CN109539846A - 一种具有梯度润湿结构的平板热管 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有梯度润湿结构的平板热管，包括底板、顶板和位于底板月顶板之间的支撑板，底板、顶板及两侧支撑板连接构成密封腔体；在底板的内表面加工有微米级放射状条带，呈现由圆心到圆周均匀变化的润湿梯度；在顶板的内表面加工有超亲水、超疏水间隔设置的放射状结构，用于向四周管壁方向运输冷凝液；在支撑板内侧设有吸液芯。通过对蒸发面进行微纳加工，使其具有无泵定向运输液体且汇集回流冷凝液的功能；对冷凝面进行图案化超亲、疏水加工，驱动冷凝液向四周管壁方向迁移，加快冷凝液回流速度，省去了上下表面的吸液芯结构，减小了热阻，强化了蒸发冷凝速度，提高了蒸发区和冷凝区的换热性能，从而提高了整个平板热管的换热性能。

Description

一种具有梯度润湿结构的平板热管
技术领域
本发明属于电子元器件散热装置技术领域，涉及一种具有梯度润湿结构的平板热管。
背景技术
随着电子技术的快速发展，电子元器件逐渐向小型化、高速高频化、高集成化发展，功能越来越复杂，散热热流密度越来越高，造成电子设备的故障率增加。因此实现电子元器件的高效散热，保证电子元器件的可靠性是目前的技术难点和研究热点。
平板热管是在传统热管的基础上经过改进而成的高效相变传热设备，具有结构简单，均温性好，传热高效的优点。它主要由外壳、吸液芯、工质等组成，工作原理与普通热管工作原理类似，利用工质的相变潜热带走电子元件的热量。当热量由热源通过平板热管的蒸发区时，低真空度密闭空腔内的工质液体沸腾气化，气体由于压差作用被压向冷凝区，在冷凝面气体遇冷凝结放热，在毛细力的作用下沿着吸液芯重新回流到蒸发区，蒸发面工质相变带走热源的热量，而冷凝面的热量由平板热管外部其他散热方式带走。与普通热管相比较，平板热管将一维传热升级为二维，有更好的均温性。
然而现有平板热管主要依靠吸液芯提供的毛细力来推动工质回流，且由于蒸发面冷凝面上都覆有吸液芯，多孔结构的吸液芯热阻较大，增加了整个热管的传热热阻。此外，烧结吸液芯结构本身需要耗能，并且烧结质量难以保证。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种具有梯度润湿结构的平板热管，该平板热管结构设计合理，利用表面张力、毛细力共同作用引导并加快工质回流速度，同时减少吸液芯的覆盖面，减少传热热阻从而提高整体换热能力。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明公开了一种具有梯度润湿结构的平板热管，包括底板、顶板和位于底板与顶板之间的支撑板，所述支撑板有两个，底板、顶板及两侧支撑板连接构成密封腔体；
在底板的内表面加工有微米级放射状条带，呈现由圆心到圆周均匀变化的润湿梯度，用于向圆心处无泵定向运输液体及汇集冷凝液；
在顶板的内表面加工有超亲水、超疏水间隔设置的放射状结构，用于向四周管壁方向运输冷凝液；
在支撑板内侧设有吸液芯，用于将液体从顶板边缘转移到底板边缘。
优选地，吸液芯利用粉末烧结于支撑板内侧，具有多孔结构；吸液芯的上、下两端分别与顶板和底板相连。
优选地，还包括设置在底板和顶板之间的若干根支撑柱，支撑柱的上、下两分别与顶板和底板相连。
进一步优选地，若干根支撑柱在底板和顶板之间均匀分布。
优选地，底板、顶板和支撑板之间采用焊接密封相连。
优选地，顶板内表面的放射状结构中，超疏水区的面积大于超亲水区的面积；进一步地，超亲水区和超疏水区的表面积比为1：5。
优选地，底板内表面上凸起的微米级放射状条带的高度以及相邻的微米级放射状条带之间的距离，满足能够将液滴托起以保证表面的Cassie-Baxter状态。
优选地，底板内表面的微米级放射状条带采用光刻法制备
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的具有梯度润湿结构的平板热管，一方面，底板为平板热管蒸发面，其内表面加工有微米级的放射状条带，液滴在该表面上能够呈现Cassie-Baxter的润湿模型，因而具有均匀变化的润湿梯度，且从圆周外侧至内侧，润湿性逐渐增大，该结构具有无泵定向运输液体与汇集冷凝液的功能，有利于将回流的冷凝液集中在热源处，加快蒸发面上工质的补给速率。另一方面，顶板内表面加工有超亲、疏水相间的放射状图案结构，超疏水区增加了冷凝成核区，且均为滴状凝结，减小了传热热阻，传热效率极大增强，而超亲水区在表面张力的作用下具有向四周管壁方向运输冷凝液的能力，加快工质的循环速度。可见，本发明的平板热管通过对顶板、底板进行加工改性，减少了吸液芯的烧结，保证工质回流速度的前提下强化了蒸发冷凝速度，减少了传热热阻，提高了蒸发区和冷凝区的传热性能，从而提升了整个平板热管的换热能力。
进一步地，平板热管密闭空腔内均匀布置若干个两端分别与底板、顶板相接触的支撑柱，用来防止平板热管表面发生变形。
进一步地，以硅基为例，底板表面结构的制备方法为光刻法，利用光刻法制备出表面的放射状微米级条带凸起。特别地，为了保证表面稳定的Cassie-Baxter状态，凸起的微米级条带需要足够高，条带之间的间距需要足够小能将液滴托起，同时也需要保证表面的疏水性。
附图说明
图1为本发明的具有梯度润湿结构平板热管的主视剖面图；
图2-1为本发明的具有梯度润湿结构平板热管的底板的俯视图；
图2-2为底板的运输区具备结构侧视图；
图3为本发明的具有梯度润湿结构平板热管的顶板的俯视图；
图4-1为底板表面梯度润湿结构的机理Cassie模型示意图；
图4-2为底板表面的固体所占比模型示意图；
图4-3为液滴运动方向原理示意图；
图5-1为水滴在楔形超亲水轨迹上的模型图；
图5-2为水滴自发运动过程中的受力情况力学模型图。
其中：11为底板；12为顶板；13为支撑板；14为吸液芯；15为支撑柱。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
如图1所示，本发明的具有梯度润湿结构的平板热管，包括底板11、顶板12、位于顶板与底板之间的支撑板13，所述底板11、顶板12、支撑板13密封连接形成密封腔体；作为平板热管蒸发面的底板11内表面加工有微米级的放射状条带，呈现出均匀变化的润湿梯度，所述结构具有无泵定向运输液体与汇集冷凝液的功能；作为平板热管冷凝面的顶板12内表面加工有超亲、疏水相间的放射状图案，所述结构具有向四周管壁方向运输冷凝液的能力。
所述支撑板13内侧置有吸液芯14。吸液芯14为多孔结构，采用烧结法烧结于支撑板13的内侧；吸液芯14的上、下两端分别与顶板12和底板11相连。
优选地，还包括设置在底板11和顶板12之间的若干根支撑柱15，支撑柱15的上、下两分别与顶板12和底板11相连。
更进一步优选地，若干根支撑柱15在底板11和顶板12之间均匀分布。底板11、顶板12和支撑板13之间采用焊接密封相连。
本发明是适用于电子器件散热的平板热管，底板11为平板热管蒸发面，如图2-1和图2-2所示，其内表面加工有凸起的微米级的放射状条带，微米级放射状条带的高度以及相邻的微米级放射状条带之间的距离，满足能够将液滴托起以保证表面Cassie-Baxter状态，因此液滴在该表面上呈现Cassie-Baxter的润湿模型，具有均匀变化的润湿梯度，从圆周外侧至内侧，润湿性逐渐增大，因此所述结构具有无泵定向运输液体与集中冷凝液的功能，有利于将回流的冷凝液集中在热源处，加快蒸发面上工质的补给速率。
如图3所示，顶板内表面加工有超亲水、超疏水相间的放射状结构，超疏水区增加了冷凝成核区，且均为滴状凝结，减小了传热热阻，传热效率极大增强，而超亲水区在表面张力的作用下具有向外侧运输冷凝液的能力，加快工质的循环速度。此平板热管通过对顶板、底板进行加工改性，减少了吸液芯的烧结，保证工质回流速度的前提下强化了蒸发冷凝速度，减少了传热热阻，提高了蒸发区和冷凝区的传热性能，从而提升了整个平板热管的换热能力。
优选地，顶板12内表面的放射状结构中，超疏水区的面积大于超亲水区的面积；超亲水区和超疏水区的表面积比为1：5。
下面结合底板表面梯度润湿结构的机理说明本发明对底板的改性设计优势。
如图4-1所示的Cassie模型，Cassie-Baxter方程：cosθ＝f1cosθ0-(1-f1)；
其中，f1是固体所占表面比，θ0是本征接触角，θ是表观接触角；
如图4-2所示，表面的固体所占比可写为：
θ(l)＝arccos[r(1+cosθ0)/l-1]；
θ∈,cosθ为单调递减函数，当l减小时，cosθ增大，θ减小。l越小，表面更趋于亲水。
如图4-3所示：θB＜θA，液滴运动方向为A→B，因此，液滴向中间汇集。
下面结合顶板液滴运输机理说明本发明对顶板的改性设计优势。
水滴在楔形超亲水轨迹上的模型如图5-1所示，单个水滴在传输过程中可分为液体凸起部分和液体前端，在拉普拉斯力的作用下水滴自发运动过程中的受力情况简化为图5-2所示的力学模型。水滴x方向的拉普拉斯力之差ΔP与γLG/r(x)成正比，其中γLG为水与空气之间的界面张力，r(x)是水滴的曲率半径，并可按下式估算：
式中，w(x)是超亲水轨迹的宽度，θ(x)是水滴的接触角，a是楔形结构超亲水轨迹的初始宽度。因此，拉普拉斯力之差ΔP可根据下式：
水滴在x方向的合力为Fx＝ΔP·Sx其中Sx为x方向的横截面积，假设横截面积为圆形截面的一部分，那么Sx正比于πr2(x)。
Fx与tan(α/2)成正比，与sin[θ(x)]成反比。
综上所述，本发明的具有梯度润湿结构的平板热管，作为平板热管蒸发面的底板内表面加工有微米级的放射状条带，呈现出均匀变化的润湿梯度，所述结构具有向圆心处无泵定向运输液体与集中冷凝液的功能；作为平板热管冷凝面的顶板内表面加工有超亲、疏水相间的放射状图案，所述结构具有向外侧运输冷凝液的能力；所述支撑板内部置有吸液芯结构。此平板热管通过对蒸发面进行微纳加工，使其具有无泵定向运输液体且汇集回流冷凝液的功能；对冷凝面进行图案化超亲、疏水加工，驱动冷凝液向四周管壁方向迁移，加快冷凝液回流速度，同时由于省去了上下表面的吸液芯结构，减小了热阻，强化了蒸发冷凝速度，提高了蒸发区和冷凝区的换热性能，从而提高了整个平板热管的换热性能。由于工质的回流驱动依靠润湿梯度的差异与毛细力，因而本发明的平板热管在微重力情况下更能体现其优良传热性能的优势。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种具有梯度润湿结构的平板热管，其特征在于，包括底板(11)、顶板(12)和位于底板(11)与顶板(12)之间的支撑板(13)，所述支撑板(13)有两个，底板(11)、顶板(12)及两侧支撑板(13)连接构成密封腔体；
在底板(11)的内表面加工有微米级放射状条带，呈现由圆心到圆周均匀变化的润湿梯度，用于向圆心处无泵定向运输液体及汇集冷凝液；
在顶板(12)的内表面加工有超亲水、超疏水间隔设置的放射状结构，用于向四周管壁方向运输冷凝液；
在支撑板(13)内侧设有吸液芯(14)。
2.根据权利要求1所述的具有梯度润湿结构的平板热管，其特征在于，吸液芯(14)为多孔结构，采用烧结法烧结于支撑板(13)的内侧；吸液芯(14)的上、下两端分别与顶板(12)和底板(11)相连。
3.根据权利要求1所述的具有梯度润湿结构的平板热管，其特征在于，还包括设置在底板(11)和顶板(12)之间的若干根支撑柱(15)，支撑柱(15)的上、下两分别与顶板(12)和底板(11)相连。
4.根据权利要求3所述的具有梯度润湿结构的平板热管，其特征在于，若干根支撑柱(15)在底板(11)和顶板(12)之间均匀分布。
5.根据权利要求1所述的具有梯度润湿结构的平板热管，其特征在于，底板(11)、顶板(12)和支撑板(13)之间采用焊接密封相连。
6.根据权利要求1所述的具有梯度润湿结构的平板热管，其特征在于，顶板(12)内表面的放射状结构中，超疏水区的面积大于超亲水区的面积。
7.根据权利要求6所述的具有梯度润湿结构的平板热管，其特征在于，超亲水区和超疏水区的表面积比为1：5。
8.根据权利要求1所述的具有梯度润湿结构的平板热管，其特征在于，底板(11)内表面上凸起的微米级放射状条带的高度以及相邻的微米级放射状条带之间的距离，满足能够将液滴托起以保证表面Cassie-Baxter状态。
9.根据权利要求1或8所述的具有梯度润湿结构的平板热管，其特征在于，底板(11)内表面的微米级放射状条带采用光刻法制备。
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