CN101410685A - 具有纳米结构吸液芯材料的热管 - Google Patents

具有纳米结构吸液芯材料的热管 Download PDF

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Abstract

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。

Description

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。
本发明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，并且本发明的部分服从于美国政府的支付许可。
背景技术
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。
本发明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，本发明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。
发明内容
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/cm2至125W/cm2而热阻低于0.06℃·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1mm(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1mm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。本发明能够用于制造鬃丝芯的长度仅约50-100微米(10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)。本发明使热管具有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1mm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、众所周知的传热设备。大量的美国专利中公开了热管，包括1976年4月27日颁发的3,952,798，在本文中结合该专利而参考其所有的教导。
其它的文献也试图改进在设备内提供毛细管作用以移动液相传热流体的吸液芯材料。
美国专利No.7086454公开了纤维束作为芯的用途，在本文中结合该文献作为参考。
美国专利申请No.20060207750A1公开了两种芯的观点，一种用于设备的蒸发器侧而另一种用于设备的冷凝器侧，在本文中结合该文献作为参考。
美国专利申请No.20050116336A1公开了纳米结构材料的用途，但却是作为大块材料的添加剂以改进他们的热传导性，在本文中结合该文献作为参考。所阐述的实际设备不是热管而是散热器。
美国专利申请No.20060016580A1公开了烧结粉末的用途，这不是新颖的，在本文中结合该文献作为参考。该公开注意到在获得的芯中的空隙大小为纳米级的。然而这种方法不产生规则的结构，更确切的是由空隙产生的图案是粉末颗粒如何在烧结过程中彼此附着的结果。
美国专利No.6427765中公开了用于热管的铁丝网芯，在本文中结合该文献作为参考。
美国专利No.4109709中公开了具有槽的玻璃纤维作为热管用的吸液芯结构，在本文中结合该文献作为参考。
美国专利No.4274479中公开了设置入烧结粉末吸液芯中的槽的用途，在本文中结合该文献作为参考。
美国专利No.4015659中公开了金属细丝作为芯的用途，在本文中结合该文献作为参考。
An Introduction to Heat Pipes(热管导论)，G.P.Paterson，John Wiley &Sons，New York，1994，在本文中结合该文献而参考其所有的教导。
通过调整芯的组成而继续尝试改进热管的热通量载量。参见I.Sauciuc、M.Mochizuki、K.Mashiko、Y.Saito和T.Nguyen，Proceedings of the SixteenthIEEE SEMI-Therm Symposium(第16届IEEE SEMI-Therm讨论会汇编)，Anaheim，CA，USA，2000 pp.27-32。
附图说明
图1为热管热循环的传热机理的图示。
图2为纳米鬃丝阵列的示意图。
图3为使用纳米鬃丝芯热管的电子系统热管理概念。插图为铜纳米鬃丝的SEM照片。
图4为在铜基底上多孔的阳极氧化的氧化铝示意图。通道之间的间距、通道直径以及通道深度均为可控制的参数。
图5为形成氧化铝纳米级通道的电流对时间的图。电流的增加与达到铜基底的纳米级通道相对应。
图6为附着在铜基底上并且由在铜基底上的铝覆盖层形成的铜纳米鬃丝的SEM照片。
图7为使用支持在铜基底上的氧化铝滤膜(Anodisc filter)模板所形成的铜纳米鬃丝的SEM照片。
图8为对于具有纳米鬃丝阵列芯的热管的热阻对输入热通量的图。折线是对相同条件下测试的烧结粉末热管的公布数据。
图9为用于纳米鬃丝阵列中缺少纳米鬃丝的反射率检查。能够使用光栅激光和光电二极管以在连续移动的纳米鬃丝芯带上寻找缺少鬃丝的斑点。
图10为铜纳米鬃丝阵列的UV-可见光谱。两条吸收带是由于局域表面等离子体共振产生的。
图11为阐述了在纳米丝和烧结粉末热管芯内流体流动的比较。
具体实施方式
对于纳米丝芯的测试的性能数据在图8中示出。该数据清楚地表示了纳米丝材料能够承受超过100W/cm2的热通量，并具有降低35％的热阻。当今典型的计算机应用具有100-200W/cm2的热通量，而传统热管的高热阻不能提供用于最佳性能的合适温度(冷却)。更进一步地，虽然使用比竞争的烧结粉末(约1mm厚)低很多的体积(约100微米厚)，这种材料仍具有突出的热通量性能。
纳米鬃丝阵列通过使用模板在基底上生长。在优选的实施方式中，所述模板通过阳极氧化工艺而形成，因此形成了规则系列的孔，该孔对于基底表面完全敞开。聚合物抗蚀剂层涂敷在所述基底的背侧。附着有聚合物层和模板层的所述基底随后浸入溶液中使物质沉积在孔中。最后，除去所述模板层和聚合物层。得到的是具有基本垂直的鬃丝的基底，该鬃丝含有附加在一侧上的物质。所述鬃丝的尺寸和间距由模板上的孔尺寸和间距来确定。所述基底和物质可以为相同的材料，优选为铜。所述模板优选为氧化铝并且所述抗蚀剂为聚合物抗蚀剂涂层。形成多孔氧化铝层的铝金属阳极氧化作用已经很好地阐述在列举于此的文章中，并且这些文章都引入本文中而参考其所有的教导。
F.Keller、M.S.Hunter和D.L.Robinson，Journal of the ElectrochemicalSociety(电化学学会杂志)100，411-419(1953)。
O.Jessenky、F.Muller和U.Gosele，Applied Physics Letters(应用物理快报)72，1173-1175(1998)。
G.E.Thompson和G.C.Wood，Nature(自然)290，230-232(1981)。
用于制备纳米鬃丝阵列的第一种方法使用了薄铝片(30-80μm厚)覆盖在1mm厚的铜片上。首先用聚合物膜覆盖(由General Chemical Corporation提供的Coscoat 4560)所述铜，以在阳极氧化过程中保护所述铜。随后进行铝金属的阳极氧化，导致形成多孔的氧化铝，其中纳米通道的直径、深度和间距能通过改变阳极氧化工艺中使用的电参数和化学品浓度而控制。控制自身形成的多孔模板的尺寸对于设计纳米鬃丝芯材料所需要的特征是很重要的。在铜上阳极氧化的铝的示意图在图4中示出。
使用氧化铝模板能制造金属纳米丝，这也被以下所列举的文章公开，并都在本文中引用以参考其全部教导。
D.Al-Mawlawi、C.Z.Liu和Martin Moskovits，Journal of the MaterialsResearch Society(美国材料研究协会杂志)，9，1014-1018(1994)。
N.J.Gerein和J.A.Haber，Journal of Physical Chemistry(物理化学杂志)B，109，17372-17384，(2005)。
优选的实施方式使用氧化铝作为模板，并使用铜作为基底和鬃丝。形成的方法如下：
1、起始材料为金属基底，由于铜的很高的热传导率而以铜作为优选实施方式。所述基底材料可以为任何导电基底。首先清洁基底。
2、在所述基底上形成铝覆盖层。该铝层的厚度为当阳极氧化时，氧化层的深度将与纳米鬃丝的所需的长度相同或者比它大。可以使用其它材料作为覆盖层，包括钛、硅、锌、锆、镧、铌、钨、锡、铟、锶、钒、钼、钙或者上述材料的两种或更多种的混合物，以及上述材料的氧化物。事实上，可以使用能够产生多孔氧化物的任何金属。由于铝的氧化物产生规则的孔并且相对便宜，因此为了确定孔的大小和间距而优选铝。该形成步骤包括以下的子步骤：
a、清洁铝覆盖层。这通过使用标准实验室溶剂来完成。进一步地，对于一些需要高度均匀性的应用，可以对铝进行电抛光。
b、为了初步形成Al2O3层，在氧气的存在下进行烘焙。所述Al2O3层为无孔层。典型地，初始的氧化应该在覆盖层上产生厚约20-约100nm的氧化层。温度可以为约100-约450℃且时间为约1-约240分钟。所有涉及“度(degree)”指的是摄氏度而非华氏度。
3、在铜基底上涂敷隔离剂，例如聚合物以防止在铜基底的背侧阳极氧化并保护表面不受腐蚀。一个例子为来源于General Chemical Corporation，Detriot Michigan的被称为Coscoat的材料。其它材料包括聚酰亚胺、聚四氟乙烯、指甲油、聚乙烯或硅系树脂。
4、对铝进行阳极氧化。该步骤将铝金属覆盖层转化为氧化铝。当氧化物形成时产生孔。形成孔是由于在主体Al和Al2O3之间的晶格大小失配和其它的热力学考虑因素。换而言之，块状铝的原子的原子间隔不同于Al2O3分子之间的间隔，因此沿表面形成了规则的空隙。这些空隙向基底表面下方产生，在氧化层内形成孔。这些孔自身组合成类似六边形的基体结构。孔的直径为阳极氧化条件的函数(电压、电解液、阴极的几何形状)，而孔深为阳极氧化时间的线性函数。由于热力学定律使得阳极氧化不平衡而形成空隙，并且其结果是这些空隙成为孔。能够使用微平板印刷(microlithography)技术在阳极氧化之前确定铝的表面。子步骤如下：
a、阳极氧化镀液：在优选实施方式中，使用大约0.3重量％的草酸，也可以使用其它电镀液，包括硫酸、磷酸、铬酸和它们的混合物。通过改变电解液的类型和浓度以及电压，能够调整孔的大小。在覆盖在铜上的铝的代表性的阳极氧化工艺中，在约2℃下，铝层在约0.3重量％的草酸溶液中被阳极氧化。所述阳极氧化进行到消耗所有的铝金属并且Al2O3内的通道穿透至所述铜。根据铝的厚度，这需要约12-约72小时。根据所需要的孔直径和间距，阳极氧化在约20-约200V的直流电下进行。当Al2O3孔开始穿透铝/铜界面时，阳极氧化电流开始增加。通过水溶液中的Cd、Fe、Au、Ag、Cu、Ni和其它金属的电极沉积，顺利地制造用多孔的Al2O3作为模板的纳米鬃丝阵列，这些进一步地公开在以下列出的文章中，并在本文中引入作为参考：Y.Peng、H.Zhang、S.Pan和H.Li，Jour.Appl.Phys.(应用物理)，87，7405(2000)以及A.Jansson、G.Thornell和S.Johansson，J.Electrochem Soc.(电化学协会杂志)，147，1810(2000)。
b、当孔达到所述铜时停止阳极氧化。所使用的方法是测量阳极氧化电流并当电流增强时即意味着孔已经完全达到铜基底上。当电流达到其稳定状态值的约2-约3倍时，就表示铝金属已被消耗并且阳极氧化过程停止。当检测到上述增强时，可以使用电脑或其它电子设备来停止电流。
c、随着阳极氧化，孔能被加宽，并且在约5-25重量％的磷酸溶液中在铜界面处从孔的底部清除残余的Al2O3。这也清洁了铜表面。一旦模板形成，金属被电镀到孔内形成纳米鬃丝。如以上所描述的，也可以使用其它的酸。
6、在所述孔内生长鬃丝。在优选实施方式中，使用电镀以在孔内沉积铜。在引起孔内电镀的电流存在下，将所述铜基底置于硫酸铜镀液中。可以沉积不同于基底的其它金属。子步骤如下：
a、电镀电流约200-约600毫安且电压约0.75伏特。镀铜电镀液可以从Transene Co.商购得到，商品名为acid-copper electroplating bath(酸铜电镀液)。
8、蚀刻所述模板。通过将设备浸入约37±10℃、5±2重量％的磷酸中从基底上除去氧化铝。可以使用如以上所描述的其它浸蚀酸或浸蚀碱，例如NaOH、HCl、H2SO4、HF并且还包括盐酸。也能够使用碱来蚀刻，包括氢氧化钠。
9、除去聚合物涂层。可以使用任何通常的溶剂，以将聚合物涂层从设备上清洗掉。在一些情况下，可以剥离所述聚合物。
开发自动化生产工艺中的关键步骤是铝金属完全被氧化和孔的氧化层达到铜基体的检测点。如果继续阳极氧化而越过界面，铜将发生阳极氧化使材料不适于热管应用。图5为阳极氧化工艺的电流对时间的图。当铝完全地消耗并且孔达到铜基体时，电流极大地增加。对于纳米鬃丝芯的生产，在电路中包括了当电流增加时开启的断路器，以停止阳极氧化过程。通常使用更适用于制造业的电脑控制电流监控方法，以在正确的点停止阳极氧化。
随着纳米鬃丝的形成，通过在1M的NaOH中蚀刻来除去氧化铝模板(铜上的铝覆盖层或氧化铝滤膜)。图6表示了由铜上的铝覆盖层形成铜纳米鬃丝的SEM显微照片。在优选的实施方式中，根据阳极氧化的条件，得到的纳米鬃丝的直径为100-250nm，高为30-70μm，且间距为75-200nm。图7表示了使用氧化铝滤膜制备的纳米鬃丝阵列的SEM照片。该纳米鬃丝的直径为150-300nm，长度为2-7μm，并且间距为90-220nm。在测试的条件下，纳米鬃丝芯组成了安装有发热元件的热管基体。也即，所述芯能够形成在基底上，随后该基底附着到所述热管的主体上，鬃丝朝向所述热管的腔内。作为替换地，可以处理所述热管的主体并且纳米丝直接在表面上生长。
在原型热管上测量每英寸直径的传热数据。纳米鬃丝阵列芯使蒸发器在100-200W/cm2的需要的热通量工作范围内具有热阻值0.06-0.08℃·cm2/W。热管蒸发器是热管中热阻的主要来源。纳米鬃丝阵列芯在热阻上表现出比烧结铜粉末芯25-30％的显著降低。目前烧结铜粉末在大部分需要改进性能的热管应用中作为吸液芯材料使用。
作为原型而得到的热通量载量为目前的Hewlett Packard(惠普)和AMD芯片封装件(80-100W/cm2)和新一代的微处理器例如Intel Pentium(因特尔奔腾)4极限版本(150W/cm2)提供了需要的载量。测得的纳米鬃丝芯的热阻比目前烧结铜热管低25-30％。这种在热阻上的改进与小的外形(与～1mm的烧结铜相比＜100μm)结合，对新型热管的生产非常有吸引力。
已经开发了用于监测纳米鬃丝阵列的均匀性的技术。在第一种方法中，原型纳米鬃丝芯检查系统(在图9中示意性地示出)测量在一个波长时表面的反射率作为该阵列的均一性的指标。由于丝的大小因而存在显著的等离子体共振效应。如果在缺少鬃丝的阵列中有斑点，如图10所示，反射率将很高。可以预测到的是，更长的更密集填充的鬃丝将导致反射率的降低，这是由于光线被俘获在纳米鬃丝基体中或通过从纳米鬃丝表面反射而扩散。
光源也可以为激光或UV-可见光源，加入单色器并将检测器替换为电荷耦合器件(CCD)阵列检测器，以在进行扫描时收集纳米鬃丝阵列表面的实时反射光谱。UV-可见光谱给出了关于铜纳米鬃丝阵列的等离子激元(plasmonic)特征的直接信息。图10表示了铜纳米鬃丝阵列的光谱。在光谱中的～314nm和413nm处发现了两条带。这两条带与对于纳米丝尺寸的纳米鬃丝阵列的横向和纵向的局部表面等离子体共振相对应。阵列中纳米鬃丝的尺寸的改变导致光谱的改变。这提供了监测纳米鬃丝阵列均匀性的机理。超过激光技术的优势在于能获得完整的光谱，而将提供更多关于阵列表面的细节。
与烧结粉末类似物不同的是，纳米丝芯具有各向异性流动的特点。穿过芯的流动通道在设备平面上狭窄，而在垂直于基底的表面上很长。由于高表面积提供了高表面张力，毛细管压应该很高。然而，由于对于间距100nm分隔的100微米丝而言，净通道截面可高达10平方微米，在芯平面内的流阻可以很低。这几乎可与由15微米的粒子制成的烧结粉末芯内的通道截面相媲美。如图11中所阐述的，垂直于纳米丝设备平面的流动将不受阻碍。由于工作流体中的对流将容易地循环至蒸发室，潜在地使气泡的形成最小化，这提供了显著的优势。纳米丝芯中这些特点的潜在结合能得到具有空前的热性能的设备。
对于铜/水热管而言，两个主要的设计参数为传热容量和热阻。首先，所述传热容量依赖于芯结构的孔半径以及渗透性。理想的热管芯具有小的孔半径，以提供良好的毛细管泵送和很高的渗透性，使液体和蒸汽能容易地通过芯。带槽的芯具有很大的孔半径和很高的渗透性，因而能在水平或重力辅助位置上传递大量热负荷，但不能很好地起到对抗重力或其它加速度力的作用。烧结金属粉末芯具有提供了良好的毛细管泵送的小的孔半径，导致对抗重力而传递大量热负荷的能力，但渗透性相对低。对于热管的第二设计考虑因素为热阻。低的热管热阻是需要的。所述热阻为热管的几何形状、芯结构、冷凝器长度、蒸发器长度以及工作流体的函数。
在热管中使用的工作流体以及制成芯和封装件的材料，都依赖于设备的有关操作温度。这些能分为三种普通类别：冷冻(10-150°K)、低温(150-750°K)和高温(750-5000°K)。用于电子热管理的大部分热管应用需要工作流体的沸点为250-375°K，从而将工作流体的选择限制在氨、丙酮、甲醇和水或例如氟利昂的电介质。冷冻应用利用了液态的H2、O2、或N2，而高温应用典型地利用了液态金属，例如汞、钾、钠、锂或银。在优选的实施方式中，此处的电子冷却应用以最通常将水用作工作流体作为目标。
紧密填充的纳米丝阵列对于蒸发器是需要的，但可能不会提供最佳的毛细管泵送。因此，在分级混合的纳米丝结构中具有较大间距的纳米丝可用于热管的冷凝器和隔热传输部分，在分级混合的纳米丝结构中，在冷凝器端纳米丝填充很稀疏，在蒸发器端的填充变得紧密。无疑确定的是纳米丝垂直排成行降低了在蒸发器处的热阻。然而，也由于它们的小尺寸，在纳米丝没有涂敷内壁的整个表面处将纳米丝图案化也可以极大地改进毛细管泵送特性。这可以选择性地通过简单沉积纳米丝模板来获得，从而纳米丝具有槽、十字图案、三角形或其它形状，以在热管内壁提供连接或分离的间隔，在该处具有纳米丝阵列涂层的芯的部分之间的没有纳米丝。
本领域的普通技术人员可以理解的是，不同大小的、包括纳米丝的纳米结构可以用于热管的蒸发器、冷凝器和回路区域。同样地，不同的芯材料可以用于在蒸发器处将工作流体加入纳米丝。例如说，传统的芯可与纳米丝芯混杂，或者选择地或在热管的整个内部芯结构形成图案。以这种方式，可以在管的一部分使用烧结粉末芯而在另外部分使用纳米结构的芯。
可以定义沸腾表面积比(boiling surface area ratio，BSR)等于将具有用于蒸发作用的吸液芯材料的每单位有效表面积除以所述吸液芯材料沿所述热管的内表面所占有的单位面积。对于纳米丝阵列，可以按以下来计算BSR：
C＝纳米丝中心到中心的间距，D＝纳米丝直径，L＝纳米丝长度
BSR＝πDL/C2，假设所述纳米丝的顶端面积可以忽略。
情况#1：假设C＝20nm，D＝10nm，L＝1μm，BSR＝125.6
情况#2：假设C＝250nm，D＝200nm，L＝100μm，BSR＝1962.5
情况#3：假设C＝100nm，D＝60nm，L＝200μm，BSR＝3600
在这种情况下，仅基于纳米丝的外圆柱面积来计算BSR。
对于情况#2，在1cm的材料片上，纳米丝的顶端所占面积大约为0.50cm2，证明可以不予计算。
通过加长纳米丝并且将纳米丝置于狭窄的间距中，能够得到达到约3600的BSR，也即情况#3。典型的烧结金属粉末芯展现约为35的BSR。在美国专利No.4,015,659中公开的吸液芯材料披露了一种材料，该材料依赖于100微米至1毫米的细丝长度范围而具有估计大约为5-50的BSR。本领域的普通技术人员可以理解的是，如果纳米丝的长度相对于它的直径过长，该纳米丝就更可能会断裂或不合格。在优选的实施方式中，纳米丝的纵横比应该低于约2500∶1。该纵横比被定义为纳米丝的截面距离即纳米丝的直径除以该纳米丝的长度。除直径以外，最佳比例依赖于众多因素，而且包括怎样紧密地填充丝。虽然需要所述丝是无支撑的，并如示意图所指出的，但实际中这些丝稍微地彼此倚靠，这改进了支撑更长纳米丝的能力。作为结果，这些纳米丝是基本上无支撑的，意味着虽然在处理的末端纳米丝之间有一些接触，但是这些纳米丝的生长轨迹与分离的丝一样。本领域的普通技术人员还可以理解的是，优选的实施方式制得的纳米丝的截面基本上是圆的。然而，可以使用其它的方法来制造其它的截面形状，这依赖于晶体结构、孔形状和其它的参数。因此，用尺寸“直径”的表示并不局限于圆形截面的尺寸，而也可以用于非圆形截面尺寸。
本发明的发明点在于纳米丝形成吸液芯结构，该吸液芯结构的每个芯的厚度基础上的BSR非常高，在这种情况下，芯的厚度实质上为纳米丝的高度。换而言之，在较薄的芯内有更多的沸腾表面。为了使芯的厚度规格化，BSR可以除以芯的微米厚度，或BSR/t。相应于上述情况1、2和3，本发明的典型应用展现了大约18-125的BSR/t。同时，烧结金属粉末的实例假定了1mm厚的涂层，并因而具有计算为约0.035的BSR/t。金属细丝方法具有比烧结粉末更高的BSR/t，计算为约0.054。对于100微米厚的芯，这些现有技术的材料展现出3-5级别的BSR。
所描述的本发明的实施方式是示例性的，并且多种改变和修改对于本领域技术人员是显而易见的。所有的这种改变和修改均在如随附的权利要求书中所限定的本发明的范围内。
虽然详细地描述和阐述了本发明，可以清楚地理解的是这种描述和阐述仅用以阐述和示例而非用于限制。可以理解的是，为了清楚，在独立的实施方式的内容中描述的本发明的各种特征也可以组合地提供在单独的实施方式中。相反地，为了简明，在单独的实施方式中描述的本发明的各种特征也可以分别地或者以任何合适的组合而提供。可以理解的是，随附所描述的具体实施方式仅用于提供对本发明的特别详细的披露而并不用于限制。
本发明的实质和范围仅由随附的权利要求书所限制。

Claims (81)

1、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。
2、根据权利要求1所述的热管，其中，所述多个纳米丝的至少一个的截面尺寸为大约10纳米至大约400纳米。
3、根据权利要求1所述的热管，其中，所述多个纳米丝的至少一个的直径为大约50纳米至大约250纳米。
4、根据权利要求1所述的热管，其中，所述多个纳米丝从中心到中心基本上以大约20纳米至大约600纳米的间距隔开。
5、根据权利要求1所述的热管，其中，所述多个纳米丝从中心到中心基本上以大约75纳米至大约500纳米的间距隔开。
6、根据由权利要求4限制的权利要求2所述的热管，其中，所述纳米丝的直径至少等于所述纳米丝之间从中心到中心的间距。
7、根据由权利要求5限制的权利要求3所述的热管，其中，所述纳米丝的直径至少等于所述纳米丝之间从中心到中心的间距。
8、根据权利要求1所述的热管，其中，所述至少一个纳米丝的长度为大约100纳米至大约250微米。
9、根据权利要求1所述的热管，其中，所述至少一个纳米丝的长度为大约50微米至150微米。
10、根据权利要求1所述的热管，其中，所述纳米丝的长度为大约1微米至大约250微米，所述纳米丝之间从中心到中心的间距为大约20纳米至大约600纳米，且所述纳米丝的直径为大约10纳米至400纳米，其中所述纳米丝的直径至少等于所述纳米丝之间从中心到中心的间距，并且该丝的纵横比不超过大约2500∶1且至少为1∶1。
11、根据权利要求10所述的热管，其中，所述纳米丝的长度为大约50微米至大约150微米。
12、根据权利要求10所述的热管，其中，基本上垂直于蒸汽流动的轴线所测量的所述热管的截面尺寸为大约500微米至2毫米。
13、根据权利要求1和10所述的热管，其中，所述纳米丝基本上是无支撑的。
14、一种热管，该热管包括至少一种吸液芯材料，所述吸液芯材料包括纳米结构，其中，当热通量为大约100W/cm2至大约200W/cm2时，所述吸液芯材料的热阻低于约0.08℃·cm2/W。
15、一种热管，该热管包括至少一种芯，其中，所述芯包括具有各向异性流动特性的纳米结构材料，从而沿所述管的纵轴对流体流动的阻力基本上高于大约垂直于与所述芯材料邻近的所述热管的内表面对流体流动的阻力。
16、根据权利要求1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13或14所述的热管，其中，所述纳米丝吸液芯材料沿所述热管的内表面占据至少一个选择的区域，该区域的面积小于所述内表面的面积。
17、根据权利要求16所述的热管，其中，所述选择的区域为槽、十字图案、三角形格、网孔中的一种。
18、根据权利要求16所述的热管，其中，所述选择的区域为横过所述内表面的基本上重复的图案。
19、根据权利要求1所述的热管，其中，在基本上蒸发传热流体区域内的所述纳米丝吸液芯材料的纳米丝尺寸与在基本上冷凝传热流体区域内的吸液芯材料的纳米丝尺寸不同。
20、根据权利要求19所述的热管，其中，在所述冷凝区域内的所述吸液芯材料不是纳米结构的吸液芯材料。
21、一种形成热管主体的方法，该热管主体包括封闭了内腔的内表面，该方法包括：在基底上生长纳米丝，将所述基底附着到所述热管主体上，所述纳米丝朝向所述热管的内腔。
22、根据权利要求21所述的方法，其中，该方法包括穿过附着在所述基底上的模板生长所述纳米丝，所述模板具有基本上穿透所述模板至所述基底表面的至少一个孔。
23、根据权利要求22所述的方法，其中，该方法还包括将金属层阳极氧化，以产生所述模板。
24、根据权利要求23所述的方法，其中，所述金属层为铝。
25、根据权利要求23所述的方法，其中，所述模板为氧化铝。
26、根据权利要求23所述的方法，其中，所述阳极氧化的金属层为二氧化钛、二氧化硅、氧化锌、氧化锆、氧化镧、氧化铌、氧化钨、氧化锡、氧化铟、氧化铟锡、氧化锶、氧化钒、氧化钼、钙/钛氧化物、上述材料的混合物中的一种。
27、根据权利要求23所述的方法，其中，该方法还包括检测阳极氧化电流的显著增强，并切断阳极氧化电流作为该检测的结果。
28、根据权利要求27所述的方法，其中，所述阳极氧化电流的增强为之前该电流的基本稳定状态值的大约2-3倍时的结果是，所述切断发生。
29、根据权利要求21所述的方法，其中，该方法还包括通过将光能反射离开表面、并检测反射光的至少一个光谱特性而表征生长了纳米丝的所述基底的表面。
30、根据权利要求29所述的方法，其中，所述检测光谱特性为检测在纳米丝内两种模式的等离子体共振的大约波长下反射光与入射光的夹角。
31、根据权利要求22所述的方法，其中，该方法包括通过电镀金属的方式在模板内的至少一个孔内生长纳米丝。
32、根据权利要求31所述的方法，其中，所述电镀电流为大约200毫安至大约600毫安。
33、根据权利要求31所述的方法，其中，所述电镀电压为大约0.75伏特。
34、根据权利要求31所述的方法，其中，所述金属为铜。
35、根据权利要求31所述的方法，其中，所述金属包括Cd、Fe、Au、Ag、Ni或钼中的一种。
36、根据权利要求31所述的方法，其中，该方法还包括蚀刻所述模板。
37、根据权利要求36所述的方法，其中，所述蚀刻液为磷酸、NaOH、HCl、H2SO4、HF、氢氧化钠中的一种。
38、根据权利要求22所述的方法，其中，所述模板为氧化铝滤膜。
39、一种热管，该热管包括至少一种吸液芯材料，其中，所述至少一种吸液芯材料占据所述热管空腔内部表面的区域，其中所述吸液芯材料的沸腾表面比为大约125至大约3600。
40、一种热管，该热管包括至少一种吸液芯材料，其中，所述至少一种吸液芯材料占据所述热管空腔内部表面的区域，其中所述吸液芯材料的沸腾表面比高于约125并低于约1962。
41、根据权利要求39所述的热管，其中，所述沸腾表面比除以所测量的所述吸液芯材料的微米厚度等于大约18至大约125。
42、根据权利要求39所述的热管，其中，所述沸腾表面比除以所测量的所述吸液芯材料的微米厚度等于大约1500至大约2500。
43、根据权利要求39、40、41或42所述的热管，其中，所述吸液芯材料为纳米结构的。
44、根据权利要求43所述的热管，其中，所述纳米结构为纳米丝阵列。
45、一种形成热管主体的方法，该热管主体包括封闭了内腔的内表面，该方法包括：在所述内表面的至少一个区域上生长纳米丝。
46、根据权利要求45所述的方法，其中，该方法包括穿过附着在所述内表面的模板生长所述纳米丝，所述模板具有基本上穿透该模板至所述内表面的表面的至少一个孔。
47、根据权利要求46所述的方法，其中，该方法还包括将金属层阳极氧化，以产生模板。
48、根据权利要求47所述的方法，其中，所述金属层为铝。
49、根据权利要求47所述的方法，其中，所述模板为氧化铝。
50、根据权利要求47所述的方法，其中，所述阳极氧化的金属层为二氧化钛、二氧化硅、氧化锌、氧化锆、氧化镧、氧化铌、氧化钨、氧化锡、氧化铟、氧化铟锡、氧化锶、氧化钒、氧化钼、钙/钛氧化物、上述材料的混合物中的一种。
51、根据权利要求47所述的方法，其中，该方法还包括检测阳极氧化电流的显著增强，并切断阳极氧化电流作为该检测的结果。
52、根据权利要求51所述的方法，其中，所述阳极氧化电流的增强为之前该电流的基本稳定状态值的大约2-3倍时的结果是，所述切断发生。
53、根据权利要求45所述的方法，其中，该方法还包括通过将光能反射离开表面、并检测反射光的至少一个光谱特性而表征生长了纳米丝的所述基底的表面。
54、根据权利要求46所述的方法，其中，所述检测光谱特性为检测在纳米丝内两种模式的等离子体共振的大约波长下反射光与入射光的夹角。
55、根据权利要求46所述的方法，其中，该方法包括通过电镀金属的方式在所述模板内的至少一个孔内生长纳米丝。
56、根据权利要求55所述的方法，其中，所述电镀电流为大约200毫安至大约600毫安。
57、根据权利要求55所述的方法，其中，所述电镀电压为大约0.75伏特。
58、根据权利要求55所述的方法，其中，所述金属为铜。
59、根据权利要求55所述的方法，其中，所述金属为Cd、Fe、Au、Ag、Ni、Mb中的一种。
60、根据权利要求55所述的方法，其中，该方法还包括蚀刻所述模板。
61、根据权利要求60所述的方法，其中，所述蚀刻液为磷酸、NaOH、HCl、H2SO4、HF、氢氧化钠中的一种。
62、根据权利要求55所述的方法，其中，所述模板为氧化铝滤膜。
63、一种制备热管的方法，所述热管包括主体和内部空腔，该方法包括：
用第二金属覆盖含有第一金属的基底；
通过阳极氧化的方式来氧化所述第二金属，从而氧化物形成孔；
在所述孔内电镀第三金属，以形成纳米丝；
蚀刻所述第二金属的氧化物，从而所述纳米丝变为基本上无支撑的；
将所述基底附着到所述热管主体上，以使所述纳米丝在所述热管的内部空腔内。
64、一种制备热管的方法，所述热管包括金属主体，所述金属主体包括具有内表面的空腔，该方法包括：
用第二金属覆盖内表面的区域；
通过阳极氧化的方式来氧化所述第二金属，从而所述氧化物形成孔；
在所述孔内电镀金属，以形成纳米丝；
蚀刻所述金属氧化物，从而所述纳米丝变为基本上无支撑的。
65、一种热管，该热管包括至少一种吸液芯材料，其中，所述至少一种吸液芯材料为纳米结构的，并且占据所述热管空腔内部表面的区域，其中所述吸液芯材料的沸腾表面比为大约125至大约3600。
66、一种热管，该热管包括至少一种吸液芯材料，其中，所述至少一种吸液芯材料为纳米结构的，并且占据所述热管空腔内部表面的区域，其中所述吸液芯材料的沸腾表面比高于约125并低于约1962。
67、根据权利要求66所述的热管，其中，所述沸腾表面比除以测量的所述吸液芯材料的微米厚度等于大约18至大约125米。
68、根据权利要求65、66或67所述的热管，其中，所述纳米结构的吸液芯材料包括多个纳米丝，其中所述纳米丝的长度为大约1微米至大约250微米。
69、根据权利要求68所述的热管，其中，基本上垂直于蒸汽流动的轴线所测量的所述热管的截面尺寸为大约500微米至2毫米。
70、根据权利要求68所述的热管，其中，所述纳米丝为无支撑的，并且基本上规则地隔开。
71、一种使用纳米结构热管来冷却电子设备的方法，该方法包括将所述设备产生的热传导至吸液芯材料中，所述吸液芯材料包括基本上由流体环绕的纳米丝阵列，该方法还包括蒸发所述流体。
72、根据权利要求71所述的方法，其中，所述纳米丝阵列包括多个纳米丝，所述纳米丝的长度为大约1微米至大约250微米，所述纳米丝之间从中心到中心的间距为大约20纳米至大约600纳米，且所述纳米丝的直径为大约10纳米至400纳米，其中所述纳米丝的直径至少等于所述纳米丝从中心到中心的间距，并且该丝的纵横比不超过大约2500∶1且大于1∶1。
73、根据权利要求72所述的方法，其中，所述纳米丝的长度为大约50微米至大约100微米。
74、根据权利要求72所述的方法，其中，基本上垂直于蒸汽流动的轴线所测量的所述热管的截面尺寸为大约500微米至2毫米。
75、根据权利要求71所述的方法，其中，所述纳米丝为基本上无支撑的。
76、根据权利要求1-15中任意一项所述的热管，其中，所述纳米丝的间距为渐变的，从而在冷凝器区域所述纳米丝相对稀疏并且在蒸发器区域更加紧密填充。
77、根据权利要求21-26或45-49中任意一项所述的方法，其中，在选择的区域上存在所述纳米丝的生长。
78、根据权利要求21-26或45-49中任意一项所述的方法，其中，该方法还包括在阳极氧化前，使用微平板印刷技术以改变将要阳极氧化的金属表面的外形。
79、根据权利要求1-15中任意一项所述的热管，其中，所述纳米丝基本上规则地隔开。
80、根据权利要求1-15中任意一项所述的热管，其中，所述纳米丝基本上朝向基本上垂直于所述基底的平面。
81、根据权利要求44所述的热管，其中，所述纳米丝阵列包括多个纳米丝，其中所述纳米丝的长度为大约1微米至大约250微米，所述纳米丝从中心到中心的间距为大约20纳米至600纳米，且所述纳米丝的直径为大约10纳米至400纳米，其中所述纳米丝的直径至少等于所述纳米丝从中心到中心的间距，并且该丝的纵横比不超过大约2500∶1并大于1∶1。
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