，热响应提高，热管的热效率提高，完成热管的自优化。而当热源功率提高到40W，腔内沸腾反应加剧，充液率下降，毛细管芯5得不到充分浸润。此时提高所述电热装置4的功率，工质由次腔室2进入主腔室1，主腔室1中充液率升高，沸腾相变效率升高，热管的热效率提高，完成热管的自优化。

当主腔室1的外侧的热源7热流密度不均匀时，在蒸发段局部热流密度过高，或者由于毛细间隙间涡流，导致局部的蒸汽压极限形成，蒸汽压极限会严重影响热管的相变，形成液滴夹带，阻碍工质的毛细回吸。所述双向蒸汽开关组3对应形成蒸汽极限的区域，蒸汽压不平衡，此部分的开关打开，蒸汽进入次腔室2，从而调节局部蒸汽压而不影响其他部分的工质流动，完成优化。

如图2和图3所示的一种适用于所述热管的毛细管芯5，由蜂巢结构构成。在所述主腔室1和次腔室2衔接的腔壁上，所述毛细管芯5靠近所述主腔室1一侧的毛细密度较高、毛细间隙6较大，靠近次腔室2一侧的毛细密度较低、毛细间隙较小，毛细间隙6由50目到400目。所述形式的毛细管芯5不仅能适应多种工况下运行，将所述主腔室1和次腔室2隔离，而且在双向蒸汽开关组3打开后，有利于在小压差下加强液态工质交换，提高工作效率。

最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

本发明的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。