以水基氧化銅納米懸浮液為工質的軸向微槽道熱管的製作方法

2023-06-01 03:24:16

專利名稱：：以水基氧化銅納米懸浮液為工質的軸向微槽道熱管的製作方法
技術領域：
：本發明涉及一種以水基氧化銅納米懸浮液為工質的軸向微槽道熱管，屬於熱交換技術、電子元器件冷卻和航空領域。
背景技術：
：隨著電子器件的高頻、高速以及集成電路技術的迅速發展和MEMS(MicroElectro-MechanicalSystem,微電子機械系統)技術的進步，以及各種電子器件及設備，如計算機晶片等向高性能、小型化及微型化的趨勢發展，電子元器件的總功率密度大幅度增長而物理尺寸卻越來越小，熱流密度也隨之增加，能否將這些電子元器件工作時產生的熱量及時並有效的散發出去，將直接影響電子器件的成本、工作性能及可靠性。高溫的溫度環境勢必會影響電子元器件的性能，這就要求對其進行更加高效的熱控制。因此，有效解決電子元器件的散熱問題已成為當前電子元器件和電子設備製造的關鍵技術。軸向槽道熱管不僅是迄今為止在航天領域應用最廣泛的一種熱管，而且在當今能源領域以及電力電子領域應用廣泛，是一種高效傳熱元件。槽道熱管其最大優點是可靠性高，在滿足傳熱性能要求的同時，流動阻力小，並且加工製造工藝簡單，製造加工方便，生產成本低廉，容易實現工業化。軸向槽道熱管通過內部工質的相變換熱實現熱量的傳遞，因此傳熱速率快，效率高，熱阻小。但軸向微槽道熱管的傳熱能力仍然受到一定的限制，存在沸騰極限，攜帶極限，乾涸極限等，尤其是毛細力傳熱極限的最小值決定了軸向微槽道熱管的傳熱能力。針對微槽道熱管傳熱極限的限制，國內外研究人員根據微槽道熱管的工作特點提出了許多提高微槽道熱管傳熱能力的具體措施。>槽道熱管內加金屬絲幹道等。>改變槽道的結構梯形，矩形，圓形，三角形。>槽道內壁面微槽道熱管內壁加工成周向，軸向和三角形槽道表面。>在微槽道熱管內覆蓋絲網加大改善工況。>改變槽道熱管中槽道的深寬比>在槽道熱管的溝槽中填放吸液芯材料。>在熱管內壁中設置多空材料，並在上面開槽道。上述方法都是在結構上改進微槽道熱管的工作性能。如果在熱管循環工質中加入各類金屬或金屬氧化物納米顆粒，可以改變循環工質的結構和物性，增強內部能量的傳遞過程、增大納米流體的換熱係數，使加熱器溫度場更加均勻，換熱功率更大。因此，納米流體(納米粒子懸浮液)作為一種新型的強化傳熱工質有著廣闊的應用前景。氧化銅納米懸浮液是一種新型的納米流體，和傳統的納米流體相比有一些獨特的優點。納米懸浮液有比一般流體更好的換熱性能，其強化傳熱特性已為許多基礎研究所證實。至今尚沒有人提出採用氧化銅納米懸浮液作為水平放置微槽道熱管內的工質來強化熱管換熱性能。使用氧化銅納米懸浮液作為工質的熱管在電子、微電子設備冷卻等電子設備冷卻領域方面具有獨特的發展潛力，具有廣闊的應用前景，也將會產生重要的經濟效益和社會效益。
發明內容本發明的目的在於針對現有技術的不足，設計提供一種以水基氧化銅納米懸浮液為工質的軸向微槽道熱管，不僅具有更高的換熱性能，且生產工藝簡單，設備投資少，容易實現工業化。為實現這一目的，本發明採用一種新型的換熱冷卻工質——氧化銅納米懸浮液作為水平放置微槽道熱管的工質，從而達到強化微槽道熱管換熱性能的目的。採用的懸浮液具有比其基液大得多的有效導熱係數，在低壓條件下可以有效地提高熱管換熱特性。本發明的微槽道熱管採用紫銅管加工而成，可分為三個部分，蒸發段，絕熱段和冷凝段，蒸發段採用電加熱器加熱，絕熱段外套特氟隆棒保溫，冷凝段外焊接冷卻水套，用冷卻水衝刷進行冷卻。蒸發段內部注入的工質為碳納米管懸浮液，最佳充液率為蒸發段容積的40-60%，在此範圍內，充液量對換熱特性基本無影響。所述氧化銅納米懸浮液為去離子水與氧化銅納米顆粒的混合液，懸浮液中氧化銅納米顆粒的質量濃度為0.5-2%。本發明的微槽道熱管運行時，先在低熱負荷工況下運行數分鐘，使沉降在熱管蒸發段底部的氧化銅納米顆粒重新懸浮，即可正常運行。使用時，把需要散熱的元器件貼附在熱管下端，依靠微槽道熱管內部的工質蒸發傳熱將需要散熱的元件的熱量傳遞到冷卻段，冷卻段內工質冷凝傳熱將熱量傳遞到冷凝水中。本發明所述的CuO納米顆粒平均粒徑50nm。本發明利用氧化銅納米顆粒懸浮液強化熱管傳熱特性，氧化銅納米懸浮液濃度對微槽道熱管的換熱特性有明顯的影響，在質量濃度為0.5-2%的範圍內均可取得強化效果。壓力對使用氧化銅納米懸浮液的微槽道熱管的換熱強化率有明顯的影響。壓力越小，採用懸浮液後的換熱強化效果越好。本發明實驗驗證範圍為7.45kPa到19.97kPa。本發明的強化型熱管在低壓下(熱管運行溫度低於100度)使用效果更好。壓力由調節冷凝水流量控制。本發明中的以氧化銅納米懸浮液為工質的微槽道熱管，同之前的以純水為工質的熱管相比，蒸發段換熱係數最大可提高75%，而最大散熱功率可提高20%。熱管的總熱阻可降低40%。圖1為本發明的軸向微槽道熱管結構示意圖。圖1中，1為冷凝段，2為冷卻水套，3為絕熱段，4為特氟隆棒，5為工質，6為加熱熱源，7為蒸發段。圖2為熱管蒸發段內壁的微槽道局部放大圖。具體實施方式以下結合附圖和實施例對本發明的技術方案作進一步描述。以下實施例中的參數不構成對本發明的限定。本發明微槽道熱管的結構如圖1所示，整個熱管採用紫銅管加工而成，紫銅管外徑8mm，壁厚0.6mm，槽道寬0.25mm，總長度為350mm，加熱段長度100mm，絕熱段長度100mm，冷凝段長度150mm。熱管尺寸可任意設計。蒸發段7採用電加熱器加熱，絕熱段3外套特氟隆棒4保溫，冷凝段1管內壁加工成軸向槽道表面，尺寸無特定限制。冷凝段外焊接冷卻水套2，用冷卻水衝刷進行冷卻，冷卻水從水套下部進入，上部流出，5為蒸發段內部注入的工質氧化銅納米懸浮液，最佳充液率(工質體積與微槽道熱管蒸發段體積之比)為蒸發段容積的40-60%，在此範圍內，充液量對換熱特性基本無影響，6為電加熱器產生的熱源。本發明採用的氧化銅納米懸浮液為去離子水與氧化銅納米顆粒的混合液，懸浮液中氧化銅納米顆粒的質量濃度範圍為0.5-2%。所述納米氧化銅CuO，平均粒徑50nm(安徽工業大學方圓納米研究所生產的純度為99.9%)。本發明的一個實施例中，蒸發段內壁微槽道的局部放大結構如圖2所示，在微槽道傳熱面上均勻密布矩形截面形狀的微槽道，每個微槽道的肋寬O.lmm，槽寬0.25腿，槽深0.2謹。本發明的微槽道熱管運行時，先在低熱負荷工況下運行數分鐘，使沉降在熱管蒸發段底部的氧化銅納米顆粒重新懸浮，即可正常運行。使用時，把需要散熱的元器件貼附在熱管下端，依靠微槽道熱管內部的工質蒸發傳熱將需要散熱的元件的熱量傳遞到冷卻段，冷卻段內工質冷凝傳熱將熱量傳遞到冷凝水中。本發明採用不同質量濃度的氧化銅納米顆粒懸浮液為工質的實施例的數據如表1所示表ltableseeoriginaldocumentpage7表1數據表明，本發明的軸向微槽道熱管與現有的以純水為工質的軸向微槽道熱管相比，能夠十分顯著的提高換熱特性，降低熱管熱阻，增加散熱功率。在同樣壓力下，lwtn/。為最佳質量濃度，能得到最大的強化效果。同樣濃度條件下，壓力越低，熱管所起到的強化效果越明顯。在壓力範圍為7.2kPa19.97kPa之間、氧化銅納米溶液質量濃度為lwtM時，和傳統的以水為工質的熱管相比，蒸發段換熱係數最大可提高到75%，而最大散熱功率可提高20%。熱管的總熱阻可降低40%左右。權利要求1、一種以水基氧化銅納米懸浮液為工質的軸向微槽道熱管，包括蒸發段(7)、絕熱段(3)和冷凝段(1)，其特徵在於絕熱段(3)外套特氟隆棒(4)保溫，冷凝段(1)外焊接冷卻水套，蒸發段(7)採用電加熱器加熱，蒸發段(7)內壁開有微槽道，內部充注的工質(5)為氧化銅納米懸浮液，充液率為蒸發段容積的40-60％。2、根據權利要求l的以水基氧化銅納米懸浮液為工質的軸向微槽道熱管，其特徵在於所述氧化銅納米懸浮液為去離子水與氧化銅納米顆粒的混合液，懸浮液中氧化銅納米顆粒的質量濃度為0.5-2%。3、根據權利要求l的以水基氧化銅納米懸浮液為工質的軸向微槽道熱管，其特徵在於所述氧化銅納米顆粒的平均粒徑為50nm。4、根據權利要求l的以水基氧化銅納米懸浮液為工質的軸向微槽道熱管，其特徵在於所述微槽道採用矩形截面形狀，每個微槽道的肋寬O.lmm，槽寬0.25mm，槽深0.2mm。全文摘要本發明涉及一種以水基氧化銅納米懸浮液為工質的軸向微槽道熱管，由蒸發段，絕熱段和冷卻段三部分組成，絕熱段外套特氟隆棒保溫，冷凝段外焊接冷卻水套，蒸發段內壁開有微槽道，內部充注的工質為氧化銅納米懸浮液，充液率為蒸發段容積的40-60％。所述氧化銅納米懸浮液為去離子水與氧化銅納米顆粒的混合液，懸浮液中氧化銅納米顆粒的質量濃度為0.5-2％。使用時，把需要散熱的元器件貼附在熱管下端，依靠微槽道熱管內部的工質蒸發傳熱將需要散熱的元件的熱量傳遞到冷卻段，冷卻段內工質冷凝傳熱將熱量傳遞到冷凝水中。本發明採用水基氧化銅納米懸浮液為工質，可以有效地降低熱管熱阻，提高最大散熱功耗。文檔編號F28D15/02GK101251349SQ20081003556公開日2008年8月27日申請日期2008年4月3日優先權日2008年4月3日發明者劉振華,呂倫春,亮廖,濤舒,傑趙申請人:上海交通大學