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，由導熱基板與散熱翅片組成，在所述導熱基板上設置有充液口，其特征在于：在所述導熱基板上設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，在所述槽道內設置所述散熱翅片，所述散熱翅片為具有散熱翅片空腔的導熱肋片，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壁面上設置有吸液芯。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
技術領域
[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計的基于螺旋分形的一體化微小型平板熱管?！颈尘凹夹g】
[0002]近年來，隨著航空航天技術、信息工程、能源化工、微電子技術等的迅猛發(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)的單純使用空氣強迫對流冷卻的散熱方式已經(jīng)達到傳熱極限，散熱問題成為制約高熱流密度光電芯片技術及產業(yè)發(fā)展的主要瓶頸。
[0003]熱管散熱技術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域，成為國際上微電子和傳熱傳質領域的研究熱點。微小型平板熱管作為一種新型熱管，具有結構簡單、熱導率高、均溫性良好、工作適應性好以及有利于對集中熱管進行熱擴散等優(yōu)點，在空間熱控系統(tǒng)、光電芯片散熱等領域有著廣闊應用前景。
[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計制造之后， 應用時要在接觸面涂抹導熱硅膠后再將微小型平板熱管貼附在散熱翅片的底面，盡管這種設計便于加工制作，但這樣的設計無疑增大了散熱器的接觸熱阻。
【發(fā)明內容】

[0005]技術問題本發(fā)明所要解決的技術問題是針對上述現(xiàn)有技術的不足，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緊密結合以及螺旋分形結構優(yōu)良的熱質輸運特性，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]技術方案為解決微小型平板熱管設計上存在的上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案是:一種基于螺旋分形的一體化微小型平板熱管，由導熱基板與散熱翅片組成，在所述導熱基板上設置有充液口，其特征在于:在所述導熱基板上設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，在所述槽道內設置所述散熱翅片，所述散熱翅片為具有散熱翅片空腔的導熱肋片，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壁面上設置有吸液芯。
[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熱肋片，所述一級散熱翅片設置在所述槽道內，所述二級散熱翅片從所述第一散熱翅片的兩側向外延伸。
[0008]所述二級散熱翅片也伸入所述導熱基板內并與所述槽道連通。
[0009]周向相鄰的二級散熱翅片之間等距間隔分布。
[0010]螺旋分形結構的級數(shù)為2級。
[0011]所述吸液芯包括導熱絲網(wǎng)、導熱纖維和導熱顆粒，所述導熱纖維鑲嵌在所述導熱絲網(wǎng)上，所述導熱顆粒鑲嵌在所述導熱纖維上。
[0012]所述導熱絲網(wǎng)的材料為金屬、合金或高分子材料，導熱絲網(wǎng)的網(wǎng)孔為微米級;所述導熱纖維的材料為金屬氧化物或合金氧化物，導熱纖維的直徑為納米級;所述導熱顆粒的材料為金屬或合金，導熱纖維的粒徑為微米級。
[0013]導熱基板為扁平的圓柱狀金屬導熱平板，直接與散熱翅片相連。導熱基板內布置具有斐波那契螺旋線分形的槽道，在槽道內壁面上燒結有多孔金屬材料，充液口設置在導熱基板側壁面上，與槽道相連通，通過充液口可向槽道空間內充入一定比例的液體工質;散熱翅片為具有內凹形散熱翅片空腔的導熱肋片，直接固定在所述的導熱基板上，散熱翅片空腔的截面形狀、大小和位置分布與所述的導熱基板內布置的槽道相匹配，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，從而使得相變工質由蒸發(fā)段受熱汽化后直接在肋片端部冷凝放熱。此設計利用熱管優(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構的具有分形的方式構建，分形螺旋彎曲結構以導熱基板的軸心為中心，向四周彎曲擴散。此分形螺旋網(wǎng)絡通道憑借其獨特的空間分布特性以及優(yōu)良的熱質輸運特性，為通道內的熱量傳遞和流體流動提供了優(yōu)化分配，將大大提高通道內的換熱水平和流動特性，確保換熱工質在整個散熱空間內均勻分散開來，有效地利用導熱基板的散熱面積，增強導熱基板的均溫性能。另外，彎曲結構內沿徑向易產生彎曲二次流，二次流增加了管內工質的擾動和混合，進一步提高了管內的換熱水平?？紤]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，因此可進一步增強散熱截面的均溫性，消除散熱器件的局部熱點，有效延長使用壽命;另外，工質在腔內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，這將進一步增強工質的擾動，提高管內換熱水平。
[0018]本發(fā)明把微小型平板熱管和風冷散熱翅片進行一體化設計，就可以消除接觸熱阻，有效地提高散熱效率。進行一體化設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，在散熱翅片內部構造內空腔以實現(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)象的產生;氣液相變腔體和散熱翅片利用螺旋分形的方式構建，其優(yōu)良的熱質輸運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，進一步增強了換熱密度以及均溫性能，增強換熱效果。該微小型平板熱管的設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。【附圖說明】
[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構平面示意圖。[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構立體示意圖。
[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構示意圖。[〇〇23]圖4為槽道結構局部放大圖。[〇〇24]圖5為散熱翅片空腔結構示意圖。
[0025]圖6為散熱翅片空腔內壁面上吸液芯附著結構示意圖。
[0026]圖中，1、導熱基板;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]結合附圖對本發(fā)明作進一步描述: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構平面示意圖， 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構立體示意圖。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。導熱基板1內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通過燒結的方式附著在槽道3的內壁面上，充液口 7設置在導熱基板1側壁面上，并與槽道3相連通，通過充液口 7可向槽道3空間內充入一定比例的液體工質;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均為具有內散熱翅片空腔的導熱肋片，散熱翅片空腔8的截面形狀與導熱基板I內布置的螺旋形槽道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的內壁面布置，且與槽道3內布置的多孔金屬材料2相連接。
[0028]上述結構實現(xiàn)了微小型平板熱管與散熱翅片的一體化設計，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為槽道內的多孔金屬材料結構示意圖，多孔金屬材料2為具有高導熱系數(shù)和高孔隙率的多孔泡沫金屬結構(如泡沫銅、泡沫鋁及泡沫鎳等多孔材料)，通過燒結的方式附著在槽道3的內壁上。此多孔金屬結構既可以充當熱管吸液芯結構以促進管內工質回流，又可以通過增加受熱面上的汽化核心數(shù)以增強槽道內的相變換熱能力。
[0030]圖5為散熱翅片空腔結構示意圖，圖6給出了布置在散熱翅片空腔內壁上的吸液芯結構示意圖，吸液芯4由導熱絲網(wǎng)、導熱纖維和導熱顆粒組成。導熱纖維鑲嵌在導熱絲網(wǎng)上，導熱顆粒鑲嵌在導熱纖維上。導熱絲網(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;導熱顆粒材料選自金屬或合金，其粒徑為微米級。微米級導熱顆粒以及納米級導熱纖維可提高絲網(wǎng)吸液芯的孔隙率和致密性，增大吸液芯的毛細抽吸力，從而加快工質的循環(huán)速度，提高熱管散熱效率，且可防止現(xiàn)有技術中毛細極限現(xiàn)象的產生；另外，導熱顆粒及導熱纖維可增加吸液芯的表面積和導熱能力，亦可提高管內的傳熱水平。
[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、工質性質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(如水、氨、乙醇、丙醇、丙酮、有機物、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?shù)某湟罕?。在一體化微小型平板熱管的工作過程中，當導熱基板I受到熱源的加熱時，導熱基板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中的液體工質會發(fā)生汽化，汽化后的蒸汽從多孔金屬材料2內部溢出，沿著槽道3運動，并向整個散熱翅片空腔8擴散，在腔體的頂部邊壁遇冷發(fā)生凝結，凝結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內部，然后在毛細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。
【主權項】
1.一種基于螺旋分形的一體化微小型平板熱管，由導熱基板與散熱翅片組成，其特征在于:在所述導熱基板上設置具有斐波那契螺旋線分形的槽道，在所述槽道內填充有流體工質，在所述槽道內設置所述散熱翅片，所述散熱翅片為具有散熱翅片空腔的導熱肋片，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壁面上設置有吸液芯。2.根據(jù)權利要求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熱肋片，所述一級散熱翅片設置在所述槽道內，所述二級散熱翅片從所述第一散熱翅片的兩側向外延伸。3.根據(jù)權利要求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熱基板內并與所述槽道連通。4.根據(jù)權利要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:在所述導熱基板上設置有充液口，所述充液口與所述槽道相連通。6.根據(jù)權利要求1、2、3、4或5所述的一體化微小型平板熱管，其特征在于:螺旋分形結構的級數(shù)為2級。7.根據(jù)權利要求1、2、3、4或5所述的一體化微小型平板熱管，其特征在于:所述吸液芯包括導熱絲網(wǎng)、導熱纖維和導熱顆粒，所述導熱纖維鑲嵌在所述導熱絲網(wǎng)上，所述導熱顆粒鑲嵌在所述導熱纖維上。8.根據(jù)權利要求7所述的一體化微小型平板熱管，其特征在于:所述導熱絲網(wǎng)的材料為金屬、合金或高分子材料，導熱絲網(wǎng)的網(wǎng)孔為微米級;所述導熱纖維的材料為金屬氧化物或合金氧化物，導熱纖維的直徑為納米級;所述導熱顆粒的材料為金屬或合金，導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