CN102425966A - 一种纳米乳液脉动热管的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种纳米乳液脉动热管的制造方法，应用于微电子和半导体元器件的高效散热冷却，将体积比是9％的纯水和冷却液FC-72一起放入杯中形成纯水在上层、冷却液FC-72在下层的分层混合液；在分层混合液中添加体积占2%的、浓度是21%的表面活性剂CF3(CF2)nCOONa溶液，制得水－FC-72纳米乳液；用毛细管道弯折制成脉动热管，通过脉动热管的端口抽真空，将所述的水－FC-72纳米乳液通过端口注入并封闭脉动热管后制得纳米乳液脉动热管；纳米乳液有效克服了使用过程中易于团聚沉积的不足，脉动热管在使用纳米乳液后，其内部工质的整体导热性能得到较大幅度的提高，纳米乳液的液滴的布朗运动热迁移和微对流作用进一步提高了工质的传热效果，从而增强了热管的传热能力。

Description

一种纳米乳液脉动热管的制造方法
技术领域
本发明涉及一种换热冷却脉动热管的制造方法，应用于微电子和半导体元器件的高效散热冷却。
背景技术
随着微电子和半导体通讯技术的迅速发展，各种电子器件的集成化、微型化和高频化已成为重要发展趋势，直接导致其工作热负荷和单位面积发热量的显著增加，传统的翅片加风扇冷却方式已越来越难以满足如此高强度的散热要求。
脉动热管（又称振荡热管）是一种具有极强传热能力的热管，管径尺寸小(一般为1－5mm)，由毛细管呈蛇形弯折而成，运行时兼有相变和振荡换热的特点，可用于微电子冷却、光电器件冷却、高效节能热交换以及空间飞行器热管等。
纳米流体是一种高效换热流体或冷却液，由固体纳米颗粒和基液（水、有机液等）混合制备而成，尽管纳米流体能够有效增强脉动热管的传热效果，但长期使用后存在纳米颗粒沉降和壁面积聚，并使热管传热效果下降的缺陷。
Yang和Han 在《Applied Physics Letters》（应用物理快报）（2008年卷92编号013118）上发表的“Thermophysical characteristics of water-in-FC72 nanoemulsion fluids”（水－FC72纳米乳液的热特性）一文中提出，使用由基液和纳米液滴（尺寸1－100nm）配置而成的纳米乳液同样可起到类似纳米流体的作用，能够明显增强流体的换热效果。目前，虽然纳米乳液在强化传热方面显示出有效果，但至今还未见有将纳米乳液应用于热管等传热元件方面的技术报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种纳米乳液脉动热管的制造方法，将脉动热管与纳米乳液相结合，以纳米乳液为工质并将其引入脉动热管，结合脉动热管和纳米乳液各自在强化传热方面的优势，进一步增强脉动热管的传热能力，使其能更好地应用于元器件的高效散热冷却。
本发明的技术方案是采用如下步骤：（1）将体积比是9％的纯水和冷却液FC-72一起放入杯中形成纯水在上层、冷却液FC-72在下层的分层混合液；（2）在分层混合液中添加体积占2%的、浓度是21%的表面活性剂CF3(CF2)nCOONa溶液，制得水－FC-72纳米乳液；（3）用毛细管道弯折制成脉动热管，通过脉动热管的端口抽真空，将所述的水－FC-72纳米乳液通过端口注入并封闭脉动热管后制得纳米乳液脉动热管。
本发明的有益效果是：本发明的纳米乳液在继承纳米流体高导热特点的同时，有效克服了其使用过程中易于团聚沉积的不足，具有稳定性好、适宜大量制备、液滴尺寸较易控制等优点。脉动热管在以纳米乳液为工质的情况下可长期使用且保持强化传热的作用。脉动热管在使用纳米乳液后，其内部工质的整体导热性能可得到较大幅度的提高，而纳米乳液的液滴的布朗运动热迁移和微对流作用则进一步提高了工质的传热效果，从而增强了热管的传热能力，传热性能在长时间运行下仍可保持稳定，且停止运行重新启动后仍具有上述特性。
附图说明
图1为水－FC-72纳米乳液配置流程示意图；
图2为图1中FC-72包裹的纳米水滴的放大示意图；
图3为脉动热管示意图。
具体实施方式
如图1所示，先将纯水经加热处理，充分去除其内部所含有的不凝性空气，将处理后的纯水和电子冷却液FC-72一起放入杯中，形成分层混合液，冷却液FC-72在下层，纯水在上层，其中水的体积占分层混合液的9％。然后在分层混合液中添加体积占分层混合液2%的表面活性剂CF3(CF2)nCOONa溶液，该表面活性剂CF3(CF2)nCOONa溶液的浓度是21%；表面活性剂的亲水基团可与水相结合，而亲油基团则与FC-72结合，形成“油包水”结构，可使FC-72很好的包裹纳米水滴，如图2所示。最后利用超声细胞破碎仪对混合液进行超声处理，由此制成稳定分散的水－FC-72纳米乳液；该水－FC-72纳米乳液中的纳米水滴的尺寸可小至数十乃至数纳米，能够在FC-72中长期稳定悬浮超过半年。
如图3所示，利用内径为2mm、外径为3mm的毛细管道弯折制作成包含五个弯头的脉动热管，在脉动热管的端口1处抽真空，通过抽真空处理，将脉动热管内部空气充分排除，然后将上述制作得到的水－FC-72纳米乳液工质通过端口1注入脉动热管中，至30%－70%70%充液率（工质所占体积与热管内部空间体积之比）后即刻封闭该脉动热管，脉动热管的管腔中是由水－FC-72纳米乳液工质所形成的一段汽塞2的形状和一段液塞3的形状，即在表面张力作用下毛细管道内形成随机交替分布的汽塞2和液塞3。
整个脉动热管在靠近端口1端是冷凝段4，远离端口1端的另一端是蒸发段5。将金属加热丝缠绕在蒸发段5处，通电后对其进行加热处理，用以模拟散热元器件的发热情况，发热量的大小可通过调节电压和电流大小来控制。在一端加热、另一端冷却的情况下，脉动热管冷热段4和各管子间可形成压差和压力波动，驱动汽塞2和液塞3在冷热端间来回反复振荡，汽塞2和液塞3在冷热端间的反复来回振荡可迅速吸收并传递需要冷却的元器件的热量，并将其温度限制的安全范围内，实现热量由热端向冷端的传递。在冷凝段4和蒸发段5间建立温差后可使脉动热管长期稳定运行，由此实现对元器件的散热冷却作用。
图3中的毛细管道的截面形状可以是圆形，也可以是矩形，根据需要还可加工成三角形或梯形，需要冷却的元器件与脉动热管的蒸发段5直接贴合固结在一起，冷凝段4则由风冷或液冷的方式进行冷却。
由此制得的水－FC-72纳米乳液脉动热管同时可以模拟对发热微电子和半导体元器件的冷却作用。与充注纯FC-72时相比，脉动热管使用水－FC-72纳米乳液后可明显增强其传热效果，并提高整个热管的均温性。在30%-70%的充液率下，以水的体积占9%的水－FC-72纳米乳液为工质的脉动热管比使用纯FC-72时冷热端温差最大可下降24%。
 本发明中的纳米乳液则可根据使用需要选用具有合适热导率的液体材料，其中基液一般为亲油的碳氢化合物，而纳米液滴则可选择水或亲水的醇类。

Claims (5)

1.一种纳米乳液脉动热管的制造方法，其特征是采用如下步骤：
（1）将体积比是9％的纯水和冷却液FC-72一起放入杯中形成纯水在上层、冷却液FC-72在下层的分层混合液；
（2）在分层混合液中添加体积占2%的、浓度是21%的表面活性剂CF3(CF2)nCOONa溶液，制得水－FC-72纳米乳液；
（3）用毛细管道弯折制成脉动热管，通过脉动热管的端口抽真空，将所述的水－FC-72纳米乳液通过端口注入并封闭脉动热管后制得纳米乳液脉动热管。
2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征是：步骤3）中的脉动热管的充液率为30%－70%，毛细管道内形成有随机交替分布的汽塞和液塞；在靠近端口端是冷凝段，远离端口端的另一端是蒸发段。
3.根据权利要求1所述的制造方法，其特征是：步骤2）之后，利用超声细胞破碎仪对分层混合液进行超声处理。
4.根据权利要求1所述的制造方法，其特征是：步骤3）中的毛细管道的截面形状是圆形、矩形、三角形或梯形。
5.根据权利要求1所述的制造方法，其特征是：步骤1）中，先将纯水经加热处理，去除其内部所含有的不凝性空气。
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