CN115046415A - 一种双环结构气体单向流反重力平板热管及其加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种双环结构气体单向流反重力平板热管及其加工方法，涉及单向热管技术领域，包括上盖板和下盖板，所述上盖板与所述下盖板之间通过保持架连接，所述上盖板和/或所述下盖板的相对面开设有若干连续双环结构沟槽，所述保持架内设有连续多孔介质结构。本发明通过若干连续双环结构沟槽，使气态工质由蒸发端流向冷凝端的阻力远小于由冷凝端流向蒸发端的阻力，所以气态工质能够向冷凝端单向导流；同时造成冷凝端较蒸发端有更多的液态工质，所以液态工质更容易通过连续多孔介质结构流向蒸发端吸热，进而不受重力影响即可实现整个热管的单向导热。
Description
技术领域
本发明涉及单向热管技术领域，尤其是涉及一种双环结构气体单向流反重力平板热管及其加工方法。
背景技术
热管作为一种高效的传热元件被广泛用于电子产品的散热领域。常见的热管均是双向传导热量的，即热量由高温传向低温，但当电子产品处于某些特定场景，会出现外界环境比电子器件的温度高，这时热量就从热管的散热段传递到蒸发段(即热量由外界传递到电子器件)，使得电子器件温度急剧上升，导致损坏。
热二极管是只允许热量向一个方向传递，而不允许向相反方向传递的热管。传统的热二极管主要是靠重力作用，使冷凝的液滴回流到蒸发段，因此这类的热管均是固定竖直放置的，这种放置方式使冷凝段必须位于蒸发段上方(即散热器位于电子器件上方)。而在水平或者其它方向(即没有重力作用时)实现单向传热的效果较差甚至没有。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双环结构气体单向流反重力平板热管及其加工方法，能够使热管无需重力协助即可实现单向导热；
本发明提供一种双环结构气体单向流反重力平板热管，包括上盖板和下盖板，所述上盖板与所述下盖板之间通过保持架连接，所述上盖板和/或所述下盖板的相对面开设有若干连续双环结构沟槽，所述保持架内设有连续多孔介质结构。
进一步地，所述连续双环结构沟槽包括若干首尾相接的双环结构沟槽，所述双环结构沟槽包括主通道以及两侧通道，所述两侧通道与所述主通道分别连通。
进一步地，所述主通道上位于入口一端设有单向结构。
进一步地，所述连续多孔介质结构为烧结层，所述烧结层设于所述保持架的内壁四周。
进一步地，所述上盖板相对于所述下盖板的一面设有凸台，所述保持架上设有用于容纳所述凸台的固定孔。
进一步地，所述固定孔的内壁四周与所述凸台外壁四周之间有用于容纳所述连续多孔介质结构的容置空间。
进一步地，所述凸台和所述下盖板上分别开设有所述连续双环结构沟槽，且所述连续双环结构沟槽紧密抵接组成气态工质通道。
进一步地，所述上盖板和所述下盖板均为铜质。
本发明还提供一种双环结构气体单向流反重力平板热管的加工方法，包括如下步骤：S1，制作上盖板、下盖板和保持架；S2，在上盖板和下盖板上分别铣出若干连续双环结构沟槽；S3，在保持架上加工烧结层；S4，通过保持架密封连接上盖板和下盖板；S5，保持架上设置充液管，通过充液管向热管内部注入液体工质，并对热管内部抽真空处理；S6，充液管冲压闭合，并焊接密封处理；S7，单向传热测试。
进一步地，步骤S3中，通过烧结模具加工烧结层，烧结模具包括底板，底板上设有用于嵌入固定孔的凸起部。
本发明的技术方案通过若干连续双环结构沟槽，使气态工质由蒸发端流向冷凝端的阻力远小于由冷凝端流向蒸发端的阻力，所以气态工质能够向冷凝端单向导流；同时造成冷凝端较蒸发端有更多的液态工质，所以液态工质更容易通过连续多孔介质结构流向蒸发端吸热，进而不受重力影响即可实现整个热管的单向导热。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的展开状态示意图；
图2为本发明的使用状态示意图；
图3为本发明图2的爆炸视图；
图4为本发明图2的剖面视图；
图5为本发明的连续双环结构沟槽示意图；
图6为本发明的双环结构沟槽示意图；
图7为本发明的烧结模具结构示意图；
图8为本发明的保持架烧结前示意图；
图9为本发明的保持架烧结后示意图；
附图标记说明：
1-上盖板、101-凸台、2-下盖板、3-保持架、301-固定孔、302-容置空间、4-连续双环结构沟槽、5-双环结构沟槽、501-主通道、502-两侧通道、503-单向结构、6-连续多孔介质结构、7-充液管、8-烧结模具、801-底板、802-凸起部、803-定位柱、空穴-9；
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
如图1-图6所示，本发明提供一种双环结构气体单向流反重力平板热管，包括上盖板1和下盖板2，上盖板1与下盖板2之间通过保持架3连接，上盖板1和/或下盖板2的相对面开设有若干连续双环结构沟槽4，保持架3内设有连续多孔介质结构6。
具体的，上盖板1和下盖板2之间通过保持架3密封扣合连接，连续双环结构沟槽4沿上盖板1和/或下盖板2的长度方向设置，连续双环结构沟槽4的起始端为热管蒸发段(与电气/发热器件)连接，连续双环结构沟槽4的结束端为热管冷凝段(与散热器件)连接。连续多孔介质结构6设与连续双环结构沟槽4的两侧，即整个热管内部中间为气道，两侧为液道。
在实际应用中，冷凝段与散热元件相接触，如电脑的散热风扇。中间一段为绝热段，这段从理论上没有温度变化。蒸发段与发热元件相接触，如与电脑CPU接触。
以下为气态工质在热管内的流动过程：在正常工作时，蒸发段的温度比冷凝段的温度高。当热管正常工作时，蒸发段中的液态工质吸热(吸收发热元件的热量)相变成气态工质，气态工质通过中间的连续双环结构沟槽4(气道)流向冷凝段，流动方向如图6(以下称正向流动)。
以下为液态工质在热管内的流动过程：由于相变原因，蒸发段的液态工质较少，冷凝段液态工质较多，因此蒸发段的连续多孔介质结构6(液道)较“干”，冷凝段的连续多孔介质结构6较“湿”，使连续多孔介质结构6具有毛细压力，把冷凝段的液体运输到蒸发段(如同纸巾或海绵吸水的功能，液体会通过多孔结构流向较干的一端)。
以下为液态工质与气态工质循环相变流动过程：蒸发段的温度较高，液态工质吸热蒸发相变成气态工质流向冷凝段；冷凝段的温度较低，气态工质放热相变成液态工质。如此循环往复。在蒸发吸热与冷凝放热的过程中，就把蒸发段的热量传输到冷凝段，从而具有传热的效果。
如图5和图6所示，由于连续双环结构沟槽4的特殊结构，所以气态工质反向流动阻力远大于正向流动阻力，导致气态工质处于单向流动状态，由此造成冷凝端较蒸发端有更多的液态工质(冷凝端更“湿”)，所以液态工质更容易通过连续多孔介质结构6流向蒸发端吸热，这个过程无需重力协助，完全通过热管结构实现单向导热功能。
实施例2
本实施例2具体叙述连续双环结构沟槽4。
如图5和图6所示，连续双环结构沟槽4包括若干首尾相接的双环结构沟槽5，双环结构沟槽5包括主通道501以及两侧通道502，两侧通道502与主通道501分别连通。主通道501上位于入口一端设有单向结构503。
具体的，如图6所示，双环结构沟槽5的工作原理如下：在不同的方向上，流体会流经不同的通道，这称为整流功能。至于原因，这种现象可以用流体的惯性和涡旋的能量耗散来解释。一方面，当流体流经管的分岔部分时，由于惯性，它将主要沿着原始方向流动。另一方面，分岔部分有几个锋利的边缘。它们将有助于形成亥姆霍兹不连续性并产生涡旋，不断消耗流体的动能并因此减慢流动速度。双环结构沟槽5提供了整流功能。它可以实现流体沿着不同的流路从不同方向流动，这在将流动转移到特定通道中起到作用，所以在热管中，由于气态工质流速极快，所以对气态工质反向流动的阻力效果极大。
单向结构503的前端为尖端，尾端为两个内凹弧形组成，前端朝向冷凝段将主通道501内正向流动的气态工质向两侧通道502分流，该过程对气态工质流动的阻力较小；但当气态工质反向流动至单向结构503时，由于其受到两个内凹弧形的阻挡，就会向正向流动方向折返，从而产生较大阻力。
所以气态工质的流动过程中，反向流动阻力远大于正向流动阻力，气态工质反向流动回到冷凝段的效率极低。在该过程中可能因为漏气等原因使得少量气态工质流通到冷凝段，但气态工质较少传热效率也很低。因此基本上只有微乎其微的热量反向从蒸发段传送到冷凝段。这就使得热二极管反方向传热效果远远不及正向传热的效果，可以起到保护电子产品的作用。图5中双环结构沟槽5作了相应放大处理，实际数量和列数较多。
实施例3
本实施例3具体叙述连续多孔介质结构6。
如图1、图7-图9所示，连续多孔介质结构6为铜粉烧结层，铜粉烧结层设于保持架3的内壁四周。上盖板1相对于下盖板2的一面设有凸台101，保持架3上设有用于容纳凸台101的固定孔301。固定孔301的内壁四周与凸台101外壁四周之间有用于容纳连续多孔介质结构6的容置空间302。凸台101和下盖板2上分别开设有连续双环结构沟槽4，且连续双环结构沟槽4紧密抵接组成气态工质通道。上盖板1和下盖板2均为铜质。
具体的，上盖板1中凸台101的作用是阻止气态工质在其他位置从蒸发段流向冷凝段(方便与下盖板2密封抵接形成封闭气道，避免气态工质在流动的过程中从气道进入液道，只在热管两端相变进入液道和气道)，强迫使气态工质必须完全流过连续双环结构沟槽4形成的气道，否则气态工质就会失去流动的单向性，从而导致热管失去单向导热的功能。在工作过程中液态工质与气态工质分别单向且反向流动。在热管工作过程中，气态工质从蒸发段流向冷凝段，在冷凝段冷凝液化成为液态工质，并且在冷凝段的空穴9被两端的铜粉烧结层吸收，顺着两侧壁的铜粉烧结层从冷凝段往蒸发段流动，在蒸发段蒸发后又由空穴9进入连续双环结构沟槽4。固定孔301用于固定上盖板1与保持架3之间的位置，容置空间302用于容纳铜粉烧结层。热管整体采用铜材料的原因是由于在金属材料中，铜的导热系数较大。采取其他金属则得不到铜的优良导热效果，从而影响热管的整体导热速度。而如果采取比铜导热系数更大的金属，例如银，则会导致造价过高，成本过于昂贵的问题。因此此处采用铜材料。
实施例4
本实施例4具体叙述热管的加工方法。
本发明还提供一种双环结构气体单向流反重力平板热管的加工方法，包括如下步骤：
S1、用铜块机械切削加工出顶铜板、烧结模具8、底铜板以及保持铜架，并在相应位置加工定位孔及注液孔。
S2、用铣刀在底铜板上加工出连续双环结构沟槽4。
S3、把保持架3套在烧结模具8上，通过烧结模具8上的凸台101确定保持架3的位置，在保持架3与烧结模具8之间的间隙铺满铜粉，并通过高温烧结。烧结完成后在保持架3的四侧内壁加工有铜粉烧结层。
S4、使带有烧结层的保持架3处于中间位置，上下面通过分别安装上铜盖板以及下铜盖板，三者通过定位孔定位并安装，在保持架3的管孔位置插入充液管7，零件之间通过耐高温胶粘在一起，必要时可以通过焊接加固，同时要保证上铜盖板凸台101与下铜盖板之间没有缝隙。
S5、通过充液管7，对热管内部注入液体工质，然后对热管内部进行抽真空处理，使得内部气压降低，使液体工质更容易气化。充液管7是一根铜管，贯穿设于保持架3一端并插入热管内部，在热管加工时，可以通过充液管7向热管内部注入液态工质，并且抽真空装置可以通过充液管7对热管内部进行抽真空处理(目的是为了减小热管内部压力，使液态工质沸点降低，更容易蒸发成蒸汽，使得热管可以在温度较低的情况下正常工作)。完成抽真空处理后可以通过冲压，使充液管7发生形变，从而形成密封口，再点焊处理密封，使热管内部处于密封状态。
S6、完成抽真空处理后，对充液管7口进行冲压使其发生形变，再通过对管口进行焊接密封处理。
S7、对该热管进行单向传热测试，确保更够正常使用。
实施例5
本实施例5具体叙述烧结层的加工方法。
如图7-图9所示，步骤S3中，通过烧结模具8加工铜粉烧结层，烧结模具8包括底板801，底板801上设有用于嵌入固定孔301的凸起部802。
具体的，烧结模具8材质为不锈钢，保持架3的材质为铜。烧结模具8上有几个定位柱803可以约束保持架3，烧结模具8凸起部802插入固定孔301后与固定孔301形成一圈环形槽，即为容置空间302，把铜粉倒进容置空间302中并铺满，然后把整个装置送到高温炉中加热。由于铜粉在高温条件下容易融化，并与同种材料的保持架3粘连在一起，最终形成具有多孔结构的烧结层。由于烧结模具8并不是铜材料，因此在烧结完成冷却后，带烧结层的保持架3可以从烧结模具8中脱落。烧结模具8可以重复使用。
本发明的具体原理：
在实际应用中，冷凝段与散热元件相接触，如电脑的散热风扇。中间一段为绝热段，这段从理论上没有温度变化。蒸发段与发热元件相接触，如与电脑CPU接触。
①以下为气态工质在热管内的流动过程：在正常工作时，蒸发段的温度比冷凝段的温度高。当热管正常工作时，蒸发段中的液态工质吸热(吸收发热元件的热量)相变成气态工质，气态工质通过中间的连续双环结构沟槽4(气道)流向冷凝段，流动方向如图6中微结构凹槽的方向。
②以下为液态工质在热管内的流动过程：由于相变原因，蒸发段的液态工质较少，冷凝段液态工质较多，因此蒸发段的连续多孔介质结构6(液道)较“干”，冷凝段的连续多孔介质结构6较“湿”，使连续多孔介质结构6具有毛细压力，把冷凝段的液体运输到蒸发段(如同纸巾或海绵吸水的功能，液体会通过多孔结构流向较干的一端)。
③以下为液态工质与气态工质循环相变流动过程：蒸发段的温度较高，液态工质吸热蒸发相变成气态工质流向冷凝段；冷凝段的温度较低，气态工质放热相变成液态工质。如此循环往复。在蒸发吸热与冷凝放热的过程中，就把蒸发段的热量传输到冷凝段，从而具有传热的效果。
如图5和图6所示，由于连续双环结构沟槽4的特殊结构，所以气态工质反向流动阻力远大于正向流动阻力，导致气态工质处于单向流动状态，由此造成冷凝端较蒸发端有更多的液态工质(冷凝端更“湿”)，所以液态工质更容易通过连续多孔介质结构6流向蒸发端吸热，这个过程无需重力协助，完全通过热管结构实现单向导热功能。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种双环结构气体单向流反重力平板热管，其特征在于，包括上盖板和下盖板，所述上盖板与所述下盖板之间通过保持架连接，所述上盖板和/或所述下盖板的相对面开设有若干连续双环结构沟槽，所述保持架内设有连续多孔介质结构。
2.根据权利要求1所述的双环结构气体单向流反重力平板热管，其特征在于，所述连续双环结构沟槽包括若干首尾相接的双环结构沟槽，所述双环结构沟槽包括主通道以及两侧通道，所述两侧通道与所述主通道分别连通。
3.根据权利要求2所述的双环结构气体单向流反重力平板热管，其特征在于，所述主通道上位于入口一端设有单向结构。
4.根据权利要求1所述的双环结构气体单向流反重力平板热管，其特征在于，所述连续多孔介质结构为烧结层，所述烧结层设于所述保持架的内壁四周。
5.根据权利要求1所述的双环结构气体单向流反重力平板热管，其特征在于，所述上盖板相对于所述下盖板的一面设有凸台，所述保持架上设有用于容纳所述凸台的固定孔。
6.根据权利要求5所述的双环结构气体单向流反重力平板热管，其特征在于，所述固定孔的内壁四周与所述凸台外壁四周之间有用于容纳所述连续多孔介质结构的容置空间。
7.根据权利要求6所述的双环结构气体单向流反重力平板热管，其特征在于，所述凸台和所述下盖板上分别开设有所述连续双环结构沟槽，且所述连续双环结构沟槽紧密抵接组成气态工质通道。
8.根据权利要求1所述的双环结构气体单向流反重力平板热管，其特征在于，所述上盖板、所述下盖板和所述保持架均为铜质。
9.一种双环结构气体单向流反重力平板热管的加工方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，制作上盖板、下盖板和保持架；
S2，在上盖板和下盖板上分别铣出若干连续双环结构沟槽；
S3，在保持架上加工烧结层；
S4，通过保持架密封连接上盖板和下盖板；
S5，保持架上设置充液管，通过充液管向热管内部注入液体工质，并对热管内部抽真空处理；
S6，充液管冲压闭合，并焊接密封处理；
S7，单向传热测试。
10.根据权利要求9所述的双环结构气体单向流反重力平板热管的加工方法，其特征在于，步骤S3中，通过烧结模具加工烧结层，烧结模具包括底板，底板上设有用于嵌入固定孔的凸起部。
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