CN101354220B - 吸液芯和板式集成热管 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种吸液芯和板式集成热管。该吸液芯片用于设置在集成热管中形成具有毛细能力的吸液芯，具体包括：用于水平叠置钎焊连接成吸液芯的金属薄片；该金属薄片上设置有用于导引冷凝液回流的孔。该吸液芯采用本发明的吸液芯片，且孔从吸液芯的一端连通至另一端，用于导引冷凝液回流。该板式集成热管包括扣合形成密封腔的两壳体，壳体内壁上水平焊接有吸液芯；在壳体内壁和吸液芯之间还焊接有支撑构件。本发明的复合吸液芯结构与板式集成热管的壳体钎焊连接为一体，毛细能力强、流阻低，且壳体机械性能好，可采用低成本的材料制备壳体，能够降低产品成本，同时良好的散热性能可减小对电子元件发展的制约。
Description
技术领域
本发明涉及传热传质散热技术领域，尤其涉及一种吸热芯片，由该吸热芯片构成的吸液芯，以及采用该吸液芯的板式集成热管。
背景技术
热管是一种利用液体的相变过程携带汽化潜热提高散热器传热能力的元件，已为电子工程界广为应用。随着电子元件向微型化、集成化和大功率化的方向发展，电子元件的散热能力正在成为其发展的瓶颈，因此电子元件对散热结构的散热性能要求显著提高，人们迫切需要提高热管对电子元件的传热和散热能力。
改善热管传热、散热能力的基本思路有两个，第一、改善热管内吸液芯微结构，使之具有更高的毛细能力和更低的流动阻力，从而提高热管的传热能力；第二、改变热管形状和结构，使液体相变传热过程发展到更大的传热表面，从而提高热管的散热能力。
基于上述第二个思路，均热板，或称蒸汽腔(Vapor Chamber，以下简称VC)应运而生，这是在平面腔体内进行液体相变传热的技术。VC也促进了集成热管向二维和三维相变传热结构方向的发展，在二维和三维空间内传导热量能够最大程度的扩大散热面积。但是，目前VC和集成热管在商业应用中存在的核心问题是其机械性能低和制造成本高的问题。
图1所示为现有一种铜粉烧结吸液芯结构的VC，由上壳体10和下壳体20扣合形成密封腔，在密封腔中，由若干整齐排列的铜粉烧结凸台微结构30构成吸液芯。铜粉烧结吸液芯与VC壳体之间不经焊接而仅为机械贴合。当该VC的工作温度低于液体工质沸点温度时，吸液芯与上、下壳体贴合，凸台微结构能支撑壳体以抵抗变形，但当工作温度高于液体工质沸点温度时，吸液芯与壳体脱离，壳体的变形将影响VC中吸液芯的传热性能，直至失效。因此，该VC结构虽然具有较好的毛细力，但是机械性能差，一般采用强度较高的铜材料制备壳体，成本高，且不能制备大面积的VC，幅面通常较小，上述缺陷导致这类VC的应用受到极大限制。图2所示为一种多层铜网吸液芯结构的VC，由上壳体10和下壳体20扣合形成密封腔，在密封腔中设有柱形支撑40，柱形支撑40与VC的上壳体10和下壳体20通过接触焊连结，铜网吸液芯微结构50与VC的上下壳体10、20在腔内不经焊接而仅机械贴合。因需要布设吸液芯铜网，所以柱形支撑的布设较分散，对VC机械性能的改进有限，仍然存在幅面小、成本高的问题。图3所示为一种带支撑的箔片槽道焊接吸液芯热板结构，由上壳体10和下壳体20扣合形成密封腔，在密封腔中，吸液芯由带通道孔70的金属片60叠置而成，各金属片60上的通道孔70相互贯通，形成蒸汽的通道，各金属片60之间保留的间隙则形成冷凝液回流的微槽。金属片叠置且与壳体壁面钎焊连接，构成了对壳体的支撑，因此，带支撑的箔片槽道焊接吸液芯不仅传热能力强，而且机械性能好，热板幅面大，制造成本低。但是该形式的集成热管也存在一定缺陷：由于工艺原因，金属片无法加工得过薄，因而片间间隙会较小，导致集成热管内孔隙率较小。受孔隙率的影响，集成热管输送冷凝液的能力较差，在吸收大量热量的情况下易导致干涸现象发生，限制了在大功率散热器件上的应用。
因此，现有技术的各种VC或集成热管，无法兼顾吸液芯传热能力强，对壳体支撑性能好这两方面的要素，难以得到复杂型腔设计的集成热管，无法使用低成本的低强度材料制造壳体，成本较高。
发明内容
本发明的目的是提供一种吸液芯和板式集成热管，既可以具有较高的毛细能力和较低的流动阻力，又可以提高集成热管壳体的机械性能，降低对壳体材料的要求，从而降低成本。
为实现上述目的，本发明提供了一种吸液芯片，用于设置在集成热管中形成具有毛细能力的吸液芯，其特征在于，包括：用于水平叠置钎焊连接成所述吸液芯的金属薄片；所述金属薄片上设置有用于导引冷凝液回流的孔。
为实现上述目的，本发明还提供了一种吸液芯，包括用于钎焊连接在集成热管中的吸液芯片，各所述吸液芯片的一侧或两侧敷设有焊料层；所述吸液芯片为设置有孔的金属薄片，所述孔从所述吸液芯的一端连通至另一端，用于导引冷凝液回流。所述孔中还填充有吸附材料；所述吸附材料为金属材料的纤维毡；所述吸液芯片的个数为两个或两个以上，各吸液芯片水平叠置且相互钎焊连接。
为实现上述目的，本发明又提供了一种采用本发明吸液芯的板式集成热管，包括扣合形成密封腔的第一板状壳体和第二板状壳体，其特征在于：所述第一板状壳体的内壁上水平焊接有所述吸液芯；在所述第二板状壳体的内壁和所述吸液芯之间焊接有支撑构件。
由以上技术方案可知，本发明设计了一种具有高毛细能力和低流阻的复合吸液芯结构，且该吸液芯结构用于与板式集成热管的壳体钎焊连接为一体结构，因此，采用上述吸液芯的板式集成热管既具有较高的毛细能力和较低的流动阻力，同时又有较好的支撑，壳体具有较高的机械性能，可采用低成本的材料制备壳体，因而在提高传热、散热能力的同时，还可以降低产品成本，适用于各类电子元件的散热，减小了散热对电子元件发展的制约。
下面通过具体实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
附图说明
图1为现有技术中一种铜粉烧结吸液芯结构VC的结构示意图；
图2为现有技术中一种多层铜网吸液芯结构VC的结构示意图；
图3为现有技术中一种带支撑的箔片槽道焊接吸液芯热板的结构示意图；
图4为本发明吸液芯片具体实施例一的结构示意图一；
图5为本发明吸液芯片具体实施例一的结构示意图二；
图6为本发明吸液芯片具体实施例二的结构示意图一；
图7为本发明吸液芯片具体实施例二的结构示意图二；
图8为本发明吸液芯片具体实施例三的结构示意图；
图9为本发明吸液芯具体实施例二的结构示意图；
图10为本发明吸液芯具体实施例三的结构示意图；
图11为本发明吸液芯具体实施例四的结构示意图；
图12为本发明板式集成热管具体实施例一的结构示意图；
图13为本发明板式集成热管具体实施例二的结构示意图；
图14为本发明板式集成热管具体实施例中支撑构件的结构示意图一；
图15为本发明板式集成热管具体实施例中支撑构件的结构示意图二；
图16为本发明板式集成热管具体实施例中支撑构件的结构示意图三。
具体实施方式
本发明的吸液芯片，用于设置在集成热管中，从而形成具有毛细能力的吸液芯，该吸液芯片具体为用于水平叠置钎焊连接成吸液芯的金属薄片；且金属薄片上设置有用于导引冷凝液回流的孔。金属薄片上孔的形状及布局形式可以有多种，下面通过实施例分别介绍。
吸液芯片实施例一
如图4所示为本发明吸液芯片具体实施例一的结构示意图，本实施例中，金属薄片为矩形，在其上呈矩阵状布设有多个用于导引冷凝液回流的孔1，孔1的形状为长条状，具体可以为两端倒圆角的矩形。并且，长条状的孔1可以竖向设置，且相邻列之间的孔1错开一定的距离，如图4所示。或者，长条状的孔1也可以横向设置，且相邻行之间的孔1错开一定的距离，如图5所示。
吸液芯片实施例二
本实施例中，金属薄片为矩形，在其上呈弯折回线状布设有一个孔1，且沿矩形金属薄片的长边方向延伸，如图6所示。或者，呈弯折回线状布设的孔1也可以沿矩形金属薄片的短边方向延伸，如图7所示。
吸液芯片实施例三
在本实施例中，金属薄片为矩形，在其上成行布设有多个孔1，孔1的形状可以为长条状的平行四边形，且各行均向一侧倾斜一定的角度，如图8所示。
本发明吸液芯片上孔的布设方式并不限于上述几种，可以简便地通过在金属薄片上冲压而形成设定图案的孔，加工简单、效率高。
加工成型后的吸液芯片将用于钎焊连接在集成热管的内壁中作为吸液芯，因此，可以在金属薄片的一侧上敷设焊料层，以便将金属薄片放置到集成热管的壳体之中后，可以通过整体加热来熔化焊料，完成焊接。当使用多片吸液芯片构成多层的一个吸液芯时，也可以在金属薄片的两侧均敷设焊料层，实现多层吸液芯片之间的焊接。
本发明的吸液芯片在形成吸液芯时，可以在孔中填充吸附材料，使吸液芯具有较强的毛细力，并且，该吸液芯片为金属材质的薄片，可焊接在集成热管壳体的壁面上，因而能够增加壳体壁厚，增加壳体的机械强度，降低对壳体本身强度的要求，从而降低材料的成本，例如，可以采用铝材料代替传统的铜材料作热管壳体，从而降低热管的整体成本。
本发明的吸液芯由本发明用于钎焊连接在集成热管中的吸液芯片组成，该吸液芯片为设置有孔的金属薄片，该孔从吸液芯的一端连通至另一端，用于导引冷凝液回流。具体应用中，即从热管的冷凝端连续地或逐段地连通至蒸发端，将冷凝液导引至热源所在的蒸发端。吸液芯中，还可以将吸附材料设置在连通的孔中，用于吸附冷凝液回流，增加吸液芯的毛细力。吸附材料具体可以由多种材质制备，较佳的是采用金属材料的纤维毡，例如不锈钢材质的纤维毡等。
上述结构的吸液芯具体可以有多种形式，下面通过实施例分别介绍。
吸液芯实施例一
本发明吸液芯具体实施例一中，选用上述吸液芯片实施例二中的技术方案，金属薄片上的孔为弯折回线状的一个孔，从一端连通至另一端，在孔中填充吸附材料。一片这种吸液芯片即可构成吸液芯，用于钎焊连接在集成热管内壁上形成毛细能力。
吸液芯实施例二
本实施例的吸液芯与上述吸液芯实施例一相似，区别在于本实施例的吸液芯由两片吸液芯片构成，可分别称为第一吸液芯片和第二吸液芯片，第一吸液芯片上呈弯折回线状布设有一个孔，该孔呈纵向弯折延伸，如图6所示；第二吸液芯片上呈弯折回线状布设有一个孔，该孔呈横向弯折延伸，如图7所示。孔中分别填充有吸附材料。上述第一吸液芯片和第二吸液芯片水平叠设焊接在一起之后，纵向延伸弯折的孔和横向延伸弯折的孔相互交叠，如图9所示。
本实施例多层的吸液芯并不限于两层吸液芯片的叠加，可以根据需要叠设焊接两层以上的吸液芯片，相邻的两片吸液芯片上的弯折回线状孔均可以相互交叠。交叠后的孔不仅可以在本片吸液芯片上传输冷凝回流液，还可以在吸液芯片之间传输，增加了吸液芯的毛细能力，降低了流阻。
或者，根据具体需要，也可以使上下两片吸液芯片的弯折回线状孔弯折延伸方向相同，即相邻两片吸液芯片的孔完全重合，这样形成的吸液芯相当于增加了孔的厚度，也可以起到增加毛细能力的作用。
吸液芯实施例三
本发明吸液芯具体实施例三中，吸液芯由多片吸液芯片水平叠设相互焊接而成，各吸液芯片上的孔的个数为多个且相互独立，邻近的两片吸液芯片之间的孔至少部分重叠，各孔在各吸液芯片之间保持连通，且吸液芯片组合后使得孔能够从吸液芯的一端连通至另一端。如图10所示为邻近的两片吸液芯片相互叠设的示意图，分别为第一吸液芯片和第二吸液芯片；第一吸液芯片上呈矩阵状布设有多个长条状的孔，长条状的孔呈纵向设置，且相邻列之间的孔错开一距离，具体可以为本发明吸液芯片具体实施例一的技术方案，如图4所示；第二吸液芯片上呈矩阵状布设有多个长条状的孔，长条状的孔呈横向设置，且相邻行之间的孔错开一距离，如图5所示；相互重叠后，第一吸液芯片上的每个长条状的孔与第二吸液芯片上的至少两个长条状的孔相连通，从而使得孔在吸液芯片之间相连通，实现从吸液芯的一端连通到另一端。
本实施例的技术方案能够实现吸液芯整体中，填充有吸附材料的孔能够在吸液芯片之间实现连通，从而实现从吸液芯的一端连通至另一端，完成对冷凝回流液的毛细导引作用。同时，各吸液芯片之间钎焊连接，且最终可焊接在集成热管壳体的壁面上，能够对集成热管壁面起到强化作用，改善其机械性能，降低其对壳体材料的强度要求。
吸液芯实施例四
本发明吸液芯具体实施例四与实施例三相似，吸液芯由多片吸液芯片水平叠设相互焊接而成，各吸液芯片上的孔的个数为多个且相互独立，邻近的两片吸液芯片之间的孔至少部分重叠，各孔在各吸液芯片之间保持连通，且吸液芯片组合后使得孔能够从吸液芯的一端连通至另一端。如图11所示为邻近的两片吸液芯片相互叠设的示意图，分别为第一吸液芯片和第二吸液芯片。与实施例三的区别在于，第一吸液芯片和第二吸液芯片上分别成行布设有多个长条状的孔，各行均倾斜一角度，如图8所示，且第一吸液芯片与第二吸液芯片的行倾斜方向相反，使得孔在吸液芯片之间相连通，实现从吸液芯的一端连通到另一端。
本实施例的技术方案能够实现吸液芯整体中，填充有吸附材料的孔从吸液芯的一端连通至另一端，完成对冷凝回流液的毛细导引作用。同时，各吸液芯片之间钎焊连接，能够对集成热管壳体壁面起到强化作用，改善其机械性能，降低其对壳体材料的强度要求。
当多层吸液芯片叠设形成吸液芯时，孔的形状和布设方式可以有很多种，能够依靠孔的重叠实现从吸液芯的一端连通至另一端即可。在吸附材料的作用下，冷凝回流液可以被导引流动，能够增加集成热管的传热能力。并且，金属薄片上的孔可以通过冲压等工艺简单的制备，因此生产成本低、效率高、易于推广。
为使各吸液芯片在构成吸液芯时易于焊接，可以在各吸液芯片的一例或两侧涂覆有焊料层，而后将吸液芯片填充以吸附材料，再放置到集成热管的壳体壁面上，进行整体加热后，焊料自然可以熔化将吸液芯片相互焊接在一起。
板式集成热管实施例一
如图12所示为本发明板式集成热管具体实施例一的结构示意图。在本实施例中，板式集成热管包括扣合形成密封腔的第一板状壳体100和第二板状壳体200，具体地，第一板状壳体100和第二板状壳体200可以相互扣合，再与封边的框体300相互焊接，从而形成一个密封腔。其中，第一板状壳体100的内壁上水平焊接有吸液芯400；在第二板状壳体200的内壁和该吸液芯400之间焊接有支撑构件500，支撑构件500具体为重叠设置的金属片510，且各金属片510间具有一间隙；金属片510上设置有用于流通蒸汽的通道孔520；各金属片510垂直钎焊连接在吸液芯400和第一板式壳体100的内壁上。上述吸液芯400可以采用本发明的吸液芯结构，由一片或一片以上吸液芯片410构成，吸液芯片410之间钎焊连接。各吸液芯片410上设置有孔1，孔1中填充有吸附材料2，吸液芯400上的孔1从吸液芯400的一端连通至另一端，用于导引冷凝液回流。由于吸液芯片410为金属薄片，所以支撑构件500也可以焊接在吸液芯片400上。
本实施例的板式集成热管，设置有支撑构件能够满足对板式集成热管壳体的支撑，增强其结构强度，降低了对壳体本身材料的强度要求，则可以采用铝等材料制备壳体，降低成本。该板式集成热管还因为设置有吸液芯片，利用连通孔中的吸附材料增强了毛细能力，改善了板式集成热管的传热能力。与现有的丝网状、烧结物吸液芯不同的是：该吸液芯片由金属薄片制成，彼此可以相互焊接，可以焊接在壳体壁面上，也可以和支撑构件相互焊接，因而能够较佳的保证板式集成热管内部的连接强度，不影响支撑构件发挥其支撑作用，既能克服壳体收到外部压迫的正压力，也能克服壳体内部压力对壳体向外膨胀的挤压。而传统丝网状或烧结物的吸液芯因为不能够与壳体壁面钎焊连接，所以往往与支撑构件之间彼此影响，或者降低了毛细能力，或者使支撑构件无法与壁面构成一定强度的连接以克服膨胀压力。
板式集成热管实施例二
如图13所示为本发明板式集成热管具体实施例二的结构示意图。本实施例与实施例一大致相同，区别在于：在支撑构件500与第二壳体200的内壁之间也焊接有吸液芯400。则重叠设置的金属片510所构成的支撑构件500焊接在上、下吸液芯400之间。
本实施例的板式集成热管构成了第一板式壳体+吸液芯+支撑构件+吸液芯+第二板式壳体这样的五层结构，毛细能力强，且机械性能良好，既具有良好的传热能力，同时由于机械性能好，强度高不易变形，所以可以降低对壳体材料的要求，选用成本低的铝材料，另外，可以扩大板式集成热管的幅面，即增大板式集成热管的面积。扩大面积的板式集成热管无疑可以具有更大的散热面积，具有更强的散热能力。
在板式集成热管的上述实施例中，支撑构件的具体结构很多，并不限于上述的层叠金属片，如图14所示。例如，支撑构件还可以由弯曲成折线状的金属片构成，如图15所示，弯曲的折线边钎焊连接在吸液芯或者板式壳体的内壁上。支撑构件还可以如图16所示由金属片搭设而成；或者，支撑构件还可以为弯折的杆状、横截面为矩形或圆形的螺旋杆等，能够留有蒸汽流通的通道，且能够钎焊于吸液芯之间对壳体提供足够强度的支撑即可。
本发明的板式集成热管可以采用本发明吸液芯任一实施例的技术方案，但是，本发明的吸液芯并不限于应用于板式集成热管，本发明的吸液芯可以应用到二维或三维的集成热管中，可以灵活的将吸液芯片焊接于具有复杂型腔的集成热管内壁上。当型腔复杂时，可以制造适应性形状的吸液芯片，或者也可以采用小面积吸液芯片拼接而成。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种吸液芯，其特征在于：包括用于钎焊连接在集成热管中的吸液芯片，各所述吸液芯片的一侧或两侧敷设有焊料层；所述吸液芯片为设置有孔的金属薄片，所述孔从所述吸液芯的一端连通至另一端，用于导引冷凝液回流；所述孔中还填充有吸附材料；所述吸附材料为金属材料的纤维毡；所述吸液芯片的个数为两个或两个以上，各吸液芯片水平叠置且相互钎焊连接。
2.根据权利要求1所述的吸液芯，其特征在于：邻近的两片吸液芯片为第一吸液芯片和第二吸液芯片；所述第一吸液芯片上呈弯折回线状布设有一个所述孔，所述孔呈纵向弯折延伸；所述第二吸液芯片上呈弯折回线状布设有一个所述孔，所述孔呈横向弯折延伸。
3.根据权利要求1所述的吸液芯，其特征在于：各所述吸液芯片上的所述孔的个数为多个且相互独立，邻近的两片吸液芯片之间的孔至少部分重叠，各所述孔在各所述吸液芯片之间保持连通，且从所述吸液芯的一端连通至另一端。
4.根据权利要求3所述的吸液芯，其特征在于：邻近的两片吸液芯片为第一吸液芯片和第二吸液芯片；所述第一吸液芯片上呈矩阵状布设有多个长条状的所述孔，长条状的孔呈纵向设置，且相邻列之间的孔错开一距离；所述第二吸液芯片上呈矩阵状布设有多个长条状的所述孔，长条状的孔呈横向设置，且相邻行之间的孔错开一距离；所述第一吸液芯片上的每个长条状的孔与所述第二吸液芯片上的至少两个长条状的孔相连通。
5.根据权利要求3所述的吸液芯，其特征在于：邻近的两片吸液芯片为第一吸液芯片和第二吸液芯片；所述第一吸液芯片和所述第二吸液芯片上分别成行布设有多个长条状的所述孔，各所述行倾斜一角度，且所述第一吸液芯片与所述第二吸液芯片的行倾斜方向相反。
6.一种采用权利要求1～5所述的任一吸液芯的板式集成热管，包括扣合形成密封腔的第一板状壳体和第二板状壳体，其特征在于：所述第一板状壳体的内壁上水平焊接有所述吸液芯；在所述第二板状壳体的内壁和所述吸液芯之间焊接有支撑构件。
7.根据权利要求6所述的板式集成热管，其特征在于：在所述支撑构件与所述第二壳体的内壁之间也焊接有所述吸液芯。
8.根据权利要求7所述的板式集成热管，其特征在于：所述支撑构件为重叠设置的金属片，且各所述金属片间具有一间隙；所述金属片上设置有用于流通蒸汽的通道孔；各所述金属片垂直钎焊连接在所述吸液芯上。
9.根据权利要求7所述的板式集成热管，其特征在于：所述支撑构件由弯曲成折线状的金属片构成，弯曲的折线边钎焊连接在所述吸液芯上。
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