CN1328568C - 热管及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热管及其制备方法。本发明所提供的热管包括管壳、紧贴管壳内壁的毛细吸液芯以及充满毛细吸液芯并密封于管壳内的工作流体，其中该管壳表面通过腐蚀形成多个有序排列的微小凹陷，以增加管壳表面积，提高热管导热能力及确保导热均匀。本发明所提供的热管导热效率高，适合应用于电子器件的散热装置中。本发明还提供制备该热管的方法。

Description

热管及其制备方法

【技术领域】

本发明涉及一种导热结构，特别涉及一种热管及其制备方法。

【背景技术】

热管是依靠自身内部工作流体相变实现导热的导热元件，其具有高导热性、优良等温性等优良特性，导热效果好，应用广泛。

近年来电子技术迅速发展，电子器件的高频、高速以及集成电路的密集及微型化，使得单位容积电子器件发热量剧增，热管技术以其高效、紧凑以及灵活可靠等特点，适合解决目前电子器件因性能提升所衍生的散热问题。

如图1所示，典型热管10由管壳11、吸液芯12(毛细结构)以及密封在管内的工作流体13组成。热管10的制作通常先将管内抽成真空后充以适当工作流体13，使紧贴管管壳11内壁的吸液芯12中充满工作流体13后加以密封。热管10的一端为蒸发段101(加热段)，另一端为冷凝段102(冷却段)，根据应用需要可在蒸发段101与冷凝段102之间布置绝热段。当热管10蒸发段101受热时吸液芯12中工作流体13蒸发气化形成蒸气14，蒸气14在微小压力差作用下流向热管10的冷凝段102，凝结成工作流体13并放出热量15，工作流体13再靠毛细作用沿吸液芯12流回蒸发段101。如此循环，热量15由热管10的蒸发段101不断地传至冷凝段102，并被冷凝段102一端的冷源吸收。

热管10在实现导热过程中，包含以下六个相互关联的主要过程：

(1)热量15从热源通过热管管壳11和充满工作流体13的吸液芯12传递给工作流体13；

(2)工作液体13在蒸发段101内液-气分接口上蒸发；

(3)蒸气14从蒸发段101流到冷凝段102；

(4)蒸气14在冷凝段102内气-液分接口上凝结；

(5)热量15从气-液分接口通过吸液芯12、工作液体13及管壳11传给冷源；

(6)在吸液芯12内由于毛细作用使冷凝后工作流体13回流到蒸发段101。

从上述六个过程看出，管壳11在过程(1)和过程(5)中具有重要导热作用。

现有技术中热管管壳通常径向截面为方形、圆形、三角形等形状，表面光滑，材质为铜、铝、钢、碳钢、不锈钢、铁、镍、钛或其合金。上述金属或合金均具有较高导热能力，但是，表面光滑不利于热量对流、辐射和传导，从而不利于热管导热效率提升。

【发明内容】

本发明要解决的技术问题是现有技术中热管管壳表面光滑，不利于热管导热效率提升。

本发明第一目的在于提供一种管壳表面具有多个微小凹陷、导热能力增强且确保导热均匀的热管。

本发明第二目的在于提供一种管壳表面具有多个有序排列的微小凹陷的热管制备方法。

本发明所提供的热管包括一中空管壳、紧贴管壳内壁的毛细吸液芯以及充满毛细吸液芯并密封在管壳内的工作流体，其中管壳外表面上具有多个有序排列的微小凹陷。

本发明所提供的热管制备方法包括下列步骤：提供一中空管；在中空管表面形成多个有序排列的微小凹陷；在中空管内壁形成一毛细结构作为吸液芯；将中空管一端封口，并将管内抽成真空；往管内灌入适量液体作为工作流体；及将中空管另一端封口，工作流体密封在管内。

与现有技术相比，本发明所提供的热管具有以下优点：热管管壳表面通过腐蚀形成多个微小凹陷，使得管壳表面粗糙，表面积增大，有利于热量辐射、对流和传导，从而提高热管导热效率；另，多个微小凹陷有序排列，排布均匀，从而有利于热管导热均匀。

【附图说明】

图1是现有技术热管工作原理示意图。

图2是本发明第一实施方式热管径向截面示意图。

图3是本发明第一实施方式热管表面放大示意图。

图4是本发明第二实施方式热管径向截面示意图。

图5是本发明第二实施方式热管表面放大示意图。

图6是本发明第三实施方式热管径向截面示意图。

图7是本发明第三实施方式热管表面放大示意图。

图8是本发明热管制备方法流程图。

【具体实施方式】

下面结合图式来说明本发明所提供的热管第一实施方式：

如图2和图3所示，本发明所提供的热管20包括管壳21、毛细结构吸液芯22以及工作流体(图未示)，该管壳21表面具有多个有序排列的微小凹陷23，该微小凹陷23直径小于100微米，优选为小于1微米；微小凹陷23深度小于管壳21壁厚的1/10，优选小于10微米。

管壳21一般为铜管，也可根据不同需要采用不同材料，如铝、钢、碳钢、不锈钢、铁、镍、钛等及其合金。管壳21径向截面可以为标准圆形，也可以为异型，如椭圆形、方形、三角形等。管径为2毫米～200毫米，管长可从几毫米至数十米。

本实施方式采用圆形铜管，管径为4毫米，长50毫米，铜管外表面形成有多个有序排列的微小凹陷。

吸液芯22可以为丝网型、沟槽型或烧结型。

丝网型吸液芯比较容易制作，在市场购置定型网目数的丝网，其材料一般为铜、不锈钢、铁丝网，可根据热管工作流体的兼容性来选定。丝网买来后经过清洗及必要的处理后卷制成所需要的形状插入热管。吸液芯紧贴管壳内壁非常重要，特别在蒸发段，如果出现吸液芯贴合管壳内壁不均匀，将出现局部过热。

沟槽型吸液芯为轴向沟槽或环向沟槽形式。轴向沟槽通过挤压和拉削而成；环向沟槽一般为加工方便而刻成螺纹型。

烧结型吸液芯孔隙率一般为40～50％，是将大量填充用金属粉末粒子烧结而成。适当选择金属粉末粒子粒度，烧结后可得到不同空隙尺寸的吸液芯。烧结温度一般比烧结材料溶点低100～200℃。

本实施方式采用铜粉末烧结吸液芯。

热管可采用纯水、氨水、甲醇、丙酮或庚烷等液体作为工作流体，也可在液体中添加导热材料之微粒，如铜粉等，以增加其导热性能。本实施方式采用纯水作为工作流体。

如图8所示，本发明所提供的热管20的制备方法包括下列步骤：

步骤1，提供一中空管；该中空管用作热管管壳，其包括铜管、铝管、钢管、不锈钢管、铁管、镍管、钛管或其合金管等；该中空管径向截面可以为标准圆形，也可以为异型，如椭圆形、方形、三角形等；管径为2毫米～200毫米，管长可从几毫米至数十米。本实施方式所提供的中空管为圆形铜管。

步骤2，采用网版印刷法在中空管外表面形成多个有序排列的微小凹陷。网版印刷法首先采用激光加工方法制版，形成间距极小的阵列状网版筛孔，其中筛孔直径小于100微米，优选为小于1微米；然后以氯化亚铁溶液作为印刷液，将网版筛孔翻印于铜管外表面；再经过适当的反应时间，氯化亚铁印刷液腐蚀铜管，使其外表面形成多个有序排列的微小凹陷，其中反应时间根据印刷液腐蚀能力及微小凹陷所需深度决定，印刷液腐蚀能力强，所需反应时间越短，本发明需确保微小凹陷深度小于管壳壁厚的1/10，优选微小凹陷深度小于10微米，故反应时间不宜过长。

步骤3，清洗中空管，去除印刷液。

步骤4，在中空管内壁形成一毛细结构作为吸液芯；本实施方式采用烧结方法形成吸液芯，烧结的大致方法为：在铜管中央插入一根芯棒(可用不锈钢芯棒)，芯棒粗细决定将来蒸汽腔内径大小，然后在芯棒和管壁所形成的环型空间中填入待烧结的金属铜粉末，将芯棒用支架固定后送入加热炉，在氢气保护下烧结约半小时，烧结温度为810℃～880℃。将管子从炉中取出，待冷却后抽出芯棒，并再次放入炉中烧结约一小时，即可在管壳内壁得到一烧结层，该烧结层具有毛细结构，可作为热管吸液芯。

步骤5，将中空管一端封口，并将管内抽成真空。

步骤6，往管内灌入适量液体作为工作流体；该液体包括纯水、氨水、甲醇、丙酮或庚烷等，本实施方式采用纯水作为工作流体。

步骤7，将中空管另一端封口，工作流体密封于管内，从而形成如图2及图3所示的热管21。

可选择地，在中空管成型前，采用网版印刷法在管材表面形成多个有序排列的微小凹陷，再将管材成型，使具有多个有序排列的微小凹陷的表面形成中空管的外表面，从而形成外表面具有多个有序排列的微小凹陷的中空管，再进行步骤4至步骤7，即形成一管壳外表面具有多个有序排列的微小凹陷的热管。

可以理解的是，通过上述方式，还可形成内表面或内外表面均具有多个有序排列的微小凹陷的中空管，再进行步骤4至步骤7，即形成一管壳内壁表面或内外壁表面均具有多个有序排列的微小凹陷的热管。

如图4及图5所示，本发明第二实施方式所提供的热管30包括管壳31、紧贴管壳31内壁的毛细吸液芯32，以及充满毛细吸液芯32并密封于管壳31内的工作流体(图未示)，其中管壳31为方形铝管，其表面具有多个有序排列的微小凹陷33。毛细吸液芯32为沟槽型吸液芯，其轴向沟槽通过挤压和拉削形成于管壳内壁。工作流体为庚烷。

该热管30的制备方法与热管20的制备方法基本相同，其不同之处在于其中步骤2采用的印刷液为磷酸溶液以及步骤4中通过挤压和拉削于管壳内壁形成沟槽型毛细吸液芯。

如图6及图7所示，本发明第三实施方式所提供的热管40包括管壳41、紧贴管壳41内壁的毛细吸液芯42，以及充满毛细吸液芯42并密封于管壳41内的工作流体(图未示)，其中管壳41为三角形不锈钢管，其表面具有多个有序排列的微小凹陷43。毛细吸液芯42为一铁丝网，该铁丝网弹性良好，塞入管壳41内之后能紧贴管壳41内壁。工作流体为丙酮。

该热管40的制备方法与热管20的制备方法基本相同，其不同之处在于其中步骤2采用的印刷液为氯水以及步骤4采用填充金属丝网的方法而形成毛细吸液芯。

除典型热管之外，还有重力热管(即两相闭式热虹吸管，工作时蒸发段置于冷凝段下方)、旋转热管以及分离式热管等，上述热管中无毛细结构的吸液芯，工作时工作流体冷凝后依靠重力或离心力回流。该特殊热管管壳材质与普通热管无本质区别，因此特殊热管管壳表面也可形成多个有序排列的微小凹陷，以增加管壳表面积，提高热管导热效率。

由于热管管壳表面通过腐蚀形成多个微小凹陷，使得管壳表面粗糙，表面积增大，有利于热量辐射、对流和传导，从而热管导热效率提高；另外，微小凹陷有序排列，排布均匀，使热管管壳导热均匀。

Claims (15)

1.一种热管，其包括

一管壳；

一紧贴管壳内壁的毛细吸液芯；及

密封在管壳内的工作流体；

其特征在于管壳表面具有多个有序排列的微小凹陷。

2.如权利要求1所述的热管，其特征在于该微小凹陷直径小于100微米。

3.如权利要求2所述的热管，其特征在于该微小凹陷直径小于1微米。

4.如权利要求1所述的热管，其特征在于该微小凹陷深度小于10微米。

5.一种热管制备方法，包括：

提供一中空管；

在中空管外表面形成多个有序排列的微小凹陷；

在中空管内壁形成一毛细结构作为吸液芯；

将中空管一端封口，并将管内抽成真空；

往管内灌入适量液体作为工作流体；及

将中空管另一端封口，工作流体密封在管内。

6.如权利要求5所述的热管制备方法，其特征在于采用网版印刷法在中空管外表面形成多个有序排列的微小凹陷。

7.如权利要求6所述的热管制备方法，其特征在于网版印刷法包括步骤：制版，在网版上形成多个间距极小且有序排列的筛孔；

印刷，网版与中空管接触，印刷液透过筛孔印刷到中空管外表面，上述有序排列的筛孔翻印于中空管外表面；

腐蚀，印刷液腐蚀中空管，使中空管外表面形成多个有序排列的微小凹陷。

8.如权利要求7所述的热管制备方法，其特征在于采用激光加工方法制版。

9.如权利要求7所述的热管制备方法，其特征在于中空管材质为铜，印刷液为氯化亚铁溶液。

10.如权利要求7所述的热管制备方法，其特征在于中空管材质为铝，印刷液为磷酸溶液。

11.如权利要求7所述的热管制备方法，其特征在于中空管材质为不锈钢，印刷液为氯水。

12.如权利要求7所述的热管制备方法，其特征在于腐蚀后进一步包括清洗，以去除中空管外表面残留的印刷液。

13.一种热管制备方法，包括：

提供一金属板；

在该金属板至少一表面形成多个有序排列的微小凹陷；

将该金属板成型成一中空管；

在中空管内壁形成一毛细结构作为吸液芯；

将中空管一端封口，并将管内抽成真空；

往管内灌入适量液体作为工作流体；及

将中空管另一端封口，工作流体密封在管内。

14.如权利要求13所述的热管制备方法，其特征在于采用网版印刷法在金属板表面形成多个有序排列的微小凹陷。

15.如权利要求14所述的热管制备方法，其特征在于网版印刷法包括步骤：

制版，于网版上形成多个间距极小且有序排列之筛孔；

印刷，网版与金属板接触，印刷液透过筛孔印刷到金属板表面，上述有序排列的筛孔翻印在金属板表面；

腐蚀，印刷液腐蚀金属板，使金属板表面形成多个有序排列的微小凹陷。

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