CN101581549A - 一种扁形热管及其制作方法 - Google Patents

Abstract

一种扁形热管及其制作方法，该扁形热管中的多孔材料的结构为间断式排列，每个多孔材料的两侧均为空间间隔，形成多孔材料－间隔－多孔材料的间断式排列结构，环绕在热管腔体的内壁面，工作液体充填在热管腔体内。本发明具有制程简单，造价低，性能稳定，在应用的过程中不需要特别注意其安装的方式，便于热管与其它散热模组进行组装，可满足微小空间电子器件的散热需要，适用于多媒体可视移动电话，笔记本电脑等现代便携式多媒体电子设备的散热装置。

Description

一种扁形热管及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种电子产品领域的热传递装置，具体涉及一种平板热管散热装置的结构及加工方法。

背景技术

电子芯片的冷却是电子，计算机，通讯和光电设备中非常重要的一个技术环节。目前市场上针对电子器件散热常用的方法包括以下几种：(1)空气自然冷却散热器；(2)风扇+散热器；(3)(风扇+)热管+散热器；(4)风扇+液冷技术。其中，热管技术是最为广泛使用的增强热传递的技术以及装置，它比普通使用的金属材质的当量导热系数高几十倍，同时热管散热器具有比液冷散热技术更高的可靠性和使用寿命.热管是一种非常有效的热量传输装置.它利用的是工质的相变潜热来传递热量.因此，热管的当量导热系数非常高热管发明于1960s.一根热管是由一个封闭的腔体，一层多孔材料，和适量的工作液体组成.热管运行时其内部的压力为工作液体的对应于工作温度的汽相压力.沿热管长度方向，热管可以分为三部分：蒸发段，绝热段以及冷凝段.对于一根标准热管，在封闭的腔体内壁上铺设一层多孔材料.其它内部空间是为蒸汽流道.参见图1A和1B.贮存在多孔材料12中的工作液体在蒸发段通过吸收热管腔体11管壁传导过来的热量蒸发相变，产生蒸汽，蒸汽在压力差驱动下在热管内部空腔流动，经过绝热段，然后到达冷凝段，蒸汽通过把热量释放到外界环境而冷凝为液体，液体在多孔材料内部形成的毛细力作用下流回到蒸发段，完成一次循环及热量传递.通过热管的使用，可以增强散热器散热的能力，减轻散热器总量，可以具有远距离传输热量等优点.

热管的封闭腔体的作用是把工作液体同外界环境隔绝.对于封闭腔体的基本要求包括通过壁面没有泄露，具有足够的强度维持内外压力差，能够把热量导入或者导出腔体.紧贴热管腔体内壁面的多孔介质层，其主要作用是在多孔材料内部的微小孔洞的地方产生毛细力，以驱动工作液体循环，其它特性包括：和工作介质的兼容性；孔隙率；清润特性；加工的难易程度；热导率以及强度.工作液体的选择主要考虑饱和蒸气温度的范围是否满足使用条件.其次通过优化指数(merit number)以及和热管腔体以及多孔材料的兼容性来选择工作液体.选择工作液体的其它因素还包括：好的热稳定性；高的浸润性；高的导热系数等.

一根标准商业热管的截面为图1B所示的圆形，因为圆形热管的工艺相对最简单，价格最便宜，同时性能也最稳定.但是，在一些特殊的场合，需要截面外形为扁形的热管或者薄片型热管，参见图2，例如多媒体可视移动电话，笔记本电脑等等.由于现代便携式多媒体电子设备的发展方向为轻薄高便携性，功能全面多媒体性，这两者的结合导致在微小的空间内高集成度的电子器件的发热量增加，因此相对于常规的电子或计算机设备，便携式多媒体电子设备的散热更加困难而具有挑战性，同时为工业界提出了迫切需要解决的问题.

目前国际上的扁形热管的结构大致有以下几种，图3A为一款普通的烧结热管通过相应治具进行打扁后形成；图3B为沟槽型热管通过相应治具进行打扁后形成；图3C为在两层平板间设置多个细丝，通过熔融焊接的方式形成；图3D为单侧烧结型热管通过相应治具进行打扁后形成.它们各自具有自己的优缺点，这里就不一一详述.其中以图3D所示的单侧烧结型打扁热管，相对于其它形式的扁形热管具有制程简单，打扁厚度可以很小，性能稳定可靠，成本低的优点.但是其也存在缺点，主要有：(1)在打扁的过程中，夹治具以及工件定位的精确度都会影响产品的具体结构从而影响使用；(2)同时在产品使用的过程中，必须严格组装工艺，防止热管未烧结侧和发热芯片接触，否则不但不能起到热量传递的目的，反而会恶化传热效果，从而使得散热装置失效.

发明内容

为了克服现有的扁形热管存在上述的不足，本发明的目的在于，提供一种新型结构的扁形热管及其制作方法，该新型扁形热管可以克服上述已有的扁式热管中存在的问题和缺点，具有制程简单，造价低，性能稳定可靠，并且打扁厚度可以很小的特点，最主要的是在应用的过程中不需要特别注意其安装的方式，便于热管与其它散热模组进行组装，可满足微小空间电子器件的散热问题，从而为便携式多媒体电子设备的散热提供另外一种热管类高效散热组件。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下的技术方案来实现的：

一种扁形热管，它包括热管腔体、烧结的多孔材料及工作液体，多孔材料的结构为间断式排列，每个多孔材料的两侧均为空间间隔，形成多孔材料-间隔-多孔材料的间断式排列结构，环绕在热管腔体的内壁面，工作液体充填在热管腔体内的间断式多孔材料中。

一种生产上述扁形热管的方法，它包括以下次序的工艺步骤：

(1)选择一根具有高导热特性材质的金属管，将其一端通过焊接或粘结或螺接或卡接的方式封闭，形成热管腔体；

(2)选择合适的中心棒，该中心棒的材质为耐高温及与热管腔体及烧结粉末在高温下没有相互作用的材料；该中心棒为带有齿形外缘的棒材；

(3)将中心棒插入到步骤(1)的热管腔体内；

(4)在中心棒和热管腔体之间形成的空隙内填充金属粉末后，将其放入烧结炉中，按照普通烧结热管的制程进行粉末烧结，金属粉末多孔材料和热管腔体烧结成一体；

(5)烧结结束后，把中心棒从热管中抽出，则热管腔体和多孔材料制备完成；

(6)按照标准的热管制造工艺进行后续的抽真空除气，真空度应小于10^-2Torr，进行工作液体灌装及端口封闭，封闭方式为先冷焊再硬焊(例如氩弧焊等)，则圆形热管制作完成；

(7)最后进行标准热管打扁工艺，通过夹治具对热管施加压力产生变形，按照所需厚度适当加压以控制施压件的行程位移，最后形成截面为扁形的热管。

本发明在工作时，贮存在间断式多孔材料中的工作液体在蒸发段通过吸收热管腔体管壁传导过来的热量蒸发相变，产生蒸汽，蒸汽在压力差驱动下在打扁的热管内部多孔材料的间隔以及其它间隙流动，经过绝热段，然后到达冷凝段，蒸汽通过把热量释放到外界环境而冷凝为液体，液体在间断式多孔材料内部形成的毛细力作用下流回到蒸发段，完成一次循环及热量传递.本发明由于采用多孔材料为间断式排列的结构，可以增加蒸汽流动的空间。还可以适当通过调整多孔材料以及间隔的尺寸达到不同的使用目的.

本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果，并具有产业上的广泛利用价值，其至少具有下列优点：

1、本发明一种特殊的扁形热管结构，其热管厚度可以非常小同时热管性能不会因此而损失很多，因此可以最大程度节省安装空间，解决了微小空间电子器件的散热问题，使得便携多媒体设备的散热以及尺寸限制可以得到满足.其厚度理论上可以小到2倍的热管腔体壁厚加单程烧结的多孔材料厚度；

2、本发明一种特殊的扁形热管结构及工艺，由于多孔材料和热管腔体是烧结一体的，因此热量传递热阻较小，产品性能及散热扩展能力好，且对于多孔材料的加工精度要求不高，整个多孔材料可以根据需要设计成任意形状，加工工艺简单；

3、本发明一种特殊的扁形热管的结构及工艺，在具有圆形腔体的热管加工完成后，在做后续打扁工序时，不需要注意热管受压的位置，因此简化了加工工艺，节省工时和成本；

4、本发明一种特殊的扁形热管的结构及工艺，具有上述诸多优点，而其仅是对于现有具有圆形腔体的烧结热管的制作工艺做些微的结构改变，结构简单，降低了制造成本，适于产业界广泛推广使用。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1A是一根标准热管的外形示意图。

图1B是图1A的截面放大图。

图2是一根标准扁形热管的外形示意图。

图3A是现有的扁形热管中的多孔材料第一种结构的截面示意图。

图3B是现有的扁形热管中的多孔材料第二种结构的截面示意图。

图3C是现有的扁形热管中的多孔材料第三种结构的截面示意图。

图3D是现有的扁形热管中的多孔材料第四种结构的截面示意图。

图4是本发明间断式烧结型扁形热管结构的截面示意图。

图5是本发明间断式烧结型扁形热管加工流程(1)中一端封闭的圆管示意图。

图5A是图5的截面放大图。

图5B是本发明加工流程(2)中的中心棒截面示意图。

图5C是本发明加工流程(3)中圆管中插入中心棒并填充烧结粉末后的截面示意图。

图5D是本发明加工流程(4)、(5)、(6)中抽出中心棒、填充工作液体并封闭热管的截面示意图。

图5E是本发明加工流程(7)中热管打扁的截面示意图。

图5F是图5E的扁形热管成品外形图。

图6A是本发明加工扁形热管中的多孔材料时，所使用的中心棒的第一种截面示意图。

图6B是本发明加工扁形热管中的多孔材料时，所使用的中心棒的第二种截面示意图。

图6C是本发明加工扁形热管中的多孔材料时，所使用的中心棒的第三种截面示意图。

图6D是本发明加工扁形热管中的多孔材料时，所使用的中心棒的第四种截面示意图。

图7A是本发明扁形热管散热装置应用实例结构示意图。

图7B是图7A中扁形热管散热装置的结构分解图。

图中，1.扁形热管，2.中心棒，3.散热器，4.风扇，5.螺钉，6.金属板，7.导热贴，8.发热芯片，9.主板，10.笔记本电脑，11.热管腔体，12.多孔材料。

具体实施方式

图4所示为本发明间断式烧结型扁形热管的一个实施例，该扁形热管包括两端封闭的热管腔体11、多孔材料12及填充在热管腔体11内的工作液体。多孔材料12的结构为间断式排列，每个多孔材料的两侧均为空间间隔，形成多孔材料-间隔-多孔材料的间断排列结构，环绕在热管腔体11的内壁面。在间隔式多孔材料12中的间隔的作用是增加蒸汽流动的空间，该多孔材料12及其间隔的尺寸及形状可根据需要进行调整。

本发明间断式烧结型扁形热管的加工制作方法实施例的步骤如下：

1.首先，选择一根图5所示的具有高导热特性材质的金属管，例如铜管，一端通过焊接(氩弧焊，锡膏焊或者冷焊)或者粘接的方式封闭，形成截面为图5A所示的热管腔体11；

2.然后，选择合适的中心棒2，中心棒2材质为耐高温以及与热管腔体和烧结粉末在高温下没有相互作用的材料，例如石墨或者渗碳不锈钢等，中心棒2为带有齿形外缘的棒材，该齿形外缘可通过精密数控机床加工而成，加工成的中心棒2如图5B所示；

3.其次，把中心棒2插入到金属管腔体11内；

4.在中心棒2和金属管腔体11之间形成的空隙填充金属粉末12后，形成图5C所示的装置，把这个装置放入烧结炉中，按照普通烧结热管的制程进行粉末烧结，例如在真空烧结炉或者还原气氛烧结炉中，炉温为略低于材料熔点，例如对于铜而言，烧结温度为800-1100℃之间，多孔烧结材料一次成型在热管腔体内壁；

5.烧结结束后，把中心棒从热管中抽出，则图5D所示的热管腔体11和多孔材料12制备完成；

6.然后，按照标准热管制造工艺进行后续的抽真空除气，真空度应该小于10^-2Torr，再进行工作液体灌装以及端口封闭，封闭方式为先冷焊再硬焊(例如氩弧焊)，这样圆形热管制造完成；

7.最后，进行标准热管打扁工艺，通过夹治具对热管施加压力产生变形，按照所需厚度适当加压以及控制施压件的行程位移，最后形成截面为扁状的热管，其截面如图5E所示，其外形如图5F所示。

如果适当控制烧结多孔材料的间隔大小，使得多孔材料在打扁的过程中方便插入到间隔中，这样可以得到总厚度为2倍的热管腔体壁厚加单层烧结的多孔材料厚度，该厚度是烧结类扁式热管的最小极限厚度.

本发明扁形热管中的多孔材料为高导热材质粉末烧结而成，该热管高导热材质粉末的颗粒可以随着性能的需要沿热管轴向或径向而改变颗粒大小。

本发明工艺中所选择的具有高导热特性材质的金属管为铜管或铝管。所选用的多孔材料为铜粉末或铝粉末烧结而成。热管腔体及多孔材料的材质可用聚合物来代替金属。

本发明加工扁形热管中的多孔材料时，所使用的中心棒的材质为石墨或渗碳不锈钢，中心棒的齿形外缘可为图6A所示的矩形齿外缘，或图6B所示的三角形齿外缘，或图6C所示的带有圆弧过渡的的梯形齿外缘，或图6D所示的半圆形齿外缘。

本发明热管腔体中所灌装的工作液体为水、丙酮、甲醇、乙醇或氟里昂类制冷剂。

再请参阅图7A和图7B所示的本发明扁形热管在笔记本电脑中一个具体应用实例的结构示意图。图中扁形热管1一端通过一块或者几块由螺钉5与笔记本电脑10相连的金属板6和导热贴7，与位于主板9上面的发热芯片8接触，吸收芯片产生的热量，然后通过扁形热管1传递热量到另一端，热管1另一端与以翅片散热器3相联接，通过风扇4将冷空气吹过散热器3，将热管1传递过来的热量带走，并从笔记本电脑10的散热孔释放到环境空间中去，从而实现散热目的。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1、一种扁形热管，其特征在于：它包括热管腔体、烧结的多孔材料及工作液体，多孔材料的结构为间断式排列，每个多孔材料的两侧均为空间间隔，形成多孔材料-间隔-多孔材料的间断式排列结构，环绕在热管腔体的内壁面，工作液体充填在热管腔体内。

2、根据权利要求1所述的扁形热管，其特征在于：所述的多孔材料及其间隔的尺寸和形状可根据需要调整。

3、一种生产权利要求1的扁形热管的方法，它包括以下次序的工艺步骤：

(1)选择一根具有高导热特性材质的金属管，将其一端通过焊接或粘结或螺接或卡接的方式封闭，形成热管腔体；

(2)选择合适的中心棒，该中心棒的材质为耐高温及与热管腔体及烧结粉末在高温下没有相互作用的材料；该中心棒为带有齿形外缘的棒材；

(3)将中心棒插入到步骤(1)的热管腔体内；

(4)在中心棒和热管腔体之间形成的空隙内填充金属粉末后，将其放入烧结炉中，按照普通烧结热管的制程进行粉末烧结，金属粉末多孔材料和热管腔体烧结成一体；

(5)烧结结束后，把中心棒从热管中抽出，则热管腔体和多孔材料制备完成；

(6)按照标准的热管制造工艺进行后续的抽真空除气，真空度应小于10^-2Torr，进行工作液体灌装及端口封闭，封闭方式为先冷焊再硬焊，则圆形热管制作完成；

(7)最后进行标准热管打扁工艺，通过夹治具对热管施加压力产生变形，按照所需厚度适当加压以控制施压件的行程位移，最后形成截面为扁形的热管。

4、根据权利要求3所述的生产扁形热管的方法，其特征在于：所述的多孔材料为高导热材质粉末烧结而成，该热管高导热材质粉末的颗粒可以随着性能的需要沿热管轴向或径向而改变颗粒大小。

5、根据权利要求3所述的生产扁形热管的方法，其特征在于：步骤(1)中所选择的具有高导热特性材质的金属管为铜管或铝管。

6、根据权利要求3所述的生产扁形热管的方法，其特征在于：步骤(2)中所选择的中心棒的材质为石墨或渗碳不锈钢，中心棒的齿形外缘可通过精密数控机床加工而成。

7、根据权利要求6所述的生产扁形热管的方法，其特征在于：所述的中心棒的齿形外缘可为矩形齿外缘或三角形齿外缘或带有圆弧过渡的的梯形齿外缘或半圆形齿外缘。

8、根据权利要求4所述的生产扁形热管的方法，其特征在于：所述的多孔材料为铜粉末或铝粉末烧结而成。

9、根据权利要求3所述的生产扁形热管的方法，其特征在于：步骤(6)中所灌装的工作液体为水、丙酮、甲醇、乙醇或氟里昂类制冷剂。

10、根据权利要求5或8所述的生产扁形热管的方法，其特征在于：所述的热管腔体及多孔材料的材质可用聚合物来代替金属。

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