CN105813443B - 一种电子元件用散热器及其热管制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电子元件用散热器及其热管制作方法，电子元件用散热器包括底座和热管，所述底座与热管固定连接，所述热管周围设置有散热气流间隙，所述散热气流间隙与热管固定连接，所述散热气流间隙为聚合材料散热气流间隙；所述热管包括热管壳体、吸液芯、端盖和填充介质，所述吸液芯位于热管壳体的内壁并与其固定连接，所述端盖位于热管壳体的两端并与其固定连接，所述填充介质位于热管壳体的内部；所述填充介质由纳米氧化铝和氧化硅复合颗粒和去离子水组成。本发明还提供了该电子元件用散热器中的热管的制作方法。本发明的散热效果好，其热管的传热系数是普通散热器的2倍。

Description

一种电子元件用散热器及其热管制作方法

技术领域

本发明涉及散热器结构设计技术领域，尤其涉及一种电子元件用散热器及其热管制作方法。

背景技术

近年来，随着电子技术的发展，电子器件向着小型化、紧凑化、高性能的方向发展，导致发热量增加。同时，由于使用了这些小型化部件，电子设备趋向于高密度装配，因此，单位容积的发热量逐年增大。由此可知，电子元器件的冷却技术是未来电子技术发展需要解决的一项关键技术。并且，随着高热流密度高功率仪器的发展，热流密度高、体积小、高温失效率高等问题阻碍着高功率电子元件的发展，从而热能的高效输运越来越受到人们的重视，热管理问题已成为大功率、高热流密度LED技术及产业发展的主要瓶颈。传统的主动式散热不仅体积庞大无法适应小空间的密集型高精尖设备，其额外消耗的能源也违背了高效环保节能的理念。然而被动式两相换热装置，由于其汽化潜热作用的发挥，其高效性能也在很多方面得到了广泛的应用。然而现有技术中的散热管散热器，其在结构上具有诸多待改进的地方，散热性能依然不能满足现有技术中的电子元件的散热需求。

例如中国专利CN101742892A公开的一种热管散热器，其包括一第一散热板、第二散热板及夹设与第一散热板与第二散热板之间的热管组合，所述热管组合包括由至少两个热管围绕形成一封闭区域，所述封闭区域封闭于第一散热板与第二散热板之间，所述第一散热板与第二散热板中至少一个开设有与封闭区域连通的通孔。该热管散热器与设备安装之间没有形成气流的装置，散热效果差。

又例如中国专利CN101873784A公开的了一种电子元件的散热模块及其组装方法，其中电子元件的散热模块包含：散热装置；电子元件，其具有多个导接脚；导热黏着界面，其设置于散热装置与电子元件之间，用以使电子元件固定于散热装置上；电路板，其具有多个孔洞，用以供电子元件的多个导接脚插设连接。该散热模块采用普通的热传方式进行散热，散热效果差。

发明内容

为克服现有技术中存在的电子元件散热器散热效果差的问题，本发明提供了一种电子元件用散热器及其热管制作方法。

一种电子元件用散热器，包括底座和热管，所述底座与热管固定连接，所述热管周围设置有散热气流间隙，所述散热气流间隙与热管固定连接，所述散热气流间隙为聚合材料散热气流间隙；所述热管包括热管壳体、吸液芯、端盖和填充介质，所述吸液芯位于热管壳体的内壁并与其固定连接，所述端盖位于热管壳体的两端并与其固定连接，所述填充介质位于热管壳体的内部；所述填充介质由纳米氧化铝与氧化硅复合颗粒和去离子水组成。

进一步的，所述填充介质由质量分数为5％-10％的纳米氧化铝和氧化硅复合颗粒和质量分数为90％-95％的去离子水组成。

进一步的，所述填充介质由质量分数为8％的纳米氧化铝和氧化硅复合颗粒和质量分数为92％的去离子水组成。

进一步的，所述纳米氧化铝和氧化硅复合颗粒由质量分数为30％-60％的氧化铝和质量分数为40％-70％的氧化硅组成。

进一步的，所述纳米氧化铝和氧化硅复合颗粒由质量分数为40％的氧化铝和质量分数为60％的氧化硅组成。

进一步的，所述吸液芯由毛细吸液管组成，所述毛细吸液管与热管壳体的内壁固定连接。

进一步的，所述毛细吸液管由排列成型的碳纤维丝与泡沫金属混合烧结而成。

本发明的另一个目的是提供一种所述的电子元件用散热器中的热管制作方法，包括如下步骤：

步骤一：选取外径3mm-6mm的红铜管，并将其内部清除干净，去除毛刺，将清除干净的红铜管放入稀硫酸中使用超声波进行清洗；

步骤二：选取纯度大于99％的四羟基合铝酸钠和纯度大于99％的硅溶胶以及少量的溶剂进行混合搅拌直至形成溶胶，将凝固的溶胶于50℃-60℃烘箱内进行烘干；

步骤三：将烘干后的固定置于坩埚内放入500℃的马弗炉内进行烧结3h，烧结完成后冷却待用，烧结完成后的固体即是氧化铝和氧化硅混合颗粒；

步骤四：将泡沫金属粉末放入清洗完毕干燥好的红铜管内，放入烧结炉内进行烧结，烧结温度为800-900℃，烧结90分钟-120分钟后取出冷却；

步骤五：将事先排列好的碳纤维丝放入红铜管内，放入烧结炉内进行烧结，烧结温度为800-900℃，烧结时间为30分钟，烧结完成后进行冷却；

步骤六：将步骤三中烧结完成的氧化铝和氧化硅混合颗粒进行研磨成粉，并将其与去离子水按照一定的比例进行混合搅拌，并将混合后的液体注入红铜管内进行密封。

进一步的，所述步骤四中还包括在红铜管内放入一根钢棍，所述钢棍与红铜管内壁之间留有间隙，在间隙内添加泡沫金属粉。

进一步的，所述步骤二中溶胶烘干温度为55℃。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明通过在热管周围设置散热气流间隙，使得在散热过程中空气在散热气流间隙内形成气流，使得电子元件表面与气流有足够的时间产生热传递，从而增强散热效果。

(2)本发明通过使用纳米氧化铝和氧化硅复合颗粒和去离子水组成的填充介质，利用纳米氧化铝和氧化硅复合颗粒容易在吸液芯表面形成沉积层的原理，使得蒸发和沸腾的过程得到强化，从而增强热管的传热系数，使得散热性得到有效的提升。

(3)本发明通过使用泡沫金属和碳纤维丝作为烧结材料进行烧结吸液管，使得吸液管的比表面积增大，增强热管的散热性能，并且由于泡沫金属的比重较小，从而使得热管的重量得到有效的减轻。

(4)本发明通过在泡沫技术表面烧结碳纤维丝使其形成微细纹路的结构表面，从而使得吸液管表面的阻力变大，比表面积增大，有效增强热管的散热性能。

附图说明

图1是本发明的电子元件用散热器的结构示意图；

图2是本发明的热管结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图1和图2，本具体实施方式披露了一种电子元件用散热器，包括底座1和热管2，所述底座1与热管2通过密封焊接固定连接，通过热管2进行换热散热，底座1对热管2进行固定，并且通过底座1能够将其固定在电子元件的散热部位。

优选的，底座1采用铜板作为底座，由于铜具有较强的硬度和极其良好的散热性能，采用铜板作为底座，一方面能够进一步优化散热性能，另一方面能够使得散热器具有很好的强度。为确保底座1与热管2之间紧密接触从而保证散热效果，在底座1与热管2的位置设置有凹槽，凹槽呈与热管曲率相同的弯折状，在安装过程中，将热管置于凹槽内，并通过压紧螺钉进行固定，为防止安装过程中损伤热管，压紧螺钉的下端设置有弹性垫，其可以是一个套在螺钉下端的弹簧。在拧紧螺钉的过程中，弹簧会给螺钉一个反向的弹性力，从而防止螺钉压坏热管。

此外，所述热管2周围设置有散热气流间隙3，所述散热气流间隙3与热管2通过粘连连接，优选的，所述散热气流间隙3为聚合材料散热气流间隙；所述散热气流间隙3为带有孔隙的散热气流间隙，具体的，其位于热管2的散热端的周围，使用过程中，通过散热风扇通过使气流通过散热气流间隙3形成气流从而确保气流与电子元件之间能够有足够的时间发生热传递，从而确保了散热器的散热效果。

此外，所述热管2包括热管壳体21、吸液芯22、端盖23和填充介质24，所述吸液芯22位于热管壳体21的内壁并与其通过烧结固定连接，所述端盖23位于热管壳体21的两端并与其通过焊接连接，通过端盖23将填充介质24密封在热管壳体21内。优选的，热管壳体21和端盖23均采用红铜材料制作，由于红铜的可塑性强，且硬度较大，并且其具有优异的热传导性能，因而将其作为热管壳体21和端盖23的制作材料，能够有效的确保热管的热交换效率。并且采用红铜，焊接的密封效果好，且能够塑造成需要的形状。在本发明的另一个实施例中，热管壳体21还可以是扁平状的热管壳体，采用扁平状的设计，可以有效的增加填充介质流动的阻力，从而减缓其循环的速度，提高热交换利用率。

在本发明的另一个具体实施方式中，热管2还可以是翘片式热管，翅片式热管在表面设置有环式螺纹，通过环式螺纹增加热管的散热比表面积，从而增强热管的散热性能。其中翅片式热管可以是轧制成型翅片管、焊接成型翅片管高频焊翅片管、埋弧焊翅片管、滚压成型翅片管、套装成型翅片管、铸造翅片管、张力缠绕翅片管、镶片管。优选的，采用镶片管作为本发明中的翅片式热管，其固定效果好，不容易产生漏液的现象，且散热效果好。

优选的，所述填充介质24位于热管壳体21的内部，优选的，所述填充介质24由纳米氧化铝和氧化硅复合颗粒和去离子水组成。纳米是一个尺度，为10^-9米，纳米材料是指在三维空间中，至少有一维处于纳米尺寸的范围，也即1-100纳米的范围。纳米材料具有小尺寸效应、表面效应和宏观量子随药效应。纳米尺寸的氧化铝和氧化硅复合颗粒一方面可以保留纳米氧化铝的分散性，使得其容易在填充介质中充分的进行分散。此外，由于纳米二氧化硅具有的絮凝结网的特点，使得其可以在填充介质中形成一层网状结构。由于纳米氧化铝和氧化硅复合颗粒会在热管内附着在吸液芯22的表面形成沉积层，从而强化蒸发和沸腾的过程，使得填充介质24的传热系数增大。优选的，纳米氧化铝和氧化硅复合颗粒的粒径为35-50纳米之间，在这个范围内的纳米氧化铝和氧化硅复合颗粒能够使得填充介质24的传热系数达到最大。

优选的，所述填充介质24由质量分数为5％-10％的纳米氧化铝和氧化硅复合颗粒和质量分数为90％-95％的去离子水组成。其中当所述填充介质24由质量分数为8％的纳米氧化铝和氧化硅复合颗粒和质量分数为92％的去离子水组成时，填充介质24的传热系数达到最大。由上述可知，纳米氧化铝和氧化硅复合颗粒会在吸液芯22的表面形成沉积层从而强化蒸发和沸腾的过程。因而纳米氧化铝和氧化硅复合颗粒比重的增加，传热系数会增加，然而沉积层太厚会影响填充介质24的流动性，因此沉积层存在一个最佳的厚度，即纳米氧化铝和氧化硅复合颗粒存在一个最优质量分数。在本发明的另一个实施例中，填充介质也可以由纳米氧化铝和氧化硅复合颗粒和其他溶剂组成，溶剂可以是甲醇、乙醇或者其他溶剂。

优选的，所述纳米氧化铝和氧化硅复合颗粒由质量分数为30％-60％的氧化铝和质量分数为40％-70％的氧化硅组成。将氧化铝和氧化硅复合是结合了其二者的优点。优选的，其中氧化铝的占比应当小于氧化硅，因为当氧化铝比重较大时，颗粒比较容易形成沉积层，容易使得沉积层的厚度过大，导致传热系数变小。在本实施例中，采用最优的比例，其中所述纳米氧化铝和氧化硅复合颗粒由质量分数为40％的氧化铝和质量分数为60％的氧化硅组成。

此外，所述吸液芯22由毛细吸液管221组成，所述毛细吸液管221与热管壳体21的内壁通过烧结固定连接。所述毛细吸液管221孔径为1000到10000纳米之间。优选的，所述毛细吸液管221由排列成型的碳纤维丝与泡沫金属混合烧结而成。泡沫金属是通过将金属中的低熔点的物质气化而得到的一种材料，其质量小，比重小，仅为同体积金属的五十分之一，采用泡沫金属作为毛细吸液管221的原材料可以大大减小热管的重量。并且泡沫金属的比表面积大，能够有效的增强填充介质的传热性能。并且泡沫金属中的孔隙能够增强纳米颗粒的吸附性，使得纳米氧化铝和氧化硅复合颗粒容易沉积，从而提高热管的传热系数。而碳纤维丝则在泡沫金属的表面形成极其细的纹路，从而对填充介质的流动起到一定的阻力作用，并且可以有效的增大毛细吸液管221的比表面积。

本实施例中的电子元件用散热器的散热系数是普通散热器的2倍以上，具有极好的散热性能，适用于高密度散热电子元件。

实施例2

本具体实施例披露了一种热管制作方法，包括如下步骤：

步骤一：选取外径3mm-6mm的红铜管，并将其内部清除干净，去除毛刺，将清除干净的红铜管放入稀硫酸中使用超声波进行清洗20分钟。在本发明的另一个实施例中，也可以采用其他尺寸的红铜管。优选的，在本具体实施例中采用4mm的红铜管作为烧结的热管壳体，其中去除毛刺时采用3mm的钢棍在内壁打磨的方法进行去除。

步骤二：选取纯度大于99％的四羟基合铝酸钠和纯度大于99％的硅溶胶以及少量的溶剂进行混合搅拌直至形成溶胶，将凝固的溶胶于50℃烘箱内进行烘干。

步骤三：将烘干后的固定置于坩埚内放入500℃的马弗炉内进行烧结3h，烧结完成后冷却待用，烧结完成后的固体即是氧化铝和氧化硅混合颗粒。

步骤四：将泡沫金属粉末放入清洗完毕干燥好的红铜管内，放入烧结炉内进行烧结，烧结温度为800℃，烧结90分钟后取出冷却；优选的，在本具体实施例中采用泡沫铜粉和泡沫镍粉作为泡沫金属粉，烧结完成后在红铜管的内壁形成多尺度微细结构表面，不但能够增加了汽化核心数目，同时也提供了毛细吸力进行液体补充，两者共同作用下将会维持受热面的换热平衡，烧结过程中需要添加的泡沫铜粉和泡沫镍粉的量根据换热量大小进行一定程度的调节。优选的，在真空气氛炉中进行烧结，使用80目的铜粉和150目目的镍粉在900摄氏度的温度下进行烧结。

优选的，添加泡沫金属粉时通过在红铜管内放入一根3mm的钢棍，所述钢棍与红铜管内壁之间留有间隙，在间隙内添加泡沫金属粉，其中钢棍的长度大于红铜管。

步骤五：将事先排列好的碳纤维丝放入红铜管内，放入烧结炉内进行烧结，烧结温度为800℃，烧结时间为30分钟，烧结完成后进行冷却；

步骤六：将步骤三中烧结完成的氧化铝和氧化硅混合颗粒进行研磨成粉，并将其与去离子水按照一定的比例进行混合搅拌，并将混合后的液体注入红铜管内进行密封。优选的，采用机械搅拌的方式进行混合搅拌半个小时，以确保氧化铝和氧化硅混合颗粒与去离子水均匀混合。并且采用密封焊的方式进行密封处理。在装液体之前先将红铜管的一端进行密封焊，装完液体后再对另一端进行密封焊。此外，若需要对红铜管进行弯折则需要在装液之前进行，以免对内部结构造成损坏影响工作性能。

实施例3

本具体实施方式披露了一种热管制作方法，与实施例2的区别点在于：步骤二中的烘干温度为55℃；

步骤四中的烧结温度为850℃，烧结时间为105分钟；

步骤五中的烧结温度为850℃。

采用本实施例中的方法制作的热管的传热系数是采用实施例2中的方法制作的热管的1.2倍。

实施例4

本具体实施方式披露了一种热管制作方法，与实施例2的区别点在于：步骤二中的烘干温度为60℃；

步骤四中的烧结温度为900℃，烧结时间为120分钟；

步骤五中的烧结温度为900℃。

采用本实施例中的方法制作的热管的传热系数与采用实施例2中的方法制作的热管相同。

上述说明示出并描述了本发明的优选实施例，如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种电子元件用散热器，包括底座(1)和热管(2)，所述底座(1)与热管(2)固定连接，其特征在于：所述热管(2)周围设置有散热气流间隙(3)，所述散热气流间隙(3)与热管(2)固定连接，所述散热气流间隙(3)为聚合材料散热气流间隙；所述热管(2)包括热管壳体(21)、吸液芯(22)、端盖(23)和填充介质(24)，所述吸液芯(22)位于热管壳体(21)的内壁并与其固定连接，所述端盖(23)位于热管壳体(21)的两端并与其固定连接，所述填充介质(24)位于热管壳体(21)的内部；所述填充介质(24)由纳米氧化铝与氧化硅复合颗粒和去离子水组成。

2.根据权利要求1所述的一种电子元件用散热器，其特征在于：所述填充介质(24)由质量分数为5％-10％的纳米氧化铝和氧化硅复合颗粒和质量分数为90％-95％的去离子水组成。

3.根据权利要求2所述的一种电子元件用散热器，其特征在于：所述填充介质(24)由质量分数为8％的纳米氧化铝和氧化硅复合颗粒和质量分数为92％的去离子水组成。

4.根据权利要求1所述的一种电子元件用散热器，其特征在于：所述纳米氧化铝和氧化硅复合颗粒由质量分数为30％-60％的氧化铝和质量分数为40％-70％的氧化硅组成。

5.根据权利要求4所述的一种电子元件用散热器，其特征在于：所述纳米氧化铝和氧化硅复合颗粒由质量分数为40％的氧化铝和质量分数为60％的氧化硅组成。

6.根据权利要求1所述的一种电子元件用散热器，其特征在于：所述吸液芯(22)由毛细吸液管(221)组成，所述毛细吸液管(221)与热管壳体(21)的内壁固定连接。

7.根据权利要求6所述的一种电子元件用散热器，其特征在于：所述毛细吸液管(221)由排列成型的碳纤维丝与泡沫金属混合烧结而成。

8.一种如权利要求1所述的电子元件用散热器中的热管制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：选取外径3mm-6mm的红铜管，并将其内部清除干净，去除毛刺，将清除干净的红铜管放入稀硫酸中使用超声波进行清洗；

步骤二：选取纯度大于99％的四羟基合铝酸钠和纯度大于99％的硅溶胶以及少量的溶剂进行混合搅拌直至形成溶胶，将凝固的溶胶于50℃-60℃烘箱内进行烘干；

步骤三：将烘干后的固定置于坩埚内放入500℃的马弗炉内进行烧结3h，烧结完成后冷却待用，烧结完成后的固体即是氧化铝和氧化硅混合颗粒；

步骤四：将泡沫金属粉末放入清洗完毕干燥好的红铜管内，放入烧结炉内进行烧结，烧结温度为800-900℃，烧结90分钟-120分钟后取出冷却；

步骤五：将事先排列好的碳纤维丝放入红铜管内，放入烧结炉内进行烧结，烧结温度为800-900℃，烧结时间为30分钟，烧结完成后进行冷却；

步骤六：将步骤三中烧结完成的氧化铝和氧化硅混合颗粒进行研磨成粉，并将其与去离子水按照一定的比例进行混合搅拌，并将混合后的液体注入红铜管内进行密封。

9.根据权利要求8所述的一种热管制作方法，其特征在于，所述步骤四中还包括在红铜管内放入一根钢棍，所述钢棍与红铜管内壁之间留有间隙，在间隙内添加泡沫金属粉。

10.根据权利要求8所述的一种热管制作方法，其特征在于，所述步骤二中溶胶烘干温度为55℃。