CN106679473B - 双层多通道平板纳米表面脉动热管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种双层多通道平板纳米表面脉动热管及其制备方法，属于电子器件冷却技术领域。本发明所述的双层多通道平板纳米表面脉动热管，包括前盖板、双层平板热管板和后盖板，双层平板热管板的一面为蒸发端，蒸发端含有蒸发弯头；双层平板热管板的另一面为冷凝端，冷凝端含有冷凝弯头；双层平板热管板的两面之间通过连接孔连接；双层平板热管板与前盖板和后盖板之间设有钎焊箔。本发明所述的双层多通道平板纳米表面脉动热管，结构简单，设计科学合理，其应用于热源，可高效、快速的传递热量；本发明同时提供了一种操作简单的制备方法，利于工业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种双层多通道平板纳米表面脉动热管及其制备方法，属于电子器件冷却技术领域。
背景技术
随着电子元器件向着尺寸微型化、高集成度方向发展，其单位面积的热流度要求不断提高。传统的热管散热方式已经不能满足其高热负荷的需求。脉动热管，一种利用工作流体高速振荡而高效相变换热的装置，已广泛应用在电子冷却领域中。研究发现，脉动热管中蒸发端和冷凝端管道内的弯头数量对于换热效果有着重要的影响。目前市场上的单层平板脉动热管的管道内弯头数量有限，不能满足小尺寸发热件的高热流度散热要求，并且管道内的工作流体在当前的普通脉动热管的蒸发端和冷凝端相变换热时，传热效率较低，未能达到高效强化换热的效果。
发明内容
本发明的目的是提供一种双层多通道平板纳米表面脉动热管，结构简单，设计科学合理，其应用于热源，可高效、快速的传递热量；本发明同时提供了一种操作简单的制备方法，利于工业化生产。
本发明所述的双层多通道平板纳米表面脉动热管，包括前盖板、双层平板热管板和后盖板，双层平板热管板的一面为蒸发端，蒸发端含有蒸发弯头；双层平板热管板的另一面为冷凝端，冷凝端含有冷凝弯头；双层平板热管板的两面之间通过连接孔连接；双层平板热管板与前盖板和后盖板之间设有钎焊箔。
所述蒸发端位于双层平板热管板一面的中心区域12.7mm*12.7mm～50.8mm*50.8mm方形范围内；冷凝端位于双层平板热管板另一面的中心区域12.7mm*12.7mm～50.8mm*50.8mm方形范围内，蒸发端和冷凝端均为聚集式管道；双层平板热管板上除蒸发端和冷凝端之外的区域均为绝热段。
所述蒸发弯头优选为40-80个；所述冷凝弯头优选为40-80个。
所述双层平板热管板的每根管道末端设有连接上下两板的连接孔。
所述的每一个小弯头即为一个小的蒸发端或冷凝端。发热电子元件置于该双层平板热管的中心区域蒸发端，冷却部件(如电子冷却风扇)置于该双层平板热管的另一中心区域冷凝端。通过双层平板热管的剖视图(如附图1所示)可以看到，蒸发端和冷凝端各为一个个的微通道。上下两层微通道与微通道之间通过连接孔连通，实为一个微通道贯穿上下两层平板。
所述的双层多通道平板纳米表面脉动热管的制备方法，是将双层平板热管板的蒸发端表面进行预处理后，置于混合溶液中进行处理；将绝热段和冷凝端表面置于混合溶液中处理后，再用低表面能材料的溶液进行处理；所述混合溶液由氢氧化钠溶液和过硫酸铵溶液组成。
所述氢氧化钠溶液的浓度为0.5-3M；过硫酸铵的浓度为0.1-0.5M。
所述低表面能材料的溶液为十八烷酸、1-癸硫醇或1H,1H,2H,2H-全氟癸基硫醇。
具体的，包括以下制备步骤：
(1)将双层平板热管板的蒸发端表面置于超声波震荡水浴中，用丙酮超声清洗15-20分钟，除去铜基蒸发端表面的油脂和杂质，然后用去离子水清洗表面并用速度为1-3m/s的氮气气流烘干；
(2)将步骤(1)清洗后的双层平板热管板的蒸发端表面放入混合溶液中，在室温25-30℃下表面处理15-30分钟，得到阶层式纳米结构的微沟槽；
(3)将双层平板热管板的绝热段和冷凝端表面依次按照步骤(1)和(2)的方法进行处理，用去离子水清洗，再由速度为1-3m/s的氮气气流烘干，然后浸泡在浓度为0.1-0.5M的低表面能材料的溶液中，浸泡8-14小时；
(4)将步骤(3)处理的双层平板热管板的绝热段和冷凝端取出后，在高温炉中120-160℃下加热2-4小时，得到铜基超疏水层，铜基超疏水层的表面接触角为155-163°；
(5)将前盖板和后盖板与双层平板热管板在高温炉中通过钎焊箔在220-260℃下加热8-12h进行密封，制得所述的双层多通道平板纳米表面脉动热管。
反应过程中，蒸发端表面颜色逐渐变成暗蓝色和浅黑色，形成氧化铜(CuO)和氢氧化铜(Cu(OH)2)共生的阶层式纳米结构；反应过程中，由于氢氧化铜(Cu(OH)2)在室温下不稳定，部分氢氧化铜(Cu(OH)2)会逐渐地转换成氧化铜(CuO)，如反应式1和2所述。该氧化铜(CuO)和氢氧化铜(Cu(OH)2)共生的阶层式纳米结构的微沟槽可有助于蒸发端管内液体形成一层极薄的液膜，由于液膜厚度极小(1微米)，导致热阻极低，可产成很大的蒸发传热速率，从而形成细薄膜蒸发现象，提高传热系数。
脉动热管中的气柱在该纳米表面冷凝端处可形成滴状冷凝，大大提高冷凝效率。由于绝热段表面同为纳米超疏水层，气、液柱在脉动热管微通道内高速振荡时，可减小微通道壁面与气、液柱的接触摩擦力，进而提高脉动热管的振荡速率，达到强化传热。
Cu+4NaOH+(NH4)2S2O8→Cu(OH)2+2Na2SO4+2NH3↑+2H2O (1)
将密封好的双层多通道平板纳米表面脉动热管，在真空环境下，注入部分工作流体，达到合适充液比后，充液管被气动卡钳切断，断绝工作流体与空气接触，同时通过钎焊将断口密封。保持内部真空环境。将蒸发端置于热源(如电子芯片)上，当热量持续增加时，蒸发端内的液体发生相变换热，借助于微沟槽纳米表面结构，蒸发端区域会形成细薄膜蒸发现象，气体压强增大；冷凝端与冷却装置连接(如冷却风扇)，当气体到达冷凝端时，由于该冷凝表面产生超疏水性特征而形成滴状冷凝现象，气体会迅速冷凝成液体，使得气体压强迅速减小。由于蒸发端和冷凝端的气体压强差，推动气柱、液柱在蒸发端和冷凝端之间做高速往复、垂直振荡。高速振荡的液柱内可产生涡流，可进行强化换热，并且液柱始终处于发展中流动状态，而未进入稳态，使其传热系数进一步提高。同时，绝热段也采用超疏水性纳米表面层，可减少高速振荡时壁面与气、液柱之间的接触摩擦力，加快振荡速率。微管道内气柱、液柱产生的显热和潜热作用，可使得热量快速地从蒸发端传递到冷凝端，达到高效换热目的。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)所述的双层多通道平板纳米表面脉动热管，结构简单，设计科学合理，可应用于计算机芯片、计算机服务器冷却或微型电子器件散热等电子冷却领域；
(2)所述的双层多通道平板纳米表面脉动热管，应用于发热件(如电子芯片)，可有效传递热量，减少温差，达到热平衡；随着加热量的不断提高，其杰出的热传递特性越明显；蒸发端与冷凝端之间温差越小，导热效果越好。
(3)所述的双层多通道平板纳米表面脉动热管，相比于普通单层铜基平板脉动热管，本发明制备的双层多通道平板纳米表面脉动热管可最大减少蒸发端与冷凝端之间温差达55.6％，使得热源热量能够迅速传递至制冷端；相比于普通单层铜基纳米表面平板脉动热管，本发明制备的双层多通道平板纳米表面脉动热管可最大减少蒸发端与冷凝端之间温差达32.2％；
(4)所述的双层多通道平板纳米表面脉动热管的制备方法，操作简单，节能环保，利于工业化生产。
附图说明
图1是双层多通道平板纳米表面脉动热管的剖视图；
图2是双层多通道平板纳米表面脉动热管的结构示意图；
图3是双层多通道平板纳米表面脉动热管正面蒸发端的结构示意图；
图4是双层多通道平板纳米表面脉动热管反面冷凝端的结构示意图；
图5是蒸发端与冷凝端之间温度差与加热量的关系对比图；
图中：1、前盖板；2、后盖板；3、微通道；4、双层平板热管板；5、蒸发端；6、绝热段；7、连接孔；8、冷凝端。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但其并不限制本发明的实施。
实施例1
所述的双层多通道平板纳米表面脉动热管，包括前盖板1、双层平板热管板4和后盖板2，双层平板热管板4的一面为蒸发端5，蒸发端5含有蒸发弯头；双层平板热管板4的另一面为冷凝端8，冷凝端8含有冷凝弯头；双层平板热管板4的两面之间通过连接孔7连接；双层平板热管板4与前盖板1和后盖板2之间设有钎焊箔。
所述蒸发端5位于双层平板热管板4一面的中心区域25.4mm*25.4mm方形范围内；冷凝端8位于双层平板热管板4另一面的中心区域25.4mm*25.4mm方形范围内，蒸发端5和冷凝端8均为聚集式管道；双层平板热管板4上除蒸发端5和冷凝端8之外的区域均为绝热段6。
所述蒸发弯头为40个；所述冷凝弯头为40个。
所述双层平板热管板4的每根管道末端设有连接上下两板的连接孔7。
所述的每一个小弯头即为一个小的蒸发端5或冷凝端8。发热电子元件置于该双层平板热管的中心区域蒸发端5，冷却部件(如电子冷却风扇)置于该双层平板热管的另一中心区域冷凝端8。通过双层平板热管的剖视图(如附图1所示)可以看到，蒸发端5和冷凝端8各为一个个的微通道。上下两层微通道与微通道之间通过连接孔7连通，实为一个微通道贯穿上下两层平板。
所述的双层多通道平板纳米表面脉动热管的制备方法，包括以下制备步骤：
(1)将双层平板热管板的蒸发端表面置于超声波震荡水浴中，用丙酮超声清洗15分钟，除去铜基蒸发端表面的油脂和杂质，然后用去离子水清洗表面并用速度为1m/s的氮气气流烘干；
(2)将步骤(1)清洗后的双层平板热管板的蒸发端表面放入由浓度为0.5M氢氧化钠溶液和浓度为0.1M过硫酸铵溶液组成的混合溶液中，在室温25℃下表面处理15分钟，得到阶层式纳米结构的微沟槽；
(3)将双层平板热管板的绝热段和冷凝端表面依次按照步骤(1)和(2)的方法进行处理，用去离子水清洗，再由速度为1m/s的氮气气流烘干，然后浸泡在浓度为0.1M的十八烷酸的溶液中，浸泡8小时；
(4)将步骤(3)处理的双层平板热管板的绝热段和冷凝端取出后，在高温炉中120℃下加热2-4小时，得到铜基超疏水层，铜基超疏水层的表面接触角为155°；
(5)将前盖板和后盖板与双层平板热管板在高温炉中通过钎焊箔在220℃下加热8h进行密封，制得所述的双层多通道平板纳米表面脉动热管。
实施例2
所述的双层多通道平板纳米表面脉动热管，结构与实施例1中的基本相同，不同的地方是：
所述蒸发端5位于双层平板热管板4一面的中心区域12.7mm*12.7mm方形范围内；冷凝端8位于双层平板热管板4另一面的中心区域12.7mm*12.7mm方形范围内。
所述蒸发弯头为80个；所述冷凝弯头为80个。
所述的双层多通道平板纳米表面脉动热管的制备方法，包括以下制备步骤：
(1)将双层平板热管板的蒸发端表面置于超声波震荡水浴中，用丙酮超声清洗20分钟，除去铜基蒸发端表面的油脂和杂质，然后用去离子水清洗表面并用速度为3m/s的氮气气流烘干；
(2)将步骤(1)清洗后的双层平板热管板的蒸发端表面放入由浓度为3M氢氧化钠溶液和浓度为0.5M过硫酸铵溶液组成的混合溶液中，在室温30℃下表面处理30分钟，得到阶层式纳米结构的微沟槽；
(3)将双层平板热管板的绝热段和冷凝端表面依次按照步骤(1)和(2)的方法进行处理，用去离子水清洗，再由速度为3m/s的氮气气流烘干，然后浸泡在浓度为0.5M的1-癸硫醇的溶液中，浸泡14小时；
(4)将步骤(3)处理的双层平板热管板的绝热段和冷凝端取出后，在高温炉中160℃下加热4小时，得到铜基超疏水层，铜基超疏水层的表面接触角为163°；
(5)将前盖板和后盖板与双层平板热管板在高温炉中通过钎焊箔在260℃下加热12h进行密封，制得所述的双层多通道平板纳米表面脉动热管。
实施例3
所述的双层多通道平板纳米表面脉动热管，结构与实施例1中的基本相同，不同的地方是：
所述蒸发端5位于双层平板热管板4一面的中心区域50.8mm*50.8mm方形范围内；冷凝端8位于双层平板热管板4另一面的中心区域50.8mm*50.8mm方形范围内。
所述蒸发弯头为55个；所述冷凝弯头为55个。
所述的双层多通道平板纳米表面脉动热管的制备方法，包括以下制备步骤：
(1)将双层平板热管板的蒸发端表面置于超声波震荡水浴中，用丙酮超声清洗16分钟，除去铜基蒸发端表面的油脂和杂质，然后用去离子水清洗表面并用速度为2m/s的氮气气流烘干；
(2)将步骤(1)清洗后的双层平板热管板的蒸发端表面放入由浓度为1.0M氢氧化钠溶液和浓度为0.3M过硫酸铵溶液组成的混合溶液中，在室温28℃下表面处理25分钟，得到阶层式纳米结构的微沟槽；
(3)将双层平板热管板的绝热段和冷凝端表面依次按照步骤(1)和(2)的方法进行处理，用去离子水清洗，再由速度为2m/s的氮气气流烘干，然后浸泡在浓度为0.3M的1H,1H,2H,2H-全氟癸基硫醇的溶液中，浸泡12小时；
(4)将步骤(3)处理的双层平板热管板的绝热段和冷凝端取出后，在高温炉中140℃下加热3小时，得到铜基超疏水层，铜基超疏水层的表面接触角为160°；
(5)将前盖板和后盖板与双层平板热管板在高温炉中通过钎焊箔在240℃下加热10h进行密封，制得所述的双层多通道平板纳米表面脉动热管。
将实施例制得的双层多通道平板纳米表面脉动热管，分别与普通单层铜基平板脉动热管、普通单层铜基纳米表面平板脉动热管进行传热测试，每种脉动热管蒸发端与冷凝端之间温度差与加热量的关系详见附图5。
测试结果表明，随着加热量的增加，普通单层铜基平板脉动热管、普通单层铜基纳米表面平板脉动热管蒸发端与冷凝端的温度差呈现线性上升趋势，而双层多通道平板纳米表面脉动热管蒸发端与冷凝端的温度差上升趋势明显弱于以上两种产品。由此可见，本发明制备的双层多通道平板纳米表面脉动热管可最大减少蒸发端与冷凝端之间温差。
Claims (1)
1.一种双层多通道平板纳米表面脉动热管，其特征在于：所述的双层多通道平板纳米表面脉动热管，包括前盖板(1)、双层平板热管板(4)和后盖板(2)，双层平板热管板(4)的一面为蒸发端(5)，蒸发端(5)含有蒸发弯头；双层平板热管板(4)的另一面为冷凝端(8)，冷凝端(8)含有冷凝弯头；双层平板热管板(4)的两面之间通过连接孔(7)连接；双层平板热管板(4)与前盖板(1)和后盖板(2)之间设有钎焊箔；
所述蒸发端(5)位于双层平板热管板(4)一面的中心区域50.8mm*50.8mm方形范围内；冷凝端(8)位于双层平板热管板(4)另一面的中心区域50.8mm*50.8mm方形范围内，蒸发端(5)和冷凝端(8)均为聚集式管道；双层平板热管板(4)上除蒸发端(5)和冷凝端(8)之外的区域均为绝热段(6)；
所述蒸发弯头为55个；所述冷凝弯头为55个；
所述双层平板热管板(4)的每根管道末端设有连接上下两板的连接孔(7)；
每一个弯头即为一个蒸发端(5)或冷凝端(8)；发热电子元件置于该双层平板热管的中心区域蒸发端(5)，冷却部件置于该双层平板热管的另一中心区域冷凝端(8)；蒸发端(5)和冷凝端(8)各为一个个的微通道；上下两层微通道与微通道之间通过连接孔(7)连通，实为一个微通道贯穿上下两层平板；
所述的双层多通道平板纳米表面脉动热管的制备方法，包括以下制备步骤：
(a)将双层平板热管板的蒸发端表面置于超声波震荡水浴中，用丙酮超声清洗16分钟，除去铜基蒸发端表面的油脂和杂质，然后用去离子水清洗表面并用速度为2m/s的氮气气流烘干；
(b)将步骤(a)清洗后的双层平板热管板的蒸发端表面放入由浓度为1.0M氢氧化钠溶液和浓度为0.3M过硫酸铵溶液组成的混合溶液中，在室温28℃下表面处理25分钟，得到阶层式纳米结构的微沟槽；
(c)将双层平板热管板的绝热段和冷凝端表面依次按照步骤(a)和(b)的方法进行处理，用去离子水清洗，再由速度为2m/s的氮气气流烘干，然后浸泡在浓度为0.3M的1H,1H,2H,2H-全氟癸基硫醇的溶液中，浸泡12小时；
(d)将步骤(c)处理的双层平板热管板的绝热段和冷凝端取出后，在高温炉中140℃下加热3小时，得到铜基超疏水层，铜基超疏水层的表面接触角为160°；
(e)将前盖板和后盖板与双层平板热管板在高温炉中通过钎焊箔在240℃下加热10h进行密封，制得所述的双层多通道平板纳米表面脉动热管。
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