CN101839660A - 一种孔槽复合芯扁平热管及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种孔槽复合芯扁平热管及其制造方法，扁平热管包括热管壳体和多孔结构毛细层，壳体由外径为6-10mm，厚度为0.20-0.45mm，其内壁面加工有均匀分布轴向微沟槽的圆管压扁而成，多孔毛细层由金属粉末附着于壳体微沟槽壁面烧结形成，厚度为0.30-0.70mm，多孔毛细层分布有轴向微裂槽。本发明孔槽复合芯扁平热管显著提高烧结层与壁面的结合强度，且可同时具备了烧结式热管的较高毛细力和沟槽式热管的较高渗透性，尤其在于烧结多孔毛细层表面的轴向微裂槽，提供了附加的蒸汽通道，增加了气液界面面积，促进工质的蒸发，可以显著提高了扁平热管传热性能。

Description

一种孔槽复合芯扁平热管及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种热管，尤其涉及一种孔槽复合芯扁平热管及其制造方法。
背景技术
随着微电子领域芯片热流密度急剧增加及有效散热空间日益狭小等新特点和新现象的出现，传统的利用增大有效散热面积进行散热的方法已经不能满足散热需求，而具有高导热率、良好的等温性、热响应快、结构简单、无需额外电力驱动等优点的小型/微型热管成为高热流密度芯片导热的理想元件。在热管内部充填有沸点较低、容易挥发的液体(如水)。它的工作原理是：真空状态下，当热管一段受热时，热管内沟槽中的液体迅速蒸发，水蒸气在微小的压力差下流向另一端，并且释放出热量后，重新凝结成液体；液体再借助毛细力的作用回流。如此循环不止，热量由热管一端传至另一端。为了改善热管的散热能力，人们将铜粉烧结在热管内壁，以进一步提高热管散热的效力。
然而，这种结构的热管由于其内壁是光滑的，铜粉颗粒与热管内壁的接触点少仅有一个铜粉颗粒与内壁相接触。而且在热管应用过程中，由于空间的限制常需要把热管压扁到一定的厚度以减小电子产品的总体厚度。压扁加工后的扁平热管易出现烧结粉层与管壁脱离的结构缺陷；而且热管压扁还会使蒸汽通道剧烈减小，不利于工质循环，将极大的影响热管的传热性能。论文“槽道热管压扁度对传热的影响”(陶汉中，张红，庄骏.北京化工大学学报(自然科学版)，2007，34(1))在将槽道热管压扁后发现：将直径为6mm的槽道热管压扁成2mm扁平热管后，极限传输功率降至原来的1/4。将直径为6mm的柱状热管分别压扁至3.5、3及2.5mm时，热阻基本稳定在0.08℃/W左右，但压扁至2mm时，热阻明显增大。直径为6mm的柱状热管压扁成3.5mm扁平热管时，蒸发换热系数增大，但从3.5mm压扁至2mm后，蒸发换热系数急剧下降。
发明内容
本发明的首要目的在于克服现有的热管压扁加工后其内壁不易粘附铜粉的缺陷，提供这样一种热管，其内壁与铜粉颗粒接触点多、接触面积大，不仅易于粘附铜粉，而且粘附铜粉后不易脱落，同时提供扁平热管以额外的蒸汽通道，提高烧结管的渗透率，改善工质循环，提高传热性能。
本发明第二目的在于提供上述孔槽复合芯扁平热管的制造方法。
为了实现首要目的，本发明所采取的技术方案是：
一种孔槽复合芯扁平热管，包括热管壳体和多孔结构毛细层，所述壳体由外径为6-10mm，厚度为0.20-0.45mm，其内壁面加工有均匀分布轴向微沟槽的圆管压扁而成，轴向微沟槽深度为0.25-0.35mm，宽度为0.15-0.25mm；所述多孔毛细层由金属粉末附着于壳体微沟槽壁面烧结形成，厚度为0.30-0.70mm，多孔毛细层分布有轴向微裂槽，使得多孔毛细层的孔隙率可达55％-65％；所述金属粉末为铜粉；粒径为80～150目；孔槽复合芯扁平热管两端封闭、内部抽真空并灌注液体工质；所述壳体材料是铜、铝或不锈钢。
为进一步实现本发明目的，所述壳体的材料优选紫铜。
所述液体工质优选为纯净水。
本发明第二目的通过如下技术方案实现：
孔槽复合芯扁平热管的制造方法，包括以下步骤：
(1)制备带微沟槽的金属圆管：带微沟槽金属圆管外径为6-10mm，壁厚0.20-0.45mm，内壁均匀分布轴向微沟槽，该微沟槽深度为0.25-0.35mm，宽度为0.18-0.25mm；
(2)***芯棒以控制铜粉层的厚度，填入铜粉，金属圆管内半径与芯棒3半径之差为铜粉层厚度，铜粉粒径为在80目至150目；填好铜粉后的金属圆管和芯棒一起在930-980℃下烧结2-4h，烧结后，将铜管冷却到室温取出，取出芯棒；
(3)往金属圆管内灌注工作液体、抽真空并封闭管体两端，得到具有孔槽复合芯的圆热管；
(4)将所得圆热管压扁，压扁过程中轴向沟槽张开并撕裂烧结粉层薄弱位置，获得具有裂槽特征的孔槽复合芯的扁平热管。
4、根据权利要求4所述的孔槽复合芯扁平热管的制造方法，其特征在于：所述步骤(1)还包括清洗并去除金属圆管的内壁氧化层。
与现有技术方法相比较，本发明具有以下优点：
(1)本发明的孔槽复合芯扁平热管采用带内沟槽的铜管作为热管壳体，显著提高烧结层与壁面的结合强度，可有效防止热管在制备成扁平热管过程造成的粉层掉落现象。
(2)本发明的孔槽复合芯扁平热管同时具备了烧结式热管的较高毛细力和沟槽式热管的较高渗透性，利于提高热管性能。
(3)本发明的孔槽复合芯扁平热管烧结多孔毛细层表面的轴向微裂槽，提供了附加的蒸汽通道，增加了气液界面面积，促进工质的蒸发，可以显著提高了扁平热管性能。
附图说明
图1本发明孔槽复合芯扁平热管的横截面示意图；
图2为图1的A-A剖面SEM图。
图3本发明利用芯棒进行粉层厚度控制的结构示意图；
图4现有光滑内壁的烧结式扁平热管横截面示意图；
图5本发明压扁成型过程的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的实施方式不限于此。
如图1、2所示，一种孔槽复合芯扁平热管，包括壳体1和多孔毛细层2。所述壳体1由外径为6-10mm，厚度为0.20-0.45mm，其内壁面加工有均匀分布轴向微沟槽11的圆管压扁而成，该微沟槽为方形，深度为0.25-0.35mm，宽度为0.15-0.25mm；所述的多孔毛细层2由金属粉末附着于壳体1微沟槽壁面烧结形成，厚度为0.30-0.70mm，多孔毛细层2分布有轴向微裂槽21，使得多孔毛细层2的孔隙率可达55％-65％；孔槽复合芯扁平热管两端封闭、内部抽真空并灌注液体工质。壳体1的材料是紫铜；多孔毛细层2的金属粉末为铜粉；粒径为在80目至150目。微裂槽21宽度大于0.15mm，且深度大于0.20mm方为有效微裂槽。
制备上述孔槽复合芯扁平热管时，首先制备带微沟槽11圆铜管1a；带微沟槽11圆铜管1a外径为6-10mm，壁厚0.20-0.45mm，内壁均匀分布45-70个轴向微沟槽，该微沟槽深度为0.25-0.35mm，宽度为0.18-0.25mm；清洗并去除圆铜管1a内壁氧化层，以保证铜粉与内壁面的良好接触，也将利于烧结过程铜粉与壁面的结合。然后***芯棒以控制铜粉层的厚度，填入铜粉，铜管1a内半径与芯棒3半径之差即为铜粉层厚度。铜粉粒径为在80目至150目。振动铜管与芯棒3以保证铜粉层具有一定的孔隙率，如图3所示。填充好铜粉后的铜管和芯棒一起在930-980℃下进行高温烧结2-4h。烧结后，将铜管冷却到室温取出，取出芯棒3，再进行抽真空、灌注工质，并封闭圆管的两端，得到具有孔槽复合芯的圆热管。
将所获得的圆热管压扁，可以获得具有孔槽复合芯的扁平热管，且在烧结粉层与蒸汽腔的接触界面形成了均匀分布的轴向微裂槽。如图2、5所示，由于作为热管壳体的铜管具有轴向内沟槽，烧结粉层覆盖于沟槽表面并且厚度约为沟槽深度的1.5-2.5倍，这样导致圆铜管1a在压扁过程中，圆铜管1a的上下表面由圆弧状展平为平面状态的过程中，圆铜管1a管壁内部微沟槽逐渐张开，产生的周向力逐渐撕裂烧结粉层的薄弱位置，且由于壳体1内壁面轴向微沟槽11为轴向布置，因此所形成的微裂槽为轴向微裂槽21。但由于填粉过程中难免出现粉层各处孔隙率不均匀，导致铜粉在烧结过程在各处结合力不一致，因此所产生的轴向微裂槽21可能为轴向不连续或微裂槽数目不完全与轴向微沟槽11数目相同，应略小于槽道数目，如图2所示。轴向微沟槽11的数量和压扁的程度决定了轴向微裂槽21的数量，增加轴向微沟槽11的数量增大压扁度可以提高轴向微裂槽21的数量，但提高沟槽数量势必减小每个轴向微沟槽11的宽度和深度，因此改变轴向微沟槽11的数量可以定性控制轴向微裂槽21的数量、宽度和深度。
本发明提出的具有孔槽复合芯的扁平热管，相对于现有的光滑内壁烧结式扁平热管(如图4所示)而言，同时具备了烧结式热管的较高毛细力和沟槽式热管的较高渗透性，利于提高热管性能，同时由于壳体1内壁面的微沟槽特征，显著的提高了铜粉层与壁面的结合面积，可以解决热管在进行压扁过程中铜粉容易掉落的问题，尤其在于其表面的形成的轴向微裂槽，提供了附加的蒸汽通道，增加了气液界面面积，促进工质的蒸发，提高了吸液芯的渗透率。经测定，本发明的具有孔槽复合芯的扁平热管的渗透率可达(200-400)×10-10m2，100℃水的最大提升高度可达500-600mm。特别是在当压扁厚度达到3mm以下时， 热管的蒸汽腔空间压缩比例相对较大，此时形成的轴向微裂槽21作用更加明显，可以显著提高了扁平热管性能。
实施例1：
如图1、2所示，一种孔槽复合芯扁平热管，包括热管包括壳体1和多孔毛细层2，所述热管壳体由直径为6mm，长度为200mm的圆铜管压扁至3mm而成，其两端封闭、内部抽真空且灌注有0.54ml的纯净水作为工作介质。壳体内壁面均匀分布的55个轴向微沟槽11，槽深为0.28mm，平均槽宽为0.175mm；所述的多孔毛细层2采用铜粉烧结附着于壳体1内壁沟槽壁面，由毛细层与蒸汽腔界面为基准，到达沟槽底部为粉层最大厚度，最大厚度为0.70mm，到达沟槽顶部为最小厚度，最小厚度为0.42mm。经过压扁加工后，毛细烧结层2表面形成不均匀分布、轴向不连续的轴向微裂槽21，微裂槽数量约为35道，裂槽成三角形，顶部槽宽约0.20mm，槽深约为0.24mm。
制备上述孔槽复合芯扁平热管需经过以下步骤：
(1)选用外径为6mm、壁厚为0.20mm的内沟槽铜管1a，齿数55，轴向微沟槽11a为矩形沟槽，槽深为0.28mm，槽宽0.175mm；选用100目铜粉作为烧结毛细层2材料。
(2)选用外径为4.20mm的不锈钢棒作为填粉芯棒3，粉层最大厚度为0.70mm，最小厚度为0.42mm。最大厚度发生在沟槽位置，最小厚度发生在齿形顶部位置，也将是烧结毛细层2的薄弱位置，如图3所示。
(3)将填充好铜粉的铜管和芯棒一起在950℃下保持3h，待粉层烧结成块后取出冷却至室温，取走芯棒3，再进行灌注工质、抽真空工序，获得具有孔槽复合芯的圆热管。
(4)将所得圆热管压扁至厚度3mm，压扁过程中矩形的轴向沟槽11a张开为梯形截面沟槽11，并撕裂烧结毛细层2的薄弱位置，薄弱位置开裂成为轴向微裂槽21，获得具有裂槽特征的孔槽复合芯的扁平热管，如图5所示。
本实施例具有孔槽复合芯的扁平热管，相对于现有的光滑内壁烧结式扁平热管(图4)而言，同时具备了烧结式热管的较高毛细力和沟槽式热管的较高渗透性，利于提高热管传热性能，同时解决了热管在进行压扁过程中铜粉容易掉落的问题，尤其在于其表面的形成的轴向微裂槽，提供了附加的蒸汽通道，增加了气液界面面积，促进工质的蒸发，经检测，对于相同参数的光管烧结压扁热管相比，本热管的传热极限功率提高了1.8-2倍，热阻降低了25％-35％，极大的提高热管的传热性能。

Claims (5)

1.一种孔槽复合芯扁平热管，其特征在于：包括热管壳体和多孔结构毛细层，所述壳体由外径为6-10mm，厚度为0.20-0.45mm，其内壁面加工有均匀分布轴向微沟槽的圆管压扁而成，轴向微沟槽深度为0.25-0.35mm，宽度为0.15-0.25mm；所述多孔毛细层由金属粉末附着于壳体微沟槽壁面烧结形成，厚度为0.30-0.70mm，多孔毛细层分布有轴向微裂槽，使得多孔毛细层的孔隙率可达55％-65％；所述金属粉末为铜粉；粒径为80～150目；孔槽复合芯扁平热管两端封闭、内部抽真空并灌注液体工质；所述壳体材料是铜、铝或不锈钢。
2.根据权利要求1所述的孔槽复合芯扁平热管，其特征在于：所述壳体的材料是紫铜。
3.根据权利要求1所述的孔槽复合芯扁平热管，其特征在于：所述液体工质为纯净水。
4.权利要求1所述孔槽复合芯扁平热管的制造方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)制备带微沟槽的金属圆管：带微沟槽金属圆管外径为6-10mm，壁厚0.20-0.45mm，内壁均匀分布轴向微沟槽，该微沟槽深度为0.25-0.35mm，宽度为0.18-0.25mm；
(2)***芯棒以控制铜粉层的厚度，填入铜粉，金属圆管内半径与芯棒3半径之差为铜粉层厚度，铜粉粒径为在80目至150目；填好铜粉后的金属圆管和芯棒一起在930-980℃下烧结2-4h，烧结后，将铜管冷却到室温取出，取出芯棒；
(3)往金属圆管内灌注工作液体、抽真空并封闭管体两端，得到具有孔槽复合芯的圆热管；
(4)将所得圆热管压扁，压扁过程中轴向沟槽张开并撕裂烧结粉层薄弱位置，获得具有裂槽特征的孔槽复合芯的扁平热管。
5.根据权利要求4所述的孔槽复合芯扁平热管的制造方法，其特征在于：所述步骤(1)还包括清洗并去除金属圆管的内壁氧化层。
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