专利名称:一种具有变截面的两相通道热管及其加工方法
专利类型:发明专利
专利申请号:CN202310707454.1
专利申请(专利权)人:广州大学
权利人地址:广东省广州市番禺区小谷围街道大学城外环西路230号
专利发明(设计)人:向建化,何振霆,邵斐菲,张鸿祥,黄家乐,李萍,黄振,黎俊杰
专利摘要:本发明提供了一种具有变截面的两相通道热管及其加工方法,涉及热管技术领域。该热管包括:下盖板、上盖板、保持架、吸液芯及充液管,吸液芯为多孔介质结构,蒸发段空腔和冷凝段空腔间设置有变截面气体通道结构,其包括直型通道及与环形通道,蒸发段空腔与直型通道连通,冷凝段空腔通过入口通道与直型通道和环形通道连通,液体工质蒸发通过直型通道流至冷凝段空腔冷凝并在吸液芯作用下回流。该加工方法包括:S1:切削各部件外形;S2:下盖板上铣出变截面气体通道结构;S3:加工吸液芯;S4:将保持架和吸液芯安装;S5:注入液体工质并抽真空;S6:对充液管冲压密封;S7:气密测试。本发明热管能保证非重力等特殊环境下的单向传热性能。
主权利要求:
1.一种具有变截面的两相通道热管,其特征在于,包括:下盖板、上盖板、保持架、吸液芯及充液管,所述下盖板与所述上盖板固定连接,且二者间形成容纳空腔,所述保持架设置于所述容纳空腔内,所述吸液芯为多孔介质结构,其固定于所述保持架内侧,所述充液管安装于所述吸液芯的一端,用于向靠近其的蒸发段空腔内注入液体工质,远离所述蒸发段空腔的一端为冷凝段空腔,所述蒸发段空腔和所述冷凝段空腔间设置有变截面气体通道结构,所述变截面气体通道结构内形成多条贯穿其的直型通道以及与所述直型通道相连通的多个环形通道,所述蒸发段空腔一侧与所述直型通道相连通,入口通道为入字型结构,入字型结构与所述环形通道平滑连接,而与所述直型通道间存在拐角,所述冷凝段空腔一侧通过入口通道与所述直型通道和所述环形通道均相连通,液体工质在所述蒸发段空腔内吸热蒸发形成的蒸汽通过所述直型通道单向流至所述冷凝段空腔内冷凝成液体,冷凝的液体可在所述吸液芯的毛细作用下由所述冷凝段空腔回流至所述蒸发段空腔。
2.根据权利要求1所述的具有变截面的两相通道热管,其特征在于,所述下盖板和所述上盖板均为铜板。
3.根据权利要求1所述的具有变截面的两相通道热管,其特征在于,所述多孔介质结构为烧结铜粉层。
4.根据权利要求3所述的具有变截面的两相通道热管,其特征在于,所述保持架为铜制矩形框架,所述吸液芯与所述保持架的内周面一体连接或相粘合。
5.根据权利要求1所述的具有变截面的两相通道热管,其特征在于,所述变截面气体通道结构通过铣削加工在所述下盖板表面加工而成。
6.根据权利要求5所述的具有变截面的两相通道热管,其特征在于,所述变截面气体通道结构由凸出所述下盖板的矩形铜板通过铣削加工而成,所述直型通道和所述环形通道间设有跑道型凸块,所述环形通道的顶部或底部两端处与所述直型通道相连通。
7.根据权利要求6所述的具有变截面的两相通道热管,其特征在于,所述直型通道的数量为三条,所述直型通道的两侧均设置有所述环形通道和所述跑道型凸块,所述蒸发段空腔与所述直型通道和所述环形通道的相交处连通。
8.一种根据权利要求1‑7中任一项所述的具有变截面的两相通道热管的加工方法,其特征在于,包括以下步骤:S1:用传统金属切削加工的方法分别用铜块切割加工出下盖板、上盖板、充液管以及保持架的外形;
S2:在数控机床上用不同规格的铣刀在下盖板上铣出变截面气体通道结构的所述入口通道、所述环形通道和所述直型通道;
S3:加工吸液芯,并将吸液芯固定于保持架的内侧;
S4:将保持架和吸液芯安装于下盖板上变截面气体通道结构的外侧,吸液芯的两侧与变截面气体通道结构的外侧贴紧,吸液芯的两端与变截面气体通道结构的两端间留有蒸发段空腔和冷凝段空腔,将上盖板的凹槽与下盖板上保持架对齐并安装,在保持架的管孔位置插入充液管,并将各部件间通过耐高温胶粘在一起;
S5:通过充液管对热管内部注入液体工质,然后对热管内部进行抽真空处理;
S6:对充液管的管口进行冲压使其发生形变,并对管口进行焊接密封处理;
S7:对该热管进行单向传热测试与漏气测试,确保能够正常使用。
9.根据权利要求8中所述的具有变截面的两相通道热管的加工方法,其特征在于,步骤S3中加工吸液芯的具体步骤为:提前加工烧结模具,把保持架放在烧结模具上并进行定位,在保持架与烧结模具之间的间隙铺满铜粉,并进行高温烧结,烧结完成后在保持架的内壁上形成铜粉烧结层作为吸液芯。
10.根据权利要求8中所述的具有变截面的两相通道热管的加工方法,其特征在于,步骤S4中还包括以下步骤:将变截面气体通道结构表面通过耐高温胶与上盖板相粘接。 说明书 : 一种具有变截面的两相通道热管及其加工方法技术领域[0001] 本发明涉及热管技术领域,尤其是涉及一种具有变截面的两相通道热管及其加工方法。背景技术[0002] 热管是一种高效的热传输装置,由多个单元组成,包括蒸发段、冷凝段和毛细管,在这些单元的相互作用下,热量可以从一个地方传输到另一个地方,而无需使用外部动力源。热管作为一种高效的传热元件被广泛用于航空航天、电子器件、太阳能利用和制冷设备的散热领域。[0003] 传统的热管主要是靠重力的作用,使冷凝的液态工质回流到蒸发段,因此这类的热管均是固定方向放置的,即竖直放置,这种放置方式冷凝段必须位于蒸发段上方,在水平或者其它方向实现单向传热的效果较差甚至没有。由于其利用内部工质的气液相变依靠重力作用双向传导热量,液态工质一般容易顺着重力方向从冷凝段流往蒸发段,而当电子产品处于某些特定场景,液体无法依靠重力从冷凝段流回蒸发段时,热管无法进行正常散热,热量在某处堆积,加重了电子产品的热量积累,导致电子产品过热损坏。[0004] 鉴于上述原因,本发明提出一种具有变截面的两相通道热管,能够在非重力条件下保证其单向传热性能。发明内容[0005] 本发明的目的在于提供一种具有变截面的两相通道热管及其加工方法,能够实现蒸汽在热管内循环时正向流动量大于反向流动量,提高正向有效导热性,有利于工质流动,提高散热能力。[0006] 一方面,本发明提供一种具有变截面的两相通道热管,包括:下盖板、上盖板、保持架、吸液芯及充液管,所述下盖板与所述上盖板固定连接,且二者间形成容纳空腔,所述保持架设置于所述容纳空腔内,所述吸液芯为多孔介质结构,其固定于所述保持架内侧,所述充液管安装于所述吸液芯的一端,用于向靠近其的蒸发段空腔内注入液体工质,远离所述蒸发段空腔的一端为冷凝段空腔,所述蒸发段空腔和所述冷凝段空腔间设置有变截面气体通道结构,所述变截面气体通道结构内形成多条贯穿其的直型通道以及与所述直型通道相连通的多个环形通道,所述蒸发段空腔一侧与所述直型通道相连通,所述冷凝段空腔一侧通过入口通道与所述直型通道和所述环形通道均相连通,液体工质在所述蒸发段空腔内吸热蒸发形成的蒸汽通过所述直型通道单向流至所述冷凝段空腔内冷凝成液体,冷凝的液体可在所述吸液芯的毛细作用下由所述冷凝段空腔回流至所述蒸发段空腔。[0007] 优选地,所述下盖板和所述上盖板均为铜板。[0008] 优选地,所述多孔介质结构为烧结铜粉层。[0009] 优选地,所述保持架为铜制矩形框架,所述吸液芯与所述保持架的内周面一体连接或相粘合。[0010] 优选地,所述变截面气体通道结构为通过铣削加工在所述下盖板表面加工而成。[0011] 优选地,所述变截面气体通道结构由凸出所述下底板的矩形铜板通过铣削加工而成,所述直型通道和所述环形通道间设有跑道型凸块,所述环形通道的顶部或底部两端处与所述直型通道相连通。[0012] 优选地,所述直型通道的数量为三条,所述直型通道的两侧均设置有所述环形通道和所述跑道型凸块,所述蒸发段空腔与所述直型通道和所述环形通道的相交处连通。[0013] 另一方面,本发明提供了上述的具有变截面的两相通道热管的加工方法,包括以下步骤:[0014] S1:用传统金属切削加工的方法分别用铜块切割加工出下盖板、上盖板、充液管以及保持架的外形;[0015] S2:在数控机床上用不同规格的铣刀在下盖板上铣出变截面气体通道结构的环形通道和直型通道;[0016] S3:加工吸液芯,并将吸液芯固定于保持架的内侧;[0017] S4:将保持架和吸液芯安装于下盖板上变截面气体通道结构的外侧,吸液芯的两侧与变截面气体通道结构的外侧贴紧,吸液芯的两端与变截面气体通道结构的两端间留有蒸发段空腔和冷凝段空腔,将上盖板的凹槽与下盖板上保持架对齐并安装,在保持架的管孔位置插入充液管,并将各部件间通过耐高温胶粘在一起;[0018] S5:通过充液管对热管内部注入液体工质,然后对热管内部进行抽真空处理;[0019] S6:对充液管的管口进行冲压使其发生形变,并对管口进行焊接密封处理;[0020] S7:对该热管进行单向传热测试与漏气测试,确保能够正常使用。[0021] 优选地,步骤S3中加工吸液芯的具体步骤为:提前加工烧结模具,把保持架放在烧结模具上并进行定位,在保持架与烧结模具之间的间隙铺满铜粉,并进行高温烧结,烧结完成后在保持架的内壁上形成铜粉烧结层作为吸液芯。[0022] 优选地,步骤S4中还包括以下步骤:将变截面气体通道结构表面通过耐高温胶与上盖板相粘接。[0023] 相比现有技术,本发明的技术方案具有以下有益效果:[0024] 1.在实际应用中热管的冷凝段与散热元件相接触,如电脑的散热风扇,另一段为蒸发段,在实际应用中与发热元件相接触,如电脑CPU,热管以保持架内侧的多孔介质结构的吸液芯作为液体通道,用于液体工质的回流,中间为变截面气体通道结构,在正常工作时,蒸发段的温度比冷凝段的温度高,当热管正常工作时,蒸发段中的液体受热相变成蒸汽,由于蒸发段空腔与直型通道直联,蒸汽直接由直型通道流向冷凝段空腔,不会受到环形通道影响;若蒸汽从蒸发段空腔流向冷凝段空腔,由于靠近冷凝段空腔的通道一端蒸汽进入入口通道后与直型通道和环形通道均相连通,蒸汽会优先通过环形通道,在流动过程中与直型通道通过的蒸汽相冲产生阻力,导致流速变慢,故蒸汽在变截面气体通道结构中正向流动量远大于反向流动量,由于冷凝段的温度相对较低,蒸汽遇冷相变液化,吸液芯为多孔介质结构以极高的速度吸入液体工质,且在相同的体积下,蒸发段空腔的气体较多,冷凝段空腔气体较少,出现压力差,在吸液芯内部的毛细作用以及液体的表面张力共同作用下使吸液芯具有毛细压力,把冷凝段空腔的液体运输到蒸发段空腔,如此循环往复,在液体蒸发吸热与蒸汽冷凝放热的过程中,就把蒸发段的热流传输到冷凝段,从而具有传热的效果,且不受重力因素影响;[0025] 2.蒸汽在热管内循环时正向流动量远大于反向流动量,提高正向有效导热性,有利于液体工质流动,提高了特定环境下的散热能力。附图说明[0026] 为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案,下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施方式,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。[0027] 图1为本发明本发明实施例中热管拆解状态的结构示意图;[0028] 图2为本发明实施例中热管的内部结构示意图;[0029] 图3为本发明实施例中蒸发段空腔一侧的变截面气体通道结构的局部放大示意图;[0030] 图4为本发明实施例中冷凝段段空腔一侧的变截面气体通道结构的局部放大示意图;[0031] 图5为本发明实施例中烧结模具和保持架的安装示意图;[0032] 图6为本发明实施例中利用烧结模具将吸液芯烧结完成状态的示意图。[0033] 附图标记说明:[0034] 10:下盖板;20:保持架;21:吸液芯;22:蒸发段空腔;23:冷凝段空腔;30:上盖板;40:充液管;50:变截面气体通道结构;51:直型通道;52:环形通道;53:入口通道;54:跑道型凸块;60:烧结模具;61:定位凸台;62:铜粉限制凸台。具体实施方式[0035] 下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。[0036] 在本发明的描述中,需要理解的是,术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。[0037] 此外,术语"第一"、"第二"仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中,"多个"的含义是两个或两个以上,除非另有明确具体的限定。此外,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。[0038] 如图1‑4所示,本发明提供一种具有变截面的两相通道热管,包括:下盖板10、上盖板30、保持架20、吸液芯21及充液管40,下盖板10与上盖板30均为铜板,二者固定连接,且二者间固定连接后形成容纳空腔,保持架20设置于容纳空腔内,吸液芯21微观上为多孔介质结构,且保持架20和吸液芯21外形均呈矩形框架,吸液芯21的外周贴紧并固定于保持架20内侧,二者间粘接或一体连接固定后置于下盖板10上,其底部与下盖板10固定连接,顶部与上盖板30固定连接,从而对热管进行密封。充液管40安装于吸液芯21的一端,其穿过保持架20和吸液芯21的端部,可用于向靠近其的蒸发段空腔22内注入液体工质,蒸发段空腔22与CPU等发热元件接触,其内液体工质吸热蒸发可对发热元件进行散热,充液管40可在注入液体工质后进行冲压焊接密封,吸液芯21的远离蒸发段空腔22的一端内侧为冷凝段空腔23,蒸发段空腔22和冷凝段空腔23间设置有变截面气体通道结构50,变截面气体通道结构50与内形成多条贯穿其的直型通道51以及与直型通道51相连通的多个环形通道52。[0039] 其中,蒸发段空腔22一侧与直型通道51直接连通,液体工质在蒸发段空腔22内吸热蒸发产生的蒸汽可由直型通道51直接流向冷凝段空腔23内冷凝成液体,而冷凝段空腔23一侧通过入口通道53与直型通道51和环形通道52均相连通,蒸汽若由冷凝段空腔23流向蒸发段空腔22,会先进入环形通道52内,由环形通道52流出后会与直型通道51流入的蒸汽相冲产生阻力,导致流速变慢,故蒸汽在变截面气体通道结构50中正向(由蒸发段空腔22流向冷凝段空腔23)流动量远大于反向(由冷凝段空腔23流向蒸发段空腔22)流动量,由于冷凝段空腔23与散热元件接触其内的温度相对较低,蒸汽遇冷相变液化,吸液芯21为多孔介质结构,以极高的速度吸入液体工质,且在相同的体积下,蒸发段空腔22内产生的蒸汽较多,冷凝段空腔23内蒸汽较少,出现压力差,在吸液芯21内部的毛细作用以及液体的表面张力共同作用下使吸液芯21具有毛细压力,把冷凝段空腔23的液体运输到蒸发段空腔22,如此循环往复,在液体蒸发吸热与蒸汽冷凝放热的过程中,就把蒸发段空腔22内的热流传输到冷凝段空腔23,从而具有单向传热的效果,且不受重力因素影响,即使冷凝段空腔23位于较低位置,在其内部冷凝的液体也可在吸液芯21的毛细作用下和压力差作用下由冷凝段空腔23回流至蒸发段空腔22进行蒸发吸热,从而持续对发热元件进行持续散热。[0040] 在本实施例中,多孔介质结构为烧结铜粉层,其采用铜粉通过高温烧结形成于保持架20的内周面上,易于吸收液体工质,从而作为液体通道使用,使冷凝的液体能够通过其回流至蒸发段空腔22内吸热。保持架20为铜制矩形框架,吸液芯21通过高温烧结方式与保持架20的内周面一体连接。如图5、6所示,吸液芯21采用烧结模具60与保持架20配合进行加工。烧结模具60材质为不锈钢,保持架20的材质为铜,烧结模具60上设置有定位凸台61和铜粉限制凸台62,将保持架20的一端紧靠在烧结模具60表面的定位凸台61上,并且保持架20的内壁与烧结模具60表面的铜粉限制凸台62之间具有间隙,把铜粉倒进间隙中并铺满,然后把整个烧结模具60送到高温炉中加热,由于铜粉在高温条件下容易融化,并与同种材料的保持架20粘连在一起,最终形成多孔的铜粉烧结层作为吸液芯21。由于烧结模具60并不是铜材料,在烧结完成冷却后,粘连有铜粉烧结层的保持架20可以从烧结模具60上脱落,烧结模具60可以重复使用。[0041] 具体地,变截面气体通道结构50为设置于下盖板30表面的矩形凸台铜板通过铣削加工而成,通过铣削加工方式在矩形凸台铜板上加工出多条直型通道51和环形通道52,其中,环形通道52错落布置于直型通道51的两侧,且环形通道52的顶部或底部两端处与直型通道51相连通,直型通道51和环形通道52间设有跑道型凸块54。在本实施例中,直型通道51的数量为三条,直型通道51的两侧均设置有环形通道52和跑道型凸块54,蒸发段空腔22与直型通道51和环形通道52的相交处连通,因此,蒸发段空腔22内产生的蒸汽可直接进入直型通道51,而入口通道53为“入”字型结构,“入”字型结构与环形通道52平滑连接,而与直型通道51间存在拐角,会对蒸汽产生一定阻挡,因此,冷凝段空腔23内蒸汽会优先进入环形通道52内,由环形通道52内流出时与由直型通道51流出的蒸汽相冲产生阻力,在阻力差的作用下,大部分的蒸汽流向了环形通道52,由于环形回流通道内部构造使蒸汽曲线运动降低其速率,环形通道52内部蒸汽流出时与直型通道51内部蒸汽相冲,进一步使气体流动速率变慢,因此,气体在反向流动时阻力大、流速慢、单位时间流动量少,达到蒸汽在热管内循环时正向流动量大于反向流动量的效果。[0042] 充液管40为铜管,在热管加工时,可以通过充液管40向热管内部注入液体工质,并通过抽真空装置可以对热管内部进行抽真空处理,完成抽真空处理后可以通过冲压使充液管40发生形变,从而形成密封口,然后点焊处理,使热管内部处于密封状态。热管在制作的过程中会进行抽真空处理,目的是为了减小热管内部压力,使液体工质沸点降低,使液体工质更容易蒸发成蒸汽,使得热管可在温度较低的情况下正常工作。[0043] 本发明同时提供了上述的具有变截面的两相通道热管的加工方法,包括以下步骤:[0044] S1:用传统金属切削加工的方法分别用铜块切割加工出下盖板10、上盖板30、充液管40以及保持架20的外形,其中,下盖板10表面具有用于加工变截面气体通道结构50的矩形凸台,上盖板30上开设有有相应的凹槽;[0045] S2:在数控机床上用不同规格的铣刀在下盖板10上的矩形凸台铣成如图1‑4中所示的变截面气体通道结构50,铣出直型通道51、环形通道52、入口通道53以及跑道型凸台54等结构;[0046] S3:加工吸液芯,具体步骤为:提前加工烧结模具60,把保持架20放在烧结模具60上利用其表面的定位凸块61进行定位,在保持架20与烧结模具60的铜粉限制凸台62之间的间隙铺满铜粉,并送入高温炉中进行高温烧结,烧结完成后在保持架20的内壁上形成与其一体粘连的铜粉烧结层作为吸液芯21,吸液芯21围成一周粘连固定于保持架20的内周面上,由于铜粉高温烧结后形成多孔介质,具有毛细作用,可将在冷凝段空腔23冷凝后的液体输送至蒸发段空腔22内;[0047] S4:将保持架20和吸液芯21安装于下盖板10上的变截面气体通道结构50的外侧,其中,吸液芯21的两侧与变截面气体通道结构50的外侧贴紧,吸液芯21的两端与变截面气体通道结构50的两端间留有蒸发段空腔22和冷凝段空腔23,然后,将上盖板30的凹槽与下盖板10上保持架20位置对齐并安装,在保持架20的管孔位置插入充液管40,并将各部件间通过耐高温胶粘在一起,如将保持架20与下盖板10和上盖板30间、变截面气体通道结构50与上盖板30间、充液管40与管孔间均采用耐高温胶粘接,保证热管内部气密性;[0048] S5:通过充液管40对热管内部的蒸发段空腔22内注入液体工质,然后对热管内部进行抽真空处理,目的是为了减小热管内部压力,使液体沸点降低,使液体更容易蒸发成蒸汽,使热管可以在温度较低的情况下正常工作;[0049] S6:对充液管40的管口进行冲压使其发生形变,并对管口进行焊接密封处理,保证热管内部为封闭空间;[0050] S7:对该热管进行单向传热测试与漏气测试,确保其能够正常使用。[0051] 最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
专利地区:广东
专利申请日期:2023-06-14
专利公开日期:2024-09-03
专利公告号:CN116697787B