CN114894016B - 一种金属线阵列吸液芯单向热管及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种金属线阵列吸液芯单向热管，其包括底板、盖板、充液管、和金属线阵列吸液芯，底板和盖板相对设置有预定间隙，在底板上加工出凹腔，凹腔底部放置金属线阵列吸液芯；盖板上侧加工有充液孔，充液管***充液孔内。金属线阵列吸液芯由多根金属线通过耐高温胶粘接而成，金属线的冷凝段有锥尖，从锥尖到尾部进行亲水处理并形成润湿性梯度，越远离锥尖亲水性越好。本发明同时提供了金属线阵列吸液芯单向热管的制造方法，包括切削盖板和底板外轮廓、在金属线阵列吸液芯一端电解形成圆锥状的冷凝段、粘贴、充工作液、抽真空、测试等步骤。该单向热管能够在高温等恶劣环境下，满足热量由蒸发端向冷凝端单向传递的需求。

Description

一种金属线阵列吸液芯单向热管及其制造方法
技术领域
本发明涉及新型热管技术领域，尤其是涉及一种金属线阵列吸液芯单向热管及其制造方法。
背景技术
随着微电子技术的迅猛发展，电子元件的功耗不断升高、结构体积不断缩小，狭窄空间内电子元件所产生的高热通量热量无法及时散出，会造成温度超出电子元件工作温度的上限，从而严重影响电子设备的性能及寿命。
热管是一种两相传热器件，其结构紧凑、运行可靠、无能源消耗、有效导热率高，其内部是具有毛细结构的真空腔体，腔内加入液态工质，其工作原理是低真空度下液态工质在蒸发端吸热蒸发，蒸汽在压差作用下快速运动至冷凝端放热凝结成液态，液态工质再通过管内毛细结构无能耗的运输至蒸发端，依靠工质的蒸发、凝结和循环流动实现热量的传递。由于工质汽液相变具有大量潜热，热管得以实现高密度热流从蒸发端向冷凝端的快速转移，其热导率甚至达到铜的200倍。热管既可以实现大功率传热，也可以用于微小型器件的热管理，在航天器热控制***、5G通讯、电子芯片、新能源汽车等领域中有重要的应用。
传统热管都具有双向性特点，这是由于吸液芯对液态工质的运输亦是双向的，但在航天器热控制、电池热管理、芯片散热等只需要单向传热的场合下，传统热管不能满足使用需求。当外界环境恶劣变化时，如果外界环境温度高于内部器件温度，冷凝端的温度会高于蒸发端，此时传统热管会将热量从冷凝端传递至蒸发端，内部器件温度上升，不利于器件的正常工作。
鉴于上述原因，本发明提出一种金属线阵列吸液芯单向热管及其制造方法，以满足高温外部环境下的单向传热需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种金属线阵列吸液芯单向热管及其制造方法，该单向热管能够在高温等恶劣环境下，满足热量由蒸发端向冷凝端单向传递的需求。
本发明提供了一种金属线阵列吸液芯单向热管，包括底板，所述底板上开设有凹腔；
金属线阵列吸液芯，包括多根相邻排布并置于所述凹腔底面上的金属线，各根金属线的同一端设有呈圆锥状的冷凝段，所述冷凝段从锥尖到锥尾经亲水处理形成润湿性梯度，其亲水性逐渐变强；
盖板，所述盖板的边沿与所述底板边沿适配安装，将所述凹腔密封，所述盖板表面开设有充液孔，所述充液孔底端与所述凹腔相连通，所述充液孔内安装有充液管，所述充液管用于向所述凹腔内填充工作液。
优选地，所述金属线阵列吸液芯设置于所述凹腔底部的中间处，所述金属线阵列吸液芯的两侧设有气道。
优选地，所述金属线阵列吸液芯中的各根金属线间通过耐高温胶粘接或焊接方式固定连接。
优选地，所述底板和所述盖板均采用铜、铝或铁制成。
优选地，所述金属线阵列吸液芯采用铜、铝或铁制成。
优选地，所述底板采用铜、铝或铁制成，所述盖板由透明玻璃或亚克力板制成。
优选地，所述充液孔设置于所述盖板的中部，所述工作液由所述充液孔流入相邻的金属线间形成的液道内。
本发明同时提供了金属线阵列吸液芯单向热管的制造方法，包括以下步骤：
A1、切削加工出所述底板和所述盖板的轮廓，并在所述盖板上加工出充液孔；
A2、采用数控铣床在所述底板上表面加工出所述凹腔；
A3、将多根金属线使用耐高温胶依次粘接或焊接，形成金属线阵列吸液芯；
A4、将金属线阵列吸液芯的一端作为阳极浸在硫酸盐溶液中进行电解反应，硫酸盐溶液以10mm/min的速度由容器内漏出，使金属线阵列吸液芯一端被氧化形成圆锥状的冷凝段，远离冷凝段的另一端作为蒸发段；
A5、将形成冷凝段的金属线阵列吸液芯竖直放置在反应容器中作为阳极，并使反应容器中的NaOH溶液没过金属线阵列吸液芯的冷凝段的锥尖，接入0.01A电流，氧化时缓慢将金属线阵列吸液芯由反应容器中提起，金属线阵列吸液芯的冷凝段到蒸发段形成亲水到超亲水的润湿性梯度，且越远离冷凝段的锥尖其亲水性越强；
A6、将经亲水处理的金属线阵列吸液芯用耐高温胶粘接或焊接在所述凹腔底面的中部；
A7、将所述底板和所述盖板固定连接，在所述充液孔中***充液管，所述充液管和所述充液孔通过耐高温胶粘接，保证其密封性；
A8、通过所述充液管向所述凹腔内部注入工作液，然后通过所述充液管对所述凹腔进行抽真空处理，使其内部气压降低；
A9、完成抽真空处理后，对所述充液管的管口进行冲压使其发生形变，然后对所述充液管的管口进行焊接密封处理；
A10、对单向热管进行单向传热测试，确保其能够正常使用。
优选地，所述步骤A1中通过电火花切割装置切削加工出所述底板和所述盖板的轮廓。
优选地，所述金属线阵列吸液芯采用铜线、铝线或铁线制成，所述步骤A4中的硫酸盐溶液的浓度为0.05mol/L，所述步骤A5中NaOH溶液的浓度为0.5mol/L，当所述金属线阵列吸液芯采用铜线时，所述步骤A4中的硫酸盐溶液为硫酸铜溶液；当所述金属线阵列吸液芯采用铝线时，所述步骤A4中的硫酸盐溶液为硫酸铝溶液；当所述金属线阵列吸液芯采用铁线时，所述步骤A4中的硫酸盐溶液为硫酸铁溶液。
相比现有技术，本发明具有以下有益效果：
1.单向热管内部设置有金属线阵列作为吸液芯，其一端设有圆锥状的冷凝段，远离冷凝段的另一端为蒸发段，金属线阵列吸液芯的冷凝段经亲水处理形成润湿性梯度，且由锥尖到锥尾亲水性逐渐增强，工作液由充液孔注入凹腔内，并在金属线阵列吸液芯表面和间隙流动，位于单个圆锥状冷凝段表面的工作液受到凸曲率拉普拉斯压力梯度和润湿性梯度作用由锥尖向锥尾流动，位于相邻锥尖表面间形成的V形间隙的工作液受到凹曲率拉普拉斯压力梯度和润湿性梯度作用从而由V形间隙的大口向小口流动，工作液的两种运输方向都是由金属线锥尖向金属线锥尾，配合毛细作用力，其单向运输速度加快，从而可以加快单向热管的传热效率；
2.金属线阵列作为吸液芯是粘结在热管底板上的，与直接在底板上加工出吸液芯结构的单向热管相比，该单向热管可以更换吸液芯，从而可以避免因热管吸液芯失效而更换整根热管，避免造成不必要的浪费；
3.金属线阵列吸液芯末端的蒸发段经过超亲水处理，因此在正向传热时增强工作液蒸发，提高单向热管的传热效率，在反向传热时可以锁住液体，保证单向热管的单向传热。
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为本发明单向热管的整体结构示意图；
图2是本发明单向热管的拆解结构示意图；
图3是本发明中金属线阵列吸液芯的俯视图；
图4是本发明单向热管的剖切示意图；
图5是本发明单向热管内工作液的单向流动原理图。
附图标记说明：10：底板；11：凹腔；20：盖板；21：管孔；30：充液管；40：金属线阵列吸液芯；41：冷凝段；42：蒸发段；50：气道；60：液道。
具体实施方式
下面将结合实施例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，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"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"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，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。
如图1、2所示，一种金属线阵列吸液芯单向热管，包括底板10和盖板20，底板10和盖板20的边缘设置有预设的一圈相适配的间隙和凸起，使底板10和盖板20适配安装，底板10表面开设有凹腔11，通过底板10和盖板20配合将凹腔11密封，凹腔11内设置有金属线阵列吸液芯40，盖板20表面开设有与凹腔11相连通的充液孔21，充液孔21内安装有充液管30，通过充液管30可以向凹腔11内填充工作液。
底板10和盖板20均采用铜、铝或铁制成，在本实施例中，优选使用导热性较好的铜材料。充液管30为铜管，在热管加工时，可以通过充液管30和充液孔21向热管内部注入工作液，并且利用抽真空装置可以通过夹紧充液管30对热管内部进行抽真空处理，完成抽真空处理后可以通过冲压，使充液管30发生形变，从而形成密封口，起到密封的作用，如冲压后，管口未完全密封，则可以通过焊接方式对其完全密封。
在另一实施例中，底板10采用铜、铝或铁制成，盖板20由透明玻璃或亚克力板制成，或者盖板20上嵌有由透明玻璃或亚克力板制成的透明视窗，形成可视化的效果，从而可以在热管工作的过程中，观察热管内部的情况，对于热管的科学研究具有重要意义。
如图3所示，金属线阵列吸液芯40包括多根相邻排布的金属线，相邻的金属线间通过耐高温胶粘接或焊接方式固定连接，使金属线阵列吸液芯可以整体移动和处理，各根金属线的同一端设有呈圆锥状的冷凝段41，相邻的冷凝段41从锥尖到锥尾经亲水处理形成润湿性梯度，且其由锥尖到锥尾亲水性逐渐变强。远离冷凝段的另一端为蒸发段42，蒸发段42经过超亲水处理。
如图4所示，金属线阵列吸液芯40设置于凹腔11底部的中间处，金属线阵列吸液芯40的两侧与凹腔的侧壁间为气道50，金属线阵列吸液芯40表面和间隙为液道60。充液孔21开设于盖板20的中部，由充液孔21通入的工作液在液道60内流动。金属线阵列吸液芯40采用铜、铝或铁等导热性良好的材料制成，在本实施例中，优选使用铜材料，在正常工作时，蒸发段42的温度比冷凝段41的温度高，当单向热管工作时，蒸发段42上的工作液受热相变成蒸汽，蒸汽通过两侧的气道50流向冷凝段41。由于冷凝段41的温度相对较低，因此蒸汽遇冷相变液化，在冷凝段41冷凝成液体。
该单向热管控制液体单向流动的主要原理为：如图5中最顶部图幅所示，位于单个圆锥状冷凝段41表面的工作液受到凸曲率拉普拉斯压力梯度和润湿性梯度作用，从而由冷凝段41的锥尖向锥尾流动。其中，凸曲率拉普拉斯压力梯度是指：当工作液(如去离子水)在亲水的锥状结构表面流动时形成凸液面，由于锥尖的曲率半径大于锥尾的曲率半径同时凸液面的曲率半径产生的拉普拉斯压力取正值，使锥尖的拉普拉斯压力大于锥尾的拉普拉斯压力，导致液体只能由锥尖向锥尾流动。另外，经亲水处理冷凝段41表面形成润湿性梯度，其亲水性由锥尖到锥尾逐渐增大，而液体由于在亲疏水面的表面张力不同，亲水性越好，表面张力越小，液体更易由表面张力大的表面流向表面张力小的表面。因此，在凸曲率拉普拉斯压力梯度和润湿性梯度共同作用下，冷凝段41表面的工作液按如图5中箭头方向，由锥尖流向锥尾。
位于相邻的金属线的冷凝段41之间形成的V形间隙内的工作液受到凹曲率拉普拉斯压力梯度和润湿性梯度作用，由V形间隙的大口向小口流动。如图5中部两图幅所示，为工作液在相邻的金属线的冷凝段41间的状态。根据凹曲率拉普拉斯压力梯度原理，当工作液(如去离子水)在亲水的锥状腔(相邻圆锥状的冷凝段41所夹区域)内流动时形成凹液面，由于较宽一侧的曲率半径小于较窄一侧的曲率半径，同时凹液面的曲率半径产生的拉普拉斯压力取负值，导致较宽一侧的拉普拉斯压力大于较窄一侧的拉普拉斯压力，导致液体只能由较宽一侧向较窄一侧流动。
因此，工作液在冷凝段41表面和相邻冷凝段41间V形区域，两种运输方向都是由金属线的锥尖向锥尾方向，配合毛细作用力以及金属线与盖板20之间的间隙产生的毛细力而进行单向运输，且其单向运输速度加快，从而可以加快单向热管的传热效率。
如图5中底部图幅所示，为工作液在相邻的金属线的圆柱段(包括蒸发段42)间流动示意图，由于冷凝段41到蒸发段42间形成亲水到超亲水的润湿性梯度，且越远离冷凝段41的锥尖其亲水性越强，液体由于在亲疏水面的表面张力不同，亲水性越好，表面张力越小，液体更易由表面张力大的表面流向表面张力小的表面。因此，整个金属线阵列吸液芯40表面以及间隙的工作液均如图中箭头由冷凝段41向蒸发段42流动，从而保证工作液在热管内单向流动。
在实际应用中，热管的冷凝段41一端与散热元件相接触，散热元件如电脑的散热风扇，热管的另一端为蒸发段42，在实际应用中与发热元件相接触，如与电脑CPU接触。在正常工作时，蒸发段42的温度比冷凝段41的温度高，当单向热管工作时，蒸发段42中的工作液受热相变成蒸汽，蒸汽通过金属线阵列吸液芯40两侧的气道50流向冷凝段41。由于冷凝段41的温度相对较低，因此蒸汽遇冷相变液化，在冷凝段41形成液体。液体在液道60内由于金属线阵列吸液芯40的单向特性，促使液体流向蒸发段42，然后液体再次受热蒸发相变成蒸汽流向冷凝段41，如此循环往复。在工作液蒸发吸热与蒸汽冷凝放热的过程中，就把蒸发段42吸收的发热元件散发的热量传输到冷凝段41，最终由散热元件进行散热。由于金属线阵列吸液芯40的单向特性，液体只能由冷凝段41流动到蒸发段42，液体不会在冷凝段41聚集，不会导致蒸发段42由于没有液体输入而“烧干”，不会使热管失效，也使得单向热管不能在反方向传热，可以起到保护微小型器件的作用。
本发明同时提供了金属线阵列吸液芯单向热管的制造方法，其包括以下步骤：
A1、通过电火花切割装置分别加工出底板10和盖板20的轮廓，并加工出可使底板10和盖板20适配安装的间隙和凸起，并在盖板20的中部加工出充液孔21；
A2、采用数控铣床在底板20上表面加工出凹腔；
A3、将多根铜线使用耐高温胶依次粘接，形成金属线阵列吸液芯40，铜线的数量根据底板20和凹腔的尺寸进行调整；
A4、将金属线阵列吸液芯40的一端作为阳极，浸在浓度为0.05mol/L的硫酸铜溶液中进行电解反应，硫酸铜溶液以10mm/min的速度由容器内漏出，从而使金属线阵列吸液芯40的一端形成圆锥状的冷凝段41，远离冷凝段41的另一端为蒸发段42；
A5、将形成冷凝段41的金属线阵列吸液芯40竖直放置在反应容器中作为阳极，并使反应容器中浓度为0.5mol/L的NaOH溶液没过金属线阵列吸液芯40的冷凝段41的锥尖，接入0.01A电流，氧化时缓慢将金属线阵列吸液芯40由反应容器中提起，金属线阵列吸液芯40的冷凝段41到蒸发段42形成亲水到超亲水的润湿性梯度，且越远离冷凝段41的锥尖其亲水性越强；
A6、将经亲水处理的金属线阵列吸液芯40用耐高温胶粘接在凹腔底面的中部；
A7、将底板10和盖板20适配安装并固定连接，在充液孔21中***充液管30，充液管30和充液孔21间通过耐高温胶粘接，保证其密封性；
A8、通过充液管30向凹腔内部注入工作液，然后通过充液管30对凹腔进行抽真空处理，使其内部气压降低，从而使工作液更容易气化；
A9、完成抽真空处理后，对充液管30的管口进行冲压使其发生形变，然后对充液管30的管口进行焊接密封处理；
A10、对单向热管进行单向传热测试，确保其能够正常使用。
在其他实施例中，铜线可采用导热性稍差的铝线或铁线替代，相应的，步骤A4中的硫酸铜溶液对应采用硫酸铝溶液或硫酸铁溶液替代，从而在电解后形成圆锥状的冷凝段41。
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 (10)

1.一种金属线阵列吸液芯单向热管，其特征在于，包括：底板，所述底板上开设有凹腔；
金属线阵列吸液芯，包括多根相邻排布并置于所述凹腔底面上的金属线，各根金属线的同一端设有呈圆锥状的冷凝段，所述冷凝段从锥尖到锥尾经亲水处理形成润湿性梯度，其亲水性逐渐变强；
盖板，所述盖板的边沿与所述底板边沿适配安装，将所述凹腔密封，所述盖板表面开设有充液孔，所述充液孔底端与所述凹腔相连通，所述充液孔内安装有充液管，所述充液管用于向所述凹腔内填充工作液。
2.根据权利要求1所述的金属线阵列吸液芯单向热管，其特征在于，所述金属线阵列吸液芯设置于所述凹腔底部的中间处，所述金属线阵列吸液芯的两侧设有气道。
3.根据权利要求1所述的金属线阵列吸液芯单向热管，其特征在于，所述金属线阵列吸液芯的各根金属线间通过耐高温胶粘接或焊接方式固定连接。
4.根据权利要求1所述的金属线阵列吸液芯单向热管，其特征在于，所述底板和所述盖板均采用铜、铝或铁制成。
5.根据权利要求1所述的金属线阵列吸液芯单向热管，其特征在于，所述金属线阵列吸液芯采用铜、铝或铁制成。
6.根据权利要求1所述的金属线阵列吸液芯单向热管，其特征在于，所述底板采用铜、铝或铁制成，所述盖板由透明玻璃或亚克力板制成。
7.根据权利要求2所述的金属线阵列吸液芯单向热管，其特征在于，所述充液孔设置于所述盖板的中部，所述工作液由所述充液孔流入相邻的金属线间形成的液道内。
8.根据权利要求1所述的金属线阵列吸液芯单向热管的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
A1、切削加工出所述底板和所述盖板的轮廓，并在所述盖板上加工出充液孔；
A2、采用数控铣床在所述底板上表面加工出所述凹腔；
A3、将多根金属线使用耐高温胶依次粘接或焊接，形成金属线阵列吸液芯；
A4、将金属线阵列吸液芯的一端作为阳极浸在硫酸盐溶液中进行电解反应，硫酸盐溶液以10mm/min的速度由容器内漏出，使金属线阵列吸液芯一端被氧化形成圆锥状的冷凝段，远离冷凝段的另一端作为蒸发段；
A5、将形成冷凝段的金属线阵列吸液芯竖直放置在反应容器中作为阳极，并使反应容器中的NaOH溶液没过金属线阵列吸液芯的冷凝段的锥尖，接入0.01A电流，氧化时缓慢将金属线阵列吸液芯由反应容器中提起，金属线阵列吸液芯的冷凝段到蒸发段形成亲水到超亲水的润湿性梯度，且越远离冷凝段的锥尖其亲水性越强；
A6、将经亲水处理的金属线阵列吸液芯用耐高温胶粘接在所述凹腔底面的中部；
A7、将所述底板和所述盖板固定连接，在所述充液孔中***充液管，所述充液管和所述充液孔通过耐高温胶粘接，保证其密封性；
A8、通过所述充液管向所述凹腔内部注入工作液，然后通过所述充液管对所述凹腔进行抽真空处理，使其内部气压降低；
A9、完成抽真空处理后，对所述充液管的管口进行冲压使其发生形变，然后对所述充液管的管口进行焊接密封处理；
A10、对单向热管进行单向传热测试，确保其能够正常使用。
9.根据权利要求8所述的金属线阵列吸液芯单向热管的制造方法，其特征在于，所述步骤A1中通过电火花切割装置切削加工出所述底板和所述盖板的轮廓。
10.根据权利要求8所述的金属线阵列吸液芯单向热管的制造方法，其特征在于，所述金属线阵列吸液芯采用铜线、铝线或铁线制成，所述步骤A4中的硫酸盐溶液的浓度为0.05mol/L，所述步骤A5中NaOH溶液的浓度为0.5mol/L，当所述金属线阵列吸液芯采用铜线时，所述步骤A4中的硫酸盐溶液为硫酸铜溶液；当所述金属线阵列吸液芯采用铝线时，所述步骤A4中的硫酸盐溶液为硫酸铝溶液；当所述金属线阵列吸液芯采用铁线时，所述步骤A4中的硫酸盐溶液为硫酸铁溶液。
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