CN216694604U

CN216694604U - 一种热开关热管

Info

Publication number: CN216694604U
Application number: CN202220058122.6U
Authority: CN
Inventors: 颜才满; 丁鑫锐; 汤勇; 张仕伟; 李宗涛; 梁怡富
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2022-01-11
Filing date: 2022-01-11
Publication date: 2022-06-07
Anticipated expiration: 2032-01-11

Abstract

本实用新型涉及一种热开关热管，包括真空密封的管壳体；管壳体内设有管状的吸液芯，管壳体内壁连接于吸液芯外壁；吸液芯的管腔内设有冷凝段和填充有液态工质的蒸发段；冷凝段和蒸发段之间设有单向导通装置；冷凝段、吸液芯和蒸发段依次连接形成液态工质通路；蒸发段、单向导通装置和冷凝段依次连接形成气态工质通路；单向导通装置用于在蒸发段低功率状态下，隔断气态工质通路，在蒸发段高功率状态下，导通气态工质通路。热开关热管具有热传导可变热阻特性和热传导单向性，能够满足低功率下低热导率而高功率下高热导率的使用要求，适用于工业生产，在半导体、电子设备等某些特定应用场合具有新颖应用价值。

Description

一种热开关热管

技术领域

本实用新型涉及热管技术领域，特别是涉及一种热开关热管。

背景技术

电子发展趋势关键在于高集成度、高性能和小型化。根据摩尔定律，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。而近年来，摩尔定律的发展逐渐达到瓶颈期，其中一个重要的问题是散热限制。

相变传热技术，利用汽液相变原理，在热量输入下，工质汽化快速带走热量，避免芯片内部由于高温而失效，被广泛用于电子器件及半导体领域。热管，作为典型的相变传热元件，凭借其高热导率、快速响应、高可靠性等优势逐渐被电子器件所青睐，应用越发广泛。热管除了常见用于电脑散热系统中，近些年来，在高性能手机中开始展露光芒，有些内部采用了超长热管、可固化导热凝胶、高导热铝合金框架以及多层复合石墨散热片组成一套完善的手机散热系统；有些采用双热管液冷散热，两者关键元件均为高热导率热管，其有效改善了手机长时间游戏高功耗下的发热问题。

然而，一些新型应用场景下，除了要求热管的高导热性，还需要满足热传导可变热阻特性。典型使用场景为，低功率下较低热导率可满足使用场景而高功率下需要高热导率方可满足使用要求。传统热管难以满足该新型要求，无法发挥其优异的导热功效。因此，如何设计一种具有热开关属性的新型热管是业界所面临的全新技术挑战。

实用新型内容

针对现有技术中存在的技术问题，本实用新型的目的在于：提供一种热开关热管，具有热传导可变热阻特性和热传导单向性，能够满足低功率下低热导率而高功率下高热导率的使用要求。

为了达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种热开关热管，包括真空密封的管壳体；

管壳体内设有管状的吸液芯，管壳体内壁连接于吸液芯外壁；

吸液芯的管腔内设有冷凝段和填充有液态工质的蒸发段；

冷凝段和蒸发段之间设有单向导通装置；

冷凝段、吸液芯和蒸发段依次连接形成液态工质通路；

蒸发段、单向导通装置和冷凝段依次连接形成气态工质通路；

单向导通装置用于在蒸发段低功率状态下，隔断气态工质通路，在蒸发段高功率状态下，导通气态工质通路。

进一步，蒸发段管径小于冷凝段管径。较小的蒸发段管径满足了反向限位结构设计，并且气态工质更容易在蒸发段形成较大的蒸汽压力以启动单向导通装置，从而使得热开关热管更灵敏。

进一步，冷凝段包括一个或者多个冷凝分段，相邻的两个冷凝分段之间设有单向导通装置。采用多个冷凝分段结构依次串接实现阻力串联功能，正向启动时需要同时启动多个单向导通装置，适用于大功率热源场景。

进一步，单向导通装置包括至少一个阻隔件和弹簧，阻隔件外径大于蒸发段管径且小于冷凝段管径。

进一步，阻隔件为至少两个，至少两个阻隔件紧密连接形成阻隔件组，阻隔件组一端抵接于蒸发段，另一端连接于弹簧。

进一步，阻隔件为圆球、圆柱或圆台形，材料包括金、银、钢、铁、铜、铅、铝等金属。

进一步，液态工质为水、丙酮、乙醇或氨，液态工质体积占管壳体内腔的10-40％。

进一步，管壳体内真空度≤10Pa。

一种热开关热管的制备方法，包括如下步骤，

在管壳体内置入管状的吸液芯，使管壳体内壁连接于吸液芯外壁；

外加工缩小管壳体蒸发段管径，将单向导通装置置于吸液芯管腔内的冷凝段和蒸发段之间，若具有多个冷凝分段，重复缩径及布置导通装置步骤。使冷凝段、吸液芯和蒸发段依次连接形成液态工质通路，蒸发段、单向导通装置和冷凝段依次连接形成气态工质通路；所形成的台阶型管径分布可以满足反向限位结构要求，有利于提升热管传热单向性。将液态工质灌注至蒸发段；管壳体抽真空并密封。

进一步，在管壳体内置入管状的吸液芯的实现方式包括以下步骤，

在管壳体中置入石墨芯棒，在管壳体与石墨芯棒之间填充金属粉末；填粉后的管壳体连同石墨芯棒一起烧结，使金属粉末形成吸液芯；烧结后将石墨芯棒抽离，从而在管壳体内获得管状的吸液芯。

管状吸液芯由金属粉末紧密烧结而成，具有毛细吸液性能。金属粉末采用管壳体相同材质，目数为100-1000目。使用烧结法能够在管壳体内壁上生成紧密连接的管状的吸液芯，避免了用现成的吸液芯直接塞入管壳体内而无法紧密连接导致的松动和传热效果不佳的问题，同时金属粉末与管壳体相同材质可以规避因膨胀系数不同导致的开裂、缝隙等缺陷。

总的说来，本实用新型具有如下优点：

当蒸发段功率较低时，液态工质蒸发所形成的气态工质压力较低，不足以启动单向导通装置，热开关热管无法顺利启动，热管整体呈现低热导率特性；而当蒸发段功率上升到一定程度，液态工质蒸发所形成的气态工质压力较高，能够启动单向导通装置，气态工质通过单向导通装置后到达冷凝段，并在冷凝段冷凝为液态工质，然后液态工质由吸液芯吸收并回流到蒸发段，从而形成汽液循环，热管得以顺利启动。持续的汽液循环可以迅速带走热源热量，热管整体呈现高热导率特性。因此，本实用新型的热开关热管具有热传导可变热阻特性，能够满足低功率下低热导率而高功率下高热导率的使用要求。

当反向加热时，蒸汽无法通过单向导通装置，热开关热管启动所必需的汽液循环无法形成，冷凝段无法顺利启动，因此该热开关热管还具有热传导单向性。

附图说明

图1为本实用新型中实心圆塞的其中一种结构示意图；

图2为实施例1中管壳体封头的示意图；

图3为实施例1中吸液芯烧结制备过程的示意图；

图4为实施例1中加热段缩头的示意图；

图5为实施例1中布置单向导通装置的示意图；

图6为实施例1中灌液、抽真空封口的示意图；

图7为实施例1中热开关热管的结构示意图；

图8为实施例2中热开关热管的结构示意图；

图9为实施例3中热开关热管的结构示意图。

其中：1、管壳体，2、吸液芯，3、单向导通装置，31、实心圆塞，32、弹簧，4、液态工质、5、石墨芯棒。

具体实施方式

下面来对本实用新型做进一步详细的说明。

实施例1

如图7所示，一种热开关热管，包括管壳体1、吸液芯2、单向导通装置3和液态工质4。其中，管壳体1形成密封并且内部抽真空形成真空状态，单向导通装置3由实心圆塞31(阻隔件)与弹簧32共同组成，吸液芯2、液态工质4和单向导通装置3均置于管壳体1内部。

在一个优选的实施例中，热开关热管由两种管径分段组成，其中第一段(缩头段)具有较小管径，设为蒸发段；第二段具有较大管径，设为冷凝段。单向导通装置3位于第二段内。单向导通装置3的直径大于第一段加热段管径，并且小于第二段管内径。单向导通装置3的导通方向为由蒸发段向冷凝段导通，反之则阻隔。

在该优选实施例中，单向导通装置3由实心圆塞31与弹簧32共同形成限位功能，实心圆塞31贴近第一段小管径一侧。实心圆塞31形状优选为钢珠圆球。单向导通装置3的弹簧32外径小于第二段管内径，弹簧32线径为1mm。管壳体1为无结构空管，直径为6mm，管壁壁厚为0.5mm，材料为铜。吸液芯2附着于管壳体1内壁上，由目数为100的铜粉颗粒烧结而成，具有毛细吸液性能。液态工质4优选为去离子水。

一种热开关热管的制备方法，具体包括如下步骤：

S1.空管焊头。选择直径6mm、管壁壁厚0.5mm、长度18cm的无结构铜管作为管壳体1，首先进行超声波清洗干燥处理。然后将管壳体1一端采用钨极氩弧焊进行焊头密封处理，如图2所示。焊头过程采用高纯度氩气保护，纯度为99.99％。

S2.吸液芯2烧结。在缩头后的管壳体1中塞入烧结石墨芯棒5，进行填粉处理。金属粉末选择100目的铜粉颗粒。填粉后的管连同烧结石墨芯棒5一同采用还原气氛烧结法烧结形成吸液芯2，如图3所示。所用气氛为氩氢混合气体，氢气含量为5％。烧结温度为900度保温1小时。烧结后将石墨芯棒5抽离，获得吸液芯2。

S3.缩头。将烧结有吸液芯2的管壳体1焊头密封一侧进行旋压缩头处理，如图4所示。旋压缩头直径为原管壳外径的1/2，旋压缩头长度为60mm。

S4.布置单向导通装置3。在重力作用下，先放入1颗直径为5mm的钢珠圆球实心圆塞31，然后放入1根外径为5mm，线径为1mm的弹簧32，如图5所示。该钢珠圆球和弹簧32共同组成单向导通装置3。

S5.灌液抽真空。液态工质4选择为去离子水，灌液率为30％。采用先抽后灌方式，将管壳体1抽真空处理，真空度为8Pa。

S6.封尾密封。最后将管壳体1另一端开口处进行闸刀封尾密封，如图6所示。该封尾过程真空泵一直处于工作状态，保证管壳体1内部处于高真空状态。最后采用氦检手段检测成品，证明完全密封后，完成制备过程。

经过上述步骤S1-S6，获得一种热开关热管，如图7所示。

该热开关热管中，当缩头端为加热端时，在低功率情况下，液态工质4蒸发所形成的气态工质压力较低，不足以启动单向导通装置3，热开关热管无法顺利启动；而当加热端功率上升到一定程度，液态工质4蒸发所形成的气态工质压力较高，能够启动单向导通装置3，气态工质通过单向导通装置3后到达冷凝段，并在冷凝段冷凝为液态工质4，然后液态工质4由吸液芯2吸收并回流到蒸发段，从而形成汽液循环，热管得以顺利启动。因此，本实施例所提出的热开关热管实现了低功率下低热导率而高功率下高热导率的功能型热管。

而当无缩头段为加热端时，单向导通装置3由于缩管处内径的限位，蒸汽无法通过，阻断了热管启动所必需的汽液循环，冷凝段无法顺利启动，因此该热开关热管还具有热传导单向性。

实施例2

与实施例1不同之处在于：

步骤S4中，如图1所示，采用铁圆柱为实心圆塞31，铁圆柱直径为5mm，长度为5mm，与弹簧32共同组成单向导通装置3。3个铁圆柱依次紧密布置，推动3个铁圆柱需要更大的蒸汽压力，适用于大功率热源场景。

经过上述步骤S1-S6，获得本实用新型所述的一种热开关热管，如图8所示。

实施例3

与实施例1不同之处在于：

步骤S1中，选择直径12mm、管壁壁厚1mm、长度24cm的沟槽铜管作为管壳体1；

步骤S3和S4中，管壳体1经过两次缩头和布置单向导通装置3工艺，即历经两次步骤S3和步骤S4。第一次缩头，旋压缩头直径为原管壳外径的3/4，旋压缩头长度为16cm；第一次布置单向导通装置3，在重力作用下，先放入1颗直径为4mm的钢珠圆球实心圆塞31，然后放入1根外径为4mm，线径为1mm的弹簧32。第二次缩头，旋压缩头直径为原管壳外径的1/2，旋压缩头长度为8cm。第二次布置单向导通装置3，放入1颗直径为7mm的铜圆柱实心圆塞31，然后放入1根外径为7mm，线径为1.5mm的弹簧32。

经过上述步骤S1-S6，获得本实用新型所述的一种热开关热管，如图9所示。该实施例的热开关热管具有两级单向导通装置3特征，实现了阻力串联效果，适用于大功率热源场景。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种热开关热管，其特征在于：包括真空密封的管壳体；

吸液芯的管腔内设有冷凝段和填充有液态工质的蒸发段；

冷凝段和蒸发段之间设有单向导通装置；

冷凝段、吸液芯和蒸发段依次连接形成液态工质通路；

2.按照权利要求1所述的一种热开关热管，其特征在于：蒸发段管径小于冷凝段管径。

3.按照权利要求1所述的一种热开关热管，其特征在于：冷凝段包括至少两个冷凝分段，相邻的两个冷凝分段之间设有单向导通装置。

4.按照权利要求1所述的一种热开关热管，其特征在于：单向导通装置包括阻隔件和弹簧，阻隔件外径大于蒸发段管径且小于冷凝段管径，阻隔件一端抵接于蒸发段，阻隔件另一端连接于弹簧一端，弹簧另一端抵接于冷凝段。

5.按照权利要求4所述的一种热开关热管，其特征在于：阻隔件为至少两个，至少两个阻隔件紧密连接形成阻隔件组，阻隔件组一端抵接于蒸发段，另一端连接于弹簧。

6.按照权利要求4所述的一种热开关热管，其特征在于：阻隔件为圆球、圆柱或圆台形，材料包括金、银、钢、铁、铜、铅或铝。

7.按照权利要求1所述的一种热开关热管，其特征在于：液态工质为水、丙酮、乙醇或氨，液态工质体积占管壳体内腔的10-40％。

8.按照权利要求1所述的一种热开关热管，其特征在于：管壳体内真空度≤10Pa。