CN100413063C - 一种热管及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种热管，其包括一中空管壳、形成在管壳内壁的毛细结构以及密封在管壳内的工作流体。其中，该毛细结构表面沉积有碳纳米管。本发明进一步包括上述热管的制备方法。本发明所提供的热管利用碳纳米管的毛细力大、热阻小、表面积大等特点，能提高热管导热效率，适合应用于电子器件的散热。

Description

一种热管及其制造方法
【技术领域】
本发明是关于导热元件，特别涉及一种热管及其制备方法。
【背景技术】
近年来，电子技术迅速发展，电子器件的高频、高速以及集成电路的密集及微型化，使得单位容积电子器件发热量剧增。为适应上述变化，热传相关产业界所采用散热器从早期无散热鳍片，演进到增加鳍片，又改良以鳍片搭配风扇，但依旧无法解决目前的高散热问题。因而业界出现热管、鳍片、风扇结合的散热模块，以应用于3C产品的快速散热。
2004年4月28日公开的中国第02135056.6号专利申请揭示一种热管式散热器及其制造方法，该热管式散热器包括一导热管及一散热器，该热管呈U型并固定在散热器内部中间，成为一体成型的热管式散热器。
传统散热模块中的热管材料一般为铜管，铜管内壁表面设有毛细结构，即可形成毛细吸液芯。热管工作流体的回流主要通过吸液芯的毛细力，将工作流体由冷凝端输送到蒸发端，从而实现热管循环导热的效果。因此，毛细结构在热管工作过程中起到至关重要的作用。目前，热管的毛细结构主要有沟槽型、烧结型和丝网型三种形式。其中沟槽型具有使用寿命长、成本低廉、制造简单且易于加工修饰等优点，因而获得较为普遍的应用。
如1977年1月25日公告的美国第4,004,441号专利揭示一种沟槽型热管的毛细结构修饰方法，其在该热管的内壁设有矩形或倒梯形沟槽，并将此沟槽直条型侧壁加工成断面为蘑菇状形式。然而，由于制造技术上加工方式的限制，使得毛细效果无法得到有效且可靠的提升，故许多专利涉及对毛细结构加以改进或进行优化。
2004年2月21日公告的台湾第092205202号专利揭示一种热管，请参阅图1及图2。该热管1具有传统热管的三段结构，包括蒸发段A、绝热段B及冷凝段C三部分。热管1具有一圆筒状管壳10，两端密封，即在内部形成一封闭的容腔12。管壳10的内壁周面纵向设有多个沟槽14。一圆筒状遮蔽结构16紧密贴合在绝热段B部分的沟槽14上，但与沟槽14底面不接触。其中，遮蔽结构16为铜网、烧结金属粉末或其它纤维状金属壳体结构，用于将绝热段B的沟槽14与容腔12分隔开来。当水蒸气流经绝热段B时，与沟槽14中回流的液态水将不发生剪切干扰，从而减小回流阻力，使得热管1保持长距离高效传热。但是，该热管虽能消除剪切干扰以减小回流阻力，对于沟槽结构的毛细作用并未有所改进，仍采用现有技术中的沟槽，因而仍然存在毛细力小，热阻大等不足。
有鉴于此，对毛细吸液芯进一步加以改进或修饰，以提供一种具有毛细力大、热阻小等特点的毛细吸液芯的热管实为必要。
【发明内容】
为克服现有技术中热管沟槽型毛细吸液芯的毛细力小、热阻大，不利于热管导热效率提升的不足，本发明的目的在于提供一种毛细吸液芯的毛细力大、热阻小、表面积大的热管。
本发明的另一目的在于提供上述热管的制备方法。
为实现上述第一个目的，本发明提供一种热管，包括一两端密封的中空管壳，形成在管壳内壁周面的毛细结构，以及充满毛细结构并密封在管壳内的工作流体；所述毛细结构表面沉积有碳纳米管，共同构成热管的毛细吸液芯。
其中，所述毛细结构包括形成在管壳内壁周面的多个肋条及多个沟槽，所述肋条为轴向延长或环向螺纹状肋条，沟槽形成在相邻两肋条之间。所述碳纳米管包括阵列式碳纳米管或无规则排列的碳纳米管。所述管壳材质选自铝、钢、碳钢、不锈钢、铁、镍、钛。所述工作流体选自纯水、氨水、甲醇、丙酮、庚烷或添加有导热材料微粒的液体。
为实现第二个目的，本发明提供上述热管的制备方法，包括下列步骤：
提供一中空管，在其内壁周面形成有毛细结构；
在毛细结构表面沉积碳纳米管；
将中空管一端封闭后，再将其抽成真空，在管内灌入适量工作流体；
将中空管另一端封闭，使工作流体密封在管内。
其中，所述沉积碳纳米管的方法选自化学气相沉积法、电弧放电法或等离子辅助化学气相沉积法。
相对于现有技术，本发明所提供的热管毛细吸液芯包括有碳纳米管，利用其纳米孔结构以及高表面积，增加毛细吸液芯的毛细力，加快热管对工作流体输送的毛细现象，进而提高热管的传热效率；由于碳纳米管高导热性，使得吸液芯的热阻减小，进一步提高毛细吸液芯的导热效率；且碳纳米管能遮蔽沟槽中回流的工作流体，从而减小回流阻力；最终使得热管保持长距离高效传热。
【附图说明】
图1是现有技术的热管内部结构示意图；
图2是现有技术的热管内部结构沿∏-∏向剖面示意图；
图3是本发明的热管内部结构示意图；
图4是本发明的热管内部结构沿IV-IV剖面示意图；
图5是图4中VI部分的局部放大图；
图6是本发明的热管制造方法流程图。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
请参阅图3，本发明所提供的热管20包括一两端密封的中空管壳21、形成在内壁周面210上的毛细结构22以及在管内循环流动的工作流体23。其中，管壳21一般为铜管，可根据不同需求采用不同材料，如铝、铁等金属。管壳21径向截面可以为标准圆形，也可为其它形状，如椭圆形、正方形、矩形、三角形等。管径为2毫米～200毫米，管长范围为几毫米到几十米。毛细结构22为轴向延伸或环向螺纹状沟槽型毛细结构。工作流体23包括纯水、氨水、甲醇、丙酮、庚烷等液体，也可在液体中添加导热材料微粒，如铜粉、纳米碳球或内部填充有纳米级铜粉的纳米碳球等，以增加工作流体23的导热性能。另，工作流体23往复流动在毛细结构22及空腔24中。
本实施方式热管20中的管壳21采用截面为圆形的铜管，管径为10毫米，长80毫米，毛细结构22为轴向延伸的沟槽型毛细结构，工作流体23为纯水。
请一起参阅图4及图5，为本发明所提供的热管20沿IV-IV剖面示意图及VI部分的局部放大图。管壳21内壁周面210形成有环向分布的毛细结构22，其包括形成在内壁周面210上并沿热管20轴向延伸的多个肋条25以及位于相邻两肋条25间的多个沟槽26。而毛细结构22表面沉积形成有多个碳纳米管27。毛细结构22与碳纳米管27构成热管20的毛细吸液芯。其中，肋条25的截面形状可为方形、矩形、倒梯形、三角形或蘑菇形等。碳纳米管27形成在毛细结构22表面，即肋条25各表面及未形成有肋条25的内壁周面210上(如图5所示)。碳纳米管27可为阵列式碳纳米管或无规则排列碳纳米管，且碳纳米管27间具有一定空隙，同样形成有纳米级孔结构。
请再参阅图3，以说明本发明的热管20工作流程。由发热电子组件(图未示)所发出热量使蒸发段A受热，由于碳纳米管27热阻小，能将热量迅速传到液态工作流体23，使其受热汽化变成气态工作流体23，并顺着空腔24流往冷凝段C；同样由于碳纳米管27的热阻小，能将气态工作流体23的热量迅速转移到管壳21并散发出去，而气态工作流体23放热变成液态。由于碳纳米管27的纳米级孔结构及其大表面积，能形成强大毛细吸力，使得液态工作流体23迅速渗透到碳纳米管27及沟槽26中，并沿其流回蒸发段A。热管20即完成一个工作循环，将热量迅速高效地传到其它散热器件。其中，当气态工作流体23经过绝热段B时，由于碳纳米管27的遮蔽作用，使得空腔24中气态工作流体23与吸液芯22中回流的液态工作流体23不发生剪切干扰，从而减小回流阻力，使得热管20保持长距离高效传热。
请参阅图6，说明本发明提供的热管制备方法，其包括以下步骤：
(1)提供一中空管作为热管管壳，管壳内壁周面形成有毛细结构；该管壳可以为铜管，也可根据不同需求采用不同材料，如铝、钢、碳钢、不锈钢、铁、镍、钛。管壳环向截面选自标准圆形、椭圆形、正方形、矩形、三角形等。管径为2毫米～200毫米，管长范围为几毫米到几十米。
(2)在毛细结构表面沉积碳纳米管；该沉积方法选自化学气相沉积法、电弧放电法或等离子辅助化学气相沉积法。本实施方式采用化学气相沉积法，沉积前先在具毛细结构的热管内壁表面镀上一催化剂层，包括铁、钴、镍或其组合等催化剂，其相关步骤及反应条件可参考美国第6,232,706号专利及中国第96120461.3号专利相关内容。
(3)将中空管一端封闭后，再将其抽成真空，并在管内灌入适量工作流体；所抽真空度范围为1.3×10-1～1.3×10-4Pa。
(4)将中空管另一端封闭，使得工作流体密封在管内。
通过上述步骤，即形成所需热管。其中，所述工作流体选自纯水、氨水、甲醇、丙酮、庚烷或添加有导热材料的微粒，导热材料的微粒选自铜粉、纳米碳球或内部填充有纳米级铜粉的纳米碳球等。所述毛细结构包括形成在管壳内壁周面的多个肋条及多个沟槽，所述肋条为轴向延长或环向螺纹状肋条，沟槽形成在相邻两肋条之间。所述肋条可通过焊接、冲压或蚀刻等方法形成。

Claims (9)

1. 一种热管，其包括一两端密封的中空管壳、形成在管壳内壁周面的毛细结构以及充满毛细结构并密封在管壳内的工作流体；其特征在于所述毛细结构表面沉积形成有碳纳米管，共同构成热管的毛细吸液芯。
2. 如权利要求1所述的热管，其特征在于所述毛细结构包括形成在管壳内壁周面的多个肋条及多个沟槽。
3. 如权利要求2所述的热管，其特征在于所述肋条为轴向延长或环向螺纹状肋条。
4. 如权利要求2所述的热管，其特征在于所述沟槽形成在相邻两肋条之间。
5. 如权利要求1所述的热管，其特征在于所述碳纳米管包括阵列式碳纳米管或无规则排列的碳纳米管。
6. 如权利要求1所述的热管，其特征在于所述管壳材质选自铝、碳钢、不锈钢、铁、镍和钛。
7. 权利要求1所述的热管，其特征在于所述工作流体选自纯水、氨水、甲醇、丙酮、庚烷和添加有导热材料微粒的液体。
8. 如权利要求1所述热管的制备方法，包括下列步骤：
提供一中空管，在其内壁周面形成有毛细结构；
在毛细结构表面沉积碳纳米管；
将中空管一端封闭后，再将其抽成真空，并在管内灌入适量工作流体；
将中空管另一端封闭，使工作流体密封在管内。
9. 如权利要求8所述的热管的制备方法，其特征在于所述沉积碳纳米管的方法选自化学气相沉积法、电弧放电法或等离子辅助化学气相沉积法。
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