CN102359746B - 一种齿状热管的复合吸液芯及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种齿状热管的复合吸液芯及其制造方法。该复合吸液芯的紫铜粉末颗粒和紫铜纤维混合烧结在紫铜管内壁微沟槽上；紫铜粉末颗粒之间、紫铜粉末颗粒与紫铜纤维之间以及紫铜粉末颗粒与管壁微沟槽之间形成两种孔隙结构，铜粉末粒径为80网目~200网目；紫铜纤维的长度为2mm~10mm。制造时，用旋压方式将光壁紫铜管加工出管壁微沟槽；用芯棒插入沟槽铜管中形成吸液芯的空间范围，均匀填入紫铜粉末颗粒和紫铜纤维混合物；置于真空保护式烧结炉中烧结；炉冷至室温，卸除芯棒，得到复合吸液芯。本发明制造工艺简单、生产成本低廉，兼备烧结热管和沟槽热管的特点，提供了一种毛细压力大、热阻低、机械强度高的齿状热管的复合吸液芯。

Description

一种齿状热管的复合吸液芯及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种传热用热管，特别是涉及一种齿状热管的复合吸液芯结构及其制造方法。

背景技术

当今微电子产品技术快速发展，芯片表面面积逐步缩小，热流密度急剧增加，造成微电子产品散热不良，大大减少元件的使用寿命，传统的散热结构已经很难满足现阶段微电子行业的需求。具有高导热率、高可靠性、热响应快、无需额外电力驱动等特点的热管因此成为当前高热流密度芯片散热的理想条件。热管的传热性能主要由毛细吸液芯结构决定，目前常用的吸液芯结构包括：沟槽型、烧结型和丝网型。沟槽式吸液芯槽道液体流动阻力甚小，但毛细压头较小，传热量较小，且热管传热方向性很强，热管变形会破坏堵塞微沟槽；烧结式吸液芯具有较大的毛细抽吸力，传热量较大，但存在毛细压力提高的同时液体回流阻力增大的矛盾；而丝网式微热管可得到很高的传热性能，但因制造工艺重复性差已基本被淘汰。

中国发明专利200610124232.3公开了在光壁紫铜圆管加工出内壁微沟槽的设备以及加工方法，利用密闭腔体中的旋压球旋压铜管外壁来传递旋压力，铜管在旋压球的高速旋转以及内壁刀具的共同作用下受复杂挤压力作用，局部产生塑性变形，加工出微沟槽。该专利加工出的带有微沟槽的热管对工质的毛细力还有待进一步提高，回流阻力有待进一步减小。 

发明内容

本发明的目的是克服现有热管吸液芯的不足，提出一种毛细压力大、回流阻力小、热阻低的齿状热管复合吸液芯。

本发明另一目的是提出上述齿状热管复合吸液芯的制备方法，该方法制造工艺简单、设备要求低、成本低廉。

本发明的齿状热管吸液芯由紫铜粉末混合紫铜纤维成多孔材料烧结在管壁微沟槽上，形成热管复合吸液芯。这种吸液芯具有沟槽热管、烧结热管和丝网热管的特点，并能弥补结构之间的缺点，增强工质流体的蒸发冷凝作用，提高毛细力，减少回流阻力，增加工质液体回流的导向作用，从而提高热管的传热性能。

本发明目的通过如下技术方案实现：

一种齿状热管的复合吸液芯，包括管壁微沟槽、紫铜粉末颗粒和紫铜纤维；紫铜粉末颗粒和紫铜纤维混合烧结在紫铜管内壁微沟槽上；紫铜粉末颗粒之间、紫铜粉末颗粒与紫铜纤维之间以及紫铜粉末颗粒与管壁微沟槽之间形成两种孔隙结构，紫铜纤维之间不连接；其中，紫铜粉末颗粒之间形成的孔隙小于单颗粉末体积的一半，为小孔隙；紫铜粉末颗粒与紫铜纤维之间、紫铜粉末颗粒与微沟槽之间形成的孔隙大于单颗粉末体积的一半，为大孔隙；管壁沟槽齿数为30~70，齿高为0.1~0.25mm，齿宽为0.10~0.20mm；铜粉末粒径为80网目~200网目；紫铜纤维的长度为2mm~10mm。

所述紫铜粉末颗粒与紫铜纤维的质量比为6~10:1。

一种齿状热管的复合吸液芯的制造方法，包括如下步骤和工艺条件：

（1）利用钢球旋压的工艺，将光壁紫铜管的内壁加工出微沟槽；

（2）在沟槽紫铜圆管中插入不锈钢芯棒形成环形的吸液芯填充空间，填入紫铜粉末颗粒与紫铜纤维的均匀混合物；

（3）将填好粉的紫铜圆管放在支架上并固定，置于真空保护式烧结炉中加热，升温过程中，均匀加热，在加热至700℃时保温30分钟，然后900℃~1000℃温度下保温烧结30分钟~120分钟；

（4）烧结完成后，炉冷至室温，取出支架，拔出芯棒，即在紫铜圆管内部得到均匀铜粉混合铜纤维吸液芯。

进一步地，所述管壁微沟槽的单个齿截面为矩形或者梯形。

所述的紫铜粉末颗粒是用水雾化加工制成，形状为不规则状铜粉、球状铜粉其中的一种或者两种的混合物。

所述的紫铜纤维由熔抽法、拉拔法或切削法制备。

可对紫铜圆管中的芯棒进行表面处理，以减小芯棒在拔出时的拔出力，避免吸液芯结构遭到破坏或者芯棒拔不出。有效的表面处理方法为，在芯棒表面涂一层抗高温的脱模剂，或者对芯棒表面进行高温渗氮。

本发明紫铜粉末颗粒之间、紫铜纤维之间、紫铜粉末颗粒与紫铜纤维之间、紫铜粉末颗粒与微沟槽之间的孔隙结构形态都受到吸液芯烧结工艺的影响。烧结温度过低，紫铜粉末颗粒之间、紫铜纤维之间、紫铜粉末颗粒与紫铜纤维之间、紫铜粉末颗粒与微沟槽之间的粘结不充分，孔隙过大，吸液芯结构强度不够，容易脱落；烧结温度过高，紫铜粉末颗粒、紫铜纤维之间与微沟槽会变成熔融状态、粘结成块状，无明显的孔隙结构，堵塞吸液芯通道。经反复测试，确定本发明烧结温度范围为900℃~1000℃。

相对于现有吸液芯结构，本发明的优点在于：

1、本发明包括管壁微沟槽、紫铜粉末颗粒和紫铜纤维，三种结构复合吸液芯，能相互弥补各自独立的缺点，增强工质流体的蒸发冷凝作用；烧结层提高毛细力，管壁微沟槽减少回流阻力，紫铜纤维增加工质液体回流的导向作用，从而提高热管的传热性能；

2、本发明紫铜粉末颗粒之间、紫铜粉末颗粒与紫铜纤维之间以及紫铜粉末颗粒与管壁微沟槽之间形成两种孔隙结构，其中，紫铜粉末颗粒之间形成的孔隙小于单颗粉末体积的一半，为小孔隙；紫铜粉末颗粒与紫铜纤维之间、紫铜粉末颗粒与微沟槽之间形成的孔隙大于单颗粉末体积的一半，为大孔隙；两种孔隙结构有利于提高工质液体回流阻力。

3、本发明的齿状热管的复合吸液芯比相同环境、相同尺寸的铜粉烧结热管功率要高10W-20W以上。在反重力位置，比相同环境、相同尺寸的沟槽热管功率要高20W左右。

附图说明

图1为加工铜管内壁微沟槽设备的示意图；

图2为具有微沟槽的紫铜圆热管截面图；

图3为不规则紫铜粉末颗粒与紫铜纤维均匀混合的多孔材料示意图；

图4为球形铜粉与紫铜纤维均匀混合的多孔材料示意图；

图5为烧结温度曲线；

图6为具有紫铜粉末颗粒复合紫铜纤维复合沟槽的吸液芯截面图；

图7为具有紫铜粉末颗粒复合紫铜纤维复合沟槽的吸液芯局部放大图；

其中1为紫铜圆管，2为管壁微沟槽，3为紫铜粉末颗粒，4为紫铜纤维，5为钢球，6为多齿刀具。 

具体实施方式

为更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但是本发明要求保护的范围并不局限于实施方式表述的范围。

如图6、7所示，本发明齿状热管的复合吸液芯包括管壁微沟槽2、紫铜粉末颗粒3与紫铜纤维4，管壁微沟槽2的齿数为30~70，齿高为0.1~0.25mm，齿宽为0.10~0.20mm；紫铜粉末粒径为80网目~200网目，紫铜粉末颗粒是用水雾化加工工艺制成，形状是不规则状铜粉、球状铜粉其中的一种或者两种的混合物。紫铜纤维直径为100μm~200μm，长度一般为2mm~10mm，紫铜纤维可以是由不同的制造方法所得，如：熔抽法、拉拔法和切削法。且紫铜纤维的直径可以是单一值，也可以是几种直径铜纤维的混合物，以单一值居多，常用的纤维直径为100μm~200μm。紫铜纤维的长度可以是单一值，也可以是几种长度铜纤维的混合物。过长的紫铜纤维很难填入紫铜圆管中。紫铜粉末颗粒和紫铜纤维混合烧结在紫铜管内壁微沟槽上。紫铜粉末颗粒之间、紫铜粉末颗粒与紫铜纤维之间、紫铜粉末颗粒与微沟槽之间形成孔隙结构。由于材料体积不同，相同温度下熔融状态也就不同，紫铜粉末颗粒体积小，烧结变形相对较大；紫铜纤维与微沟槽体积大，烧结变形相对较小。因此三者之间形成的孔隙结构也就不同，紫铜粉末颗粒之间形成的孔隙一般小于单颗粉末体积的一半，归类为小孔隙；紫铜粉末颗粒与紫铜纤维之间、紫铜粉末颗粒与微沟槽之间形成的孔隙一般大于单颗粉末体积的一半，通常相当于单颗粉末体积或者更大，归类为大孔隙。紫铜纤维之间不连接；紫铜粉末颗粒和紫铜纤维的表面形态和质量比可调，管壁微沟槽尺寸可调，以获得不同的孔隙结构。

紫铜粉末颗粒与紫铜纤维复合成多孔材料，烧结在管壁微沟槽上，吸液芯同时具有沟槽热管、烧结热管和丝网热管的特点，并能弥补结构之间的缺点，增强工质流体的蒸发冷凝作用，提高毛细力，减少回流阻力，增加工质液体回流的导向作用，从而提高热管的传热性能。

如图1和图2所示，应用中国专利200610124232.3所述设备，通过钢球高速旋压工艺，将光壁紫铜圆管1加工出内壁微沟槽2。单齿横截面可以是矩形，根据旋压刀具形状决定。管壁沟槽齿数为55，齿高为0.25mm，齿宽为0.17mm，整体尺寸可在该范围内调整，齿形尺寸可调，以达到不同孔隙结构。

图3和图4为紫铜粉末颗粒与紫铜纤维的多孔材料。紫铜粉末颗粒是用水雾化加工工艺制得，形状可以是不规则状铜粉、球状铜粉其中的一种或者两种的混合物。紫铜粉末颗粒的直径可以是单一值，也可以是某一范围配比，且粒径范围的大小也是可以选择的。选用的紫铜粉末粒径为100网目~140网目。紫铜纤维可以是由不同的制造方法所得，如：熔抽法、拉拔法和切削法。且紫铜纤维的直径可以是单一值，也可以是几种直径铜纤维的混合物，以单一值居多，选用的纤维直径为150μm。紫铜纤维的长度可以是单一值，也可以是几种长度铜纤维的混合物，以单一值居多，单根长度一般为2mm，过长的紫铜纤维很难填入紫铜圆管中。图2为不规则状铜粉与紫铜纤维的复合多孔材料，相对而言，不规则状铜粉表面不规则，铜粉颗粒与铜纤维的接触点较多，接触面积较大。图3所示的为球形铜粉与紫铜纤维的复合多孔材料，球形铜粉表面呈较光滑的球面，相对而言，颗粒与纤维之间的接触点较少，联接面积较小。一般使用不规则铜粉较多。

实施例1：

一种齿状热管的复合吸液芯的制造方法，包括如下步骤和工艺条件：

（1）齿状热管的加工：利用密闭腔体中的高压油层，使旋压球旋压铜管外壁来传递旋压力，铜管在旋压球的高速旋转以及内壁刀具的共同作用下受复杂挤压力作用，局部产生塑性变形，加工出微沟槽。

（2）填料：取粒径为100- 140目紫铜粉末颗粒，紫铜粉末颗粒为球形状铜粉和不规则状铜粉，以不规则状铜粉颗粒居多。取直径为150μm，长度为2mm铜纤维，紫铜粉末颗粒与紫铜纤维的质量比为8:1；在紫铜圆管中放入芯棒形成环形的吸液芯填充空间，填入一定质量的紫铜粉末颗粒与紫铜纤维的混合物；对于紫铜粉末颗粒混合紫铜纤维的填入，必须保证芯棒和紫铜圆管的同心度，若芯棒不处于铜管的中心位置，烧结之后的吸液芯会产生偏心，从而影响微热管的传热性能；对紫铜圆管中的芯棒进行表面处理，以减小芯棒在拔出时的拔出力，避免吸液芯结构遭到破坏或者芯棒拔不出。有效的表面处理方法为，在芯棒表面涂一层抗高温的脱模剂，例如涂覆氮化硼溶液，或者对芯棒表面进行高温渗氮。

（3）烧结：将填好粉的紫铜圆管放在支架上并固定，置于真空保护式烧结炉中进行烧结，温度设置为950℃，烧结时间设置为90分钟，升温过程中，烧结炉升温速度控制为300℃/h，均匀加热，并在加热至700℃时保温30分钟，然后再升温到设定温度烧结。

图5所示为吸液芯烧结温度曲线。烧结炉一般为真空保护式烧结炉或者气体保护烧结炉，将填好粉的紫铜圆管垂直放在支架上并固定，置于烧结炉中加热，升温过程中，均匀加热，并在加热至700℃时保温30分钟，确保炉内温度统一，然后950℃温度下保温烧结90分钟。烧结完成后，炉冷至室温，取出支架，拔出芯棒，即在紫铜圆管内部得到均匀铜粉混合铜纤维吸液芯。

（4）成型：烧结完成后，炉冷至室温，取出支架，人工或利用工具将铜管中的芯棒拔出，即在紫铜圆管内部得到铜粉混合铜纤维吸液芯。

在水平位置测试下，本实施例做出来的样品比相同环境、相同尺寸的铜粉烧结热管功率要高10W-20W以上。在反重力位置，例如加热段在下冷凝段在上，位置为倾斜10度角度，比相同环境、相同尺寸的沟槽热管功率要高20W左右。 

实施例2

与实施例1相比，不同之处是：紫铜圆管管壁沟槽齿数为55，齿高为0.25mm，齿宽为0.17mm。紫铜粉末粒径为120网目~140网目，紫铜纤维的单根长度为2mm，两者质量以10:1的比例混合成烧结材料。保温烧结温度为940℃，保温90分钟，可获得复合吸液芯。传热效果与实施例1基本相同。

实施例3

与实施例1相比，不同之处是：紫铜圆管管壁沟槽齿数为60，齿高为0.25mm，齿宽为0.15mm。紫铜粉末粒径为80网目~100网目，紫铜纤维的单根长度为2mm，两者质量以6:1的比例混合成烧结材料。保温烧结温度为970℃，保温90分钟，可获得复合吸液芯。传热效果与实施例1基本相同。

Claims (6)

1.一种齿状热管的复合吸液芯，其特征在于，包括管壁微沟槽、紫铜粉末颗粒和紫铜纤维；紫铜粉末颗粒和紫铜纤维混合烧结在紫铜管内壁微沟槽上；紫铜粉末颗粒之间、紫铜粉末颗粒与紫铜纤维之间以及紫铜粉末颗粒与管壁微沟槽之间形成两种孔隙结构，紫铜纤维之间不连接；其中，紫铜粉末颗粒之间形成的孔隙小于单颗的紫铜粉末颗粒体积的一半，为小孔隙；紫铜粉末颗粒与紫铜纤维之间、紫铜粉末颗粒与微沟槽之间形成的孔隙大于单颗的紫铜粉末颗粒体积的一半，为大孔隙；管壁沟槽齿数为30～70，齿高为0.1～0.25mm，齿宽为0.10～0.20mm；铜粉末粒径为80网目～200网目；紫铜纤维的长度为2mm～10mm。

2.根据权利要求1所述的齿状热管的复合吸液芯，其特征在于：所述紫铜粉末颗粒与紫铜纤维的质量比为6~10:1。

3.权利要求1或2所述一种齿状热管的复合吸液芯的制造方法，其特征在于，包括如下步骤和工艺条件：

（1）利用钢球旋压的工艺，将光壁紫铜管的内壁加工出微沟槽；

（2）在沟槽紫铜圆管中插入不锈钢芯棒形成环形的吸液芯填充空间，填入紫铜粉末颗粒与紫铜纤维的均匀混合物；

（3）将填好所述混合物的紫铜圆管放在支架上并固定，置于真空保护式烧结炉中加热，升温过程中，均匀加热，在加热至700℃时保温30分钟，然后900℃～1000℃温度下保温烧结30分钟～120分钟；

（4）烧结完成后，炉冷至室温，取出支架，拔出芯棒，即在紫铜圆管内部得到均匀铜粉混合铜纤维吸液芯。

4.根据权利要求3所述的齿状热管的复合吸液芯的制造方法，其特征在于：所述管壁微沟槽的单个齿截面为矩形或者梯形。

5.据权利要求3所述的齿状热管的复合吸液芯的制造方法，其特征在于：所述的紫铜粉末颗粒是用水雾化加工制成，形状为不规则状铜粉、球状铜粉其中的一种或者两种的混合物。

6.据权利要求3所述的齿状热管的复合吸液芯的制造方法，其特征在于：所述的紫铜纤维由熔抽法、拉拔法或切削法制备。

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