CN1800766A - 热管及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种热管，其包括一中空管壳、形成在管壳内壁的吸液芯以及密封在管壳内的工作流体。其中，该吸液芯表面形成有亲水性涂层，如纳米级TiO2、ZnO、Al2O3等。本发明还提供上述热管的制造方法。本发明所提供的热管利用纳米级亲水性涂层，能改善吸液芯表面与回流工作流体之间的界面接触性能，并增加其间接触面积，促进工作流体回流，使得热管保持长距离高效传热。本发明所提供的热管适合应用于汽车发动机以及电子元件等器件的散热。

Description

热管及其制造方法
【技术领域】
本发明关于一种散热系统，特别涉及一种采用纳米级材料制作的热管及其制造方法。
【背景技术】
目前，各种机器运行速度不断提升，相应地对散热也要求越来越严苛。如汽车发动机的散热，一般采用循环管式散热器或列管式热交换器两种形式，均通过冷媒与水的循环流动，不断带走内燃机产生的热量，使其温度下降。有时外部还附加风扇，以加速降低内燃机的温度，而管材可采用铝或铜等材料来提高管壳热传导性能。这些汽车散热或冷却系统结构复杂且散热效率低，难以满足汽车发动机快速散热的需求。
为使汽车产生的热量及时迅速地散发出去，有采用封闭型相变热管，如1991年8月27日公告的美国第5,042,567号专利揭示一种用于汽车的空调机，该空调机采用多个热管以迅速传递热量。请参阅图1，热管58包括一密闭管状容器58a，以及一网状吸液芯58b，其藉由吸液芯58b的毛细作用，携带回流的工作流体。容器58a内密封有适量的工作流体(如水)。热管58工作时，容器58a内充满液态工作流体及其饱和蒸气。当热量作用于吸热端58c时，该端工作流体蒸发，由于吸热端58c与散热端58d间存在压力差，使得工作流体蒸气以高速流到散热端58d，并在该端管壳内壁冷凝，由此释放出先前蒸发的潜在热量。因而，热量以工作流体为载体，通过其蒸发、流动、冷凝过程，使存于工作流体内的潜热由吸热端58c传输至散热端58d。与传统固体之间传热过程不同在于，该气态工作流体流动时能传输更大热流。而在散热端58d冷凝后的工作流体藉由毛细作用回流到吸热端58c，通过这种工作流体的蒸发及冷凝不断重复，在此密闭热管58内形成循环流动，使热量不断向外传输。然而，该热管采用普通工作流体(水)，热管结构也未见改进，并不能适应汽车快速散热的需求。
目前，热管技术被大量应用于电子元件的散热，以适应电子元件的高频、高速以及集成电路的密集及微型化所带来的发热量剧增的变化，同时促进了热管技术的发展与研究，特别表现为将纳米材料应用于热管的吸液芯或工作流体上。如2002年11月27日公告的中国第02205487.1号专利揭示一种带纳米芯体的微型热管，其结构与传统热管结构相同。该微型热管包括热面基底、微孔管道、纳米芯体、工作流体和封装片，纳米芯体由纳米管材或纳米多孔材料制作，固着在微孔管道内壁面上，热面基底和封装片分别封装在微孔管道两端，工作流体封装在纳米芯体内腔中或纳米管道内或纳米芯体孔隙中。
2004年11月17日公告的中国第200320117731.1号专利揭示一种热管，其包括管壳、毛细吸液芯以及密封在管壳内的适量工作流体。其中毛细吸液芯紧贴于管壳内壁，包含一碳纳米管层；工作流体包括一种液体以及悬浮在液体中的具有高导热性的纳米级颗粒，该纳米级颗粒包括纳米碳球或高导热性金属粉体，其中纳米碳球内部可填充有高导热性金属以进一步提高工作流体的导热性能。由于碳纳米管具有疏水性，冷凝后的工作流体凝结在碳纳米管层表面，不易渗透进入碳纳米管层内，使其毛细作用难以发挥作用。同时，部分回流的液态工作流体停留在碳管层表面，易与工作流体蒸气发生剪切干扰，从而增大回流阻力，进一步抑制热管传热效率。
有鉴于此，对毛细吸液芯进一步加以改进或修饰，以提供一种有利于吸液芯表面与回流工作流体之间的界面接触、具有低回流阻力的高效热管实为必要。
【发明内容】
为克服现有技术中热管吸液芯表面与回流液体间的界面接触性能不足、工作流体回流阻力大等问题，本发明的目的在于提供一种有利于吸液芯表面与回流液体之间的界面接触、具有低回流阻力的高效热管。
本发明的第二目的在于提供上述热管的制造方法。
为实现上述第一个目的，本发明提供一种热管，包括一两端密封的中空管壳；形成在管壳内壁周面的吸液芯，其表面形成有亲水性涂层；以及充满吸液芯并密封在管壳内的工作流体。
其中，所述亲水性涂层包括纳米TiO2、纳米ZnO、纳米Al2O3或其混合物，其厚度范围为10纳米～200纳米，优选为20纳米～50纳米。
而且，所述管壳外壁周面形成有导热性涂层，包括碳纳米管、纳米铜、纳米铝或纳米铜铝合金等薄膜，厚度范围为10纳米～500纳米，优选为20纳米～200纳米。
所述吸液芯包括纳米碳球和碳纤维，其厚度范围为0.1毫米～0.5毫米，优选为0.2毫米～0.3毫米。
所述工作流体包括一种液体和添加其中的碳纳米管、纳米碳球、纳米铜粉或其混合物，液体包括纯水、氨水、甲醇、丙酮、庚烷或其混合液体，纳米材料在工作流体中所占质量百分比为0.5～2％。
本发明的热管管壳内壁周面和外壁周面还具有表面粗糙度Rp-v为0.1μm～10μm，优选为0.2μm～1μm；内壁周面和外壁周面的微坑宽度范围为1μm～20μm，优选为2μm～5μm。
所述管壳材质选自铜、铝、钢、碳钢、不锈钢、铁、镍、钛或其合金等。
为实现上述第二个目的，本发明提供一种热管制造方法，包括下列步骤：
提供一中空管；
在中空管内壁周面形成吸液芯，并在吸液芯表面形成亲水性涂层；
将适量工作流体真空封闭在中空管内。
其中，所述亲水性涂层包括纳米TiO2、纳米ZnO、纳米Al2O3或其混合物，其厚度范围为10纳米～200纳米，优选为20纳米～50纳米。
而且，本发明还在所述管壳外壁周面形成导热性涂层，包括碳纳米管、纳米铜、纳米铝或纳米铜铝合金薄膜。
本发明还进一步在所述管壳内壁周面和外壁周面分别预先经过雷射毛化处理。
相对于现有技术，本发明所提供的热管吸液芯外表面形成亲水性涂层，这些纳米级涂层具有良好亲水性，能改善吸液芯表面与回流工作流体间的界面接触性能，增加接触面积，使回流的工作流体很容易通过该亲水性涂层渗透至吸液芯内层，并顺流至另一端。同时，由于回流液态工作流体能及时渗透至吸液芯内层，从而避免工作流体蒸气与回流工作流体发生剪切干扰，减小回流阻力，最终使得热管保持长距离高效传热。
【附图说明】
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
图1是现有技术的热管内部结构示意图。
图2是本发明的热管沿长度方向的剖面示意图。
图3是图2热管中III部分结构放大示意图。
图4是具有本发明的热管的散热系统结构示意图。
图5是本发明的热管制造方法流程图。
【具体实施方式】
请参阅图2，为本发明提供的热管沿长度方向的剖面示意图。与传统热管相似，本发明的热管20按其热传变化可分为三段：蒸发段A、绝热段B、冷凝段C。按其结构层次划分，热管20包括五个部分，依次分别为：管壳21、形成在管壳21内壁周面211的吸液芯22、形成在管壳21外壁周面212的导热性涂层25、形成在吸液芯22表面的亲水性涂层24以及中空部分26。其中，液态工作流体23在吸液芯22内循环流动，工作流体23的蒸气则充满中空部分26。下面对该五大部分逐一介绍。
管壳21的材质可选自铜、铝、钢、碳钢、不锈钢、铁、镍、钛或其合金。管壳21径向截面可以为圆形，也可为其它形状，如椭圆形、正方形、矩形、三角形等。管壳21的管径为2毫米～200毫米，管长范围为几毫米至几十米。管壳21的厚度为0.1毫米～1毫米，并以0.2毫米～0.4毫米为佳。
吸液芯22采用纳米碳球和碳纤维，其厚度范围为0.1毫米～0.5毫米，优选为0.2毫米～0.3毫米。由于纳米碳球具有高表面积，可增加其与液态工作流体23的接触面积，提高其对液态回流工作流体23的毛细作用。
导热性涂层25采用纳米级薄膜，包括碳纳米管、纳米铜、纳米铝或纳米铜铝合金薄膜，该薄膜厚度为10纳米～500纳米，优选为20纳米～200纳米。该导热性涂层25在低于2×10-6托真空下，采用化学气相沉积、等离子辅助沉积、溅镀沉积或共溅镀等方法形成。该导热性涂层25采用碳纳米管等高导热性材料，具有较大表面积，可促进管壳21与外界进行热交换，降低其间热阻，提高热管20散热效率。
亲水性涂层24采用亲水性材料，如纳米TiO2、纳米ZnO、纳米Al2O3或其混合物等，其厚度范围为10纳米～200纳米，并以20纳米～50纳米为佳。这些纳米级涂层具有良好亲水性，能改善吸液芯22与回流工作流体23间的界面接触性能，且纳米级材料可增加其间接触面积，使回流的液态工作流体23很容易通过亲水性涂层24渗透到吸液芯22内层，并顺流到蒸发段A。同时，由于回流液态工作流体23能及时渗透到吸液芯22内层，从而避免工作流体23蒸气与液态工作流体23发生剪切干扰，减小回流阻力，提高热管20的传热效率。另外，该亲水性涂层24还具有杀菌和自洁作用，使这种密闭型热管20成为环境友好的热管。该亲水性涂层24可在低于2×10-6托真空下，采用交流磁控溅镀、反应性溅镀、无线射频溅镀、离子束蒸镀或电子束蒸镀等方法形成。
中空部分26充满工作流体23的饱和蒸气，热管工作时，由蒸发段A不断蒸发的工作流体23蒸气顺着中空部分26流到冷凝段C。因而，工作流体23选自沸点低的液体，如纯水、氨水、甲醇、丙酮或庚烷等液体或其混合液体，并在液体中添加具有高导热系数和高热容的高导热性材料，如碳纳米管、纳米碳球、纳米铜粉或其任意组合，以增加工作流体23的导热性能，其中优选为碳纳米管，因其导热系数约为6000W/m·K。工作流体23表现为溶液与高导热性材料混合而成的悬浮液，而高导热性材料在工作流体中所占质量百分含量为0.5～2％。
请参阅图3，为图2热管20中III部分结构放大示意图。在吸液芯22和导热性涂层24形成之前，管壳21内壁周面211和外壁周面212分别经过雷射毛化处理。管壳21经雷射毛化处理后，其内壁周面211和外壁周面212即形成起伏不平的波纹状微坑213。处理后相应表面粗糙度Rp-v范围为0.1μm～10μm，以0.2μm～1μm效果较佳，其中Rp-v表示为毛化后的内壁周面211或外壁周面212以波谷为基面的波峰高度；而该微坑213宽度范围为1μm～20μm，以2μm～5μm较佳。该雷射毛化处理可采用固态YAG激光器(Yttrium Aluminum GarnetLaser)、Nd(钕):YAG激光器、Nd:YVO4激光器(Yttrium Vanadate Laser)或者UVYAG激光器(Ultra-Violet Yttrium Aluminum Garnet Laser)。雷射毛化处理的目的在于增加内外壁周面与其它界面的实际接触面积，并加强表面黏附力，以利于管壳21内壁周面211形成吸液芯22，以及外壁周面212形成导热性涂层25。
请再参阅图2，以说明本发明的热管20工作过程。热管20先在蒸发段A吸收热量，由于采用纳米高导热性材料，使热量传导到管壳时所受热阻减小，因而能迅速蒸发液态工作流体23，成为蒸气；此时，在蒸发段A与冷凝段C之间存在压力差，使蒸气迅速顺着中央部分26迁移到冷凝段C；工作流体23蒸气在该端冷凝成液态工作流体23；然后利用亲水性涂层24亲水性能，使液态工作流体23能及时渗透到吸液芯22内层，再顺其流向蒸发段A，经过绝热段B时，由于吸液芯22表面形成有亲水性涂层24，从而避免工作流体23蒸气与回流的液态工作流体23发生剪切干扰，减小回流阻力，使液态工作流体23顺利流回蒸发段A，工作流体23即实现一个工作循环过程。
请参阅图4，为采用本发明的热管20的散热系统1结构示意图。该散热系统1包括热源10、热管20、具有一基底31及多个散热鳍片32的散热装置30、位于热源10与散热装置30的基底31之间的热界面材料40以及安装在热管20冷凝段C(请参阅图2)的风扇50。其中，热源10可为汽车发动机或内燃机等发热部件，也可为电子元件或其它发热密集的器件。热管20安装在散热装置30的基底3l内部，其采用本发明所提供的热管，并根据需要选择具备上述某种性能的热管形式，以将传递到基底31的热量迅速迁移。热界面材料40可采用纳米热界面材料，如在导热基材中添加碳纳米管等高导热性纳米材料，以增加热源10与散热装置30的基底31间的热传接触面积，减小其间热阻，使热量迅速大量传递到基底31中，然后再由热管将该热量迅速转移，或通过散热鳍片32散发出去。而风扇50则用来加速热管20冷凝段C的散热，使传递到其内的热量及时散发出去，确保热管20的工作效率。
请参阅图5，说明本发明提供的热管制造方法，其包括以下步骤：
(1)提供一中空管，作为热管管壳。该管壳可以为铜管，也可根据不同需求采用不同材料，如铝、钢、碳钢、不锈钢、铁、镍、钛或其合金。管壳环向截面选自标准圆形、椭圆形、正方形、矩形、三角形等。管径为2毫米～200毫米，管长范围为几毫米至几十米。
(2)在管壳内壁周面形成吸液芯，并在吸液芯表面形成亲水性涂层。本发明的吸液芯22采用纳米碳球和碳纤维，其可采用电弧放电法、化学气相沉积法或等离子沉积法等形成，其厚度范围为0.1毫米～0.5毫米，优选为0.2毫米～0.3毫米。然后在低于2×10-6托真空下，采用交流磁控溅镀、反应性溅镀、无线射频溅镀、离子束蒸镀或电子束蒸镀等方法在吸液芯表面形成亲水性涂层，其包括纳米TiO2、纳米ZnO、纳米Al2O3或其混合物，厚度范围为10纳米～200纳米，以20纳米～50纳米为佳。
(3)将适量工作流体真空封闭在中空管内。先将中空管一端封闭，可采用惰性气体焊接密封形式，如氩焊、氖焊、氪焊等；再将其抽成真空，真空度范围约为1.3×10-1～1.3×10-4Pa，在管内灌入适量液体和高导热性材料混合而成的悬浮液；然后将中空管另一端封闭，使得液体密封在中空管内，成为热管的工作流体。其中，液体选自纯水、氨水、甲醇、丙酮、庚烷。高导热性材料包括碳纳米管、纳米碳球、纳米铜粉或其任意组合，并控制高导热性材料在工作流体中所占质量百分含量为0.5～2％。
通过上述步骤，即形成密闭热管。而且，还可在管壳内外壁周面分别进行雷射毛化处理，以达到表面粗糙度Rp-v范围为0.1μm～10μm，优选为0.2μm～1μm；毛化处理后形成的表面微坑宽度范围为1μm～20μm，优选为2μm～5μm。雷射毛化处理后再在管壳外壁周面形成导热性涂层，如碳纳米管、纳米铜、纳米铝或纳米铜铝合金等薄膜，薄膜厚度范围为10纳米～500纳米，优选为20纳米～200纳米。
本发明的热管20吸液芯22外表面形成有亲水性涂层24，利用该纳米级涂层来改善吸液芯22表面与回流工作流体23间的界面接触性能，同时增加其间接触面积，使回流的工作流体23很容易通过该亲水性涂层24渗透到吸液芯22内层，并顺流到蒸发段A。同时，由于回流工作流体23能及时渗透到吸液芯内层，从而避免工作流体23蒸气与液态回流工作流体23发生剪切干扰，减小回流阻力，使得热管20保持长距离高效传热。另外，通过在管壳21内外壁周面进行雷射毛化处理，可增加管壳表面积，加速管壳21与外围环境(如基座31或吸液芯22)的热交换。而且，导热性涂层24、采用纳米材料的吸液芯22和工作流体23均可提高热管20系统的热传导性能，从而对提高热管20散热效率作出进一步贡献。

Claims (16)

1.一种热管，其包括一两端密封的中空管壳，形成在管壳内壁周面的吸液芯，以及充满吸液芯并密封在管壳内的工作流体；其特征在于：所述吸液芯表面形成有亲水性涂层。
2.如权利要求1所述的热管，其特征在于：所述亲水性涂层包括纳米TiO2、纳米ZnO、纳米Al2O3或其混合物。
3.如权利要求2所述的热管，其特征在于：所述亲水性涂层厚度范围为10纳米～200纳米。
4.如权利要求1所述的热管，其特征在于：所述管壳外壁周面形成有导热性涂层。
5.如权利要求4所述的热管，其特征在于：所述导热性涂层包括碳纳米管、纳米铜、纳米铝或纳米铜铝合金薄膜。
6.如权利要求5所述的热管，其特征在于：所述薄膜厚度范围为10纳米～500纳米。
7.如权利要求1至6任一所述的热管，其特征在于：所述吸液芯包括纳米碳球和碳纤维。
8.如权利要求1至6任一所述的热管，其特征在于：所述工作流体包括一种低沸点液体和添加其中的碳纳米管、纳米碳球、纳米铜粉或其混合物。
9.如权利要求1所述的热管，其特征在于：所述管壳内壁周面和外壁周面的表面粗糙度Rp-v为0.1μm～10μm。
10.如权利要求1所述的热管，其特征在于：所述管壳内壁周面和外壁周面的表面微坑宽度为1μm～20μm。
11.一种热管制造方法，包括下列步骤：
提供一中空管；
在中空管内壁周面形成吸液芯；及
将适量工作流体真空封闭在中空管内；其特征在于：在所述吸液芯表面形成亲水性涂层。
12.如权利要求11所述的热管制造方法，其特征在于：所形成的亲水性涂层包括纳米TiO2、纳米ZnO、纳米Al2O3或其混合物。
13.如权利要求11所述的热管制造方法，其特征在于：所述亲水性涂层采用交流磁控溅镀、反应性溅镀、无线射频溅镀、离子束蒸镀或电子束蒸镀方法形成。
14.如权利要求11所述的热管制造方法，其特征在于：进一步在所述管壳外壁周面形成导热性涂层。
15.如权利要求14所述的热管制造方法，其特征在于：所述导热性涂层包括碳纳米管、纳米铜、纳米铝或纳米铜铝合金薄膜。
16.如权利要求11至15任一项所述的热管制造方法，其特征在于：所述管壳内壁周面和外壁周面分别预先经过雷射毛化处理。
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