CN114025562B - 一种具有梯度吸液芯结构的均热板及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有梯度吸液芯结构的均热板及其制备方法，该均热板包括上壳板、冷凝端吸液芯、支撑柱、蒸发端吸液芯、下壳板和注液管；其中：所述下壳板内表面可为平面或阶梯凹面，其按照与热源接触区域的相对位置可以分别划分为不同区域，所述蒸发端吸液芯为不同毛细孔径和孔隙率的复合多孔介质，并且毛细孔径和孔隙率随着不同区域位置的改变而发生改变，从而形成具有梯度特性的吸液芯结构。本发明通过对吸液芯的有效毛细孔径、孔隙率等进行调控，制备出毛细驱动力大、渗透率高、流动阻力小的吸液芯结构，基于该吸液芯结构制备的均热板具有传热能力大、传热效率高、逆重力性能强、可靠度高等优点，能够满足高热流密度的电子设备的散热需求。
Description
技术领域
本发明属于电子信息系统散热技术领域，具体涉及一种具有梯度吸液芯结构的均热板及其制备方法。
背景技术
随着电子信息技术的不断革新与发展，电子设备逐渐向系统紧凑化、高性能化及高集成化方向快速发展，电子芯片的功耗和热流密度也越来越高。相关研究表明，目前电子芯片的局部热流密将超过1000 W/cm2，且平均热流密度也已经达到500 W/cm2，如果没有合理的散热方式对电子芯片进行散热，将会导致电子芯片的温度升高，其工作稳定性、可靠性和使用寿命将会大幅度降低，甚至会导致电子元器件的热变形与损坏。一般而言，当电子芯片的工作温度超过最大可允许温度时，温度每升高10℃，其工作稳定性和可靠性将会降低50%。因此，安全高效的散热技术对于电子信息技术的发展具有重大意义，可以有效促进云计算、大数据、移动通讯等领域的快速发展。
热管是一种被动式相变传热元件，其当量导热系数可达铜的数十倍甚至百倍，具有导热系数高和均温性好的优点，广泛应用于电子信息技术、航空航天和军事等领域。传统的热管通常为圆柱状或者扁平状，其主要用于从热源到热沉的一维单方向传热。而在实际应用中，二维平面传热的应用更为广泛。作为一种特殊的平板热管，均热板是一种针对二维平面传热的相变传热元件，可以快速、有效地将热量均匀铺展开来，实现高热流密度电子芯片的高效散热。目前，超薄均热板已经成为移动电子设备的散热首选。
均热板由上、下壳板、吸液芯、支撑柱、充液管以及工作介质组成。吸液芯在均热板中的作用主要是为液体工质提供毛细驱动力，促进液体工质从冷凝端回流至蒸发端。根据各自功能不同，均热板蒸发段吸液芯通常需要较强的亲水特性，从而产生更大的毛细驱动力；然而冷凝端吸液芯往往需要较强的疏水特性，从而促进液体工质的冷凝与回流。目前，常见单一种类的吸液芯结构为丝网烧结芯、槽道芯以及粉末烧结芯。丝网烧结吸液芯由多层金属丝网烧结而成，这类吸液芯相对而言结构简单、制造方便、成本较低，目前在市场上的应用非常广泛。槽道吸液芯是通过挤压、线切割、化学刻蚀等多种工艺在管壁上加工出矩形、三角形、Ω型等一系列微沟槽，由于加工制造工艺比较简单，槽道吸液芯深受广大研究学者的青睐，其自身的传热性能也随沟槽形状的变化而发生改变。粉末烧结芯是目前商业上应用最广泛的一种高效吸液芯，它可以根据烧结模具的改变烧结得出不同形状的结构。通常制备粉末烧结吸液芯主要采用固相烧结技术，一般可分为松装烧结和冷压成型烧结。
随着微纳米技术的发展，尤其是碳纳米管，其具有高热导率和大孔隙率等优点，可用作均热板的毛细结构，为高热通量热管理提供更高的毛细作用力。蒸发端的微纳米复合结构不仅可以提升吸液芯的毛细驱动力，还可以提供更多气化核心来强化沸腾换热性能。另外，冷凝端的微纳米复合结构可以实现冷凝端的珠状凝结，强化冷凝端的冷凝换热性能。最后，还可通过纳米技术对吸液芯表面的亲疏水特性进行调控，从而实现较小的液体流动阻力和较大的毛细驱动力，从而有效强化相变传热元件的换热系数及临界热流密度。
目前已公开的均热板技术主要存在以下不足：
（1）伴随着均热板紧凑化和高性能化的迫切需求，传统单一结构的吸液芯很难兼具大毛细驱动力以及高渗透率的特性，从而造成均热板整体性能降低；
（2）目前绝大多数均热板采用烧结吸液芯，但很少对其吸液芯进行表面改性，未能进一步提升均热板的性能；
（3）面对高热流密度工况，均热板可能会由于液体工质未能快速地回流至蒸发区域而导致烧干，从而造成均热板传热能力下降。
发明内容
针对上述现有技术存在的缺陷与不足，本发明提供了一种具有梯度吸液芯结构的均热板，能够有效解决以下技术问题：（1）促进液体工质的定向回流，有效提升均热板的传热能力；（2）强化均热板内部工质的相变过程，提升均热板的传热性能；（3）改善均热板微小型化后的传热性能。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种具有梯度吸液芯结构的均热板，包括上壳板、冷凝端吸液芯、支撑柱、蒸发端吸液芯、下壳板和注液管；
所述上壳板为平板，下壳板的中部凹陷形成第一凹面和位于第一凹面四周的第一凸缘，上壳板的边缘与下壳板的第一凸缘相互贴合且密封连接，下壳板的第一凸缘开设有注液口，注液口与第一凹面连通，注液管与注液口连接；
所述冷凝端吸液芯为平板结构，与上壳板相连接；
所述蒸发端吸液芯与下壳板相连接，蒸发端吸液芯的中部凹陷形成第二凹面和位于第二凹面四周的第二凸缘，冷凝端吸液芯的边缘与蒸发端吸液芯的凸缘相互贴合；
所述蒸发端吸液芯包括中心区域和外围区域；
所述冷凝端吸液芯和蒸发端吸液芯上均设置有与支撑柱对应的通孔，支撑柱的上下两端分别穿过冷凝端吸液芯和蒸发端吸液芯的通孔且与上壳板、下壳板相连接；
工作介质填充于上壳板与下壳板形成的密闭内腔中。
进一步地，所述上壳板和下壳板的材质为金属及其合金或非金属材料。优选地，所述上壳板和下壳板的材质为不锈钢、铜、铝等金属及其合金材料或者非金属材料。
进一步地，所述下壳板的形状为平板型或阶梯型。
进一步地，所述冷凝端吸液芯由60~200目金属粉末及造孔剂混合后烧结制成或由60~200目金属丝网烧结制成。
进一步地，所述蒸发端吸液芯，外围区域由200~500目金属粉末及造孔剂混合后烧结制成或由200~500目金属丝网烧结制成，中心区域由500~5000目金属粉末及造孔剂混合后烧结制成或由500~1000目金属丝网烧结制成。
进一步地，所述冷凝端吸液芯的有效毛细孔径小于蒸发端吸液芯的有效毛细孔径。
进一步地，所述冷凝端吸液芯的表面包覆有疏水层，所述蒸发端吸液芯的表面包覆有亲水层。
进一步地，所述支撑柱为实心金属柱、多孔烧结金属柱或多孔实心金属柱中的一种或多种。
进一步地，所述均热板的形状为矩形、圆形、纺锤形或菱形。
上述具有梯度吸液芯结构的均热板的制备方法，包括以下步骤：
（1）上壳板、下壳板的加工制作；
（2）蒸发端吸液芯和冷凝端吸液芯的制作；
（3）支撑柱制作；
（4）蒸发端吸液芯表面进行超亲水处理，包覆亲水层；
在本发明的一个实施例中，在室温环境下，将蒸发端吸液芯浸泡在浓度为25%~30%的H2O2内6h，从而使蒸发端吸液芯具备超亲水特性；
（5）冷凝端吸液芯表面进行超疏水处理，包覆疏水层；
在本发明的一个实施例中，在冷凝端吸液芯表面上喷涂一层特氟龙涂层，从而使冷凝端吸液芯具备超疏水特性；
（6）蒸发端吸液芯、冷凝端吸液芯、支撑柱分别与上壳板、下壳板烧结；
（7）将上壳板、下壳板的四周与注液管焊接在一起，预留充液口；
（8）通过充液口对均热板进行抽真空处理；
（9）将工作介质填充到均热板内部的密闭内腔；
（10）注液管焊接封口；
（11）均热板表面清洗及抗氧化处理。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、结构简单：本发明的均热板蒸发端下壳板结构可为平面型与阶梯型，可根据应用场景的不同而改变均热板的结构形状，并且可以直接安装在电子芯片表面，有效减小电子芯片与均热板之间的接触热阻，提升散热元件的性能；
2、提升均热板性能：均热板蒸发端与冷凝端的吸液芯表面经过物理/化学方法在其表面生成一层纳米结构，一方面提升蒸发端吸液芯的亲水特性，提升毛细驱动力；另一方面提升冷凝端吸液芯的疏水特性，促进工质的冷凝与回流，从而有效提升均热板的传热性能；
3、强化均热板在逆重力工况下的传热性能：均热板蒸发端的梯度吸液芯结构可以有效、定向地驱动冷凝后的液体工质的回流，并减小液体的流动阻力，加速液体工质的回流，使液体工质更容易回流至热源区域，从而提升均热板的传热性能，并强化其在逆重力场下的传热性能和工作稳定性。可应用于高热流密度云计算、大数据、移动通讯等领域。
附图说明
图1为本发明实施例1中的均热板的分解示意图；
图2为本发明实施例1中的下壳板与蒸发端吸液芯的分解示意图；
图3为本发明实施例1中的支撑柱的分解示意图；
图4为本发明实施例1中的#1蒸发端吸液芯的SEM图；
图5为本发明实施例1中的#2蒸发端吸液芯的SEM图；
图6为本发明实施例1中的冷凝端吸液芯的SEM图；
图7为本发明实施例2中的均热板的分解示意图。
附图标记说明：1. 上壳板；2. 冷凝端吸液芯；3. 支撑柱；4. 蒸发端吸液芯；5.下壳板；6. 注液管；31. 实心金属柱；32. 多孔毛细烧结体；41. #1蒸发端吸液芯；42. #2蒸发端吸液芯。
具体实施方式
本发明提供了一种具有梯度吸液芯结构的均热板，包括上壳板、下壳板、吸液芯、支撑柱组成的密闭腔室，密闭腔室内填充有工作介质，同时还设有一用于抽真空和工质充灌的接口。其中：所述下壳板内表面可为平面或阶梯凹面，其按照与热源接触区域的相对位置可以分别划分为不同区域，例如第一区域、第二区域等，每一区域均设置有规则排布的支撑柱；所述蒸发端吸液芯为不同毛细孔径和孔隙率的复合多孔介质，并且毛细孔径和孔隙率随着不同区域位置的改变而发生改变，从而形成具有梯度特性的吸液芯结构；所述蒸发端/冷凝端吸液芯均经过物理/化学方法在其表面进行沉积出一层纳米颗粒来强化吸液芯的亲疏水特性。
本发明通过对吸液芯的有效毛细孔径、孔隙率等进行调控，并且利用纳米沉积技术，制备出毛细驱动力大、渗透率高、流动阻力小的吸液芯结构，并基于该吸液芯结构制备的均热板具有传热能力大、传热效率高、逆重力性能强、可靠度高等优点，能够满足高热流密度的电子设备的散热需求。这种均热板的优点至少包括：可以根据不同应用场景，改变均热板蒸发端的形状，使其可以直接安装在电子芯片表面，减小了芯片与均热板之间的接触热阻；梯度吸液芯结构不仅可以提供更大的毛细驱动力和更小的流动阻力，还可以实现液体输运的定向调控，使液体工质快速、定向地回流至蒸发区域，有效促进液体工质的循环；可以满足高功耗、高热流密度电子器件的散热需求，适用于电子信息、航空航天、新能源汽车等领域。
具体地：
（1）所述均热板上、下壳板的厚度为0.1~2 mm，材料为导热性和可焊接性良好的金属及其合金或非金属及其化合物材料；
（2）所述均热板上、下壳板分别烧结有蒸发端吸液芯和冷凝端吸液芯；
（3）所述蒸发端吸液芯的厚度为0.1~5 mm，采用200~5000目的金属粉末及造孔剂混合或者200~1000目金属丝网烧结得到的多孔介质；其中靠近热源区域的吸液芯是由500~5000目金属粉末及造孔剂混合烧结制成或者500~1000目金属丝网烧结制成，远离热源区域的吸液芯是由200~500目金属粉末及造孔剂混合烧结制成或者200~500目金属丝网烧结制成，孔隙率分别为30~80%、35~85%；
（4）所述冷凝端吸液芯是由60~200目金属粉末及造孔剂混合烧结制成或者60~200目金属丝网烧结制成，孔隙率为30~85%；
（5）所述蒸发端吸液芯浸没在浓度为25%~30%的H2O2内6h，使其具备了超亲水特性；
（6）所述冷凝端吸液芯表面喷涂了一层特氟龙涂层，使其具备了超疏水特性；
（7）所述多孔金属支撑柱内部可为直径1~10 mm的实心金属柱、多孔烧结柱以及在实心金属柱外部烧结多孔结构的多孔实心金属柱等；
（8）所述工作介质填充于壳体的密闭内腔，工作介质的体积占比为整个密闭空腔体积的10~90%；
（9）所述均热板的冷凝端可焊接翅片热沉、水冷板、烧结或焊接金属丝网、金属粉末、泡沫金属等，用于强化冷凝端的散热能力。
进一步地：
所述上、下壳板为不锈钢、铜、铝等金属及其合金材料或者非金属材料。
所述蒸发端下壳板的结构形状可为平板型和阶梯型。
所述均热板的结构形状可为矩形、圆形、纺锤形、菱形等。
所述吸液芯结构可由同种材质、不同目数的金属粉末、丝网、泡沫金属等材料烧结制备而成。
所述蒸发端吸液芯随与热源的相对位置的变化呈现出梯度特性。
所述冷凝端吸液芯的有效毛细孔径均小于蒸发端吸液芯，从而呈现出从冷凝端到热源区域的梯度特性。
所述吸液芯表面经过物理/化学方法在其表面生成一层纳米结构。
所述蒸发端吸液芯浸没在浓度为25%~30%的H2O2内6h，使其具备了超亲水特性。
所述冷凝端吸液芯表面喷涂了一层特氟龙涂层，使其具备了超疏水特性。
所述支撑柱可为实心金属柱、多孔烧结金属柱以及多孔实心金属柱等的一种或多种。所述多孔实心金属支撑柱可为光滑的金属柱体和在其表面烧结有金属粉末或者金属丝网烧结而成的多孔介质环。
所述多孔实心金属柱制作可以采用以下两种方式的一种或两种：
a)将多孔介质烧结成圆环后与光滑金属支撑柱配合使用；
b)将多孔介质与光滑金属支撑柱一块烧结成整体多孔结构。
所述工作介质为以下材料的一种或多种混合物：去离子水、丙酮、甲醇、乙醇、FC-72、氨、氟利昂等。
所述工作介质的体积占比为整个密闭空腔体积的10~90%。
所述均热板四周的焊接密封可为感应焊、分子扩散焊、钎焊等的一种或多种。
下面结合附图和具体实例对本发明作具体说明，所举实例不作为本发明的限定。
实施例1
如图1所示，本实施例的均热板包括：上壳板1、冷凝端吸液芯2、支撑柱3、蒸发端吸液芯4、下壳板5和注液管6。
所述上壳板、下壳板的厚度分别是0.5 mm和1.5 mm。
所述下壳板为阶梯型，其中凸出部分为热源接触的工装面区域。
所述下壳板留有一用于放置注液管的注液口。
所述上壳板、下壳板分别烧结有冷凝端吸液芯和蒸发端吸液芯。
所述蒸发端吸液芯包括工装面区域上的#1蒸发端吸液芯41和远离工装面区域的#2蒸发端吸液芯42。
所述蒸发端吸液芯41是由500~5000目金属粉末及造孔剂混合烧结制成。
所述蒸发端吸液芯42是由200~500目金属粉末及造孔剂混合烧结制成。
所述冷凝端吸液芯是由60~200目金属丝网烧结制成。
所述支撑柱为实心金属柱31与外部多孔毛细烧结体32一体烧结成型后的多孔实心柱，如图3所示。
所述的上、下壳板焊接固定，抽真空及工质灌装的注液管与下壳板焊接连通。
由图2可以看到蒸发端吸液芯与下壳板的制作过程。下壳板的材质为紫铜，通过机加工工艺制作而成。将蒸发端吸液芯41和吸液芯42设置在下壳板上，而后采用石墨模具固定，通过高温真空烧结的方式使蒸发端吸液芯与下壳板固定在一起。
由图3可以看到支撑柱的结构，它的制作过程为使用特定石墨模具，在实心铜柱外侧添加铜粉，而后通过高温真空烧结一体成型。
由图4~6可以分别看出蒸发端吸液芯和冷凝端吸液芯的SEM图。
均热板的工作介质可以根据不同的工作条件合理选择。
制作方法为：首先，采用高温真空烧结的方式制备出多孔实心支撑柱；其次，将冷凝端吸液芯和蒸发端吸液芯分别与上、下壳板高温真空烧结在一起，而后将上、下壳板与多孔实心支撑柱烧结在一起；最后，将上下壳板四周和注液管焊接密封，从而形成一密闭空腔，并留有注液口。将工质通过注液管充灌至空腔内部，并焊接封口，完成均热板的制作。
实施例2
如图7所示，本实施例的均热板与实施例1不同：实施例2中均热板下壳板的结构形状为平板型。其余与实施例1相同。
以上所述实施例仅为说明本发明的较佳实施例，而非对本发明作任何形式上的限制。此技术领域的技术人员对本发明所做的任何非背离本发明技术方案的改变或等效置换，均在本发明保护范围之内。
Claims (10)
1.一种具有梯度吸液芯结构的均热板，包括上壳板（1）、冷凝端吸液芯（2）、支撑柱（3）、蒸发端吸液芯（4）、下壳板（5）和注液管（6），其特征在于：
所述上壳板（1）为平板，下壳板（5）的中部凹陷形成第一凹面和位于第一凹面四周的第一凸缘，上壳板（1）的边缘与下壳板（5）的第一凸缘相互贴合且密封连接，下壳板（5）的第一凸缘开设有注液口，注液口与第一凹面连通，注液管（6）与注液口连接；
所述冷凝端吸液芯（2）为平板结构，与上壳板（1）连接；
所述蒸发端吸液芯（4）与下壳板（5）连接，蒸发端吸液芯（4）的中部凹陷形成第二凹面和位于第二凹面四周的第二凸缘，冷凝端吸液芯（2）的边缘与蒸发端吸液芯的凸缘相互贴合；
所述蒸发端吸液芯（4）包括中心区域和外围区域；
所述冷凝端吸液芯（2）和蒸发端吸液芯（4）上均设置有与支撑柱（3）对应的通孔，支撑柱（3）的上下两端分别穿过冷凝端吸液芯（2）、蒸发端吸液芯（4）的通孔且与上壳板、下壳板（5）相连接；
工作介质填充于上壳板（1）与下壳板（5）形成的密闭内腔中；
所述蒸发端吸液芯（4）为不同毛细孔径和孔隙率的复合多孔介质，并且毛细孔径和孔隙率随着不同区域位置的改变而发生改变，从而形成具有梯度特性的吸液芯结构。
2.根据权利要求1所述的具有梯度吸液芯结构的均热板，其特征在于：所述上壳板（1）和下壳板（5）的材质为金属及其合金或非金属材料。
3.根据权利要求1所述的具有梯度吸液芯结构的均热板，其特征在于：所述下壳板（5）的形状为平板型或阶梯型。
4.根据权利要求1所述的具有梯度吸液芯结构的均热板，其特征在于：所述冷凝端吸液芯（2）由60~200目金属粉末及造孔剂混合后烧结制成或由60~200目金属丝网烧结制成。
5.根据权利要求4所述的具有梯度吸液芯结构的均热板，其特征在于：所述蒸发端吸液芯（4），外围区域由200~500目金属粉末及造孔剂混合后烧结制成或由200~500目金属丝网烧结制成，中心区域由500~5000目金属粉末及造孔剂混合后烧结制成或由500~1000目金属丝网烧结制成。
6.根据权利要求5所述的具有梯度吸液芯结构的均热板，其特征在于：所述冷凝端吸液芯（2）的有效毛细孔径小于蒸发端吸液芯（4）的有效毛细孔径。
7.根据权利要求6所述的具有梯度吸液芯结构的均热板，其特征在于：所述冷凝端吸液芯（2）的表面包覆有疏水层，所述蒸发端吸液芯（4）的表面包覆有亲水层。
8.根据权利要求1所述的具有梯度吸液芯结构的均热板，其特征在于：所述支撑柱（3）为实心金属柱、多孔烧结金属柱或多孔实心金属柱中的一种或多种。
9.根据权利要求1所述的具有梯度吸液芯结构的均热板，其特征在于：所述均热板的形状为矩形、圆形、纺锤形或菱形。
10.一种用于权利要求1所述的具有梯度吸液芯结构的均热板的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）上壳板、下壳板的加工制作；
（2）蒸发端吸液芯和冷凝端吸液芯的制作；
（3）支撑柱的制作；
（4）蒸发端吸液芯表面进行超亲水处理，包覆亲水层；
（5）冷凝端吸液芯表面进行超疏水处理，包覆疏水层；
（6）蒸发端吸液芯、冷凝端吸液芯、支撑柱分别与下壳板、上壳板烧结；
（7）将上壳板、下壳板的四周与注液管焊接在一起，预留充液口；
（8）通过充液口对均热板进行抽真空处理；
（9）将工作介质填充到均热板内部的密闭内腔；
（10）注液管焊接封口；
（11）均热板表面清洗及抗氧化处理。
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