CN1657858A - 热管及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种热管，其包括一中空管壳、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，其中毛细吸液芯为金属粉体与纳米碳材混合物的烧结层。本发明还包括该热管的制备方法。本发明所提供的热管因吸液芯含有纳米碳材，热阻小，导热能力强，能提高热管导热效率，适合应用于电子器件的散热。

Description

热管及其制备方法

【技术领域】

本发明是关于导热元件，特别关于一种热管及其制备方法。

【背景技术】

热管是指通过管壳内部工作流体的相变实现导热的一种导热元件，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。

关于热管构造，请参阅图1，热管10由管壳11、吸液芯12(毛细结构)以及密封在管壳内的工作流体13组成。热管10的制作通常先将管内抽成真空后充以适当的工作流体13，使紧贴管内壁的吸液芯12中充满工作流体13后加以密封。热管10的一端为蒸发段10a(加热段)，另一端为冷凝段10b(冷却段)，根据应用需要可在蒸发段10a和冷凝段10b之间布置绝缘段。当热管10的蒸发段10a受热时吸液芯12中的工作流体13蒸发汽化形成蒸汽14，蒸汽14在微小的压差作用下流向热管10的冷凝段10b，并凝结成工作流体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10a。如此循环，热量15由热管10的蒸发段10a不断地传向冷凝段10b，并被冷凝段10b一端的冷源吸收。

热管10在实现导热的过程中，包括以下六个相互关联的主要过程：

(1)热量15从热源经由热管管壳11和充满工作流体的吸液芯片传递给工作流体13；

(2)工作流体13在蒸发段10a内液-汽分介面上蒸发；

(3)蒸汽14从蒸发段10a流向冷凝段10b；

(4)蒸汽14在冷凝段10b内汽-液分介面上凝结；

(5)热量15从汽-液分介面经由吸液芯12、工作流体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的工作流体13回流到蒸发段10a。

从上述六个主要过程看出，吸液芯12在过程(1)和(5)中起到重要的导热作用，在过程(6)中对冷凝后的工作流体13迅速回流起到决定作用，因此，吸液芯12对于热管10的正常有效地工作非常必要。

在现有技术中，吸液芯12通常为沟槽型、丝网型或烧结型。

其中烧结型吸液芯是将大量填充在热管管壳内壁上的金属粉末粒子烧结而成，因而能确保吸液芯与热管管壳内壁良好接触，从而使得热管导热均匀迅速，因此烧结型吸液芯在热管中应用较多。

如1981年6月23日公告的美国专利第4,274,479号揭露一种烧结型热管吸液芯，该吸液芯采用金属粉体或陶瓷粉体烧结而成，紧贴热管管壳内壁，毛细力大，毛细性能好。但是，此种吸液芯热阻较大，不利于提高热管导热能力。

有鉴于此，提供一种紧贴热管内壁、热阻小以及导热能力强的吸液芯实为必要。

【发明内容】

为克服现有技术中热管烧结型吸液芯的热阻大、导热性能差，不利于热管导热效率提升的技术缺点，本发明的目的在于提供一种烧结型吸液芯热阻小、导热能力强的热管及其制备方法。

为实现上述目的，本发明提供一种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，其中毛细吸液芯是由金属粉体与纳米碳材混合烧结而成。

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；提供金属粉体与纳米碳材混合物；提供一直径小于中空管内径的芯棒，并将它插入中空管内；将上述混合物填充入芯棒与中空管所形成的环形间隙中；将芯棒固定，在还原气氛中烧结中空管；冷却，取出芯棒，混合物烧结层即形成于中空管内壁；将中空管抽成真空，往管内灌入适量液体作为工作流体；将工作流体密封在管内。

相对于现有技术，本发明所提供的热管有以下优点：热管的毛细吸液芯为金属与纳米碳材混合物的烧结层，由于填充有纳米碳材后毛细吸液芯的高表面积以及高导热性，可降低吸液芯的热阻，提高吸液芯的导热性能；另外，纳米碳材有助于烧结时金属氧化物的还原，从而可减少只液芯中金属氧化物的含量，由于金属的导热能力高于其氧化物，因此吸液芯导热能力得到提高；从而，热管导热性能提高。

【附图说明】

图1是现有技术的热管工作原理示意图；

图2是本发明的热管内部结构径向截面示意图；

图3是形成本发明的热管的方法流程图。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

请参阅图2，本发明所提供的热管20包括管壳21、毛细吸液芯22以及工作流体(图未示)，其中毛细吸液芯22为金属粉体与纳米碳材混合物的烧结层。

管壳21一般为铜管，也可根据不同的需求采用不同的材料，如铝、铁等金属。管壳21径向截面可以为标准圆形，也可为其他形状，如椭圆形、正方形、矩形、三角形等。管径为2毫米～200毫米，管长可从几毫米至几十米。

毛细吸液芯22中金属粉体包括铜粉、铁粉、铝粉或其合金粉体，纳米碳材包括中空纳米碳球、中空碳纳米管以及内包覆有高热传导材料的纳米碳球或碳纳米管中任意一种或多种的组合，其中高热传导材料包括铜、铝、金、银或其合金。

工作流体包括纯水、氨水、甲醇、丙酮、庚烷等液体，也可在液体中添加导热材料的微粒，如铜粉、纳米碳球、内部填充有纳米级铜粉的纳米碳球等，以增加工作流体的导热性能。

本实施方式热管20中的管壳21采用径向截面为圆形的铜管，管径为10毫米，长80毫米，毛细吸液芯22为铜粉与中空碳纳米管混合物的烧结层，工作流体为纯水。

请参阅图3，本发明提供的热管制备方法包括以下步骤：

(1)提供一中空管作为热管管壳；该管可以为铜管，也可根据不同的需求采用不同的材料，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，也可为其他形状，如椭圆形、正方形、矩形、三角形等。管径为2毫米～200毫米，管长可从几毫米至几十米。

(2)提供金属粉体与纳米碳材的混合物；金属粉体包括铜粉、铁粉、铝粉或其合金粉体，纳米碳材包括中空纳米碳球、中空碳纳米管以及内包覆有高热传导材料的纳米碳球或碳纳米管中任意一种或多种的组合，其中高热传导材料包括铜、铝、金、银或其合金。本实施例提供铜粉与中空碳纳米管的混合物。

步骤(2)步骤(1)无时间先后顺序，可互换。

(3)提供一直径小于中空管的芯棒并插入该管内；该芯棒可根据中空管壳及金属粉体的材质选用不同的材质，本实施例根据铜管及铜粉选用不锈钢芯棒，该芯棒直径为8毫米。

(4)将上述混合物填充入芯棒与中空管内壁所形成的环形间隙中；即将铜粉与中空碳纳米管的混合物填充入芯棒与中空管内壁所形成的环形间隙中。

(5)将芯棒固定，在还原气氛中烧结混合物；将不锈钢芯棒固定，使其位于中空管轴心位置，不接触中空管内壁，在还原气氛中烧结中空管，使铜粉与碳纳米管混合物烧结成型。该还原气氛为氢气、氦气、氩气中任意一种或其组合。烧结温度一般为800～880℃。

(6)冷却，取出芯棒；混合物烧结层形成在中空管内壁。

(7)将中空管内抽成真空，往管内灌注适量液体作为工作流体。

(8)将中空管两端封口，以使工作流体密封在管内。

热管吸液芯的热阻与吸液芯毛细管构造的厚度成正比，与毛细管的表面积成反比，即吸液芯毛细管构造越厚，吸液芯热阻越大，毛细管构造的表面积越大，吸液芯热阻越小。

本发明所提供热管中的吸液芯为金属粉体与纳米碳材混合物的烧结层，与现有技术的金属粉体或陶瓷粉体烧结层相比较，当烧结层厚度相同时，本发明由于添加有纳米碳材，在很大程度上增加烧结层表面积，从而使吸液芯热阻减小，吸液芯导热能力增强，从而热管导热效率提高。

另外，纳米碳材的添加可促进金属粉体的还原，确保吸液芯中铜粉不被氧化，由于金属单质的导热能力强于其氧化物，因此也使得吸液芯导热能力增强，热管导热效率提高。

综上所述，本发明确已符合发明专利的条件，兹依法提出专利申请。另外，以上所述的仅为本发明的较佳实施例，凡熟悉本案技艺的人士，依本案发明精神所作的等效修饰或变化，皆应包含在以下的专利权利要求书内。

Claims (9)

1.一种热管，其包括一中空管壳、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，其特征在于该毛细吸液芯为金属粉体和纳米碳材混合物烧结层。

2.如权利要求1所述的热管，其特征在于该金属粉体选自铜粉、铝粉或铁粉。

3.如权利要求1所述的热管，其特征在于该纳米碳材选自中空纳米碳球、中空碳纳米管以及内包覆高热传导材料的纳米碳球或碳纳米管中任意一种或其组合。

4.如权利要求1所述的热管，其特征在于该管壳材质选自铝、钢、碳钢、不锈钢、铁、镍、钛等及其合金。

5.如权利要求1所述的热管，其特征在于该工作流体选自纯水、氨水、甲醇、丙酮、庚烷或添加有导热材料微粒的液体。

6.如权利要求1所述热管的制备方法，其特征在于该制备方法包括以下步骤：

提供一中空管；

提供金属粉体与纳米碳材的混合物；

提供一直径小于中空管的芯棒并插入该管内；

将上述混合物填充入芯棒与中空管内壁所形成的环形空间中；

将芯棒固定，在还原气氛中烧结混合物；

冷却，取出芯棒；

将中空管内抽成真空，往管内灌注适量液体作为工作流体；

将中空管两端封口，以使工作流体密封在管内。

7.如权利要求6所述热管的制备方法，其特征在于该中空管包括铜管、铝管或铁管。

8.如权利要求6所述热管的制备方法，其特征在于该金属粉体选自铜粉、铝粉或铁粉。

9.如权利要求6所述的热管的制备方法，其特征在于纳米碳材选自中空纳米碳球、中空碳纳米管以及内包覆高热传导材料的纳米碳球或碳纳米管中任意一种或其组合。

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