CN104534906A - 一种具有嵌套式多孔吸液芯的平板热管及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具有嵌套式多孔吸液芯的平板热管及其制造方法，该平板热管包括上、下两块金属盖板，上、下金属盖板之间通过焊接密封形成密闭的腔体，在腔体内部填充有液体工质；所述腔体的内表面分为蒸发面和冷凝面；所述冷凝面和蒸发面均铺设有金属粉末颗粒烧结形成的薄层多孔吸液芯结构，且在蒸发面加工出阵列排布的带有内凹槽的烧结多孔柱，冷凝面加工出与该内凹槽相配合的多孔凸起；两者通过紧密配合形成嵌套多孔结构柱，所述嵌套多孔结构柱内形成工质回流通道。该平板热管提高了毛细压力，显著加快了工质回流速度，实现了汽-液两相的分离，大大提高传热性能；同时该嵌套式吸液芯起到支撑柱作用，有效避免了平板热管内陷或裂缝变形等问题。

Description

一种具有嵌套式多孔吸液芯的平板热管及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种具有嵌套式多孔吸液芯的平板热管及其制造方法。
背景技术
随着技术的进步，电子设备朝着大功率小尺寸的方向发展。但随之而来的问题是，由于热流密度的不断提高，导致集成电路和半导体器件的性能，可靠性和安全性均受到较大影响。采用高效散热装置实现高热流密度器件的有效热控制，成为各种电子设备可靠工作的关键。
平板热管作为一种用于解决局部高热流密度的热管技术，具有受热面积大、均温性能良好、有效消除局部热点、易于与光电器件一体化封装等优点，前景广阔。其由上下两块金属平板密封焊接拼合而成，通过平板内壁吸液芯内的工质蒸发、冷凝相变实现热量的快速散失。传统的平板热管，通常仅在上下平板的表面设置沟槽、烧结粉末层或多孔丝网层，未设置支撑柱结构，导致平板热管抗压能力差，容易因温度过高或外加压力而产生内陷或裂缝变形现象。目前，已有研究者提出在壳体内部添加丝网、脉管或导流支架等起到支撑作用，如专利CN200710134391.6、CN201010263680.8、CN201010017291.7等。此外还可以通过将大管径铜管烧结后打扁，填充支撑结构，实现平板热管的制造。然而其填充的支撑结构与上下平板的多孔毛细结构并非一体成型，存在工质回流路径长、制造工艺复杂、成本高等问题，易导致平板热管整体传热性能的恶化。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种结构简单、抗压性能好、工质回流路径短的具有嵌套式连续双吸液芯的平板热管。
为实现上述发明目的，本发明提供了一种具有嵌套式多孔吸液芯的平板热管，包括：上金属盖板和下金属盖板；上金属盖板和下金属盖板之间通过焊接密封形成密闭的腔体，在腔体内部填充有液体工质；所述腔体的内表面分为蒸发面和冷凝面；所述冷凝面和蒸发面均铺设有金属粉末颗粒烧结形成的薄层多孔吸液芯结构，且在蒸发面加工出阵列排布的带有内凹槽的烧结多孔柱，冷凝面则加工出与该内凹槽相配合的多孔凸起；两者通过紧密配合形成嵌套多孔结构柱，所述嵌套多孔结构柱内形成工质回流通道。
在一较佳实施例中：所述烧结多孔柱垂直设置于所述蒸发面、该烧结多孔柱的顶端设有内凹槽。
在一较佳实施例中：所述烧结多孔柱由金属粉末颗粒烧结形成，并与蒸发面的薄层多孔吸液芯结构连为一体成为下吸液芯；所述多孔凸起由金属粉末颗粒烧结形成，并与冷凝面的薄层多孔吸液芯结构连为一体成为上吸液芯。
在一较佳实施例中：所述烧结多孔柱为圆柱或锥圆柱，所述多孔凸起为锥体或半球体或方形体，并与烧结多孔柱的内凹槽相配。
在一较佳实施例中：所述上金属盖板和下金属盖板的材质为铜或铝。
在一较佳实施例中：所述薄层多孔吸液芯结构是由铜粉或镍粉烧结而成；其粒径为20μm～150μm。
在一较佳实施例中：所述工作介质为水或乙醇或丙酮或甲醇。
本发明还提供了上述具有嵌套式多孔吸液芯的平板热管的制造方法，包括如下步骤：
(1)通过电火花成形加工方法制造出与下金属盖板的烧结多孔柱和上金属盖板的多孔凸起分别相配合的第一烧结模具和第二烧结模具；
(2)选取两块经清洗除污、烘干的金属薄板分别作为平板热管的上金属盖板和下金属盖板，其中，下金属盖板为一块经冲压制成内面具有凹腔的金属薄板，上金属盖板为一块平板状的金属薄板；上金属盖板的内表面为冷凝面，下金属盖板的内表面为蒸发面；
(3)将金属粉末颗粒分别填充至烧结模具和上金属盖板、下金属盖板组成的空腔内，分别放入烧结炉中进行固相烧结；
(4)将下金属盖板和上金属盖板上的烧结模具拔出，从而得到蒸发面上含内凹槽的烧结多孔柱与薄层多孔吸液芯结构相连的下吸液芯，以及冷凝面上含多孔凸起结构与薄层多孔吸液芯结构相连的上吸液芯；
(5)将上金属盖板与下金属盖板通过钎焊进行连接，对其内部进行抽真空与灌注工质，完成平板热管的制备。
在一较佳实施例中：所述烧结多孔柱为锥圆柱，其顶端设有内凹槽；所述多孔凸起为圆锥体，并与烧结多孔柱的内凹槽相配。
在一较佳实施例中：所述第一烧结模具具有与所述锥圆柱相配的锥孔，以及与所述内凹槽相配的凸起；所述第二烧结模具具有与所述圆锥体配合的锥孔。
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
1.通过设置嵌套式多孔结构柱大大提高了毛细压力，缩短了工质回流路径，显著加快了工质回流速度；可实现汽-液两相的有效分离，极大地减少了汽－液界面上的粘性剪切应力，显著地提高了平板热管毛细极限、沸腾极限以及剪切极限，从而提升平板热管的传热性能。
2.两部分毛细结构通过配合而形成的支撑柱结构，使得无论是外界施加压力，还是真空空腔处于低压或高压的状态，都可以一定程度上防止平板热管内陷或者脱焊开裂现象的产生。
3.由于工质可以通过壁面的薄层多孔吸液芯结构及嵌套式多孔结构柱从冷凝面快速回流到蒸发面，无论将该平板热管进行倾斜布置、水平布置或者垂直布置，均对工质冷凝后的回流方向和速度影响很小，从而提高了该平板热管的工作稳定性和可靠性。
附图说明
图1为本发明优选实施例1的平板热管的爆炸示意图；
图2为本发明优选实施例1的平板热管的剖面示意图；
图3为本发明优选实施例1下金属盖板的示意图；
图4为本发明优选实施例1制造冷凝面上吸液芯所使用的模具示意图；
图5为本发明优选实施例1制造蒸发面下吸液芯所使用的模具示意图；
图6为本发明优选实施例1第一模具和第二模具的结构剖面示意图；
图7为本发明优选实施例1冷凝面上吸液芯模具烧结成形示意图；
图8为本发明优选实施例1蒸发面上吸液芯模具烧结成形示意图；
图9为本发明优选实施例1冷凝面上吸液芯结构示意图；
图10为本发明优选实施例1蒸发面下吸液芯结构示意图；
图11为本发明优选实施例1上吸液芯和下吸液芯的结构剖面示意图；
图12为本发明优选实施例2中上吸液芯和下吸液芯的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的发明目的作进一步详细地描述，本发明的实施方式并不因此限定于以下实施例。
实施例1
参考图1-3，一种具有嵌套式多孔吸液芯的平板热管，包括：上金属盖板1和下金属盖板2；上金属盖板1和下金属盖板2之间通过焊接密封形成密闭的腔体，在腔体内部填充有液体工质；所述腔体的内表面分为蒸发面和冷凝面；所述冷凝面和蒸发面均铺设有金属粉末颗粒烧结形成的薄层多孔吸液芯结构，且在蒸发面加工出阵列排布的带有内凹槽411的烧结多孔柱41，烧结多孔柱41垂直设置于所述蒸发面；冷凝面则加工出与该内凹槽411相配合的多孔凸起31；两者通过紧密配合形成嵌套多孔结构，所述嵌套多孔结构内形成工质回流通道。
本实施例中，所述烧结多孔柱41由金属粉末颗粒烧结形成，并与蒸发面的薄层多孔吸液芯结构连为一体成为下吸液芯4；所述烧结多孔柱41为圆柱或锥圆柱，优选为锥圆柱；其底端、顶端直径为2-8mm，底端直径优选为5mm；顶端直径优选为4mm；高度为1-3mm，优选2mm。
所述多孔凸起31由金属粉末颗粒烧结形成，并与冷凝面的薄层多孔吸液芯结构连为一体成为上吸液芯3。所述多孔凸起31为锥体或半球体或方形体，优选为圆锥体，并与烧结多孔柱41的内凹槽411相配。所述多孔凸起31的底端直径为2-6mm，优选为3mm，高度1-3mm，优选为2mm。
所述上金属盖板1、下金属盖板2为铜或铝材料所制，优选为无氧铜材料，其厚度范围在0.2mm-1.5mm,优选1mm。其尺寸大小根据实际需求选择，此处优选100mm*100mm。其下金属盖板2经冲压在其内面形成一凹腔，凹腔的尺寸优选为90mm*90mm。所述薄层多孔吸液芯结构的厚度为0.2mm-1mm，优选为0.5mm。下金属盖板2上设有注液口21。
所述金属粉末颗粒采用铜粉或镍粉颗粒通过固相烧结方式制成，金属粉末的颗粒形状为球形或不规则形；金属粉末颗粒粒径为20μm～150μm，根据实际需要，金属粉末颗粒直径可以在此范围内进行调整。
通过设置嵌套式多孔结构柱大大提高了毛细压力，显著缩短了工质回流路径，显著加快工质的回流速度；可实现汽-液两相的有效分离，极大地减少了汽－液界面上的粘性剪切应力，显著地提高了平板热管毛细极限、沸腾极限以及剪切极限，从而提升平板热管的传热性能。
烧结多孔柱41和多孔凸起31两部分毛细结构通过配合而形成的支撑柱结构，使得无论是外界施加压力，还是真空空腔处于低压或高压的状态，都可以一定程度上防止平板热管内陷或者脱焊开裂现象的产生。
由于工质可以通过壁面的薄层多孔吸液芯结构及嵌套式多孔结构柱从冷凝面快速回流到蒸发面，无论将该平板热管进行倾斜布置、水平布置或者垂直布置，均对工质冷凝后的回流方向和速度影响很小，从而提高了该平板热管的工作稳定性和可靠性。
上述具有嵌套式多孔吸液芯的平板热管的制造方法，包括如下步骤：
(1)参考图4-6，采用电火花成形加工工艺加工出第一烧结模具6和第二烧结模具5。模具的材质选用不锈钢，具体为：对不锈钢板进行电火花成形加工，选用石墨或紫铜作为加工电极，电极通过铣床加工成形。电火花加工的脉冲宽度可选300μs—800μs，脉冲间隔可选80μs—250μs。对于紫铜电极，选择300μs—800μs脉冲宽度，此处优选550μs。对于石墨电极脉冲宽度可选300μs—500μs，此处优选400μs。电流可根据电极面积选择，一般单位面积电流不超过10A/cm2。对于带有圆锥凸台31的吸液芯3，在第二烧结模具5加工出与多孔凸起31相配的锥孔51；在第一烧结模具6上加工出与多孔烧结柱41相配的锥孔，以及与所述内凹槽411相配的凸起61。
(2)选取两块经清洗除污、烘干的金属薄板分别作为平板热管的上金属盖板1和下金属盖板2，其中，下金属盖板2为一块经冲压制成内面具有凹腔的金属薄板，上金属盖板1为一块平板状的金属薄板；上金属盖板1的内表面为冷凝面，下金属盖板2的内表面为蒸发面；
(3)取合适粒径(如75-100μm)的金属粉末颗粒7分别填充第一烧结模具6、第二烧结模具5与上金属盖板1、下金属盖板2组成的空腔内，如图7和图8所示，使金属粉末充分填满空腔为止。填充时适时振荡模具，使铜球粉充分填充。将填充完毕的空腔盖实，保证金属粉末上端的平齐。可以对模具进行表面处理，以减小模具在拔出时的拔出力，避免吸液芯结构遭到破坏或者模具拔不出。有效的表面处理方法为，模具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。
(4)将填好铜粉的上金属盖板1、下金属盖板2与模具5、6夹持固定，并置于放在支架上并固定，置于箱式气氛保护电阻炉中烧结，该烧结的升温程序为：以300-400℃/h的速度升温至400-500℃后保温20-40min，再以300-400℃/h的速度升温至850-1000℃后保温烧结30-90min；优选的升温程序为：以300-400℃/h的速度升温至400-450℃后保温25-35min，300-400℃/h的速度升温至900-1000℃后保温烧30-90min。
(5)烧结完成后，炉冷至室温，取出支架，将第一烧结模具6、第二烧结模具5分别拔出，从而得到冷凝面上多孔凸起结构31与薄层多孔吸液芯结构相连的上吸液芯3，如图9所示；以及得到蒸发面上含内凹槽411的烧结多孔柱41与薄层多孔吸液芯结构相连的下吸液芯4，如图10所示。多孔凸起结构31、含内凹槽411的烧结多孔柱41其截面图分别如图11所示。
(6)将上金属盖板1与下金属盖板2通过钎焊进行连接，焊接完成后利用真空设备对均热板进行抽真空,抽真空过程应保证环境洁净无尘。抽真空过程完成后,将工质进行除气,然后对其内部灌注工质，并封口，从而得到具有嵌套式多孔吸液芯的平板热管。
实施例2
参考图12，本实施例与实施例1的区别在于：烧结多孔柱41为圆柱型或锥圆柱，而多孔凸起结构31锥体或半球体或方形体，其余部分与实施例1相同。
以上内容是结合具体实施例对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种具有嵌套式多孔吸液芯的平板热管，其特征在于包括：上金属盖板和下金属盖板；上金属盖板和下金属盖板之间通过焊接密封形成密闭的腔体，在腔体内部填充有液体工质；所述腔体的内表面分为蒸发面和冷凝面；所述冷凝面和蒸发面均铺设有金属粉末颗粒烧结形成的薄层多孔吸液芯结构，且在蒸发面加工出阵列排布的带有内凹槽的烧结多孔柱，冷凝面则加工出与该内凹槽相配合的多孔凸起；两者通过紧密配合形成嵌套多孔结构柱，所述嵌套多孔结构柱内形成工质回流通道。
2.根据权利要求1所述的一种具有嵌套式多孔吸液芯的平板热管，其特征在于：所述烧结多孔柱垂直设置于所述蒸发面、该烧结多孔柱的顶端设有内凹槽。
3.根据权利要求2所述的一种具有嵌套式多孔吸液芯的平板热管，其特征在于：所述烧结多孔柱由金属粉末颗粒烧结形成，并与蒸发面的薄层多孔吸液芯结构连为一体成为下吸液芯；所述多孔凸起由金属粉末颗粒烧结形成，并与冷凝面的薄层多孔吸液芯结构连为一体成为上吸液芯。
4.根据权利要求2所述的一种具有嵌套式多孔吸液芯的平板热管，其特征在于：所述烧结多孔柱为圆柱或锥圆柱，所述多孔凸起为锥体或半球体或方形体，并与烧结多孔柱的内凹槽相配。
5.根据权利要求1所述的一种具有嵌套式多孔吸液芯的平板热管，其特征在于：所述上金属盖板和下金属盖板的材质为铜或铝。
6.根据权利要求1所述的一种具有嵌套式多孔吸液芯的平板热管，其特征在于：所述薄层多孔吸液芯结构是由铜粉或镍粉烧结而成；其粒径为20μm～150μm。
7.根据权利要求1所述的一种具有嵌套式多孔吸液芯的平板热管，其特征在于：所述工作介质为水或乙醇或丙酮或甲醇。
8.一种权利要求1至7中任一项所述的具有嵌套式多孔吸液芯的平板热管的制造方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)通过电火花成形加工方法制造出与下金属盖板的烧结多孔柱和上金属盖板的多孔凸起分别相配合的第一烧结模具和第二烧结模具；
(2)选取两块经清洗除污、烘干的金属薄板分别作为平板热管的上金属盖板和下金属盖板，其中，下金属盖板为一块经冲压制成内面具有凹腔的金属薄板，上金属盖板为一块平板状的金属薄板；上金属盖板的内表面为冷凝面，下金属盖板的内表面为蒸发面；
(3)将金属粉末颗粒分别填充至烧结模具和上金属盖板、下金属盖板组成的空腔内，分别放入烧结炉中进行固相烧结；
(4)将下金属盖板和上金属盖板上的烧结模具拔出，从而得到蒸发面上含内凹槽的烧结多孔柱与薄层多孔吸液芯结构相连的下吸液芯，以及冷凝面上含多孔凸起结构与薄层多孔吸液芯结构相连的上吸液芯；
(5)将上金属盖板与下金属盖板通过钎焊进行连接，对其内部进行抽真空与灌注工质，完成平板热管的制备。
9.根据权利要求8所述的一种具有嵌套式多孔吸液芯的平板热管的制造方法，其特征在于：所述烧结多孔柱为锥圆柱，其顶端设有内凹槽；所述多孔凸起为圆锥体，并与烧结多孔柱的内凹槽相配。
10.根据权利要求9所述的一种具有嵌套式多孔吸液芯的平板热管的制造方法，其特征在于：所述第一烧结模具具有与所述锥圆柱相配的锥孔，以及与所述内凹槽相配的凸起；所述第二烧结模具具有与所述圆锥体配合的锥孔。
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