一種柔性脈動熱管裝置的製作方法

2023-06-19 03:59:56 1

本發明涉及無源驅動的散熱冷卻技術領域，具體為一種柔性脈動熱管裝置。

背景技術：

隨著各種電子元件集成度的不斷提高，高密度、小型化發展已是不可逆轉的趨勢，能否找到針對發熱問題的有效解決方案已嚴重製約著商業電子產品的成本，並影響其投放市場的時間。近年來，由於智能行動裝置、可穿戴設備以及電動汽車的發展和普及，對散熱設備的便攜性和空間適應性等提出了更高的要求。脈動熱管結構簡單、無內部毛細芯，具有小型化、成本低的優點，非常適合於小空間內高熱流密度下的散熱冷卻。但目前的研究中，脈動熱管主要以銅、鋁等金屬材料一體成型，具有剛性結構，因此其應用也會一定程度上受工作環境的影響。

目前，在傳統熱管領域，柔性熱管特別是高分子聚合物柔性熱管，因其兼具高傳熱能力和柔性易彎曲的性能而受到廣泛關注。Yang等在《Applied Thermal Engineering》(2016年卷95頁碼445-453)上發表的「Fabrication and performance evaluation of flexible heat pipes for potential thermal control of foldable electronics」一文中設計了一種絕熱段使用氟橡膠管的柔性熱管裝置，在水平放置的工作模式中，所設計的熱管可以實現從0°到180°自由彎曲，而且在重複彎曲的情況下依然可以具有很低的熱阻。但對於傳統普通熱管來說，重複的彎折會造成管內吸液芯結構的破壞和脫落，從而使熱管失效。因此，設計一種新的無吸液芯柔性熱管至關重要。Ogata等在「Performance evaluation of ultra-thin polymer pulsating heat pipes」(14th IEEE Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronic Systems Conference)一文中提出一種新型超薄聚合物製作的脈動熱管，其傳熱能力與0.4mm厚的銅板相當。雖然柔性聚合物脈動熱管有了一定的發展，但仍未見能夠實現大角度範圍內自由彎曲的柔性脈動熱管的相關報導。

技術實現要素：

本發明的目的是提出一種柔性脈動熱管裝置，使其能適應複雜密閉空間內設備的散熱問題，提供高效的散熱解決方案，增強其實際應用能力。

本發明是通過以下技術手段實現上述技術目的。

一種柔性脈動熱管裝置，其特徵在於，包括冷凝段，絕熱段，蒸發段，三通，工質；

所述冷凝段，包括n個小「U形」銅毛細管，一個大「U形」銅毛細管，銅翅片，銅翅片固定在小「U形」銅毛細管和大「U形」銅毛細管上；

蒸發段，包括n+1個小「U形」銅毛細管；

所述絕熱段，包括橡膠管，橡膠管內徑與銅毛細管外徑相同，採用氟橡膠管材料；

冷凝段，絕熱段，蒸發段通過膠結的方式依次連通，構成蛇形熱管迴路，內部充注工質，大「U形」銅毛細管的兩個埠與絕熱段最外側兩根橡膠管的埠相連，形成封閉迴路；

所述三通安裝在大「U形」銅毛細管上，未與大「U形」銅毛細管連接的一端埠為抽真空/工質注液口。

所述「U形」銅毛細管7，其內壁可為光滑內壁或加工成有微槽道的內壁，微槽道的橫截面形狀為矩形或三角形；

所述工質，體積充液率在30～70％以內。

所述「U形」銅毛細管的微槽道結構，「U形」銅毛細管的外直徑do＝4mm，「U形」銅毛細管的壁厚tw＝0.22mm，微槽道結構內壁面齒高lf＝0.12mm，微槽道結構齒頂角γ＝40°，微槽道結構螺旋角α＝12°，微槽道結構齒條數N＝40，微槽道結構單個齒的溼周S＝0.448mm。

本發明與現有脈動熱管技術相比主要還具有以下效果：除繼承傳統脈動熱管結構簡單、傳熱能力強的優點外，還可實現大角度範圍內的彎折和變形，形成多種空間結構，且可重複多次彎折，根據散熱需求隨時調節彎折角度和自身結構。同其他高分子聚合物相比，本發明絕熱段所用氟橡膠材料可在-50至200℃溫度區間內保持性能穩定，具有優良的電絕緣性、氣密性和保溫性能。在蒸發段和冷凝段部位，仍採用傳統銅毛細管材料，從而更有利於該部分熱管內工質的流動沸騰和冷凝換熱。因此，本發明柔性脈動熱管不僅在工作過程中能夠實現大角度範圍內自由彎曲，對外界環境具有更強的適應性，同時仍能保證良好的傳熱性能。

附圖說明

圖1為本發明柔性脈動熱管裝置結構示意圖。

圖2(a)，(b)和(c)分別為本發明柔性脈動熱管的三種不同結構示意圖。

圖3為微槽道橫截面局部放大圖示意圖。

圖4為階梯型、倒「U」型和「N」型三種不同結構的柔性脈動熱管的熱阻隨加熱功率的變化曲線

圖5為微槽道沿熱管長度方向局部剖視圖。

其中，1、冷凝段，2、絕熱段，3、蒸發段，4、三通，5、銅翅片，6、橡膠管，7、「U形」銅毛細管，do、外直徑，tw、壁厚，lf、內壁面齒高，γ、齒頂角，α、螺旋角。

具體實施方式

為了更好的說明本發明的目的和優點，下面結合附圖是實施例對本發明做進一步的詳細說明。

如圖1所示，一種柔性脈動熱管裝置，其特徵在於，包括冷凝段1，絕熱段2，蒸發段3，三通4，工質；所述冷凝段1，包括n個小「U形」銅毛細管7，一個大「U形」銅毛細管7，銅翅片5，銅翅片(5)固定在小「U形」銅毛細管7和大「U形」銅毛細管7上；蒸發段3，包括n+1個小「U形」銅毛細管7，n為大於等於1的正整數；所述絕熱段2，包括橡膠管6，橡膠管6內徑與銅毛細管外徑相同，採用氟橡膠管材料；冷凝段1，絕熱段2，蒸發段3通過膠結的方式依次連通，構成蛇形熱管迴路，內部充注工質，大「U形」銅毛細管7的兩個埠與絕熱段2最外側兩根橡膠管6的埠相連，形成封閉迴路；所述三通4安裝在大「U形」銅毛細管7上，未與大「U形」銅毛細管7連接的一端埠為抽真空/工質注液口；所述「U形」銅毛細管7，其內壁可為光滑內壁或加工成有微槽道的內壁，微槽道的橫截面形狀為矩形或三角形。

實施例1

如如圖1和圖2(a)所示。其中蒸發段3和冷凝段1主要由內壁面加工有微槽道結構的「U形」銅毛細管7組成，所用「U形」銅毛細管7的外直徑為4mm，壁厚0.3mm，絕熱段2所用材料為氟橡膠管，橡膠管6內外徑分別為4mm和6mm,通過室溫固化膠與蒸發段3和冷凝段1的具有微槽道結構的「U形」銅毛細管7相連。三通4用以實現抽真空和工質的注入，並高溫膠結的方法與「U形」銅毛細管7的兩埠連接成整體，構成熱管迴路。熱管蒸發段3、絕熱段2和冷凝段1的長度分別為80mm、870mm和120mm，並充注有50％體積分數的去離子水作為工質。如圖1所示，在充注工質前，需通過三通4對所述柔性脈動熱管裝置進行抽真空處理，待內部不凝性氣體充分排除後，方可充注一定量的去離子水，然後將三通4的注液口密封。

實施例2

同實施例1，所不同的是，柔性脈動熱管裝置蒸發段3、絕熱段2和冷凝段1的相對位置分別如圖2(b)、2(c)所示，具有多種不同的空間結構，如圖2所示，可為倒「U」型，階梯形或「N」型，具體結構形狀可根據散熱需求和外界環境而定。如圖4所示,倒「U」型，階梯形、「N」型三種柔性脈動熱管均具有良好的啟動特性，啟動功率低於20W。其中，對於「階梯型」柔性脈動熱管，在加熱功率為192W時，熱阻下降至0.32W/℃，且仍未發生燒乾現象，表現出良好的傳熱性能。三種柔性脈動熱管的傳熱能力從高到低依次為「階梯型」、「倒U型」和「N型」。

實施例3

同實施例1和實施例2，所不同的是柔性脈動熱管裝置蒸發段3和冷凝段1所用「U形」銅毛細管7的內壁面加工有微槽道結構，如圖3和5所示。所用「U形」銅毛細管7的外直徑do＝4mm，「U形」銅毛細管7的壁厚tw＝0.22mm，「U形」銅毛細管7的微槽道結構的內壁面齒高lf＝0.12mm，「U形」銅毛細管7的微槽道結構的齒頂角γ＝40°，「U形」銅毛細管7的微槽道結構沿熱管長度方向，微槽道與熱管軸線所呈的螺旋角α＝12°，「U形」銅毛細管7的微槽道結構的齒條數N＝40，通過簡單的幾何計算可得出，「U形」銅毛細管7內部過流橫截面積A＝9.2995mm2，「U形」銅毛細管7的微槽道結構的單個齒的溼周S＝0.448mm，通過公式得到由此形成的「U形」銅毛細管7水力直徑Dh約為2.0mm。

實施例4

同實施例3，所不同的是，柔性脈動熱管的內部微槽道結構橫截面的形狀為矩形或三角形。

上例詳細說明是針對本發明可行的實施例的具體說明，該實施例並非用以限制本發明的專利範圍。其中，柔性脈動熱管裝置的蛇形熱管迴路的「U形」銅毛細管7數可根據實際需要進行調整，蒸發段3和冷凝段1也可採用內部光滑金屬毛細管，凡未脫離本發明所為的等效實施或變更，均應包含於本案的專利範圍中。