CN102628655B - 一种脉动热管扩热板及其制作方法 - Google Patents

一种脉动热管扩热板及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种脉动热管扩热板及其制作方法，所述脉动热管扩热板(1)按照如下顺序制作：在基板(9)上加工出若干个平行的毛细管槽道(7)，相邻两毛细管槽道(7)之间切割出一狭缝(8)；在基板(9)开有毛细管槽道(7)和狭缝(8)的一面焊接上盖板(6)；在基板(9)的两端面上分别焊接前、后堵头(11、12，11’、12’)，由此形成脉动热管(2)的管壳，其中前堵头(11、11’)上还设置连通环路(11-1、11’-1)和充液管(3)；对管壳进行清洗、检漏、充装介质，之后进行封口处理。本发明的脉动热管扩热板是一种高效导热元件，并且结构简单，易加工，利用脉动热管的特性和微尺度强化换热方法增大换热量，使得电子元器件的工作性能更加可靠，能广泛应用于电子元器件的冷却领域。

Description

一种脉动热管扩热板及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种脉动热管扩热板及其制作方法，制备的脉动热管扩热板是一种高效导热元件，能广泛应用于电子元器件的冷却领域。
技术背景
目前，电子产品广泛应用于计算机、航空航天、通信、军工、民用电子设备等领域。而电子元器件可靠性的改善、功率容量的增加以及结构的微小型化等都直接取决于器件本身热控制的完善程度，因此散热问题已成为电子产品稳定运行、研制与发展的关键问题。
电子元器件的正常工作温度范围一般为-5～+65℃，超过这个温度范围，元件的性能明显下降，不能稳定工作，这将影响系统运行的可靠性。研究和实际应用表明，单个半导体元件的温度每升高10℃，系统的可靠性将降低50％，温度每下降10℃，其寿命会延长一倍。尤其是随着电子技术的迅速发展，电子器件的高频、高速以及集成电路的密集和小型化，使得单位容积电子器件的发热量快速增大。以微电子芯片为例，目前其散热量一般已达60～90W/cm2，最高已达200W/cm2。由此可见，电子设备的散热在多个领域都备受关注，成为急需解决的关键技术问题。脉动热管作为一种新型、高效的传热元件，结构简单、成本低、可实现高热流、安装方便等特点，在微电子元器件的冷却以及航空航天领域的热控制技术中极具应用和发展潜力。
脉动热管的运行原理和传热特性与传统热管有很大的区别。脉动热管工作时，一般可分为三部分，管的两端分别为加热段和冷却段，管的中部为绝热段，绝热段也可省略。如图1所示，为脉动热管的基本原理示意图，其运行原理为：当管径足够小时，管内将形成串联的汽塞和液塞；在加热段，汽泡或汽柱与管壁之间的液膜将不断受热蒸发，导致汽泡膨胀，压力升高；同时在冷却段，汽泡将冷凝缩小并破裂，压力下降，致使加热段和冷凝段之间产生了驱动压力差，推动汽、液段塞在加热段和冷却段之间往复运动，热量从一端传向了另一端，从而实现热的传递或温度控制。可见，在脉动热管中，工质的相变主要是为工质提供动力，相变换热在脉动热管的总传递热流中所占的比重较小，热管主要依靠工质的显热变化实现热量传递。
发明内容
本发明的目的在于针对电子元器件现有散热技术的缺点和不足，提供一种脉动热管扩热板及其制作方法，以提高电子元器件的散热效率，简化散热部件的结构，利用脉动热管的特性和微尺度强化换热方法增大换热量，使得电子元器件的工作性能更加可靠。
为实现上述目标，根据本发明的一方面，提供了一种脉动热管扩热板的制作方法，所述脉动热管扩热板包括基板、堵头和盖板，其特征在于，所述脉动热管扩热板按照如下顺序制作：
1)选择一厚度大于扩热板厚度的板材作为基板，采用线切割的方式在该基板上加工出若干个平行的毛细管槽道，之后在相邻两毛细管槽道之间的基板上切割出一狭缝，狭缝深度不超过基板厚度；
2)在与堵头连接的基板两端面上加工出若干个凸起部，每个凸起部位于相邻两毛细管槽道之间的基板上，且每个凸起部的两侧壁与毛细管槽道的侧壁相切，所述凸起部用以形成脉动热管弯头的一部分；
3)将基板逐渐切薄至目标尺寸，然后在基板开有毛细管槽道和狭缝的一面焊接上盖板；
4)在形成有凸起部的基板的两端面上，分别焊接一堵头，由此形成脉动热管的管壳，堵头的焊接方法可用银焊或电子束焊等，每个堵头上都加工有若干个凹槽，凹槽的数量和所述凸起部的数量相同，凹槽和凸起部相互配合形成脉动热管的弯头，其中一个堵头上还设置连通环路和充液孔；
5)对管壳进行清洗、检漏、充装介质，之后进行封口处理。
进一步地，步骤5)中按照如下顺序对管壳进行清洗：a)用去油剂对管壳清洗去油；b)去油后，用稀碱溶液在60-70℃温度下清洗2分钟，以去氧化皮；c)碱液处理后，立即灌入60-80℃的热水漂洗三次；d)漂洗后，用稀酸液在60-70℃的温度下浸泡5分钟进行钝化处理；e)钝化处理后，先用自来水冲洗15分钟，然后用自来水浸没放于超声清洗机中清洗30分钟，最后用蒸馏水浸没管壳放于超声清洗机中清洗30分钟；f)将清洗好的管壳取出烘干，完成清洗。
进一步地，步骤5)中按照如下顺序对管壳进行检漏：首先将管壳与高压氩气管相连，然后将管壳放入水中，打开氩气储气罐阀门，将压力调到3个大气压，观察水中是否有气泡产生，若没有说明管壳不漏。
进一步地，步骤5)中按照如下顺序对管壳进行充装介质：a)将检漏后的管壳与真空机组接头相连，接头处密封；b)对管壳预抽真空，真空值达到预要求时，关闭抽真空阀门，打开灌液阀门，管壳与灌液容器相连，充装工质；c)将充液真空胶管夹死，将管壳与灌液容器相连处夹断，完成充装。
优选地，所述基板为无氧铜板或L2铝板。
优选地，所述工质为R113、R124、R134a、水、氨、乙醇、丙酮或乙二醇。
优选地，工质基液中加入与管壳材料和工质具有相容性的纳米粒子。优选地，毛细管槽道的横截面为角管或圆管。
优选地，采用线切割的方式在基板上毛细管槽道的加工方式为机械雕刻、电火花线切割、振动切削或铸造。机械雕刻由于采用的是纯机械刀具雕刻方式，基板表面的毛刺较大。电火花线切割可加工窄缝达0.07mm，内孔圆角小于0.035mm。振动切削不适用于切入薄板后对槽道的加工，但是振荡切削对于板表面上的加工时可以提高加工精度和表面质量，提高已加工表面的耐磨性和耐蚀性，保证其加工表面完整性。铸造工艺较为传统，铸造出的元件一般较为粗糙，不适于铸造尺寸较小的元件。对于堵头可在加工板直接铣出槽道，这样方法简便；为了进一步提高堵头结构的质量，可以采用振动切削。
本发明还提供了另一种脉动热管扩热板的制作方法，所述脉动热管扩热板包括基板、堵头和盖板，其特征在于，所述脉动热管扩热板按照如下顺序制作：1)选择一厚度大于扩热板厚度的板材作为基板，采用线切割的方式在该基板上加工出若干个平行的毛细管槽道，之后在相邻两毛细管槽道之间的基板上切割出一狭缝，狭缝深度不超过基板厚度；2)将基板逐渐切薄至目标尺寸，然后在基板开有毛细管槽道和狭缝的一面焊接上盖板；3)在基板的两端面上，分别焊接一带有弯头的堵头，由此形成脉动热管的管壳，堵头的焊接方法可用银焊或电子束焊等，其中一个堵头上还设置连通环路和充液孔；4)对管壳进行清洗、检漏、充装介质，之后进行封口处理。
根据本发明的另一方面，提供了一种脉动热管扩热板，所述脉动热管扩热板包括基板、堵头和盖板，其特征在于，所述基板上线切割有若干个平行的毛细管槽道，相邻两毛细管槽道之间的基板上设置一深度不超过基板厚度的狭缝，在与堵头连接的基板两端面上设置有若干个凸起部，每个凸起部位于相邻两毛细管槽道之间的基板上，且每个凸起部的两侧壁与毛细管槽道的侧壁相切；基板开有毛细管槽道和狭缝的一面焊接有盖板；在形成有凸起部的基板的两端面上各焊接一堵头，每个堵头上设置若干个凹槽，凹槽的数量和所述凸起部的数量相同，凹槽和凸起部相互配合形成脉动热管的弯头，其中一个堵头上还设置连通环路和充液孔。
本发明还提供了另一种脉动热管扩热板，所述脉动热管扩热板包括基板、堵头和盖板，其特征在于，所述基板上设置若干个平行的毛细管槽道，相邻两毛细管槽道之间的基板上设置一深度不超过基板厚度的狭缝；基板开有毛细管槽道和狭缝的一面焊接有盖板；在基板的两端面上各焊接一带有弯头的堵头，其中一个堵头上还设置连通环路和充液孔。
同现有技术相比，本发明的脉动热管扩热板及其制作方法具有以下显著的优点：(1)结构简单，成本低；(2)可以实现高热流密度传热，易于实现微型化；(3)在合适的充装量下，热流密度可以很大而不会烧干；(4)适应性强，可以根据工作状况的不同弯折成适宜的形状，因此具有相当多的变化形式，这大大增加了它的适应性，扩大了其应用领域；(5)适用范围广泛，脉动热管可以用于水平加热甚至顶加热方式。而传统热管用于顶加热方式时，运行受到很大的限制，重力热管则根本不能运行。
附图说明
图1为本发明的脉动热管扩热板的基本结构示意图。
图2为脉动热管扩热板横截面的示意图。
图3为基板正视图。
图4为基板侧视图。
图5为简化后带有连通环路的堵头示意图。
图6为简化后堵头横截面示意图。
图7为正方形截面毛细管的脉动热管热展板横截面示意图。
图8为圆形截面毛细管的脉动热管热展板横截面示意图。
图9为带有连通环路的堵头示意图。
图10为堵头横截面示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
实施例一
如图1至6所示，脉动热管扩热板1包括基板9、前堵头11、后堵头12和盖板4、5、6，设计扩热板的尺寸为60×260×3mm3，脉动热管扩热板按照如下顺序制作：1)选择较厚的板材，例如8mm或5mm，作为基板9，基板9为无氧铜板或L2铝板，采用线切割的方式在该基板9上加工出若干个平行的毛细管槽道7，之后在相邻两毛细管槽道7之间的基板上切割出一狭缝8，但不切透，狭缝8深度不超过基板厚度，扩热板横截面如图2所示；2)在与前、后堵头11、12连接的基板9两端面上加工出若干个直径为1mm的圆柱状凸起部10，如图3、4所示，每个凸起部10位于相邻两毛细管槽道7之间的基板9上，且每个凸起部10的两侧壁与毛细管槽道7的侧壁相切，所述凸起部10用以形成脉动热管2的弯头的一部分，这样就使得前、后堵头11、12上不用加工槽道结构，从而使其结构得到了简化，更易于加工；3)将基板9逐渐切薄至目标尺寸，然后在基板9开有毛细管槽道7和狭缝8的一面焊接上盖板6；4)在形成有凸起部10的基板6的两端面上分别焊接前、后堵头11、12，前、后堵头11、12形状如图5、6所示，由此形成脉动热管2的管壳，前、后堵头11、12上都加工有若干个凹槽11-2、12-1，凹槽11-2、12-1的数量和对应的凸起部10的数量相同，凹槽11-2、12-1和对应的凸起部10相互配合形成脉动热管2的弯头，其中前堵头11上还设置连通环路11-1和充液管3，如图5所示；5)对管壳进行清洗、检漏、充装介质，之后进行封口处理。
步骤5)中按照如下顺序对管壳进行清洗：a)用去油剂对管壳清洗去油；b)去油后，用10％的氢氧化钠溶液在60-70℃温度下清洗2分钟，以去氧化皮，但不可清洗太久，以免腐蚀太深使槽道的尺寸产生明显的变化；c)碱液处理后，立即灌入60-80℃的热水漂洗三次；d)漂洗后，用浓度为10％的硫酸溶液在60-70℃的温度下浸泡5分钟进行钝化处理；e)钝化处理后，先用自来水冲洗15分钟，然后用自来水浸没放于超声清洗机中清洗30分钟，最后用蒸馏水浸没管壳放于超声清洗机中清洗30分钟；f)将清洗好的管壳取出烘干，完成清洗。
步骤5)中按照如下顺序对管壳进行检漏：首先将热管与高压氩气管相连，然后将热管放入水中，打开氩气储气罐阀门，将压力调到3个大气压，观察水中是否有气泡产生，若没有说明热管不漏。最后关闭阀门，取下热管。
步骤5)中按照如下顺序对管壳进行充装介质：a)将检漏后的热管与真空机组接头相连，在接头处用真空泥密封；b)将三通阀关闭，合闸开机械泵，预抽管道；c)打开真空仪表，真空仪表指示灯会变亮；d)真空仪表真空值达到预要求时，将已连接上预抽真空实验件和灌液容器的三通另一段与真空阀下管道相连；e)打开三通阀；f)真空仪表真空值达到预要求时，关闭抽真空阀门，打开灌液阀门，充装工质，将充液真空胶管用卡子夹死，实验件与三通相连处夹断；g)拉闸关机械泵；抽真空、灌液、充装、封口过程完成。
无氧铜板和L2铝板是优先选用的扩热板材料。考虑到所设计扩热板的应用背景，选取的工质应该在低温范围(200-550K)内。此范围内的工质较多，比较常用的主要有水、氨、乙醇、丙酮、乙二醇、R113、R124和R134a等。设计选用了丙酮、乙醇等工质。为进一步提高脉动热管扩热板的性能，还将考虑在所选工质基液中加入纳米粒子。为保证与管壳材料、工质具有相容性，对于丙酮、乙醇工质将加入Cu、CuO纳米粒子，对配置成的纳米流体来进行实验。
优选地，毛细管槽道7的横截面为角管或圆管，本发明主要采用正方形截面和圆形截面的毛细管通道，如图7、图8所示。如图7所示，毛细管截面的正方形边长均为1.5mm，弯头数11，即总共22根平行管，相邻管道间的中心距为2.5mm。如图8所示，圆形截面毛细管的内径定为1.5mm，弯头数为11，即总共22根平行管，相邻管道间的圆心距为2.5mm。
在基板9上毛细管槽道7的加工方式为机械雕刻、电火花线切割、振动切削或铸造。机械雕刻由于采用的是纯机械刀具雕刻方式，基板9表面的毛刺较大。电火花线切割可加工窄缝达0.07mm，内孔圆角小于0.035mm。振动切削不适用于切入薄板后对槽道的加工，但是振荡切削对于板表面上的加工时可以提高加工精度和表面质量，提高已加工表面的耐磨性和耐蚀性，保证其加工表面完整性。铸造工艺较为传统，铸造出的元件一般较微粗糙，不适于铸造尺寸较小的元件。对于堵头可在加工板直接铣出槽道，这样方法简便；为了进一步堵头结构的质量可以采用振动切削。
实施例二
如图1、2、9、10所示，设计扩热板的尺寸为60×260×3mm3，脉动热管扩热板1按照如下顺序制作：1)选择一比较厚的板材(例如8mm或5mm)作为基板9，基板为无氧铜板或L2铝板，采用线切割的方式在该基板上加工出若干个平行的毛细管槽道7，之后在相邻两毛细管槽道7之间的基板9上切割出一狭缝8，但不切透，狭缝8深度不超过基板9厚度，扩热板1横截面如图2所示；2)将基板9逐渐切薄至目标尺寸，然后在基板9开有毛细管槽道7和狭缝8的一面焊接上盖板6；3)在基板9的两端面上，分别焊接带有弯头的前、后堵头11’、12’，前、后堵头11’、12’形状如图9、10所示，由此形成脉动热管2的管壳，其中前堵头11’上还设置连通环路11’-1和充液管3，如图9所示；4)对管壳进行清洗、检漏、充装介质，之后进行封口处理。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种脉动热管扩热板的制作方法，所述脉动热管扩热板包括基板，脉动热管，前、后堵头和盖板，其特征在于，所述脉动热管扩热板按照如下顺序制作：
1) 选择一厚度大于扩热板厚度的板材作为基板，在该基板上加工出若干个平行的毛细管槽道，在相邻两毛细管槽道之间的基板上切割出一狭缝，狭缝深度不超过基板厚度；
2) 在与前、后堵头连接的基板两端面上加工出若干个凸起部，每个凸起部位于相邻两毛细管槽道之间的基板端部上，且每个凸起部的两侧壁与毛细管槽道的侧壁相切，所述凸起部用以形成脉动热管的弯头的一部分；
3) 将基板逐渐切薄至目标尺寸，然后在基板开有毛细管槽道和狭缝的一面焊接上盖板；
4) 在形成有凸起部的基板的两端面上分别焊接前、后堵头, 由此形成脉动热管的管壳，每个堵头上都加工有若干个凹槽,凹槽的数量和所述凸起部的数量相同,凹槽和凸起部相互配合以形成脉动热管的弯头,其中一个堵头上还设置连通环路和充液管；
5）对脉动热管的管壳进行清洗、检漏、充装工质，之后进行封口处理。
2.根据权利要求1所述的脉动热管扩热板的制作方法，其特征在于，步骤5）中按照如下顺序对脉动热管的管壳进行清洗：
a）用去油剂对管壳清洗去油；
b）去油后，用稀碱溶液在60-70℃温度下清洗2分钟，以去氧化皮；
c）碱液处理后，立即灌入60-80℃的热水漂洗三次；
d）漂洗后，用稀酸液在60-70℃的温度下浸泡5分钟进行钝化处理；
e）钝化处理后，先用自来水冲洗15分钟，然后用自来水浸没放于超声清洗机中清洗30分钟，最后用蒸馏水浸没管壳并放于超声清洗机中清洗30分钟；
f）将清洗好的管壳取出烘干,完成清洗。
3.根据权利要求1所述的脉动热管扩热板的制作方法，其特征在于，步骤5）中按照如下顺序对脉动热管的管壳进行检漏：首先将管壳与高压氩气管相连，然后将管壳放入水中，打开氩气储气罐阀门，将压力调到3个大气压，观察水中是否有气泡产生，若没有说明管壳不漏。
4.根据权利要求1所述的脉动热管扩热板的制作方法，其特征在于，步骤5）中按照如下顺序对脉动热管的管壳进行充装介质：a)将检漏后的管壳与真空机组接头相连，接头处密封；b)对管壳预抽真空，真空值达到预要求时，关闭抽真空阀门，打开灌液阀门，管壳与灌液容器相连，充装工质；c）将充液真空胶管夹死，将管壳与灌液容器相连处夹断，完成充装。
5.根据权利要求1所述的脉动热管扩热板的制作方法，其特征在于，所述基板为无氧铜板或L2铝板；所述工质为R113、R124、R134a、水、氨、乙醇、丙酮或乙二醇。
6.根据权利要求5所述的脉动热管扩热板的制作方法，其特征在于，所述工质的基液中加入与管壳材料和工质具有相容性的纳米粒子；所述毛细管槽道的横截面为角管或圆管。
7.根据权利要求1所述的脉动热管扩热板的制作方法，其特征在于，在基板上加工毛细管槽道的方式为机械雕刻、电火花线切割、振动切削或铸造。
8.根据上述任一项权利要求所述的脉动热管扩热板的制作方法所制作的脉动热管扩热板，所述脉动热管扩热板包括基板，前、后堵头，脉动热管和盖板，其特征在于，所述基板上设置若干个平行的毛细管槽道，相邻两毛细管槽道之间的基板上设置一深度不超过基板厚度的狭缝；在与前、后堵头连接的基板两端面上设置有若干个凸起部，每个凸起部位于相邻两毛细管槽道之间的基板上，且每个凸起部的两侧壁与毛细管槽道的侧壁相切；基板开有毛细管槽道和狭缝的一面焊接有盖板；在形成有凸起部的基板的两端面上分别焊接前、后堵头, 每个堵头上设置若干个凹槽, 凹槽的数量和所述凸起部的数量相同, 凹槽和凸起部相互配合形成脉动热管的弯头, 其中一个堵头上还设置连通环路和充液管。
9.一种脉动热管扩热板的制作方法，所述脉动热管扩热板包括基板，前、后堵头和盖板，其特征在于，所述脉动热管扩热板按照如下顺序制作：1) 选择一厚度大于扩热板厚度的板材作为基板，采用线切割的方式在该基板上加工出若干个平行的毛细管槽道，之后在相邻两毛细管槽道之间的基板上切割出一狭缝，狭缝深度不超过基板厚度；2) 将基板逐渐切薄至目标尺寸，然后在基板开有毛细管槽道和狭缝的一面焊接上盖板；3) 在基板的两端面上分别焊接带有弯头的前、后堵头, 由此形成脉动热管的管壳，堵头的焊接方法可用银焊或电子束焊，其中一个堵头上还设置连通环路和充液管；4) 对管壳进行清洗、检漏、充装介质，之后进行封口处理。
10.根据权利要求9所述的脉动热管扩热板的制作方法所制作的脉动热管扩热板，所述脉动热管扩热板包括基板，前、后堵头和盖板，其特征在于，所述基板上设置若干个平行的毛细管槽道，相邻两毛细管槽道之间的基板上设置一深度不超过基板厚度的狭缝；基板开有毛细管槽道和狭缝的一面焊接有盖板；在基板的两端面上分别焊接带有弯头的前、后堵头, 其中一个堵头上还设置连通环路和充液管。
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