具有纳米结构吸液芯材料的热管制造技术

公开了一种具有纳米结构芯的热管，和在金属基底上形成所述纳米结构芯的方法。该吸液芯材料为以附着到基底上的鬃丝或纳米丝的形式的金属纳米结构的图案，其中所述鬃丝为基本上无支撑的。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有纳米结构吸液芯材料的热管本申请要求2006年3月3日申请的美国专利申请No.66/778，873以及 2007年2月6日申请的美国专利申请No.60/888,391的优先权，将它们在本 文中引用而参考它们所教导的所有内容。本专利技术部分由美国政府合同号I阶段SBIR Navy合同N65540-03-0055 和NSF I阶段的65618840支持，并且本专利技术的部分服从于美国政府的支付 许可。
技术介绍
由于比传统铝挤压的散热器和其它的固态冷却技术具有性能优势，因此 热管是用于电子系统热管理的首选方法。如图1中所示，热管冷却器利用了 工作流体高效的蒸发和冷凝循环来传热。与其它冷却技术，例如强制单相和 双相流动冷却、热电、风扇和直接浸入冷却相比，热管不需要机械泵、开关、 阀或者消耗任何动力。因此热管比其它热管理系统更加安静、更加高效、无 操作成本并且更加可靠。热管的功能部件为吸液芯、工作流体以及收容它们 的封装件。热管是用于电子系统和光学系统中温度调节的无源的、闭合环路装置。 热管用于将热量从电子设备部件和封装件向散热器传递。例如，在笔记本电 脑中热管用于从中央处理器(CPU)向电脑机箱传热，以防止CPU过热。 通常地，这种传热可以发生在任何源(热)至散热器(冷)之间。随着集成 电子系统、光学系统和机械系统的动力需求的增加，局部的热管理对于适宜 的设备操作是关键问题。典型的热管为通常由金属制成的封闭的管状结构或 其它封闭的封装件，其中，该封闭物的内表面具有吸液芯结构。所述吸液芯 作用在液相的冷却剂(工作流体)上，以通过毛细管作用的方式将工作流体从散热器(冷凝器)移动至源(蒸发器)上。所述热管外壳的中心为开口且 无堵塞。工作流体以气相的相反方向通过该芯向蒸发器移动，所述气相在开 口空间向冷凝器移动。在该设备的热端，发生从液相向汽相的相变化，而在 设备的冷侧(cool side)，发生从汽相向液相的相变化。通过除去经过蒸发 潜热的加热，并除去经过冷凝潜热的冷却而实现热传递。所述吸液芯材料无 源地输送液体，因此产生连续冷却发热元件的循环。所述热管的中心通过在 该热管的热端和冷端之间的压力差来连续输送蒸汽。本专利技术为吸液芯结构为纳米结构的热管，这意味着包括所述吸液芯材料的基本结构的截面尺寸大约为10-400纳米，且所述元件之间的从中心到中 心的间距大约为20-600纳米，该中心到中心存在于所述热管封闭空间(封 装件)的内表面内，本专利技术还是制造这种纳米结构的方法。在优选的实施方 式中，所述纳米结构为附着到所述热管的内表面上一端的鬃丝或多个纳米 丝。对于纳米丝，意味着该丝的截面尺寸在约10纳米至约400纳米之间。 这种纳米丝还基本上是无支撑的，也即，这些纳米丝在侧面被液相或气相的 工作流体环绕，而不是由除生长该纳米丝的基底以外的基底、模板或其它支 撑材料所环绕。纳米丝组在本文中还指鬃丝或纳米鬃丝。与传统芯的几何形 状相比，所述纳米结构的吸液芯材料提供了用于传输液体的改善的毛细管作 用、以及用于改善的蒸发和传输的对放出蒸汽的低热阻。因此，纳米结构的 鬃丝芯能在热管内进行更有效的热交换。在热管内所述芯结构必须提供两种物理行为。在蒸发器需要低热阻，而 为了从冷凝器通过绝热区并返回所述蒸发器而传输液体，需要很高的毛细管 泵压。这能够导致具有混杂芯或复合芯的热管来提供上述两个区域。在本发 明中，这能通过在相关的两个区域内设计不同尺寸的纳米丝来实现
技术实现思路
所述热管的吸液芯材料(wicking material)示意性地表示在图2中。该 设备具有许多与更大的热管结构相同的特性。这种设备包括金属外壳，所述 外壳的内壁上具有吸液芯材料。在优选的实施方式中，所述芯包括基本上垂 直地排成行的铜纳米丝的阵列，该铜纳米丝从所述外壳的壁伸出。这些丝的 直径在10-400nm之间，丝之间的间距为20-600nm并且长度达到约250微米。 能够用于芯应用的铜纳米丝阵列的SEM显微镜照片也表示在图6和图7中。 该芯与传统的芯的作用相似，其中毛细管作用用作将工作流体泵送至蒸发器 的机理。从设备中提取的热量通过工作流体的蒸发而冷却，所述设备典型地 为电子设备。在热管冷(冷凝器)侧的蒸汽冷凝而储存了热量，以通过传统 的对流散热器进一步散出，或者在热总线(thermal bus)内向另一个热管传 递。纳米丝设备所具有的显著优势在于，在纳米丝阵列内可获得的沸腾表面 积很好，每平方厘米纳米丝阵列所占有热管表面的表面积超过1000cm2。这 将与槽道热管内每cm2仅几cm2的沸腾表面积和在烧结金属粉末设备内的数 十cm2的沸腾表面积相对照。这种对表面积的增强能够潜在地导致热通量传 递改善数倍，使得设备能除去达到数百W/cm2。纳米鬃丝阵列(示意性地表示在图2中)具有显著的特性，使得这些纳 米鬃丝阵列有利于作为热管内的吸液芯材料。阵列中鬃丝的紧密填充提供了 很高的毛细管压力，以促进流体流动通过该芯，而鬃毛排成行的阵列构造提 供了用于蒸汽逸出的无障碍通道。因此，与目前所使用的烧结粉末铜芯、网 芯或轴向槽道芯相比，所述纳米鬃丝的结构能够极大地降低热阻并增加流体 的流动。所述纳米鬃丝阵列的这两个特征将热管设备的热通量载量改善至 300W/cm2以上。已经发现热通量为约25W/cn^至125W/cm2而热阻低于0.06 °C'cm2/W。所述纳米鬃丝阵列芯使得整个热管的高度或外形减少至低于lmm(0.040")，并且能够用在不适合于传统的热管设备和冷却技术的地方。这 对于便携式电子设备而言是很关键的，所述便携式电子设备使用了在越来越小的包装内日益增加的功能强大的(发热)处理器。图3示意性地表示了利用纳米鬃丝热管技术作为在大功率电路和外部热总线之间的关键连接的热 总线结构。目前的热管技术通常将吸液芯结构限制为lmm的最小厚度，以提供足 够的冷却。因此，加上封装、加上蒸发的空间，该热管的厚度必须大于约2mm。 通常5mm的宽度为最小尺寸。为了变得更小，吸液芯结构必须变得更小。 本专利技术能够用于制造鬃丝芯的长度仅约50-100微米(IO倍改进)的吸液芯 结构，因此使得300微米宽的铜层能足以包封所述热管的体积，而仍提供相 同的传热容量(heat transport capacity)。本专利技术使热管具有900微米或更少 的横截面。对于相同量的传热效率，这减少了重量和尺寸。在重量和尺寸的 改进之外，所述纳米结构的吸液芯材料展示了改进的毛细管作用和较低的热 阻。所述鬃丝结构排列整齐。所述鬃丝具有能够控制的均一的尺寸和相同的 间距，以为了特殊应用而优化毛细管作用和热阻。可以通过使用纳米鬃丝吸 液芯材料来实现比烧结的铜粉末芯降低35%-50%的热阻。烧结的铜粉末为工 业上所优选，并在所有当前商业销售的热管吸液芯结构中表现出最低的热 阻。纳米丝阵列热管的其它重要的特征在于，所述热管能够制成极薄的外形，并且所述纳米丝芯将能在任何方向上进行操作。可以制成直接结合到大 功率组件的包装内的小于lmm厚的设备。这种设计的灵活性能使热管的顶 部特别地设计以结合连接结构，从而所述装置能有效地与热(热管)总线以 及待冷却的装置匹配。 现有技术热管是对电子设备和封装件中的热管理非常有用的、众所周知的传本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种热管，该热管具有封闭了空腔的内表面，所述热管包括存在于所述空腔内的至少一种吸液芯材料，所述吸液芯材料包括多个纳米丝。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：YM哈比卜，LH里卡德，JG布赖恩，JW斯坦贝克，
申请(专利权)人：伊路米耐克斯公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]