一种铜粉烧结和高孔隙泡沫铜复合热管的制造方法技术

本发明专利技术公开一种由铜粉烧结和泡沫铜复合结构的热管制造方法。该方法制造的热管其吸液芯是复合结构，其中蒸发段由铜粉烧结而成，冷凝段和绝热段由高孔隙率的分级构造泡沫铜卷曲后烧结而成。蒸发段烧结铜的孔隙率约为40-50%，冷凝段和绝热段泡沫铜孔隙率达60-95%。该结构设计根据热管具体应用要求，蒸发段的低孔隙率和小孔径结构便于液相介质快速汽化，冷凝段和绝热段的高孔隙率结构，使得液相回流热阻大大减小，保证液体快速回流至蒸发段，加快相变循环速度。采用本发明专利技术由铜粉烧结和泡沫铜复合结构的热管，使得热管散热效率提高且热阻减少，达到快速高效的散热效果。该制造方法设备与工艺和常规热管制造方法相似，适合工业化规模生产。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是一种铜粉烧结和高孔隙泡沫铜复合热管的制造方法。其改变了热管内吸液芯设计的单一性，而根据热管的不同部分所起作用或功能的差异，形成由不同孔隙率组成的烧结铜和泡沫铜复合结构，该制造方法制得的热管具有在蒸发端加速液-汽转变、在绝热端和冷凝端加速冷凝后液相的回流，减少液相回流的热阻，提高介质液-汽相循环速度，实现快速导热和散热的作用。
技术介绍
自1963年热管专利技术以来，从早期的航空航天应用逐步发展到民用领域，因为热管充分利用了热传导原理与致冷介质的快速热传递性质，其导热能力超过任何已知金属的导热能力的数倍到数百倍，为高速发展的半导体、电子器件高功率、集成化提供了快速导热和散热的保证，确保其工作的稳定性和可靠性。热管是一种具有极高导热性能的新型传热元件，具有快速的导热性、良好的等温性、冷热两侧的传热面积可任意改变、可远距离传热、温度可控制等特点。将热管散热器的基板与晶闸管、IGBT、IGCT等大功率电力电子器件的管芯紧密接触，可直接将管芯的热量快速导出。一般热管由管壳和吸液芯密封而成。热管内部是被抽成负压状态，充入适当的液体介质，这种液体介质在负压下，沸点大大降低，非常容易发生液汽相变，从而传导其由相变转化时产生的大量潜热。管内壁上有吸液芯，通常由多孔材料或多孔结构构成，因为多孔材料具有良好的毛细吸力，多孔结构也易产生相应的毛细现象。吸液芯是热管的一个重要组成部分。吸液芯的结构形式将直接影响到热管和热管换热器的性能。当热管一端受热作为蒸发段，蒸发段通常跟热源连接，当其受热时，毛细管中的液体迅速形核并气化，蒸气在微小的压力差下流向另外一端为散热的冷凝段，因温度变化，发生汽液相变，释放出热量，并重新凝结成液体，液体再沿附着在管内壁的多孔材料依靠毛细力的作用流回蒸发段，形成由液到汽，再从汽到液的快速循环。这个循环受热端的热量作用，快速进行，将热量由热管的蒸发段快速传至另外一端的冷凝段，如冷凝段的热量如能快速散去，就能加速这个循环的进行。这样实现了将蒸发段的热量源源不断地传导开来，确保受热的蒸发段这一热源的温度在合适的工作范围内。所以决定热管散热效率的关键因素之一是吸液芯的结构。近年来随着热管技术的发展，各国研究者在吸液芯结构和理论研究方面做了大量工作，得出具有优良传热性能的热管，其吸液芯应具备下列特征：(1)足够大的毛细吸力，或较小的管芯有效孔径，便于液汽转变时气相的形核与生长；(2)较小的液体流动阻力，即有较高的渗透率，便于液相快速回流和快速循环形成；(3)良好的传热特性，即有小的径向热阻；(4)良好的工艺重复性及可靠性，制造工艺简单，价格便宜。但从通常IT应用的微型热管技术来说，大致经历了下列几个阶段，从早期的沟槽结构的热管过渡到编织铜网结构的热管，从编织铜网结构的热管到目前最常用的直接采用雾化的微米级铜粉高温烧结形成的多孔烧结铜吸液芯微型热管。但由于烧结铜粉的孔隙率大致在40-50%，在加热蒸发段孔隙率相对低孔径小，毛细吸力明显，有利于液相介质的蒸发，但在加热蒸发段以外的冷凝段和绝热段的相变循环过程中如果采用烧结铜吸液芯，将造成液相回流热阻相对大。如何解决吸液芯回流热阻大这个影响散热效果的关键问题？提出了本专利技术的一种由铜粉烧结和高孔隙泡沫铜复合结构的热管制造方法。
技术实现思路
本专利技术的目的就是针对如何改善加热蒸发段以外的冷凝段和绝热段的吸液芯的毛细结构提出的，因为烧结铜孔隙率低，通常在40-50%范围内，所以回流时热阻相对大，且速度慢，影响液相介质相变的循环速度。如果进一步提高孔隙率采用高孔隙率的泡沫铜是否能够解决这一问题？通过大量的研究发现，江苏格业新材料科技有限公司生产的分级构造泡沫铜，其孔径可控在300纳米至1毫米范围内，孔隙率可根据要求在高达60-95%范围内选取，该分级构造的泡沫铜具有优良的毛细吸力，且与烧结铜部分结合良好，非常好的解决冷凝段汽液相变后，液相快速回流热阻大的难题。热管内的吸液芯将由烧结铜和泡沫铜复合结构组成。即在热管的加热蒸发段采用烧结铜结构，采用与常规的烧结铜热管相似的方法，将雾化的微米级铜粉烧结在铜管的内壁蒸发段的部分；而热管的其他部分即绝热段和冷凝段，将采用江苏格业新材料科技有限公司生产的分级构造的高孔隙率的泡沫铜，该泡沫铜采用与蒸发段相同的热机械处理工艺，经高温还原气氛下，将泡沫铜烧结在铜管内壁的其余部分，形成了吸液芯部分由低孔隙率的烧结铜和高孔隙率的分级构造泡沫铜的复合结构。这样就实现了热管在加热蒸发段具有相对低孔隙率和小的孔径，形成明显的毛细吸力，有利于液相介质的快速蒸发，当蒸汽通过蒸汽腔传输到冷凝段，热量释放，发生汽-液转变后，液相介质将通过高孔隙率且具有很好毛细吸力的分级构造的泡沫铜快速回流到蒸发段，加快了蒸汽在冷凝段转变为液相后的回流速度，大大降低了冷凝段和绝热段液体介质回流的热阻，加快了液体介质在热管内相变的循环速度，提高了散热效率，有效解决高发热量电子元件所需快速导热和散热问题。附图说明图1是分级构造泡沫铜微结构扫描电镜照片。图2在铜管内铜粉和泡沫铜的复合结构特征的示意图。注意需要将泡沫铜与中间柱一并置入，其中泡沫铜在铜管下端合适的位置，然后再注入铜粉。图3制成的烧结铜和泡沫铜复合结构吸液芯热管的剖视图。图4烧结铜和泡沫铜复合结构吸液芯热管外形图。与常规的烧结铜热管相似，但需标注蒸发端和冷凝端，确保后续散热模组组装时不会搞错。具体实例以下是吸液芯为烧结铜和泡沫铜复合结构，设计厚度为0.5毫米，采用直径为6mm和8mm的纯铜管，总长为260mm,其中加热段长为50mm的微型热管。(1)根据所选纯铜管的直径为6或8毫米、壁厚为0.3毫米的铜管，长度需考虑后续焊接等要求，根据经验适当延长至266mm,并清洗干燥；(2)根据加热蒸发段长度50mm,计算所需铜粉的厚度，其中烧结铜的孔隙率按照48%计算所需铜粉的量，其余部分为泡沫铜，泡沫铜总长为210mm,根据内径计算泡沫铜的剪切宽度，选用的分级构造泡沫铜的孔隙率在75-76%，此外主要这一端将在后续工序中进行缩颈处理，所以离端头预留6mm。根据计算，选用的中间柱直径分别为4.4mm或6.4mm的不锈钢或氧化铝陶瓷，并进行泡沫铜的卷曲并置入铜管相应的位置；(3)铜粉所选用粒度为150-200目的雾化球状纯铜粉，根据计算，称量所需的铜粉的质量，将铜粉加入泡沫铜的上端，并振动紧实。(4)推入还原炉进行高温还原烧结，首先低温下采用氮气洗炉，当温度达500℃以上通入氢氮混合气氛，进行高温还原烧结的热机械处理，氢氮混合比为75~10%（氢气）：（25-90%（氮气），加热速度为15-20oC/分，至950oC保温1小时；(5)然后按照常规热管焊接封装方式进行后续加工，其中烧结铜一端进行氩弧焊接、另一端泡沫铜端将进行缩颈、抽真空、注水和封装焊接处理，制得吸液芯为烧结铜（孔隙率大致48%）和泡沫铜（孔隙率大致74-75%）复合结构的微型热管：制得的上述两种不同直径由烧结铜和泡沫铜为吸液芯的复合结构圆状热管，与直接用铜粉进行烧结的烧结铜为吸液芯的热管相比本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种由铜粉烧结和高孔隙泡沫铜复合的热管制造方法，该热管的吸液芯是复合结构，其中蒸发段将由铜粉烧结而成，冷凝段和绝热段由高孔隙率的分级构造泡沫铜卷曲后烧结而成。

【技术特征摘要】
1.一种由铜粉烧结和高孔隙泡沫铜复合的热管制造方法，该热管的吸液芯是复合结构，其中蒸发段将由铜粉烧结而成，冷凝段和绝热段由高孔隙率的分级构造泡沫铜卷曲后烧结而成。
2.如权利要求1所述的一种由铜粉烧结和泡沫铜复合的热管制造方法，其特征在于具体制备过程的步骤包括：（1）铜管清洗干燥；（2）泡沫铜将随中间柱加入到铜管的合适位置；（3）铜粉注入；（4）在还原气氛下的高温烧结；（5）一端焊接、一端缩颈处理；（6）抽真空、注水和封装；（7）圆状热管可靠性及热性能检测；（8）弯曲及形变成型；（9）形变后的热性能测试。
3.如权利要求1所述的一种由铜粉烧结和泡沫铜复合的热管制造方法，除蒸发段外的部分即冷凝段和绝热段将由分级构造的高孔隙率泡沫铜烧结在铜管内壁上作为吸液芯，其特征在于分级构造的泡沫铜的孔隙率在60-95%之间可以根据要求选取，大大高于直接用雾化铜粉烧结而成的40-50%孔隙率。
4.如权利要求1所述的一种由铜粉烧结和泡沫铜复合的热管制造方法，蒸发段由雾化铜粉烧结而成，其孔隙率在40-50%之间。
5.如权利要求1所述的一种由铜粉烧结和泡沫铜复合的热管制造方法，其烧结铜粉的厚度选择与泡沫铜的厚度相同，...

【专利技术属性】
技术研发人员：施忠良，邱晨阳，施忠伟，曾金珍，
申请(专利权)人：江苏格业新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32