CN105716461B - 一种平面方向梯度多孔毛细芯的均温板及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平面方向梯度多孔毛细芯的均温板及制造方法，该均温板包括吸收热源的第二板材和用于散热的第一板材，所述第一板材上安装有第一梯度多孔毛细芯，第二板材上安装有第二梯度多孔毛细芯，第一梯度多孔毛细芯与第二梯度多孔毛细芯固定连接，所述第二梯度多孔毛细芯面向第一梯度多孔毛细芯的一侧设有空腔，第二梯度多孔毛细芯侧面设有与空腔导通的充注管，所述第一梯度多孔毛细芯和第二梯度多孔毛细芯均为梯度孔隙结构，第一梯度多孔毛细芯和第二梯度多孔毛细芯中均充注有流体工质。本发明克服传统均温板流动阻力和毛细力之间的矛盾，该板具有毛细压力大、流动阻力小、均温性好、散热性能高、避免局部干涸等优点。

Description

一种平面方向梯度多孔毛细芯的均温板及制造方法

技术领域

本发明涉及一种平面方向梯度多孔毛细芯的均温板及制造方法，属于散热领域。

背景技术

随着电子芯片和功率器件的集成度不断增加，造成热流密度的不断上升，并造成电子领域常见的“热点”问题。传统的空冷方式已经达到了工业上的应运极限；而水冷方式，具有安静、降温温度、对环境依赖小等优点，但同时也具有成本较高、体积庞大等缺点，并需消耗额外的能耗。近年来，更为有效的散热方案，比如细长扁平热管等已广泛应用于笔记本电脑中。但采用扁平热管处理“热点”问题，因其一维散热的固有特点，仍然难以进一步满足未来的要求。近年来，均温板的应用受到极大的关注，因其有效将热源二维快速扩散，成为解决相关领域散热问题的重要方法。

均温板主要由蒸发端、冷凝端、吸液芯和工作流体构成，主要工作原理是：热源处热量首先通过蒸发端基板传给工作流体，工作流体受热产生蒸发相变，然后在冷凝面冷凝，释放出的热量可直接通过冷凝端外表面散发至环境；同时，冷凝液通过毛细芯的吸力重新返回到蒸发端，然后重新蒸发，构成不断进行的蒸发—冷凝循环。均温板的散热性能的提高，与毛细芯性能的提高有重要关联，以保证足够的液态工质回液流量。但毛细芯的选择会面临一基本矛盾：毛细力和流动阻力之间的矛盾。当采用小孔径的毛细芯时，毛细力会增大，而流动阻力会讯速上升；反之，当采用大孔径的毛细芯时，流动阻力会减小，而毛细力却会下降。为提高均温板的散热性能，大小孔径复合毛细芯结构被采纳，即在蒸发端中心处烧结叠合一小孔径毛细芯，而其他区域的毛细芯均采用大孔径毛细芯。

中国专利号[201510114972.8]，公开了一种梯度金属泡沫散热装置，包括：冷却液流动通道和密闭蒸发腔。其中：冷却液流动通道和密闭蒸发腔的内壁均设有梯度金属泡沫。梯度金属泡沫孔密度变化范围为3PPI～130PPI，孔隙率变化范围为0.5～0.98，材质为紫铜、不锈钢、铝或镍。该专利提出了将梯度泡沫金属应用于散热装置的考虑，但是其泡沫金属梯度多孔结构特征是自上而下，或自下而上梯度分布，这与通常均温板的回液输送的要求不符，难以解决均温板毛细芯所特有的高毛细力和低流动阻力之间的矛盾。蒸发端和冷凝端毛细芯也呈上下分离，冷凝液回液通道无法形成整体连续的通道结构，而且垂直梯度多孔芯结构难以做到超薄，难以满足当前超薄均温板的市场需求。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种平面方向梯度多孔毛细芯的均温板及制造方法，克服传统均温板流动阻力和毛细力之间的矛盾，该板具有毛细压力大、流动阻力小、均温性好、散热性能高、避免局部干涸的优点。

技术方案：为实现上述目的，本发明的一种平面方向梯度多孔毛细芯的均温板，包括吸收热源的第二板材和用于散热的第一板材，所述第一板材上安装有第一梯度多孔毛细芯，第二板材上安装有第二梯度多孔毛细芯，第一梯度多孔毛细芯与第二梯度多孔毛细芯固定连接，所述第二梯度多孔毛细芯面向第一梯度多孔毛细芯的一侧设有空腔，第二梯度多孔毛细芯侧面设有与空腔导通的充注管，所述第一梯度多孔毛细芯和第二梯度多孔毛细芯均为梯度孔隙结构，第一梯度多孔毛细芯和第二梯度多孔毛细芯中均充注有流体工质。

作为优选，所述第一梯度多孔毛细芯孔径自中心向四周孔径不断变小，第二梯度多孔毛细芯孔径自四周向中心孔径不断变小，第一梯度多孔毛细芯的孔径和孔隙率均小于第二梯度多孔毛细芯的孔径和孔隙率。

作为优选，所述第一梯度多孔毛细芯为泡沫金属，孔数为60PPI～100PPI，孔隙率变化范围为0.9～0.97；第一梯度多孔毛细芯孔径为泡沫金属，孔数为100PPI～300PPI，孔隙率变化范围为0.6～0.9。

作为优选，所述空腔的中心延伸有凸台，凸台的上表面与第二梯度多孔毛细芯表面平齐。

作为优选，所述空腔内安装有若干个支撑结构，支撑结构两端分别与第一梯度多孔毛细芯和第二梯度多孔毛细芯连接。

作为优选，所述流体工质为经过脱气去离子化处理的去离子水、乙醇、丙酮和氟里昂的中的任意一种。

作为优选，所述脱气去离子化处理为先对流体工质加热后冷凝，然后去离子纯净处理，保证均温板的性能长期使用不至退化。

一种上述的平面方向梯度多孔毛细芯的均温板的制造方法，包括以下步骤：

1)通过冲压形成第一板材和第二板材，其中一板材带有多个均匀分布的实心柱体，另一板材在相应位置设有卡槽；

2)分别制作第一梯度多孔毛细芯和第二梯度多孔毛细芯，通过真空高温烧结方法，将第一梯度多孔毛细芯紧密附着于第一板材内表面，第二梯度多孔毛细芯紧密附着于第二板材内表面；

3)将第一板材和第二板材沿四周边缘密封连接，并在一侧面连接充注管，形成一内部具有空腔的均温板本体；

4)通过充注管对铜均温板进行充注、抽真空，最后密封而成。

作为优选，所述空腔内的真空度为10^-2～10^-1Pa，以避免不凝气体造成均温板性能的下降。

本发明的一体化梯度多孔毛细芯结构，使得毛细力和流动阻力之间的矛盾得以更好的平衡。梯度多孔毛细芯一方面避免了小孔径毛细芯流动阻力过大的缺点，另一方面避免了大孔径毛细芯毛细力过小的缺点，可进一步提高工质循环流量，进一步突破传统均温板的毛细极限和干涸极限瓶颈。从而为研发更薄、性能更好的均温板提供了新的方案。

有益效果：本发明的平面方向梯度多孔毛细芯的均温板，利用梯度孔径和孔隙率的多孔芯产生的毛细力回液作用实现自循环，由于多孔毛细芯为在水平方向程梯度变化，使得毛细力和流动阻力之间的矛盾得以平衡，梯度多孔毛细芯一方面避免了小孔径毛细芯流动阻力过大的缺点，另一方面避免了大孔径毛细芯毛细力过小的缺点，提高工质循环流量，可进一步突破传统均温板的干涸极限瓶颈，一定加热功率下，轴向热阻和扩散热阻也会相应减小。

附图说明

图1为本发明的立体分解示意图。

图2为本发明中第一梯度多孔毛细芯二维示意图。

图3为本发明中第二梯度多孔毛细芯二维示意图。

图4为本发明的剖视结构示意图。

图5为本发明工作原理示意图。

图6为本发明制作工序图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1至图5所示，本发明的一种平面方向梯度多孔毛细芯的均温板，包括吸收热源1的第二板材4和用于散热的第一板材2，第一板材2和第二板材4采用紫铜冲压形成，所述第一板材2上安装有第一梯度多孔毛细芯3，第二板材4上安装有第二梯度多孔毛细芯5，第一梯度多孔毛细芯3与第二梯度多孔毛细芯5固定连接，所述第二梯度多孔毛细芯5面向第一梯度多孔毛细芯3的一侧设有空腔10，第二梯度多孔毛细芯5侧面设有与空腔10导通的充注管7，所述第一梯度多孔毛细芯3和第二梯度多孔毛细芯5均为梯度孔隙结构，第一梯度多孔毛细芯3和第二梯度多孔毛细芯5中均充注有流体工质。

在本发明中，所述第一梯度多孔毛细芯3孔径自中心向四周孔径不断变小，第二梯度多孔毛细芯5孔径自四周向中心孔径不断变小，第一梯度多孔毛细芯3的孔径和孔隙率均小于第二梯度多孔毛细芯5的孔径和孔隙率。所述第一梯度多孔毛细芯3为泡沫金属，孔数为60PPI～100PPI，孔隙率变化范围为0.9～0.97；第一梯度多孔毛细芯3孔径为泡沫金属，孔数为100PPI～300PPI，孔隙率变化范围为0.6～0.9。所述空腔10的中心延伸有凸台13，凸台13的上表面与第二梯度多孔毛细芯5表面平齐。第一梯度多孔毛细芯3与第二梯度多孔毛细芯5为烧结芯，烧结芯采用粉末烧结法或粉末湿法喷涂等技术制成，孔隙直粒和孔隙率可按要求进行变化。

在本发明中，所述空腔10内安装有若干个支撑结构6，支撑结构6两端分别与第一梯度多孔毛细芯3和第二梯度多孔毛细芯5连接。支撑结构6为铜柱、铜丝或一定强度的铜网，以防止焊接和抽真空时变形。

在本发明中，所述流体工质为经过脱气去离子化处理的去离子水、乙醇、丙酮和氟里昂的中的任意一种。所述脱气去离子化处理为先对流体工质加热后冷凝，保证均温板的性能长期使用不至退化。

如图5所示，一种上述的平面方向梯度多孔毛细芯的均温板的制造方法，包括以下步骤：

(1)铜材冲压成型工序：使用0.2mm～0.5mm厚的无氧红铜材料制作，第一板材2(冷凝端)呈四边凸起形状，需根据所设计的均温板空腔10高度调整四周凸边的高度，并且第二板材4凸边高度需大于充注管的直径，并在四周凸边一侧加工一放置充注管的小孔，第二板材4(蒸发端)内表面侧布有很多均匀分布的圆形卡槽；

(2)支撑结构烧结工序：采用石墨模具，对第一板材2进行支撑结构烧结制作，支撑结构可采用实心铜柱和多孔铜柱，或复合铜柱，支撑结构的高度为空腔10高度与第二板材4圆形卡槽深度之和；

(3)梯度多孔毛细芯制备工序：可采用粉末烧结法、粉末湿法喷涂等方法，在板材表面布设粒径依次减小的多孔层；

(4)清洗工序：首先采用乙醇或三氯乙烯在超声波清洗装置中除油，然后用清水进行冲洗，然后采用一定浓度一定温度的碱液在超声波清洗装中除去氧化层，碱液处理后立即采用60～80℃的热水进行漂洗，最后放入高温烧结炉内用氢气进行还原处理；

(5)板材焊接工序：采用真空钎焊或扩散焊将第一板材2和第二板材4扣合后焊接成形，如采用高温真孔钎焊方法，选择融化温度700～800℃的银铜焊片，其融化温度低于毛细芯的烧结温度(900～950℃)，为使上下毛细芯形成连续的一体化通道，可在上下毛细芯边缘和中心台阶处布设同样的银铜焊片；

(6)充注管焊接工序：采用高频感应焊机或高温真空钎焊方法，选择融化温度600～700℃的银铜焊片，将充注管接合与均温板的一侧面；

(7)真空检漏工序：采用氦质谱检漏仪对热管进行高真孔检漏；

(8)工质制备工序：如采用水工质，为保证均温板的性能长期使用不至退化，应用先加热后冷凝的方法对水进行脱气处理，然后去离子纯净处理；

(9)充注工质抽真空工序：采用先充注后抽真空的方式进行，当真空度达到10^-2～10^-1时，完成这一制备工序；

(10)封尾工序：当均温板真空度达到要求时，立即采用高频感应焊机对充注管7封焊，完成均温板的制作流程。

本发明的工作原理：均温板中第二梯度多孔毛细芯5孔径区域的面积对应于外部加热热源1面积，冷凝侧外表面可采用空冷翅片或水冷套进行冷却，流体工质在热源1处吸热进而在第二梯度多孔毛细芯5的孔隙结构中发生蒸发相变，蒸发相变产生的蒸汽11迅速通过空腔10，扩散到冷凝内表面第一板材2进行凝结，释放出的相变热量通过热传导作用将热量传递至冷凝表面第一板材2外表面，冷凝产生的凝结液12在毛细力的作用下通过第一梯度多孔毛细芯3和第二梯度多孔毛细芯5，补充到第二板材内表面的中心进行下一次蒸发相变，由于梯度多孔结构的应用，毛细力和流动阻力的矛盾得以平衡，使冷凝液回液流量得以提高，从而突破传统均温板的干涸极限。进而保证电子器件安全、高效和稳定的运行。

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 (8)

1.一种平面方向梯度多孔毛细芯的均温板，其特征在于：包括吸收热源的第二板材和用于散热的第一板材，所述第一板材上安装有第一梯度多孔毛细芯，第二板材上安装有第二梯度多孔毛细芯，第一梯度多孔毛细芯与第二梯度多孔毛细芯固定连接，所述第二梯度多孔毛细芯面向第一梯度多孔毛细芯的一侧设有空腔，第二梯度多孔毛细芯侧面设有与空腔导通的充注管，所述第一梯度多孔毛细芯和第二梯度多孔毛细芯均为梯度孔隙结构，第一梯度多孔毛细芯和第二梯度多孔毛细芯中均充注有流体工质；所述第一梯度多孔毛细芯孔径自中心向四周孔径不断变小，第二梯度多孔毛细芯孔径自四周向中心孔径不断变小，第一梯度多孔毛细芯的孔径和孔隙率均大于第二梯度多孔毛细芯的孔径和孔隙率。

2.根据权利要求1所述的平面方向梯度多孔毛细芯的均温板，其特征在于：所述第一梯度多孔毛细芯为泡沫金属，孔数为60PPI～100PPI，孔隙率变化范围为0.9～0.97；第二梯度多孔毛细芯孔径为泡沫金属，孔数为100PPI～300PPI I，孔隙率变化范围为0.6～0.9。

3.根据权利要求2所述的平面方向梯度多孔毛细芯的均温板，其特征在于：所述空腔的中心延伸有凸台，凸台的上表面与第二梯度多孔毛细芯表面平齐。

4.根据权利要求3所述的平面方向梯度多孔毛细芯的均温板，其特征在于：所述空腔内安装有若干个支撑结构，支撑结构两端分别与第一梯度多孔毛细芯和第二梯度多孔毛细芯连接。

5.根据权利要求4所述的平面方向梯度多孔毛细芯的均温板，其特征在于：所述流体工质为经过脱气去离子化处理的去离子水、乙醇、丙酮和氟里昂的中的任意一种。

6.根据权利要求5所述的平面方向梯度多孔毛细芯的均温板，其特征在于：所述脱气去离子化处理为先对流体工质加热后冷凝，然后去离子纯净处理。

7.一种如权利要求6所述的平面方向梯度多孔毛细芯的均温板的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)通过冲压形成第一板材和第二板材；

2)分别制作第一梯度多孔毛细芯和第二梯度多孔毛细芯，通过真空高温烧结方法，将第一梯度多孔毛细芯紧密附着于第一板材内表面，第二梯度多孔毛细芯紧密附着于第二板材内表面；

3)将第一板材和第二板材沿四周边缘密封连接，并在一侧面连接充注管，形成一内部具有空腔的均温板本体；

4)通过充注管对铜均温板进行充注、抽真空，最后密封而成。

8.根据权利要求7所述的平面方向梯度多孔毛细芯的均温板的制造方法，其特征在于：所述空腔内的真空度为10^-2～10^-1Pa。