CN111197942B - 一种用于环路热管的一体式仿生吸液芯、制备方法及应用 - Google Patents

一种用于环路热管的一体式仿生吸液芯、制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于环路热管的一体式仿生吸液芯、制备方法及应用。该一体式仿生吸液芯包括基体、液体补偿室和毛细抽吸通道；液体补偿室设有液体入口，并在液体补偿室的下游端口与毛细抽吸通道连通，所述毛细抽吸通道的下游端口为蒸汽排出口；所述液体补偿室、毛细抽吸通道多层级设置，形成树网络状的多级仿生通道，且直径满足默里定律。该一体式仿生吸液芯的制备结合了选择性激光烧结3D打印技术，制备过程简单、方便。本发明将吸液芯和液体补偿室集成一体，通过基于默里定律的多级仿生通道相连接，应用于环路热管中既可以保证吸液芯具有较大的毛细抽吸力，降低液体工质流动阻力，又具备优异的抗重力运行性能，具有良好的应用前景。

Description

一种用于环路热管的一体式仿生吸液芯、制备方法及应用
技术领域
本发明涉及一种用于环路热管的一体式仿生吸液芯、制备方法及应用。
背景技术
随着微电子技术的高速发展，电子产品趋向于高性能、大功率、便携式、微小型化的发展方向。高性能微处理器、大功率LED、大功率固体激光器等微电子/光电子芯片及其应用系统的微型化、集成化，芯片单位面积发热强度攀升导致狭小空间内高热流密度的致命问题，直接影响电子器件的成本、工作性能及可靠性。根据美国电子制造促进会2002年预测的电子芯片散热发展趋势，高性能微处理器的热流密度已达到100W/cm2；大功率照明用LED芯片热流密度已达到200W/cm2，制约着新一代大功率LED的技术发展；半导体激光器热流密度已达到500～1000W/cm2，都已超过常规空气强制对流换热的极限，导致光电子产品的热失效越来越严重，已成为制约高性能电子技术发展的首要问题。
相变散热通过液体的汽化和液化两相变化传递大量的热量，成为解决高热流密度电子芯片散热问题的有效方案。环路热管是典型的相变散热装置，由蒸发器、冷凝器、汽液联管以及液体工质等组成。蒸发器与电子芯片直接接触，内部的液体吸收芯片的热量汽化成蒸汽，蒸汽在相变压力驱动下沿着蒸汽联管到达冷凝器，液化后放出热量，冷凝液经过液体联管回到蒸发器。由于环路热管采用相变传热机制，其散热能力比当前主要的散热方式高2个数量级以上。通过吸液芯的毛细力和蒸汽相变压力以及重力辅助运行，无需外部能源输入，具有节能减排的优势，同时工作的时候振动小，无噪音。将蒸汽和液体分开，吸液芯只存在于蒸发器，避免了热管的携带极限，进一步提升了环路热管的散热能力。
吸液芯是环路热管最核心的部件，其毛细抽吸性能和渗透性能的好坏直接决定了环路热管的传热性能。毛细抽吸性能和渗透性能是相互矛盾的两个参数，如何解决这个矛盾一直是科学家们关心的问题，目前虽然研制出多种吸液芯结构，但仍然无法从根本上解决这个问题。此外，传统的环路热管蒸发器有一个体积较大的液体补偿室，来自于液体联管的回流液在此处体积突然扩大，造成压力损失，尤其在抗重力条件下，吸液芯位于液体补偿室之上，当液体未充满液体补偿室时，吸液芯无法吸收液体，造成环路热管运行失败。因此，传统的环路热管抗重力运行性能较差。
在自然界中，有许多生物能够在抗重力条件下将液体传输很大高度，比如分叉的树干、树叶的叶脉以及动物的肺部支气管。这些生物结构都有一个特性，即管道的直径逐级递减，数量逐级递增，且满足主干直径的三次方之和约等于枝干直径三次方之和，这就是著名的默里定律。
因此，设计一款基于默里定律的多级仿生吸液芯结构，既能提高吸液芯的毛细抽吸力，降低流动阻力，同时还能实现环路热管抗重力运行性能，具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供了一种用于环路热管的一体式仿生吸液芯、制备方法及应用，解决了上述背景技术中毛细抽吸性能和渗透性能相互矛盾、环路热管抗重力运行性能差的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案之一是：提供了一种用于环路热管的一体式仿生吸液芯，包括基体、液体补偿室和毛细抽吸通道；所述液体补偿室和毛细抽吸通道设置于基体内，液体补偿室设有液体入口，并在液体补偿室的下游端口与毛细抽吸通道连通，所述毛细抽吸通道的下游端口为蒸汽排出口；所述液体补偿室、毛细抽吸通道多层级设置，以液体入口所在通道为第一级通道，沿液体流向分叉形成树网络状的多级仿生通道，所述多级仿生通道的直径逐级递减、数量逐级递增，且直径满足默里定律。
在本发明一较佳实施例中，所述多级仿生通道的各层级通道数量以相同的倍数递增。
在本发明一较佳实施例中，所述多级仿生通道包括若干线性阵列组合的分形单元，每个分形单元包括一个主干通道和四个支干通道。
在本发明一较佳实施例中，所述分形单元由圆柱段和分形段组成，所述圆柱段作为第一级通道的液体入口或与上一级分级单元的分形段下游端口连接的主干通道，所述分形段将圆柱段的下游端口分为四个支干通道，所述四个支干通道等角度地向四周延伸。
在本发明一较佳实施例中，每个分形单元中圆柱段的下游端口圆心与分形段的下游端口的圆心连线与中垂线间的分形夹角θ为30～90°，圆柱段的长度为0.4～1mm，分形段的长度为1～7mm。
在本发明一较佳实施例中，所述多级仿生通道为七级，其中第一至四级通道为液体补偿室，第五至七级通道为毛细抽吸通道。
在本发明一较佳实施例中，所述液体入口的直径为4～6mm，第七级通道的直径为0.2～0.3mm，其余层级的通道直径以默里定律的规则连续变化。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案之二是：提供了一种用于环路热管的一体式仿生吸液芯的制备方法，以紫铜粉末为原材料，采用选择性激光烧结3D打印技术制造多级仿生通道的基体，通过调节激光扫描功率、扫描时间和扫描路径，控制紫铜粉末的融化程度，得到基体具有孔隙或为基体为实体的一体式仿生吸液芯。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案之三是：提供了一种用于环路热管的一体式仿生吸液芯的制备方法，其特征在于：以氧化铝粉末为原料，采用选择性激光烧结3D打印技术制造多级仿生通道的实体结构，并以此作为型芯，放入粉末烧结模具中，填充紫铜粉末，将粉末烧结模具和型芯放入烧结炉中烧结成型，最后用氢氧化钠将型芯溶解，得到一体式仿生吸液芯。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案之四是：提供了一种环路热管，包括蒸发器、冷凝器、汽液联管和液体工质，所述蒸发器内设置有上述一种用于环路热管的一体式仿生吸液芯,满足默里定律的通道具有流动阻力最小，压降最低，传输效率最高，同时具有抗重力运行等优点。
本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：
1.本发明吸液芯的各级通道满足默里定律，具有流动阻力最小，压降最低，传输效率最高，具有良好的渗透性能和毛细抽吸性能；
2.本发明取消了传统的大体积液体补偿室，将其集成于吸液芯内部，冷凝液在蒸发器内不会产生因体积突然变化而造成的压力损失，液体可充满整个液体补偿室；各级管道的直径连续变化，不会造成压力损失，液体可充满吸液芯内部所有通道，没有汽柱存在，液体传输连续，且可以均匀分布到整个吸液芯，即使在抗重力条件下，液体也可以在毛细抽吸力的作用下充满吸液芯，具有极强的抗重力运行性能；
3.制备方法上结合了选择性激光烧结3D打印技术，采用直接制备基体或由型芯制备基体的方法，前者过程中通过调节激光参数，实现不同孔隙状态基体的制备，满足多种环路热管的应用场景需求。
附图说明
图1为蒸发器的结构示意图；
图2为一体式仿生吸液芯的结构示意图；
图3为分形单元的结构示意图，左上为标注图，右上为正视图，左下为仰视图，右下为立体图；
图4为环路热管的结构示意图；
其中，1,一体式仿生吸液芯；1-1,液体补偿室；1-2,毛细抽吸通道；2,基体；3,多级仿生通道；3-1,第一级通道；3-2,第二级通道；3-3,第三级通道；3-4,第四级通道；3-5,第五级通道；3-6,第六级通道；3-7,第七级通道；3-10，分形单元；4,蒸发器入口；4-1,液体入口；5,蒸发器；6,蒸汽槽；7,加热棒；8,蒸发器出口；8-1蒸汽出口；9,蒸汽联管；10,冷凝器入口；11,冷凝器；12,冷凝器出口；13,液体联管。
具体实施方式
下面结合实施例具体说明本发明的内容，为方便描述，以液体流向定义上、下游方向。
实施例1
如图2，本实施例的一种用于环路热管的一体式仿生吸液芯1，包括多孔结构的基体2、液体补偿室1-1和毛细抽吸通道1-2；
所述液体补偿室1-1和毛细抽吸通道1-2设置于基体2内，液体补偿室1-1设有液体入口4-1，并在液体补偿室的下游端口与毛细抽吸通道1-2连通，所述毛细抽吸通道1-2的下游端口为蒸汽排出口；
在本实施例中，所述液体补偿室1-1、毛细抽吸通道1-2多级设置，以液体入口4-1所在通道为第一级通道3-1，沿液体流向分叉形成树网络状的多级仿生通道3，所述多级仿生通道3中第一至四级通道(3-1至3-4)为液体补偿室1-1，第五至七级通道(3-5至3-7)为毛细抽吸通道1-2，第一级通道3-1至第七级通道3-7的直径逐级递减、数量逐级以4的倍数递增，且满足主干直径的三次方之和约等于枝干直径三次方之和的默里定律。
在七级仿生通道中，包括若干线性阵列组合的分形单元3-10，每个分形单元3-10包括一个主干通道和四个支干通道，即每一级通道通过分形单元3-10分为四个下一级通道。
如图3，所述分形单元3-10由圆柱段和分形段组成，所述圆柱段作为第一级通道3-1的液体入口4-1或与上一级分级单元的分形段下游端口连接的主干通道，所述分形段将圆柱段的下游端口分为四个支干通道，所述四个支干通道等角度地向四周延伸。所述分形单元3-10设计参数包括入口直径(圆柱段直径)dn、出口直径(分形段下游端口直径)dn+1、分形夹角θ、分形段长度L1和圆柱段长度L2，n为级数。在本实施例中，每个分形单元3-10中圆柱段的下游端口圆心与分形段的下游端口的圆心连线与中垂线间的分形夹角θ为37.5°，圆柱段的长度为0.4～1mm，分形段的长度为1～7mm。所述液体入口4-1，即第一级通道3-1的直径d1为4～6mm，第七级通道3-7的直径d7为0.2～0.3mm，其余层级通道入口直径和出口直径根据默里定律和分级数量推导得到。
本实施例的一体式仿生吸液芯1，多级仿生通道3以默里定律的规则连续变化，将直径较大的通道作为液体补偿室1-1部分，将直径较小的通道作为毛细抽吸部分，既能提高毛细抽吸力，降低流动阻力，又能提高环路热管的抗重力运行能力。
实施例2
本实施例提供了一种一体式仿生吸液芯1的制备方法，所述多孔结构的基体2通过粉末烧结技术与3D打印技术相结合的方法来制造。首先，根据要求设计好多级仿生通道3的参数，以氧化铝粉末为原材料，采用选择性激光烧结3D打印技术制造多级仿生通道3的实体结构，并且以此作为型芯，放入粉末烧结模具中，填充紫铜粉末，将粉末烧结模具连同多级仿生通道3型芯一起放入烧结炉中烧结成形，最后用氢氧化钠强碱溶液将多级仿生通道3溶解，得到具有多级仿生通道3的多孔结构的基体2。
实施例3
本实施例提供了一种一体式仿生吸液芯1的制备方法，采用选择性激光烧结3D打印技术制造所述吸液芯1多孔结构的基体2。设计好具有多级仿生通道3的一体式吸液芯1的整体模型，并且将该模型导入3D打印机中，选择紫铜粉末作为原材料，通过选择3D打印的工艺参数，调节激光功率、扫描时间和扫描路径，使粉末表面熔化，粉末与粉末表面之间部分连接形成烧结颈，多个粉末之间形成微小孔隙。通过该方法可以形成具有孔隙结构的多孔结构基体2，而其内部的多级仿生通道3可根据模型结构，3D打印机自动形成扫描图形而得到。本实施例通过3D打印直接成形，省去了粉末烧结和化学溶解过程，制造成本低。
实施例4
本实施例与实施例3的区别在于：增加3D打印的激光扫描功率，使铜粉末完全融化，得到具有多级仿生通道3的吸液芯1实体基体2。通过该实施例得到的吸液芯1基体2为实体结构，制造工艺简单、结构强度更大，在对毛细抽吸要求不高的情况下具有较好的应用。
实施例5
如图4，本实施例提供了一种环路热管，包括蒸发器5、冷凝器11、蒸汽联管9、液体联管13和液体工质，所述蒸发器5包括蒸汽槽6、加热棒7，且蒸发器5内设置有实施例1的一体式仿生吸液芯1。
如图1，所述吸液芯1的毛细抽吸通道1-2与所述蒸汽槽6紧密贴合，产生的蒸汽通过所述蒸汽出口8-1到达蒸发器出口8。所述液体入口4-1由所述第一级通道3-1的入口构成，并且与环路热管的蒸发器入口4密封连接。
其中，应用于环路热管的一体式仿生吸液芯1的工作原理为：来自于冷凝器11的冷凝液通过液体联管13到达吸液芯1的液体入口4-1，经过多级仿生通道3均匀连续地分布到整个吸液芯1当中。毛细抽吸通道1-2内的液体吸收了来自于加热棒7的热量后蒸发，蒸汽携带大量汽化潜热通过蒸汽槽6到达蒸汽出口8-1，最终通过蒸发器出口8和蒸汽联管9到达冷凝器11。随着液体的消耗，毛细抽吸通道1-2的弯月面半径减小，毛细抽吸力增大，驱动液体沿着各级通道从液体补偿室1-1到达毛细抽吸通道1-2。由于一体式仿生吸液芯1取消了传统的液体补偿室1-1，回流液进入液体补偿室1-1时体积不会突然增大，进而可以避免因体积突然增大而导致的压力损失，液体可以均匀充满整个液体补偿室1-1，即使在抗重力条件小，液体补偿室1-1内部也不会产生汽柱，保证了液体的连续性。此外，由于各级通道之间的直径是连续变化的，通道之间也不会有压力损失，液体可以均匀充满整个吸液芯1，保证液体的连续、均匀、快速传输，使环路热管具有良好的抗重力性能。多孔结构基体2的微细孔径进一步提升了吸液芯1的毛细抽吸作用，提高环路热管的综合性能，有效解决了技术背景中提出的吸液芯1毛细抽吸性能和渗透性能相矛盾的问题。
本方案一体式仿生吸液芯1将满足默里定律的多级仿生通道3应用于吸液芯1中，同时取消了传统的液体补偿室1-1结构，液体在吸液芯1中的流动阻力低，压力损失小，毛细抽吸力大，且具有良好的抗重力性能，提高了环路热管的传热效率和可靠性，在高热流密度电子芯片及航空航天飞行器的热控制等领域，具有较大的应用前景。
以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (8)

1.一种用于环路热管的一体式仿生吸液芯，其特征在于：包括基体、液体补偿室和毛细抽吸通道；所述液体补偿室和毛细抽吸通道设置于基体内，液体补偿室设有液体入口，并在液体补偿室的下游端口与毛细抽吸通道连通，所述毛细抽吸通道的下游端口为蒸汽排出口；所述液体补偿室、毛细抽吸通道多级设置，以液体入口所在通道为第一级通道，沿液体流向分叉形成树网络状的多级仿生通道，所述多级仿生通道的直径逐级递减、数量逐级递增，且直径满足默里定律，所述多级仿生通道中直径较大的通道作为液体补偿室，直径较小的通道作为毛细抽吸通道；
所述多级仿生通道包括若干线性阵列组合的分形单元，每个分形单元包括一个主干通道和四个支干通道；所述分形单元由圆柱段和分形段组成，所述圆柱段作为第一级通道的液体入口或与上一级分级单元的分形段下游端口连接的主干通道，所述分形段将圆柱段的下游端口分为四个支干通道，所述四个支干通道等角度地向四周延伸。
2.根据权利要求1所述的一种用于环路热管的一体式仿生吸液芯，其特征在于：所述多级仿生通道的各级通道数量以相同的倍数递增。
3.根据权利要求1所述的一种用于环路热管的一体式仿生吸液芯，其特征在于：每个分形单元中圆柱段的下游端口圆心与分形段的下游端口的圆心连线与中垂线间的分形夹角θ为30～90°，圆柱段的长度为0.4～1mm，分形段的长度为1～7mm。
4.根据权利要求3所述的一种用于环路热管的一体式仿生吸液芯，其特征在于：所述多级仿生通道为七级，其中第一至四级通道为液体补偿室，第五至七级通道为毛细抽吸通道。
5.根据权利要求3所述的一种用于环路热管的一体式仿生吸液芯，其特征在于：所述液体入口的直径为4～6mm，第七级通道的直径为0.2～0.3mm，其余层级的通道直径以默里定律的规则连续变化。
6.一种根据权利要求1～5任一项所述一种用于环路热管的一体式仿生吸液芯的制备方法，其特征在于：以紫铜粉末为原材料，采用选择性激光烧结3D打印技术制造多级仿生通道的基体，通过调节激光扫描功率、扫描时间和扫描路径，控制紫铜粉末的融化程度，得到基体具有孔隙或为基体为实体的一体式仿生吸液芯。
7.一种根据权利要求1～5任一项所述一种用于环路热管的一体式仿生吸液芯的制备方法，其特征在于：以氧化铝粉末为原料，采用选择性激光烧结3D打印技术制造多级仿生通道的实体结构，并以此作为型芯，放入粉末烧结模具中，填充紫铜粉末，将粉末烧结模具和型芯放入烧结炉中烧结成型，最后用氢氧化钠将型芯溶解，得到一体式仿生吸液芯。
8.一种环路热管，包括蒸发器、冷凝器、汽液联管和液体工质，其特征在于：所述蒸发器内设置有权利要求1～5任一项所述一种用于环路热管的一体式仿生吸液芯。
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