一种超薄热管制造技术

本发明专利技术公开了一种超薄热管，包括外壳、蒸汽腔和毛细芯；在所述蒸汽腔内充有工作介质；所述超薄热管设置有冷凝段、蒸发段及绝热段；所述毛细芯包括分形梯级毛细芯与稀疏毛细芯；所述分形梯级毛细芯位于所述蒸发段与冷凝段的内壁，所述稀疏毛细芯位于绝热面的内壁；所述分形梯级毛细芯是由在外壳上配置m个并列排布的分形梯级微槽单元构成。本发明专利技术提供的超薄热管，配置有分形梯级毛细芯，具有强毛细力、低流阻、传热能力大的优点，可高效降低局部热源温度，提高微电子器件工作可靠性和稳定性。

An Ultrathin Heat Pipe

【技术实现步骤摘要】
一种超薄热管
本专利技术涉及电子设备散热领域，特别是涉及一种应用于受限空间内微电子器件散热的超薄热管。
技术介绍
摩尔定律指出：电子产品的性能每18个月提高一倍。因此芯片的功耗必然随之增大，产生的热耗也越来越大。同时随着微电子机械的发展，越来越多的电子元器件被封装于微小空间内。这导致了电子器件的热耗越来越大，但封装尺寸却越来越小，因此单位面积和单位体积上上的热流密度越来越大。研究和实际应用表明：55％的电子设备失效是由温度过高引起的，单个半导体元件的温度每升高10℃，系统的可靠性将降低50％。另外，有效的散热措施是保证电子产品安全、稳定、可靠性工作的前提。在此背景下，迫切需要发展新型高效的超薄型均温冷却器件解决受限空间内微电子器件的局部高热流散热问题。一般而言，解决受限空间内微电子器件局部热源散热的方法有两种。一种是在超薄型微电子器件的局部热点区域黏贴高导热柔性材料散热，消除局部热点。另一种是采用超薄热管解决芯片发热及消除局部热点。我们知道，热管能将高热量热源产生的热量迅速通过汽化潜热带走，由于汽化潜热大，因此，能瞬时降低受热面的温度，从而有效降低热源温度，提高系统可靠性。但由于超薄热管的本身超薄特性，使得流体流动、热量输运受到限制作用，限制了其传热性能的发挥。主要表现在工作液体流动阻力较大，蒸汽流通空间小，毛细驱动力弱，特别是在毛细相变传热与流动阻力缺少协同优化，这导致热量无法快速扩散、最大传热能力下降和热阻较大。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足，而提供一种可实现毛细相变传热与流动阻力协同优化，具有强毛细力、低流阻、传热能力大的超薄热管，从而可高效降低局部热源温度，提高微电子器件工作可靠性和稳定性。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种超薄热管，包括外壳、蒸汽腔和毛细芯，所述毛细芯设置在所述外壳内，在所述外壳内的剩余空间为所述蒸汽腔；在所述蒸汽腔内充有工作介质；所述超薄热管设置有冷凝段、蒸发段及绝热段，所述毛细芯布置在冷凝段、蒸发段及绝热段的内壁；其特征在于：所述毛细芯包括分形梯级毛细芯与稀疏毛细芯；所述分形梯级毛细芯位于所述蒸发段与冷凝段的内壁，所述稀疏毛细芯位于绝热面的内壁；所述分形梯级毛细芯是由在外壳上配置m个并列排布的分形梯级微槽单元构成，m为大于等于1的整数，所述分形梯级微槽单元由第0，1，…，N-1级微肋组成，N为分形级数，N为大于等于2的整数，两相邻的所述分形梯级微槽单元共用第0级微肋；所述分形梯级微槽单元的第1～N-1级微肋仅处于所述超薄热管的蒸发段和冷凝段区域，所述第1级微肋长度分别为其所处蒸发段长度和冷凝段长度的fz倍，0<fz<1；从第1级开始，随着分形级数N的增加，微肋长度逐级缩短，第n级微肋的长度ln＝fzn-1l1，第n级微肋的宽度wn＝fxn·w0，第n级微肋的高度为hn＝fyn·h0，其中，l1为第1级微肋的长度，w0为第0级微肋的宽度，h0为第0级微肋的高度，fx为下级微肋宽度与上一级微肋宽度的比值，0<fx<1，fx为下级微肋高度与上一级微肋高度的比值，0<fy<1；所述稀疏毛细芯由位于蒸发段和冷凝段区域的第0级微肋延长相接而成。所述分形梯级微槽单元的第1和第2级微肋为中空结构，内部填充有固-固相变材料。需要说明的是，超薄热管的厚度一般小于2mm，因此其热惯性较小，热响应速度较快。当外界热源出现局部瞬时高热流密度工况时，超薄热管会迅速做出反应，局部温度急剧提高，导致超薄热管内部回流的工作液体不能满足当前情况下所需的蒸发量，出现蒸发段内毛细芯局部干涸，蒸发段壁面温度急剧上升，甚至烧坏管壁的情况。此外，当热管处于间歇性热流作用下，蒸发段的温度波动剧烈，使得热应力变化大，易导致产生热管失效。为避免以上两种不利情况发生，本专利技术提出的分形梯级毛细芯，将第1、2级微肋设置中空结构，内部填充有固-固相变材料。如此，可在出现上述的局部瞬时高热流工况或间歇性热流时，利用相变材料延时储能的特性，将瞬时产生的大量热量临时储存起来，缓解温度上升的剧烈程度，使超薄热管始终能够在其最大传热极限以下情况工作。另外，采用固-固相变材料，其相变过程体积变化较小，避免了其他相变材料(如固-液相变材料)在相变过程中因体积增大而导致分形梯级毛细芯发生形变，破坏微槽道结构而发生阻塞的情况。所述固-固相变材料为择多元醇类、无机盐类或高分子类。所述分形梯级微槽单元的微肋，其截面形状为圆形、半圆形、方形、梯形或三角形。所述中空结构，根据所述微肋形状，为圆形、半圆形、方形、梯形或三角形。所述工作流体为水、氨、乙醇、丙醇、丙酮或有机物。所述毛细芯材料，可根据应用场合以及工作流体性质，在碳素钢、低合金钢、不锈钢、合金以及聚合物中选择。本专利技术毛细芯的第0级微肋高度与蒸汽腔高度相同，长度l0与超薄热管长度相同，因而贯穿蒸发段、绝热段以及冷凝段，将蒸汽腔空间分隔为多个分形梯级微槽单元。同时，分形梯级毛细芯的第0级微肋还起到支撑蒸汽腔的作用，防止出现蒸汽腔因内部真空而发生凹变的情况。另外，需要特别指出的是，具有传统沟槽式毛细芯的超薄热管中，为了提高沟槽式毛细芯的换热面积，增强超薄热管的换热能力，需要减小沟槽结构的尺寸。而随着沟槽结构尺寸的减小，液体在槽道中的流动阻力也将显著增加，制约了超薄热管的最大传热能力的提升。同时，通过实验观察液态工作介质在传统沟槽式毛细芯超薄热管中的流动形态发现(图1)，槽道中液膜的厚度从冷凝段开始，向着蒸发段，沿流动方向逐渐减小，尤其是进入蒸发段后，液态工作介质在流动过程中受热蒸发，槽道内液态工作介质的量迅速减少，在靠近蒸发段顶部，液态工作介质仅存在于槽道底部角落区域，并露出了大部分微肋壁面和槽道底面。由此可见，在传统沟槽式毛细芯超薄热管的蒸发段中，液膜高度明显小于微肋高度，多出部分的微肋不但减小了蒸汽腔的体积和蒸汽流动面积，而且增加了壁面与蒸汽的接触面积，从而导致了蒸汽流动阻力的提高。为此，本专利技术中的微肋高度不再使用单一高度，而是将微肋高度进行了梯级调节，即为如上第n级微肋的高度为hn＝fyn·h0。自然界中的物质输运系统如叶片脉络(图2)，具有从明显主脉开始，经过逐级分叉，再细分为许多更小尺寸细脉的结构特征，这是植物经过亿万年的演化，自然形成的高效物质输运系统，在物质输运及能量传递方面具有独特优势。而在超薄热管中，流体在冷凝段发生冷凝成为液体后，沿着吸液芯提供的通道流向蒸发段，这与植物将养分沿着叶片脉络从主脉向分支细脉输送给叶片的过程非常相似。因此，受此思想启迪，本专利技术将超薄热管的微槽毛细芯在蒸发段和冷凝段具有密集分形梯级毛细芯，在绝热段具有稀疏毛细芯的结构特征，同时密集分形梯级毛细芯微肋的高度与宽度也逐级减少，适应槽道中液膜厚度的变化，增加蒸汽腔体积和蒸汽流动截面积，降低蒸汽与壁面的接触面积，以此在保证超薄热管换热能力的同时，克服传统沟槽式毛细芯流动阻力大的缺点，提高超薄热管的最大传热能力，提高流动换热的场协同性，实现流动阻力和换热量的最佳性价比。有益效果本专利技术提出的具有分形梯级毛细芯结构的一种新型超薄热管，其有益效果在于：第一，密集分形梯级毛细芯结构仅处于蒸发段和冷凝段，由于蒸发段区域的液膜很薄，当毛细芯本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超薄热管，包括外壳、蒸汽腔和毛细芯，所述毛细芯设置在所述外壳内，在所述外壳内的剩余空间为所述蒸汽腔；在所述蒸汽腔内充有工作介质；所述超薄热管设置有冷凝段、蒸发段及绝热段，所述毛细芯布置在冷凝段、蒸发段及绝热段的内壁；其特征在于：所述毛细芯包括分形梯级毛细芯与稀疏毛细芯；所述分形梯级毛细芯位于所述蒸发段与冷凝段的内壁，所述稀疏毛细芯位于绝热面的内壁；所述分形梯级毛细芯是由在外壳上配置m个并列排布的分形梯级微槽单元构成，m为大于等于1的整数，所述分形梯级微槽单元由第0，1，…，N‑1级微肋组成，N为分形级数，N为大于等于2的整数，两相邻的所述分形梯级微槽单元共用第0级微肋；所述分形梯级微槽单元的第1～N‑1级微肋仅处于所述超薄热管的蒸发段和冷凝段区域，所述第1级微肋长度分别为其所处蒸发段长度和冷凝段长度的fz倍，0<fz<1；从第1级开始，随着分形级数N的增加，微肋长度逐级缩短，第n级微肋的长度ln＝fz

【技术特征摘要】
1.一种超薄热管，包括外壳、蒸汽腔和毛细芯，所述毛细芯设置在所述外壳内，在所述外壳内的剩余空间为所述蒸汽腔；在所述蒸汽腔内充有工作介质；所述超薄热管设置有冷凝段、蒸发段及绝热段，所述毛细芯布置在冷凝段、蒸发段及绝热段的内壁；其特征在于：所述毛细芯包括分形梯级毛细芯与稀疏毛细芯；所述分形梯级毛细芯位于所述蒸发段与冷凝段的内壁，所述稀疏毛细芯位于绝热面的内壁；所述分形梯级毛细芯是由在外壳上配置m个并列排布的分形梯级微槽单元构成，m为大于等于1的整数，所述分形梯级微槽单元由第0，1，…，N-1级微肋组成，N为分形级数，N为大于等于2的整数，两相邻的所述分形梯级微槽单元共用第0级微肋；所述分形梯级微槽单元的第1～N-1级微肋仅处于所述超薄热管的蒸发段和冷凝段区域，所述第1级微肋长度分别为其所处蒸发段长度和冷凝段长度的fz倍，0<fz<1；从第1级开始，随着分形级数N的增加，微肋长度逐级缩短，第n级微肋的长度ln＝fzn-1l1，第n级微肋的宽度wn＝fxn·w0，第n级微肋的高度为hn＝fyn·h0，其中，l1为第1级...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐德好，
申请(专利权)人：南京艾科美热能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32