CN1435669A - 热导管及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开说明热导管及其制作方法。热导管包括蒸发部、隔热部、冷凝部及多孔烧结粉末毛细管。为增加毛细管结构物的气孔度和透过率，在蒸发部、隔热部、冷凝部配置适合各自要求条件的不同物质、形状或粒子大小的多孔烧结粉末毛细管结构。另一特点为，为配置不同物质、形象或粒子大小的多孔烧结粉末毛细管结构，将此粉末混合烧结，气孔分布为二重，为此热导管具有沿径向、非对称端面形状。粒度大的粉末也易于添入，制作容易，并热传导度比过去不偏心的结构。

Description

热导管及其制作方法

发明领域

本发明涉及的涉及热传导、冷却及放热用热导管，尤其涉及微型热导管的内部结构及其制作方法。

背景技术

一般热导管是在一个地方向另一个地方有效地传导热能而利用的一种部件，是被利用为热输送装置的核心部分。尤其是，微型热导管有效被利用于高精度电路或电子芯片冷却的热输送及热扩散中。

图1所示的上述热导管的内部结构端面图。如图1所示，热导管由外壁、进行热输送的驱动流体经过的通道、两者之间用以在上述驱动流体在没有动力的情况下，具有连续产生热输送功能的多孔型毛细管组成。

并且，如图1所示，上述热导管沿长度方向分为蒸发部、隔热部及冷凝部。

上述热导管的驱动原理是，在蒸发部饱和于毛细管内的驱动工作流体，自外部热源加热蒸发，由于蒸汽产生的压差，使蒸汽向冷凝部方向移动，进行热输送。在冷凝部中重新冷却凝缩、放热。此时，凝缩的驱动工作流体吸收于冷凝部毛细管中，由于冷凝部和蒸发部的毛细管间压差，回归于冷凝部，上述驱动工作流体的移动及回归过程循环运作，从而从蒸发部不断向冷凝部持续性的移动热量。

一般驱动工作流体的移动主要依赖于，热传导量、毛细管的管压、毛细管内对于驱动工作流体的流向的阻力透过率。

上述毛细管压(P_C)由如下数学公式1决定，其中d_o是平均直径，σ表示表面张力参数，θ表示毛细管的角度。

(数学公式1) $P_c=\frac{4\mathrm{\σ}\cos \mathrm{\θ}}{d_0}$

但是其中的毛细管压具有下面的关系。其中P_l、P_v、P_g分别表示各液体通道压力损失、蒸汽通道压力损失及引力阻力。

(数学公式2)P_c＝P_v+P_l+P_g

上述的各液体通道压力损失、蒸汽通道压力损失根据Darcy和Polselle定律，分别表现为数学公式3及数学公式4。

(数学公式3) $P_l=\frac{{\mathrm{Q\μ}}_l{l}_{\mathrm{ef}}}{p_l\mathrm{LS\ξ}{d_0}^v}$

(数学公式4) $P_v=\frac{{128\mathrm{Q\μ}}_v{l}_{\mathrm{ef}}}{\mathrm{\π}{D_{\mathrm{ch}}}^4{p}_{v}L}$

并且，引力阻力的压力损失如下，其中g表示万有引力常数。

(数学公式5)P_g＝ρ_lglsinφ

并且，毛细管内决定驱动工作流体移动阻力的透过率K与毛细管的气孔度∏具有如下的数学公式6，其中D表示为粒子直径。

(数学公式6) $k=\frac{f\left(\mathrm{\Π}\right)}{\mathrm{\β}}{D}^2$

由于热工作流体流动的热输送量(Q_max)，根据下面的假设为前提所求。

热导管中的毛细管的大小固定，工作流体饱和于烧结粉末毛细管，蒸发部和冷凝部的热流速是固定的，隔热部蒸汽通道中移动温度为T_s的饱和蒸汽，液体和蒸汽的流动是表现为Navier-Stocks式的非压缩性工作流体的流通，蒸汽内没有热源或冷却源，多孔毛细管内液体流动根据Darcy定律，蒸汽-液体界面的磨擦力比毛细管内液体动阻力十分小，可忽视，蒸发部表面中发生驱动工作流体的汽化现象。

上述假设为前提，热导管的热输送量Q如下计算。

(数学公式7) $Q=\frac{\mathrm{\πL}}{{4l}_{\mathrm{ef}}}\frac{\frac{4\mathrm{\σ}\cos \mathrm{\θ}}{d_0}-\mathrm{pgl}\sin \mathrm{\φ}}{\frac{{\mathrm{\μ}}_l}{p_l({D_p}^2-{D_{\mathrm{ch}}}^2)\mathrm{\ξ}{d_0}^v}+\frac{32{\mathrm{\μ}}_v}{D^4{p}_v}}$

另外，一般的热导管由粘性限制、毛细管压限制、传输或溢流限制、音速限制及沸腾限制，其性能受到限制。

所以，设计热导管时，考虑此之间的驱动限制而决定各设计参数。一般在200℃以下使用的低温用热导管中尤其考虑粘性限制和沸腾限制，热导管的热性限制条件中为提高驱动能力，根据热导管蒸发部过热产生干燥现象时，应考虑恢复能力和时间。

上述的干燥，是指热导管中输入的热量超过最大热输送量，蒸发部的驱动工作流体蒸发量比冷凝部中向蒸发部回归的量多时，在任意的时间段内完全成为干燥状态的情况。此时，蒸发部的温度急速上升，根据向毛细管内的驱动工作流体的回归，温度再次下降，热导管的能力恢复，但是此能力的恢复功能缓慢的时候，热导管的温度控制能力被消失，达到输入的热量无法使用该热导管的限制。

如图1所示，热导管沿长度方向的端面可分为蒸发部、隔热部、冷凝部等。此时，热导管的蒸发部中设置，可改善毛细管压和热传导度的毛细管结构，隔热部中应设置可提高透过率的毛细管结构，冷凝部中设置可提高透过率和热传导度的毛细管接结构。

一般的热导管，为具备上述的条件的毛细管结构，具有如下的4种状态及此的复合状态，或变形状态构成的毛细管结构。比较它们之间的优、缺点为如下。

烧结粉末毛细管的毛细管压大，因此对于引力阻力的工作流体输送能力卓越，根据多孔烧结粉末的夹子效果，热传导度好，由于沸腾限制的渐进性产生，不产生急速的温度上升现象。由于透过率小，驱动工作流体移动时压力损失大。

凹槽毛细管的透过率大，驱动工作流体移动时压力损失小。尤其是，单纯凹槽毛细管制作热导管管壁时，可一体成型，价格上有优势。但是，毛细管的直径大，毛细管压小，在部分过热干燥状态中，驱动能力处于劣势，由于沸腾限制的急速发生，产生急速的温度上升现象。

微细纤维毛细管虽然毛细管压大，但热阻力也大；因透过率小而驱动工作流体移动时压力损失大，在部分过热干燥状态中驱动能力处于劣势。

隔屏毛细管的毛细管压为中间程度，透过率小而驱动工作流体时压力损失大，热阻力也大的特点。

这样的基本毛细管结构各有优点和缺点，根据使用目的，为补充缺点而进行结构变化，所以不能按照一律的标准进行比较。但是，热导管的基本性能中的热输送和引力阻力对应能力方面中，烧结粉末毛细管比其他的毛细管较受欢迎，烧结粉末毛细管的结构粒子和粒子之间十分稠密，比凹槽毛细管或隔屏毛细管毛细管压大，比隔屏毛细管热传导度高的优点，可显示比较高的热流速性能。

但是，比凹槽及隔屏方式等其他毛细管结构，烧结粉末毛细管对于引力阻力的驱动能力优秀，由于液体有动阻力的增大，在最大热传导量中不能成为比较首位的问题。

过去烧结粉末毛细管中适用的结构一般采取的是单一的气孔分布结构。所以，采用微型热导管时，为增大毛细管的透过率，要求使用比较大粒度的金属粉末，由于毛细管内部结构及制作工程上的问题，无法将毛细管气孔的大小最佳化，烧结粉末毛细管的基本比较首位无法充分体现。

所以，为上述的毛细管最佳化状态，过去美国登记的申请专利第6,056,044号，利用MEMS工程，提供利用多重毛细管的毛细管结构，提出具有大小不同的粒子的毛细管结构，改善毛细管压和透过率。

但是上述结构，制作工程相当难，所以制作单价上升的问题。即，盖上隔屏MSCH，进行黏结后，重新将隔屏MSCH卷完插入的多重管的制作，具有相当的困难。

为了解决这样的问题，不使用二重管结构，各功能部的毛细管结构物具有不同的气孔大小、气孔形状、热传导度及驱动工作流体吸收能力，但此时，将大小不同的粒度的粉末混合，构成气孔二重分布的毛细管，在现实中有很多的困难。

这是因为，考虑过去微型热导管的外壁内径的大小有限制时，插入粒度大的粉末是相当困难的问题。

发明内容

本发明是为了解决上述单一毛细管结构的过去微型热导管及多重毛细管结构的问题而提出的。其特点为，为增加毛细管结构物的气孔度和透过率，在蒸发部、隔热部、冷凝部配置适合各自要求条件的不同物质、形象或粒子大小的多孔烧结粉末毛细管结构。另一特点为，为配置不同物质、形象或粒子大小的多孔烧结粉末毛细管结构，将此粉末混合烧结，气孔分布为二重，为此热导管具有按径向、非对称端面形象的偏心结构。

与此同时，本发明在热导管热性限制条件下，为提高驱动能力，根据热导管蒸发部的过热发生干燥现象时，为改善恢复能力和时间而提出此方法。

并且，本发明在此种过热干燥状态中，迅速恢复热导管功能的方式，将烧结粉末毛细管的气孔大小达到最佳化，并驱动工作流体中添加氢氧化物，形成蒸发部毛细管表面的吸着覆膜的方法。

附图说明

图1是根据过去技术图示的热导管结构；

图2为平均直径和透过率之间关系的图表；

图3是在同一热导管中，对于某一个固定的热输送量的热导管驱动温度，显示毛细管气孔最佳大小的图表；

图4为毛细管内径和驱动温度之间关系的图表；

图5为最大热输送量和驱动温度之间关系的图表；

图6为平均粒子大小和毛细管气孔直径之间关系的图表；

图7为径向非对称的毛细管结构图；

图8如图7，具有非对称端面形象的毛细管结构的热导管外径面中，按径向测定热传导度的图表；

图9图示的是主要气孔大小二重分布的形状图；

图10为，在微粒铜粉末中添加某液体或固体化合物的毛细管结构图；

图11为，金属粉末和碳素纤维构成的毛细管结构图；

图12为，具有正四角型端面的热导管蒸发部毛细管的表面粒子中分布氢氧化物状态的图；

图13为，在铜粉末中混合镍、石墨或钻石结晶粉末烧结的毛细管结构；

图14为，按照长度方向，具有不同毛细管结构的热导管端面图；

图15为平坦型毛细管结构物的图。【图中主要部分的符号说明】

1：热导管壁                    2：毛细管

3：通道(蒸汽通道)              1e：蒸发部的长度

1a：隔热部的长度               1c：冷凝部的长度

具体实施方式

为了达到上述目的，本发明提示在蒸发部、隔热部、冷凝部中配置不同的物质、形状或粒子大小的多孔烧结粉末毛细管结构，为增强上述毛细管结构物的气孔度和透过率，将大小不同的粒度粉末混合烧结，将气孔二重分布，具有径向非对称端面形象的热导管。

并且，为了本发明正确的实例而突出的，为改善毛细管内性能的最佳条件，为此记录其方法。

本发明为了改善烧结粉末毛细管的性能，设计分析多孔媒体的毛细管压、透过率及气孔容量和驱动工作流体的热流动之间的关系，将通过此体现最佳的气孔大小，为此导出金属粉末的粒子大小，为热导管各功能部的毛细管烧结提供最佳的条件，记述如下的最佳设计技巧。

即，烧结粉末毛细管比凹槽毛细管或隔屏毛细管毛细管压大，比隔屏毛细管热传导度高的优点，可显示比较大的热流速性能，保留这样的优点，弥补透过率低的缺点，为设计优秀性能的热导管，要求毛细管的驱动因素最佳化。

为构成上述最佳化的毛细管，气孔因素为构成粒子的大小和形态、多孔毛细管的给表面积、气孔直径及透气率等，它们之间相互连贯，其影响涉及到热导管设计。

本发明中，热导管的重要设计因子上述数学公式6中的透过率K，通过下面的数学公式8实验性取得。

(数学公式8)k＝0.00144 d_o ^1.79

其中d_o表示平均直径。

其他的热流体性因子通过下面的实验可以得出。

毛细管压通过相当气孔半径的多孔性媒体的评价得出。

液体压力损失通过毛细管内液体压力损失的测定得出。

透过率则通过液体压力损失测定和Darty法则得出。

热流速根据二位压力损失的计算，评价蒸发过程中的质量流速得出。

气孔率通过液体饱和的毛细管热传导度的测定评价得出。

左右热导管热输送量的热流速，主要依赖于下面条件的热导管适用条件，蒸发部和冷凝部之间的距离、热导管壁面的过热度和驱动工作流体的过冷却度、发热源和毛细管的热接触状态等。

如上述，以毛细管的驱动因子和热导管的适用条件为基础，设计出特定热导管的驱动参数。

例如，对于长度为l□，外径为(D_P)4mm，内径为(D_CH)2mm，烧结短面积为S的圆筒型微型热导管，蒸发部长度为l_e，隔热部长度为l_t，冷凝部长度为l_c时，通过上述数学公式7得出最大的热输送量Q_max。

根据本发明的上述热输送量Q主要依存于实际热导管蒸汽通道中的通道直径和液体通道中的平均直径，最大热输送量Q_max由于驱动工作流体的热性-物理特性温度依存性，根据热导管隔热部中的温度(驱动温度)T_sat变化。并且，对于重力张的热导管设置，对于倾斜角(ф)Q_max大有变化。

一般以水平设置(ф＝0°)为标准，蒸发部配置于冷凝部上侧时，ф为-；蒸发部配置于冷凝部下侧时，ф为+；ф为-90°时，Q_max根据重力阻力，受到最大的限制。

根据上述理论，对于微型热导管的烧结等粉末毛细管的主要设计因子的设计分析结果，如图2至图6中可表示。

图2的平均直径和透过率之间的关系中，根据毛细管的气孔大小越来越大，透过率也增加。但，根据气孔越来越大，毛细管压减少，为了阻止毛细管压低下，本发明中利用了具有二重分布的金属粉末，不同粒子形状的粉末或混合纤维的粉末的毛细管结构。使用此种方法，增大毛细管的透过率，可毛细管压的减少到达最小化。

图3是在于同一个热导管中，对于任何固定的热输送量，对于热导管的驱动温度，显示毛细管气孔的最佳大小。在这里可知，毛细管气孔的最佳大小为100-160μm。

图4表示毛细管内径和驱动温度之间关系，图5表示最大热输送量和驱动温度之间关系。从图纸中的热量，可导出毛细管最佳内径。

图6是根据此种大小的毛细管气孔300-500μm的铜粉末烧结制作成的。但是制作热导管时，将此种大小的铜粉末很难添入外径4mm的中孔铜管和其中心设置的外径2mm程度的铁心之间。如上述，过去将适用于微型热导管的烧结粉末毛细管气孔达到最佳化有相当的困难。

所以，本发明中体现毛细管气孔最佳直径是第一个方法。将铁心从径向中心偏心设置，将添入铜粉末进行烧结，尤其是如图7中所示，径向端面成为非对称，将毛细管气孔达到最佳化。

图8表示的是，如上述制作的，具有毛细管结构的热导管外围向径向测定的热传导度。如图示，毛细管厚度相对薄的部分产生强烈的热传导。适用热导管时，在蒸发部和冷凝部中与热源和热槽之间的接触面选择性地适用，提供可提高热传导效率的附加功能。

体现毛细管气孔最佳直径的第二个方法，将粒度不同的铜粉末烧结获得毛细管结构，提示二重分布气孔结构的毛细管。

图9中图示了主要气孔大小二重分布的形象。

体现毛细管气孔的最佳数学直径的第三个方法是，将微粒铜粉末中添入某液体或某固体化合物。在毛细管的烧结工程中，比铜粉末低的温度中，其添加物进行热反应或热分解时，利用产生的煤气增大铜粉末粒子之间的气孔大小。为等价毛细管的透过度，添加剂在烧结过程中完全融合气化除去，或考虑可残留微量的添加剂，添加剂通过毛细管结构成分及驱动工作流体之间的热反应，不可产生气体。可满足此种性质的有用添加剂为Co(NH₂)₂。此方法制作的毛细管形状为图10所示。

增加热导管毛细管的透过率、毛细管压及热传导度的方法，本发明提示使用由铜粉末与粉碎的石墨或纤维素制作的活性炭的混合粉末，铜粉末和非纤维素系统的PVDC的混合粉末制作的毛细管结构。

图11显示的是，金属粉末和碳素纤维构成的毛细管结构。如图示，毛细管中分布大小不同的气孔，通过此可达到改善毛细管毛细管压和透过率，并根据碳素纤维提高热传导性。

根据热导管蒸发部的输入热量增加，毛细管的部分干燥状态中为缩短热导管功能恢复时间的一种方法，提示驱动工作流体中添加驱动工作流体吸着或吸收性物质。若驱动工作流体是水时，具有此种功能的物质MnCl₂，NiCl₂，CaCl₂，BaCl₂及LiBr等的氢氧化物。这些氢氧化物在常温中，以水相同的驱动工作流体的水溶液状态存在，通过蒸发部毛细管加热，从水溶液分离出来，如图12所示，分布于蒸发部毛细管粒子表面后，再次吸收水回归于蒸发部毛细管驱动工作流体，或辅助供应的功能。如上述，驱动工作流体中添加的氢氧化物成分中，大部分分布于蒸发部毛细管粒子的表面，在冷凝部中加速向蒸发部的驱动工作流体的环流。

图12所示的是，具有正四角型端面的热导管蒸发部毛细管的表面粒子中氢氧化物的分布情况。由于如此的添加剂功能，蒸发部的过热干燥状态恢复时间快，可提高热导管的温度控制特性和驱动限制。

为提高毛细管的热传导度，利用不同金属的混合粉末进行烧结。

图13所示的是，在铜粉末中混合镍、石墨或钻石结晶粉末烧结的毛细管结构。此种毛细管的冷凝部和蒸发部的径向热传导度高，提高热导管热交换性能。

并且，本发明为热导管的热输送能力达到最大化，与外部之间的热传导性能达到最大化，如图14，将按热导管各功能部的履行功能，具有不同毛细管结构，具备在蒸发部中可提高毛细管压和热传导度的结构，在隔热部中可提高透过率的结构，在冷凝部中可提高透过率和热传导度的结构的毛细管，将热导管的特性达到最佳化。

此种结构采用不同粒度的金属粉末或铜，以及镍或碳素纤维等不同种类的混合粉末，如上述，将保留特性适用于热导管各功能部毛细管烧结。

并且，上述毛细管结构物及膜，可为平坦型或圆筒型。

图15为平坦型毛细管结构物的图，端面为直四角形。

如上述说明，根据本发明的热导管中，在烧结粉末制毛细管内采取最佳化的二重分布结构时，为大大改善最大热输送能力。例如，适用外径为4mm的热导管的结果，比过去烧结粉末制毛细管方式最大1.3倍以上，比凹槽毛细管方式2倍以上的热输送能力，确认改善。

并且，改善最大热输送能力及重力阻力对应能力，与过去产品增强差异性效果。

Claims (9)

1.一种热导管及其制作方法，其特征在于：多孔烧结粉末构成的毛细管结构，在热导管各功能部(蒸发部、隔热部及冷凝部)中配置不同物质、或粒子大小烧结粉末毛细管结构，提高热导管热传导度、热输送量及温度控制性能。

2.根据权利要求1所述的热导管制作方法，其特征在于：烧结用粉末中加入Co(NH₂)₂等添加剂，在毛细管的烧结过程中，由于添加剂产生的气体，增加了毛细管结构物的气孔度和透过率。

3.根据权利要求1所述的热导管制作方法，其特征在于：将不同大小的粒度粉末混合烧结，气孔二重分布的毛细管，将按热导管的径向，非对称配置，以增加毛细管结构物的气孔度和透过率。

4.根据权利要求1所述的热导管制作方法，其特征在于：包括不同形状和热传导度的物质如铜粉、镍粉、石墨粉、炭精粉及钻石粉的混合粉末构成烧结粉末毛细管，以提高热导管径向热传导性能。

5.根据权利要求1所述的热导管制作方法，其特征在于：为增加毛细管结构物的驱动工作流体吸着能力，在毛细管结构物或结构物构成粒子表面覆膜吸收性膜。

6.根据权利要求1至第5项所述的热导管制作方法，其特征在于：为增加毛细管结构物的驱动工作流体吸着能力而覆膜吸收性膜，使用氢氧化物、羟化物、碳酸盐及溴化俚LiBr物质组中选择的物质。

7.根据权利要求1至第5项所述的热导管制作方法，其特征在于：毛细管结构及所覆膜为平坦型或圆筒型。

8.根据权利要求1至第5项所述的热导管制作方法，其特征在于：热导管蒸发部毛细管结构物或结构物粒子表面覆膜吸收性膜。

9.一种热导管及其制作方法，其特征在于：在蒸发部、隔热部、冷凝部中配置不同物质、形状或粒子大小的多孔烧结粉末毛细管结构，为增加上述毛细管接哦鼓舞的气孔度和透过率，大小不同的粒度粉末混合烧结，气孔按二重分布，按径向具有向非对称端面的形状。

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