CN109737783B - 一种超薄热管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超薄热管，包括外壳、蒸汽腔和毛细芯；在所述蒸汽腔内充有工作介质；所述超薄热管设置有冷凝段、蒸发段及绝热段；所述毛细芯包括分形梯级毛细芯与稀疏毛细芯；所述分形梯级毛细芯位于所述蒸发段与冷凝段的内壁，所述稀疏毛细芯位于绝热面的内壁；所述分形梯级毛细芯是由在外壳上配置m个并列排布的分形梯级微槽单元构成。本发明提供的超薄热管，配置有分形梯级毛细芯，具有强毛细力、低流阻、传热能力大的优点，可高效降低局部热源温度，提高微电子器件工作可靠性和稳定性。

Description

一种超薄热管

技术领域

本发明涉及电子设备散热领域，特别是涉及一种应用于受限空间内微电子器件散热的超薄热管。

背景技术

摩尔定律指出：电子产品的性能每18个月提高一倍。因此芯片的功耗必然随之增大，产生的热耗也越来越大。同时随着微电子机械的发展，越来越多的电子元器件被封装于微小空间内。这导致了电子器件的热耗越来越大，但封装尺寸却越来越小，因此单位面积和单位体积上上的热流密度越来越大。研究和实际应用表明：55％的电子设备失效是由温度过高引起的，单个半导体元件的温度每升高10℃，***的可靠性将降低50％。另外，有效的散热措施是保证电子产品安全、稳定、可靠性工作的前提。在此背景下，迫切需要发展新型高效的超薄型均温冷却器件解决受限空间内微电子器件的局部高热流散热问题。

一般而言，解决受限空间内微电子器件局部热源散热的方法有两种。一种是在超薄型微电子器件的局部热点区域黏贴高导热柔性材料散热，消除局部热点。另一种是采用超薄热管解决芯片发热及消除局部热点。我们知道，热管能将高热量热源产生的热量迅速通过汽化潜热带走，由于汽化潜热大，因此，能瞬时降低受热面的温度，从而有效降低热源温度，提高***可靠性。但由于超薄热管的本身超薄特性，使得流体流动、热量输运受到限制作用，限制了其传热性能的发挥。主要表现在工作液体流动阻力较大，蒸汽流通空间小，毛细驱动力弱，特别是在毛细相变传热与流动阻力缺少协同优化，这导致热量无法快速扩散、最大传热能力下降和热阻较大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足，而提供一种可实现毛细相变传热与流动阻力协同优化，具有强毛细力、低流阻、传热能力大的超薄热管，从而可高效降低局部热源温度，提高微电子器件工作可靠性和稳定性。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种超薄热管，包括外壳、蒸汽腔和毛细芯，所述毛细芯设置在所述外壳内，在所述外壳内的剩余空间为所述蒸汽腔；在所述蒸汽腔内充有工作介质；所述超薄热管设置有冷凝段、蒸发段及绝热段，所述毛细芯布置在冷凝段、蒸发段及绝热段的内壁；其特征在于：所述毛细芯包括分形梯级毛细芯与稀疏毛细芯；所述分形梯级毛细芯位于所述蒸发段与冷凝段的内壁，所述稀疏毛细芯位于绝热面的内壁；所述分形梯级毛细芯是由在外壳上配置m个并列排布的分形梯级微槽单元构成，m为大于等于1的整数，所述分形梯级微槽单元由第0，1，…，N-1级微肋组成，N为分形级数，N为大于等于2的整数，两相邻的所述分形梯级微槽单元共用第0级微肋；所述分形梯级微槽单元的第1～N-1级微肋仅处于所述超薄热管的蒸发段和冷凝段区域，所述第1级微肋长度分别为其所处蒸发段长度和冷凝段长度的f_z倍，0<f_z<1；从第1级开始，随着分形级数N的增加，微肋长度逐级缩短，第n级微肋的长度第n级微肋的宽度第n级微肋的高度为其中，l₁为第1级微肋的长度，w₀为第0级微肋的宽度，h₀为第0级微肋的高度，f_x为下级微肋宽度与上一级微肋宽度的比值，0<f_x<1，f_x为下级微肋高度与上一级微肋高度的比值，0<f_y<1；所述稀疏毛细芯由位于蒸发段和冷凝段区域的第0级微肋延长相接而成。

所述分形梯级微槽单元的第1和第2级微肋为中空结构，内部填充有固-固相变材料。需要说明的是，超薄热管的厚度一般小于2mm，因此其热惯性较小，热响应速度较快。当外界热源出现局部瞬时高热流密度工况时，超薄热管会迅速做出反应，局部温度急剧提高，导致超薄热管内部回流的工作液体不能满足当前情况下所需的蒸发量，出现蒸发段内毛细芯局部干涸，蒸发段壁面温度急剧上升，甚至烧坏管壁的情况。此外，当热管处于间歇性热流作用下，蒸发段的温度波动剧烈，使得热应力变化大，易导致产生热管失效。为避免以上两种不利情况发生，本发明提出的分形梯级毛细芯，将第1、2级微肋设置中空结构，内部填充有固-固相变材料。如此，可在出现上述的局部瞬时高热流工况或间歇性热流时，利用相变材料延时储能的特性，将瞬时产生的大量热量临时储存起来，缓解温度上升的剧烈程度，使超薄热管始终能够在其最大传热极限以下情况工作。另外，采用固-固相变材料，其相变过程体积变化较小，避免了其他相变材料(如固-液相变材料)在相变过程中因体积增大而导致分形梯级毛细芯发生形变，破坏微槽道结构而发生阻塞的情况。

所述固-固相变材料为择多元醇类、无机盐类或高分子类。

所述分形梯级微槽单元的微肋，其截面形状为圆形、半圆形、方形、梯形或三角形。

所述中空结构，根据所述微肋形状，为圆形、半圆形、方形、梯形或三角形。

所述工作流体为水、氨、乙醇、丙醇、丙酮或有机物。

所述毛细芯材料，可根据应用场合以及工作流体性质，在碳素钢、低合金钢、不锈钢、合金以及聚合物中选择。

本发明毛细芯的第0级微肋高度与蒸汽腔高度相同，长度l₀与超薄热管长度相同，因而贯穿蒸发段、绝热段以及冷凝段，将蒸汽腔空间分隔为多个分形梯级微槽单元。同时，分形梯级毛细芯的第0级微肋还起到支撑蒸汽腔的作用，防止出现蒸汽腔因内部真空而发生凹变的情况。

另外，需要特别指出的是，具有传统沟槽式毛细芯的超薄热管中，为了提高沟槽式毛细芯的换热面积，增强超薄热管的换热能力，需要减小沟槽结构的尺寸。而随着沟槽结构尺寸的减小，液体在槽道中的流动阻力也将显著增加，制约了超薄热管的最大传热能力的提升。

同时，通过实验观察液态工作介质在传统沟槽式毛细芯超薄热管中的流动形态发现(图1)，槽道中液膜的厚度从冷凝段开始，向着蒸发段，沿流动方向逐渐减小，尤其是进入蒸发段后，液态工作介质在流动过程中受热蒸发，槽道内液态工作介质的量迅速减少，在靠近蒸发段顶部，液态工作介质仅存在于槽道底部角落区域，并露出了大部分微肋壁面和槽道底面。由此可见，在传统沟槽式毛细芯超薄热管的蒸发段中，液膜高度明显小于微肋高度，多出部分的微肋不但减小了蒸汽腔的体积和蒸汽流动面积，而且增加了壁面与蒸汽的接触面积，从而导致了蒸汽流动阻力的提高。为此，本发明中的微肋高度不再使用单一高度，而是将微肋高度进行了梯级调节，即为如上第n级微肋的高度为h_n＝f_y ⁿ·h₀。

自然界中的物质输运***如叶片脉络(图2)，具有从明显主脉开始，经过逐级分叉，再细分为许多更小尺寸细脉的结构特征，这是植物经过亿万年的演化，自然形成的高效物质输运***，在物质输运及能量传递方面具有独特优势。而在超薄热管中，流体在冷凝段发生冷凝成为液体后，沿着吸液芯提供的通道流向蒸发段，这与植物将养分沿着叶片脉络从主脉向分支细脉输送给叶片的过程非常相似。因此，受此思想启迪，本发明将超薄热管的微槽毛细芯在蒸发段和冷凝段具有密集分形梯级毛细芯，在绝热段具有稀疏毛细芯的结构特征，同时密集分形梯级毛细芯微肋的高度与宽度也逐级减少，适应槽道中液膜厚度的变化，增加蒸汽腔体积和蒸汽流动截面积，降低蒸汽与壁面的接触面积，以此在保证超薄热管换热能力的同时，克服传统沟槽式毛细芯流动阻力大的缺点，提高超薄热管的最大传热能力，提高流动换热的场协同性，实现流动阻力和换热量的最佳性价比。

有益效果

本发明提出的具有分形梯级毛细芯结构的一种新型超薄热管，其有益效果在于：

第一，密集分形梯级毛细芯结构仅处于蒸发段和冷凝段，由于蒸发段区域的液膜很薄，当毛细芯结构直径减小时，不会影响热管的传热面积，热管的传热能力不会受到影响；

第二，密集分形梯级毛细芯微肋的高度与宽度逐级减少，能够与液膜厚度变化趋势相匹配，不但不影响液态工作介质在槽道中的流动，而且还增加了蒸汽腔体积和蒸汽流动截面积，降低了蒸汽与壁面的接触面积，大大降低了蒸汽在超薄热管中的流动阻力。

第三，绝热段为稀疏毛细芯结构，因此在绝热段，工作液体的流动阻力较小，粘性流动损失小，流动顺畅，同时还可为绝热段毛细芯结构上方蒸汽流动提供足够的空间，充分利用超薄热管的有限空间；

第四，分形梯级毛细芯的沟槽截面发生周期性变化，不但可为液体回流提供较强的毛细驱动力，保证超薄热管的换热能力，而且可使热管内的工作液体反复改变速度梯度和温度梯度，克服流体在传统沟槽毛细芯结构中流动阻力大的缺点，有利于提高流动换热的场协同性，实现流动阻力和最大传热能力最佳性价比。

第五，在第1、2级微肋内部填充固-固相变材料，可将瞬时产生的大量热量临时储存起来，缓解温度上升的剧烈程度，使超薄热管始终能够在其最大传热极限以下情况工作。

提供的新型超薄热管就要解决工作液体流动阻力较大、蒸汽流通空间小、毛细驱动力弱，特别是在毛细相变传热与流动阻力缺少协同优化的问题。相对于传统热管，本发明提供的新型超薄热管，配置有分形梯级毛细芯，自适应微槽道沿程液膜变化，促使薄液膜蒸发相变高效传热，并且最大限度减少冷凝液沿程流动阻力。

附图说明

图1为传统沟槽毛细芯结构内液膜分布，其中a为三维效果图；b为沟槽结构图；c为b中的A部放大示意图；

图2为花椰菜(a)、树叶(b)脉络示意图；

图3为分形梯级微肋的生成过程示意图；

图4新型超薄热管三维结构示意图；

图5新型超薄热管横截面结构示意图；

图6分形梯级微槽单元三维结构示意图；

图7传统沟槽毛细芯结构示意图；

图8分形梯级毛细芯与传统沟槽毛细芯最大传热能力比较；

图9分形梯级毛细芯与传统沟槽毛细芯热阻比较；

图中，1.外壳；11.蒸发面；12.绝热面；13.冷凝面；2.蒸汽腔；3.微槽毛细芯；31.分形梯级微槽单元；311.分形梯级毛细芯；3111.第0级微肋；3112.第1级微肋；3113.第2级微肋；3114.第3级微肋；312.稀疏毛细芯；4.固-固相变材料；5.工作液体；6.固-固相变材料；7.传统沟槽毛细芯。

具体实施方式

为了解决现有超薄热管内部工质流阻较大，最大传热能力有限的问题，本发明提供了一种新型分形阶梯毛细芯结构超薄热管，以下结合附图以及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。

下面结合附图说明进行更进一步的详细说明：

本发明一种超薄热管，包括外壳、蒸汽腔和毛细芯，外壳的内部空间为蒸汽腔，外壳内部配置有毛细芯。超薄热管设置有冷凝面、蒸发面及绝热面，毛细芯布置在冷凝面、蒸发面及绝热面的内壁。毛细芯是在薄板上配置m个并列排布的分形梯级微槽单元(m为大于等于1的整数)构成，分形梯级微肋由第0，1，…，N-1级微肋组成(分形级数N为大于等于2的整数)，两相邻的分形梯级微槽单元共用第0级微肋。

如图3所示，在单个分形梯级微槽单元中，分形梯级微肋的具体生成过程如下：

(1)第1步，在薄板两端配置第0级(即n＝0)微肋，分形梯级微槽单元宽度为L_unit，在x＝0和x＝L_unit处配置微肋，构成第0级分形轮廓。第0级微肋的宽度为w₀，高度为h₀。

(2)第2步，将第0级分形轮廓均分为k段(k为大于等于3的整数)，在x＝L_unit/3，2L_unit/3，…，(k-1)L_unit/3配置第1级微肋，形成第1级分形轮廓。其中，第1级微肋的宽度w₁＝f_x·w₀，高度为h₁＝f_y·h₀.

(3)第3步，将任何两相邻微肋之间的区域再次均分为k段，并在均分点配置第2级微肋，形成第2级分形轮廓。其中，第2级微肋的宽度w₂＝f_x·w₁，高度为h₂＝f_y·h₁。

(4)依此类推，不断重复第3步，在任何两相邻微肋之间区域继续均分为k段，对应均分点配置第n级微肋，形成第n级分形轮廓(n＝1，2，…，N-1)。其中，第n级微肋的宽度高度为

根据以上步骤，则循环生成分形级数为n、分形轮廓上下级均分段数为k的分形梯级微肋，第n级微肋的宽度高度为其中，k为大于等于3的整数，分形级数N为大于等于2的整数。当k＝3，N＝4时，所生成的分形梯级微肋如图3所示。

图4为本发明超薄热管三维结构示意图。如图所示，超薄热管包括外壳1、蒸汽腔2和微槽毛细芯3，外壳1的内部空间为蒸汽腔2，外壳1内部配置有微槽毛细芯3；微槽毛细芯3由多个分形梯级微槽单元31组成；微槽单元31包括分形梯级毛细芯311和稀疏吸液芯312；分形梯级毛细芯311位于蒸发面11和冷凝面13，稀疏毛细芯312位于绝热段12。

图5所示为当k＝3，N＝4时，所生成的分形梯级微肋。如图所示，在薄板上配置的m个并列排布的分形梯级微槽单元4(m为大于等于1的整数)中，分形梯级毛细芯311的微肋由第0，1，…，n-1级微肋组成(分形级数n为大于等于2的整数)，两相邻的分形梯级微槽单元共用第0级微肋3111；将第0级分形轮廓均分为3段，在所述的单个分形梯单元4的宽度为L_unit，在其1/3和2/3处，即x＝L_unit/3，2L_unit/3配置第1级微肋3112，形成第1级分形轮廓。所述的第1级微肋3112的宽度为所述的第0级微肋3111宽度的f_x倍，所述的第1级微肋3112的高度为所述的第0级微肋3111高度的f_y倍，即w₁＝f_x·w₀，h₁＝f_y·h₀；重复上述步骤，得到第2级微肋3113和第3级微肋3114，第2级微肋3113的宽度高度为第3级微肋3114的宽度高度为

图5为新型超薄热管内单个分形梯级微槽单元的蒸汽腔横截面结构。如图所示，蒸汽腔内包括蒸汽空间21，分形梯级毛细芯311，工作液体5，相变材料6。第0级微肋3111与蒸汽腔2高度相同，起到支撑蒸汽腔的作用。两个第0级微肋3111之间即为单个分形梯级微槽单元31。工作液体5位于分形梯级毛细芯311与外壳1之间，工作液体5的液态形式位于分形梯级毛细芯311的微槽道中，工作液体5的气态形式位于蒸汽空间21。第1级微肋3112与第2级微肋3113为中空结构，内部填充有固-固相变材料6。当出现局部瞬时高热流工况时，固-固相变材料6可将瞬时产生的大量热量中的一部分临时储存起来，缓解温度上升的剧烈程度，使液态工作液体5能够及时回流到蒸发段的分形梯级毛细芯311内，保证超薄热管能够处于安全工作状态。

图6为分形梯级微槽单元的三维结构示意图。分形梯级毛细芯311的第0级微肋3111为分形梯级微槽单元31的侧壁，将蒸汽腔进行分隔，第0级微肋3111贯穿蒸发段11、绝热段12以及冷凝段13，长度与超薄热管长度相等；同时，第0级微肋3111还起到支撑蒸汽腔2的作用，防止出现蒸汽腔2因内部真空而发生凹变的情况。分形梯级毛细芯的第1～3级微肋3112～3114仅处于超薄热管的蒸发段和冷凝段区域。第1级微肋3112开始，长度分别为其所处蒸发段11长度和冷凝段13长度的f_z(0<f_z<1)倍；从第1级微肋3112开始，随着分形级数N的增加，微肋长度逐级缩短，即第2级微肋3113与第3级微肋3114的长度l₂＝f_zl₁，

图7为传统沟槽毛细芯结构示意图，与微槽毛细芯3相比，传统沟槽毛细芯7横向截面结构与微槽毛细芯3的横向截面结构相同，但传统沟槽毛细芯7的槽道纵向贯穿整个绝热段12，而微槽毛细芯3在绝热段为稀疏毛细芯32。

图8显示，本发明提出的微槽毛细芯3的单个分形梯级微槽单元4的最大传热能力高于对应传统沟槽毛细芯7内最大传热能力，且工作温度越高，差距越大。本实施例中，工作液体为水，壳体材料为铜。

图9显示，在不同工作温度条件下，本发明提出的微槽毛细芯3的单个分形梯级微槽单元4的热阻均低于对应传统沟槽毛细芯7的热阻。本实施例中，工作液体为水，壳体材料为铜。

在大型热管或热交换器中，与蒸汽流动相关的压降常常被忽略，而在超薄热交换器中，蒸汽流动的摩擦阻力占主导地位。可以根据层流计算通过液体通道的压降ΔP_l：

上式中，L_e，L_a和L_c分布表示表示蒸发段、绝热段和冷凝段的长度；fRe是摩擦系数和雷诺数的乘积，雷诺数是一个常数，取决于层流的几何形状；μ_l是液态工作介质粘度，w_T,l是可用于液体流动的总流宽，δ_l为流道高度，r_h为流道水力半径，Q为功率耗散。Δh_fg为工作介质从饱和液态变为饱和蒸气的蒸发焓变化；ρ_l为液态工作介质密度。流道的水力半径是通道宽度w_c和高度δ_l的函数，r_h＝δ₁·w_c/(δ₁+w_c)。

对于平行板流，水力半径将与蒸汽芯厚度相当，因此，蒸汽的压降ΔP_V将由下式表达：

上式中，μ_V是饱和蒸气粘度，w_T,V是可用于蒸气流动的总宽度，δ_V为蒸气流动空间高度，ρ_V为工作介质饱和蒸气密度。

对于具有表面张力和毛细半径的流体，其毛细泵压力ΔP_cap由杨-拉普拉斯定律给出:

上式中，σ为液态工质表面张力，r_c为液态工作弯月面毛细半径，其沿轴向分布微分方程为

上式中，z为距离蒸发段端部距离，q_m,l(z)为任意位置z处液态工质质量流量，A_l液态工质流动面积。毛细半径沿轴向变化的一阶隐式微分方程，可利用4阶Runge-Kutta法求解，可得到液体工质弯月面毛细半径沿轴向的分布，即可得到任意位置处的毛细泵压力ΔP_cap。对于沟槽式热管，其正常工作的必要条件是，随着毛细半径r_c变化，其最小毛细泵压力满足

(ΔP_cap)_min≥ΔP₁+ΔP_v

根据上式，可获得超薄热管所能实现的最大功率耗散Q_max。

由于微槽毛细芯3在绝热段12为稀疏毛细芯32，分形梯级毛细芯31的长度分别为蒸发段11长度L_e与冷凝段13长度L_c的2/3，故在计算微槽毛细芯3的液体和流动压差时，绝热段长度L_a为0，L_e，L_c仅为传统毛细芯的2/3，其他条件不变。由此，在可根据上述公式分别得到微槽毛细芯3与传统沟槽毛细芯7在不同工作温度下的最大传热功率。可以发现，随着工作温度的增加，经过优化设计后的微槽毛细芯3的最大传热能力愈发高于传统沟槽毛细芯7，同时微槽毛细芯3的等效导热热阻也低于传统沟槽毛细芯7。说明本发明提出的微槽毛细芯，确实具有流动阻力小的特性，可实现工作液体流动通畅，从而真正实现流动换热的场协同性效果，最终达到工作液体流动更迅速、最大传热能力更强的效果。

尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施例，本领域的技术人员将意识到各种改进、增加和取代也是可能的。因此，本发明的范围应当不限于上述实施例。

Claims (6)

1.一种超薄热管，包括外壳、蒸汽腔和毛细芯，所述毛细芯设置在所述外壳内，在所述外壳内的剩余空间为所述蒸汽腔；在所述蒸汽腔内充有工作介质；所述超薄热管设置有冷凝段、蒸发段及绝热段，所述毛细芯布置在冷凝段、蒸发段及绝热段的内壁；其特征在于：所述毛细芯包括分形梯级毛细芯与稀疏毛细芯；所述分形梯级毛细芯位于所述蒸发段与冷凝段的内壁，所述稀疏毛细芯位于绝热面的内壁；所述分形梯级毛细芯是由在外壳上配置m个并列排布的分形梯级微槽单元构成，m为大于等于1的整数，所述分形梯级微槽单元由第0，1，…，N-1级微肋组成，N为分形级数，N为大于等于2的整数，两相邻的所述分形梯级微槽单元共用第0级微肋；所述分形梯级微槽单元的第1～N-1级微肋仅处于所述超薄热管的蒸发段和冷凝段区域，所述第1级微肋长度分别为其所处蒸发段长度和冷凝段长度的f_z倍，0<f_z<1；从第1级开始，随着分形级数N的增加，微肋长度逐级缩短，第n级微肋的长度l_n＝f_z ^n-1l₁，第n级微肋的宽度w_n＝f_x ⁿ·w₀，第n级微肋的高度为h_n＝f_y ⁿ·h₀，其中，l₁为第1级微肋的长度，w₀为第0级微肋的宽度，h₀为第0级微肋的高度，f_x为下级微肋宽度与上一级微肋宽度的比值，0<f_x<1，f_y为下一级微肋高度与上一级微肋高度的比值，0<f_y<1；所述稀疏毛细芯由位于蒸发段和冷凝段区域的第0级微肋延长相接而成。

2.如权利要求1所述的超薄热管，其特征在于，所述分形梯级微槽单元的第1和第2级微肋为中空结构，内部填充有固-固相变材料。

3.如权利要求2所述的超薄热管，其特征在于，所述固-固相变材料为多元醇类、无机盐类或高分子类。

4.如权利要求1所述的超薄热管，其特征在于，所述分形梯级微槽单元微肋的截面形状为圆形、半圆形、方形、梯形或三角形。

5.如权利要求1所述的超薄热管，其特征在于，所述工作介质为水、氨、乙醇、丙醇、丙酮或有机物。

6.如权利要求1所述的超薄热管，其特征在于，所述的毛细芯材料，可根据应用场合以及工作流体性质，在碳素钢、低合金钢、不锈钢、合金以及聚合物中选择。