CN108235666B - 表面调控的柔性微槽群热沉、散热装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种表面调控的柔性微槽群热沉、散热装置和方法，该柔性微槽群热沉由柔性导热材料制成，在其表面形成有多条微槽道，该多条微槽道组成微槽群，其中，所述微槽群的表面经亲水材料键合后形成亲水表面。进一步基于该柔性微槽群热沉提供了表面调控的柔性微槽群散热装置和散热方法。本公开通过在微槽群表面键合亲水材料，提高微槽群表面与液体工质如水、甲醇、乙醇等极性液体之间毛细作用力，增加液体工质的润湿高度和回流能力，达到强化换热的目的，成本低廉，操作简单，亲水性能持久。
Description
技术领域
本公开涉及散热技术领域，尤其涉及一种表面调控的柔性微槽群热沉、散热装置和方法。
背景技术
随着科技的进步，穿戴设备或者柔性显示设备近年来不断增加。虽然柔性电子产品的产热量相较传统电子产品要少，但由于柔性电子产品具有可弯曲、轻薄等特性，颠覆了传统电子产品的形态，发热量比较容易集中，容易让人体感到不适，因此这为柔性电子产品的散热问题带来了更高的技术要求。
现在关于柔性散热技术的研究主要集中在一些被动式技术上，如柔性热管和柔性平板热管等。其主要是选用各种聚合物(如聚丙烯，聚对苯二甲酸乙二醇酯树脂，液晶高分子聚合物和聚二甲基硅氧烷等材料)来制备柔性腔体材料，从而解决热管的弯曲问题。虽然这些高分子聚合物解决了散热器件可弯曲的问题，但是其本身较低的导热系数限制了其在电子产品中的应用。为了解决这些问题，有研究者在蒸发端增加了金属块或者金属通道来改善其换热性能，尽管前人做出各种努力，但热管理装置性能的改善仍然有限。除了上述蒸发端和冷凝端的热阻问题外，在狭小空间内蒸汽的流动同样存在问题。针对上述问题，有研究提出可采用高分子聚合物混合高导热纳米颗粒材料、碳纤维或碳纳米管等制成柔性腔体材料，其中高分子聚合物为聚丙烯(PP)、聚对苯二甲酸乙二醇酯树脂(PET)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、液晶高分子聚合物(LCP)、聚酰亚胺(PI)或环氧玻璃纤维板(FR4)。利用以上材料虽然解决了散热装置的弯曲问题，但是由于采用的主要高分子聚合物表面亲水性能不好，影响微槽道中毛细润湿高度和液体回流能力，从而影响整个散热器的散热能力。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种表面调控的柔性微槽群热沉、散热装置和方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供了一种表面调控的柔性微槽群热沉，其由柔性导热材料制成，在其表面形成有多条微槽道，该多条微槽道组成微槽群，其中，微槽群的表面经亲水材料键合后形成亲水表面。
在本公开的一些实施例中，柔性导热材料为由导热纳米颗粒材料、碳纤维或碳纳米管与高分子聚合物混合而成的复合材料，高分子聚合物为聚丙烯(PP)、聚对苯二甲酸乙二醇酯树脂(PET)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、液晶高分子聚合物(LCP)、聚酰亚胺(PI)或环氧玻璃纤维板(FR4)。
在本公开的一些实施例中，亲水材料为甲基丙烯酸二甲氨基乙酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物、磷脂酸、十二烷基硫酸钠、聚山梨酯或聚多巴胺。
在本公开的一些实施例中，微槽道截面为矩形、梯形或三角形。
在本公开的一些实施例中，微槽道尺寸为微纳米级。
根据本公开的再一个方面，提供了一种表面调控的柔性微槽群散热装置，包括：柔性微槽群热沉，其由柔性导热材料制成，柔性微槽群热沉为具有封闭空腔的腔体，腔体内至少一个表面形成有多条微槽道，多条微槽道组成微槽群，微槽群的表面经亲水材料键合后形成亲水表面。
在本公开的一些实施例中，柔性导热材料为由导热纳米颗粒材料、碳纤维或碳纳米管与高分子聚合物混合而成的复合材料；
亲水材料为甲基丙烯酸二甲氨基乙酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物、磷脂酸、十二烷基硫酸钠、聚山梨酯或聚多巴胺。
在本公开的一些实施例中，该柔性微槽群散热装置还包括：肋块支撑结构，设置于腔体中间，用于阻止含微槽群的表面与其相对表面贴合；金属丝网，固定于微槽群和肋块支撑结构中间，用于构建蒸汽通道和液体回流通道；以及液体工质，填充于封闭空腔内。
在本公开的一些实施例中，肋块支撑结构由硅胶或橡胶制成。
在本公开的一些实施例中，金属丝网为铜丝网或被氧化的铜丝网。
在本公开的一些实施例中，液体工质为水、甲醇、乙醇或丙酮。
根据本公开的又一个方面，提供了一种表面调控的柔性微槽群散热方法，包括：将柔性微槽群热沉的微槽群表面键合亲水材料，以提高液体工质和微槽群之间的毛细作用力，柔性微槽群热沉由柔性导热材料制成；使液体工质在该毛细作用力的作用下进入微槽群的微槽中，形成复合相变换热的薄液膜；以及薄液膜同热源接触后，发生薄液膜内的蒸发和厚液膜区域内核态沸腾的复合相变并带走热量，实现对热源的取热。
在本公开的一些实施例中，将柔性微槽群热沉的微槽群表面键合亲水材料的步骤包括：将柔性微槽群热沉在包含亲水材料的混合溶液中浸泡；以及对柔性微槽群热沉进行冲洗和干燥，使微槽群表面经亲水材料键合后形成亲水表面。
在本公开的一些实施例中，亲水材料在混合溶液中的含量为0.001～10mol/L。
在本公开的一些实施例中，浸泡时间为10s～48小时，浸泡温度为0～50℃。
在本公开的一些实施例中，冲洗时间为1～24小时。
在本公开的一些实施例中，干燥时间为1～24小时，干燥温度为30～150℃。
在本公开的一些实施例中，柔性导热材料为由导热纳米颗粒材料、碳纤维或碳纳米管与高分子聚合物混合而成的复合材料；
在本公开的一些实施例中，亲水材料为甲基丙烯酸二甲氨基乙酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物、磷脂酸、十二烷基硫酸钠、聚山梨酯或聚多巴胺；
在本公开的一些实施例中，液体工质为水、甲醇、乙醇或丙酮。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开表面调控的柔性微槽群热沉、散热装置和方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)结合柔性纳米复合材料和微槽群散热技术，利用亲水材料对微槽群表面性质进行调控，增加微槽道的亲水性能，进而提高液体工质和微槽群之间的毛细作用力，增强微槽道中液体工质的毛细润湿高度和回流能力，从而强化柔性微槽群热沉及散热装置的散热能力。
(2)通过将微槽群热沉浸泡于含亲水材料的混合溶液的方式在微槽群表面键合亲水材料，成本低廉，操作简单，亲水性能持久，具有长期使用的能力。
(3)当液体工质选用水时，其具有较高汽化潜热，蒸发可以带走大量热量，强化散热效果。
附图说明
图1为本公开实施例表面调控的柔性微槽群热沉的微槽道结构示意图。
图2为图1中微槽道结构的局部放大图。
图3为本公开实施例表面调控的柔性微槽群散热方法流程示意图。
图4为本公开实施例键合有十二烷基硫酸钠的微槽群表面示意图。
图5为本公开实施例键合有聚多巴胺的微槽群表面示意图。
图6为本公开实施例表面调控的柔性微槽群散热装置结构示意图。
图7为图6中柔性微槽群散热装置的上部分结构示意图。
【附图中本公开实施例主要元件符号说明】
1-柔性微槽群热沉； 2-亲水表面；
3-十二烷基硫酸钠； 4-聚多巴胺；
5-金属丝网； 6-肋块支撑结构；
7-封闭空腔； 8-液体工质。
具体实施方式
本公开提供了一种表面调控的柔性微槽群热沉、散热装置和方法，通过在柔性微槽群热沉的微槽群表面键合亲水材料，提高微槽群表面的亲水性能，增加其与液体工质如水、甲醇、乙醇等极性液体之间毛细作用力，增加液体工质的润湿高度和回流能力，达到强化换热的目的。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
作为本公开的一示例性实施例，提出了一种表面调控的柔性微槽群热沉、散热装置和方法。以下首先对表面调控的柔性微槽群热沉的结构作详细说明。
图1为本公开实施例表面调控的柔性微槽群热沉的微槽道结构示意图。图2为图1中微槽道结构的局部放大图。如图1和图2所示，本公开表面调控的柔性微槽群热沉1，其由柔性导热材料制成，在其表面形成有多条微槽道，该多条微槽道组成微槽群，其中，微槽群的表面经亲水材料键合后形成亲水表面2。
在不同实施例中，柔性导热材料为由导热纳米颗粒材料、碳纤维或碳纳米管与高分子聚合物混合而成的复合材料，高分子聚合物为聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯树脂、聚二甲基硅氧烷、液晶高分子聚合物、聚酰亚胺或环氧玻璃纤维板；亲水材料为甲基丙烯酸二甲氨基乙酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物、磷脂酸、十二烷基硫酸钠、聚山梨酯或聚多巴胺。
上述柔性导热材料与亲水材料之间的键合的形式包括但不局限于范德华力、共价键等，经亲水材料键合后微槽群表面具有亲水性能，可提高微槽群与液体工质之间的毛细作用力。
图示中的微槽道截面为矩形，当然还可为梯形或三角形，其尺寸为微纳米级。
至此，已对本公开表面调控的柔性微槽群热沉的结构作了详细说明。基于上述表面调控的柔性微槽群热沉，提出一种表面调控的柔性微槽群散热方法，将在以下段落中作详细说明。
图3为本公开实施例表面调控的柔性微槽群散热方法流程示意图。如图3所示，本公开表面调控的柔性微槽群散热方法，包括：
步骤A：将柔性微槽群热沉的微槽群表面键合亲水材料，以提高液体工质和微槽群之间的毛细作用力，该柔性微槽群热沉由柔性导热材料制成。
具体地，本步骤包括：
子步骤A1：将柔性微槽群热沉在包含亲水材料的混合溶液中浸泡。
柔性导热材料为由导热纳米颗粒材料、碳纤维或碳纳米管与高分子聚合物混合而成的复合材料，高分子聚合物为聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯树脂、聚二甲基硅氧烷、液晶高分子聚合物、聚酰亚胺或环氧玻璃纤维板；亲水材料为甲基丙烯酸二甲氨基乙酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物、磷脂酸、十二烷基硫酸钠、聚山梨酯或聚多巴胺。
亲水材料在混合溶液中的含量为0.001～10mol/L，浸泡时间为10s～48小时，浸泡温度为0～50℃。
子步骤A2：对柔性微槽群热沉进行冲洗和干燥，使微槽群表面经亲水材料键合后形成亲水表面。
其中，可使用去离子水对柔性微槽群热沉进行冲洗，冲洗时间为1～24小时；干燥时间为1～24小时，干燥温度为30～150℃。
经键合亲水材料后的柔性微槽群热沉的结构同前述，在此不作复述。
步骤B：使液体工质在毛细作用力的作用下进入微槽群的微槽中，形成复合相变换热的薄液膜；
其中，液体工质包括水、甲醇、乙醇或丙酮等极性试剂，作为优选，液体工质为水，水具有较高汽化潜热，蒸发可以带走大量热量，强化散热效果。
步骤C：薄液膜同热源接触后，发生薄液膜内的蒸发和厚液膜区域内核态沸腾的复合相变并带走热量，实现对热源的取热。
为了更好地表明表面本公开表面调控的柔性微槽群散热方法具体是如何实现的，以下对步骤A中的具体操作进行详细说明：
以在微槽群表面键合十二烷基硫酸钠为例：首先配置十二烷基硫酸钠的溶液，其质量浓度为1％，其次将由聚二甲基硅氧烷制作而成柔性微槽群热沉放入十二烷基硫酸钠的溶液中，在25℃下浸泡120s后取出并用去离子水冲洗，最后在50℃下干燥0.5小时，键合成的亲水表面结构如图4所示，十二烷基硫酸钠3的亲油基团与微槽群表面相键合，十二烷基硫酸钠3的亲水基团裸露，可大大增加微槽群表面的亲水性能，增加微槽群的微槽道中液体工质的润湿高度和回流能力，进而强化换热。
以在微槽群表面键合聚多巴胺为例：首先用三羟甲基氨基甲烷和盐酸配制0.1mol/L的Tris-盐酸缓冲溶液，再加入盐酸多巴胺，形成多巴胺溶液，其含量为0.5mol/L，其次将含聚丙烯的柔性微槽群热沉放入该多巴胺溶液中，在室温下浸泡24小时后取出并用去离子水冲洗，最后在50℃下干燥1小时，键合成的亲水表面结构如图5所示，其表面具有聚多巴胺的单元结构，聚多巴胺4与微槽群表面相键合，聚多巴胺的亲水基团裸露，大大增加了微槽群表面的亲水性能。
可以理解，基于以上描述的具体操作，其他例如在含聚二甲基硅氧烷等高分子聚合物的柔性微槽群热沉上键合其他亲水材料例如甲基丙烯酸二甲氨基乙酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物、磷脂酸、十二烷基硫酸钠或聚山梨酯也是容易实现的。
至此，已对本表面调控的柔性微槽群散热方法作了详细说明。基于上述表面调控的柔性微槽群热沉，本公开还提出一种表面调控的柔性微槽群散热装置，将在以下段落中作详细说明。
图6为本公开实施例表面调控的柔性微槽群散热装置结构示意图。图7为图6中柔性微槽群散热装置的上部分结构示意图。如图6和图7所示，本公开一种表面调控的柔性微槽群散热装置，包括：柔性微槽群热沉1，其为具有封闭空腔7的腔体，该腔体内至少一个表面形成有多条微槽道，组成微槽群；肋块支撑结构6，设置于腔体中间，用于阻止含微槽群的表面与其相对表面贴合；金属丝网5，固定于微槽群和肋块支撑结构6之间，用于构建蒸汽通道和液体回流通道；以及液体工质8，填充于封闭空腔7内。其中：
柔性微槽群热沉表面经亲水材料键合后形成亲水表面，其微槽群的结构以及相关材料均已在前述对柔性微槽群热沉的结构描述以及对柔性微槽群散热方法的描述中进行说明，在此不再复述。需要说明的是，图示中柔性微槽群热沉的封闭空腔7截面形状为长方形，但实际并不局限于长方形，图示中在柔性微槽群热沉的相对两个内表面设置有微槽群，实际上可只在其中一个内表面进行设置，或者在更多内表面上进行设置。
肋块支撑结构6的材料可为硅胶或橡胶等柔性材料。
由于柔性微槽群散热装置为柔性材料制成，在低压下有可能贴合在一起，导致蒸汽通道被阻，因此设置金属丝网5可起到构建蒸汽通道和液体回流通道的作用，其为铜丝网或被氧化的铜丝网，被氧化的铜丝网可进一步增加亲水性能。
液体工质8包括水、甲醇、乙醇或丙酮等极性试剂，优选为水，其具有较高汽化潜热，蒸发可带走大量热量。
使用时，通过经表面调控的柔性微槽群热沉，在毛细力的作用下，液体工质进入微槽群的微槽中，形成可以高强度复合相变换热的薄液膜，该薄液膜在同热源接触后，吸热发生相变，产生的蒸汽经过冷凝后在重力和毛细力的作用下又回到热源处，实现散热。
至此，已对本公开表面调控的柔性微槽群散热装置的结构作详细说明。
综上所述，本公开提供一种表面调控的柔性微槽群热沉、散热装置和方法，通过在柔性微槽群热沉的微槽群表面键合亲水材料，提高微槽群表面的亲水性能，增加其与液体工质如水、甲醇、乙醇等极性液体之间毛细作用力，增加液体工质的润湿高度和回流能力，达到强化换热的目的，进一步提供了基于该柔性微槽群热沉的散热方法和散热装置，成本低廉，操作简单，亲水性能持久。
还需要说明的是，除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。
再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种表面调控的柔性微槽群散热装置，包括：
柔性微槽群热沉，其由柔性导热材料制成，所述柔性微槽群热沉为具有封闭空腔的腔体，所述腔体内至少一个表面形成有多条微槽道，所述多条微槽道组成微槽群，所述微槽群的表面经亲水材料键合后形成亲水表面；以及
液体工质，填充于所述封闭空腔内；
其中，所述柔性导热材料为由导热纳米颗粒材料、碳纤维或碳纳米管与高分子聚合物混合而成的复合材料，所述高分子聚合物为聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯树脂、聚二甲基硅氧烷、液晶高分子聚合物、聚酰亚胺或环氧玻璃纤维板；
其中，所述亲水材料为甲基丙烯酸二甲氨基乙酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物、磷脂酸、十二烷基硫酸钠、聚山梨酯或聚多巴胺，以提高液体工质和微槽群之间的毛细作用力，
其中，将所述柔性微槽群热沉的微槽群表面键合亲水材料的步骤包括：将所述柔性微槽群热沉在包含亲水材料的混合溶液中浸泡；以及对所述柔性微槽群热沉进行冲洗和干燥，使微槽群表面经亲水材料键合后形成亲水表面，所述亲水材料在混合溶液中的含量为0.001～10mol/L。
2.根据权利要求1所述的柔性微槽群散热装置，还包括：
肋块支撑结构，设置于所述腔体中间，用于阻止含微槽群的表面与其相对表面贴合；以及
金属丝网，固定于所述微槽群和肋块支撑结构中间，用于构建蒸汽通道和液体回流通道。
3.根据权利要求2所述的柔性微槽群散热装置，其中：
所述肋块支撑结构由硅胶或橡胶制成；和/或
所述金属丝网为铜丝网或被氧化的铜丝网；和/或
所述液体工质为水、甲醇、乙醇或丙酮。
4.一种表面调控的柔性微槽群散热方法，包括：
将柔性微槽群热沉的微槽群表面键合亲水材料，以提高液体工质和微槽群之间的毛细作用力，所述柔性微槽群热沉由柔性导热材料制成；
使液体工质在所述毛细作用力的作用下进入所述微槽群的微槽中，形成复合相变换热的薄液膜；以及
所述薄液膜同热源接触后，发生薄液膜内的蒸发和厚液膜区域内核态沸腾的复合相变并带走热量，实现对热源的取热；
其中，所述柔性导热材料为由导热纳米颗粒材料、碳纤维或碳纳米管与高分子聚合物混合而成的复合材料，所述高分子聚合物为聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯树脂、聚二甲基硅氧烷、液晶高分子聚合物、聚酰亚胺或环氧玻璃纤维板；
所述亲水材料为甲基丙烯酸二甲氨基乙酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物、磷脂酸、十二烷基硫酸钠、聚山梨酯或聚多巴胺，
其中，将所述柔性微槽群热沉的微槽群表面键合亲水材料的步骤包括：将所述柔性微槽群热沉在包含亲水材料的混合溶液中浸泡；以及对所述柔性微槽群热沉进行冲洗和干燥，使微槽群表面经亲水材料键合后形成亲水表面，所述亲水材料在混合溶液中的含量为0.001～10mol/L。
5.根据权利要求4所述的柔性微槽群散热方法，其中：
浸泡时间为10s～48小时，浸泡温度为0～50℃；和/或
冲洗时间为1～24小时；和/或
干燥时间为1～24小时，干燥温度为30～150℃。
6.根据权利要求4或5所述的柔性微槽群散热方法，其中：
所述液体工质为水、甲醇、乙醇或丙酮。
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