专利名称：以碳纳米管悬浮液为工质的重力型微槽道平板热管的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种平板热管，具体地说是涉及一种以新型高效强化换热工质-碳纳米管悬浮液为工质的重力型微槽道平板热管。属于强化传热和电子元器件冷却领域，背景技术随着电子器件的高频、高速以及集成电路技术的迅速发展和MEMS(MicroElectro-Mechanical System，微电子机械系统)技术的进步，以及各种电子器件及设备，如计算机芯片等向高性能、小型化及微型化的趋势发展，电子元器件的总功率密度大幅度增长而物理尺寸却越来越小，热流密度也随之增加，能否将这些电子元器件工作时产生的热量及时并有效的散发出去，将直接影响电子器件的成本、工作性能及可靠性。高温的温度环境势必会影响电子元器件的性能，这就要求对其进行更加高效的热控制。因此，有效解决电子元器件的散热问题已成为当前电子元器件和电子设备制造的关键技术。
热管被认为是解决电子设备散热问题的最有效途径之一。而重力型平板热管作为一种高效传热装置，利用工质的汽化潜热来传递热量，它有结构简单、运行稳定可靠和散热功率大的优点，更重要的是和一般管状热管相比，壁温均匀，传热性能更加优越。目前，使用纯液体为工质的微小型槽道平板热管因其在微电子设备冷却领域的广泛而又重要的应用前景，已经越来越受到研究人员的重视。国内外对该种热管的研究已经取得了一些实用性成果。
近年来，纳米技术开始应用于热管技术。由于纳米粒子具有小尺寸效应、界面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应，使纳米粒子在结构、光电、磁学和化学性质等方面表现出特异性。随着纳米材料科学的迅速发展，一些学者已开始尝试将纳米颗粒与流体混合，制成纳米颗粒悬浮液，强化对流换热，给强化传热技术带来了蓬勃生机。
在热管循环工质中加入各类金属或金属氧化物纳米颗粒，改变了循环工质的结构和物性，增强了内部能量的传递过程、增大了纳米流体的换热系数，使加热器温度场更加均匀，换热功率更大。因此，纳米流体(纳米粒子悬浮液)作为一种新型的强化传热工质有着广阔的应用前景。但是用金属或金属氧化物纳米流体作为工质的热管所得到的换热系数增强幅度很有限制。有必要寻找一种新的更有效的纳米流体作为工质，使热管的性能得到更大的提升。
碳纳米管(CNT)悬浮液是一种新型的纳米流体，和传统的纳米流体相比有一些独特的优点。最大的特点是碳纳米管本身的导热系数非常大，达到3000w/m.k的数量级。因此碳纳米管悬浮液有比一般纳米流体更好的换热性能，其强化传热特性已为许多基础研究所证实。
至今尚没有人提出采用碳纳米管悬浮液作为热管内的工质来强化热管换热性能。使用碳纳米管悬浮液作为工质的热管在电子、微电子设备冷却等电子设备冷却领域方面具有独特的发展潜力，具有广阔的应用前景，也将会产生重要的经济效益和社会效益。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种以碳纳米管悬浮液为工质的重力型微槽道平板热管，提高平板热管的传热性能。
为实现这一目的，本发明的技术方案是采用碳纳米管悬浮液作为平板热管的工质，利用碳纳米管悬浮液强化平板热管的蒸发沸腾换热性能，提高其最大散热功率。热管传热面设计成微槽道传热面，微槽道传热面上均匀开有矩形或三角形截面形状的微槽道，以增加传热面和工质的接触面积，起到强化换热的效果。
本发明的重力型微槽道平板热管的具体结构为对冷凝面进行冷却的若干散热片均匀排列安装在冷凝面上，冷凝面下方的蒸发腔内部注入的工质为碳纳米管悬浮液，最佳充液率为蒸发腔容积的40-60％，在此范围内，充液量对换热特性基本无影响。蒸发腔的底面为微槽道传热面。所述碳纳米管悬浮液为去离子水与碳纳米管的混合液，悬浮液中碳纳米管的质量浓度为0.5-3wt％。
本发明平板热管中冷凝面上的散热片使用风扇空冷方法散热，也可以设计成水冷散热。使用时，把需要散热的元件贴附在微槽道平板热管的下端，通过微槽道传热面及蒸发腔内的工质碳纳米管悬浮液，将需要散热的元件的热量传递到上端风、液体中。
本发明的重力型微槽道平板热管运行时，先在低热负荷工况下运行数分钟，使沉降在热管蒸发腔3底部的碳纳米管重新悬浮，即可正常运行。
本发明所述的碳纳米管一般可以使用任意的碳纳米管，包括单壁碳纳米管(SWNT)和多壁碳纳米管(MWNT)。
本发明利用碳纳米管悬浮液强化平板热管传热特性，碳纳米管悬浮液浓度对重力型平板热管的换热特性有明显的影响，在质量浓度为0.5-3wt％的范围内均可取得强化效果。
压力对使用多壁碳纳米管悬浮液的重力型平板热管的换热强化率有明显的影响。压力越小，采用悬浮液后的换热强化效果越好。本发明的强化型热管在低压下(热管运行温度低于80度)使用效果更好。压力由调节冷凝强度控制。
本发明中的以碳纳米管悬浮液为工质的重力型微槽道平板热管，同之前的以纯水为工质的平板热管相比，能够十分显著的提高换热特性，降低热管热阻，增加散热功率。热管热阻可以降低40％～50％左右，换热功率可以提高1倍～1.7倍左右。
图1为本发明重力型微槽道平板热管的结构示意图。
图1中，1为散热片，2为冷凝面，3为热管内部的蒸发腔，4为工质，5为微槽道传热面，6为加热面，7为加热热源。
图2为微槽道微槽道传热面的局部放大示意图。
具体实施例方式
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步描述。以下实施例中的参数不构成对本发明的限定。
本发明的重力型微槽道平板热管的结构如图1所示，整个热管为一竖直圆筒或竖直方筒，对冷凝面2进行冷却的若干散热片1均匀排列安装在冷凝面2上，冷凝面2下方为热管内部的蒸发腔3，蒸发腔3内部的工质4为碳纳米管悬浮液，充液率为蒸发腔容积的40-60％。蒸发腔3的底面为微槽道传热面5，微槽道传热面5上均匀开有微槽道。
微槽道传热面5的背面是加热面6，加热热源7亦即需冷却的元件。
本发明所述的微槽道采用矩形截面形状或三角形截面形状。热管尺寸可任意设计。
本发明平板热管中冷凝面2上的散热片1使用风扇空冷方法散热，也可以设计成水冷散热。使用时，把需要散热的元件(加热热源7)贴附在微槽道平板热管的下端(加热面6)，通过微槽道传热面5及蒸发腔3内部的工质碳纳米管悬浮液，将需要散热的元件的热量传递到上端风、液体中。
本发明采用的碳纳米管悬浮液为去离子水与碳纳米管的混合液，悬浮液中碳纳米管的质量浓度范围为0.5wt％-3wt％。所述碳纳米管一般可以使用任意的碳纳米管，建议使用如下的多壁碳纳米管(MWNT)深圳纳米巷科技有限公司的产品，型号L-MWNT-1020。物性参数如下线径10-20nm，长度5-15μm，纯度95-98％，表面积40～300m2/g。
本发明的一个实施例中，传热面5中微槽道的局部放大结构如图2所示，在微槽道传热面上均匀密布矩形截面形状的微槽道，每个微槽道的肋宽0.5mm，槽宽0.5mm，槽深0.8mm，用线切割加工而成。
本发明的重力型微槽道平板热管运行时，先在低热负荷工况下运行数分钟，使沉降在热管蒸发腔3底部的碳纳米管重新悬浮，即可正常运行。
本发明中碳纳米管悬浮液的充液率取蒸发腔容积的40-60％，在此范围内，充液量对换热特性基本无影响。
本发明采用不同质量浓度的碳纳米管悬浮液为工质的实施例的数据如表1所示
表1
表1数据表明，本发明的重力型微槽道平板热管与现有的以纯水为工质的平板热管相比，能够十分显著的提高换热特性，降低热管热阻，增加散热功率。在同样压力下，2wt％为最佳质量浓度，能得到最大的强化效果。同样浓度条件下，压力越低，热管所起到的强化效果越明显。在压力范围为7.2kPa～100kPa之间、碳纳米管质量浓度为2wt％时，和传统的以水为工质的热管相比，热管热阻可降低50％，换热功率最大提高1.7倍左右，其最大散热功耗可达130W/cm2。
权利要求
1.一种以碳纳米管悬浮液为工质的重力型微槽道平板热管，若干散热片(1)均匀排列安装在冷凝面(2)上，冷凝面(2)下方的蒸发腔(3)内部注有工质(4)，其特征在于所述蒸发腔(3)的底面为微槽道传热面(5)，微槽道传热面(5)上均匀开有微槽道；所述工质(4)为碳纳米管悬浮液，充液率为蒸发腔容积的40-60％。
2.根据权利要求1的以碳纳米管悬浮液为工质的重力型微槽道平板热管，其特征在于所述碳纳米管悬浮液为去离子水与碳纳米管的混合液，悬浮液中碳纳米管的质量浓度为0.5-3％。
3.根据权利要求1的以碳纳米管悬浮液为工质的重力型微槽道平板热管，其特征在于所述微槽道采用矩形截面形状或三角形截面形状。
4.根据权利要求2的以碳纳米管悬浮液为工质的重力型微槽道平板热管，其特征在于所述碳纳米管为线径10-20nm、长度5-15μm的多壁碳纳米管。
5.根据权利要求3的以碳纳米管悬浮液为工质的重力型微槽道平板热管，其特征在于所述微槽道采用矩形截面形状，每个微槽道的肋宽0.5mm，槽宽0.5mm，槽深0.8mm。
全文摘要
本发明涉及一种以碳纳米管悬浮液为工质的重力型微槽道平板热管，在重力型微槽道平板热管中充注碳纳米管悬浮液，微槽道是矩形或三角形截面形状，平板热管上端置有风冷、液体冷却装置。需要散热的元件贴附在微槽道平板热管的下端，依靠重力型平板热管将需要散热的元件的热量传递到上端风、液体中。蒸发腔最佳充液率范围为40－60％，在此范围内，充液量对换热特性基本无影响。碳纳米管悬浮液质量浓度范围0.5－3％，最佳浓度2％。本发明利用碳纳米管悬浮液强化平板热管传热特性，可以有效地降低热管热阻，提高最大散热功耗。
文档编号H05K7/20GK101082468SQ200710043438
公开日2007年12月5日 申请日期2007年7月5日 优先权日2007年7月5日
发明者刘振华, 熊建国, 廖亮, 吕伦春 申请人:上海交通大学