CN106197104B - 三维立体热超导均温散热体及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及散热技术领域，尤其是涉及一种三维立体热超导均温散热体及其制备方法。该三维立体热超导均温散热体包括：中空长板形的蒸发腔以及中空平板形的冷凝腔；蒸发腔与冷凝腔固定连通，组成横截面为“T”形的立体结构，且蒸发腔与冷凝腔均为真空腔室并填充冷却液；蒸发腔与冷凝腔的内壁设置毛细芯层。均温板由至少两块壳体构成，并分别制备；然后在壳体的内侧表面覆盖铜粉颗粒，并进行烧结形成毛细芯层；将壳体焊接连接，注入冷却液，并将注入孔处熔结密封，得到三维立体热超导均温散热体。本发明扩大了安装面积与散热面积，可以更有效的利用空间；缩短了冷却液的循环流程，扩大了接触面接，从而提高了散热效率，散热效果更好。

Description

三维立体热超导均温散热体及其制备方法
技术领域
本发明涉及散热技术领域，尤其是涉及一种三维立体热超导均温散热体及其制备方法。
背景技术
由于均温板(Vapor Chamber)具有高热传导力、高热传导率、重量轻、结构简单及多用途等特性，可传递大量的热量又不消耗电力等优点，目前已广泛地应用于电子组件的导热，由此对发热组件(如电子元器件、LED芯片等)进行热量的快速导离，以有效的解决发热组件的热聚集现象。
现有的均温散热体，由于其使用空间的限制，导致散热部分的面积较小，影响了散热器件的尺寸、散热方式及安装，从而导致散热效率不高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种三维立体热超导均温散热体及其制备方法，以解决现有技术中存在的散热面积小、散热器件不易安装的技术问题。
本发明提供的三维立体热超导均温散热体，包括：中空长板形的蒸发腔以及中空平板形的冷凝腔；
所述蒸发腔垂直固定在冷凝腔的表面上，组成横截面为“T”形的立体结构，且蒸发腔与冷凝腔均为真空腔室并填充冷却液，二者相互连通；所述蒸发腔与冷凝腔的内壁设置毛细芯层。
均温散热体内采用相变散热方式及毛细结构传输的原理：冷却液填充到均温板内，吸纳于毛细芯层中；当蒸发端受热时，冷却液吸热气化，从毛细芯层中溢出，并顺着蒸发腔流动到冷凝腔放热冷凝，液化后被吸入冷凝端的毛细芯层，并通过毛细作用输送到蒸发端的毛细芯层，完成一个散热循环。
“T”形结构的三维立体热超导均温散热体，冷却液的流程更短，循环速度更快；蒸发腔与冷凝腔的面积更大，更容易与热源及其他散热器件安装，且吸热散热效果更好；结构更加稳定，防震效果好。
在本发明的可选方案中，所述蒸发腔为长方形，冷凝腔为圆形；且所述冷凝腔的厚度大于蒸发腔的厚度。
在本发明的可选方案中，所述蒸发腔和冷凝腔采用红铜或铝制备，所述毛细芯层采用铜或铝制备。
均温板从内到外均采用低热阻的红铜或铝材料制备，可以进一步提高其散热性能。
在本发明的可选方案中，所述冷却液的材质为水。
在本发明的可选方案中，所述毛细芯层的厚度为0.1mm～100mm，孔隙比率为50％。
本发明提供的所述三维立体热超导均温散热体的制备方法，包括以下步骤：
制备冷凝腔的壳体，并在所述冷凝腔的壳体的内侧表面覆盖铜粉或铝粉颗粒，或者覆盖铜丝网或铝丝网，并进行烧结，形成具有毛细作用的毛细芯层；
制备蒸发腔的壳体：
将无氧铜管或无氧铝管根据设计长度切割成段，得到管件，并***中心棒，使中心棒与管壁之间形成预留厚度的缝隙，并向所述缝隙中填充压制铜粉颗粒或铝粉颗粒，再进行烧结，形成毛细芯层；将烧结了毛细芯层的管件的一端收口成圆锥状，并焊接封口；然后挤压成扁平状，得到蒸发腔的壳体；或者
分别在两片冲压成型好的无氧铜壳体或无氧铝壳体的内侧表面压制覆盖铜粉颗粒或铝粉颗粒，或者压制铜丝网或铝丝网，烧结形成毛细芯层；将两片壳体在氮气保护的环境中进行焊接，得到蒸发腔的壳体；
将冷凝腔的壳体与蒸发腔的壳体在氮气保护的环境中焊接连接，并进行内部毛细芯层的链接；在冷凝腔体预留的孔上焊接抽气注液体头，将一铜管***孔中进行高温还原除氧；
将抽气注液体头处进行抽真空、注入冷却液后挤压折弯封口，并进行熔结密封，得到三维立体热超导均温散热体。
在本发明的可选方案中，所述毛细芯层的烧结过程中，铜粉颗粒和铜丝网的烧结温度为800℃～1050℃，烧结时间为1h～6h。
在本发明的可选方案中，所述毛细芯层的烧结过程中，铜丝网和铝丝网的烧结温度为400℃～550℃，烧结时间为1h～6h。
在本发明的可选方案中，所述氮气保护过程中，氮气保护从1050°逐渐降温至80°，时间为5min～30min。
在本发明的可选方案中，所述铜粉颗粒或铝粉颗粒的直径为10微米～1000微米，覆盖厚度为0.1毫米～100毫米。
在本发明的可选方案中，所述均温板的制备方法还包括：
对所述壳体进行去污清洗的步骤；
在注入冷却液前，对焊接后的壳体进行密封性测试的步骤；
对所述均温板进行外观整修的步骤；
对所述均温板进行高温老化测试及性能测试的步骤；
对所述均温板进行表面处理的步骤。
在本发明的可选方案中，所述表面处理包括喷砂工艺处理和电镀工艺处理。
本发明的有益效果为：
扩大了安装面积与散热面积，可以更有效的利用空间；缩短了冷却液的循环流程，扩大了接触面接，从而提高了散热效率，散热效果更好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的三维立体热超导均温散热体的示意图；
图2为本发明实施例所述的三维立体热超导均温散热体的横截面剖视图；
附图标记：
101-蒸发端； 102-冷凝端；
103-蒸发腔； 104-冷凝腔；
105-毛细芯层； 106-壳体；
107-气相冷却液； 108-液相冷却液。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
图1为本发明实施例提供的三维立体热超导均温散热体的示意图；图2为本发明实施例所述的三维立体热超导均温散热体的横截面剖视图。
在该实施例中，三维立体热超导均温散热体包括长方形的蒸发端101以及圆板形的冷凝端102，二者相互垂直，组成“T”形的立体结构。
具体来说，三维立体热超导均温散热体包括中空长板形的蒸发端101以及中空圆板形的冷凝端102。蒸发端101以垂直的方式固定在冷凝端102的上表面中心处，从而组成横截面为“T”形的立体结构。
蒸发端101的中空腔构成蒸发腔103，冷凝端102的中空腔构成冷凝腔104，且蒸发腔103与冷凝腔104均为真空腔室，两者相互连通。
在蒸发腔103与冷凝腔104内填充冷却液，蒸发腔103与冷凝腔104的内壁全部铺设毛细芯层105，在其外壁设置壳体106。
三维立体热超导均温散热体内采用相变散热方式及毛细结构传输的原理：冷却液吸纳于毛细芯层105中；当蒸发端101吸收热源散发的热量时，使蒸发端101处的毛细芯层105中的冷却液吸热气化，气相冷却液107从毛细芯层105中溢出，顺着蒸发腔103向冷凝腔104方向流动，并在冷凝腔104中放热冷凝液化，液相冷却液108被吸入冷凝端102的毛细芯层105中，再通过毛细芯层105的毛细作用向蒸发端101的毛细芯层输送，从而完成一个散热冷却循环。
采用“T”形结构的三维立体热超导均温散热体，可以增大蒸发端和冷凝端的接触面积，从而能够使均温散热体与热源及散热部件之间更有效的接触，更容易与热源及其他散热器件安装，且吸热散热效果更好；同时，冷却液的流程更短，循环速度更快；结构更加稳定，防震效果好。
在本实施例的优选方案中，冷凝腔104的厚度(口径尺寸)大于蒸发腔103的厚度(口径尺寸)。这样，冷凝腔104较大、蒸发腔103较小，可以在冷凝腔104与蒸发腔103之间形成压差，从而可以加快气相冷却液107的流动速度，增加循环速度和散热效率。
在本实施例的优选方案中，三维立体热超导均温散热体从内到外(包括毛细芯层105和壳体106)均采用低热阻的红铜或铝材料制备，可以进一步提高其散热性能。
在本实施例的优选方案中，三维立体热超导均温散热体的蒸发腔103中，可以用毛细芯层105分隔成多条通道，使气相冷却液107在各条通道内流动，增加流动速度。同时，如果均温散热体的蒸发端101两侧的相变效率不均衡时，可以通过构成通道的毛细芯层105起到调节的作用。
在本实施例的优选方案中，冷却液采用水。当然，冷却液也可以采用其他的具有气液两相相变性能的物质，如乙醇、丙酮等，可以根据热源的发热温度以及相变材料的相变温度进行选择。
在本实施例的优选方案中，毛细芯层105通过铜粉颗粒烧结而成，单侧毛细芯层105的厚度为0.1mm～100mm，孔隙比率为50％。
为保证冷却液的气液循环过程，并加快热传导效率，蒸发腔103和冷凝腔104应保持合适的厚度。
在本发明的其他实施例中，三维立体热超导均温散热体也可以设置为其他形状，以方便与热源、散热部件及安装空间配合。例如，蒸发端为中空长板形、中空圆板形、中空弯板形及中空多边板形等各种形状，相应的，冷凝端也可以为中空长板形、中空圆板形、中空弯板形及中空多边板形等各种形状。蒸发端与冷凝端也不局限于垂直安装或直线式连接，可以采用倾斜的连接方式，只要能够使蒸发腔与冷凝腔连通即可。
该三维立体热超导均温散热体可以根据设计形状的不同，广泛的应用于LED光源或电子产品的散热。
例如，对LED-COB光源进行散热时，LED-COB光源为两个，分别贴设在均温板的蒸发端101的两侧表面；
在冷凝端102的外表面安装散热部件，如翅片散热器等。翅片散热器紧贴在均温板的冷凝端102的单侧侧面或两侧侧面，使其能够对均温板的冷凝端102进行散热冷却。
还可以在翅片散热器及冷凝端102的后端设置风扇，为翅片散热器供风，以加快翅片散热器的冷却。
该三维立体热超导均温散热体按以下步骤进行制备：
制备冷凝腔：
冷凝腔体是由上下两部分按照尺寸规格冲压成型好的无氧铜或无氧铝壳体；上下两部分可以中分别在上壳体中按照蒸发腔体的尺寸冲压一定尺寸形状的孔，用于与蒸发腔连接；在底壳或上壳上按照设计要求冲压有一定尺寸的孔和相互连接的接触焊接边，用来焊接铜管或铝管，在产品后期制备工序里抽真空注入液体的孔；
分别在上下两部分壳体的内侧表面按照需要的厚度压制覆盖铜粉颗粒或铝粉颗粒，或压制铜丝网或铝丝网，按照产品具体要求进行高温烧结，形成储存导通液体的毛细芯层；
制备蒸发腔：
蒸发腔体是由无氧铜管或无氧铝管经过加工制备，或是由两部分按照冲压成型好的无氧铜壳体或无氧铝壳体连接而成，具体的：
用一定规格直径壁厚的无氧铜管或铝管制备蒸发腔体时，先按照具体产品要求选用或切割好长度；将铜管或铝管***制备好一定直径高度的石墨夹具里，将铜管或铝管底部按照高度固定在石墨夹具里；按照具体产品要求的储存导通液体的毛细芯层厚度***铜管或铝管内部一中心钢棒，然后向中心棒和铜管或铝管内壁的缝隙处填充压制无氧铜粉或无氧铝粉；然后将压制填充好无氧铜粉或无氧铝粉的铜管或铝管移动放置到高温烧结炉里，进行烧结，温度范围和时间根据金属和储液芯层不同温度和时间不同进行烧结；将烧结好的铜管或铝管一端进行收口成圆锥状，通过焊接机进行焊接封口；接着将焊接封口好一端放入高温炉里按照进行高温氧还原处理，去掉焊接时的氧化层去掉并排氧；最后按照产品要求在挤压设备上，上下挤压成一定高度厚度形状的扁平状蒸发腔；
或者由两片按照一定规格尺寸厚度冲压成型好的无氧铜或无氧铝壳体，分别在两部分壳体的内侧表面按照需要的厚度压制覆盖铜粉或铝粉颗粒，或压制一定规格厚度的铜丝网铝丝网，按照产品具体要求进行高温烧结，形成储存导通液体的毛细芯层；烧结好毛细芯层的两片壳体，在链接面印刷金属铜或铝焊膏焊料，对接好并放置在夹具里固定，将固定好的连接体放置到隧道氮气焊接炉里按照进行氮气保护焊接；
连接蒸发腔与冷凝腔：
将制备好的蒸发腔体***制备好的冷凝腔体的上盖预留孔中，用金属焊膏焊料在隧道氮气保护焊接炉里按照进行连接氮气保护焊接；
或将制备好的蒸发腔体***制备好的冷凝腔体的上盖预留孔中，放置在夹具里，在外部连接处放置一定形状的焊料铜环或铝环，通过高频氩弧焊进行连接焊接；
将两者放入设计好尺寸造型的石墨夹具里，压制填装一定颗粒直径大小和厚度的铜粉颗粒或铝粉颗粒，或一定厚度的铜丝网或铝丝网，进行内部垂直面毛细芯层的链接；然后放置在高温焊接炉里烧结，蒸发腔体和冷凝腔体的上盖完成烧结铜粉连接后，成垂直连通固定；
或将蒸发腔的上盖垂直连接体和烧结好的冷凝腔体下壳体，放置起到支撑作用的铜柱或铝柱上，并在接触面涂抹金属焊料焊膏，在两者链接面印刷涂抹金属铜焊膏焊料，对接好并放置在夹具里固定；将固定好的连接体放置到隧道氮气焊接炉里进行氮气保护焊接；
注入冷却液并封口：
将焊接好的蒸发腔体和冷凝腔体连接体在冷凝腔体的上盖体或者下盖体上预留的孔上焊接抽气注液体头，将一定直径形状的铜管***孔中，外部放置铜环铝环焊料在氩弧焊机器上进行链接焊接，焊接过后进行高温还原除氧，然后将抽气注液体头处进行抽真空，注入冷却液挤压折弯封口，并将注入孔处在氩弧焊接机上进行熔结密封，得到三维立体热超导均温散热体。
毛细芯层的烧结过程中，铜粉颗粒和铜丝网的烧结温度为800℃～1050℃，烧结时间为1h～6h；铜丝网和铝丝网的烧结温度为400℃～550℃，烧结时间为1h～6h。
氮气保护过程中，氮气保护从1050°逐渐降温至80°，时间为5min～30min。
铜粉颗粒或铝粉颗粒的直径为10微米～1000微米，覆盖厚度为0.1毫米～100毫米。
该三维立体热超导均温散热体在极小的立体空间内实现了热源从一个方向立体面垂直到另外一个立体面冷凝散热。三维立体热超导均温散热体技术从原理上类似于热管，但在传导方式上有所区别：热管为一维线性热传导，而三维立体热超导均温散热体中的热量则是在一个三维的立体面上传导，因此效率更高。蒸发腔两面受热，热源加热蒸发腔吸热，冷却液(纯净水或冷媒)在真空超低压环境下受热快速蒸发为热空气(<104Tor或更少)——吸热Vapor Chamber采用真空设计，热空气在蒸发腔内迅速导热，热空气受热上升到达冷凝腔，冷凝腔上焊接有散热翅片热量传到散热翅片上，并重新凝结成液体，凝结后的冷却液通过铜微状结构毛细管道回流入三维立体超导均温体的蒸发腔处形成回流，回流的冷却液通过蒸发腔受热后再次气化并通过冷凝墙体吸热、导热、散热，如此反复作用，可以更有效的利用空间；形成内部循环流程，扩大了接触面接，从而提高了散热效率，散热效果更好。
在本实施例的优选方案中，该均温板的制备方法还可以包括以下步骤：
将制备成型的壳体置于超声波清洗池中对壳体各表面进行超声波清洗，以去除工件生产过程中表面沾附的油污和杂质；
在注入冷却液前，将焊接后的壳体置于水中，并通过预留的注入孔注入压缩空气，进行气密性测试；
制备得到均温板后，使用整形治具，矫正均温板在生产过程中产生的形变，对其外观进行整修；
将制备得到的均温板置于恒温箱中，并通入高温气流，进行高温环境老化测试；
对制备得到的均温板的蒸发端加热，并在冷凝端进行温度测试，检测产品的导热效果；
对均温板的表面进行包括喷砂工艺处理和电镀工艺处理在内的表面处理，提高表面强度及防腐蚀性能，同时使产品更加美观。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种三维立体热超导均温散热体，其特征在于，包括：中空长板形的蒸发腔以及中空平板形的冷凝腔；
所述蒸发腔垂直固定在冷凝腔的表面上，组成横截面为“T”形的立体结构，且蒸发腔与冷凝腔均为真空腔室并填充冷却液，二者相互连通；所述蒸发腔与冷凝腔的内壁设置毛细芯层；
所述蒸发腔为长方形，冷凝腔为圆形；且所述冷凝腔的厚度大于蒸发腔的厚度；
所述蒸发腔和冷凝腔采用红铜或铝制备，所述毛细芯层采用铜或铝制备；
所述毛细芯层的厚度为0.1mm～100mm，孔隙比率为50％；
所述冷却液的材质为乙醇或丙酮；
所述蒸发腔垂直固定在所述冷凝腔的圆形表面的中心处。
2.一种权利要求1所述的三维立体热超导均温散热体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
制备冷凝腔的壳体，并在所述冷凝腔的壳体的内侧表面覆盖铜粉或铝粉颗粒，或者覆盖铜丝网或铝丝网，并进行烧结，形成具有毛细作用的毛细芯层；
制备蒸发腔的壳体：
将无氧铜管或无氧铝管根据设计长度切割成段，得到管件，并***中心棒，使中心棒与管壁之间形成预留厚度的缝隙，并向所述缝隙中填充压制铜粉颗粒或铝粉颗粒，再进行烧结，形成毛细芯层；将烧结了毛细芯层的管件的一端收口成圆锥状，并焊接封口；然后挤压成扁平状，得到蒸发腔的壳体；或者
分别在两片冲压成型好的无氧铜壳体或无氧铝壳体的内侧表面压制覆盖铜粉颗粒或铝粉颗粒，或者压制铜丝网或铝丝网，烧结形成毛细芯层；将两片壳体在氮气保护的环境中进行焊接，得到蒸发腔的壳体；
将冷凝腔的壳体与蒸发腔的壳体在氮气保护的环境中焊接连接，并进行内部毛细芯层的连接；在冷凝腔体预留的孔上焊接抽气注液体头，将一铜管***孔中进行高温还原除氧；
将抽气注液体头处进行抽真空、注入冷却液后挤压折弯封口，并进行熔结密封，得到三维立体热超导均温散热体；
其中，所述蒸发腔为长方形，冷凝腔为圆形；且所述冷凝腔的厚度大于蒸发腔的厚度；所述铜粉颗粒或铝粉颗粒的直径为10微米～1000微米，覆盖厚度为0.1毫米～100毫米，孔隙比率为50％；所述冷却液的材质为乙醇或丙酮。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述毛细芯层的烧结过程中，铜粉颗粒和铜丝网的烧结温度为800℃～1050℃，烧结时间为1h～6h。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述毛细芯层的烧结过程中，铜丝网和铝丝网的烧结温度为400℃～550℃，烧结时间为1h～6h。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述氮气保护过程中，氮气保护从1050°逐渐降温至80°，时间为5min～30min。
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