CN116336847A - 一种环路热管及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种环路热管，包括依次连接的补偿腔、蒸发器、蒸汽管路、冷凝段、液体管路，毛细芯设置在补偿腔和蒸发器之间毛细芯腔，其特征在于，所述补偿腔、蒸发器和毛细芯腔内设置微柱阵列，其中毛细芯腔内微柱阵列的分布密度要大于补偿腔和蒸发器的微柱分布密度。排布紧密的微柱阵列对于粘度较大的浆液类物质的固定能力更强，有利于解决毛细芯烧结时材料的固定问题，将材料涂抹在微柱阵列进行烧结，可以节省毛细芯的制造工序，随环路热管焊接过程一起完成，避免毛细芯在烧结后的产生的形变造成的安装困难等装配问题。

Description

一种环路热管及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种热管技术，尤其涉及一种环路热管，属于F28d15/02的热管领域。

背景技术

热管技术是1963年美国洛斯阿拉莫斯(Los Alamos)国家实验室的乔治格罗佛(George Grover)发明的一种称为“热管”的传热元件，它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金属的导热能力。

热管技术以前被广泛应用在宇航、军工等行业，自从被引入散热器制造行业，使得人们改变了传统散热器的设计思路，摆脱了单纯依靠高风量电机来获得更好散热效果的单一散热模式，采用热管技术使得散热器获得满意的换热效果，开辟了散热行业新天地。目前热管广泛的应用于各种换热设备，其中包括核电领域，例如核电的余热利用等。

环路热管(loop heat pipe，LHP)自1972年由热物理研究所科学家Maydanik发明制作以来，由于其独特的结构、优越的性能，受到了传热界人士和空间飞行器研制者的瞩目。上世纪80年代末，环路热管技术的到快速发展，环路热管逐渐成为强化换热方向的研究热点，并广泛应用于航空航天散热领域。

环形热管作为一种用途广泛的热传输装置，广泛应用于从航空航天、到地面工业等各个领域的电子设备热控制。与传统热管相比，环路热管具有一些独特的特点，如传热距离长、热阻低、抗重力运行可靠、设计灵活等，这使得环路热管特别适合长距离传热的应用。而随着电子元件的高性能化与轻薄化发展，环路热管的超薄化是必然的，但是，超薄化的同时也带来了一系列的散热问题，当热管厚度减小时，其传热性能会变差，由于蒸汽和液体流动的空间狭窄，蒸汽和液体流动产生的压降显著增大，当环路热管内部工质循环压降超过毛细芯的毛细力时，环路热管将不能工作，因此超薄环路热管对毛细芯的性能要求更高。

传统环路热管的毛细芯为了提高毛细驱动力，强化其内部的换热过程，目前公认的为金属粉末烧结多孔毛细芯具有较好的性能。金属粉末烧结毛细芯具有较小的孔径，一般可以控制在5μm以下，根据Young-Laplace方程可知，孔径越小其毛细力越大，环路热管工作过程中蒸汽越不易穿透毛细芯进入补偿腔内，环路热管能够在更高的功率下运行。

通过调研发现，目前工艺较为成熟的超薄相变换热器件，如蒸汽腔、热管等，其毛细芯一般采用内壁刻蚀沟槽一体化毛细芯或者本身具有较薄特性材料的毛细芯，比如编织丝网等。这种毛细芯结构可以使热管以及蒸汽腔的超薄化提供方便，简化制造工艺，但是由于热管及蒸汽腔的工作原理与环路热管存在较大的不同，其内部工质循环的驱动力除了毛细芯所提供的毛细力外，重力会对其产生更大的影响。刻蚀沟槽或者丝网等毛细芯由于其较大的孔径参数，其毛细驱动力较小，不能满足超薄环路热管内的使用，除此之外，环路热管厚度的减小，对超薄环路热管的毛细芯性能提出了更高的要求。因此在设计制造超薄环路热管的过程中，仍然需要考虑使用烧结金属粉末毛细芯。

经过调研发现，目前大多超薄环路热管厚度在1～2mm以上，为了使环路热管能够向厚度更小，性能更优的方向发展。本专利提供一种具有烧结毛细芯的超薄环路热管设计制造方法，采用金属颗粒浆液、金属蚀刻板片以及扩散焊技术进行一体化加工制备，所制造的超薄环路热管厚度可以在0.4-1.0mm之间。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术或者相关技术存在的技术问题之一。本发明提出一种新式结构环路热管及其制备方法，提高环路热管的换热能力和降低环路热管的厚度。

本发明技术方案如下：一种环路热管，包括依次连接的补偿腔、蒸发器、蒸汽管路、冷凝段、液体管路，毛细芯设置在补偿腔和蒸发器之间毛细芯腔，其特征在于，所述补偿腔、蒸发器和毛细芯腔内设置微柱阵列，其中毛细芯腔内微柱阵列的分布密度要大于补偿腔和蒸发器的微柱分布密度。

优选，毛细芯腔内微柱阵列的分布密度是补偿腔和蒸发器的微柱分布密度的2-3倍。

优选，蒸发器的微柱分布密度要大于补偿腔内的微柱分布密度。

优选，环路热管包括上板和下板，上板包括上补偿腔、上蒸发器、上蒸汽管路、上冷凝段、上液体管路和上毛细芯腔，下板包括下补偿腔、下蒸发器、下蒸汽管路、下冷凝段、下液体管路和下毛细芯腔，上板的上毛细芯腔内微柱阵列的分布密度要大于上补偿腔和上蒸发器的微柱分布密度，下板的下毛细芯腔内微柱阵列的分布密度和下蒸发器的微柱分布密度相同，但是大于下补偿腔的微柱分布密度。

优选，下板的下毛细芯腔内微柱阵列的分布密度是下补偿腔的微柱分布密度2-3倍。

一种如前面所述的环路热管的制备方法，包括如下步骤：

1)环路热管上下板制造；首先需要对环路热管的上下板进行设计，并通过对上下板片刻蚀进行不同排布的微柱阵列。

2)填入毛细芯烧结材料；毛细芯烧结材料选用金属颗粒浆液，采用印刷的方式进行填料。将大量的金属浆液倒入印刷区域，然后使用刮板刮走多余的金属浆液，使填料印刷区的金属颗粒浆液填满刻蚀后的凹槽部分。

3)环路热管扩散焊制造；印刷填入金属颗粒浆液的上下板需要分别将下板和上板放入石墨模具中，放入扩散焊设备中进行焊接。焊接过程中板片的四周及圆柱阵列紧密接触并焊接到一起，金属颗粒浆液中的分散液随着温度升高逐渐蒸发，金属颗粒烧结行成块状毛细芯。

优选，，步骤1)中，超需在板片上刻蚀出蒸发器、补偿器以及流体管路，包括蒸汽管路、冷凝管路以及液体管路；补偿腔区域内保留未被蚀刻掉的稀疏排布的圆柱阵列，蒸发器区域内同时保留紧凑排布的圆柱阵列以及稀疏排列的圆柱阵列。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.毛细芯腔内微阵柱列分布密度大的原因主要用于解决毛细芯烧结时原材料的固定问题及后期上下板面焊接的对接固定问题，补偿腔内微阵柱列分布密度小一方面是控制液体回流流动阻力，保证工质循环正常进行，同时充当扰流元件增强换热效果。蒸发器内部微柱分布密度小为了控制毛细芯内部液体受热所产生的蒸汽在蒸发器上部的流动阻力，进而增大蒸汽压力，促进产生更多的蒸汽，便于环路热管启动。

2.上板的上毛细芯腔内微柱阵列的分布密度要大于上补偿腔和上蒸发器的微柱分布密度，下板的下毛细芯腔内微柱阵列的分布密度和下蒸发器的微柱分布密度相同，但是大于下补偿腔的微柱分布密度。对于蒸发器腔体，上板部分比下板部分微阵柱列密度小的原因在于下部分布置微阵柱列主要用于固定烧结毛细芯材料，密度大能起到更好的固定及加工效果，同时下部分在毛细芯的作用下毛细作用很强，可以克服微阵密度大所带来的液体内部流动阻力。下部分腔体内部液体受热产生气体会自然向上流动至空腔区域，若上部分微阵柱列密度过大，会导致气体流动阻力增大，气体聚集在吸液芯内部无法排出，从而阻塞整个吸液芯结构。

3.排布紧密的微柱阵列对于粘度较大的浆液类物质的固定能力更强，有利于解决毛细芯烧结时材料的固定问题，将材料涂抹在微柱阵列进行烧结，可以节省毛细芯的制造工序，随环路热管焊接过程一起完成，避免毛细芯在烧结后的产生的形变造成的安装困难等装配问题。

4.超薄环路热管的成型工艺可采用“扩散键合”的技术，在高温高压环境下，将两板片通过金属键的紧密结合，达到密封的效果。扩散焊成型后的超薄环路热管内部存在空腔区域，为避免在高压环境下两板片之间的腔室发生塌陷现象，在该空腔处，上下两侧板片均设计了排布稀疏的微柱阵列，两侧面微柱上下圆心对齐，顶片微柱截面积略小于底片的微柱横截面积，保证在焊接时两侧面互相支撑，防止内部空腔被压扁。

5.在超薄环路热管中采用烧结毛细芯，毛细芯直接烧结与板片之上，可以有效减少毛细芯与板片之间的传热热阻。同时，烧结毛细芯的孔径较小，可以提供较大的毛细驱动力，有效防止了蒸汽进入补偿腔造成环路热管失效，使超薄环路热管具有更广的适用范围。

附图说明

图1为背景技术中常见超薄环路热管结构示意图；

图2为本申请超薄环路热管的制作流程；

图3为本申请超薄环路热管上板示意图；

图4为本申请超薄环路热管下板示意图；

图5为超薄环路热管上板印刷毛细芯示意图；

图6为超薄环路热管下片印刷毛细芯示意图；

图7为超薄环路热管蒸发器内部截面图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行补充说明。

常见的超薄环路热管结构如图1所示，结构组成与环路热管类似，主要由补偿腔1、蒸发器2、毛细芯3、蒸汽管路4、冷凝段5、液体管路6组成。其基本工作原理为：(1)工质在蒸发器2附近热源被施加热负荷，热量被导入毛细芯3。(2)毛细芯3内的液体受热汽化，在孔隙结构中形成弯月形汽液界面，产生毛细驱动力，带动工质循环。(3)受热汽化后的蒸汽在压差的作用下单向流动汇入蒸汽管路4。(4)蒸汽沿蒸汽管路4到达冷凝段5，热量被带走相变冷凝变成过冷液体进入液体管路6。(5)冷凝液体沿液体管路6流动到达补偿腔1，蒸发器2内毛细芯3将液体补充至汽液界面继续进行蒸发换热，完成循环。

作为一个改进，图2-7展示了本申请环路热管结构及其制备示意图。本申请的环路热管，如图1、3-4所示，包括依次连接的补偿腔1、蒸发器2、蒸汽管路4、冷凝段5、液体管路6，毛细芯3设置在补偿腔和蒸发器之间毛细芯腔，所述补偿腔1、蒸发器2和毛细芯腔内设置微柱阵列，其中毛细芯腔内微柱阵列的分布密度要大于补偿腔1和蒸发器2的微柱分布密度。毛细芯腔内微阵柱列分布密度大的原因主要用于解决毛细芯烧结时原材料的固定问题及后期上下板面焊接的对接固定问题，补偿腔内微阵柱列分布密度小一方面是控制液体回流流动阻力，保证工质循环正常进行，同时充当扰流元件增强换热效果。蒸发器内部微柱分布密度小为了控制毛细芯内部液体受热所产生的蒸汽在蒸发器上部的流动阻力，进而增大蒸汽压力，促进产生更多的蒸汽，便于环路热管启动。

优选，毛细芯腔内微柱阵列的分布密度是补偿腔和蒸发器的微柱分布密度的2-3倍。此处密度分布目的在于使得毛细芯处微柱密度分布紧密，进一步降低阻力提高换热效率。

优选，蒸发器的微柱分布密度要大于补偿腔内的微柱分布密度。补偿腔主要技术效果为及时向毛细芯中补充工作液体，防止毛细芯内部液体被蒸干进而空烧，导致整个循环系统流程破坏，故补偿腔微柱分布应稀疏些进而降低液体流动阻力，使其及时向毛细芯中补充液态工质，同时若补偿腔体内部微阵柱列密度过高会导致换热强度增大，水温过高可能致使其出现沸腾产生蒸汽，致使毛细芯两侧蒸汽压差减小，影响循环。而蒸发器中微阵柱列密度分布大的技术效果为增强流体换热效果，增加毛细芯两侧流体温差，促进工质循环。

优选，如图3-4所示，环路热管包括上板和下板，上板包括上补偿腔、上蒸发器、上蒸汽管路、上冷凝段、上液体管路和上毛细芯腔，下板包括下补偿腔、下蒸发器、下蒸汽管路、下冷凝段、下液体管路和下毛细芯腔，上板的上毛细芯腔内微柱阵列的分布密度要大于上补偿腔和上蒸发器的微柱分布密度，下板的下毛细芯腔内微柱阵列的分布密度和下蒸发器的微柱分布密度相同，但是大于下补偿腔的微柱分布密度。对于蒸发器腔体，上板部分比下板部分微阵柱列密度小的原因在于下部分布置微阵柱列主要用于固定烧结毛细芯材料，密度大能起到更好的固定及加工效果，同时下部分在毛细芯的作用下毛细作用很强，可以克服微阵密度大所带来的液体内部流动阻力。下部分腔体内部液体受热产生气体会自然向上流动至空腔区域，若上部分微阵柱列密度过大，会导致气体流动阻力增大，气体聚集在吸液芯内部无法排出，从而阻塞整个吸液芯结构。(上部分微阵密度也不能过于小，过小会导致大量的蒸汽分子会积聚在上部空腔内，无法及时传送到冷凝段进行换热)

对于封装问题，上下板微柱阵列排布密度成倍数关系，故封装时仍有对应微柱相连接进而起到支撑两板的作用，对封装效果不产生影响。

优选，下板的下毛细芯腔内微柱阵列的分布密度是下补偿腔的微柱分布密度2-3倍。此处密度分布目的在于使得毛细芯处微柱密度分布紧密，进一步降低阻力提高换热效率。

相对于传统环路热管的制作，超薄环路热管可以采用扩散键合焊接的技术，所设计超薄环路热管的制作流程如图2所示。将需要焊接的板片放入相应的模具中，通过高温高压使两个薄金属板片之间的金属键紧密结合，从而达到密封的效果。而对于重要的蒸发器毛细芯部分，可以在扩散焊接之前，对薄板片向深刻蚀凹槽，通过向凹槽内填充涂抹颗粒材料用于毛细芯的烧结，并且使烧结毛细芯过程以及环路热管扩散焊接过程同时进行，简化了制造步骤。

本发明的环路热管采用如下步骤制造：

1、超薄环路热管上下板制造。首先需要对环路热管的上下板进行设计，并通过对上下板片刻蚀进行不同排布的微柱阵列。超薄环路热管的上板如图3所示，需在板片上刻蚀出蒸发器2、补偿器1以及流体管路，包括蒸汽管路4、冷凝管路5以及液体管路6。补偿腔1区域内保留未被蚀刻掉的稀疏排布的圆柱阵列11，蒸发器2区域内同时保留紧凑排布的圆柱阵列12以及稀疏排列的圆柱阵列13。超薄环路热管的下板如图4所示，与上版结构基本相同，以方便在后续的扩散焊接过程中形成良好的接触，达到较好的焊接密封效果，如流体管路包括蒸汽管路4、冷凝管路5以及液体管路6的长度宽度相同，上下板补偿腔1区域内圆柱阵列11和21的排布以及圆柱直径相同。不同的是，下板的蒸发器2区域内全部为紧密排布的圆柱阵列22，排布方式与上板圆柱阵列12相同。

2、填入毛细芯烧结材料。毛细芯烧结材料选用金属颗粒浆液，球状金属颗粒的直径在5μm左右，采用印刷的方式进行填料。将大量的金属浆液倒入印刷区域，然后使用刮板刮走多余的金属浆液，使填料印刷区的金属颗粒浆液填满刻蚀后的凹槽部分。上板的印刷部分如图5所示，上板内的金属颗粒浆料印刷填充部分为蒸发器2内的紧密排布圆柱阵列12区域内。下板的印刷填充区域如图6所示，与上板形式相同，填充区域为蒸发器2内的紧密排布圆柱阵列22区域。由于金属颗粒浆液的粘度较大，因此可以有效的填充并固定于紧密排列的圆柱阵列12以及22的柱与柱的间隙中，同时对于未填充金属颗粒浆液部分，其具有稀疏的圆柱阵列结构，方便清除内部误入的金属颗粒浆液。

3、环路热管扩散焊制造。印刷填入金属颗粒浆液的上下板需要分别将下板和上板放入石墨模具中，放入扩散焊设备中进行焊接。焊接过程中板片的四周及圆柱阵列紧密接触并焊接到一起，金属颗粒浆液中的分散液随着温度升高逐渐蒸发，金属颗粒烧结行成块状毛细芯3。蒸发器内部截面图如图所示，补偿腔1内的上板圆柱阵列11和下板圆柱阵列21通过扩散焊结合，在补偿腔1内形成支撑柱，防止由于上下板片过薄造成腔体的塌陷，同样蒸发器2内上板中未填充金属颗粒浆液的稀疏圆柱阵列13与下板毛细芯3部分结合形成支撑柱，防止蒸发器3发生塌陷。将焊接以及毛细芯烧结完成后的环路热管进行抽真空充液过程，超薄环路热管制造完成。

所述环路热管的制造方法中，超薄体现在步骤(3)，所使用的板片焊接技术为扩散焊，该技术效果使得两待焊表面接触距离达到1μm，通过原子间的引力起作用并形成金属键进而连接两板件，环路热管的整体厚度取决于两板面的厚度，所述环路热管整体厚度可达0.4-1mm。通过扩散焊能保证焊接接头牢固，低加热温度也能保证原材料的低塑变及高精度。

4、所设计环路热管工作过程如下，与传统平板环路热管相似，蒸发器2下板处受热，内部毛细芯3温度升高，其孔隙内液体工质相变进入上板未填充金属颗粒浆液的稀疏圆柱阵列13中，由于上下板均填充了金属浆液颗粒的紧密排列圆柱阵列区域12、22通过烧结形成填满腔体的毛细芯3区域，因此蒸汽不能通过该区域进入补偿腔1中。随着蒸发器2内蒸汽的逐渐增多，汇聚于蒸汽管路4内，并流动至冷凝管路5冷凝至液态工质，通过液体管路6回到补偿腔1中。毛细芯3通过毛细驱动力将回流至补偿腔1的冷凝液体工质补充至产生相变的毛细芯汽液界面处，超薄环路热管工作循环完成。

设计理念及创新点：

1.排布紧密的微柱阵列对于粘度较大的浆液类物质的固定能力更强，有利于解决毛细芯烧结时材料的固定问题，将材料涂抹在微柱阵列进行烧结，可以节省毛细芯的制造工序，随环路热管焊接过程一起完成，避免毛细芯在烧结后的产生的形变造成的安装困难等装配问题。

2.超薄环路热管的成型工艺可采用“扩散键合”的技术，在高温高压环境下，将两板片通过金属键的紧密结合，达到密封的效果。扩散焊成型后的超薄环路热管内部存在空腔区域，为避免在高压环境下两板片之间的腔室发生塌陷现象，在该空腔处，上下两侧板片均设计了排布稀疏的微柱阵列，两侧面微柱上下圆心对齐，顶片微柱截面积略小于底片的微柱横截面积，保证在焊接时两侧面互相支撑，防止内部空腔被压扁。

3.在超薄环路热管中采用烧结毛细芯，毛细芯直接烧结与板片之上，可以有效减少毛细芯与板片之间的传热热阻。同时，烧结毛细芯的孔径较小，可以提供较大的毛细驱动力，有效防止了蒸汽进入补偿腔造成环路热管失效，使超薄环路热管具有更广的适用范围。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种环路热管，包括依次连接的补偿腔、蒸发器、蒸汽管路、冷凝段、液体管路，毛细芯设置在补偿腔和蒸发器之间毛细芯腔，其特征在于，所述补偿腔、蒸发器和毛细芯腔内设置微柱阵列，其中毛细芯腔内微柱阵列的分布密度要大于补偿腔和蒸发器的微柱分布密度。

2.如权利要求1所述的环路热管，其特征在于，毛细芯腔内微柱阵列的分布密度是补偿腔和蒸发器的微柱分布密度的2-3倍。

3.如权利要求1所述的环路热管，其特征在于，蒸发器的微柱分布密度要大于补偿腔内的微柱分布密度。

4.如权利要求1所述的环路热管，其特征在于，环路热管包括上板和下板，上板包括上补偿腔、上蒸发器、上蒸汽管路、上冷凝段、上液体管路和上毛细芯腔，下板包括下补偿腔、下蒸发器、下蒸汽管路、下冷凝段、下液体管路和下毛细芯腔，上板的上毛细芯腔内微柱阵列的分布密度要大于上补偿腔和上蒸发器的微柱分布密度，下板的下毛细芯腔内微柱阵列的分布密度和下蒸发器的微柱分布密度相同，但是大于下补偿腔的微柱分布密度。

5.如权利要求4所述的环路热管，其特征在于，下板的下毛细芯腔内微柱阵列的分布密度是下补偿腔的微柱分布密度2-3倍。

6.一种如权利要求1-5之一所述的环路热管的制备方法，包括如下步骤：

1)环路热管上下板制造；首先需要对环路热管的上下板进行设计，并通过对上下板片刻蚀进行不同排布的微柱阵列。

2)填入毛细芯烧结材料；毛细芯烧结材料选用金属颗粒浆液，采用印刷的方式进行填料。将大量的金属浆液倒入印刷区域，然后使用刮板刮走多余的金属浆液，使填料印刷区的金属颗粒浆液填满刻蚀后的凹槽部分。

3)环路热管扩散焊制造；印刷填入金属颗粒浆液的上下板需要分别将下板和上板放入石墨模具中，放入扩散焊设备中进行焊接。焊接过程中板片的四周及圆柱阵列紧密接触并焊接到一起，金属颗粒浆液中的分散液随着温度升高逐渐蒸发，金属颗粒烧结行成块状毛细芯。

7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中，超需在板片上刻蚀出蒸发器、补偿器以及流体管路，包括蒸汽管路、冷凝管路以及液体管路；补偿腔区域内保留未被蚀刻掉的稀疏排布的圆柱阵列，蒸发器区域内同时保留紧凑排布的圆柱阵列以及稀疏排列的圆柱阵列。

Images