CN214276626U - 一种非均匀润湿性图案化吸液芯超薄平板热管 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于相变传热领域，公开了一种非均匀润湿性图案化吸液芯超薄平板热管。平板热管的底板和上盖板内侧面均为非均匀润湿性表面图案，且图案完全相同、上下对应。平板热管的冷凝区表面设计有超亲水通道，平板热管的蒸发区表面为超亲水区域，与超亲水输运通道相互连通，通过超亲水通道把冷凝区的液体输运到蒸发区，其他区域为超疏水区域或疏水区域。相比于传统的平板热管，本实用新型具有以下优点：制造方法简单可靠；导热热阻极小，可以提高工作介质的回流速度并强化冷凝区和蒸发区的传热，从而提高超薄平板热管的传热性能；本实用新型中的吸液芯是图案化设计，可以实现平板热管的超薄设计和柔性可折叠设计，解决了平板热管发展的瓶颈问题。

Description

一种非均匀润湿性图案化吸液芯超薄平板热管

技术领域

本实用新型属于相变传热领域，具体涉及一种非均匀润湿性图案化吸液芯超薄平板热管。

背景技术

随着集成电路的高速发展和人们对小型化、高性能电子产品的不断追求，电子产品系统的集成度越来越高，电路的运行速度不断加快，导致系统产生的热流密度不断增加。如果热量不能及时散失，电子设备会长期处于高温环境下，会导致性能大幅下降，寿命严重减短。平板热管作为一种高效的相变传热散热元件，由于其拥有导热系数大、无需外部动力、传热效率高、均温性能优异、轻小便捷、运行稳定性好等优点，被广泛应用在化工、冶金、电子元件、能源、航空等领域的散热上。

近年来平板热管的厚度越来越薄，超薄平板热管成为实现电子元器件快速有效散热的理想选择。吸液芯作为超薄热管内两相流动的通道及驱动力来源，对传热传质过程的影响重大。传统的烧结式吸液芯能够提供较大的毛细压力和良好的蒸发传热性能，但其渗透率和导热性能较差；而沟槽式吸液芯具有较高渗透性和导热性能，但其毛细压力较小。因此需要从表面的润湿性入手去突破限制平板热管发展的瓶颈。华北电力大学的刘昌泉等研制了一种1.30mm厚的超亲水/超疏水匹配超薄热管(刘昌泉,徐进良,纪献兵.超亲水/超疏水匹配超薄热管的传热特性[J].化工进展,2018,37(06):2067-2076.)，用化学方法对吸液芯和冷凝表面进行了改性处理，实现了热管中超亲水与超疏水的匹配，提高了热管的换热性能。

另外，新的电子产业发展开始转向曲面、折叠、柔性等方向，要求所匹配的散热元件不仅需要具有较高的导热性和小的体积，同时也要具备优良的柔韧性。但是，目前大多数平板热管是刚性结构，存在不能弯曲或者弯曲后内部结构发生变化的缺点，容易导致传热系数急剧下降。南京航空航天大学的史波等利用柔性铜丝网实用新型了一种超薄柔性平板热管(公开号CN 211012603)，实现了平板热管的柔性化设计，但是传统的丝网吸液芯依然存在导热热阻大、回流阻力大、所占空间大等问题。

鉴于上述传统的平板热管所出现的不足和电子散热领域的发展趋势，本实用新型提出了一种非均匀润湿性图案化吸液芯超薄平板热管。

实用新型内容

本实用新型解决的技术问题在于提供了一种非均匀润湿性图案化吸液芯超薄平板热管。本实用新型使得平板热管吸液芯可以同时兼具毛细压力大和渗透率高的优点；由于非均匀润湿性图案化吸液芯没有厚度，所以可以大大减薄平板热管的厚度；冷凝区超亲水-超疏水\疏水的图案设计有利于强化冷凝换热，同时蒸发段超亲水图案化设计也有利于增强换热效率；超亲水-超疏水\疏水结构的输运通道可以大大提高液体介质的回流速率。因此，本实用新型提供的一种非均匀润湿性图案化吸液芯超薄平板热管可以提高平板热管的传热性能，可以实现平板热管的超薄设计和柔性可折叠设计。

本实用新型的技术方案：

一种非均匀润湿性图案化吸液芯超薄平板热管，包括带有非均匀润湿性图案的上盖板1、与上盖板非均匀润湿性图案完全相同的底板5、上盖板1和底板5 之间的支撑柱3以及充液管4，其中：

所述底板5上开有凹槽2，非均匀润湿性图案位于凹槽2内；

所述支撑柱3固定在凹槽2内，使得上盖板1和底板5之间有一定间隙，作为蒸汽和液体工质流动的腔体；

所述充液管4设置在底板5上，并与凹槽2相连通，从而连通外界和平板热管中间的腔体，用于抽真空和充液；

所述非均匀润湿性图案包括超亲水通道和超亲水蒸发区，剩余区域为超疏水区域或疏水区域9；超亲水通道分为一个主通道6和多个次通道7，彼此相通；主通道6与超亲水蒸发区8相连通；每一个超亲水通道从冷凝区10延伸至超亲水蒸发区8，使得冷凝区10的蒸汽在超疏水区域或疏水区域9滴状冷凝后，利用表面张力从超疏水区域或疏水区域9移动到超亲水通道，然后在拉普拉斯压力、毛细力和表面张力作用下流向超亲水蒸发区8。

其中支撑柱3位于非均匀润湿性图案上的超疏水区域或疏水区域9，与上盖板1和底板5相连；

其中凹槽2内非均匀润湿性图案中心的矩形部分为超亲水蒸发区8，其余部分为冷凝区10，如图4所示。

其中，蒸汽在超疏水区域或疏水区域9上方的空腔内由超亲水蒸发区8流向冷凝区10，液体在超亲水通道中沿着冷凝区10回流到超亲水蒸发区8，此设计减小了汽液流动的剪切力，有助于加快液体回流速度。

所述超亲水通道的主通道和次通道的形状为三角形、楔形或条形。

所述上盖板和底板之间的空腔间隙为10～3000微米。

所述上盖板、底板和支撑柱采用柔性可折叠材料，从而制造柔性平板热管，不会影响吸液芯的吸液能力。

其中，超亲水指静态接触角小于10°，疏水指静态接触角大于90°，超疏水指静态接触角大于150°。

所述非均匀润湿性图案可以根据不同平板热管的需求进行不同图案的设计，所述超亲水三角形或楔形通道的楔形角12不大于8°，通过调控楔形角12的大小来调控流体输运的速度和距离；所述超亲水通道的形状和数量也可以调节。

所述充液管4将平板热管中的空腔与外界连通，用于抽真空和充液，充液完成后将其封闭。

本实用新型的有益效果：

(1)所述非均匀润湿性图案化吸液芯可以同时兼具毛细压力大和渗透率高的优点；

(2)由于非均匀润湿性图案化吸液芯没有厚度，所以可以大大减薄平板热管的厚度；

(3)冷凝区超亲水-超疏水\疏水的图案设计有利于强化冷凝换热，同时蒸发段超亲水图案化设计也有利于增强换热效率；

(4)超亲水-超疏水\疏水结构的输运通道可以大大提高液体介质的回流速率。

(5)所述非均匀润湿性图案化吸液芯不是刚性结构，可以实现平板热管的柔性、超薄和可折叠设计。

(6)所述非均匀润湿性图案化吸液芯超薄热管的制造方法简单可靠，可以大规模应用于工业生产，解决了平板热管发展的瓶颈问题。

附图说明

图1为一种非均匀润湿性图案化吸液芯超薄平板热管的结构示意图；

图2为上盖板和底板表面非均匀润湿性图案示意图；

图3为非均匀润湿性图案上单条超亲水通道放大图；

图4为上盖板和底板表面非均匀润湿性图案分区示意图；

图5为底板的线架结构示意图；

图6为平板热管总体的线架结构示意图；

图中：1上盖板；2凹槽；3支撑柱；4充液管；5底板；6主通道；7次通道；8 超亲水蒸发区；9超疏水区域或疏水区域；10冷凝区；11充液孔；12楔形角。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本实用新型的具体实施方式。

为了便于理解本实用新型，下面将结合具体实施方式进行详细的描述。但是应当理解，这些描述的技术特征和实施方法只是为了进一步说明本实用新型的特征和优点，而不是对本实用新型权利要求的限制。

实施例1：

(1)首先通过机械加工的方法使用镜面铝加工出上盖板1和底板5以及支撑柱3,使用焊接技术将充液管4焊接在底板的充液孔11上。

(2)制备包含疏水性氟丙烯酸共聚物，TiO₂纳米颗粒和乙醇的分散体。首先将1.5gTiO₂添加到14g乙醇中形成TiO₂和乙醇的悬浮液，然后通过进行探头超声处理。然后，加入2.5g氟丙烯酸共聚物溶液，并在室温下机械摇动以形成稳定的分散体。

(3)使用喷枪将上述溶液喷涂到镜面铝上，以形成均匀的涂层。然后将喷涂样品在预热的60℃的烘箱中干燥4小时，最终形成超疏水表面。

(4)通过使用光掩膜将涂覆的基材选择性暴露于紫外线辐射，从而在该超疏水表面上形成超亲水图案。紫外光穿过掩膜的透明部分，并照射到涂覆的超疏水基材上。复合材料中TiO₂的存在促进了暴露区域的光催化转化，使其具有超亲水性。使用这种紫外光掩模技术获得了具有非均匀润湿性图案的吸液芯设计。

(5)通过焊接技术将镜面铝材质的上盖板和底板焊接在一起，制造出了超薄平板热管。

实施例2：

(1)首先通过机械加工的方法使用镜面铝加工出上盖板1和底板5以及支撑柱3,使用焊接技术将充液管4焊接在底板的充液孔11上。

(2)将铝样品在室温下浸入0.5M NaOH中，以去除其表面上的氧化物层和油，然后将其表面在80℃的1M HCl溶液中蚀刻2分钟，以形成微米级结构体。将具有微结构化表面的铝样品浸入NaOH溶液(0.5M，室温)中10秒钟，以在其表面上形成纳米级结构。

(3)将铝样品在95℃的去离子水中浸泡5分钟以使其稳定。然后将铝样品的分层结构表面涂上七氟-1,1,2,2-四氢癸基三氯硅烷的自组装单层。将铝样品浸入含有正己烷的七氟-1,1,2,2-四氢癸基三氯硅烷溶液中(体积比为1000：1) 10分钟，然后将样品用去离子水洗涤并在烤箱中干燥。在105℃的温度下烘烤 1小时。涂层样品表现出超疏水性，水接触角为164.4°。

(4)通过激光加工对超疏水表面进行构图，对基础铝表面进行激光照射，使表面熔化，形成新的纳米结构。此外，氟烷基中的C-F键在500℃消失，导致疏水性丧失，从而形成超亲水区域。

(5)通过焊接技术将铝材质的上盖板和底板焊接在一起，制造非均匀润湿性图案吸液芯超薄平板热管。

以上所述的具体示例，对本公开的实用新型以及有益效果进行了详尽的阐述，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体示例而已，并不限制本实用新型。图中各元件的尺寸和形状不反应真实大小和比例，图中非均匀润湿性图案不反应固定的图案，而仅表示本示例的内容。凡是在本公开的原则和精神上，所做的任何修改、改进以及等同替换等，均在本公开的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种非均匀润湿性图案化吸液芯超薄平板热管，其特征在于，该非均匀润湿性图案化吸液芯超薄平板热管包括带有非均匀润湿性图案的上盖板、与上盖板非均匀润湿性图案完全相同的底板、上盖板和底板之间的支撑柱以及充液管，其中：

所述底板上开有凹槽，非均匀润湿性图案位于凹槽内；

所述支撑柱固定在凹槽内，使得上盖板和底板之间有一定间隙，作为蒸汽和液体工质流动的腔体；

所述充液管设置在底板上，并与凹槽相连通，从而连通外界和平板热管中间的腔体，用于抽真空和充液；

所述非均匀润湿性图案包括超亲水通道和超亲水蒸发区，剩余区域为超疏水区域或疏水区域；超亲水通道分为一个主通道和多个次通道，彼此相通；主通道与超亲水蒸发区相连通；每一个超亲水通道从冷凝段延伸至超亲水蒸发区，使得冷凝段的蒸汽在超疏水区域或疏水区域滴状冷凝后，利用表面张力从超疏水区域或疏水区域移动到超亲水通道，然后在拉普拉斯压力、毛细力和表面张力作用下流向超亲水蒸发区。

2.根据权利要求1所述的非均匀润湿性图案化吸液芯超薄平板热管，其特征在于，所述超亲水通道的主通道和次通道的形状为三角形、楔形或条形。

3.根据权利要求2所述的非均匀润湿性图案化吸液芯超薄平板热管，其特征在于，所述超亲水三角形或楔形通道的楔形角不大于8度。

4.根据权利要求1-3任一所述的非均匀润湿性图案化吸液芯超薄平板热管，其特征在于，所述上盖板和底板之间的空腔间隙为10～3000微米。

5.根据权利要求1-3任一所述的非均匀润湿性图案化吸液芯超薄平板热管，其特征在于，所述上盖板、底板和支撑柱采用柔性可折叠材料。

6.根据权利要求4所述的非均匀润湿性图案化吸液芯超薄平板热管，其特征在于，所述上盖板、底板和支撑柱采用柔性可折叠材料。

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