CN112781421B - 一种具有仿生吸液芯的超薄热管 - Google Patents

一种具有仿生吸液芯的超薄热管 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种具有仿生吸液芯的超薄热管，包括依次连接的蒸发段、绝热段和冷凝段；蒸发段包括蒸发管体和蒸发吸液芯；蒸发吸液芯布设有多个疏水微纳小孔；蒸发管体内壁开设有空穴；各个疏水微纳小孔孔壁和边沿以及空穴表面均覆盖有疏水膜；疏水膜表面均匀密布超疏水核化坑；冷凝段包括冷凝管体和冷凝吸液芯；冷凝吸液芯开设有若干亲水微纳小孔；各个亲水微纳小孔孔壁和边沿以及冷凝管体内壁均覆盖有亲水膜；亲水膜表面均匀密布超亲水核化凸起点；超疏水核化坑呈倒锥形；超亲水核化凸起点呈圆柱状。该热管通过提升相变换热能力而提升换热性能，实现轻量化和紧凑化。

Description

一种具有仿生吸液芯的超薄热管
技术领域
本发明涉及散热器件技术领域，更具体地说，涉及一种具有仿生吸液芯的超薄热管。
背景技术
大规模集成芯片技术是智能制造的核心，也是其他制造产业升级的关键掣肘。散热问题是电子芯片行业急需解决的瓶颈，电子产品的温度每急剧上升10℃，可靠度可能会降低为原来的一半，而温度从75℃升高至125℃，可靠度则变为原来的20％。随着电子芯片集成度的提高，集成化器件的功能日趋复杂，功率不断加大，再加上特殊领域电子装备小型化和机动性的需要，其结构设计朝着小型组装方向发展，单位面积上的热流密度已接近现有各种冷却措施的临界，而且微电子芯片表面发热分布不均匀，局部热流强度可高达1000W/cm2，导致电子芯片失效，因此需要突破现有冷却技术的极限，开发更高效、紧凑的电子元件散热技术迫在眉睫。
微热管相变传热是解决狭小空间高热流密度芯片热控制的最有效方法。热管技术是美国洛斯阿拉莫斯国家实验室在1963年发明的一种利用相变原理高效导热的传热元件，导热系数可达20000W/m·℃以上。微热管由壁壳、吸液芯和工质组成。微热管一端蒸发，另外一端冷凝，当微热管一端受热时，壁壳内部高真空情况下，工质吸热汽化后并以接近声速流向另外一端释放热量，凝结液体再沿多孔材料靠毛细作用流回蒸发端。热管技术充分利用了热传导原理与相变介质的快速热传递性质，透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外，其导热能力超过任何已知固体的导热能力，因此被广泛应用在宇航、军工以及电脑CPU散热等行业。2013年日本NEC公司首次采用相变传热的微热管(厚度0.6mm，导热系数约为石墨片的十倍、铜/铝材料的百倍)对智能手机进行散热，取得良好效果。
电子芯片领域的发展，对微热管加工提出了非常苛刻的要求。例如常规热管厚度一般都在2.0mm以上。但是，当前各种互联网设备对微热管厚度的需求已达0.4-0.6mm，且要求3℃温差内传热功率不低于3W，而目前微热管难以达到该性能等级。
微热管性能的提升取决于换热能力的大小，这与两端相变端密切相关。蒸发端如何高效沸腾、冷凝端如何实现珠状冷凝，是热管性能提升的突破口。由于空间受限和复杂的蒸发冷凝竞争，目前在常规大尺度换热设备中的各种沸腾、冷凝强化换热技术很难直接移植到微型热管中。因此需要设计出一种可进一步提升换热能力的热管。
发明内容
为克服现有技术中的缺点与不足，本发明的目的在于提供一种具有仿生吸液芯、通过提升相变换热能力而提升换热性能、实现轻量化和紧凑化的超薄热管。
为了达到上述目的，本发明通过下述技术方案予以实现：一种具有仿生吸液芯的超薄热管，其特征在于：包括依次连接的蒸发段、绝热段和冷凝段；
所述蒸发段包括蒸发管体和蒸发吸液芯；蒸发吸液芯设置在蒸发管体管腔中并与蒸发管体内壁之间存在间隙以形成外蒸发流道；蒸发吸液芯设有内蒸发流道；蒸发吸液芯布设有多个连通外蒸发流道和内蒸发流道的疏水微纳小孔；所述蒸发管体内壁在与疏水微纳小孔相对处开设有空穴；各个疏水微纳小孔孔壁和边沿以及空穴表面均覆盖有疏水膜；所述疏水膜表面均匀密布超疏水核化坑，超疏水核化坑坑壁和边沿为超疏水表面，疏水膜表面其余区域为超亲水表面；
所述冷凝段包括冷凝管体和冷凝吸液芯；冷凝吸液芯设置在冷凝管体管腔中并与冷凝管体内壁之间存在间隙以形成外冷凝流道；冷凝吸液芯设有内冷凝流道；冷凝吸液芯开设有若干连通外冷凝流道和内冷凝流道的亲水微纳小孔；各个亲水微纳小孔孔壁和边沿以及冷凝管体内壁均覆盖有亲水膜；所述亲水膜表面均匀密布超亲水核化凸起点，超亲水核化凸起点表面和边沿为超亲水表面，亲水膜表面其余区域为超疏水表面；
所述超疏水核化坑呈倒锥形；超亲水核化凸起点呈圆柱状。
所述外蒸发流道、内蒸发流道、外冷凝流道和内冷凝流道均与绝热段连通，以形成外蒸发流道-内蒸发流道-绝热段-内冷凝流道-外冷凝流道的循环回路。本发明热管的工作原理是：在热管的蒸发段，工质沸腾，在超疏水核化坑的疏水作用下加速气泡核化，气泡核化后在超亲水表面的亲水作用下加快气泡脱离，形成大量气泡以完成高效沸腾换热；在热管的冷凝段，气泡在超亲水核化凸起点的亲水作用下加速液滴核化，在液滴长大过程中超疏水表面的疏水作用更有利于珠状凝结，增强冷凝换热，避免产生厚液膜，以完成高效散热。
本发明基于湿润调控的强化相变换热来提升热管的换热性能，疏水膜和亲水膜都兼具超亲水表面和超疏水表面，满足相变不同阶段对表面湿润性不同需求；通过相变换热能力的提升，实现热管轻量化、紧凑化的技术突破，适用于电子芯片、小型电子装置等产品的散热应用。
优选地，所述空穴呈倒锥形。
优选地，位于疏水微纳小孔边沿的疏水膜包括靠近蒸发管体管壁一侧的外疏水膜和远离蒸发管体管壁一侧的内疏水膜；位于空穴表面的疏水膜为空穴疏水膜；内疏水膜外径＞外疏水膜外径＞空穴疏水膜外径；
位于亲水微纳小孔边沿的亲水膜包括靠近冷凝管体管壁一侧的外亲水膜和远离冷凝管体管壁一侧的内亲水膜；内亲水膜外径＜外亲水膜外径。
内疏水膜外径＞外疏水膜外径＞空穴疏水膜外径，毛细作用力逐层递减，有利于气泡排出；内亲水膜外径＜外亲水膜外径，毛细作用力逐层递增，有利于液滴排出。
优选地，所述绝热段采用贯穿式沟槽结构；利用毛细作用力从冷凝段收集液态工质供给蒸发段。
优选地，所述贯穿式沟槽结构是指：绝热段的内壁布设有若干分别沿热管长度方向延伸的隔板，相邻隔板之间留有具有毛细作用力的沟槽。
优选地，所述疏水膜是指将蒸发管体/蒸发吸液芯与高脉冲电源正极连接，带有疏水纳米材料和亲水纳米材料的喷嘴在蒸发管体/蒸发吸液芯上喷涂，利用静电感应作用吸引疏水纳米材料和亲水纳米材料沉积到蒸发管体/蒸发吸液芯上而制成的疏水膜。
优选地，所述亲水膜是指将冷凝管体/冷凝吸液芯与高脉冲电源正极连接，带有疏水纳米材料和亲水纳米材料的喷嘴在冷凝管体/冷凝吸液芯上喷涂，利用静电感应作用吸引疏水纳米材料和亲水纳米材料沉积到冷凝管体/冷凝吸液芯上而制成的亲水膜。
该制作方式在设计好的位置喷涂相应的纳米材料，工艺较为简单，有利于提高工艺精度，从而保证热管内部结构尺寸具有良好精度。
优选地，所述蒸发段、绝热段和冷凝段的数量分别为一个或两个以上；
当蒸发段为两个以上时，所有蒸发段依次连接后再与绝热段连接；
当绝热段为两个以上时，所有绝热段依次连接后，再分别与蒸发段和冷凝段连接；
当冷凝段为两个以上时，所有冷凝段依次连接后再与绝热段连接。
该设计可实现蒸发段、绝热段和冷凝段的模块化设计和拼装，提高热管通用性，节省生产成本。
优选地，所述蒸发段、绝热段和冷凝段采用插接方式连接；可采用类似乐高积木方式实现插接，组装简单便捷。
与现有技术相比，本发明具有如下优点与有益效果：
1、本发明基于湿润调控的强化相变换热来提升热管的换热性能，疏水膜和亲水膜都兼具超亲水表面和超疏水表面，满足相变不同阶段对表面湿润性不同需求；通过相变换热能力的提升，实现热管轻量化、紧凑化的技术突破，适用于电子芯片、小型电子装置等产品的散热应用；
2、本发明的蒸发段，内疏水膜外径＞外疏水膜外径＞空穴疏水膜外径，毛细作用力逐层递减，有利于气泡排出；冷凝段，内亲水膜外径＜外亲水膜外径，毛细作用力逐层递增，有利于液滴排出；可进一步加快换热效率；
3、本发明的亲水膜和疏水膜制作方式工艺较为简单，有利于提高工艺精度，从而保证热管内部结构尺寸具有良好精度；
4、本发明可实现模块化设计和拼装，提高热管通用性，节省生产成本；组装简单便捷。
附图说明
图1是本发明具有仿生吸液芯的超薄热管的结构示意图；
图2是本发明具有仿生吸液芯的超薄热管的工质流向示意图；
图3是图1中B部放大图；
图4是图1中C部放大图；
图5是图1中A-A剖面图；
图6是本发明具有仿生吸液芯的超薄热管的疏水膜上气泡核化示意图；
图7是本发明具有仿生吸液芯的超薄热管的亲水膜上液滴核化示意图；
其中，1为蒸发段、11为蒸发管体、12为蒸发吸液芯、13为疏水微纳小孔、14为空穴、15为疏水膜、151为超疏水核化坑、152为超疏水表面、153为超亲水表面、2为绝热段、21为隔板、3为冷凝段、31为冷凝管体、32为冷凝吸液芯、33为亲水微纳小孔、34为亲水膜、341为超亲水核化凸起点、342为超亲水表面、343为超疏水表面、4为端盖、51为液态工质、52为气泡、53为蒸汽状工质、54为液滴状工质。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的描述。
实施例一
如图1至图7所示，本实施例一种具有仿生吸液芯的超薄热管，包括依次连接的蒸发段1、绝热段2和冷凝段3。
蒸发段1包括蒸发管体11和蒸发吸液芯12；蒸发吸液芯12设置在蒸发管体11管腔中并与蒸发管体11内壁之间存在间隙以形成外蒸发流道；蒸发吸液芯12设有内蒸发流道；蒸发吸液芯12布设有多个连通外蒸发流道和内蒸发流道的疏水微纳小孔13。蒸发管体11内壁在与疏水微纳小孔13相对处开设有空穴14；空穴14呈倒锥形。各个疏水微纳小孔13孔壁和边沿以及空穴14表面均覆盖有疏水膜15；疏水膜15表面均匀密布超疏水核化坑151，超疏水核化坑151呈倒锥形。超疏水核化坑151坑壁和边沿为超疏水表面152，疏水膜15表面其余区域为超亲水表面153。
位于疏水微纳小孔13边沿的疏水膜15包括靠近蒸发管体11管壁一侧的外疏水膜和远离蒸发管体11管壁一侧的内疏水膜；位于空穴14表面的疏水膜15为空穴疏水膜；内疏水膜外径D1＞外疏水膜外径D2＞空穴疏水膜外径D3。
冷凝段3包括冷凝管体31和冷凝吸液芯32；冷凝吸液芯32设置在冷凝管体31管腔中并与冷凝管体31内壁之间存在间隙以形成外冷凝流道；冷凝吸液芯32设有内冷凝流道；冷凝吸液芯32开设有若干连通外冷凝流道和内冷凝流道的亲水微纳小孔33；各个亲水微纳小孔33孔壁和边沿以及冷凝管体31内壁均覆盖有亲水膜34；亲水膜34表面均匀密布超亲水核化凸起点341，超亲水核化凸起点341呈圆柱状。超亲水核化凸起点341表面和边沿为超亲水表面342，亲水膜34表面其余区域为超疏水表面343。
位于亲水微纳小孔33边沿的亲水膜34包括靠近冷凝管体31管壁一侧的外亲水膜和远离冷凝管体31管壁一侧的内亲水膜；内亲水膜外径D4＜外亲水膜外径D5。
外蒸发流道、内蒸发流道、外冷凝流道和内冷凝流道均与绝热段2连通，以形成外蒸发流道-内蒸发流道-绝热段2-内冷凝流道-外冷凝流道的循环回路。
本发明热管的工作原理是：在热管的蒸发段1，工质沸腾，在超疏水核化坑151的疏水作用下加速气泡核化，气泡核化后在超亲水表面的亲水作用下加快气泡脱离，形成大量气泡以完成高效沸腾换热；在热管的冷凝段3，气泡在超亲水核化凸起点341的亲水作用下加速液滴核化，在液滴长大过程中超疏水表面的疏水作用更有利于珠状凝结，增强冷凝换热，避免产生厚液膜，以完成高效散热。
本发明基于湿润调控的强化相变换热来提升热管的换热性能，疏水膜15和亲水膜34都兼具超亲水表面和超疏水表面，满足相变不同阶段对表面湿润性不同需求；通过相变换热能力的提升，实现热管轻量化、紧凑化的技术突破，适用于电子芯片、小型电子装置等产品的散热应用。
内疏水膜外径D1＞外疏水膜外径D2＞空穴疏水膜外径D3，毛细作用力逐层递减，有利于气泡排出；内亲水膜外径D4＜外亲水膜外径D5，毛细作用力逐层递增，有利于液滴排出。
疏水膜15和亲水膜34优选的制作方法是：疏水膜15是指将蒸发管体11/蒸发吸液芯12与高脉冲电源正极连接，带有疏水纳米材料和亲水纳米材料的喷嘴在蒸发管体11/蒸发吸液芯12上喷涂，利用静电感应作用吸引疏水纳米材料和亲水纳米材料沉积到蒸发管体11/蒸发吸液芯12上而制成的疏水膜15。
亲水膜34是指将冷凝管体31/冷凝吸液芯32与高脉冲电源正极连接，带有疏水纳米材料和亲水纳米材料的喷嘴在冷凝管体31/冷凝吸液芯32上喷涂，利用静电感应作用吸引疏水纳米材料和亲水纳米材料沉积到冷凝管体31/冷凝吸液芯32上而制成的亲水膜34。
该制作方式在设计好的位置喷涂相应的纳米材料，工艺较为简单，有利于提高工艺精度，从而保证热管内部结构尺寸具有良好精度。
蒸发段1、绝热段2和冷凝段3采用插接方式连接；可采用类似乐高积木方式实现插接，操作简单便捷。
本实施例中，蒸发段1远离绝热段2的一端以及冷凝段3远离绝热段2的一端分别设有端盖4，以实现热管内部密封。实际应用中，也可以是：蒸发段远离绝热段的一端以及冷凝段远离绝热段的一端直接制成密封结构。
绝热段2采用贯穿式沟槽结构；利用毛细作用力从冷凝段3收集液态工质供给蒸发段1。贯穿式沟槽结构是指：绝热段2的内壁布设有若干分别沿热管长度方向延伸的隔板21，相邻隔板21之间留有具有毛细作用力的沟槽。
实施例二
本实施例一种具有仿生吸液芯的超薄热管，与实施例一的区别在于：实施例一中，蒸发段、绝热段和冷凝段的数量均为一个。本实施例中，蒸发段和/或绝热段和/或冷凝段的数量为两个以上；
当蒸发段为两个以上时，所有蒸发段依次连接后再与绝热段连接；
当绝热段为两个以上时，所有绝热段依次连接后，再分别与蒸发段和冷凝段连接；
当冷凝段为两个以上时，所有冷凝段依次连接后再与绝热段连接。
该设计可实现蒸发段、绝热段和冷凝段的模块化设计和拼装，提高热管通用性，节省生产成本。
本实施例的其余结构与实施例一相同。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种具有仿生吸液芯的超薄热管，其特征在于：包括依次连接的蒸发段、绝热段和冷凝段；
所述蒸发段包括蒸发管体和蒸发吸液芯；蒸发吸液芯设置在蒸发管体管腔中并与蒸发管体内壁之间存在间隙以形成外蒸发流道；蒸发吸液芯设有内蒸发流道；蒸发吸液芯布设有多个连通外蒸发流道和内蒸发流道的疏水微纳小孔；所述蒸发管体内壁在与疏水微纳小孔相对处开设有空穴；各个疏水微纳小孔孔壁和边沿以及空穴表面均覆盖有疏水膜；所述疏水膜表面均匀密布超疏水核化坑，超疏水核化坑坑壁和边沿为超疏水表面，疏水膜表面其余区域为超亲水表面；
所述冷凝段包括冷凝管体和冷凝吸液芯；冷凝吸液芯设置在冷凝管体管腔中并与冷凝管体内壁之间存在间隙以形成外冷凝流道；冷凝吸液芯设有内冷凝流道；冷凝吸液芯开设有若干连通外冷凝流道和内冷凝流道的亲水微纳小孔；各个亲水微纳小孔孔壁和边沿以及冷凝管体内壁均覆盖有亲水膜；所述亲水膜表面均匀密布超亲水核化凸起点，超亲水核化凸起点表面和边沿为超亲水表面，亲水膜表面其余区域为超疏水表面；
所述超疏水核化坑呈倒锥形；超亲水核化凸起点呈圆柱状。
2.根据权利要求1所述的一种具有仿生吸液芯的超薄热管，其特征在于：所述空穴呈倒锥形。
3.根据权利要求1所述的一种具有仿生吸液芯的超薄热管，其特征在于：位于疏水微纳小孔边沿的疏水膜包括靠近蒸发管体管壁一侧的外疏水膜和远离蒸发管体管壁一侧的内疏水膜；位于空穴表面的疏水膜为空穴疏水膜；内疏水膜外径＞外疏水膜外径＞空穴疏水膜外径。
4.根据权利要求1所述的一种具有仿生吸液芯的超薄热管，其特征在于：位于亲水微纳小孔边沿的亲水膜包括靠近冷凝管体管壁一侧的外亲水膜和远离冷凝管体管壁一侧的内亲水膜；内亲水膜外径＜外亲水膜外径。
5.根据权利要求1所述的一种具有仿生吸液芯的超薄热管，其特征在于：所述绝热段采用贯穿式沟槽结构；所述贯穿式沟槽结构是指：绝热段的内壁布设有若干分别沿热管长度方向延伸的隔板，相邻隔板之间留有具有毛细作用力的沟槽。
6.根据权利要求1所述的一种具有仿生吸液芯的超薄热管，其特征在于：所述疏水膜是指将蒸发管体/蒸发吸液芯与高脉冲电源正极连接，带有疏水纳米材料和亲水纳米材料的喷嘴在蒸发管体/蒸发吸液芯上喷涂，利用静电感应作用吸引疏水纳米材料和亲水纳米材料沉积到蒸发管体/蒸发吸液芯上而制成的疏水膜。
7.根据权利要求1所述的一种具有仿生吸液芯的超薄热管，其特征在于：所述亲水膜是指将冷凝管体/冷凝吸液芯与高脉冲电源正极连接，带有疏水纳米材料和亲水纳米材料的喷嘴在冷凝管体/冷凝吸液芯上喷涂，利用静电感应作用吸引疏水纳米材料和亲水纳米材料沉积到冷凝管体/冷凝吸液芯上而制成的亲水膜。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的一种具有仿生吸液芯的超薄热管，其特征在于：所述蒸发段、绝热段和冷凝段的数量分别为一个或两个以上；
当蒸发段为两个以上时，所有蒸发段依次连接后再与绝热段连接；
当绝热段为两个以上时，所有绝热段依次连接后，再分别与蒸发段和冷凝段连接；
当冷凝段为两个以上时，所有冷凝段依次连接后再与绝热段连接。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的一种具有仿生吸液芯的超薄热管，其特征在于：所述蒸发段、绝热段和冷凝段采用插接方式连接。
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