CN112857112A - 一种纤维毛细管泡沫铜复合吸液芯平板微热管及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纤维毛细管泡沫铜复合吸液芯平板微热管及制备方法。所述微热管由上盖板、下壳和复合吸液芯构成，其中上盖板加工出四个弧形横梁，复合吸液芯的下部由纤维毛细管整齐排列而成，上部覆盖泡沫铜。所述微热管的制备方法主要可分为上盖板内壁的疏水处理，复合吸液芯的亲水处理以及胶结封装等。上盖板所加工的四个弧形横梁，一方面可以压住下壳内的复合吸液芯，另一方面可以减小气体流动的阻力。复合吸液芯通过化学腐蚀的方法提高表面亲水能力，提高液体回流特性。本发明所制备的平板微热管具有工艺简单，成本低廉，液体回流速度快，气体流动阻力小，传热性能好，适用于多种微型集成电路散热等优点。
Description
技术领域
本发明涉及微热管领域，尤其涉及一种纤维毛细管泡沫铜复合吸液芯平板微热管及制备方法。
背景技术
随着微电子技术的迅速发展，电子芯片的集成度越来越高，单位体积的热流密度也急剧上升。散热不及时，将会严重影响芯片的工作效率和寿命。在狭小的空间内大幅提高散热效率，传统制冷元件已经远远不能满足这个要求。因此，散热成为制约电子芯片发展的重要因素。为了满足科技发展的需要，微热管技术迅速发展起来。微热管具有尺寸小、导热性好、热响应快以及稳定性高等特点，目前已被广泛应用到微机电系统(MEMS)领域。
热管主要依靠内部液体工质的相变来导热，当吸液芯的毛细力不足时，冷端冷凝的液体不能及时流回热端，就会出现热端液体蒸干的现象，导致热管的极限功率下降，因此吸液芯是影响其性能的关键。
常用平板微热管的吸液芯主要有沟道式、烧结式两大类。沟道式吸液芯平板微热管具有重量轻、液体回流速度快的优点，但是这种沟道式吸液芯毛细吸附力小，受重力影响大。烧结式吸液芯平板微热管是将金属粉末或金属纤维直接烧结到微热管内部，这种烧结式吸液芯孔隙多，毛细力强，但是渗透率较差，影响液体工质的沸腾，重量也增加了近30％。总体而言，吸液芯的设计目的是保证足够毛细力同时增加其导热性，这样就可以大幅提高微热管的极限功率和热启动性。
目前常用的微热管压扁工艺极易损坏吸液芯的结构，导致液体回流缓慢，使微热管导热性能大幅下降。采用两种以上结构或材料的复合吸液芯可以更好的克服单一吸液芯所存在的不足，从而提高传热性能。目前出现的复合吸液芯有网状结构复合泡沫铜结构、多层细网格结构复合多层粗网格结构、沟道复合不锈钢纤维结构等。这些复合吸液芯平板微热管在不同程度上解决了沟道式吸液芯平板微热管毛细力差，烧结式吸液芯平板微热管渗透率差、热阻高的问题，但是复合吸液芯平板微热管仍然存在制作工艺不完善、液体工质回流不稳定、热端热阻较大、冷端冷凝较慢的问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种纤维毛细管泡沫铜复合吸液芯平板微热管及其制备方法，用于解决当前复合吸液芯平板微热管毛细力小、渗透率差、热阻高的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：一种纤维毛细管泡沫铜复合吸液芯平板微热管，包括上盖板、下壳和复合吸液芯，所述上盖板内设有若干个(若干包括数量1)弧形横梁，所述复合吸液芯的下部由纤维毛细管整齐排列而成，上部覆盖泡沫铜；所述复合吸液芯粘接到下壳内壁上，并与所述上盖板压紧形成密封结构。
作为优选，所述弧形横梁设置4个，4个弧形横梁的横截面依次为四分之一圆、半椭圆、半椭圆和四分之一圆，4个弧形横梁上下交错排布。
本发明中上盖板具有四个弧形横梁，这四个横梁一方面可以有效的压紧下壳内的复合吸液芯，减小轴向热阻，另一方面减小气体流动的阻力；上盖板内部做疏水处理，可以防止气体通道被水滴堵塞。
作为优选，相邻弧形横梁之间的距离均为1-3mm，相邻弧形横梁的交错长度为0.5～1.5mm。
作为优选，所述纤维毛细管排列一层或者多层，所述泡沫铜厚度在0.5～1mm之间。
本发明中的复合吸液芯为纤维毛细管泡沫铜复合吸液芯，这种复合吸液芯下层是纤维毛细管，上层是泡沫铜，增加了渗透率，提高了液体渗透速度，另外纤维毛细管本身的通道、纤维毛细管与泡沫铜之间形成的通道，增加了通道，提高了液体工质的回流速度。且复合吸液芯通过化学腐蚀的方法，提高了表面亲水能力，增加了吸液芯的毛细力。
作为优选，所述纤维毛细管外径为0.2～0.4mm，所述泡沫铜的规格为：孔隙率为95％～98％、ppi为50～130。
作为优选，所述上盖板、下壳和复合吸液芯的材质均为铜；所述复合吸液芯与下壳内壁采用石墨烯涂料粘接，纤维毛细管与下壳内壁之间的缝隙被石墨烯涂料填充，进一步减小了轴向热阻。
作为优选，所述上盖板的内壁做疏水处理；所述复合吸液芯做亲水处理。
另一方面，本发明还提供所述纤维毛细管泡沫铜复合吸液芯平板微热管的制备方法，包括如下步骤：
步骤(1)首先利用CNC数控机床精确加工出具有弧形横梁的上盖板、下壳，然后按照下壳的尺寸截取等长的纤维毛细管和泡沫铜，并用针头将截取时压扁的纤维毛细管端头挑开，得到上盖板、下壳和复合吸液芯；
步骤(2)将上盖板、下壳和复合吸液芯放入超声清洗机，依次用甲醇、乙醇超声清洗，然后用去离子水冲洗干净；
步骤(3)将清洗干净的上盖板放入烘箱中烘干取出，并在内部均匀的涂抹一层疏水材料，完成上盖板内壁的疏水处理；
步骤(4)将清洗干净的复合吸液芯放入HCI溶液中，在保温箱内浸泡一段时间，然后取出并用去离子水冲洗干净，接着将复合吸液芯放入H2O2溶液中浸泡，待复合吸液芯腐蚀均匀后，取出，用去离子水超声清洗，放入烘箱中烘干，完成复合吸液芯的化学腐蚀；
步骤(5)在下壳内壁上均匀地涂抹一层石墨烯涂料，将处理之后的复合吸液芯放入下壳内，用加热板加热下壳，待石墨烯涂料固化，完成复合吸液芯与下壳的粘接；然后在胶接带上均匀的涂抹一层铸工胶用于粘接上盖板和下壳，将上盖板压在复合吸液芯和下壳上，并用夹具夹紧，静置；胶水固化之后，利用上盖板上预留的小孔进行抽真空和注液，最后预留的小孔采用胶密封，完成微热管的制备。
作为优选，步骤(3)所述疏水处理选择涂抹有机硅聚合物或聚四氟乙烯疏水材料。
作为优选，所述步骤(5)中微热管的胶接封装选择卡夫特品牌的铸工胶来进行胶接。
本发明的制备方法，可以有效地减少制备过程中对吸液芯的损坏。所制备的微热管具有工艺简单，成本低廉，液体回流速度快，气体流动阻力小，传热性能好，适用于多种微型集成电路散热。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明中上盖板所加工的四个弧形横梁，一方面可以压住下壳内的复合吸液芯，另一方面可以减小气体流动的阻力。上盖板内壁做疏水处理，可以防止液滴堵塞气体通道。复合吸液芯通过化学腐蚀的方法提高表面亲水能力，实验表明处理之后的复合吸液芯具有良好的液体回流特性。复合吸液芯与下壳内壁之间用石墨烯涂料粘接，大大减小了轴向热阻。本发明所制备的平板微热管具有工艺简单，成本低廉，液体回流速度快，气体流动阻力小，传热性能好，适用于多种微型集成电路散热等优点。
附图说明
图1为本发明所述微热管结构示意图；
图2为本发明所述微热管横截面示意图；
图3为本发明所述上盖板横截面示意图；
图4为本发明所述上盖板立体图；
图5为本发明所述下壳横截面示意图；
图6为本发明中所述下壳立体图；
图7为本发明所述复合吸液芯横截面示意图；
图8为本发明所述复合吸液芯纵截面示意图；
图9为矩形横梁的气体流速仿真结果图；
图10为弧形横梁的气体流速仿真结果图；
图中标记：1-上盖板，2-弧形横梁，3-胶接带，4-复合吸液芯，6-下壳，7-泡沫铜，8-纤维毛细管，9-石墨烯涂料。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明，但本发明并不局限于以下技术方案。
实施例1
如图1-图8所示，本实施例提供一种纤维毛细管泡沫铜复合吸液芯平板微热管，包括具有弧形横梁2的上盖板1，下壳6，纤维毛细管8与泡沫铜7组成复合吸液芯4，胶接带3，复合吸液芯4的下部由纤维毛细管8整齐排列而成，上部覆盖泡沫铜7；上盖板1的内壁做疏水处理并且复合吸液芯4做亲水处理；复合吸液芯4用石墨烯涂料9粘接到下壳6内壁上，并用上盖板1压紧形成密封结构。
本实施例中利用CNC数控机床在铜板(上盖板1)上铣出四个弧形横梁，四个弧形横梁的横截面依次为四分之一圆、半椭圆、半椭圆、四分之一圆；中间设置两个半椭圆，两边设置四分之一圆的目的是能减小气体流动阻力，提高气流通道的宽度，增加气流量。圆的半径、半椭圆的长轴和短轴的大小取决于上盖板的尺寸。以本实施例为例，上盖板的长度为60mm，宽度为10mm，四分之一圆的半径为4.5mm，半椭圆的长轴和短轴分别为5mm和4.5mm。
本实施例中4个弧形横梁之间的距离为3mm，4个弧形横梁上下交错排布，交错重叠长度为0.5～1.5mm，交错重叠的目的是为了更好地压紧下壳内的复合吸液芯。
本实施例设计的4个弧形横梁位于冷端和热端之间，弧形横梁之间形成气体通道，用于气体流动，弧形横梁一方面可以有效的压紧下壳内的复合吸液芯，减小轴向热阻，另一方面减小气体流动的阻力。且本实施例带有4个弧形横梁的上盖板与普通的波浪形或矩形上盖板相比，进气量大，气体流速更高。
针对于此，本发明做了仿真实验，如图9、图10所示，图9和图10中颜色越深表明流速越快，从图中可看出弧形横梁上盖板(图10)的气体流速要优于矩形横梁上盖板(图9)。
本实施例中纤维毛细管排列2层，所述泡沫铜厚度为0.8mm。纤维毛细管外径为0.3mm，所述泡沫铜的规格为：孔隙率为95％～98％、ppi为50～130。
泡沫铜相较于其它泡沫金属或者纤维金属而言渗透率高、毛细力强，与底部的纤维毛细管复合之后，形成了更多通道，进一步增加了复合吸液芯的横向毛细力，大大提高了液体的回流速度。
本实施例中复合吸液芯与下壳内壁采用石墨烯涂料进行粘接。石墨烯的导热系数远远大于铜的导热系数，复合吸液芯与下壳内壁之间的空隙被石墨烯涂料填充，进一步减小了轴向热阻。
实施例2
步骤1、首先利用CNC数控机床精确加工出具有弧形横梁2的上盖板1、下壳6，然后按照下壳6的尺寸截取等长的纤维毛细管8和一层泡沫铜7，并用针头处理疏通纤维毛细管8的端头，得到上盖板1、下壳6、复合吸液芯4。
步骤2、将上盖板1、下壳6、复合吸液芯4放入超声清洗机，依次用甲醇、乙醇超声清洗10-20min，然后用去离子水冲洗干净，完成上盖板1、下壳6、复合吸液芯4的清洗。
步骤3、将清洗干净的上盖板1放入55-65℃的烘箱中烘干，取出，并在内部均匀的涂抹一层疏水材料(有机硅聚合物或聚四氟乙烯)，完成上盖板1内壁的疏水处理。
步骤4、将清洗干净的复合吸液芯4放入1mol/L的HCI溶液中，在50℃的保温箱内浸泡5-10min，然后取出并用去离子水冲洗干净，接着将复合吸液芯4放入15％的H2O2溶液中常温浸泡11-13h，待复合吸液芯4腐蚀均匀后，取出，用去离子水超声清洗15min，放入60℃的烘箱中烘干，完成复合吸液芯4的化学腐蚀。
步骤5、在下壳6内壁上均匀的涂抹一层石墨烯涂料9，将处理之后的复合吸液芯4放入下壳内，在100℃的加热板上加热下壳6，30min后石墨烯固化，完成复合吸液芯4与下壳6的粘接。然后在胶接带3均匀地涂抹一层铸工胶，将上盖板1压在复合吸液芯4和下壳6上，并用夹具夹紧，静置。胶水固化之后，利用盖板上预留的小孔进行抽真空和注液，最后预留的小孔用铸工胶密封，完成微热管的制备。微热管的胶接封装选择卡夫特品牌的铸工胶来进行胶接。
本实施例中步骤3对上盖板进行了疏水处理，可以有效的防止气体通道被水滴堵塞，从而提高气体流动速度。
本实施例中步骤4复合吸液芯采用化学腐蚀的方法进行亲水处理。通过SEM图可以看出处理之后的复合吸液芯表面多出了一层CuO颗粒。为了证明处理之后的复合吸液芯提高了亲水性，本发明做了对比实验，处理之前铜板的接触角为钝角，表现疏水性，处理之后铜板的接触角为锐角，表现亲水性。复合吸液芯经过亲水处理之后，毛细力增强，渗透率变高，液体回流速度加快，增强了微热管的性能。
上述步骤制备的微热管工艺简单，成本低廉，液体回流速度快，气体流动阻力小，传热性能好，适用于多种微型集成电路散热。
上述实施例仅为本发明的优选而已，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，凡在本发明的的精神和原理之内，所作的任何修改、等同替代、改进等，均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种纤维毛细管泡沫铜复合吸液芯平板微热管，包括上盖板、下壳和复合吸液芯，其特征在于，所述上盖板内设有若干个弧形横梁，所述复合吸液芯的下部由纤维毛细管整齐排列而成，上部覆盖泡沫铜；所述复合吸液芯粘接到下壳内壁上，并与所述上盖板压紧形成密封结构。
2.根据权利要求1所述的纤维毛细管泡沫铜复合吸液芯平板微热管，其特征在于，所述弧形横梁设置4个，4个弧形横梁的横截面依次为四分之一圆、半椭圆、半椭圆和四分之一圆，4个弧形横梁上下交错排布。
3.根据权利要求2所述的纤维毛细管泡沫铜复合吸液芯平板微热管，其特征在于，相邻弧形横梁之间的距离均为1-3mm，相邻弧形横梁的交错长度为0.5～1.5mm。
4.根据权利要求1所述的纤维毛细管泡沫铜复合吸液芯平板微热管，其特征在于，所述纤维毛细管排列一层或者多层，所述泡沫铜厚度在0.5～1mm之间。
5.根据权利要求1所述的纤维毛细管泡沫铜复合吸液芯平板微热管，其特征在于，所述纤维毛细管外径为0.2～0.4mm，所述泡沫铜的规格为：孔隙率为95％～98％、ppi为50～130。
6.根据权利要求1所述的纤维毛细管泡沫铜复合吸液芯平板微热管，其特征在于，所述上盖板、下壳和复合吸液芯的材质均为铜；所述复合吸液芯与下壳内壁采用石墨烯涂料粘接。
7.根据权利要求1所述的纤维毛细管泡沫铜复合吸液芯平板微热管，其特征在于，所述上盖板的内壁做疏水处理；所述复合吸液芯做亲水处理。
8.根据权利要求1至7任一所述的纤维毛细管泡沫铜复合吸液芯平板微热管的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤(1)首先利用CNC数控机床精确加工出具有弧形横梁的上盖板、下壳，然后按照下壳的尺寸截取等长的纤维毛细管和泡沫铜，并用针头将截取时压扁的纤维毛细管端头挑开，得到上盖板、下壳和复合吸液芯；
步骤(2)将上盖板、下壳和复合吸液芯放入超声清洗机，依次用甲醇、乙醇超声清洗，然后用去离子水冲洗干净；
步骤(3)将清洗干净的上盖板放入烘箱中烘干取出，并在内部均匀的涂抹一层疏水材料，完成上盖板内壁的疏水处理；
步骤(4)将清洗干净的复合吸液芯放入HCl溶液中，在保温箱内浸泡一段时间，然后取出并用去离子水冲洗干净，接着将复合吸液芯放入H2O2溶液中浸泡，待复合吸液芯腐蚀均匀后，取出，用去离子水超声清洗，放入烘箱中烘干，完成复合吸液芯的化学腐蚀；
步骤(5)在下壳内壁上均匀地涂抹一层石墨烯涂料，将处理之后的复合吸液芯放入下壳内，用加热板加热下壳，待石墨烯涂料固化，完成复合吸液芯与下壳的粘接；然后在胶接带上均匀的涂抹一层铸工胶用于粘接上盖板和下壳，将上盖板压在复合吸液芯和下壳上，并用夹具夹紧，静置；胶水固化之后，利用上盖板上预留的小孔进行抽真空和注液，最后预留的小孔采用胶密封，完成微热管的制备。
9.根据权利要求8所述的纤维毛细管泡沫铜复合吸液芯平板微热管的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述疏水处理选择涂抹有机硅聚合物或聚四氟乙烯疏水材料。
10.根据权利要求8所述的纤维毛细管泡沫铜复合吸液芯平板微热管的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)中微热管的胶接封装选择卡夫特品牌的铸工胶来进行胶接。
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