CN103528409B - 一种制备环路热管毛细芯的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种环路热管毛细芯的制备方法。通过先冷压成型后气氛烧结的工艺一次性生产出长度可随模具闭合高度变化，带蒸汽移出槽道和中心通道的柱形毛细芯。毛细芯自带蒸汽移出槽道和中心吸液通道，无需进行二次加工，烧结毛细芯形变量小且径向形变均匀，可直接并入环路热管蒸发器内使用，参数能满足绝大多数环路热管对毛细芯性能的要求且制备方法较简单,能适应大规模商业化生产。

Description

一种制备环路热管毛细芯的方法

技术领域

本发明涉及一种环路热管毛细芯的制备方法，属于散热器件领域。

背景技术

由于技术的发展，电子元器件的集成规模越来越大，其单位体积内产生的热量也越来越大，与此同时可供利用的有效散热面积却越来越小，散热问题成为制约电子元器件集成规模的一个重要因素。环路热管（LoopHeatPipe，简称LHP）是一种高效可靠的两相无源传热装置，利用工质相变实现热量的传递，其高稳定性、高效的散热能力及可远距离反重力运行的特点使其在散热和节能环保领域的应用潜力巨大。

毛细芯是LHP的核心部件，是一种多孔材料，布置在LHP的蒸发器内。热量通过蒸发器外壁传递给毛细芯并加热毛细芯外表面的液态工质，工质相变形成汽液分界的弯月面从而产生毛细抽吸力，毛细抽吸力为整个环路热管的工质循环提供动力以此来实现热量的转移。毛细芯性能的好坏（主要指孔隙率、导热系数等参数）直接影响到整个LHP的运行性能，与此同时毛细芯的制备工艺和成本也是限制LHP研究和大规模应用的制约因素。限于毛细芯制造工艺复杂，造价较高，目前国内对于环路热管的研究仅限于有限几所高校以及一些设计院所。

当前环路热管使用的毛细芯类型主要有：金属丝网毛细芯、微槽道毛细芯、聚合物毛细芯以及烧结金属粉末毛细芯。相比较而言，烧结金属粉末毛细芯的各性能参数要优于其他类型毛细芯。目前烧结金属粉末毛细芯制备方法主要有冷压脱模烧结、松散烧结以及粉浆浇注烧结等，其中冷压脱模烧结较后者生产的毛细芯性能更优，且生产率较高，是较常用的烧结毛细芯生产工艺。常用的毛细芯一般是带有蒸汽移出槽道（肋）以及通道的，这两者分别用于相变蒸汽排除和液相工质补给，现有冷压脱模烧结工艺生产的毛细芯一般是不太规则的圆片状或者圆柱状，环路热管蒸发器所需的蒸汽移出槽道、通道以及整个毛细芯的外形尺寸一般是后续的机加工完成。比如，在蒸发器外壳（一般为金属材料）内侧采用线切割或采取其他机加工方法加工出蒸汽移出槽道，用铣床或者钻床加工出毛细芯中心的通道，用机床加工出符合装配要求的毛细芯外形尺寸等。线切割及其他机加工方法会增大制作成本和难度，从而限制了LHP蒸发器的大规模商业化生产。此外机加工会使多孔毛细芯表面孔隙被加工碎屑堵塞，严重影响毛细芯性能）；在传统的冷压脱模烧结工艺中，冷压过程通常是单向受压，单向受压通常会使毛细芯各部位均一性差，导致毛细芯各部分渗透率、热传导能力不同，这样会对毛细芯运行性能产生不良的影响。总而言之，现有的冷压脱模烧结毛细芯存在着毛细芯形状简单（没有蒸汽移出槽道和中心通道）、烧结成品形变量大且形变不可控、单向脱模导致毛细芯均一性差、生产工艺复杂导致不可大规模商业生产等缺点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种简单且性能优良的粉末烧结毛细芯的制备方法。

在本发明中，毛细芯的制备主要分为两个步骤，一个是毛细芯冷压脱模，另一个是毛细芯的气氛烧结，以下分别简述这两个工艺过程。

毛细芯冷压脱模工艺中最重要的核心部件就是压模模具。由于要制备带蒸汽移出槽道及中心吸液通道的毛细芯，因此本专利中将肋的加工工艺难度转移到模腔内部，使蒸汽移出槽在冷压过程中一次性成型，从而避开二次机加工的高成本繁琐过程。在这一工艺中，为了使毛细芯带有蒸汽移出槽，只需要在模腔内壁线切割出蒸汽移出槽所需形状便可使冷压出的毛细芯外壁具有和模腔内壁相对应的形状。为了制作中心吸液通道，在冷压过程中在模具中心插入一根光滑的抽芯轴来造孔。为了避免传统的单向受压造成的毛细芯性能参数均一性差的问题，本专利采用双冲头两端施压的工艺。

本发明方法具体包括如下制备步骤：

1）准备模具，模具闭合高度设计为毛细芯轴向长度，模腔内壁切割出蒸汽移出槽对应形状，对模腔内壁进行抛光；

2）预先在模具中心插入与中心吸液通道相应大小的抽心轴，根据毛细芯孔隙率及模具闭合高度称取一定重量的金属粉末，均匀倒入模具中；

3）冷压成型：将模具置于压模机上，在模具冲头两端逐渐施加压力直至模具闭合高度后撤去上下冲头，然后使用脱模顶柱沿抽心轴在模腔一端逐渐施加压力，使毛细芯从模腔中脱出，毛细芯脱离模腔后，由于径向力释放，抽心轴自动脱离毛细芯，获得供烧结的毛细芯型坯；

4）烧结：将毛细芯型坯置于镍坩埚架上，密封炉门，通入还原性气体或惰性气体，进行烧结。

上述步骤1）中,所述金属粉末为镍粉，也可为钛粉、不锈钢精粉、铜粉等烧结可生成固溶体的金属粉末。

烧结程序采用本领域技术人员熟悉的经验性关系。一般镍粉烧结温度650℃，烧结时间30分钟。

所述模腔内壁应采用物理或化学方法抛光，以免巨大的脱模剪切力将毛细芯型坯破坏。清理模腔内壁也是为了使模腔内壁光滑，使脱模顺畅，也可防止脱模冲头卡死在模腔内。

步骤2）中，插入与中心吸液通道相应大小的抽心轴，其材料可以为玻璃棒,也可以是表面光滑的金属棒、塑料棒。其截面可以为圆形，或其他外形，如方形、三角形等。

所述的填粉，模腔一端预先插入半截下冲头，内孔放置一根光滑抽心轴，然后将称好的粉末均匀沿抽心轴倒入模腔内，填粉中应避免二次填粉；粉末装入模腔后，将上冲头沿抽心轴插入模腔中，即完成填粉过程。

本发明在性能满足LHP要求的前提下，提供一种可用于LHP及其他节能环保领域的毛细芯制备方法。尺寸可根据要求定制，带有有蒸汽移出槽道及中心通道，烧结均一性好，无需二次机加工，生产工艺简单。

本发明的有益效果在于：

1.解决以往毛细芯都需要二次加工来获取蒸汽移出槽和吸液通道的机加工程序，直接制备出无需二次加工的毛细芯。

2.结构简单，成本低。经小批量验证，具备大规模工业化生产标准，制备出的毛细芯毛坯由于这种拓展结构，受热均一性好。形变量仅(0.1mm下)完全满足下一步大规模制作环路热管的需求。

3.用作科研院所在实验室条件下制备毛细芯，用于下一步的研发具有相当巨大的潜力。

附图说明

图1，1-模腔，2-下冲头，3-上冲头，4-抽心轴。

图2，脱模顶杆，5-脱模顶杆。其中，下冲头2、上冲头3和脱模顶杆5中心都开有与抽心轴4直径对应的通孔，用于填粉和脱模过程中与抽心轴4的配合。

图3，具体实施方式中所制得毛细芯SEM图。

具体实施方式

本发明方法所使用的模具如图1,2所示。

下面应用本方法制备长57mm,中孔直径10mm，肋高5mm的烧结镍毛细芯。具体实施方案如下，准备物质条件如下:外径10mm长200mm光滑玻璃棒一根、微米级镍粉、模具一套。

（1）称粉称取65g左右镍粉，如有团聚，应分散开。

（2）填粉将粉末填入预插入玻璃棒的模腔内，为下一步受压均一性，可以在基座垫入一可移动物件。

（3）压粉成型放入上冲头，撤去可移动物件，置于受压区，施加压力直到模具闭合高度。此时毛细芯长57mm，外观为模具自成型。

（4）脱模将冲头和基座撤去，使用脱模顶柱使毛坯带离模具。得到毛细芯毛坯。此过程中，由于毛细芯脱离模具，径向受力完全释放，玻璃棒会自动滑离毛坯。

（5）烧结将毛坯放入气氛烧结炉中，烧结温度650℃，烧结时间30分钟。烧结完成后，就可以得到本发明所提及的毛细芯。

所制得毛细芯如图3所示。毛细芯平均孔径约1-2微米，孔隙率为60%，渗透率为2.7*E-13，符合环路热管中毛细芯的性能参数。

Claims (5)

1.一种环路热管毛细芯的制备方法，其特征在于，包括如下制备步骤：

1)准备模具，模具闭合高度设计为毛细芯轴向长度，模腔内壁切割出蒸汽移出槽对应形状，对模腔内壁进行抛光；

2)预先在模具中心插入与中心吸液通道相应大小的抽心轴，根据毛细芯孔隙率及模具闭合高度称取一定重量的金属粉末，均匀倒入模具中；

3)冷压成型：将模具置于压模机上，在模具冲头两端逐渐施加压力直至模具闭合高度后撤去上下冲头，然后使用脱模顶柱沿抽心轴在模腔一端逐渐施加压力，使毛细芯从模腔中脱出，毛细芯脱离模腔后，由于径向力释放，抽心轴自动脱离毛细芯，获得供烧结的毛细芯型坯；

4）烧结：将毛细芯型坯置于镍坩埚架上，密封炉门，通入还原性气体或惰性气体，进行烧结。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2）中,所述金属粉末为镍粉、钛粉、不锈钢精粉或铜粉。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，镍粉烧结温度650℃，烧结时间30分钟。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2）中，插入与中心吸液通道相应大小的细棒，为玻璃棒、金属棒或塑料棒。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2）中，插入与中心吸液通道相应大小的细棒，其截面为圆形、方形或三角形。