CN102345994A - 一种散热用热管复合吸液芯及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种散热用热管复合吸液芯及其制造方法。该复合吸液芯包括紫铜粉末颗粒和紫铜纤维；铜粉末颗粒之间、紫铜纤维之间以及紫铜粉末颗粒与紫铜纤维之间形成双孔隙结构，其中，紫铜粉末颗粒之间形成小孔隙，紫铜粉末颗粒与紫铜纤维之间形成大孔隙，紫铜纤维之间不连接。制造时，先形成吸液芯的空间范围，并均匀填入紫铜粉末和紫铜纤维的混合物；置于真空保护式烧结炉中在900℃~1000℃温度下烧结30~120分钟；炉冷至室温，卸除其他辅助结构装置，即可得到复合吸液芯。本发明制造工艺简单、生产成本低廉，克服了现有热管吸液芯存在的不足，提供了一种毛细压力大、回流阻力小、热阻低的散热用热管复合吸液芯。

Description

一种散热用热管复合吸液芯及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种传热用热管，特别是涉及一种散热用热管复合吸液芯结构及其制造方法。

背景技术

热管已成为了当前高热流密度芯片散热的理想元件，但随着电子芯片进一步微型化和集成化的发展，电子产品的散热对热管的传热性能有了更高的要求，因此提高热管的性能仍是关键。热管的传热性能主要由毛细吸液芯结构决定，目前常用的吸液芯结构包括：丝网型、沟槽型和烧结型。烧结式吸液芯具有较大的毛细抽吸力，传热量较大，但存在毛细压力提高的同时液体回流阻力增大的矛盾；沟槽式吸液芯槽道液体流动阻力甚小，但毛细压头较小，传热量较小，且其对沟槽深度和宽度要求很高，热管方向性很强；而丝网式微热管可得到很高的传热性能，但因制造工艺重复性差已基本被淘汰。

由于复合吸液芯能够兼具各种吸液芯的特点，弥补上述吸液芯的不足，因此受到越来越多研究者的关注。亦有研究者提出在复合吸液芯中存在着双孔隙结构，即吸液芯的结构中存在着两种不同级数的孔隙，大孔和小孔在工质流体的蒸发冷凝中发挥着不同的作用。复合吸液芯结构或兼具烧结式吸液芯和沟槽式吸液芯的特点；或形成双孔隙结构，改变吸液芯结构中的蒸发冷凝性能；以使热管的传热性能得到提高。但复合吸液芯一般结构复杂，制造工艺复杂，成本高，不易实现批量化生产。 

发明内容

针对上述热管复合吸液芯的特点，本发明提供了一种由紫铜粉末和紫铜纤维烧结而成的热管复合吸液芯及其制造方法，这种吸液芯具有双孔隙结构，增强工质流体的蒸发冷凝作用，且利用紫铜纤维的导向作用降低流体的回流阻力，从而提高热管的传热性能。

本发明的目的是克服现有热管吸液芯的不足，提出一种毛细压力大、回流阻力小、热阻低的热管复合吸液芯，且这种吸液芯制造工艺简单、设备要求低、成本低廉。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

一种散热用热管复合吸液芯，包括紫铜粉末颗粒和紫铜纤维，紫铜粉末颗粒和紫铜纤维的质量比为6:1~10:1；铜粉末颗粒之间、紫铜纤维之间以及紫铜粉末颗粒与紫铜纤维之间形成双孔隙结构，其中，紫铜粉末颗粒之间形成小孔隙，紫铜粉末颗粒与紫铜纤维之间形成大孔隙，紫铜纤维之间不连接；纤维直径为100μm~200μm，长度为2mm~10mm；紫铜粉末粒径为80目~200目。

一种散热用热管复合吸液芯的制造方法，包括如下步骤和工艺条件：

（1）在紫铜圆管中放入芯棒形成环形的吸液芯填充空间，或者在薄紫铜平板矩形腔中，采用模具加压形成厚度均匀的吸液芯填充层，按照质量比5:1~12:1填入的紫铜粉末颗粒与紫铜纤维的混合物；

（2）将填好粉的紫铜圆管或矩形腔放在支架上并固定，置于真空保护式烧结炉中加热，升温过程中，烧结炉升温速度控制为300℃/h~400℃/h，均匀加热，并在加热至700℃~750℃时保温30分钟左右，然后900℃~1000℃温度下保温烧结30分钟~120分钟。

（3）烧结完成后，炉冷至室温，取出支架，拔出芯棒或者卸除辅助装置，即在紫铜圆管内部或者紫铜平板腔内得到均匀铜粉混合铜纤维吸液芯。

进一步地，所述的紫铜粉末颗粒为球形状铜粉、不规则状铜粉其中的一种或者两种的混合物。

所述的紫铜纤维优选通过熔抽法、拉拔法和切削法制备。

所述的紫铜纤维的长度为2mm~10mm中的单一值.

所述紫铜纤维的长度为2mm~10mm内多种长度铜纤维的混合物。

所述的紫铜粉末颗粒和紫铜纤维的质量比优选为6:1~10:1。

所述的紫铜纤维沿着热管轴向定向排列，便于工质流体沿着紫铜纤维回流至蒸发段。

所述的热管复合吸液芯，可对紫铜圆管中的芯棒进行表面处理，以减小芯棒在拔出时的拔出力，避免吸液芯结构遭到破坏或者芯棒拔不出。有效的表面处理方法为，在芯棒表面涂一层抗高温的脱模剂，例如氮化硼溶液，或者对芯棒表面进行高温渗氮。

所述的热管复合吸液芯，其铜粉颗粒之间、铜粉颗粒与铜纤维之间的粘结形态以及双孔隙结构中的孔隙形态都受到吸液芯烧结温度的较大影响。温度过低，铜粉颗粒之间、铜粉颗粒与纤维之间的粘结不充分，吸液芯结构强度不够；温度过高，铜粉颗粒之间、铜粉颗粒与纤维之间会粘结成块状，无明显的孔隙结构。实验得到合理的烧结温度范围为：950℃~1000℃。

使用的紫铜纤维长度可以是单一值，也可以是几种长度铜纤维的混合物，以单一值居多，且一般具有较大的长度误差，常用的纤维长度为2mm~10mm。由于长纤维较难填入紫铜圆管与芯棒形成的环形空间，因此制造紫铜圆形热管时，常采用2mm的短纤维。

紫铜粉末颗粒与紫铜纤维的质量比是可调的，质量比过大时，形成的大孔数量极少；质量比过小时，形成的小孔数量不够多；因此存在着一个最佳质量比，使形成的小孔和大孔的比例最佳，得到更高的传热性能。

紫铜纤维在吸液芯结构中的分布是无一定规律的，因此可用长紫铜纤维混合紫铜粉末颗粒沿着热管轴向进行定向烧结，使工质流体能够更好的沿着紫铜纤维回流至蒸发段，减小回流阻力，但制造工艺较为复杂。

本发明适用于各种类型的热管和微热管，可应用于散热空间小、热流密度高的电子器件的散热。本发明制造工艺与常规烧结式热管吸液芯的制造工艺基本相同，可实现批量化生产，且具有毛细压力大、热阻小等优点。

相对于现有吸液芯结构，本发明的优点在于：

1、复合吸液芯中形成双孔隙结构，工质流体在小孔中蒸发，从大孔中逃逸，有效地增大了蒸发换热系数；

2、复合吸液芯的各种参数都可以优化，如：紫铜粉末颗粒的形态和粒径范围、紫铜纤维的直径和长度、紫铜粉末与紫铜纤维的质量比等，以使热管的性能达到最佳；

3、复合吸液芯的制造工艺与常用烧结式吸液芯的制造工艺基本相同，无需复杂的制造过程，容易实现工业化生产。

附图说明

图1为具有复合吸液芯的紫铜圆热管截面图。

图2为不规则状铜粉与紫铜纤维的复合吸液芯示意图。

图3为球形铜粉与紫铜纤维的复合吸液芯示意图。

图4为紫铜纤维质量比较大的复合吸液芯热管截面图。

图5为薄紫铜平板矩形腔示意图。

图6为具有复合吸液芯的薄紫铜平板矩形腔截面图。

图7为球形铜粉与长紫铜纤维定向烧结的复合吸液芯示意图。

其中1为紫铜粉末颗粒，2为紫铜纤维，3为孔隙，4为热管壁壳。

具体实施方式

为更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但是本发明要求保护的范围并不局限于实施方式表述的范围。

实施例1：

一种散热用热管复合吸液芯的制造方法，包括如下步骤和工艺条件：

（1）取粒径为100- 140目紫铜粉末颗粒，紫铜粉末颗粒为球形状铜粉和不规则状铜粉，以不规则状铜粉颗粒居多。取直径为150μm，长度为2mm铜纤维，紫铜粉末颗粒与紫铜纤维的质量比为10:1；在紫铜圆管中放入芯棒形成环形的吸液芯填充空间，填入紫铜粉末颗粒与紫铜纤维的混合物；对于紫铜粉末颗粒混合紫铜纤维的填入，必须保证芯棒和紫铜圆管的同心度，若芯棒不处于铜管的中心位置，烧结之后的吸液芯会产生偏心，从而影响微热管的传热性能；对紫铜圆管中的芯棒进行表面处理，以减小芯棒在拔出时的拔出力，避免吸液芯结构遭到破坏或者芯棒拔不出。有效的表面处理方法为，在芯棒表面涂一层抗高温的脱模剂，如涂覆氮化硼溶液，或者对芯棒表面进行高温渗氮。

（2）将填好粉的紫铜圆管放在支架上并固定，置于真空保护式烧结炉中进行烧结，温度设置为970℃，烧结时间设置为60分钟，升温过程中，烧结炉升温速度控制为300℃/h，均匀加热，并在加热至700℃时保温30分钟，然后再升温到设定温度烧结970℃。

（3）烧结完成后，炉冷至室温，取出支架，人工或利用工具将铜管中的芯棒拔出，即在紫铜圆管内部得到铜粉混合铜纤维吸液芯。

上述方法制备的铜粉混合铜纤维吸液芯包括紫铜粉末颗粒和紫铜纤维；紫铜粉末颗粒之间、紫铜纤维之间、以及紫铜粉末颗粒与紫铜纤维之间形成双孔隙结构；在相同温度下，由于材料体积不同，紫铜粉末颗粒和紫铜纤维的熔融状态也就不同，紫铜粉末颗粒体积小，烧结变形相对较大；紫铜纤维体积大，烧结变形相对较小。因此二者之间形成的孔隙结构也就不同，紫铜粉末颗粒之间形成的孔隙一般小于单颗粉末体积的一半，归类为小孔隙；紫铜粉末颗粒与紫铜纤维之间形成的孔隙一般大于单颗粉末体积的一半，通常相当于单颗粉末体积或者更大，归类为大孔隙。紫铜纤维之间不连接；紫铜粉末颗粒和紫铜纤维的表面形态和质量比可调以获得不同的孔隙结构，铜粉混合铜纤维吸液芯的孔隙率一般在60%左右。紫铜纤维的长度可选，也可根据需要，使紫铜纤维沿着热管轴向定向排列，便于工质流体沿着紫铜纤维回流至蒸发段，减少流动阻力。经相同环境下测试，该实施例做出来的样品与尺寸相同的铜粉烧结热管相比，传热功率提高10W以上，而且热阻接近甚至更小。

如图1所示，制备的复合吸液芯的紫铜圆形热管截面图，吸液芯能够很好的粘结在紫铜圆管内壁上，短紫铜纤维均匀分布在球形铜粉颗粒中，但紫铜纤维的分布无一定的方向性，即无定向。紫铜粉末颗粒之间形成小孔隙，紫铜粉末颗粒与紫铜纤维之间形成大孔隙，紫铜纤维之间不连接。

图2为不规则状铜粉与紫铜纤维的复合吸液芯示意图，不规则状铜粉表面不规则，铜粉颗粒与铜纤维的接触点较多，接触面积较大，形成的大孔体积较小，且铜粉颗粒之间的联结点较多，易形成不能消除的小闭孔。

图3为球形铜粉与紫铜纤维的复合吸液芯示意图，球形铜粉表面呈较光滑的球面，颗粒与纤维之间的接触点较少，联接面积较小，易形成较多较大的通孔，但铜粉颗粒之间的联接较为密实，小孔数量有限。

图4为紫铜纤维质量比较大的复合吸液芯热管截面图，大量紫铜纤维烧结在较少的铜粉颗粒中间，形成小孔的数量较少，会导致小孔中产生工质蒸汽的速度减慢，从而影响热管的性能。

实施例2

一种散热用热管复合吸液芯的制造方法，包括如下步骤和工艺条件：

（1）取球形铜粉粒径为140目- 200目，铜纤维直径为150μm，长度为5mm，紫铜粉末与紫铜纤维的质量比为6:1；在55mm×55mm×4mm的薄紫铜平板矩形腔中，填入5g的紫铜粉末颗粒与紫铜纤维的混合物；对于紫铜粉末颗粒混合紫铜纤维的填入，必须保证紫铜纤维在紫铜粉末颗粒中的均匀度，以使吸液芯结构均匀，微热管性能稳定。

（2）用模具将矩形腔内的紫铜粉末和紫铜纤维混合物压平整，将填好粉的薄紫铜平板矩形腔放在支架上并固定，置于真空保护式烧结炉中进行烧结，温度设置为920℃，烧结时间设置为100分钟，升温过程中，烧结炉升温速度控制为350℃/h，均匀加热，并在加热至750℃时保温30分钟，然后再升温到设定温度烧结。

（3）烧结完成后，炉冷至室温，取出支架，卸掉模具，即在薄紫铜平板矩形腔中得到铜粉混合铜纤维吸液芯。

该铜粉混合铜纤维吸液芯包括紫铜粉末颗粒和紫铜纤维；紫铜粉末颗粒之间、紫铜纤维之间、以及紫铜粉末颗粒与紫铜纤维之间形成双孔隙结构；其中紫铜粉末颗粒之间形成小孔隙，紫铜粉末颗粒与紫铜纤维之间形成大孔隙，紫铜纤维之间不连接；紫铜粉末颗粒和紫铜纤维的表面形态和质量比可调以获得不同的孔隙结构。

图5为薄紫铜平板矩形腔示意图，可以作为均热板的下腔体，将紫铜粉末颗粒与紫铜纤维的混合物填在腔体壁面上即可。

图6为具有上述复合吸液芯的薄紫铜平板矩形腔截面图，网格部分为吸液芯，吸液芯能够很好的粘结在矩形腔的壁面上，紫铜粉末颗粒之间、紫铜粉末与紫铜纤维之间的粘结状态，紫铜纤维在紫铜粉末颗粒之间的分布情况，吸液芯结构中的孔隙结构和分布情况，都与紫铜圆形热管中的吸液芯状态相同。

图7为球形铜粉与长紫铜纤维定向烧结的复合吸液芯示意图，紫铜纤维具有很强的方向性，使冷凝的工质流体容易沿着纤维方向回流至蒸发段，可有效减小回流阻力。

Claims (8)

1.一种散热用热管复合吸液芯，其特征在于，包括紫铜粉末颗粒和紫铜纤维，紫铜粉末颗粒和紫铜纤维的质量比为5:1~12:1；铜粉末颗粒之间、紫铜纤维之间以及紫铜粉末颗粒与紫铜纤维之间形成双孔隙结构，其中，紫铜粉末颗粒之间形成小孔隙，紫铜粉末颗粒与紫铜纤维之间形成大孔隙，紫铜纤维之间不连接；纤维直径为100μm~200μm，长度为2mm~10mm；紫铜粉末粒径为80目~200目。

2.权利要求1所述一种散热用热管复合吸液芯的制造方法，其特征在于，包括如下步骤和工艺条件：

（1）在紫铜圆管中放入芯棒形成环形的吸液芯填充空间，或者在薄紫铜平板矩形腔中，采用模具加压形成厚度均匀的吸液芯填充层，按照质量比5:1~12:1填入的紫铜粉末颗粒与紫铜纤维的混合物；

（2）将填好粉的紫铜圆管或矩形腔放在支架上并固定，置于真空保护式烧结炉中加热，升温过程中，烧结炉升温速度控制为300℃/h~400℃/h，均匀加热，并在加热至700℃~750℃时保温30分钟左右，然后900℃~1000℃温度下保温烧结30分钟~120分钟。

3.（3）烧结完成后，炉冷至室温，取出支架，拔出芯棒或者卸除辅助装置，即在紫铜圆管内部或者紫铜平板腔内得到均匀铜粉混合铜纤维吸液芯。

4.根据权利要求1所述的一种新型散热用热管复合吸液芯，其特征在于，其中所述的紫铜粉末颗粒为球形状铜粉、不规则状铜粉其中的一种或者两种的混合物。

5.根据权利要求1所述的一种散热用热管复合吸液芯，其特征在于，其中所述的紫铜纤维通过熔抽法、拉拔法和切削法制备。

6.根据权利要求1所述的一种散热用热管复合吸液芯，其特征在于，所述的紫铜纤维的长度为2mm~10mm中的单一值.

根据权利要求1所述的一种散热用热管复合吸液芯，其特征在于，所述紫铜纤维的长度为2mm~10mm内多种长度铜纤维的混合物。

7.根据权利要求1所述的一种散热用热管复合吸液芯，其特征在于，所述的紫铜粉末颗粒和紫铜纤维的质量比为6:1~10:1。

8.根据权利要求1所述的一种散热用热管复合吸液芯，其特征在于，所述的紫铜纤维沿着热管轴向定向排列，便于工质流体沿着紫铜纤维回流至蒸发段。

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