一种仿生微纳自驱动蒸汽腔及成形方法技术

本发明专利技术涉及一种仿生微纳自驱动蒸汽腔及成形方法，其中，所述仿生微纳自驱动蒸汽腔包括外形相匹配的冷凝端上板和蒸发端下板，冷凝端上板沿中心周向自下而上设有带锥度且呈放射状圆周阵列分布的若干仿仙人掌针刺微结构单元，蒸发端下板中心设有蒸发面，沿蒸发面四周自下而上设有带锥度且呈线性阵列分布的若干蒸汽诱导微结构单元，在沿蒸发面四周自下而上的锥度面上均布有若干集液槽，集液槽上均布若干嵌入式球形支撑结构,冷凝端上板与蒸发端下板之间通过若干嵌入式球形支撑结构相连，蒸发端下板的外侧装有充液管。本发明专利技术无需任何疏水改性即可实现冷凝端液滴与蒸发端液滴自动向心运输，大幅加快蒸汽循环，进一步提高本蒸汽腔整体换热效果。汽腔整体换热效果。汽腔整体换热效果。

【技术实现步骤摘要】
一种仿生微纳自驱动蒸汽腔及成形方法


[0001]本专利技术涉及蒸汽腔
，尤其涉及一种仿生微纳自驱动蒸汽腔及成形方法。

技术介绍

[0002]近年来，随着航天航空、军工核电、微电子等技术的迅速发展，热控技术也面临愈加严峻的挑战，由于新一代设备中的电子元器件向高分辨率、高精度以及微型化方向发展，其有效载荷、单机以及电子系统的高度集成，使得电子元器件的热流密度急剧增加，极易导致其局部温度过高。为提高整体设备的可靠性、稳定性和工作寿命，首先需要解决的是处于狭小空间内的高热流密度电子元器件、部件和组件的微型热控问题。蒸汽腔作为一种同时发生蒸发/沸腾、冷凝的强化换热元器件是实现进一步强化散热的关键装置，蒸汽腔虽然在电子、航天航空、军工等领域具有极大的应用前景，但现有蒸汽腔仍存在毛细流动阻力较大等技术缺陷，远远无法满足高功率设备的发展要求。现有改善蒸汽腔毛细芯性能研究大多集中在将疏水处理或静电场等外力作用在冷凝端，以促进液滴回流至经亲水处理的蒸发端，以增强其沸腾极限，但该现有方案因采用静电场而增加了额外能耗，因超疏水表面而增加了冷凝热阻，且亲水或疏水涂层也较易受环境影响而失去其亲水或疏水性能。可见，研发高效蒸汽循环的蒸汽腔毛细芯微结构是蒸汽腔的研究难点，制备出同时拥有高渗透率以及毛细力的吸液芯成为了制约蒸汽腔发展的瓶颈。因此，亟待对现有蒸汽腔及成形方法进行改进和突破。

技术实现思路

[0003]为解决现有蒸汽腔存在的上述技术问题，本专利技术提供一种仿生微纳自驱动蒸汽腔及成形方法。
[0004]本专利技术提供的一种仿生微纳自驱动蒸汽腔，包括冷凝端上板和蒸发端下板，所述冷凝端上板的外形与所述蒸发端下板的外形相匹配，所述冷凝端上板沿中心位置周向自下而上设有带锥度且呈放射状圆周阵列分布的若干仿仙人掌针刺微结构单元，所述蒸发端下板的中心位置设有蒸发面，沿所述蒸发面的四周自下而上设有带锥度且呈线性阵列分布的若干蒸汽诱导微结构单元，在沿所述蒸发面的四周自下而上的锥度面上均布有若干集液槽，所述集液槽上均布有若干嵌入式球形支撑结构,所述冷凝端上板与所述蒸发端下板之间通过若干所述嵌入式球形支撑结构相连，所述蒸发端下板的外侧装有充液管。
[0005]本专利技术通过在冷凝端上板设置带锥度且呈放射状圆周阵列分布的若干仿仙人掌针刺微结构单元，有效解决了现有吸液芯存在的冷凝端回流能力不足以及接触热阻过大的技术问题，可实现冷凝液滴自动向心回流而无需毛细作用，同时增大了内部气液流通空间；通过在蒸发端下板设置带锥度且呈线性阵列分布的若干蒸汽诱导微结构单元，使得蒸发端的蒸发液滴受到该蒸汽诱导微结构产生的不均匀蒸发气流而产生牵扯作用，从而实现蒸发端的蒸发液滴的定向运输效果；同时，本专利技术通过蒸发端下板的若干蒸汽诱导微结构单元与其中心位置处的均匀纳米级超亲水结构相结合，进一步提高蒸发端的沸腾极限。此外，本
专利技术通过在冷凝端上板与蒸发端下板之间设置若干嵌入式球形支撑结构，解决了现有非嵌入式圆柱形支撑结构因需在支撑底面采用铣削工艺而无法保证底面平面度且加工成本较高的技术缺陷，有利于提升冷凝端对冷凝液滴的抽吸作用，进一步提高冷凝端的回流效率，从而提高本蒸汽腔的传热能力和强度，同时，若干嵌入式球形支撑结构还可进一步降低制作成本。
[0006]进一步地，所述冷凝端上板和蒸发端下板分别采用方形冷凝端上板和方形蒸发端下板，所述方形冷凝端上板经微压印一体化成形为沿中心位置周向自下而上带锥度且呈放射状圆周阵列分布的若干所述仿仙人掌针刺微结构单元，所述方形蒸发端下板经微压印一体化成形为包括位于中心位置的方形蒸发面，以及沿所述方形蒸发面的四周自下而上带锥度且呈线性阵列分布的若干所述蒸汽诱导微结构单元，沿所述方形蒸发面的四周自下而上均布有四条所述集液槽，每条所述集液槽上均布有三个所述嵌入式球形支撑结构。
[0007]本专利技术通过采用微压印一体化成形工艺制备方形蒸发端下板的蒸汽诱导微结构单元和方形冷凝端上板的仿仙人掌针刺微结构单元，该两种微结构单元分别与方形蒸发端下板和方形冷凝端上板形成的一体化结构不仅增强了本蒸汽腔总体结构的结合强度，同时还减少了该两种微结构单元分别与方形蒸发端下板和方形冷凝端上板之间的接触热阻。与通过铜网、粉末烧结等工艺加工制作的现有吸液芯相比，本专利技术大幅节约了蒸汽腔内部空间，有效增大了蒸汽的流动空间，提高了气液分离效率。与通过高成本的激光加工、光刻技术等工艺加工制作的现有吸液芯相比，本专利技术采用的微压印工艺可实现批量制备，生产成本低，生产效率高且节能环保。
[0008]进一步地，所述冷凝端上板和蒸发端下板分别采用圆形冷凝端上板和圆形蒸发端下板，所述圆形冷凝端上板经微压印一体化成形为沿中心位置周向自下而上带锥度且呈放射状圆周阵列分布的若干所述仿仙人掌针刺微结构单元，所述圆形蒸发端下板经微压印一体化成形为包括位于中心位置的方形蒸发面，以及沿所述方形蒸发面的四周自下而上带锥度且呈线性阵列分布的若干所述蒸汽诱导微结构单元，沿所述方形蒸发面的四周自下而上均布有四条所述集液槽，每条所述集液槽上均布有三个所述嵌入式球形支撑结构。
[0009]本专利技术通过采用微压印一体化成形工艺制备圆形蒸发端下板的蒸汽诱导微结构单元和圆形冷凝端上板的仿仙人掌针刺微结构单元，该两种微结构单元分别与圆形蒸发端下板和圆形冷凝端上板形成的一体化结构不仅增强了本蒸汽腔总体结构的结合强度，同时还减少了该两种微结构单元与基底之间的接触热阻。与通过铜网、粉末烧结等工艺加工制作的现有吸液芯相比，本专利技术大幅节约了蒸汽腔内部空间，有效增大了蒸汽的流动空间，提高了气液分离效率。与通过高成本的激光加工、光刻技术等工艺加工制作的现有吸液芯相比，本专利技术采用的微压印工艺可实现批量制备，生产成本低，生产效率高且节能环保。
[0010]进一步地，相邻两所述仿仙人掌针刺微结构单元之间的夹角为5
‑
15
°
，每个所述仿仙人掌针刺微结构单元包括若干仿仙人掌针刺微结构依次首尾相连排列成形，单个所述仿仙人掌针刺微结构外形为半圆锥形，所述半圆锥形的尖端部背离所述冷凝端上板的中心位置。
[0011]进一步地，所述半圆锥形的长度L为1
‑
2mm，所述半圆锥形的尖端部夹角α为5
‑
10
°
。
[0012]本专利技术通过设置带有半圆锥形的仿仙人掌针刺微结构，使得冷凝液滴受到拉普拉斯力的作用从半圆锥形的尖端部向半圆锥形的尾端部运输，随后又过渡到相邻的半圆锥形
尖端部并向其尾端部运输，以此类推，使冷凝液滴沿冷凝端上板自上而下通过依次首尾相连排列成形的仿仙人掌针刺微结构单元依次运输至冷凝端上板的中心位置。
[0013]进一步地，所述蒸汽诱导微结构单元包括若干蒸汽诱导微结构，所述蒸汽诱导微结构的横截面为直角三角形且直角边背离所述蒸发面，若干所述直角三角形依次首尾相连排列成若干纵向呈一字形且横向呈锯齿形的所述蒸汽诱导微结构。
[0014]进一步地，单个所述直角三角形的高度H为0.1
‑
0.5mm，长度本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种仿生微纳自驱动蒸汽腔，其特征在于，包括冷凝端上板和蒸发端下板，所述冷凝端上板的外形与所述蒸发端下板的外形相匹配，所述冷凝端上板沿中心位置周向自下而上设有带锥度且呈放射状圆周阵列分布的若干仿仙人掌针刺微结构单元(8)，所述蒸发端下板的中心位置设有蒸发面，沿所述蒸发面的四周自下而上设有带锥度且呈线性阵列分布的若干蒸汽诱导微结构单元(6)，在沿所述蒸发面的四周自下而上的锥度面上均布有若干集液槽(4)，所述集液槽(4)上均布有若干嵌入式球形支撑结构,所述冷凝端上板与所述蒸发端下板之间通过若干所述嵌入式球形支撑结构相连，所述蒸发端下板的外侧装有充液管(7)。2.根据权利要求1所述的仿生微纳自驱动蒸汽腔，其特征在于，所述冷凝端上板和蒸发端下板分别采用方形冷凝端上板(1)和方形蒸发端下板(2)，所述方形冷凝端上板(1)经微压印一体化成形为沿中心位置周向自下而上带锥度且呈放射状圆周阵列分布的若干所述仿仙人掌针刺微结构单元(8)，所述方形蒸发端下板(2)经微压印一体化成形为包括位于中心位置的方形蒸发面(5)，以及沿所述方形蒸发面(5)的四周自下而上带锥度且呈线性阵列分布的若干所述蒸汽诱导微结构单元(6)，沿所述方形蒸发面(5)的四周自下而上均布有四条所述集液槽(4)，每条所述集液槽(4)上均布有三个所述嵌入式球形支撑结构。3.根据权利要求1所述的仿生微纳自驱动蒸汽腔，其特征在于，所述冷凝端上板和蒸发端下板分别采用圆形冷凝端上板(13)和圆形蒸发端下板(14)，所述圆形冷凝端上板(13)经微压印一体化成形为沿中心位置周向自下而上带锥度且呈放射状圆周阵列分布的若干所述仿仙人掌针刺微结构单元(8)，所述圆形蒸发端下板(14)经微压印一体化成形为包括位于中心位置的方形蒸发面(5)，以及沿所述方形蒸发面(5)的四周自下而上带锥度且呈线性阵列分布的若干所述蒸汽诱导微结构单元(6)，沿所述方形蒸发面(5)的四周自下而上均布有四条所述集液槽(4)，每条所述集液槽(4)上均布有三个所述嵌入式球形支撑结构。4.根据权利要求1所述的仿生微纳自驱动蒸汽腔，其特征在于，相邻两所述仿仙人掌针刺微结构单元(8)之间的夹角为5
‑
15
°
，每个所述仿仙人掌针刺微结构单元(8)包括若干仿仙人掌针刺微结构(8.1)依次首尾相连排列成形，单个所述仿仙人掌针刺微结构(8.1)外形为半圆锥形，所述半圆锥形的尖端部背离所述冷凝端上板的中心位置。5.根据权利要求4所述的仿生微纳自驱动蒸汽腔，其特征在于，所述半圆锥形的长度L为1
‑
2mm，所述半圆锥形的尖端部夹角α为5
‑
10
°
。6.根据权利要求1所述的仿生微纳自驱动蒸汽腔，其特征在于，所述蒸汽诱导微结构单元(6)包括若干蒸汽诱导微结构(6.1)，所述蒸汽诱导微结构(6.1)的横截面为直角三角形...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐杰，姜洪鹏，王晓亮，单德彬，郭斌，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：