CN1705043A - 提高液汽相散热装置内部工作流体的流动性质的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高液汽相散热装置内部工作流体的流动性质的方法，该方法可应用于液汽相散热装置中以提高内部工作流体的流动性质，进而提高该散热装置的散热能力；本发明通过在装置内的毛细结构表面上覆盖一层可增加工作流体与毛细结构的结合力的表面改质材料，使工作流体和毛细结构的接触角变小，工作流体因而具有较高的流动性，以解决液汽相散热装置的高热通密度的问题以增加散热效能；本方法不仅可应用于有限空间下的发热电子元件，还可应用于其它需保持恒温的电子元件。
Description
技术领域
本发明涉及一种制作液汽相散热装置的方法，特别涉及一种提高液汽相散热装置内部工作流体的流动性质的方法。
背景技术
为满足高性能、高效率的要求，电子元件的操作频率不断提高，因而造成发热量日益增加，同时科技的提高使得电子产品更加轻薄短小，而体积的缩减使得单位体积所包括的电子元件数目相对增加，因而造成高热通密度，而电子元件的操作温度又与其可靠度、寿命等息息相关，因此，如何有效地提高散热成了一个关键性的问题，尤其是应用于体积受限的笔记型计算机等电子***产品的领域更是如此。
因电子元件效能设计的不同，使得在电子产品各处的热通量分布不均，并且由于局部温度不同会在表面上形成所谓的热点(hotspot)，为解决该问题，开发出了一种具有毛细结构的均热装置，如一般所称的热管(Heat pipe)，其动作原理是在一密闭的容器中注入易挥发的工作流体如水或酒精等，或是在该密闭容器内形成一低压的状态，并且在其内部设置毛细结构，工作流体在受热侧吸收热能后转换为汽相，汽相的工作流体在较低温度的一侧再凝结为液态，通过汽液相转换过程的高潜热效应将热量排出，并凝结成液态的工作流体，再通过毛细结构流回受热侧，这样形成一种循环的散热操作。
请参阅图1，为现有技术的液汽相散热装置的断面结构图，其为一金属密闭腔体10，内有一毛细结构层11；金属密闭腔体10的受热端(蒸发端)为12、冷端(冷凝端)为13；金属密闭腔体10内含工作流体，工作流体可为纯水、氨水、甲醇、乙醇、和丙酮中任一种流动性高且蒸发时会吸收大量热量的流体；其散热原理是由工作流体将电子元件产生的热能如图1中箭头所示方向传送，由受热端12将热量传送至冷端13，利用金属密闭腔体10内的毛细结构层11进行蒸发、冷凝的循环。
目前，具有毛细结构的均热装置中，毛细结构虽可提供液体的流动性，但其毛细拉力与表面的接触及材质的表现性质有关，以水为例，对于较具亲水性的表面，其表面接触角较小且具有较佳的流动性，因此，所能提供的毛细拉力及液体补充回流的性能也较好。
对于一般液汽相散热装置而言，以采用水为工作流体为例，由于装置本身所采用的材料需具有较佳的热传导系数才能使散热效果较佳，而目前主要以铜或铝等具有较佳热传能力的金属为基材，但铜因易于与空气产生氧化铜，铝则生成氧化铝，而造成装置毛细结构的内壁与水的接触角过大，使水的流动性相对降低，因此降低了散热效能；而若以其它方式来提高毛细拉力，如改变毛细结构的尺寸或清除表面杂质等，因改变毛细结构的尺寸所需的制造技术及花费的成本较高，且即便毛细结构的尺寸达到所需的大小，使毛细表面与水的接触角度变小，但由于毛细结构的表面基材性质仍未改善，因此并没有彻底改善工作流体的流动性质。
现今在制造热管等内含工作流体的均热装置时，若选用铜为热管的材质，其步骤需将铜管先清洗，以减少杂质的污染，进而确保其效能，然而一般清洗步骤往往需耗费大量人力，且若以相关化学药剂清洗，如使用酸洗或有机溶剂等清洗时，不但增加其成本，而且还会对环境造成污染，最重要的是，其清洗后防氧化能力不好，一旦氧化后，工作流体的流动性就会再度降低。
现有技术的具有毛细结构的散热元件，在导流的毛细结构设计方面，除了毛细结构设计的尺寸和排列外，其对于毛细结构的表面性质并无显著提高，如2000年12月12日公告的美国专利第6,158,502号及2001年1月2日公告的美国专利第6,167,948号。
中国台湾专利披露了多种具有毛细结构的散热装置，如2003年11月21日公告的中国台湾专利第563016号，其披露了一种制造热流导管的方法；另外如2003年4月11日公告的中国台湾专利第528151号，则是将单层毛细结构改为双层毛细结构；还有一件如2002年9月1日公告的中国台湾专利第501722号，其只说明以不同形式的铜网组合其毛细结构；以上已公开的专利技术中均没有提到如何改善工作流体与毛细结构表面的接触性质。
发明内容
本发明的主要目的在于提高液汽相散热装置内部工作流体的流动性质，进而提高散热装置的散热能力。
为达到该目的，本发明通过表面改质的方式对现有技术的液汽相散热装置进行改进，主要是在装置内的毛细结构表面覆盖(coating)一层材料，覆盖方式可为溅镀(sputting)、镀(plating)、电镀(electroplating)、电铸(electronform)、气相沉积(CVD)等，覆盖的材料可为铜、铁、锌、铝、镍、和铬中的任一种，使工作流体与毛细结构表面的接触角较现有技术小，因此工作流体与密闭腔体内的毛细结构有较佳的结合力，从而使流体的流动性更佳，进而使散热的效果更好。
附图说明
图1为现有技术的液汽相散热装置的断面结构图；
图2为根据本发明的液汽相散热装置的断面结构图；
图3为现有技术的液汽相散热装置未清洗毛细结构层的表面时，水和毛细结构层接触角的图形；
图4为现有技术的液汽相散热装置清洗毛细结构层的表面后，水和毛细结构层接触角的图形；
图5为根据本发明在毛细结构层的表面覆盖一层镍后，水和毛细结构层接触角的图形；
图6为工作流体的接触角与散热效能的关系图；以及
图7为覆盖镍层的厚度对毛细结构层热传值影响的关系图。
具体实施方式
有关本发明的详细技术内容及较佳实施方式，现结合附图说明如下。
请参阅图2，为根据本发明的液汽相散热装置的断面结构图，其为一金属密闭腔体20，内含毛细结构层21，并在毛细结构层21的表面上覆盖一层亲水层24，覆盖的方式可为溅镀、镀、电镀、电铸、气相沉积等，但并不限于上述方式；该亲水层24的材料可为铁、锌、铝、镍、和铬中的任一种；金属密闭腔体20的受热端(蒸发端)为22、冷端(冷凝端)为23；金属密闭腔体20内含工作流体，工作流体可为纯水、氨水、甲醇、乙醇、和丙酮中任一种流动性高且蒸发时会吸收大量热量的流体；其散热原理是由工作流体将电子元件产生的热能如图2中箭头所示方向传送，由受热端22将热量传送至冷端23，利用金属密闭腔体20内的毛细结构层21进行蒸发、冷凝的循环。
在现有的液汽相散热装置中，以铜为基材、水为工作流体，若未清洗毛细结构层21的表面，则水和毛细结构层21的表面接触角如图3所示近似90°；若进行清洗后，则接触角如图4所示，减少至大约37°。
本发明的方法如图5所示，在毛细结构层21的表面50上覆盖一层镍，厚度介于5nm及10μm之间；覆盖后，水和亲水层24的接触角度仅大约为27°，与图3及图4中水和毛细结构层21的接触角相比较为三者中最低的，而接触角减低后，可增加水的流动性，提高毛细拉力，使水能带走的热量提高，增进散热的效能。
请再参阅6，为工作流体的接触角与散热效能的关系图，以采用镍为亲水层24、工作流体为水为例，当散热装置的材料为铜时，若未清洗毛细结构层21的表面，对应图形中的坐标位置为60，散热效能最差，与水的接触角最大；当毛细结构层21的表面进行清洗后，对应图形中的坐标位置则为61，与水的接触角降低，散热效能也提高；当采用本发明的设计后，在铜片的毛细结构层21的表面上增加一覆盖薄层镍时，对应图形中的坐标位置为62，水与毛细结构层21的接触角度为三者中最小的，散热效能也最佳。
由于本发明需在散热装置的毛细结构层21的表面上覆盖一层材料，若亲水层24的材料以镍、散热装置本身的材料为铜，因铜的毛细结构层21的热传值比镍好，覆盖一层镍后会使毛细结构层21的表面热传值下降，但因本发明所覆盖的厚度仅为几个nm或几个μm，因此造成的影响并不大；请参阅图7，为覆盖镍层的厚度与毛细结构层热传值的关系图，当未覆盖镍层时，毛细结构层21的热传值较高，对应图形中的坐标位置为70，而当覆盖仅仅几个μm的镍层后，毛细结构层21的热传值略为下降，对应图中的坐标位置为71，热传值的下降仅有约2.54％。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的权利要求范围之内。
Claims (9)
1.一种提高液汽相散热装置内部工作流体的流动性质的方法，应用于一种在一金属密闭腔体(20)内包括毛细结构层(21)和工作流体的液汽相散热装置；
其特征在于：
在所述液汽相散热装置内的所述毛细结构层(21)上形成一亲水层(24)，所述亲水层(24)由一种可降低所述工作流体与毛细结构层(21)表面的接触角的材料构成，使所述工作流体与毛细结构层(21)具有良好的结合力，以增进工作流体在所述毛细结构层(21)表面的流动性。
2.根据权利要求1所述的提高液汽相散热装置内部工作流体的流动性质的方法，其特征在于所述亲水层(24)仅覆盖于毛细结构层(21)的表面上。
3.根据权利要求1所述的提高液汽相散热装置内部工作流体的流动性质的方法，其特征在于形成所述亲水层(24)的方法是利用溅镀法将所述材料形成于所述毛细结构层(21)的表面。
4.根据权利要求1所述的提高液汽相散热装置内部工作流体的流动性质的方法，其特征在于形成所述亲水层(24)的方法是利用镀的方式将所述材料形成于所述毛细结构层(21)的表面。
5.根据权利要求1所述的提高液汽相散热装置内部工作流体的流动性质的方法，其特征在于形成所述亲水层(24)的方法是利用电镀法将该材料形成于所述毛细结构层(21)的表面。
6.根据权利要求1所述的提高液汽相散热装置内部工作流体的流动性质的方法，其特征在于形成所述亲水层(24)的方法是利用电铸法将所述材料形成于所述毛细结构层(21)的表面。
7.根据权利要求1所述的提高液汽相散热装置内部工作流体的流动性质的方法，其特征在于形成所述亲水层(24)的方法是利用气相沉积法将所述材料形成于所述毛细结构层(21)的表面。
8.根据权利要求1所述的提高液汽相散热装置内部工作流体的流动性质的方法，其特征在于所述亲水层(24)的厚度介于10μm和5nm之间。
9.根据权利要求1所述的提高液汽相散热装置内部工作流体的流动性质的方法，其特征在于所述亲水层(24)的材料选自由铁、锌、铝、镍、和铬所组成的群组中的任一种。
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