CN114485238A - 一种基于相变传热技术的特斯拉阀式超薄平面热二极管 - Google Patents

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张仕伟
黄皓熠
汤勇
颜才满
刘杭
黎洪铭
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Abstract

本发明涉及一种基于相变传热技术的特斯拉阀式超薄平面热二极管，包括管本体，管本体内设有蒸发端、液态工质腔、特斯拉阀流道、填充有液态工质的吸液芯和冷凝端；吸液芯设于液态工质腔内；冷凝端、吸液芯和蒸发端依次连接形成液态工质通路，蒸发端、特斯拉阀流道和冷凝端依次连接形成气态工质通路。利用特斯拉阀对流体的加速特性以及单向导通性，提高超薄平面热二极管的单向导热性。正向加热时，气态工质从蒸发端向冷凝端方向流动，在特斯拉阀内顺流，气阻较小，导热率较高；反向加热时，气态工质从冷凝端向蒸发端方向流动，气态工质在特斯拉阀内逆流，气阻较大，导热率较低，从而达到热二极管的效果，能够广泛应用于微电子行业。

Description

一种基于相变传热技术的特斯拉阀式超薄平面热二极管
技术领域
本发明涉及微电子元器件领域，特别是涉及一种基于相变传热技术的特斯拉阀式超薄平面热二极管。
背景技术
热管理是各种应用中的一个重要部分，尤其是在电子小型化领域。热二极管沿轴向呈现非对称传热特性，是热管理系统中的重要部分之一。目前热二极管多为重力式热二极管，依靠重力驱动热管内工质回流，该类热二极管受倾斜角的影响较大，工作条件较为严格，应用范围有限。也有由两种导热材料组成的热二极管，其导热材料的导热系数随温度的变化而变化，但该类热二极管的传热方式为热传导，导热率较低。
申请人发现，在流体控制中，特斯拉阀被广泛应用，但在微电子元器件领域中少有应用。因此，针对现有技术的不足，本专利提出一种基于相变传热技术的特斯拉阀式超薄平面热二极管，利用相变传热技术提高热导率，引入高效毛细性能的吸液芯结构，弥补重力式热二极管的缺陷。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于：提供一种基于相变传热技术的特斯拉阀式超薄平面热二极管，利用特斯拉阀对流体的加速特性以及单向导通性，提高超薄平面热二极管的单向导热性。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于相变传热技术的特斯拉阀式超薄平面热二极管，包括管本体，管本体内设有蒸发端、液态工质腔、特斯拉阀流道、填充有液态工质的吸液芯和冷凝端；吸液芯设于液态工质腔内；冷凝端、吸液芯和蒸发端依次连接形成液态工质通路；蒸发端、特斯拉阀流道和冷凝端依次连接形成气态工质通路。管本体内的液态工质和气态工质分别从液态工质通路和气态工质通路流动，互相之间不会产生干涉，减少了气液的对流阻力；工质的回流依靠毛细力，不依赖于重力，不受热二极管倾斜角的影响，具有自由的工作条件，利用特斯拉阀对流体的加速特性以及单向导通性，提高超薄平面热二极管的单向导热性，有利于提升超薄平面热二极管的灵敏度和准确度，极大拓展了热二极管的应用范围。
进一步，特斯拉阀流道设有多条，每条特斯拉阀流道设有多级依次拼接的特斯拉阀，多条特斯拉阀流道并列排布。
进一步，吸液芯与特斯拉阀流道紧密贴合。
进一步，管本体包括对应连接的上壳体和下壳体，气态工质通路设于上壳体，液态工质腔设于下壳体内，吸液芯高度大于液态工质腔深度。
进一步，蒸发端和冷凝端在上壳体内的区域占比和≤60％。
进一步，蒸发端和冷凝端均为点柱阵列。
进一步，点柱阵列中，每两个相邻的点柱的中心距≤2mm。
进一步，点柱截面为圆形或矩形。
进一步，管本体内真空度为5-10Pa。
进一步，液态工质为超纯水，其电阻率≥18MΩ*cm。
总的说来，本发明具有如下优点：
本发明的基于相变传热技术的特斯拉阀式超薄平面热二极管厚度≤1.3mm，属于超薄平板热管，广泛适用于微电子行业，利用特斯拉阀对流体的加速特性以及单向导通性，提高单向导热性。正向加热时，气态工质在特斯拉阀内顺流，气阻较小，导热率较高；反向加热时，气态工质在特斯拉阀内逆流，气阻较大，导热率较低，达到热二极管的效果。
附图说明
图1为实施例1的上壳体的结构示意图。
图2为实施例1的下壳体的结构示意图。
图3为实施例1的超薄平面热二极管的截面示意图。
图4为实施例2的上壳体的结构示意图。
附图标记：
1-上壳体、2-下壳体、3-特斯拉阀流道、41-蒸发端、42-冷凝端、5-吸液芯、6-焊膏槽、7-锡焊膏。
具体实施方式
下面来对本发明做进一步详细的说明。
实施例1
如图1所示，上壳体1通过蚀刻工艺蚀刻出气态工质腔、布置在气态工质腔内的蒸发端41、特斯拉阀流道3和冷凝端42以及上壳体1边缘的焊膏槽6。其中，蒸发端41和冷凝端42的点柱阵列为圆柱型点柱。特斯拉阀流道3总共有4条，在蒸发端41和冷凝端42之间沿水平方向并列排布，在整个上壳体1的气态工质腔中占比50％。特斯拉阀流道3的各个特斯拉阀与水平方向成30°夹角且各个特斯拉阀内气道深宽比为3:5。其中蒸发端41与冷凝端42的点柱阵列均为8行18列，点柱直径为0.8mm，在整个上壳体1的气态工质腔中占比50％。
利用特斯拉阀结构对流体的加速特性以及单向导通性，提高气态工质腔内流体线性流动以及超薄平面热二极管单向导热性。
如图2所示，下壳体2通过蚀刻工艺蚀刻出液态工质腔，用于填充具有高效毛细性能的铜粉烧结结构吸液芯5。与上壳体1边缘对应处同样蚀刻出1一条焊膏槽6。
如图3所示，为了便于上壳体1与下壳体2焊接时锡焊膏7的定位和定量，在其边缘处设有深宽比为3：5的焊膏槽6，焊接后锡焊膏7层厚度为0.1mm。下壳体2内液态工质腔蚀刻深度为0.3mm，液态工质腔中的热熔渣结构吸液芯5采用铜粉末烧结的方式制作，其厚度为0.4mm。吸液芯5高出液态工质腔蚀刻深度的目的是与上壳体1中特斯拉阀流道3紧密贴合，以弥补焊接后出现锡焊膏7层而增加的空隙，确保气态工质仅能通过气态工质腔的特斯拉阀流道3由蒸发端41到达冷凝端42，液态工质通过液态工质腔的吸热芯由冷凝端42到达蒸发端41。热二极管内的液态工质和气态工质分别从各自通道中流动，互相之间不会产生对流，减少了气液的对流阻力；工质的回流依靠毛细力，不依赖于重力，不受热二极管倾斜角的影响，具有自由的工作条件，有利于提升超薄平面热二极管的灵敏度和准确度，极大拓展了热二极管的应用范围。
上壳体1与下壳体2外部延伸部分用于插管，便于检漏、灌注工质、抽真空处理和封装。其中灌注的液态工质为电阻率18.2MΩ*cm的超纯水，抽真空处理后超薄平面热二极管内真空度为7Pa。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于：
如图4所示，上壳体1的蒸发端41和冷凝端42的点柱阵列由圆柱型点柱改为矩形点柱，每个矩形点柱长度为1mm，宽度为0.1mm，共有8行，行距为1mm。以提高热管运行时气态工质的方向性，减小气阻，提高导热效率。
本发明的超薄平面热二极管在气道设计上加入特斯拉阀结构，利用特斯拉阀对流体的加速特性以及单向导通性，提高单向导热性和导热效率。正向加热时，气态工质从蒸发端41向冷凝端42方向流动，在气态工质腔的特斯拉阀内顺流，气阻较小，导热率较高；反向加热时，气态工质从冷凝端42向蒸发端41方向流动，气态工质在气态工质腔的特斯拉阀内逆流，气阻较大，导热率较低，从而达到热二极管的效果。同时超薄平面热二极管的厚度仅为1.3mm，在微电子设备中可以得到广泛应用。
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 (10)

1.一种基于相变传热技术的特斯拉阀式超薄平面热二极管，其特征在于：包括管本体，管本体内设有蒸发端、液态工质腔、特斯拉阀流道、填充有液态工质的吸液芯和冷凝端；
吸液芯设于液态工质腔内；
冷凝端、吸液芯和蒸发端依次连接形成液态工质通路；
蒸发端、特斯拉阀流道和冷凝端依次连接形成气态工质通路。
2.按照权利要求1所述的一种基于相变传热技术的特斯拉阀式超薄平面热二极管，其特征在于：特斯拉阀流道设有多条，每条特斯拉阀流道设有多级依次拼接的特斯拉阀，多条特斯拉阀流道并列排布。
3.按照权利要求1所述的一种基于相变传热技术的特斯拉阀式超薄平面热二极管，其特征在于：吸液芯与特斯拉阀流道紧密贴合。
4.按照权利要求1所述的一种基于相变传热技术的特斯拉阀式超薄平面热二极管，其特征在于：管本体包括对应连接的上壳体和下壳体，气态工质通路设于上壳体，液态工质腔设于下壳体内，吸液芯高度大于液态工质腔深度。
5.按照权利要求4所述的一种基于相变传热技术的特斯拉阀式超薄平面热二极管，其特征在于：蒸发端和冷凝端在上壳体内的区域占比和≤60％。
6.按照权利要求1所述的一种基于相变传热技术的特斯拉阀式超薄平面热二极管，其特征在于：蒸发端和冷凝端均为点柱阵列。
7.按照权利要求6所述的一种基于相变传热技术的特斯拉阀式超薄平面热二极管，其特征在于：点柱阵列中，每两个相邻的点柱的中心距≤2mm。
8.按照权利要求6所述的一种基于相变传热技术的特斯拉阀式超薄平面热二极管，其特征在于：点柱截面为圆形或矩形。
9.按照权利要求1所述的一种基于相变传热技术的特斯拉阀式超薄平面热二极管，其特征在于：管本体内真空度为5-10Pa。
10.按照权利要求1所述的一种基于相变传热技术的特斯拉阀式超薄平面热二极管，其特征在于：液态工质为超纯水，其电阻率≥18MΩ*cm。
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