本發(fā)明涉及一種雙層多通道平板納米表面脈動(dòng)熱管及其制備方法，屬于電子器件冷卻技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著電子元器件向著尺寸微型化、高集成度方向發(fā)展，其單位面積的熱流度要求不斷提高。傳統(tǒng)的熱管散熱方式已經(jīng)不能滿(mǎn)足其高熱負(fù)荷的需求。脈動(dòng)熱管，一種利用工作流體高速振蕩而高效相變換熱的裝置，已廣泛應(yīng)用在電子冷卻領(lǐng)域中。研究發(fā)現(xiàn)，脈動(dòng)熱管中蒸發(fā)端和冷凝端管道內(nèi)的彎頭數(shù)量對(duì)于換熱效果有著重要的影響。目前市場(chǎng)上的單層平板脈動(dòng)熱管的管道內(nèi)彎頭數(shù)量有限，不能滿(mǎn)足小尺寸發(fā)熱件的高熱流度散熱要求，并且管道內(nèi)的工作流體在當(dāng)前的普通脈動(dòng)熱管的蒸發(fā)端和冷凝端相變換熱時(shí)，傳熱效率較低，未能達(dá)到高效強(qiáng)化換熱的效果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種雙層多通道平板納米表面脈動(dòng)熱管，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)科學(xué)合理，其應(yīng)用于熱源，可高效、快速的傳遞熱量；本發(fā)明同時(shí)提供了一種操作簡(jiǎn)單的制備方法，利于工業(yè)化生產(chǎn)。

本發(fā)明所述的雙層多通道平板納米表面脈動(dòng)熱管，包括前蓋板、雙層平板熱管板和后蓋板，雙層平板熱管板的一面為蒸發(fā)端，蒸發(fā)端含有蒸發(fā)彎頭；雙層平板熱管板的另一面為冷凝端，冷凝端含有冷凝彎頭；雙層平板熱管板的兩面之間通過(guò)連接孔連接；雙層平板熱管板與前蓋板和后蓋板之間設(shè)有釬焊箔。

所述蒸發(fā)端位于雙層平板熱管板一面的中心區(qū)域12.7mm*12.7mm～50.8mm*50.8mm方形范圍內(nèi)；冷凝端位于雙層平板熱管板另一面的中心區(qū)域12.7mm*12.7mm～50.8mm*50.8mm方形范圍內(nèi)，蒸發(fā)端和冷凝端均為聚集式管道；雙層平板熱管板上除蒸發(fā)端和冷凝端之外的區(qū)域均為絕熱段。

所述蒸發(fā)彎頭優(yōu)選為40-80個(gè)；所述冷凝彎頭優(yōu)選為40-80個(gè)。

所述雙層平板熱管板的每根管道末端設(shè)有連接上下兩板的連接孔。

所述的每一個(gè)小彎頭即為一個(gè)小的蒸發(fā)端或冷凝端。發(fā)熱電子元件置于該雙層平板熱管的中心區(qū)域蒸發(fā)端，冷卻部件(如電子冷卻風(fēng)扇)置于該雙層平板熱管的另一中心區(qū)域冷凝端。通過(guò)雙層平板熱管的剖視圖(如附圖1所示)可以看到，蒸發(fā)端和冷凝端各為一個(gè)個(gè)的微通道。上下兩層微通道與微通道之間通過(guò)連接孔連通，實(shí)為一個(gè)微通道貫穿上下兩層平板。

所述的雙層多通道平板納米表面脈動(dòng)熱管的制備方法，是將雙層平板熱管板的蒸發(fā)端表面進(jìn)行預(yù)處理后，置于混合溶液中進(jìn)行處理；將絕熱段和冷凝端表面置于混合溶液中處理后，再用低表面能材料的溶液進(jìn)行處理；所述混合溶液由氫氧化鈉溶液和過(guò)硫酸銨溶液組成。

所述氫氧化鈉溶液的濃度為0.5-3M；過(guò)硫酸銨的濃度為0.1-0.5M。

所述低表面能材料的溶液為十八烷酸、1-癸硫醇或1H,1H,2H,2H-全氟癸基硫醇。

具體的，包括以下制備步驟：

(1)將雙層平板熱管板的蒸發(fā)端表面置于超聲波震蕩水浴中，用丙酮超聲清洗15-20分鐘，除去銅基蒸發(fā)端表面的油脂和雜質(zhì)，然后用去離子水清洗表面并用速度為1-3m/s的氮?dú)鈿饬骱娓桑?/p>

(2)將步驟(1)清洗后的雙層平板熱管板的蒸發(fā)端表面放入混合溶液中，在室溫25-30℃下表面處理15-30分鐘，得到階層式納米結(jié)構(gòu)的微溝槽；

(3)將雙層平板熱管板的絕熱段和冷凝端表面依次按照步驟(1)和(2)的方法進(jìn)行處理，用去離子水清洗，再由速度為1-3m/s的氮?dú)鈿饬骱娓?，然后浸泡在濃度?.1-0.5M的低表面能材料的溶液中，浸泡8-14小時(shí)；

(4)將步驟(3)處理的雙層平板熱管板的絕熱段和冷凝端取出后，在高溫爐中120-160℃下加熱2-4小時(shí)，得到銅基超疏水層，銅基超疏水層的表面接觸角為155-163°；

(5)將前蓋板和后蓋板與雙層平板熱管板在高溫爐中通過(guò)釬焊箔在220-260℃下加熱8-12h進(jìn)行密封，制得所述的雙層多通道平板納米表面脈動(dòng)熱管。

反應(yīng)過(guò)程中，蒸發(fā)端表面顏色逐漸變成暗藍(lán)色和淺黑色，形成氧化銅(CuO)和氫氧化銅(Cu(OH)₂)共生的階層式納米結(jié)構(gòu)；反應(yīng)過(guò)程中，由于氫氧化銅(Cu(OH)₂)在室溫下不穩(wěn)定，部分氫氧化銅(Cu(OH)₂)會(huì)逐漸地轉(zhuǎn)換成氧化銅(CuO)，如反應(yīng)式1和2所述。該氧化銅(CuO)和氫氧化銅(Cu(OH)₂)共生的階層式納米結(jié)構(gòu)的微溝槽可有助于蒸發(fā)端管內(nèi)液體形成一層極薄的液膜，由于液膜厚度極小(1微米)，導(dǎo)致熱阻極低，可產(chǎn)成很大的蒸發(fā)傳熱速率，從而形成細(xì)薄膜蒸發(fā)現(xiàn)象，提高傳熱系數(shù)。

脈動(dòng)熱管中的氣柱在該納米表面冷凝端處可形成滴狀冷凝，大大提高冷凝效率。由于絕熱段表面同為納米超疏水層，氣、液柱在脈動(dòng)熱管微通道內(nèi)高速振蕩時(shí)，可減小微通道壁面與氣、液柱的接觸摩擦力，進(jìn)而提高脈動(dòng)熱管的振蕩速率，達(dá)到強(qiáng)化傳熱。

Cu+4NaOH+(NH₄)₂S₂O₈→Cu(OH)₂+2Na₂SO₄+2NH₃↑+2H₂O (1)

將密封好的雙層多通道平板納米表面脈動(dòng)熱管，在真空環(huán)境下，注入部分工作流體，達(dá)到合適充液比后，充液管被氣動(dòng)卡鉗切斷，斷絕工作流體與空氣接觸，同時(shí)通過(guò)釬焊將斷口密封。保持內(nèi)部真空環(huán)境。將蒸發(fā)端置于熱源(如電子芯片)上，當(dāng)熱量持續(xù)增加時(shí)，蒸發(fā)端內(nèi)的液體發(fā)生相變換熱，借助于微溝槽納米表面結(jié)構(gòu)，蒸發(fā)端區(qū)域會(huì)形成細(xì)薄膜蒸發(fā)現(xiàn)象，氣體壓強(qiáng)增大；冷凝端與冷卻裝置連接(如冷卻風(fēng)扇)，當(dāng)氣體到達(dá)冷凝端時(shí)，由于該冷凝表面產(chǎn)生超疏水性特征而形成滴狀冷凝現(xiàn)象，氣體會(huì)迅速冷凝成液體，使得氣體壓強(qiáng)迅速減小。由于蒸發(fā)端和冷凝端的氣體壓強(qiáng)差，推動(dòng)氣柱、液柱在蒸發(fā)端和冷凝端之間做高速往復(fù)、垂直振蕩。高速振蕩的液柱內(nèi)可產(chǎn)生渦流，可進(jìn)行強(qiáng)化換熱，并且液柱始終處于發(fā)展中流動(dòng)狀態(tài)，而未進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，使其傳熱系數(shù)進(jìn)一步提高。同時(shí)，絕熱段也采用超疏水性納米表面層，可減少高速振蕩時(shí)壁面與氣、液柱之間的接觸摩擦力，加快振蕩速率。微管道內(nèi)氣柱、液柱產(chǎn)生的顯熱和潛熱作用，可使得熱量快速地從蒸發(fā)端傳遞到冷凝端，達(dá)到高效換熱目的。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

(1)所述的雙層多通道平板納米表面脈動(dòng)熱管，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)科學(xué)合理，可應(yīng)用于計(jì)算機(jī)芯片、計(jì)算機(jī)服務(wù)器冷卻或微型電子器件散熱等電子冷卻領(lǐng)域；

(2)所述的雙層多通道平板納米表面脈動(dòng)熱管，應(yīng)用于發(fā)熱件(如電子芯片)，可有效傳遞熱量，減少溫差，達(dá)到熱平衡；隨著加熱量的不斷提高，其杰出的熱傳遞特性越明顯；蒸發(fā)端與冷凝端之間溫差越小，導(dǎo)熱效果越好。

(3)所述的雙層多通道平板納米表面脈動(dòng)熱管，相比于普通單層銅基平板脈動(dòng)熱管，本發(fā)明制備的雙層多通道平板納米表面脈動(dòng)熱管可最大減少蒸發(fā)端與冷凝端之間溫差達(dá)55.6％，使得熱源熱量能夠迅速傳遞至制冷端；相比于普通單層銅基納米表面平板脈動(dòng)熱管，本發(fā)明制備的雙層多通道平板納米表面脈動(dòng)熱管可最大減少蒸發(fā)端與冷凝端之間溫差達(dá)32.2％；

(4)所述的雙層多通道平板納米表面脈動(dòng)熱管的制備方法，操作簡(jiǎn)單，節(jié)能環(huán)保，利于工業(yè)化生產(chǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1是雙層多通道平板納米表面脈動(dòng)熱管的剖視圖；

圖2是雙層多通道平板納米表面脈動(dòng)熱管的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是雙層多通道平板納米表面脈動(dòng)熱管正面蒸發(fā)端的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是雙層多通道平板納米表面脈動(dòng)熱管反面冷凝端的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是蒸發(fā)端與冷凝端之間溫度差與加熱量的關(guān)系對(duì)比圖；

圖中：1、前蓋板；2、后蓋板；3、微通道；4、雙層平板熱管板；5、蒸發(fā)端；6、絕熱段；7、連接孔；8、冷凝端。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明，但其并不限制本發(fā)明的實(shí)施。

實(shí)施例1

所述的雙層多通道平板納米表面脈動(dòng)熱管，包括前蓋板1、雙層平板熱管板4和后蓋板2，雙層平板熱管板4的一面為蒸發(fā)端5，蒸發(fā)端5含有蒸發(fā)彎頭；雙層平板熱管板4的另一面為冷凝端8，冷凝端8含有冷凝彎頭；雙層平板熱管板4的兩面之間通過(guò)連接孔7連接；雙層平板熱管板4與前蓋板1和后蓋板2之間設(shè)有釬焊箔。

所述蒸發(fā)端5位于雙層平板熱管板4一面的中心區(qū)域25.4mm*25.4mm方形范圍內(nèi)；冷凝端8位于雙層平板熱管板4另一面的中心區(qū)域25.4mm*25.4mm方形范圍內(nèi)，蒸發(fā)端5和冷凝端8均為聚集式管道；雙層平板熱管板4上除蒸發(fā)端5和冷凝端8之外的區(qū)域均為絕熱段6。

所述蒸發(fā)彎頭為40個(gè)；所述冷凝彎頭為40個(gè)。

所述雙層平板熱管板4的每根管道末端設(shè)有連接上下兩板的連接孔7。

所述的每一個(gè)小彎頭即為一個(gè)小的蒸發(fā)端5或冷凝端8。發(fā)熱電子元件置于該雙層平板熱管的中心區(qū)域蒸發(fā)端5，冷卻部件(如電子冷卻風(fēng)扇)置于該雙層平板熱管的另一中心區(qū)域冷凝端8。通過(guò)雙層平板熱管的剖視圖(如附圖1所示)可以看到，蒸發(fā)端5和冷凝端8各為一個(gè)個(gè)的微通道。上下兩層微通道與微通道之間通過(guò)連接孔7連通，實(shí)為一個(gè)微通道貫穿上下兩層平板。

所述的雙層多通道平板納米表面脈動(dòng)熱管的制備方法，包括以下制備步驟：

(1)將雙層平板熱管板的蒸發(fā)端表面置于超聲波震蕩水浴中，用丙酮超聲清洗15分鐘，除去銅基蒸發(fā)端表面的油脂和雜質(zhì)，然后用去離子水清洗表面并用速度為1m/s的氮?dú)鈿饬骱娓桑?/p>

(2)將步驟(1)清洗后的雙層平板熱管板的蒸發(fā)端表面放入由濃度為0.5M氫氧化鈉溶液和濃度為0.1M過(guò)硫酸銨溶液組成的混合溶液中，在室溫25℃下表面處理15分鐘，得到階層式納米結(jié)構(gòu)的微溝槽；

(3)將雙層平板熱管板的絕熱段和冷凝端表面依次按照步驟(1)和(2)的方法進(jìn)行處理，用去離子水清洗，再由速度為1m/s的氮?dú)鈿饬骱娓?，然后浸泡在濃度?.1M的十八烷酸的溶液中，浸泡8小時(shí)；

(4)將步驟(3)處理的雙層平板熱管板的絕熱段和冷凝端取出后，在高溫爐中120℃下加熱2-4小時(shí)，得到銅基超疏水層，銅基超疏水層的表面接觸角為155°；

(5)將前蓋板和后蓋板與雙層平板熱管板在高溫爐中通過(guò)釬焊箔在220℃下加熱8h進(jìn)行密封，制得所述的雙層多通道平板納米表面脈動(dòng)熱管。

實(shí)施例2

所述的雙層多通道平板納米表面脈動(dòng)熱管，結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1中的基本相同，不同的地方是：

所述蒸發(fā)端5位于雙層平板熱管板4一面的中心區(qū)域12.7mm*12.7mm方形范圍內(nèi)；冷凝端8位于雙層平板熱管板4另一面的中心區(qū)域12.7mm*12.7mm方形范圍內(nèi)。

所述蒸發(fā)彎頭為80個(gè)；所述冷凝彎頭為80個(gè)。

所述的雙層多通道平板納米表面脈動(dòng)熱管的制備方法，包括以下制備步驟：

(1)將雙層平板熱管板的蒸發(fā)端表面置于超聲波震蕩水浴中，用丙酮超聲清洗20分鐘，除去銅基蒸發(fā)端表面的油脂和雜質(zhì)，然后用去離子水清洗表面并用速度為3m/s的氮?dú)鈿饬骱娓桑?/p>

(2)將步驟(1)清洗后的雙層平板熱管板的蒸發(fā)端表面放入由濃度為3M氫氧化鈉溶液和濃度為0.5M過(guò)硫酸銨溶液組成的混合溶液中，在室溫30℃下表面處理30分鐘，得到階層式納米結(jié)構(gòu)的微溝槽；

(3)將雙層平板熱管板的絕熱段和冷凝端表面依次按照步驟(1)和(2)的方法進(jìn)行處理，用去離子水清洗，再由速度為3m/s的氮?dú)鈿饬骱娓桑缓蠼菰跐舛葹?.5M的1-癸硫醇的溶液中，浸泡14小時(shí)；

(4)將步驟(3)處理的雙層平板熱管板的絕熱段和冷凝端取出后，在高溫爐中160℃下加熱4小時(shí)，得到銅基超疏水層，銅基超疏水層的表面接觸角為163°；

(5)將前蓋板和后蓋板與雙層平板熱管板在高溫爐中通過(guò)釬焊箔在260℃下加熱12h進(jìn)行密封，制得所述的雙層多通道平板納米表面脈動(dòng)熱管。

實(shí)施例3

所述的雙層多通道平板納米表面脈動(dòng)熱管，結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1中的基本相同，不同的地方是：

所述蒸發(fā)端5位于雙層平板熱管板4一面的中心區(qū)域50.8mm*50.8mm方形范圍內(nèi)；冷凝端8位于雙層平板熱管板4另一面的中心區(qū)域50.8mm*50.8mm方形范圍內(nèi)。

所述蒸發(fā)彎頭為55個(gè)；所述冷凝彎頭為55個(gè)。

所述的雙層多通道平板納米表面脈動(dòng)熱管的制備方法，包括以下制備步驟：

(1)將雙層平板熱管板的蒸發(fā)端表面置于超聲波震蕩水浴中，用丙酮超聲清洗16分鐘，除去銅基蒸發(fā)端表面的油脂和雜質(zhì)，然后用去離子水清洗表面并用速度為2m/s的氮?dú)鈿饬骱娓桑?/p>

(2)將步驟(1)清洗后的雙層平板熱管板的蒸發(fā)端表面放入由濃度為1.0M氫氧化鈉溶液和濃度為0.3M過(guò)硫酸銨溶液組成的混合溶液中，在室溫28℃下表面處理25分鐘，得到階層式納米結(jié)構(gòu)的微溝槽；

(3)將雙層平板熱管板的絕熱段和冷凝端表面依次按照步驟(1)和(2)的方法進(jìn)行處理，用去離子水清洗，再由速度為2m/s的氮?dú)鈿饬骱娓?，然后浸泡在濃度?.3M的1H,1H,2H,2H-全氟癸基硫醇的溶液中，浸泡12小時(shí)；

(4)將步驟(3)處理的雙層平板熱管板的絕熱段和冷凝端取出后，在高溫爐中140℃下加熱3小時(shí)，得到銅基超疏水層，銅基超疏水層的表面接觸角為160°；

(5)將前蓋板和后蓋板與雙層平板熱管板在高溫爐中通過(guò)釬焊箔在240℃下加熱10h進(jìn)行密封，制得所述的雙層多通道平板納米表面脈動(dòng)熱管。

將實(shí)施例制得的雙層多通道平板納米表面脈動(dòng)熱管，分別與普通單層銅基平板脈動(dòng)熱管、普通單層銅基納米表面平板脈動(dòng)熱管進(jìn)行傳熱測(cè)試，每種脈動(dòng)熱管蒸發(fā)端與冷凝端之間溫度差與加熱量的關(guān)系詳見(jiàn)附圖5。

測(cè)試結(jié)果表明，隨著加熱量的增加，普通單層銅基平板脈動(dòng)熱管、普通單層銅基納米表面平板脈動(dòng)熱管蒸發(fā)端與冷凝端的溫度差呈現(xiàn)線性上升趨勢(shì)，而雙層多通道平板納米表面脈動(dòng)熱管蒸發(fā)端與冷凝端的溫度差上升趨勢(shì)明顯弱于以上兩種產(chǎn)品。由此可見(jiàn)，本發(fā)明制備的雙層多通道平板納米表面脈動(dòng)熱管可最大減少蒸發(fā)端與冷凝端之間溫差。