CN100453953C - 热管及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明的热管包括一中空管壳、紧贴管壳内壁的吸液芯以及充满该吸液芯并密封在管壳内的工作流体。其中，所述吸液芯包括导热丝网、设在该导热丝网上的导热颗粒及设在该导热颗粒上的导热纤维。该导热颗粒的粒径为微米级，该导热纤维的直径为纳米级。本发明的热管吸液芯包括微米级导热颗粒及纳米级导热纤维，从而增加吸液芯散热面积，提高热管散热效率，另外，可提高吸液芯的致密性，加快工作流体的传递速度，防止现有技术中毛细极限现象的产生。本发明还提供上述热管的制备方法。

Description

热管及其制备方法

【技术领域】

本发明涉及一种热管及其制备方法，特别涉及一种丝网吸液芯型热管及其制备方法。

【背景技术】

近年来电子技术迅速发展，电子元件的高频、高速以及集成电路的密集及微型化，使得单位容积电子元件发热量剧增。现有的散热方式包括散热鳍片、热管及导热界面等方式。如何提高散热效率以解决电子元件所发出的热能，防止因集成电路密集度增加而产生的高热高温造成电子元件的损坏，成为当今重要课题。

热管是依靠自身内部工作流体相变实现导热的导热组件，其具有高导热性、优良等温性等特性，导热效果好，应用广泛。并且，热管技术以其高效、紧凑以及灵活可靠等特点，适合解决目前电子元件因性能提升所衍生的散热问题。

典型热管由管壳、吸液芯(毛细结构)以及密封在所述管壳内的工作流体组成。热管的制作通常是先将管内抽成真空后充以适当工作流体，使紧贴管壳内壁的吸液芯中充满工作流体后加以密封。热管的一端为蒸发端(加热端)，另一端为冷凝端(冷却端)，根据应用需要可在蒸发端与冷凝端之间设置绝热段。当热管蒸发端受热时，吸液芯中工作流体蒸发汽化形成蒸汽，蒸汽在微小压力差作用下流向热管的冷凝端，凝结成工作流体并放出热量，工作流体再依靠吸液芯的毛细作用流回蒸发端。如此循环的结果是：热量由热管的蒸发端不断地传至冷凝端，并被位于冷凝端另一端的冷源吸收。

热管在实现上述的导热过程中，主要包含以下六个相互关联的过程：

(1)热量从热源通过热管管壳和充满工作流体的吸液芯传递给工作流体；

(2)工作流体在蒸发端内液-气分界面上蒸发；

(3)蒸汽从蒸发端流到冷凝端；

(4)蒸汽在冷凝端内气-液分界面上凝结；

(5)热量从气-液分界面通过吸液芯、工作流体及管壳传给冷源；

(6)通过吸液芯的毛细作用使冷凝后的液态工作流体回流到蒸发端。

从上述过程(1)、(5)以及(6)中看出，吸液芯在导热过程中起到重要作用。

现有技术中热管的吸液芯通常是在管壳内壁上形成三角形、方形或圆形等几何图案，或在管中添塞网状金属，或将粉末金属烧结在管壳内壁上。

但是，上述吸液芯结构存在毛细极限现象(Wicking Limit)，阻碍热量的传导。即，热管内因为吸液芯的毛细吸力作用，在吸液芯内所含的液体中造成压力差，此压力差能使冷凝部分的液体流回蒸发部分；热管开始传热后，工作流体在其管壳内开始循环流动，如果吸液芯内的液体流动所造成的压力差大于毛细吸力所能承受的压力差，则冷凝部分的工作流体无法流回蒸发部分，此时蒸发部分的吸液芯由于工作流体无法到达而变得干燥(Dryout)；这些干燥的吸液芯不仅使工作流体无法循环，还会阻碍热量的传导。

【发明内容】

以下，将以实施例说明一种毛细吸力大、导热效率高的热管及其制备方法。

为实现上述内容，提供一种热管，其包括一中空管壳、紧贴管壳内壁之的吸液芯以及充满该吸液芯并密封在管壳内的工作流体。其中，所述吸液芯包括导热丝网、设在该导热丝网上的导热颗粒及设在该导热颗粒上的导热纤维。所述导热丝网材料可选自金属、合金或高分子材料，其网孔优选为微米级。所述导热颗粒材料选自金属或合金，其粒径为微米级。所述导热纤维材料选自金属氧化物或合金氧化物，其直径为纳米级。

以及，提供一种热管的制备方法，其包括：(1)提供一中空管壳；(2)制备一具有导热颗粒的导热丝网，在该导热颗粒上形成导热纤维，以形成吸液芯；(3)将该吸液芯卷曲塞入所述管壳；(4)使该吸液芯内充满工作流体后将所述管壳加以密封。所述导热丝网材料可选自金属、合金或高分子材料，其网孔优选为微米级。所述导热颗粒材料选自金属或合金，其粒径优选为微米级。所述导热纤维材料选自金属氧化物或合金氧化物，其直径优选为纳米级。

相对于现有技术，本实施例所提供的热管吸液芯包括微米级导热颗粒及纳米级导热纤维，可提高吸液芯的致密性，增大毛细吸力，加快工作流体的传递速度，提高热管散热效率，且可防止现有技术中毛细极限现象的产生；另外，所述导热颗粒采用微米级颗粒及导热纤维采用纳米级纤维，可增加吸液芯的表面积，进一步提高热管的散热效率。

【附图说明】

图1是本实施例的热管结构及其工作原理示意图。

图2是本实施例的吸液芯结构示意图。

图3是本实施例的热管制备方法的流程图。

【具体实施方式】

下面，结合附图对本技术方案作进一步说明。

请参阅图1及图2，图1为本实施例的热管结构及其工作原理示意图，图2是本实施例的吸液芯结构示意图。如图1所示，本实施例所提供的热管1包括管壳10、毛细结构吸液芯20以及工作流体30，其一端为蒸发端40，另一端为冷凝端50。如图2所示，吸液芯20包括导热丝网21、设在导热丝网21上的导热颗粒22及设在导热颗粒22上的导热纤维23。

其中，导热丝网21材料可选自铜、铝、铁、镍、钛等金属及其中两种或以上金属形成的合金、或如PASC(聚硅氯化铝)、硅橡胶等高分子材料，其网孔优选为微米级。导热颗粒22的材料选自铜、铝、铁、镍、钛等金属及其中两种或以上金属形成的合金，其粒径为微米级，本实施例中选用铜颗粒。导热纤维23材料根据导热颗粒22材料的不同而不同，为导热颗粒22的氧化物纤维，即，可为金属氧化物或合金氧化物。本实施例中的导热纤维23为氧化铜纤维，其直径为纳米级，优选0.1～100nm。

当热管1的蒸发端40受热时，吸液芯20中工作流体30蒸发汽化形成蒸汽，蒸汽于微小压力差作用下流向热管1的冷凝端50，在该端凝结成液态工作流体30并放出热量，液态工作流体30再靠吸液芯20的毛细作用流回蒸发端40。如此反复循环，热量由热管1的蒸发端40不断地传至冷凝端50，并被位于冷凝端50另一端的冷源(图未示)吸收。

本实施例所提供的热管吸液芯20包括微米级导热颗粒22及纳米级导热纤维23，可提高吸液芯20的致密性，增大吸液芯20对工作流体30的毛细吸力，加快工作流体30的传递速度，提高热管1的散热效率，并可防止毛细极限现象的产生；另外，在导热颗粒22采用微米级颗粒及导热纤维23采用纳米级纤维，可增加吸液芯20的表面积，进一步提高热管1的散热效率。

请参阅图3，图3是本实施例的热管制备方法的流程图。本实施例所提供的热管1的制备方法，包括下述步骤：

步骤100：提供一中空管壳10。管壳10包括基材及添加在该基材内的纳米碳材。根据需要不同，所述基材可选自如铜、铝、铁、镍、钛等金属及其中两种或以上金属形成的合金、或如PASC、硅橡胶等高分子材料。所述纳米碳材包括中空碳纳米管、中空纳米碳球以及内包覆高热传导材料的碳纳米管或纳米碳球中任意一种或多种的组合，其中该高热传导材料可选自铜、铝、金、银或其中两种或以上金属形成的合金。

管壳10径向截面可以为标准圆形，也可以为异型，如椭圆形、正方形、矩形、三角形等。管径为2毫米～200毫米，管长可从几毫米至数十米。

本实施例中，管壳10的基材为添加有中空碳纳米管的铜，成型为圆柱形管，管径为4毫米，长50毫米。

步骤200：制备一具有导热颗粒22的导热丝网21，在导热颗粒22上形成导热纤维23，形成吸液芯20。其具体制作过程如下：

首先，在市场购置定型网目数的导热丝网21，其材料根据热管工作流体30的兼容性来选定，可选自铜、铝、铁、镍、钛等金属及其中两种或以上金属形成的合金、或如PASC、硅橡胶等高分子材料。本实施方式中选用铜丝网。该铜丝网的网孔优选为微米级。

其次，在导热丝网21上形成导热颗粒22。导热颗粒22的材料选自铜、铝、铁、镍、钛等金属及其中两种或以上金属形成的合金。本实施例中选用铜颗粒。在铜丝网上均匀分散铜颗粒，该铜颗粒尺寸为微米级；将分散有铜颗粒的铜丝网送入加热炉，在氢气保护下烧结约半小时，烧结温度为810℃～880℃；将所述铜丝网从加热炉中取出冷却后，再次放入加热炉中烧结约1小时。

最后，控制生长温度及氧气分压，利用铜元素的自我催化机制及朝材料优选方向成长以降低活化能的性质，在铜丝网的铜颗粒上制得规则排列的氧化铜纤维，从而获得吸液芯20。该氧化铜纤维根据其导热颗粒22的材料不同，可由导热颗粒22的氧化物纤维取代，即，可为金属氧化物或合金氧化物。导热纤维23直径为纳米级，优选0.1～100nm。

步骤300：卷曲吸液芯20将其塞入管壳10内。如果吸液芯21贴合管壳10内壁不均匀，特别是在蒸发端将出现局部过热将导致热管的损坏，故，可通过机械牵引等方式使吸液芯20紧贴管壳21内壁。

步骤400：使该吸液芯20内充满工作流体30后将管壳1加以密封。工作流体30可选用纯水、氨水、甲醇、丙酮或庚烷等液体，亦可在该液体中添加导热材料的微粒，如铜粉、纳米碳材等，以增加工作流体的导热性能。本实施方式采用纯水作为工作流体。

Claims (12)

1.一种热管，其包括：

一中空的管壳；

一紧贴在该管壳内壁上的吸液芯；以及

密封在该管壳内的工作流体；

其特征在于，该吸液芯包括紧贴在管壳内壁上的导热丝网、设在该导热丝网上的导热颗粒及设在该导热颗粒上的导热纤维。

2.如权利要求1所述的热管，其特征在于，所述导热丝网的材料是与该工作流体兼容的金属、合金或高分子材料。

3.如权利要求2所述的热管，其特征在于，所述导热颗粒的材料是与该工作流体兼容的金属或合金。

4.如权利要求3所述的热管，其特征在于，所述导热纤维的材料是与该工作流体兼容的金属或合金的氧化物。

5.如权利要求1所述的热管，其特征在于，所述导热颗粒的粒径为微米级。

6.如权利要求1所述的热管，其特征在于，所述导热纤维的直径为纳米级。

7.如权利要求1所述的热管，其特征在于，所述导热丝网的材料是铜、铝、铁、镍或钛。

8.一种热管的制备方法，包括下述步骤：

提供一中空管壳；

制备一具有导热颗粒的导热丝网，并在该导热颗粒上形成导热纤维，以形成吸液芯；

将该吸液芯卷曲塞入所述管壳；

使该吸液芯内充满工作流体后将所述管壳加以密封。

9.如权利要求8所述的热管的制备方法，其特征在于，所述导热纤维可通过自我催化法制备。

10.如权利要求8所述的热管的制备方法，其特征在于，所述导热丝网的材料是与该工作流体兼容的金属、合金或高分子材料。

11.如权利要求10所述的热管的制备方法，其特征在于，所述导热颗粒的材料是与该工作流体兼容的金属或合金。

12.如权利要求11所述的热管的制备方法，其特征在于，所述导热纤维的材料是与该工作流体兼容的金属或合金的氧化物。

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