一种热管复合吸液芯及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种热管复合吸液芯及其制备方法，其为管状结构，包括一金属外套管和金属多孔流道，金属多孔流道的外壁与金属外套管的内壁紧密贴合；所述金属多孔流道由粒径40～180μm的金属粉末颗粒经固相烧结而成，其表面和内部均具有平均孔径为10-100μm的多孔孔隙结构，其内壁面沿其周向均匀分布有20～60个长度与所述金属多孔流道的轴向长度相同的吸液凹槽；所述吸液凹槽包括一内嵌槽体和一狭缝，内嵌槽体通过狭缝与所述金属多孔流道的腔体相连通。本发明制造工艺简单、生产成本低，有效弥补了单一沟槽或烧结吸液芯的缺点，提高了毛细压力，降低了液体回流阻力、提高了渗透率，同时吸液凹槽有效削弱了蒸汽流动对液体流动的逆向剪切，从而大幅提高热管的传热性能。
【专利说明】一种热管复合吸液芯及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于热管【技术领域】，具体涉及一种热管复合吸液芯及其制备方法。
【背景技术】
[0002]近年来，随着微电子产品技术快速发展，电子设备的功率急剧增加，而物理尺寸越来越小，由高热流密度引发的产品失效问题日益严重。具有高导热率、高可靠性、热响应快、无需额外电力驱动等特点的热管成为解决高热流密度芯片散热难题的理想选择。热管的传热性能主要由毛细吸液芯结构决定，目前常用的热管吸液芯结构通常由单一形式的丝网、烧结粉末、沟槽组成。其中，丝网型吸液芯由于工艺重复性差、不能适应管道弯曲的情况，以逐渐被其它形式吸液芯取代；烧结型吸液芯有较高的毛细压力，传热量较大，但因其渗透率较差，存在在毛细压力提高的同时液体回流阻力增大的矛盾，使得热管的轴向传热能力受到限制。沟槽型吸液芯的沟槽形状通常为燕尾形、矩形、梯形，其渗透率大、液体流动阻力小，但微沟槽的加工成本较高、受方向性限制很强，且毛细压力小，传热量较小。为此，有专利200920257293.6提出采用内凹槽吸液芯来提高热管吸液芯的毛细压力，该吸液芯通过热挤压的方式在铜管内壁加工出内凹形沟槽，利用内凹槽上端狭缝提供大的毛细压力；同时内凹槽的内凹腔提供液体回流通道，降低回流阻力。但是由于内凹槽是光滑壁面结构，其提高毛细压力效果有限；且光滑的壁面结构传热面积有限，不利于沸腾传热的强化。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提供一种毛细压力大、回流阻力小且显著强化沸腾传热的热管复合吸液芯。
[0004]本发明的另一目的在于提供上述热管复合吸液芯的制备方法。
[0005]本发明的具体技术方案如下:
[0006]一种热管复合吸液芯，为管状结构，包括一金属外套管和设于该金属外套管内的金属多孔流道，金属多孔流道的外壁与金属外套管的内壁紧密贴合；
[0007]所述金属多孔流道由粒径40?180 μ m的金属粉末颗粒经固相烧结而成，其表面和内部均具有平均孔径为10-100 μ m的多孔孔隙结构，该金属多孔流道的内壁面沿其周向均匀分布有20?60个长度与所述金属多孔流道的轴向长度相同的吸液凹槽；
[0008]所述吸液凹槽包括一内嵌槽体和一狭缝，腔体通过狭缝与所述金属多孔流道的腔体相连通，该内嵌槽体的横截面的当量直径为0.6?1.0mm,该狭缝的深度为0.2?0.4mm,宽度为0.3?0.5臟。
[0009]在本发明的一个优选实施方案中，所述内嵌槽体的横截面的形状为圆形、燕尾形或矩形。
[0010]在本发明的一个优选实施方案中，所述金属粉末颗粒为铜粉或镍粉，其粒径为50 ?150 μ m。
[0011]在本发明的一个优选实施方案中，所述吸液凹槽的数量为20?40个。
[0012]在本发明的一个优选实施方案中，所述内嵌槽体的横截面的当量直径为0.7?0.9mm。
[0013]在本发明的一个优选实施方案中，所述狭缝的深度为0.3?0.4mm,宽度为0.4?0.Smnin
[0014]在本发明的一个优选实施方案中，所述金属外套管的材质为紫铜。
[0015]一种上述热管复合吸液芯的制备方法，包括如下步骤:
[0016](I)通过线切割方法制造出凸台模具，其上的凸台的尺寸与所述吸液凹槽的尺寸相同；
[0017](2)将凸台模具放入金属外套管中形成环形的填充空间，将金属粉末颗粒填满其中，得预制体；
[0018](3)将预制体放在支架上固定，放入箱式气氛保护电阻炉中烧结，该烧结的升温程序为:以300?400°C /h的速度升温至400?500°C后保温20?40min，然后再以300?4000C /h的速度升温至850?1000°C后保温烧结30?90min ；
[0019](4)随炉冷却后，将所述凸台模具拔出，即得所述热管复合吸液芯。
[0020]在本发明的一个优选实施方案中，所述凸台模具的材质为石墨或不锈钢。
[0021]在本发明的一个优选实施方案中，所述步骤(3)为:将预制体放在支架上固定，放入箱式气氛保护电阻炉中烧结，该烧结的升温程序为:以300?400°C /h的速度升温至400?450°C后保温25?35min，然后再以300?400°C /h的速度升温至900?1000°C后保温烧结30?90min。
[0022]本发明的有益效果是:
[0023]1.、本发明公开的一种热管复合吸液芯结构，其金属多孔流道的内壁面沿其周向均匀分布有20?60个长度与所述金属多孔流道的轴向长度相同的吸液凹槽；所述吸液凹槽包括一内嵌槽体和一狭缝，内嵌槽体通过狭缝与所述金属多孔流道的腔体相连通，该内嵌槽体的横截面的当量直径为0.6?1.0mm，该狭缝的深度为0.2?0.4mm,宽度为0.3?
0.5mm，该结构有效弥补了单一沟槽或烧结吸液芯的缺点，吸液凹槽的狭缝提高了毛细压力，内部的内嵌槽体则降低了液体回流阻力、提高了渗透率，同时烧结多孔基体进一步提高了毛细压力，从而大幅提高热管的传热性能。此外，具有上述吸液凹槽的吸液芯有效削弱了热管腔内蒸汽流动对槽道内液体流动的逆向剪切作用，进而大大增强了毛细流动传热性倉泛;
[0024]2、本发明的热管复合吸液芯的内管由粒径40?180 μ m的金属粉末颗粒经固相烧结而成，其表面和内部均具有平均孔径为10-100 μ m的多孔孔隙结构，具有高比面积、显著增大传热面积、提供大量沸腾核心的优点，能显著强化传热。同时，具有该多孔孔隙结构的内表面具有良好的毛细管特性，可以保持壁面的足够润湿，防止热斑、局部干燥而引起的局部结垢;
[0025]3、本发明的热管复合吸液芯的制造工艺与常用烧结式吸液芯的制造工艺基本相同，无需复杂的制造过程，容易实现工业化生产。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1为本发明的热管复合吸液芯的横截面示意图；
[0027]图2为圆形内嵌槽体的结构示意图；
[0028]图3为燕尾形内嵌槽体的结构示意图；
[0029]图4为矩形内嵌槽体的结构示意图；
[0030]图5为圆形内嵌槽体的凸台模具的加工示意图；
[0031]图6为本发明的制备方法中金属粉末颗粒填充示意图；
【具体实施方式】
[0032]以下通过【具体实施方式】结合附图对本发明的技术方案进行进一步的说明和描述。
[0033]如图1所示，一种热管复合吸液芯，为管状结构，包括一金属外套管I (优选紫铜外套管)和和设于该金属外套管内的金属多孔流道2，金属多孔流道2的外壁与金属外套管I的内壁紧密贴合；
[0034]所述金属多孔流道2由粒径40?180 μ m(优选50?150 μ m)的金属粉末颗粒3经固相烧结而成，其表面和内部均具有平均孔径为10-100μπι的多孔孔隙结构，该金属多孔流道2的内壁面沿其周向均匀分布有20?60个(优选20?40个)长度与所述金属多孔流道2的轴向长度相同的吸液凹槽21 ；
[0035]所述吸液凹槽21包括一内嵌槽体212和一狭缝211，内嵌槽体通过狭缝211与所述金属多孔流道2的腔体相连通，该内嵌槽体212的横截面的当量直径为0.6?1.0_，且形状为圆形、燕尾形或矩形(如图2、3、4所示)，该狭缝211的深度为0.2?0.4mm,宽度为
0.3?0.5mm。优选的，该内嵌槽体212的横截面的当量直径为0.7?0.9mm,该狭缝211的深度为0.3?0.4mm,宽度为0.4?0.5謹。
[0036]上述金属多孔流道2的多孔孔隙结构具有高比面积、显著增大传热面积、提供大量沸腾核心的优点，能显著强化传热。同时，具有该多孔孔隙结构的内表面具有良好的毛细管特性，可以保持壁面的足够润湿，防止热斑、局部干燥而引起的局部结垢；上述吸液凹槽21的结构有效弥补了单一沟槽或烧结吸液芯的缺点，吸液凹槽21的狭缝211提高了毛细压力，内部的内嵌槽体212则降低了液体回流阻力、提高了渗透率，同时烧结多孔基体进一步提闻了毛细压力，从而大幅提闻热管的传热性能。此外，具有上述吸液凹槽21的吸液芯有效削弱了热管腔内蒸汽流动对槽道内液体流动的逆向剪切作用，进而大大增强了毛细流动传热性能。
[0037]上述热管复合吸液芯的制备方法，包括如下步骤:
[0038](I)如图5所示，通过线切割方法制造出石墨或不锈钢材质的凸台模具4，其上的凸台尺寸与所述吸液凹槽21的尺寸相同，具体为:选用石墨棒作为模具基材进行线切割加工，选用钥丝6作为加工电极，采用慢走丝加工方式，线切割加工短路电流为2.5A，脉冲宽度为6 μ s,脉冲间隔为60 μ s,开路电压为105V,走丝速度为5.2mm2/min,加工出的模具形成均匀分布的与所述吸液凹槽21的尺寸相同的足够数量的凸台41，由钥丝的轨迹控制凸台的形状，得到所述凸台模具4。
[0039](2)如图6所示，将凸台模具4放入金属外套管I中形成环形的填充空间，将金属粉末颗粒3填满其中，得预制体，具体为使凸台模具4与金属外套管I间形成厚度为1.5?3mm的环形空腔；取合适粒径(如75-100 μ m)的金属粉末颗粒3填充至凸台模具4和金属外套管I形成的空腔内，使金属粉末充分填满空腔为止；填充时适时振荡模具，使金属粉末颗粒3充分填充；再在金属外套管I顶端放置一块石墨或不锈钢盖板5，将填充完毕的空腔盖实，保证金属粉末上端的平齐；优选的，可对金属外套管I中的凸台模具4进行表面处理，以减小模具在拔出时的拔出力，避免吸液芯结构遭到破坏或者模具拔不出，有效的表面处理方法为，模具表面涂一层抗高温的脱模剂，如涂覆氮化硼溶液，或者对芯棒表面进行高温渗氮
[0040](3)将预制体放在支架上固定，放入箱式气氛保护电阻炉中烧结，该烧结的升温程序为:以300?400°C /h的速度升温至400?500°C后保温20?40min，然后再以300?4000C /h的速度升温至850?1000°C后保温烧结30?90min ;优选的升温程序为:以300?4000C /h的速度升温至400?450°C后保温25?35min，然后再以300?400°C /h的速度升温至900?1000°C后保温烧结30?90min。
[0041](4)随炉冷却后，将所述凸台模具4拔出，即得所述热管复合吸液芯；
[0042](5)再进行抽真空、灌注工质，并封闭所述热管复合吸液芯的两端，得到具有吸液凹槽21多孔结构复合吸液芯的圆热管。
[0043]以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，SP依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。
【权利要求】
1.一种热管复合吸液芯，为管状结构，其特征在于:包括一金属外套管和设于该金属外套管内的金属多孔流道，金属多孔流道的外壁与金属外套管的内壁紧密贴合； 所述金属多孔流道由粒径40?180 μ m的金属粉末颗粒经固相烧结而成，其表面和内部均具有平均孔径为10-100μπι的多孔孔隙结构，该金属多孔流道的内壁面沿其周向均匀分布有20?60个长度与所述金属多孔流道的轴向长度相同的吸液凹槽； 所述吸液凹槽包括一内嵌槽体和一狭缝，内嵌槽体通过狭缝与所述金属多孔流道的腔体相连通，该内嵌槽体的横截面的当量直径为0.6?1.0mm,该狭缝的深度为0.2?0.4mm,宽度为0.3?0.5臟。
2.如权利要求1所述的一种热管复合吸液芯，其特征在于:所述内嵌槽体的横截面的形状为圆形、燕尾形或矩形。
3.如权利要求1所述的一种热管复合吸液芯，其特征在于:所述金属粉末颗粒为铜粉或镍粉，其粒径为50?150 μ m。
4.如权利要求1所述的一种热管复合吸液芯，其特征在于:所述吸液凹槽的数量为20?40个。
5.如权利要求1所述的一种热管复合吸液芯，其特征在于:所述内嵌槽体的横截面的当量直径为0.7?0.9mm。
6.如权利要求1所述的一种热管复合吸液芯，其特征在于:所述狭缝的深度为0.3?0.4mm’宽度为0.4?0.5臟。
7.如权利要求1所述的一种热管复合吸液芯，其特征在于:所述金属外套管的材质为紫铜。
8.—种权利要求1至7中任一权利要求所述的热管复合吸液芯的制备方法，其特征在于:包括如下步骤: (1)通过线切割方法制造出凸台模具，其上的凸台尺寸与所述吸液凹槽的尺寸相同； (2)将凸台模具放入金属外套管中形成环形的填充空间，将金属粉末颗粒填满其中，得预制体； (3)将预制体放在支架上固定，放入箱式气氛保护电阻炉中烧结，该烧结的升温程序为:以300?400°C /h的速度升温至400?500°C后保温20?40min，然后再以300?4000C /h的速度升温至850?1000°C后保温烧结30?90min ； (4)随炉冷却后，将所述凸台模具拔出，即得所述热管复合吸液芯。
9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于:所述凸台模具的材质为石墨或不锈钢。
10.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于:所述步骤(3)为:将预制体放在支架上固定，放入箱式气氛保护电阻炉中烧结，该烧结的升温程序为:以300?400°C /h的速度升温至400?450°C后保温25?35min，然后再以300?400°C /h的速度升温至900?1000°C后保温烧结30?90min。
【文档编号】F28D15/04GK104075603SQ201410320295
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年7月8日 优先权日:2014年7月8日
【发明者】邓大祥, 万伟, 刘晓萌, 秦嘉逸, 周伟, 曾涛 申请人:厦门大学