雙層多通道平板納米表面脈動熱管及其製備方法與流程
2023-09-12 06:34:15 1
本發明涉及一種雙層多通道平板納米表面脈動熱管及其製備方法，屬於電子器件冷卻技術領域。
背景技術：
隨著電子元器件向著尺寸微型化、高集成度方向發展，其單位面積的熱流度要求不斷提高。傳統的熱管散熱方式已經不能滿足其高熱負荷的需求。脈動熱管，一種利用工作流體高速振蕩而高效相變換熱的裝置，已廣泛應用在電子冷卻領域中。研究發現，脈動熱管中蒸發端和冷凝端管道內的彎頭數量對於換熱效果有著重要的影響。目前市場上的單層平板脈動熱管的管道內彎頭數量有限，不能滿足小尺寸發熱件的高熱流度散熱要求，並且管道內的工作流體在當前的普通脈動熱管的蒸發端和冷凝端相變換熱時，傳熱效率較低，未能達到高效強化換熱的效果。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種雙層多通道平板納米表面脈動熱管，結構簡單，設計科學合理，其應用於熱源，可高效、快速的傳遞熱量；本發明同時提供了一種操作簡單的製備方法，利於工業化生產。
本發明所述的雙層多通道平板納米表面脈動熱管，包括前蓋板、雙層平板熱管板和後蓋板，雙層平板熱管板的一面為蒸發端，蒸發端含有蒸發彎頭；雙層平板熱管板的另一面為冷凝端，冷凝端含有冷凝彎頭；雙層平板熱管板的兩面之間通過連接孔連接；雙層平板熱管板與前蓋板和後蓋板之間設有釺焊箔。
所述蒸發端位於雙層平板熱管板一面的中心區域12.7mm*12.7mm～50.8mm*50.8mm方形範圍內；冷凝端位於雙層平板熱管板另一面的中心區域12.7mm*12.7mm～50.8mm*50.8mm方形範圍內，蒸發端和冷凝端均為聚集式管道；雙層平板熱管板上除蒸發端和冷凝端之外的區域均為絕熱段。
所述蒸發彎頭優選為40-80個；所述冷凝彎頭優選為40-80個。
所述雙層平板熱管板的每根管道末端設有連接上下兩板的連接孔。
所述的每一個小彎頭即為一個小的蒸發端或冷凝端。發熱電子元件置於該雙層平板熱管的中心區域蒸發端，冷卻部件(如電子冷卻風扇)置於該雙層平板熱管的另一中心區域冷凝端。通過雙層平板熱管的剖視圖(如附圖1所示)可以看到，蒸發端和冷凝端各為一個個的微通道。上下兩層微通道與微通道之間通過連接孔連通，實為一個微通道貫穿上下兩層平板。
所述的雙層多通道平板納米表面脈動熱管的製備方法，是將雙層平板熱管板的蒸發端表面進行預處理後，置於混合溶液中進行處理；將絕熱段和冷凝端表面置於混合溶液中處理後，再用低表面能材料的溶液進行處理；所述混合溶液由氫氧化鈉溶液和過硫酸銨溶液組成。
所述氫氧化鈉溶液的濃度為0.5-3M；過硫酸銨的濃度為0.1-0.5M。
所述低表面能材料的溶液為十八烷酸、1-癸硫醇或1H,1H,2H,2H-全氟癸基硫醇。
具體的，包括以下製備步驟：
(1)將雙層平板熱管板的蒸發端表面置於超聲波震蕩水浴中，用丙酮超聲清洗15-20分鐘，除去銅基蒸發端表面的油脂和雜質，然後用去離子水清洗表面並用速度為1-3m/s的氮氣氣流烘乾；
(2)將步驟(1)清洗後的雙層平板熱管板的蒸發端表面放入混合溶液中，在室溫25-30℃下表面處理15-30分鐘，得到階層式納米結構的微溝槽；
(3)將雙層平板熱管板的絕熱段和冷凝端表面依次按照步驟(1)和(2)的方法進行處理，用去離子水清洗，再由速度為1-3m/s的氮氣氣流烘乾，然後浸泡在濃度為0.1-0.5M的低表面能材料的溶液中，浸泡8-14小時；
(4)將步驟(3)處理的雙層平板熱管板的絕熱段和冷凝端取出後，在高溫爐中120-160℃下加熱2-4小時，得到銅基超疏水層，銅基超疏水層的表面接觸角為155-163°；
(5)將前蓋板和後蓋板與雙層平板熱管板在高溫爐中通過釺焊箔在220-260℃下加熱8-12h進行密封，製得所述的雙層多通道平板納米表面脈動熱管。
反應過程中，蒸發端表面顏色逐漸變成暗藍色和淺黑色，形成氧化銅(CuO)和氫氧化銅(Cu(OH)2)共生的階層式納米結構；反應過程中，由於氫氧化銅(Cu(OH)2)在室溫下不穩定，部分氫氧化銅(Cu(OH)2)會逐漸地轉換成氧化銅(CuO)，如反應式1和2所述。該氧化銅(CuO)和氫氧化銅(Cu(OH)2)共生的階層式納米結構的微溝槽可有助於蒸發端管內液體形成一層極薄的液膜，由於液膜厚度極小(1微米)，導致熱阻極低，可產成很大的蒸發傳熱速率，從而形成細薄膜蒸發現象，提高傳熱係數。
脈動熱管中的氣柱在該納米表面冷凝端處可形成滴狀冷凝，大大提高冷凝效率。由於絕熱段表面同為納米超疏水層，氣、液柱在脈動熱管微通道內高速振蕩時，可減小微通道壁面與氣、液柱的接觸摩擦力，進而提高脈動熱管的振蕩速率，達到強化傳熱。
Cu+4NaOH+(NH4)2S2O8→Cu(OH)2+2Na2SO4+2NH3↑+2H2O (1)
將密封好的雙層多通道平板納米表面脈動熱管，在真空環境下，注入部分工作流體，達到合適充液比後，充液管被氣動卡鉗切斷，斷絕工作流體與空氣接觸，同時通過釺焊將斷口密封。保持內部真空環境。將蒸發端置於熱源(如電子晶片)上，當熱量持續增加時，蒸發端內的液體發生相變換熱，藉助於微溝槽納米表面結構，蒸發端區域會形成細薄膜蒸發現象，氣體壓強增大；冷凝端與冷卻裝置連接(如冷卻風扇)，當氣體到達冷凝端時，由於該冷凝表面產生超疏水性特徵而形成滴狀冷凝現象，氣體會迅速冷凝成液體，使得氣體壓強迅速減小。由於蒸發端和冷凝端的氣體壓強差，推動氣柱、液柱在蒸發端和冷凝端之間做高速往復、垂直振蕩。高速振蕩的液柱內可產生渦流，可進行強化換熱，並且液柱始終處於發展中流動狀態，而未進入穩態，使其傳熱係數進一步提高。同時，絕熱段也採用超疏水性納米表面層，可減少高速振蕩時壁面與氣、液柱之間的接觸摩擦力，加快振蕩速率。微管道內氣柱、液柱產生的顯熱和潛熱作用，可使得熱量快速地從蒸發端傳遞到冷凝端，達到高效換熱目的。
與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：
(1)所述的雙層多通道平板納米表面脈動熱管，結構簡單，設計科學合理，可應用於計算機晶片、計算機伺服器冷卻或微型電子器件散熱等電子冷卻領域；
(2)所述的雙層多通道平板納米表面脈動熱管，應用於發熱件(如電子晶片)，可有效傳遞熱量，減少溫差，達到熱平衡；隨著加熱量的不斷提高，其傑出的熱傳遞特性越明顯；蒸發端與冷凝端之間溫差越小，導熱效果越好。
(3)所述的雙層多通道平板納米表面脈動熱管，相比於普通單層銅基平板脈動熱管，本發明製備的雙層多通道平板納米表面脈動熱管可最大減少蒸發端與冷凝端之間溫差達55.6％，使得熱源熱量能夠迅速傳遞至製冷端；相比於普通單層銅基納米表面平板脈動熱管，本發明製備的雙層多通道平板納米表面脈動熱管可最大減少蒸發端與冷凝端之間溫差達32.2％；
(4)所述的雙層多通道平板納米表面脈動熱管的製備方法，操作簡單，節能環保，利於工業化生產。
附圖說明
圖1是雙層多通道平板納米表面脈動熱管的剖視圖；
圖2是雙層多通道平板納米表面脈動熱管的結構示意圖；
圖3是雙層多通道平板納米表面脈動熱管正面蒸發端的結構示意圖；
圖4是雙層多通道平板納米表面脈動熱管反面冷凝端的結構示意圖；
圖5是蒸發端與冷凝端之間溫度差與加熱量的關係對比圖；
圖中：1、前蓋板；2、後蓋板；3、微通道；4、雙層平板熱管板；5、蒸發端；6、絕熱段；7、連接孔；8、冷凝端。
具體實施方式
下面結合實施例對本發明作進一步的說明，但其並不限制本發明的實施。
實施例1
所述的雙層多通道平板納米表面脈動熱管，包括前蓋板1、雙層平板熱管板4和後蓋板2，雙層平板熱管板4的一面為蒸發端5，蒸發端5含有蒸發彎頭；雙層平板熱管板4的另一面為冷凝端8，冷凝端8含有冷凝彎頭；雙層平板熱管板4的兩面之間通過連接孔7連接；雙層平板熱管板4與前蓋板1和後蓋板2之間設有釺焊箔。
所述蒸發端5位於雙層平板熱管板4一面的中心區域25.4mm*25.4mm方形範圍內；冷凝端8位於雙層平板熱管板4另一面的中心區域25.4mm*25.4mm方形範圍內，蒸發端5和冷凝端8均為聚集式管道；雙層平板熱管板4上除蒸發端5和冷凝端8之外的區域均為絕熱段6。
所述蒸發彎頭為40個；所述冷凝彎頭為40個。
所述雙層平板熱管板4的每根管道末端設有連接上下兩板的連接孔7。
所述的每一個小彎頭即為一個小的蒸發端5或冷凝端8。發熱電子元件置於該雙層平板熱管的中心區域蒸發端5，冷卻部件(如電子冷卻風扇)置於該雙層平板熱管的另一中心區域冷凝端8。通過雙層平板熱管的剖視圖(如附圖1所示)可以看到，蒸發端5和冷凝端8各為一個個的微通道。上下兩層微通道與微通道之間通過連接孔7連通，實為一個微通道貫穿上下兩層平板。
所述的雙層多通道平板納米表面脈動熱管的製備方法，包括以下製備步驟：
(1)將雙層平板熱管板的蒸發端表面置於超聲波震蕩水浴中，用丙酮超聲清洗15分鐘，除去銅基蒸發端表面的油脂和雜質，然後用去離子水清洗表面並用速度為1m/s的氮氣氣流烘乾；
(2)將步驟(1)清洗後的雙層平板熱管板的蒸發端表面放入由濃度為0.5M氫氧化鈉溶液和濃度為0.1M過硫酸銨溶液組成的混合溶液中，在室溫25℃下表面處理15分鐘，得到階層式納米結構的微溝槽；
(3)將雙層平板熱管板的絕熱段和冷凝端表面依次按照步驟(1)和(2)的方法進行處理，用去離子水清洗，再由速度為1m/s的氮氣氣流烘乾，然後浸泡在濃度為0.1M的十八烷酸的溶液中，浸泡8小時；
(4)將步驟(3)處理的雙層平板熱管板的絕熱段和冷凝端取出後，在高溫爐中120℃下加熱2-4小時，得到銅基超疏水層，銅基超疏水層的表面接觸角為155°；
(5)將前蓋板和後蓋板與雙層平板熱管板在高溫爐中通過釺焊箔在220℃下加熱8h進行密封，製得所述的雙層多通道平板納米表面脈動熱管。
實施例2
所述的雙層多通道平板納米表面脈動熱管，結構與實施例1中的基本相同，不同的地方是：
所述蒸發端5位於雙層平板熱管板4一面的中心區域12.7mm*12.7mm方形範圍內；冷凝端8位於雙層平板熱管板4另一面的中心區域12.7mm*12.7mm方形範圍內。
所述蒸發彎頭為80個；所述冷凝彎頭為80個。
所述的雙層多通道平板納米表面脈動熱管的製備方法，包括以下製備步驟：
(1)將雙層平板熱管板的蒸發端表面置於超聲波震蕩水浴中，用丙酮超聲清洗20分鐘，除去銅基蒸發端表面的油脂和雜質，然後用去離子水清洗表面並用速度為3m/s的氮氣氣流烘乾；
(2)將步驟(1)清洗後的雙層平板熱管板的蒸發端表面放入由濃度為3M氫氧化鈉溶液和濃度為0.5M過硫酸銨溶液組成的混合溶液中，在室溫30℃下表面處理30分鐘，得到階層式納米結構的微溝槽；
(3)將雙層平板熱管板的絕熱段和冷凝端表面依次按照步驟(1)和(2)的方法進行處理，用去離子水清洗，再由速度為3m/s的氮氣氣流烘乾，然後浸泡在濃度為0.5M的1-癸硫醇的溶液中，浸泡14小時；
(4)將步驟(3)處理的雙層平板熱管板的絕熱段和冷凝端取出後，在高溫爐中160℃下加熱4小時，得到銅基超疏水層，銅基超疏水層的表面接觸角為163°；
(5)將前蓋板和後蓋板與雙層平板熱管板在高溫爐中通過釺焊箔在260℃下加熱12h進行密封，製得所述的雙層多通道平板納米表面脈動熱管。
實施例3
所述的雙層多通道平板納米表面脈動熱管，結構與實施例1中的基本相同，不同的地方是：
所述蒸發端5位於雙層平板熱管板4一面的中心區域50.8mm*50.8mm方形範圍內；冷凝端8位於雙層平板熱管板4另一面的中心區域50.8mm*50.8mm方形範圍內。
所述蒸發彎頭為55個；所述冷凝彎頭為55個。
所述的雙層多通道平板納米表面脈動熱管的製備方法，包括以下製備步驟：
(1)將雙層平板熱管板的蒸發端表面置於超聲波震蕩水浴中，用丙酮超聲清洗16分鐘，除去銅基蒸發端表面的油脂和雜質，然後用去離子水清洗表面並用速度為2m/s的氮氣氣流烘乾；
(2)將步驟(1)清洗後的雙層平板熱管板的蒸發端表面放入由濃度為1.0M氫氧化鈉溶液和濃度為0.3M過硫酸銨溶液組成的混合溶液中，在室溫28℃下表面處理25分鐘，得到階層式納米結構的微溝槽；
(3)將雙層平板熱管板的絕熱段和冷凝端表面依次按照步驟(1)和(2)的方法進行處理，用去離子水清洗，再由速度為2m/s的氮氣氣流烘乾，然後浸泡在濃度為0.3M的1H,1H,2H,2H-全氟癸基硫醇的溶液中，浸泡12小時；
(4)將步驟(3)處理的雙層平板熱管板的絕熱段和冷凝端取出後，在高溫爐中140℃下加熱3小時，得到銅基超疏水層，銅基超疏水層的表面接觸角為160°；
(5)將前蓋板和後蓋板與雙層平板熱管板在高溫爐中通過釺焊箔在240℃下加熱10h進行密封，製得所述的雙層多通道平板納米表面脈動熱管。
將實施例製得的雙層多通道平板納米表面脈動熱管，分別與普通單層銅基平板脈動熱管、普通單層銅基納米表面平板脈動熱管進行傳熱測試，每種脈動熱管蒸發端與冷凝端之間溫度差與加熱量的關係詳見附圖5。
測試結果表明，隨著加熱量的增加，普通單層銅基平板脈動熱管、普通單層銅基納米表面平板脈動熱管蒸發端與冷凝端的溫度差呈現線性上升趨勢，而雙層多通道平板納米表面脈動熱管蒸發端與冷凝端的溫度差上升趨勢明顯弱於以上兩種產品。由此可見，本發明製備的雙層多通道平板納米表面脈動熱管可最大減少蒸發端與冷凝端之間溫差。