CN103292629A - 热管及其制造方法 - Google Patents

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陈小棉
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陈鹏
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Abstract

本发明涉及一种热管(10)，包括管体(1)、设置在管体(1)的内壁上的毛细结构(2)以及容纳在管体(1)中的冷却液体，其特征在于，管体(1)和毛细结构(2)分别由导热塑料制成。这种热管的设计自由度高、制造简单、成本低廉、散热性能良好，并且具有良好的连续毛细结构和电绝缘性。此外，本发明还提出一种用于制造该热管的方法。

Description

热管及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种热管和一种制造该热管的方法。
背景技术
当今，热管作为常用的导热组件广泛地应用在工业领域和日常生活中。热管技术的原理是利用冷却液体的蒸发与冷凝来传递热量。将冷却液体注入内部真空的管体后，液体以蒸发--冷凝的相变过程在内部反复循环，不断将热端的热量传至冷凝端，从而形成将热量从管体的一端传至另一端的传热过程。
在热管中根据毛细原理来实现冷却液体的冷凝过程。毛细结构主要有三个作用：一是提供使液体从冷凝端到蒸发端的通道，二是提供内壁与液体/蒸气进行热传导的通道，三是提供液体/蒸气产生毛细力所必须的孔隙。毛细结构分为四种：丝网、沟槽、粉末烧结与纤维四种。现有技术中的热管通常由金属、例如铜制成。因此这种热管的电绝缘性较差。此外受制造工艺的限制，市场上出售的铜质的热管基本为直线形。使用者需要根据具体的使用情况对热管进行再次加工，例如弯折、冲压或缠绕。由此会破坏热管内部的毛细结构，进而严重降低热管的导热率。此外，由于铜的刚性较强，因此很难将热管弯曲成锐角。在以烧结的方式制造热管时，需要较高的烧结温度，例如900℃-1000℃，这需要耗费大量能量。
发明内容
为解决上述问题，本发明的第一个目的是提出一种新型的热管，这种热管的设计自由度高、制造简单、成本低廉、散热性能良好，并且具有良好的连续毛细结构和电绝缘性。
根据本发明的热管，包括管体、设置在管体的内壁上的毛细结构以及容纳在管体中的冷却液体，其特征在于，管体和毛细结构由导热塑料分别制成。由于这种新型的热管由导热塑料制成，因此其形状并不局限于直线形，而是可以多样化。具体而言，由导热塑料制成的管体易于被加工成预定形状(例如借助于形状适合的模具)，由此可以对热管进行高自由度地设计。
根据本发明的一个优选的设计方案，管体和毛细结构分别利用超声波焊接工艺连接在一起。可以利用超声波焊接工艺将设置在管体内壁上的毛细结构与管体集成为一体，不会如传统的金属热管在弯折加工时那样，破坏内部的毛细结构，由此可以确保热管中毛细结构的良好的连续性，此外超声波焊接工艺特别适合于在低温条件下将同类型的材料、例如塑料和塑料连接在一起，由此可以减少制造成本。
根据本发明的一个优选的设计方案，毛细结构由形状不规则的导热塑料粉末制造而成。“形状不规则”在此是指粉末的形状不规则，例如粉末的形状未被限定或可变。由于粉末的形状不规则，可以避免由这些粉末制成的毛细结构的间隙过于均匀，从而可以提高毛细结构固有的毛细力。
根据本发明的一个优选的设计方案，管体包括第一半管和第二半管，毛细结构包括分别设置在第一半管和第二半管的内壁上的第一毛细部分和第二毛细部分，利用超声波焊接工艺将第一半管和第一毛细部分连接在一起形成第一半热管，并且将第二半管和第二毛细部分连接在一起形成第二半热管。以这种逐段加工的方式，可以获得例如直线形或弯曲成角度的半管。优选地，利用超声波焊接工艺将毛细结构设置在各个半管的内壁上，从而确保毛细结构是连续的并且完整地和半管连接，形成为例如弯曲成角度的半热管。
根据本发明的一个优选的设计方案，第一和第二半热管利用超声波焊接工艺连接在一起。
根据本发明的一个优选的设计方案，第一和第二半管自身利用超声波焊接工艺成型。例如可以将导热塑料粉末放置在模具中，随后利用超声波焊接工艺使其成型为半管结构。在制造根据本发明的热管时，借助于统一的焊接工艺，可以确保热管的性能稳定并且减小制造公差。
根据本发明的一个优选的设计方案，第一半管和第二半管分别包括第一部分和第二部分，其中第一部分和第二部分彼此倾斜。也就是说，第一部分和第二部分之间通过弯曲成角度的连接部彼此连接。在这种设计方案中，可以实现一种弯曲的半管结构，由此满足特定的应用需要。
根据本发明的一个优选的设计方案，导热塑料包括微米级或纳米级的金属、陶瓷、石墨和有机物中的一种或其组合。优选地，陶瓷是选自Al2O3、Si和AlN的组中一种或多种。由上述材料制成的导热塑料的导热率较高，例如在1-20W/m*K的范围中。这种导热塑料所需的模制温度较低，并且具有低密度、低导电率或电绝缘等优点。
本发明的第二个目的是提出一种制造上述热管的方法，其特征在于包括以下步骤：
a)提供第一和第二半管和粉末，第一和第二半管和粉末分别由导热塑料制成，
b)提供第一模具，将粉末分别压在各个半管的内壁上形成第一毛细部分和第二毛细部分，并将第一和第二半管分别与第一和第二毛细部分连接，成型为第一半热管和第二半热管，
c)提供第二模具，将第一和第二半热管压在一起并连接在一起形成完整的管体以及设置在管体内壁上的毛细结构。
在根据本发明的制造方法中，例如为了获得弯曲成角度的热管，可以先提供弯曲成角度的半管，随后使粉末直接集成在半管的内壁上，由此构成连续的毛细结构，这种毛细结构的延伸完全匹配于半管的形状，从而不会在例如半管的弯折处出现毛细结构断裂的情况。
根据本发明的一个优选的设计方案，在步骤c)之后还包括：
d)将管体内部抽真空并注入冷却液体，
e)密封管体。
根据本发明的一个优选的设计方案提出，在所述步骤a)中，利用超声波焊接工艺制造第一和第二半管。在整个制造过程中使用统一的超声波焊接工艺，可以确保热管的性能稳定并且减小制造公差。
根据本发明的一个优选的设计方案提出，在所述步骤b)，利用超声波焊接工艺将第一和第二半管分别与第一和第二毛细部分连接。
根据本发明的一个优选的设计方案提出，在所述步骤c)中，利用超声波焊接工艺将第一和第二半热管连接在一起。
在上述制造过程中，超声波焊接机的工作参数例如为：
频率：15-40kHz；
压力范围：0.2-1MPa(根据实际情况可略大于该范围)：
工作气压：不超过5kg/cm2(根据实际情况可略大于该范围)。
根据本发明的一个优选的设计方案提出，在所述步骤a)中，第一半管和第二半管分别包括第一部分和第二部分，其中第一部分和第二部分彼此倾斜。在这种设计方案中，可以实现一种弯曲的半管结构，由此满足特定的应用需要。
附图说明
附图构成本说明书的一部分，用于帮助进一步理解本发明。这些附图图解了本发明的实施例，并与说明书一起用来说明本发明的原理。在附图中相同的部件用相同的标号表示。图中示出：
图1是根据本发明的热管的第一实施例的立体截面图；
图2是根据本发明的热管的第二实施例的截面示意图；
图3是根据本发明的制造方法的流程图；
图4是图3中步骤b)的示意图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的热管10的第一实施例的立体截面图。从图中可见，根据本发明由导热塑料制成的热管10包括管体1和设置在其内壁上的毛细结构2。热管10可以由两个结构完全相同的第一半热管7和第二半热管8组成，为了清楚起见，仅仅示出了第一半热管7。可以利用超声波焊接工艺将第一，第二半热管7和8连接成完整的热管10。以下对第一半热管7的说明同样适用于第二半热管8。在本发明中，冷却液体可以例如是水。
第一半热管7包括第一半管3和设置在其内壁上的第一毛细部分5。根据本发明，被制成毛细结构2、例如第一毛细部分5的粉末是形状不规则的导热塑料粉末。在形成毛细结构时，形状不规则的粉末之间的间隙彼此不同，由此可以提高毛细结构的毛细力。
图2示出了根据本发明的热管10的第二实施例的截面示意图，其中示意性地说明了热管10的弯曲成角度的结构。类似于图1，仅仅以第一半热管7为例进行描述。第一半热管7的第一半管3包括第一部分a和第二部分b，其中第一部分a和第二部分b之间通过弯曲成角度的连接部c彼此连接。例如借助于形状适合的模具，可以将导热塑料粉末通过超声波焊接工艺直接加工成上述形状的第一半管3。使用者可以根据使用条件来简单地预定制半管、也就是说热管的形状，由此无需对直线形热管进行弯折或冲压，从而可以避免破坏热管中的毛细结构。
图3示出了根据本发明的制造方法的流程图。首先根据步骤a)利用超声波焊接机将导热塑料粉末制成具有预定形状的半管3，4，并提供一定量的导热塑料粉末；在步骤b)中，利用第一模具11将导热塑料粉末压在半管3，4的内壁上，以形成毛细部分5，6，随后利用超声波焊接机将半管3，4和毛细部分5，6连接成一体，形成半热管7，8；在步骤c)中，利用第二模具将两个半热管7，8压在一起，并利用超声波焊接机进行焊接，形成完整的管形。随后如步骤d)和步骤e)所述，对管体1抽真空，并且注入冷却液体，最后密封管体1，以形成根据本发明的热管10。
图4是图3中步骤b)的示意图。可以利用例如具有拱形上表面的第一模具11将导热塑料粉末压在半管3，4的内壁上，由此形成和半管3，4的内壁始终接触的毛细部分5，6，随后利用超声波焊接机将它们焊接在一起。这样制成的半热管7，8、特别是其中的毛细部分5，6具有良好的连续性。
在本发明的范畴中，所涉及的导热塑料包括微米级或纳米级的金属、陶瓷、石墨和有机物中的一种或其组合，其中陶瓷可以是选自Al2O3、Si和AlN的组中一种或多种。所使用的超声波焊接机的工作参数例如为：
频率：15-40kHz；
压力范围：0.2-1MPa(根据实际情况可略大于该范围)：
工作气压：不超过5kg/cm2(根据实际情况可略大于该范围)。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
参考标号
1    管体
2    毛细结构
3    第一半管
4    第二半管
5    第一毛细部分
6    第二毛细部分
7    第一半热管
8    第二半热管
10   热管
11   第一模具
a    第一部分
b    第二部分
c    连接部

Claims (16)

1.一种热管(10)，包括管体(1)、设置在所述管体(1)的内壁上的毛细结构(2)以及容纳在所述管体(1)中的冷却液体，其特征在于，所述管体(1)和所述毛细结构(2)分别由导热塑料制成。
2.根据权利要求1所述的热管(10)，其特征在于，所述管体(1)和所述毛细结构(2)分别利用超声波焊接工艺连接在一起。
3.根据权利要求2所述的热管(10)，其特征在于，所述毛细结构(2)由形状不规则的导热塑料粉末制造而成。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的热管(10)，其特征在于，所述管体(1)包括第一半管(3)和第二半管(4)，所述毛细结构(2)包括分别设置在所述第一半管(3)和所述第二半管(4)的内壁上的第一毛细部分(5)和第二毛细部分(6)，利用超声波焊接工艺将所述第一半管(3)和所述第一毛细部分(5)连接在一起形成第一半热管(7)，并且将所述第二半管(4)和所述第二毛细部分(6)连接在一起形成第二半热管(8)。
5.根据权利要求4所述的热管(10)，其特征在于，所述第一和第二半热管(7，8)利用超声波焊接工艺连接在一起。
6.根据权利要求4所述的热管(10)，其特征在于，所述第一和第二半管(3，4)自身利用超声波焊接工艺成型。
7.根据权利要求6所述的热管(10)，其特征在于，所述第一半管和第二半管(3，4)分别包括第一部分(a)和第二部分(b)，其中所述第一部分(a)和所述第二部分(b)彼此倾斜。
8.根据权利要求1-3中任一项所述的热管(10)，其特征在于，所述导热塑料包括微米级或纳米级的金属、陶瓷、石墨和有机物中的一种或其组合。
9.根据权利要求8所述的热管(10)，其特征在于，所述陶瓷是选自Al2O3、Si和AlN的组中一种或多种。
10.一种用于制造根据权利要求1-9中任一项所述的热管(10)的方法，其特征在于包括以下步骤：
a)提供第一和第二半管(3，4)和粉末，所述第一和第二半管(3，4)和粉末分别由导热塑料制成，
b)提供第一模具(11)，将所述粉末分别压在各个所述半管(3，4)的内壁上形成第一毛细部分(5)和第二毛细部分(6)，并将所述第一和第二半管(3，4)分别与所述第一和第二毛细部分(5，6)连接，形成为第一半热管(7)和第二半热管(8)，
c)提供第二模具，将所述第一和第二半热管(7，8)压在一起并连接在一起形成完整的管体(1)以及设置在所述管体(1)的内壁上的毛细结构(2)。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在所述步骤c)之后还包括：
d)将所述管体(1)内部抽真空并注入冷却液体，
e)密封所述管体(1)。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在所述步骤a)中，利用超声波焊接工艺分别制造所述第一和第二半管(3，4)。
13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在所述步骤b)中，利用超声波焊接工艺将所述第一和第二半管(3，4)分别与所述第一和第二毛细部分(5，6)连接。
14.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在所述步骤c)中，利用超声波焊接工艺将第一和第二半热管(7，8)连接在一起。
15.根据权利要求12-14中任一项所述的方法，其特征在于，所述超声波焊接工艺的超声波频率为15-40kHz。
16.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在所述步骤a)中，所述第一半管和第二半管(3，4)分别包括第一部分(a)和第二部分(b)，其中所述第一部分(a)和所述第二部分(b)彼此倾斜。
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