基于螺旋分形的一體化微小型平板熱管的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于螺旋分形的一體化微小型平板熱管，由導(dǎo)熱基板與散熱翅片組成，在所述導(dǎo)熱基板上設(shè)置有充液口，其特征在于：在所述導(dǎo)熱基板上設(shè)置具有斐波那契螺旋線分形的槽道，所述充液口與所述槽道相連通，在所述槽道內(nèi)設(shè)置所述散熱翅片，所述散熱翅片為具有散熱翅片空腔的導(dǎo)熱肋片，所述散熱翅片空腔與所述槽道連通，在所述散熱翅片空腔的內(nèi)壁面上設(shè)置有吸液芯。本發(fā)明平板熱管大大提高了微小型平板熱管的換熱水平和均溫性能，為解決電子元器件局部高熱流問題提供了一種有效途徑。
【專利說明】
基于螺旋分形的一體化微小型平板熱管
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種散熱裝置，具體涉及的是一種為提高換熱性能而設(shè)計的基于螺旋分形的一體化微小型平板熱管?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]近年來，隨著航空航天技術(shù)、信息工程、能源化工、微電子技術(shù)等的迅猛發(fā)展，電子電路集成化程度不斷提高，電子元器件容量不斷擴(kuò)大，而隨之帶來的電子元件高發(fā)熱熱流密度成為影響其正常工作的重大隱患。傳統(tǒng)的單純使用空氣強(qiáng)迫對流冷卻的散熱方式已經(jīng)達(dá)到傳熱極限，散熱問題成為制約高熱流密度光電芯片技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要瓶頸。
[0003]熱管散熱技術(shù)因其以相變傳熱作為基本傳熱方式而具有高效的散熱性能，被廣泛應(yīng)用于高熱流密度條件下的航空航天熱控制及微電子元件散熱等領(lǐng)域，成為國際上微電子和傳熱傳質(zhì)領(lǐng)域的研究熱點。微小型平板熱管作為一種新型熱管，具有結(jié)構(gòu)簡單、熱導(dǎo)率高、均溫性良好、工作適應(yīng)性好以及有利于對集中熱管進(jìn)行熱擴(kuò)散等優(yōu)點，在空間熱控系統(tǒng)、光電芯片散熱等領(lǐng)域有著廣闊應(yīng)用前景。
[0004]傳統(tǒng)的微小型平板熱管制造工藝是將熱沉和微小型平板熱管分開設(shè)計制造之后， 應(yīng)用時要在接觸面涂抹導(dǎo)熱硅膠后再將微小型平板熱管貼附在散熱翅片的底面，盡管這種設(shè)計便于加工制作，但這樣的設(shè)計無疑增大了散熱器的接觸熱阻。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]技術(shù)問題本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供了一種新型的具有螺旋分形通道布置的一體化微小型平板熱管散熱裝置，該型裝置通過將散熱翅片與熱管技術(shù)緊密結(jié)合以及螺旋分形結(jié)構(gòu)優(yōu)良的熱質(zhì)輸運(yùn)特性，能大大提高裝置的散熱能力，從而實現(xiàn)高效換熱的目的。
[0006]技術(shù)方案為解決微小型平板熱管設(shè)計上存在的上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種基于螺旋分形的一體化微小型平板熱管，由導(dǎo)熱基板與散熱翅片組成，在所述導(dǎo)熱基板上設(shè)置有充液口，其特征在于:在所述導(dǎo)熱基板上設(shè)置具有斐波那契螺旋線分形的槽道，所述充液口與所述槽道相連通，在所述槽道內(nèi)設(shè)置所述散熱翅片，所述散熱翅片為具有散熱翅片空腔的導(dǎo)熱肋片，所述散熱翅片空腔與所述槽道連通，在所述散熱翅片空腔的內(nèi)壁面上設(shè)置有吸液芯。
[0007]所述散熱翅片包括一級散熱翅片和二級散熱翅片，所述一級散熱翅片和所述二級散熱翅片均為具有散熱翅片空腔的導(dǎo)熱肋片，所述一級散熱翅片設(shè)置在所述槽道內(nèi)，所述二級散熱翅片從所述第一散熱翅片的兩側(cè)向外延伸。
[0008]所述二級散熱翅片也伸入所述導(dǎo)熱基板內(nèi)并與所述槽道連通。
[0009]周向相鄰的二級散熱翅片之間等距間隔分布。
[0010]螺旋分形結(jié)構(gòu)的級數(shù)為2級。
[0011]所述吸液芯包括導(dǎo)熱絲網(wǎng)、導(dǎo)熱纖維和導(dǎo)熱顆粒，所述導(dǎo)熱纖維鑲嵌在所述導(dǎo)熱絲網(wǎng)上，所述導(dǎo)熱顆粒鑲嵌在所述導(dǎo)熱纖維上。
[0012]所述導(dǎo)熱絲網(wǎng)的材料為金屬、合金或高分子材料，導(dǎo)熱絲網(wǎng)的網(wǎng)孔為微米級;所述導(dǎo)熱纖維的材料為金屬氧化物或合金氧化物，導(dǎo)熱纖維的直徑為納米級;所述導(dǎo)熱顆粒的材料為金屬或合金，導(dǎo)熱纖維的粒徑為微米級。
[0013]導(dǎo)熱基板為扁平的圓柱狀金屬導(dǎo)熱平板，直接與散熱翅片相連。導(dǎo)熱基板內(nèi)布置具有斐波那契螺旋線分形的槽道，在槽道內(nèi)壁面上燒結(jié)有多孔金屬材料，充液口設(shè)置在導(dǎo)熱基板側(cè)壁面上，與槽道相連通，通過充液口可向槽道空間內(nèi)充入一定比例的液體工質(zhì);散熱翅片為具有內(nèi)凹形散熱翅片空腔的導(dǎo)熱肋片，直接固定在所述的導(dǎo)熱基板上，散熱翅片空腔的截面形狀、大小和位置分布與所述的導(dǎo)熱基板內(nèi)布置的槽道相匹配，即槽道頂部邊緣和散熱翅片的底部周邊通過連接并進(jìn)行封裝以實現(xiàn)散熱翅片空腔與槽道空間上下相連通，從而使得相變工質(zhì)由蒸發(fā)段受熱汽化后直接在肋片端部冷凝放熱。此設(shè)計利用熱管優(yōu)良的等溫性能將有效避免傳統(tǒng)微小型平板熱管與散熱翅片的接觸熱阻過高問題以及散熱翅片根部與端部溫差較大現(xiàn)象的產(chǎn)生，大大提高肋效率。
[0014]氣液相變腔體和散熱翅片均采用類似于斐波那契螺旋線結(jié)構(gòu)的具有分形的方式構(gòu)建，分形螺旋彎曲結(jié)構(gòu)以導(dǎo)熱基板的軸心為中心，向四周彎曲擴(kuò)散。此分形螺旋網(wǎng)絡(luò)通道憑借其獨(dú)特的空間分布特性以及優(yōu)良的熱質(zhì)輸運(yùn)特性，為通道內(nèi)的熱量傳遞和流體流動提供了優(yōu)化分配，將大大提高通道內(nèi)的換熱水平和流動特性，確保換熱工質(zhì)在整個散熱空間內(nèi)均勻分散開來，有效地利用導(dǎo)熱基板的散熱面積，增強(qiáng)導(dǎo)熱基板的均溫性能。另外，彎曲結(jié)構(gòu)內(nèi)沿徑向易產(chǎn)生彎曲二次流，二次流增加了管內(nèi)工質(zhì)的擾動和混合，進(jìn)一步提高了管內(nèi)的換熱水平。考慮到實際加工要求，斐波那契螺旋線大約采用6-12根，單根斐波那契螺旋線具有螺旋分形，其分形輪廓的生成過程是:
(I)斐波那契螺旋線，是根據(jù)斐波那契數(shù)列畫出來的螺旋曲線，斐波那契數(shù)列(Fibonacci Sequence)，又稱黃金分割數(shù)列，在數(shù)學(xué)上，斐波那契數(shù)列是以遞歸的方法來定義:
F(O)=O;
F(I)=I;
F(n)=F(n_l )+F(n_2) (n^2)。
[0015](2)因此，用文字來說，斐波那契數(shù)列由數(shù)字0和I開始，之后的斐波那契數(shù)為前兩個數(shù)相加之和。
[0016](3)以斐波那契數(shù)為邊的正方形拼成的長方形，然后在正方形里面畫一個90度的扇形，連起來的弧線就是斐波那契螺旋線。自然界中存在許多斐波那契螺旋線的圖案，是自然界最完美的經(jīng)典黃金比例。
[0017]在一級散熱翅片上徑向等間距布置二級散熱翅片，周向相鄰的二級散熱翅片之間等距間隔分布。采用二級散熱翅片可以充分利用整個散熱系統(tǒng)的表面空間，增加散熱面積，提高散熱效率；同時，二級散熱翅片增加了整體翅片在散熱截面空間分布的均勻特性，因此可進(jìn)一步增強(qiáng)散熱截面的均溫性，消除散熱器件的局部熱點，有效延長使用壽命;另外，工質(zhì)在腔內(nèi)流動時易在一級散熱翅片與二級散熱翅片連接的分叉處形成二次流，這將進(jìn)一步增強(qiáng)工質(zhì)的擾動，提高管內(nèi)換熱水平。
[0018]本發(fā)明把微小型平板熱管和風(fēng)冷散熱翅片進(jìn)行一體化設(shè)計，就可以消除接觸熱阻，有效地提高散熱效率。進(jìn)行一體化設(shè)計可以減小散熱翅片頂部與其根部的溫度差就可以極大的提高散熱器的散熱效率。因此，在散熱翅片內(nèi)部構(gòu)造內(nèi)空腔以實現(xiàn)其跟熱管的氣液相變腔體相連通從而使得相變工質(zhì)由蒸發(fā)段受熱汽化后直接在肋片端部冷凝放熱，這種方式利用熱管優(yōu)良的等溫性能將有效避免散熱翅片根部與端部溫差較大現(xiàn)象的產(chǎn)生，大大提尚肋效率。
[0019]有益效果本發(fā)明一種基于螺旋分形的一體化微小型平板熱管，通過實現(xiàn)微小型平板熱管與散熱翅片的一體化設(shè)計，有效避免了微小型平板熱管與散熱翅片之間接觸熱阻過高問題以及散熱翅片根部與端部溫差較大現(xiàn)象的產(chǎn)生;氣液相變腔體和散熱翅片利用螺旋分形的方式構(gòu)建，其優(yōu)良的熱質(zhì)輸運(yùn)特性大大提高了散熱器的換熱效率和均溫能力；另外，采用二級散熱翅片，增加散熱面積，進(jìn)一步增強(qiáng)了換熱密度以及均溫性能，增強(qiáng)換熱效果。該微小型平板熱管的設(shè)計為解決電子元器件局部高熱流問題提供了一種有效途徑?！靖綀D說明】
[0020]圖1為一種基于螺旋分形的一體化微小型平板熱管的整體結(jié)構(gòu)平面示意圖。[0021 ]圖2為一種基于螺旋分形的一體化微小型平板熱管的整體結(jié)構(gòu)立體示意圖。
[0022]圖3為一種基于螺旋分形的一體化微小型平板熱管的槽道結(jié)構(gòu)示意圖。[〇〇23]圖4為槽道結(jié)構(gòu)局部放大圖。[〇〇24]圖5為散熱翅片空腔結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖6為散熱翅片空腔內(nèi)壁面上吸液芯附著結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]圖中，1、導(dǎo)熱基板;2、多孔金屬材料;3、槽道;4、吸液芯;5、一級散熱翅片;6、二級散熱翅片;7、充液口； 8、散熱翅片空腔?！揪唧w實施方式】[〇〇27]結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述:圖1給出了本發(fā)明一種基于螺旋分形的一體化微小型平板熱管整體結(jié)構(gòu)平面示意圖， 圖2為本發(fā)明一種基于螺旋分形的一體化微小型平板熱管整體結(jié)構(gòu)立體示意圖。圖中，一種采用了斐波那契螺旋分形通道布置方式的一體化微小型平板熱管，由氣液相變腔體與散熱翅片組成。氣液相變腔體，由導(dǎo)熱基板1、槽道3、多孔金屬材料2、充液口 7、散熱翅片空腔8和吸液芯4組成。導(dǎo)熱基板1內(nèi)布置具有斐波那契螺旋線分形的槽道3(如圖3所示)，多孔金屬材料2通過燒結(jié)的方式附著在槽道3的內(nèi)壁面上，充液口 7設(shè)置在導(dǎo)熱基板1側(cè)壁面上，并與槽道3相連通，通過充液口 7可向槽道3空間內(nèi)充入一定比例的液體工質(zhì);散熱翅片包括一級散熱翅片5和二級散熱翅片6,二級散熱翅片6徑向等間距地分布在一級散熱翅片5上，一級散熱翅片5和二級散熱翅片6均為具有內(nèi)散熱翅片空腔的導(dǎo)熱肋片，散熱翅片空腔8的截面形狀與導(dǎo)熱基板I內(nèi)布置的螺旋形槽道3相匹配，且散熱翅片空腔8與槽道3上下相連通;吸液芯4緊貼散熱翅片空腔8的內(nèi)壁面布置，且與槽道3內(nèi)布置的多孔金屬材料2相連接。
[0028]上述結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了微小型平板熱管與散熱翅片的一體化設(shè)計，從而避免了微小型平板熱管與散熱翅片的接觸熱阻過高以及散熱翅片根部與端部溫差較大現(xiàn)象的出現(xiàn)；同時槽道充分利用螺旋分形的布置方式，大大增強(qiáng)了散熱器的換熱效率和均溫能力；另外采用二級散熱翅片，增加散熱面積，提高換熱效果。
[0029]圖4為槽道內(nèi)的多孔金屬材料結(jié)構(gòu)示意圖，多孔金屬材料2為具有高導(dǎo)熱系數(shù)和高孔隙率的多孔泡沫金屬結(jié)構(gòu)(如泡沫銅、泡沫鋁及泡沫鎳等多孔材料)，通過燒結(jié)的方式附著在槽道3的內(nèi)壁上。此多孔金屬結(jié)構(gòu)既可以充當(dāng)熱管吸液芯結(jié)構(gòu)以促進(jìn)管內(nèi)工質(zhì)回流，又可以通過增加受熱面上的汽化核心數(shù)以增強(qiáng)槽道內(nèi)的相變換熱能力。
[0030]圖5為散熱翅片空腔結(jié)構(gòu)示意圖，圖6給出了布置在散熱翅片空腔內(nèi)壁上的吸液芯結(jié)構(gòu)示意圖，吸液芯4由導(dǎo)熱絲網(wǎng)、導(dǎo)熱纖維和導(dǎo)熱顆粒組成。導(dǎo)熱纖維鑲嵌在導(dǎo)熱絲網(wǎng)上，導(dǎo)熱顆粒鑲嵌在導(dǎo)熱纖維上。導(dǎo)熱絲網(wǎng)材料選自金屬、合金或高分子材料，其網(wǎng)孔優(yōu)選為微米級；導(dǎo)熱纖維材料選自金屬氧化物或合金氧化物，其直徑為納米級;導(dǎo)熱顆粒材料選自金屬或合金，其粒徑為微米級。微米級導(dǎo)熱顆粒以及納米級導(dǎo)熱纖維可提高絲網(wǎng)吸液芯的孔隙率和致密性，增大吸液芯的毛細(xì)抽吸力，從而加快工質(zhì)的循環(huán)速度，提高熱管散熱效率，且可防止現(xiàn)有技術(shù)中毛細(xì)極限現(xiàn)象的產(chǎn)生；另外，導(dǎo)熱顆粒及導(dǎo)熱纖維可增加吸液芯的表面積和導(dǎo)熱能力，亦可提高管內(nèi)的傳熱水平。
[0031]—級散熱翅片5和所述的二級散熱翅片6根據(jù)工作條件、工質(zhì)性質(zhì)等可以采用多種不同的材料，如碳素鋼、低合金鋼、不銹鋼、銅(合金)、鋁(合金)、鎳(合金)等。
[0032]在一體化微小型平板熱管的制作過程中，最后一個環(huán)節(jié)是將熱管抽真空然后注入合適的液體工質(zhì)(如水、氨、乙醇、丙醇、丙酮、有機(jī)物、制冷劑等，這些液體在真空狀態(tài)下有較低的沸點，是良好的熱交換劑)和恰當(dāng)?shù)某湟罕?。在一體化微小型平板熱管的工作過程中，當(dāng)導(dǎo)熱基板I受到熱源的加熱時，導(dǎo)熱基板I和多孔金屬材料2的溫度會升高，其升高到一定溫度時，多孔金屬材料2中的液體工質(zhì)會發(fā)生汽化，汽化后的蒸汽從多孔金屬材料2內(nèi)部溢出，沿著槽道3運(yùn)動，并向整個散熱翅片空腔8擴(kuò)散，在腔體的頂部邊壁遇冷發(fā)生凝結(jié)，凝結(jié)放出的熱量再通過翅片傳遞到周圍環(huán)境中。冷凝后的液體被吸附到吸液芯4內(nèi)部，然后在毛細(xì)吸力的作用下沿吸液芯4返回多孔金屬材料2，完成整個工質(zhì)的循環(huán)。由于吸液芯4的存在，液體的循環(huán)是被動的，不需要外力，而且能在反重力下工作。
【主權(quán)項】
1.一種基于螺旋分形的一體化微小型平板熱管，由導(dǎo)熱基板與散熱翅片組成，其特征在于:在所述導(dǎo)熱基板上設(shè)置具有斐波那契螺旋線分形的槽道，在所述槽道內(nèi)填充有流體工質(zhì)，在所述槽道內(nèi)設(shè)置所述散熱翅片，所述散熱翅片為具有散熱翅片空腔的導(dǎo)熱肋片，所述散熱翅片空腔與所述槽道連通，在所述散熱翅片空腔的內(nèi)壁面上設(shè)置有吸液芯。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一體化微小型平板熱管，其特征在于:所述散熱翅片包括一級散熱翅片和二級散熱翅片，所述一級散熱翅片和所述二級散熱翅片均為具有散熱翅片空腔的導(dǎo)熱肋片，所述一級散熱翅片設(shè)置在所述槽道內(nèi)，所述二級散熱翅片從所述第一散熱翅片的兩側(cè)向外延伸。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一體化微小型平板熱管，其特征在于:所述二級散熱翅片也伸入所述導(dǎo)熱基板內(nèi)并與所述槽道連通。4.根據(jù)權(quán)利要3所述的一體化微小型平板熱管，其特征在于:周向相鄰的二級散熱翅片之間等距間隔分布。5.根據(jù)權(quán)利要3所述的一體化微小型平板熱管，其特征在于:在所述導(dǎo)熱基板上設(shè)置有充液口，所述充液口與所述槽道相連通。6.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、4或5所述的一體化微小型平板熱管，其特征在于:螺旋分形結(jié)構(gòu)的級數(shù)為2級。7.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、4或5所述的一體化微小型平板熱管，其特征在于:所述吸液芯包括導(dǎo)熱絲網(wǎng)、導(dǎo)熱纖維和導(dǎo)熱顆粒，所述導(dǎo)熱纖維鑲嵌在所述導(dǎo)熱絲網(wǎng)上，所述導(dǎo)熱顆粒鑲嵌在所述導(dǎo)熱纖維上。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一體化微小型平板熱管，其特征在于:所述導(dǎo)熱絲網(wǎng)的材料為金屬、合金或高分子材料，導(dǎo)熱絲網(wǎng)的網(wǎng)孔為微米級;所述導(dǎo)熱纖維的材料為金屬氧化物或合金氧化物，導(dǎo)熱纖維的直徑為納米級;所述導(dǎo)熱顆粒的材料為金屬或合金，導(dǎo)熱纖維的粒徑為微米級。
【文檔編號】H05K7/20GK105960147SQ201610412151
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年6月13日
【發(fā)明人】張程賓, 陳功, 萬意, 辛佳磊, 張孟臣
【申請人】東南大學(xué)