导热与散热一体化平板热管.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201911200535.2 (22)申请日 2019.11.29 (71)申请人 大连理工大学 地址 116024 辽宁省大连市甘井子区凌工 路2号 (72)发明人 李洋李羽白白敏丽吕继组 (74)专利代理机构 大连理工大学专利中心 21200 代理人 温福雪侯明远 (51)Int.Cl. F28D 15/04(2006.01) F28F 13/18(2006.01) F28F 21/08(2006.01) (54)发明名称 导热与散热一体化平板热管 (57)摘要 本发明提供了。

2、一种导热与散热一体化平板 热管， 在传统平板热管空腔位置设计了一个冷凝 器来取代冷凝面， 蒸发端产生的蒸汽可直接在冷 凝器表面进行凝结， 凝结所放出的热量直接被冷 凝器内部的冷却工质带走， 实现了平板热管导热 与热沉散热的一体化。 与传统平板热管相比具有 以下优点： 1)蒸发端产生的蒸汽不需要穿过液体 层而直接在冷凝器表面凝结， 实现了真正意义上 的气液分离； 2)凝结过程中所放出的热量直接被 冷凝器内部流动的冷却工质带走， 没有平板热管 与热沉之间的接触热阻； 3)在传统平板热管的空 腔位置设置冷凝器， 在对蒸汽进行冷凝的同时也 起到了对平板热管内部的支撑作用， 使得结构更 加紧凑， 减小了。

3、平板热管导热散热的总体积。 权利要求书1页 说明书5页 附图3页 CN 110763062 A 2020.02.07 CN 110763062 A 1.一种导热与散热一体化平板热管， 其特征在于， 该导热与散热一体化平板热管包括 平板壳体(1)、 吸液芯(2)、 冷凝器(5)以及充液管(13)， 其中： 所述的平板壳体(1)的上下内表面具有阵列的微米尺寸凸起结构， 整体包裹在导热与 散热一体化平板热管外部； 所述的平板壳体(1)上设有连通其内部的孔， 充液管(13)通过孔固定连接于平板壳体 (1)上； 所述的吸液芯(2)为前后开口结构， 其外表面紧贴平板壳体(1)的内表面， 且吸液芯(2) 的。

4、上下内表面设有一体结构的上下侧的凸台结构(3)， 吸液芯(2)的左右内表面设有一体结 构的左右侧的凸台结构(4)； 所述的冷凝器(5)设置于吸液芯(2)的空腔中， 其上下外表面为一体结构的肋片结构 (11)， 肋片结构(11)与上下侧的凸台结构(3)相接触； 冷凝器(5)包括上盖板(6)、 分液板(7) 和下盖板(8)， 分液板(7)位于上盖板(6)和下盖板(8)之间， 将冷凝器(5)分为上下两个独立 的腔室， 并形成冷却工质入口(9)和冷却工质出口(10)； 分液板(7)上开有通孔(12)， 实现上 下腔室间冷却工质的流通； 上盖板(6)和下盖板(8)结构一致， 其部开设有蛇形半封闭槽道 结。

5、构， 供冷却工质流通。 2.根据权利要求1所述的导热与散热一体化平板热管， 其特征在于， 所述的平板壳体 (1)的材质为铜基材质， 其内表面涂有一层纳米厚度的超亲水涂层， 该超亲水涂层主要成分 为纳米氧化硅和纳米氧化钛， 接触角小于10度。 3.根据权利要求1或2所述的导热与散热一体化平板热管， 其特征在于， 所述的吸液芯 (2)为单一的毛细、 烧结的铜粉结构， 其具有超亲水特性； 对吸液芯(2)做超亲水改性的材料 主要成分为纳米氧化硅和纳米氧化钛。 4.根据权利要求1或2所述的导热与散热一体化平板热管， 其特征在于， 所述的上下侧 的凸台结构(3)和左右侧的凸台结构(4)的截面为矩形、 梯形。

6、、 三角形或半圆形。 5.根据权利要求3所述的导热与散热一体化平板热管， 其特征在于， 所述的上下侧的凸 台结构(3)和左右侧的凸台结构(4)的截面为矩形、 梯形、 三角形或半圆形。 6.根据权利要求1、 2或5所述的导热与散热一体化平板热管， 其特征在于， 所述的肋片 结构(11)表层具有超疏水涂层， 超疏水涂层为接触角大于150度的特氟龙涂层。 7.根据权利要求3所述的导热与散热一体化平板热管， 其特征在于， 所述的肋片结构 (11)表层具有超疏水涂层， 超疏水涂层为接触角大于150度的特氟龙涂层。 8.根据权利要求4所述的导热与散热一体化平板热管， 其特征在于， 所述的肋片结构 (11)。

7、表层具有超疏水涂层， 超疏水涂层为接触角大于150度的特氟龙涂层。 9.根据权利要求1、 2、 5、 7或8所述的导热与散热一体化平板热管， 其特征在于， 所述的 冷凝器(5)为铜基材质。 10.根据权利要求6所述的导热与散热一体化平板热管， 其特征在于， 所述的冷凝器(5) 为铜基材质。 权利要求书 1/1 页 2 CN 110763062 A 2 导热与散热一体化平板热管 技术领域 0001 本发明属于传热技术领域， 尤其涉及一种导热与散热一体化平板热管， 可应用于 服务器、 计算机主板、 航空航天发热元件等装置的冷却。 背景技术 0002 近年来， 随着电子技术的不断进步与发展， 电子元。

8、器件的高频、 高速以及集成电路 的密集和小型化， 使得单位容积电子器件的发热量迅速增大。 电子电路集成化程度和各种 大功率电子器件功耗的增加， 加上电子器件或装置体积尺寸越来越小， 使得装置对散热的 要求也越来越高。 如不能及时有效的散去元器件工作时产生的热量， 将会严重影响设备的 工作性能及寿命。 绝大多数的设备都会因为散热不足而影响工作效率， 因此如何提升设备 的散热能力已经成为设备设计时所必须考虑的关键因素。 0003 由于平板热管具有极高的导热性、 优良的等温性以及传热面积也更大等优点， 可 以满足电子电器设备对散热装置紧凑、 高散热效率等要求， 因此， 平板热管在电气设备散 热、 电。

9、子器件冷却以及大规模集成电路板的散热方面得到了较为广泛的应用。 0004 平板热管外观为矩形状， 包括： 蒸发盖板、 吸液芯、 冷凝盖板以及充液管。 液态工质 蒸发后， 产生的气态工质在气压差的作用下流向冷凝端， 之后在气液交界面进行凝结， 凝结 所放出的热量会被吸液芯和工质传递出去。 冷凝后的液态工质在吸液芯的毛细力作用下回 流至蒸发端， 进入下一个循环， 平板热管就是通过这种往复循环把热量不断地传递给外界。 0005 赵雅楠等人在 “一种平板热管专利” (申请号201711070454.6)中将平板壳体内部 中空设置， 在平板壳体的上下内表面设有若干交叉分布的凹槽， 相邻凹槽之间隔有凸起。。

10、 在 低热流密度的情况下， 吸液芯表面区域的液态工质受热蒸发， 然后进入相互连通的槽道中， 不必穿过液体层， 直接与温度较低的冷凝面相接触。 但是在高热流密度的情况下， 蒸发面液 态工质因沸腾而产生大连气体， 蒸汽很难穿过吸液芯内部而只会从吸液芯与侧板之间的间 隙部分溢出， 当热流密度较大时， 势必会造成蒸发表面存在大量气泡而影响液体回流， 进而 出现干涸而导致平板热管的损坏。 因此赵雅楠等人在发明专利中所设计的新结构只能在低 热流密度情况下实现气液分离， 在高热流密度下会气液两相之间的流动阻力而弱化热管的 传热性能； 王长宏等人在 “一种平板热管及其制造方法” (申请号20161042448。

11、0.3)的专利中 通过对蒸发面与冷凝面的亲疏水改性， 提高了热管的整体气液循环效率， 与此同时， 通过在 冷凝盖板上加工凸台， 有效的加强了平板热管的机械强度。 但是该平板热管冷凝热通过热 管壁的导热将热量传至热管外部， 这部分热量则通过外部热沉散走， 而热沉与平板热管之 间还有接触热阻， 削弱了热沉的散热； 常规平板热管的两侧表面， 一侧作为蒸发表面， 另一 侧作为冷凝表面， 此两表面不可更换位置， 为此， 此种热管不适于双侧热源的冷却， 如锂电 池堆的冷却。 鉴于上诉平板热管以及常规平板热管所出现的种种问题， 发明提出了一种导 热与散热一体化平板热管。 说明书 1/5 页 3 CN 110。

12、763062 A 3 发明内容 0006 为了本发明解决的技术问题在于提供一种导热与散热一体化平板热管， 在实现气 液分离的同时又使得导热与散热一体化， 整体结构更加紧凑。 0007 本发明的技术方案： 0008 一种导热与散热一体化平板热管， 包括平板壳体1、 吸液芯2、 冷凝器5以及充液管 13， 其中： 0009 所述的平板壳体1的上下内表面具有阵列的微米尺寸凸起结构， 整体包裹在导热 与散热一体化平板热管外部； 0010 所述的平板壳体1上设有连通其内部的孔， 充液管13通过孔固定连接于平板壳体1 上； 0011 所述的吸液芯2为前后开口结构， 其外表面紧贴平板壳体1的内表面， 且吸液。

13、芯2的 上下内表面设有一体结构的上下侧的凸台结构3， 吸液芯2的左右内表面设有一体结构的左 右侧的凸台结构4； 0012 所述的冷凝器5设置于吸液芯2的空腔中， 其上下外表面为一体结构的肋片结构 11， 肋片结构11与上下侧的凸台结构3相接触； 冷凝器5包括上盖板6、 分液板7和下盖板8， 分 液板7位于上盖板6和下盖板8之间， 将冷凝器5分为上下两个独立的腔室， 并形成冷却工质 入口9和冷却工质出口10； 分液板7上开有通孔12， 实现上下腔室间冷却工质的流通； 上盖板 6和下盖板8结构一致， 其部开设有蛇形半封闭槽道结构， 供冷却工质流通。 0013 所述的平板壳体1的材质为铜基材质， 其。

14、内表面涂有一层纳米厚度的超亲水涂层， 该超亲水涂层主要成分为纳米氧化硅和纳米氧化钛， 接触角小于10度。 0014 所述的吸液芯2为单一的毛细、 烧结的铜粉结构， 其具有超亲水特性； 对吸液芯2做 超亲水改性的材料主要成分为纳米氧化硅和纳米氧化钛。 0015 所述的上下侧的凸台结构3和左右侧的凸台结构4的截面为矩形、 梯形、 三角形或 半圆形。 0016 所述的吸液芯2的上、 下表面与平板壳体1的内表面通过压紧的方式进行结合。 0017 所述的冷凝器5为铜基材质。 0018 所述的肋片结构11表层具有超疏水涂层， 超疏水涂层为接触角大于150度的特氟 龙涂层。 0019 所述的上盖板6、 分液。

15、板7和下盖板8通过焊接、 粘接的方式进行结合。 0020 通过充液管13向平板热管内部充冷却工质后， 平板热管某一区域被加热， 被加热 区域温度升高， 热量通过导热的方式立即向平板热管内部传递。 该区域对应的内部蒸发板 表面以及附近区域的液体气化(蒸发和沸腾)， 产生的气体工质由于气压差而流向冷凝器5， 在冷凝器5表面进行珠状凝结。 蒸发端的部分工质从液态转化成了气态， 在吸液芯2毛细力 的驱动下， 凝结的液态工质不断向蒸发端流动和补充。 通过冷却工质的气液相变和循环流 动， 将受热区的热量不断向冷凝器5传递。 0021 冷凝器5通过管路与外界相通， 冷却工质通过工质入口9进入冷凝器5上部的工。

16、质 流道， 然后通过分液板7的通孔12流进下部的工质流道， 最后通过工质出口10流出冷凝器5。 流动的液态工质不断带走蒸汽凝结时所放出的热量， 如此往复循环实现了平板热管导热与 散热的一体化。 说明书 2/5 页 4 CN 110763062 A 4 0022 本发明的有益效果： 0023 (1)蒸发端产生的蒸气不需要穿过液体层而直接在冷凝器表面凝结， 实现了真正 意义上的气液分离； 0024 (2)凝结过程中所放出的热量直接被冷凝器内部流动的冷却工质带走， 没有平板 热管与热沉之间的接触热阻； 0025 (3)冷凝器的上下表面均可以与蒸气接触使其进行凝结， 显著增大了散热面积； 0026 (。

17、4)在传统平板热管的空腔位置设置冷凝器， 在对蒸气进行冷凝的同时也起到了 对平板热管内部的支撑作用， 使得结构更加紧凑， 减小了导热散热的总体积； 0027 (5)该导热与散热一体化平板热管无方向性， 上下表面均可以作为蒸发表面； 0028 (6)冷凝器回流距离大大减小， 使得毛细力较小的吸液芯也能够满足冷凝回流的 要求。 附图说明 0029 图1为平板壳体与吸液芯的装配体主视图； 0030 图2为平板壳体上下内表面的SEM图像； 0031 图3为平板壳体与吸液芯的装配体斜视图； 0032 图4(a)为冷凝器结构示意图； 0033 图4(b)为上盖板结构示意图； 0034 图4(c)为分液板结。

18、构示意图； 0035 图4(d)为下盖板结构示意图； 0036 图5为导热散热一体化平板热管封装前示意图； 0037 图6为导热散热一体化平板热管封装后示意图； 0038 图中： 1平板壳体； 2吸液芯； 3上下侧的凸台结构； 4左右侧的凸台结构； 5冷凝器； 6 上盖板； 7分液板； 8下盖板； 9冷却工质入口； 10冷却工质出口； 11肋片结构； 12通孔； 13充液 管。 具体实施方式 0039 以下结合附图和技术方案， 进一步说明本发明的具体实施方式。 0040 为了便于理解本发明， 下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。 但是应 当理解， 这些描述只是为了进一步说明本发明的特征。

19、和优点， 而不是对本发明权力要求的 限制。 0041 本发明公开了一种导热散热一体化平板热管， 包括： 平板壳体1、 吸液芯2、 冷凝器5 以及充液管13。 0042 所述平板壳体1上下内表面具有阵列的微米尺寸凸起结构； 0043 所述平板壳体1上设有连通其内部的小孔， 所述充液管13通过所述小孔固定连接 于所述平板壳体1上； 0044 所述吸液芯2紧贴所述平板壳体1内表面， 且所述吸液芯2的上、 下表面分别与所述 平板壳体1上、 下内表面的凸起接触， 吸液芯2的内侧具有规则的凸台结构。 0045 所述冷凝器5设置于空腔位置， 冷凝器5外部设有肋片结构11， 与吸液芯2的凸台结 说明书 3/5。

20、 页 5 CN 110763062 A 5 构相接触。 0046 如图1所示为平板壳体与吸液芯的装配体主视图， 其中平板壳体1的内表面具有阵 列的凸起结构， 该凸起结构具有亲水性。 在此基础上对其进行超亲水改性。 由于超亲水改性 技术已经得到充分发展与应用， 因此超亲水改性的办法有很多种， 本示例选用涂敷的方式。 即在平板壳体内表面涂敷一层的超亲水涂层， 该涂层主要成分为纳米氧化硅、 纳米氧化钛。 涂敷结束后置于真空干燥箱中干燥2个小时， 最终所得的表面接触角小于10度。 0047 本申请所述平板壳体是由一面加工有微结构的平板焊接而成的， 对焊接方法没有 特别的限制， 但是需要保证良好的密封性。

21、。 示例的， 本申请采用的焊接方式为钎焊。 所述平 板壳体的材质为本领域技术人员熟知的， 对此本申请没有限制， 示例的， 本申请所述的材质 为紫铜板。 0048 如图2所示为平板壳体的内表面的SEM图， 该SEM图的放大倍数为100倍。 根据SEM图 片中的结构可以看出该凸起结构的界面形状近似于圆形， 直径约为80微米。 该凸起结构是 通过刻蚀的方法加工而成的， 凸起部分的高度约为100微米。 0049 如图3所示为平板壳体与吸液芯的装配体斜视图， 其中包含该平板热管的吸液芯 2， 该吸液芯2的毛细结构可以为烧结的铜粉、 泡沫铜、 金属丝网以及微槽道结构。 本示例采 用的时烧结的铜粉结构作为吸。

22、液芯2。 该吸液芯2具有上下侧的凸台结构3以及左右侧的凸 台结构4， 该凸台结构的截面可以为矩形、 梯形、 三角形、 半圆形中的任意一种， 本示例中采 用的是矩形截面。 左右和上下两侧的凸台结构均与位于空腔位置的冷凝器5相接触。 可以看 出左右侧的凸台结构4并非为连续的凸台结构， 而是分割成4段较短的凸台结构， 从而使得 上下两端的气体流动畅通。 所述凸台结构与吸液芯2是一体的， 具有单一的毛细结构， 是由 铜粉在石墨模板中一次性烧结而成的， 因而结构更加稳定， 有效的增加了平板热管的机械 强度。 0050 将烧结成的吸液芯2浸泡在配置好的超亲水溶液中(该溶液主要成分为纳米氧化 硅、 纳米氧化。

23、钛)， 浸泡约1个小时候， 取出吸液芯2， 置于真空干燥箱中干燥2个小时， 最终得 到具有超亲水特性的吸液芯2。 0051 如图4所示为冷凝器及其爆炸结构示意图， 该冷凝器5由3部分组成， 其中包含上盖 板6、 分液板7、 下盖板8。 上盖板6和下盖板8外侧均具有规则的肋片结构11。 在上盖板6和下 盖板8的外表面， 即带有肋片结构11的表面涂敷一层特氟龙涂层， 使肋片结构11表面具有超 疏水的特性， 待表面干燥后， 测得表面接触角大于150度。 0052 上盖板6和下盖板8内侧具有冷却工质流通的半封闭槽道结构， 在本示例中， 槽道 结构是通过铣削加工而成的。 半封闭槽道与分液板7共同组成封闭。

24、的工质流道， 上、 下层工 质流道是通过分液板7上的通孔12来连通的。 冷却工质流经上盖板6与分液板7共同组成的 流道， 通过分液板7的通孔12进入分液板7与下盖板8组成的流道。 分液板7的通孔形状可以 为矩形或圆形， 优选的， 本示例中选用的是矩形。 上盖板6、 分液板7和下盖板8是通过焊接或 粘接的方式进行结合的， 对焊接或粘接的方法没有特别的限制， 但是需要保证良好的密封 性。 示例的， 本申请采用的是焊接的方式， 为了保证良好的密封性以及足够的机械强度， 本 示例所采用的焊接方式为钎焊。 0053 如图5所示为导热散热一体化平板热管封装前示意图， 可以看出吸液芯2外表面紧 贴壳体内表面。

25、， 可以通过压紧的方式使其贴合。 在本示例用所用的吸液芯2为烧结的铜粉结 说明书 4/5 页 6 CN 110763062 A 6 构， 直接将铜粉烧结在平板壳体1的内表面， 而无需再采用压紧的方式使其贴合。 吸液芯2的 内表面与冷凝器5的肋片结构11通过压紧的方式进行贴合的。 0054 如图6所示为导热散热一体化平板热管封装后示意图。 本申请所述平板壳体1外侧 设置有通孔， 所述充液管13设置于所述通孔中， 通过充液管13实现了平板热管内部与外部 的抽真空和充液过程。 可以看出冷却工质入口9、 冷却工质出口10与外界相通， 用于冷却工 质的流入和流出， 因此冷凝器5内部并不是真空的， 但是冷。

26、凝器5外表面和平板壳体内表面 之间组成的密闭空间是真空的。 0055 至此， 已经结合附图对本公开示例进行了详细描述。 需要说明的是， 在说明书正文 或说明书附图中， 未描述或未描绘的实现方式， 均为该技术领域中普通技术人员熟知的形 式， 因此未进行详尽说明。 此外， 以上描述对各元件和方法的定义并不仅限于示例中所提到 的各种具体结构、 形状或方式， 该领域技术人员均可对其进行简单的更改或替换。 0056 根据以上描述， 本领域的普通技术人员应该对本公开基于导热与散热一体化平板 热管有了清楚的认知。 0057 综上所述， 本公开提供了一种基于导热与散热一体化平板热管， 在传统平板热管 空腔位置。

27、设计了一个冷凝器来取代冷凝面， 蒸发端产生的蒸汽可直接在冷凝器表面进行凝 结， 凝结所放出的热量直接被冷凝器内部的冷却工质带走， 实现了平板热管导热与热沉散 热的一体化， 在实现结构紧凑增加机械强度的同时， 显著的提升了平板热管的散热能力。 0058 还需要说明的是， 示例中所提到的关于方向的用语， 例如 “上” 、“下”“左” ，“右” 等， 仅是参考附图的方向， 并非用来限制本公开的保护范围。 并且图中各元件的尺寸和形状不 反应真实大小和比例， 而仅表示本示例的内容。 0059 以上所述的具体示例， 对本公开的技术方案以及有益效果进行了详尽的阐述， 所 应理解的是， 以上所述仅为本公开的具体示例而已， 并不限制本发明。 凡是在本公开的原则 和精神上， 所做的任何修改、 改进以及等同替换等， 均在本公开的保护范围之内。 说明书 5/5 页 7 CN 110763062 A 7 图1 图2 图3 说明书附图 1/3 页 8 CN 110763062 A 8 图4(a) 图4(b) 图4(c) 图4(d) 说明书附图 2/3 页 9 CN 110763062 A 9 图5 图6 说明书附图 3/3 页 10 CN 110763062 A 10 。