CN111076588B - 一种带有梯度铜纤维毛细芯网的超薄均热板 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及均热板散热技术领域，提供一种带有梯度铜纤维毛细芯网的超薄均热板，包括第一板体和第二板体，第一板体和第二板体内表面上设有铜纤维毛细芯网；所述第一板体和第二板体与铜纤维毛细芯网之间形成蒸汽通道、所述铜纤维毛细芯网通过编织和剪切形成蒸汽通道；所述铜纤维毛细芯网由多层铜纤维网叠合而成；多层铜纤维网包括底层铜纤维网和中间层铜纤维网；底层铜纤维网由多根铜纤维束交叉编织成型，铜纤维采用第一铜纤维，中间层铜纤维网由多根铜纤维束交叉编织成型，铜纤维采用第二铜纤维。本发明超薄均热板具有毛细力强、流阻低、传热效果好、机械强度高等优点，可以实现高热流密度下的有效散热，提高电子器件的散热效果，提高其工作性能。

Description

一种带有梯度铜纤维毛细芯网的超薄均热板
技术领域
本发明涉及均热板散热技术领域，尤其涉及一种带有梯度铜纤维毛细芯网的超薄均热板。
背景技术
随着5G/6G通讯、笔记本电脑、数据中心、航空设备、AI设备等产品结构朝向更轻薄短小、处理器朝向更高速高功率的方向发展；电动汽车锂电池、LED灯、工业变频器、变压器、电机设备等朝向更大功率的发展，其发热量所造成的问题日益严重，对设备散热系统提出了更高的要求。例如，在4G手机中，伴随应用程序增加、芯片小型化和处理速度加快，产热量增加，超薄热管开始应用到手机散热系统中。随着5G/6G时代的到来，急需新材料的应用，散热材料的市场也将伴随其迅猛发展。5G手机的产热量是4G手机的数倍，未来手机芯片产热量将达到或大于5W，高效的散热设计技术将成为手机通讯技术亟需解决的主要难题之一。
超薄均热板作为一种高效的相变散热装置已经广泛应用于电子设备散热当中，毛细芯作为均热板的核心结构，对均热板的传热性能起着至关重要的作用。均热板是一个内壁具有微细结构的真空腔体，通常由铜或者铜合金制成。当热由热源传导至蒸发区时，腔体里的冷却液在低真空度的环境中受热后开始产生冷却液的气化现象，此时吸收热能并且体积迅速膨胀，气相的冷却介质迅速充满整个腔体，当气相工质接触到一个比较冷的区域时便会产生凝结的现象。借由凝结的现象释放出在蒸发时吸收的热，凝结后的冷却液会借由毛细芯结构再回到蒸发热源处，此运作将在腔体内周而复始进行。
超薄均热板由于较小的体积和优异的散热性能，在未来的散热设计中将扮演重要的角色。但是，目前厚度低于0.4 mm的超薄均热液冷板设计和开发还在探索中，其性能还有巨大提升空间。
发明内容
本发明是针对现有超薄均热板散热技术中存在的不足，提供一种带有梯度铜纤维毛细芯网的超薄均热板。该均热板具有毛细力强、流阻低、传热效果好、机械强度高等优点，可以实现高热流密度下的有效散热，提高电子器件的散热效果，提高其工作性能。
为实现上述技术目的，本发明提供的方案是：
一种带有梯度铜纤维毛细芯网的超薄均热板，包括板体，所述板体包括第一板体和第二板体；所述第一板体和第二板体内表面上设有铜纤维毛细芯网；所述第一板体向下压轧出凹空腔区，所述第二板体向上压轧出凸空腔区；所述第一板体和所述第二板体与所述铜纤维毛细芯网之间形成蒸汽通道、所述铜纤维毛细芯网通过编织和剪切形成蒸汽通道；所述铜纤维毛细芯网由多层铜纤维网叠合而成；所述多层铜纤维网包括底层铜纤维网和中间层铜纤维网，其结构为中间层铜纤维网被底层铜纤维网包裹；所述底层铜纤维网由多根铜纤维束交叉编织成型，铜纤维采用第一铜纤维，所述中间层铜纤维网由多根铜纤维束交叉编织成型，铜纤维采用第二铜纤维。
作为本发明的优选方案，所述第一板体和所述第二板体均采用微合金化高强高热导铜材料或者无氧铜。
作为本发明的优选方案，所述铜纤维毛细芯网包括边缘毛细芯网和内部毛细芯网，所述内部毛细芯网包括内部直边毛细芯和内部曲边毛细芯，它们之间的空腔通过编织成型的套层铜纤维网压扁，激光或者其他方式切割而成。所述内部曲边毛细芯直接贴在散热部位，其位置可以根据散热需要作相应调整。所述边缘毛细芯网的宽度W为3-5mm，所述内部直边毛细芯的宽度X为1-4mm，所述内部曲边毛细芯的直径Ф为10-60mm。
作为本发明的优选方案，所述边缘毛细芯网的宽度W为3.25mm。作为本发明的优选方案，所述内部直边毛细芯的宽度X为2.5mm。作为本发明的优选方案，所述内部曲边毛细芯的直径Ф为15mm。
作为本发明的优选方案，所述铜纤维毛细芯网的高度h为0.2-0.65mm。
作为本发明的优选方案，所述铜纤维毛细芯网的高度h为0.24mm。
作为本发明的优选方案，所述蒸汽通道的宽度Y为3-8mm。
作为本发明的优选方案，所述蒸汽通道的宽度Y为5.5mm。
作为本发明的优选方案，所述第一板体和所述第二板体的厚度δ均为0.06-0.1mm，所述第一板体和所述第二板体的长度L均为60-100mm，所述第一板体和所述第二板体的宽度S为30-100mm。
作为本发明的优选方案，所述第一板体和第二板体的厚度δ均为0.08mm。作为本发明的优选方案，所述第一板体和第二板体的长度L均为80mm。作为本发明的优选方案，所述第一板体和第二板体的宽度S均为60mm。
作为本发明的优选方案，所述凹空腔区和所述凸空腔区的高度H均为0.1-0.4mm，所述凹空腔区和所述凸空腔区的长度l均为52-92mm，所述凹空腔区和所述凸空腔区的宽度s均为22-92mm。
作为本发明的优选方案，所述凹空腔区和凸空腔区的高度H均为0.12mm。作为本发明的优选方案，所述凹空腔区和凸空腔区的长度l均为72mm。作为本发明的优选方案，所述凹空腔区和凸空腔区的宽度s均为52mm。
作为本发明的优选方案，所述底层铜纤维网和中间层铜纤维网均由多束铜纤维束交叉编织成型，铜纤维束的交叉编织的夹角θ为20°-60°。
作为本发明的优选方案，所述铜纤维束由4-9根铜纤维并排编织而成。
作为本发明的优选方案，所述底层铜纤维网由铜纤维束编织而成。每束铜纤维束包含6根第一铜纤维。
作为本发明的优选方案，所述中间层铜纤维网由铜纤维束编织而成。每束铜纤维束包含6根第二铜纤维。
作为本发明的优选方案，所述底层铜纤维网和中间层铜纤维网由铜纤维束编织成型，铜纤维束的交叉编织的夹角θ为30°。
作为本发明的优选方案，所述铜纤维毛细芯网由4层铜纤维网叠合而成。
作为本发明的优选方案，所述第一铜纤维的直径为0.02-0.04mm，所述第二铜纤维的直径为0.03-0.05mm。
作为本发明的优选方案，所述第一铜纤维的直径为0.025mm，所述第二铜纤维的直径为0.03mm。
本发明提供的均热板采用微合金化高强高热导率铜或者纯铜材质，在保证管体材料高热导率的条件下，提高均热板板体材料的机械性能。利用这种高强度合金铜做均热板板体材料，可以防止在抽真空的时候管体凹陷，同时降低均热板板体壁面厚度，增加水蒸气和蒸馏水在管内流动的可利用空间。均热板内壁上设有铜纤维毛细芯网，毛细芯网拟采用纤维直径梯度结构设计的方法，利用较大直径的铜纤维束用来降低流动阻力，较小直径的铜纤维束用来提高毛细循环动力，大幅提高均热板内部的传热性能。同时，还可以通过纤维表面处理，强化纤维材料的表面亲水性，提高纤维表面输运特性。该设计中毛细芯网既可以为工作介质（蒸馏水）循环提供动力，又可以支撑管体，提高管体机械强度，降低管壁厚度要求。此外，通过优化毛细网和蒸气通道的面积比，平衡流动阻力和毛细驱动力，可以进一步优化提高均热板的传热传质效果。此设计非常方便于根据具体传热需求，在增加均热板宽度和长度但是不改变均热板厚度的条件下线性扩展其传热效果。在应用中，该均热板的内部曲边毛细芯网区域和散热面直接接触，其位置和形状应根据散热要求做相应调整，在特定场合此处曲边也可以改成直边。
附图说明
图1是本发明实施例一提供的超薄均热板的结构示意图。
图2是图1 所示的超薄均热板沿A-A线段的剖视图。
图3是边缘毛细芯的横截面示意图。
图4是内部曲边毛细芯的结构示意图。
图5是本发明实施例二提供的超薄均热板的剖视图。
其中：1、板体；2、铜纤维毛细芯网；3、蒸汽通道；11、第一板体；12、第二板体；21、边缘毛细芯网；22、内部毛细芯网；41、底层铜纤维网；42、中间层铜纤维网；51、第一铜纤维；52、第二铜纤维；221、内部直边毛细芯；222、内部曲边毛细芯。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，但该实施例不应理解为对本发明的限制。
实施例一
如图1 所示，本实施例提供的一种带有梯度铜纤维毛细芯网的超薄均热板，包括板体1，板体1包括第一板体11和第二板体12。其中，板体1选择长度为80mm，宽度为60mm，板壁厚度为0.4mm。图2为图1 所示的一种带有梯度铜纤维毛细芯网的超薄均热板沿A-A线段的剖面图。
在本实施例中，第一板体11和第二板体12内表面之间设有铜纤维毛细芯网2。第一板体11向下压轧出凹空腔区，第二板体12向上压轧出凸空腔区。
第一板体11和第二板体12与铜纤维毛细芯网2之间形成蒸汽通道3。铜纤维毛细芯网2包括边缘毛细芯网21和内部毛细芯网22，内部毛细芯网22包括内部直边毛细芯221和内部曲边毛细芯222，铜纤维毛细芯网2由四层铜纤维网叠合而成。铜纤维网包括底层铜纤维网41和中间层铜纤维网42。如图3和图4所示，底层铜纤维网41由铜纤维束编织而成，选择第一铜纤维51。中间层铜纤维网42由铜纤维束编织成型，选择第二铜纤维52。较大直径的铜纤维用来降低流动阻力，较小直径的铜纤维用来提高毛细循环动力，大幅提均热板内部的传热性能，该铜纤维毛细芯网连接上下管壁，同时可以支撑管体，提高整体结构强度，降低均热板管壁厚度要求。
另外，铜纤维毛细芯网2的高度h为0.2-0.3mm，优选为0.24mm，边缘毛细芯网21的宽度W为3-5mm，优选为3.25mm，内部直边毛细芯221的宽度X为2-3mm，优选为2.5mm，内部曲边毛细芯222的直径Ф为10-20mm，优选为15mm，蒸汽通道3的宽度Y为5-6mm，优选为5.5mm，第一板体11和第二板体12的厚度δ均为0.06-0.1mm，优选为0.08mm，第一板体11和第二板体12的宽度S均为50-70mm, 优选为60mm，凹空腔区和凸空腔区的高度H均为0.1-0.14mm，优选为0.12mm，凹空腔区和凸空腔区的长度l均为60-74mm，优选为72mm，凹空腔区和凸空腔区的宽度s均为40-54mm，优选为52mm。
板体1是由平铜板经过压轧、铺设纤维网、焊接、退火、填充蒸馏水、抽真空、去除不凝性气体、封头等工序获得。压轧过程中，需将预先超声波清洗完成的铜板压轧出空腔。填充铜纤维过程中，需将预先清洗、编织成套层的双层铜纤维网压扁和切割成型，然后铺设到第一板体和第二板体空腔内，保证纤维网较好的贴在板壁上。焊接过程中，需用钎焊等合适的方式焊接板体未压轧部分，保证焊接密封效果。退火过程中，需在500-800℃的减真空环境中进行。填充蒸馏水过程中，必须使用无杂质的蒸馏水，水填充体积需要优化，填充比介于80-140%。先通过抽真空时抽掉大部分不凝性气体，维持较高真空。然后进一步去除不凝性气体，在二次去除不凝性气体中，需要将均热板竖立放置，加热均热板下端到特定温度60-80 °C，维持一段时间，让不凝性气体慢慢聚集在均热板上端。封头过程中，挤压并切除掉均热板上端剩余的不凝性气体，封装焊接均热板上端，保证均热板超高真空状态运行，提高其传热能力。
实施例二
如图5所示，本实施例与实施例一的不同之处在于：本实施例中，超薄均热板内有多组内部直边毛细芯221，在保持蒸汽通道3的宽度Y为3-8mm的情况下，根据具体散热空间和需求，增加内部直边毛细芯221的数量，增加超薄均热板的宽度。该设计是原设计的线性扩展方式，在相同的均热板厚度条件下，通过增加均热板宽度提高其换热效果。
本说明书中未作详细描述的内容，属于本专业技术人员公知的现有技术。
以上结合具体实施方式描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种带有梯度铜纤维毛细芯网的超薄均热板，其特征在于：包括板体（1），所述板体（1）包括第一板体（11）和第二板体（12）；所述第一板体（11）和第二板体（12）内表面上设有铜纤维毛细芯网（2）；所述第一板体（11）向下压轧出凹空腔区，所述第二板体（12）向上压轧出凸空腔区；所述第一板体（11）和所述第二板体（12）与所述铜纤维毛细芯网（2）之间形成蒸汽通道（3）、所述铜纤维毛细芯网（2）通过编织和剪切形成蒸汽通道（3）；所述铜纤维毛细芯网（2）由多层铜纤维网叠合而成；所述多层铜纤维网包括底层铜纤维网（41）和中间层铜纤维网（42），其结构为中间层铜纤维网（42）被底层铜纤维网（41）包裹；所述底层铜纤维网（41）由多根铜纤维束（5）交叉编织成型，铜纤维采用第一铜纤维（51），所述中间层铜纤维网（42）由多根铜纤维束（5）交叉编织成型，铜纤维采用第二铜纤维（52），所述第一铜纤维（51）的直径为0.02-0.04mm，所述第二铜纤维（52）的直径为0.03-0.05mm。
2.根据权利要求1所述的带有梯度铜纤维毛细芯网的超薄均热板，其特征在于：所述第一板体（11）、所述第二板体（12）均采用微合金化高强高热导铜材料或者无氧铜材料。
3.根据权利要求1所述的带有梯度铜纤维毛细芯网的超薄均热板，其特征在于：所述铜纤维毛细芯网（2）包括边缘毛细芯网（21）和内部毛细芯网（22），所述内部毛细芯网（22）包括内部直边毛细芯（221）和内部曲边毛细芯（222），所述边缘毛细芯网（21）的宽度W为3-5mm，所述内部直边毛细芯（221）的宽度X为1-4mm，所述内部曲边毛细芯（222）的直径Ф为10-60mm。
4.根据权利要求1所述的带有梯度铜纤维毛细芯网的超薄均热板，其特征在于：所述铜纤维毛细芯网（2）的高度h为0.2-0.65mm。
5.根据权利要求1所述的带有梯度铜纤维毛细芯网的超薄均热板，其特征在于：所述蒸汽通道（3）的宽度Y为3-8mm。
6.根据权利要求1所述的带有梯度铜纤维毛细芯网的超薄均热板，其特征在于：所述第一板体（11）和所述第二板体（12）的厚度δ均为0.06-0.1mm，所述第一板体（11）和所述第二板体（12）的长度L均为60-100mm，所述第一板体（11）和所述第二板体（12）的宽度S为30-100mm。
7.根据权利要求1所述的带有梯度铜纤维毛细芯网的超薄均热板，其特征在于：所述凹空腔区和所述凸空腔区的高度H均为0.1-0.4mm，所述凹空腔区和所述凸空腔区的长度l均为52-92mm，所述凹空腔区和所述凸空腔区的宽度s均为22-92mm。
8.根据权利要求1所述的带有梯度铜纤维毛细芯网的超薄均热板，其特征在于：所述底层铜纤维网（41）和中间层铜纤维网（42）均由多根铜纤维束（5）交叉编织成型，铜纤维束的交叉编织的夹角θ为20°-60°。
9.根据权利要求1所述的带有梯度铜纤维毛细芯网的超薄均热板，其特征在于：所述铜纤维毛细芯网（2）由4层铜纤维网叠合而成。
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