TWI599754B - 一種熱導管的毛細結構及其製造方法 - Google Patents

Description

一種熱導管的毛細結構及其製造方法

本發明為有關一種熱導管的毛細結構及其製造方法，尤指一種具有優異熱傳導性能的熱導管的毛細結構及其製造方法。

熱導管為一種具有快速傳遞熱能的特殊材料，藉由腔體內作動流體持續循環的汽液二相變化，達成比純金屬導熱還快的熱量傳遞，其中空的金屬管體，使其具有質輕的特點及快速均溫的特性及優異的熱超導性能，目前已普及於各式熱交換器、冷卻器。

如中華民國新型專利公告第M278214號中，提出一種熱導管的製造過程，首先從一管體之一開口端置入一具有可增加毛細作用力的金屬網，使該金屬網位於該管體之一中空部，且該金屬網由多個軸向的金屬銅線及多個徑向金屬銅線交錯組合而成，其中該金屬網之直徑略小於該管體之內徑，使該金屬網與該管體的一內壁之間具有一容納一銅粉的空隙，該銅粉具有增加毛細作用力且位於一溝槽的內部；接著，進行高溫之一燒結動作，使該銅粉及該金屬網附著於該內壁，而後將該管體抽真空後注入一工作流體，並將該開口端予以封口。

另如美國專利公開第20130168052號中，提出一種熱導管與毛細芯的組成，一熱導管包含一主體，該主體於內側具有一內壁面、一設於該內壁面上的毛細芯及一填充在該主體內的工作流體，該工作流體滲入該毛細芯，該毛細芯包含一燒結於該內壁面上的第一毛細管粉末及一燒結於該內壁面上的第二毛細管粉末，該第一毛細管粉末及該第二毛細管粉末由銅製成。

然而，由於電子產品之設計係朝輕薄化發展，熱導管亦須相應配合，但以往熱導管內的毛細結構為顆粒狀的金屬微粒或金屬做出的網狀結構，其微小化具有一定之難度；且如熱導管的體積縮小，其中的毛細結構亦將同步縮小，會導致工作流體的回流通量減少而降低熱導管的散熱效率。

本發明的主要目的，在於解決習知熱導管的金屬毛細結構微小化不易，以及工作流體回流之流通量減少而導致熱傳導效率不高的問題。

為達上述目的，本發明提供一種熱導管的毛細結構的製造方法，包含下列步驟：

準備一分散液與一樹酯，並將該分散液與該樹酯混合形成一塗料，該分散液包括一碳材料，該碳材料擇自於奈米碳管、石墨烯及碳奈米帶所組成的群組；

將該塗料塗佈於一導熱管體的一內壁；

對該導熱管體進行一冷凍乾燥處理，使該塗料乾燥並形成一多孔性結構；以及

對該導熱管體進行一高溫處理，使該多孔性結構進一步固化並於該導熱管體的該內壁而形成一具有毛細結構的多孔含碳塗層。

為達上述目的，本發明還提供一種熱導管的毛細結構，係以前述方法製成。

由以上可知，本發明相較於習知技藝可達到之功效在於，本發明並非採傳統的金屬微粒或金屬網狀結構，而是利用該塗料形成具有毛細結構的該多孔含碳塗層，相較之下，結構微小化的困難度較低；其次，利用本發明得到的該熱導管的毛細結構，由於該多孔含碳塗層的毛細結構具有孔隙率高、孔壁比表面積高及壁薄特性，縱然結構微小化，藉由孔隙率高和壁薄之特性仍可提高工作流體的流通量，使工作流體的回流速度提高，而對於孔壁比表面積高的特性來說，工作流體與毛細結構的接觸面大，而使熱阻降低，將可改善熱交換的效率，綜合前述因素，結構微小化後的熱導管，該多孔含碳塗層將具有優異的熱傳導效果；再者，本發明係使用奈米碳管、石墨烯或碳奈米帶等碳材料作為毛細結構的材料，由於該些碳材料本身即具有高熱傳導係數，故相較於使用金屬作為毛細結構的傳統熱導管，將具有更佳的導熱特性。

有關本發明的詳細說明及技術內容，現就配合圖式說明如下：

請搭配參閱『圖1』及『圖2』所示，分別為本發明一實施例的步驟流程示意圖以及熱導管結構示意圖，本發明為一種熱導管的毛細結構的製造方法，包含下列步驟：

步驟S1：準備一分散液和一樹酯，並將該分散液與該樹酯混合形成一塗料，該分散液包括一碳材料，該碳材料為奈米碳管、石墨烯、碳奈米帶或其組合，其中，該分散液於該塗料中的重量百分比介於50 wt.%至85 wt.%之間，較佳地介於60 wt.%至75 wt.%之間，該樹酯於該塗料中的重量百分比介於15 wt.%至50 wt.%之間，較佳地介於25 wt.%至40 wt.%之間。

步驟S2：將該塗料塗佈於一導熱管體1的一內壁2，於本發明中，該導熱管體1的材質可採用具良好導熱效果的金屬，例如銅；而塗佈的方式可採用含浸塗佈(Dip coating)、噴霧塗佈(Spray coating)或噴墨塗佈(Ink-jet coating)等等。

步驟S3：對該導熱管體1進行一冷凍乾燥處理，使該塗料於該內壁2乾燥並形成一多孔狀結構，該冷凍乾燥處理係將該導熱管體1置於一介於0°C至－200°C之間的冷凍溫度。該冷凍乾燥處理之目的在於使該塗料中的溶劑脫除，其中，該冷凍乾燥處理較佳地於一真空環境中進行。

步驟S4：對該導熱管體1進行一高溫處理，使該多孔狀結構進一步固化並於該導熱管體1的該內壁2形成一具有毛細結構的多孔含碳塗層3，而得到一熱導管的毛細結構，於本步驟中，該高溫處理的目的在於使該多孔狀結構產生鍵結、熟化而穩定。於本發明的一實施例中，該高溫處理的溫度介於250℃至600℃之間。於該高溫處理中，該樹酯將硬化、固化、交聯、熟化或反應成鍵結，而令該塗料燒結而成形。如圖『2』所示，一般來說，熱導管為一密閉管狀容器，內部裝有少量的工作流體。實際使用時，熱導管的一端係接近熱源，當工作流體受熱後，將達沸點而汽化並蒸發為氣體而移動至熱導管的另一端，氣體透過熱導管的管壁將熱能釋放至外部，而氣體又再冷卻成工作流體，工作流體利用該多孔含碳塗層3的該毛細結構，重新回流至接近熱源的一端，如此形成一循環熱傳導系統。

於本發明之一實施例中，該分散液的製備係先將該碳材料放入硝酸，進行過濾和烘乾後，形成一酸化碳材料粉末，之後再將該酸化碳材料粉末加入一溶液中，以形成該分散液，其中該酸化碳材料粉末於該分散液中的重量百分比介於0.1 wt.%至5 wt.%之間，而該溶液為水。此外，該樹酯的製備係先準備一第一溶膠、一第二溶膠和一第三溶膠，其製備說明如後。在50℃至90℃之間的溫度將磷酸三乙酯(Triethyl phosphate，簡稱TEP)加入乙醇(Ethanol)混合，並攪拌50至70分鐘，形成該第一溶膠，磷酸三乙酯的重量百分比介於25 wt.%至87.5 wt.%之間，乙醇的重量百分比介於12.5 wt.%至75 wt.%之間；在50℃至90℃之間的溫度將硝酸鋁(Aluminum nitrate)加入乙醇混合，並攪拌50至70分鐘，形成該第二溶膠，硝酸鋁的重量百分比介於10 wt.%至25 wt.%之間，乙醇的重量百分比介於12.5 wt.%至90 wt.%之間；在50℃至90℃之間的溫度將四乙氧基矽烷(Tetraethyl orthosilicate，簡稱TEOS)加入乙醇混合，並攪拌50至70分鐘，形成該第三溶膠，四乙氧基矽烷的重量百分比介於15 wt.%至85 wt.%之間，乙醇的重量百分比介於85 wt.%至15 wt.%之間。待完成該第一溶膠、該第二溶膠和該第三溶膠的製備後，在50℃至90℃之間的溫度將一鹽酸(Hydrochloric acid，簡稱HCl)水溶液、該第一溶膠、該第二溶膠及該第三溶膠混合，並攪拌50至70分鐘，而形成該樹酯，其中，該第一溶膠的重量百分比介於30 wt.%至60 wt.%之間，該第二溶膠的重量百分比介於10 wt.%至30 wt.%之間，該第三溶膠的重量百分比介於15 wt.%至58 wt.%之間，該鹽酸水溶液的重量百分比介於0.01 wt.%至0.5 wt.%之間，且該鹽酸水溶液的重量濃度介於0.1 wt.%至2 wt.%之間。

另外，於步驟S1中，尚可於該塗料中添加一觸變劑及一流平劑，該觸變劑可使用羧甲基纖維素鈉(Carboxymethyl Cellulose，簡稱CMC)，該流平劑可使用聚丙烯酸(Polyacrylic Acid，簡稱PAA)或有機矽流平劑及氟碳化合物類流平劑，該觸變劑或該流平劑於該塗料中的重量百分比介於0.1 wt.%至5 wt.%之間。添加該觸變劑或該流平劑的用意在於改變該塗料的流動特性，如此一來，將可控制該多孔含碳塗層3的厚度。

請繼續參閱『圖3』，『圖3』為本發明一實施例中，該多孔含碳塗層3的掃描式電子顯微鏡照片，如圖所示，該多孔含碳塗層3的該毛細結構具有孔隙率高及孔壁薄之特性，因此，該多孔含碳塗層3的結構可提高工作流體的流通量。依據本發明之方法所形成的該多孔含碳塗層3之孔隙尺寸約介於10nm至500μm之間，而該毛細結構的孔徑率可介於80%至99%之間，相對於傳統金屬網格熱導管之毛細結構，其通量可提高1.33至5倍。此外，因本發明採用碳材料作為該毛細結構的材料，故在如此條件之下，仍能保有一定的結構強度。

總上所述，本發明並非採傳統的金屬微粒或金屬網狀結構，而是利用該塗料形成具有毛細結構的該多孔含碳塗層，相較之下，結構微小化的困難度較低；其次，利用本發明之方法所得到的該熱導管的毛細結構，因該多孔含碳塗層的毛細結構具有孔隙率高、孔壁比表面積高及孔壁薄之特性，縱然結構微小化，藉由孔隙率高和孔壁薄之特性將仍可提高工作流體的流通量，使工作流體的回流速度提高；而對於孔壁比表面積高的特性來說，工作流體與毛細結構的接觸面大，而使熱阻降低，將可改善熱交換的效率，綜合前述因素，結構微小化後的熱導管，該多孔含碳塗層將具有優異的熱傳導效果。其次，本發明係使用奈米碳管、石墨烯或碳奈米帶等碳材料作為毛細結構的材料，由於該些碳材料本身即具有高熱傳導係數，故相較於使用金屬作為毛細結構的傳統熱導管，將具有更佳的導熱特性。

S1、S2、S3、S4：步驟 1：導熱管體 2：內壁 3：多孔含碳塗層

圖1，為本發明一實施例的步驟流程示意圖。 圖2，為本發明一實施例的熱導管結構示意圖。 圖3，為本發明一實施例中，該多孔含碳塗層的掃描式電子顯微鏡照片。

1：導熱管體 2：內壁 3：多孔含碳塗層

Claims (11)

1. 一種熱導管的毛細結構的製造方法，包含下列步驟：準備一分散液，並將該分散液與一樹酯混合形成一塗料，該分散液包括一碳材料，其中該分散液於該塗料中的重量百分比介於50wt.%至85wt.%之間，該樹酯於該塗料中的重量百分比介15wt.%至50wt.%之間，且該碳材料擇自於奈米碳管、石墨烯及碳奈米帶所組成的群組；將該塗料塗佈於一導熱管體的一內壁；對該導熱管體進行一冷凍乾燥處理，使該塗料於該內壁乾燥並形成一多孔性結構；以及對該導熱管體進行一高溫處理，使該多孔性結構進一步固化並於該導熱管體的該內壁形成一具有毛細結構的多孔含碳塗層。
2. 如申請專利範圍第1項所述的熱導管的毛細結構的製造方法，其中該分散液的製備更包含下列步驟：將該碳材料加入硝酸，並烘乾形成一酸化碳材料粉末；以及將該酸化碳材料粉末加入一溶液中，以形成該分散液。
3. 如申請專利範圍第2項所述的熱導管的毛細結構的製造方法，其中該酸化碳材料粉末於該分散液中的重量百分比介於0.1wt.%至5wt.%之間。
4. 如申請專利範圍第1項所述的熱導管的毛細結構的製造方法，其中該塗料更包括一觸變劑，該觸變劑於該塗料中的重量百分比介於0.1wt.%至5wt.%之間。
5. 如申請專利範圍第4項所述的熱導管的毛細結構的製造方法，其中該觸變劑為羧甲基纖維素鈉。
6. 如申請專利範圍第1項所述的熱導管的毛細結構的製造方法，其中該塗料更包括一流平劑，該流平劑於該塗料中的重量百分比介於0.1wt.%至5wt.%之間。
7. 如申請專利範圍第6項所述的熱導管的毛細結構的製造方法，其中該流平劑擇自於聚丙烯酸、有機矽流平劑及氟碳化合物類流平劑所組成的群組。
8. 如申請專利範圍第1項所述的熱導管的毛細結構的製造方法，其中該樹酯的製備包含下列步驟：在50℃至90℃之間的溫度將磷酸三乙酯加入乙醇混合形成一第一溶膠，在50℃至90℃之間的溫度將硝酸鋁加入乙醇混合形成一第二溶膠，在50℃至90℃之間的溫度將四乙氧基矽烷加入乙醇混合形成一第三溶膠；以及在50℃至90℃之間的溫度將一鹽酸水溶液、該第一溶膠、該第二溶膠及該第三溶膠混合而形成該樹酯，其中該第一溶膠的重量百分比介於30wt.%至60wt.%之間，該第二溶膠的重量百分比介於10wt.%至30wt.%之間，該第三溶膠的重量百分比介於15wt.%至58wt.%之間，該鹽酸水溶液的重量百分比介於0.01wt.%至0.5wt.%之間，且該鹽酸水溶液的重量濃度介於0.1wt.%至2wt.%之間。
9. 如申請專利範圍第9項所述的熱導管的毛細結構的製造方法，其中該分散液於該塗料中的重量百分比介於60wt.%至75wt.%之間，該樹酯於該塗料中的重量百分比介於25wt.%至40wt.%之間。
10. 如申請專利範圍第1項所述的熱導管的毛細結構的製造方法，其中該高溫處理的溫度介於250℃至600℃之間。
11. 一種熱導管的毛細結構，係以申請專利範圍第1項的方法製成，其中包含一供一工作流體流動的毛細結構。