專利名稱：仿生動力驅動型熱管散熱器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種仿生動力驅動型熱管，特別涉及一種仿高大植物利用其葉片表 面的水份蒸騰作用而驅動樹干內部流體實現(xiàn)遠距離輸運的以熱管方式實現(xiàn)熱量傳輸 的仿植物葉片表面蒸騰作用的仿生動力驅動型熱管散熱器。
背景技術：
近年來，計算機、微電子、光電芯片等一直是朝著提高集成度、減小尺寸及增 加時鐘頻率的趨勢發(fā)展，"熱障"問題因此日顯嚴峻。按照著名的"摩爾定律"推算計算機芯片上的晶體管使用量18個月翻一番，那么到2010年，芯片上晶體管使用數(shù) 量將突破10億，此時，芯片耗能和散熱問題也凸現(xiàn)出來。實際上，現(xiàn)有AMD桌面 Athlon 1200MHz產生的熱量已達66瓦， 一顆Pentium4@2 GHz芯片的消耗功率更高 達75瓦。由此帶來的過高溫度將降低芯片的工作穩(wěn)定性，增加出錯率，同時模塊內 部與其外部環(huán)境間所形成的熱應力會直接影響到芯片的電性能、工作頻率、機械強 度及可靠性。事實上，不僅對于計算機芯片，對于大量功率電T設備、光電器件以 及近年來發(fā)展迅速的微/納電子機械系統(tǒng)等，都存在著類似的廣泛而迫切的散熱冷卻 需要，有的情況下甚至要求更高，比如， 一些微系統(tǒng)的熱流密度已高達103W/ cm2。這些態(tài)勢都表明，目前對高性能散熱技術的需求己提到了前所未有的層面，相 關研究是多個學科領域共同的前沿和關注的重大課題。計算機芯片技術發(fā)展對高性能散熱方法的迫切要求與實際應用的廣闊空間，使 得對超高熱流密度光電子芯片、微系統(tǒng)的散熱技術研究成為國際上異常重要而活躍 的研究領域。當前的技術現(xiàn)狀是，各類計算機芯片普遍采用受迫對流空氣來冷卻發(fā) 熱器件，即通過擴展肋片，改進氣流分布，增大風壓，將冷卻空氣壓送至散熱器件
表面以將該處熱量散走，此種方式的冷卻效率與風扇速度成正比，因而會產生明顯 噪音；而且一旦微器件發(fā)熱密度過高時，空氣冷卻將很難勝任。目前，氣冷方式的 散熱能力已漸趨極限，難以適應功耗繼續(xù)增加的需要，特別是在如多核臺式機、筆 記本電腦等設備的狹小受限空間中更是如此。隨著計算機芯片集成度的飛速增長， 要求的換熱強度越來越高，采用水冷或熱管散熱的方式已提到日程上來，相應產品 相繼出現(xiàn)在市場上。液體因單位體積熱容遠大于氣體，作為循環(huán)工質能夠提供更高 的冷卻功率，是一種較佳選擇。據(jù)業(yè)界人士分析，液冷可能會成為一個主流。實際 上就計算機CPU的散熱問題而言，Intel、 NEC、松下、日立等國際著名公司新近都 推出了基于液冷的散熱方案。然而，這類液體冷卻雖然效率較高，似在運行中必須 依賴驅動裝置，這無疑會使整套散熱系統(tǒng)的體積增大，功耗提升。也因如此，長期 以來，圍繞液體冷卻中的驅動泵開展研究， 一直是工程師們的重大努力方向。與之 相比，熱管作為一種無外力驅動的基于相變傳熱的冷卻方式，可以達到較之單相流 體更高的熱流轉移通量，因而目前其應用頗為引人矚目。
可以認為，在眾多的高效散熱方法中，熱管技術在性能上表現(xiàn)突出。它以毛細 力作為循環(huán)動力，又以相變(蒸發(fā)與凝結)換熱作為傳熱的主要方式，具有傳熱能 力大、質量輕、溫度控制能力強、傳熱效率高等特點，迄今在許多領域內被競相加 以探索，其在計算機元器件散熱方面的應用正如火如荼。
采用相變傳熱與單相傳熱或導熱相比，所需工質少，熱傳輸量大，因而可減輕 重量。熱管運行的推力來自毛細芯的抽吸力，要使熱管正常工作，必須使毛細壓差 大于流體流動的總壓降，因而如何選擇和制作毛細抽吸力較大的毛細芯是一個關 鍵。但是，當芯片發(fā)熱密度過高時，會導致熱管內部液體全部蒸發(fā)干，從而工質難 以完成正常的循環(huán)輸運，于是會引起燒毀現(xiàn)象發(fā)生，對于超高功率的發(fā)熱元件，熱 管散熱存在工作極限，必須突破其現(xiàn)有熱量及工作流體傳輸?shù)耐緩?。考慮到上述因 素，本發(fā)明提供一種新的熱管方案，可以實現(xiàn)形式更加多樣化且無燒干風險的熱管 散熱器
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種仿生動力驅動型熱管散熱器，特別涉及一種仿照 高大植物利用其葉片表面的水份蒸騰作用驅動樹干內部流體實現(xiàn)遠距離輸運的原 理，以熱管方式完成熱量傳輸?shù)姆律鷦恿︱寗有蜔峁苌崞?，可作為高功率密度?件中的理想散熱機構。其概念新穎，基于葉片表面的水份蒸騰作用驅動流體的輸 運，同時又部分采納了熱管換熱的概念，是液冷與熱管散熱方式的優(yōu)勢結合。本發(fā)明的技術方案如下本發(fā)明提供的仿生動力驅動型熱管散熱器，包括一空心平板基底1;所述空心平板基底1的空心內腔內裝有多孔芯體材料21;分別連接于所述空心平板基底l側端的空心管道體11;所述空心管道體U內腔 中充填有多孔芯體材料或在所述空心管道體11內腔壁上開有微槽道；所述多孔芯體 材料的毛細孔隙和所述的微槽道分別與所述空心平板基底1的空心內腔相通；所述多孔芯體材料的毛細孔隙或所述微槽道內充滿蒸汽或液態(tài)工質15。本發(fā)明提供的仿生動力驅動型散熱裝置，還可進一步包括安裝在所述空心管道 體11或空心平板基底1的外壁上的用于強化傳熱的散熱肋片5。所述的空心平板基底l為鋁、銅、銀或硅材質的空心平板基底。所述的空心管道體11為2-10個。所述多孔芯體材料21為鋁網、銅網、銀網或碳納米管。 所述微槽道的橫截面形狀為正方形、三角形或圓形。 所述多孔芯體材料為碳納米管。 所述散熱肋片5為2到1000枚。所述多孔芯體材料的毛細孔隙或所述微槽道內填充的液態(tài)工質15為純水、酒 精、氨、R134a、水銀或金屬鎵。本發(fā)明所述的散熱裝置中的每一部件既可單獨組成一個散熱器，也可堆疊和焊 接在一起形成平行的順流或逆流換熱器。 本發(fā)明裝置的運行易于理解，沿空心管道體U內壁可設置微槽道，或鋪設一定 多孔芯體材料(如碳納米管)，多孔芯體材料的毛細孔隙中充滿著液態(tài)工質15 (如水、 酒精、氨、R134a、水銀或金屬鎵等)，空心管道體11為液態(tài)工質15的流通通路； 于是，當空心平板基底1接觸熱源時，熱量將通過空心平板基底1傳給多孔芯體材 料及其內充滿的液態(tài)工質15，于是溫度升高后的液態(tài)工質15在多孔芯體材料的自由 表面上的蒸發(fā)將加強；蒸發(fā)空間內的蒸汽壓力可表示為Pl;與此同時，散熱器其他 部位如空心管道體ll表面及肋片5處于自然排熱狀態(tài)，稱為排熱段或凝結段，此段 中的蒸汽飽和壓力用P2表示；于是，在壓差(P1-P2)的作用下，液態(tài)工質15產生的 蒸汽由蒸發(fā)空間表面流動進入到空心管道體11的內腔中，并沿途凝結下來，放出汽 化潛熱。這樣，熱量即通過凝結液、多孔芯體材料和空心管道體11的管壁傳到外界 熱沉中去。蒸汽放出潛熱后凝結成液態(tài)工質液體15，再通過空心管道體11的吸液芯 所具備的毛細力的驅動回流到多孔芯體材料中，由此，即完成一個流動循環(huán)。本發(fā)明的關鍵之處在于引入了仿照葉片(在本發(fā)明中相當于平板基底1中的多 孔芯體材料表面)表面的水份蒸騰作用驅動樹干(在本發(fā)明中指的是平板基底1底 部)內部流體輸運，從而以熱管方式實現(xiàn)熱量傳輸?shù)姆律鷦恿︱寗有蜕嵫b置概 念，在技術內涵上大大豐富了傳統(tǒng)熱管技術及需依賴驅動泵運行的液冷散熱器，綜 合了液體冷卻及熱管散熱的方式，是傳統(tǒng)芯片散熱技術的一個重要拓展。本發(fā)明的優(yōu)點在于首先，采用葉面蒸騰原理的驅動力更大，由此作成的散熱 器傳熱能力比傳統(tǒng)熱管更高，且不易出現(xiàn)燒干現(xiàn)象，是滿足發(fā)熱功率更大的器件的 理想散熱方式。正是由于這些綜合因素，使得本發(fā)明相比于以往的熱管或液冷散熱 器，更能適應今后大功率器件的需要。


附圖1為仿生動力驅動型熱管散熱器的結構示意圖； 附圖2為仿生動力驅動型熱管散熱器的縱截面示意圖；附圖3為仿生動力驅動型熱管散熱器的空心平板基底1的橫截面示意圖； 附圖4為仿生動力驅動型熱管散熱器中傳輸管道11的橫截面示意圖。 具體實施方式
下面結合附圖和具體實施例進一步描述本發(fā)明-附圖l為本發(fā)明的仿生動力驅動型熱管散熱器的結構示意圖，也是本發(fā)明的一 個實施例；附圖2為仿生動力驅動型熱管散熱器的縱截面示意圖；附圖3為仿生動 力驅動型熱管散熱器的空心平板基底1的橫截面示意圖；附圖4為仿生動力驅動型 熱管散熱器的傳輸管道11的橫截面示意圖。由圖可知，本發(fā)明提供的仿生動力驅動 型熱管散熱器，包括一工作時與發(fā)熱面相連的空心平板基底1;所述空心平板基底1的空心內腔內裝 有多孔芯體材料21;分別連接于所述空心平板基底1側端的的空心管道體11;所述空心管道體11內 腔種充填有多孔芯體材料或在所述空心管道體11內腔壁上開有微槽道；所述多孔芯 體材料的毛細孔隙和所述的微槽道分別與所述空心平板基底1的空心內腔相通；所述多孔芯體材料的毛細孔隙或所述微槽道內充滿蒸汽或液態(tài)工質15。本發(fā)明提供的仿生動力驅動型散熱裝置，還可進一步包括安裝在所述空心管道 體11或空心平板基底1的外壁上的用于強化傳熱的散熱肋片5。所述的空心平板基底1為鋁、銅、銀或硅材質的空心平板基底。所述的空心管道體11為2-10個。所述多孔芯體材料21為鋁網、銅網、銀網或碳納米管。 所述微槽道的橫截面形狀為正方形、三角形或圓形。 所述多孔芯體材料為碳納米管。 所述散熱肋片5為2到1000枚。所述多孔芯體材料的毛細孔隙或所述微槽道內填充的液態(tài)工質15為純水、酒 精、氨、R134a、水銀或金屬鎵。空心平板基底1與需要散熱散熱元件發(fā)熱端連接，空心平板基底1可采用金屬 如鋁、銅、銀或半導體材料如硅等制成，空心平板基底1可為帶散熱肋片5的平板 型，長寬高尺寸可在lcmxlcmxlcm到50cmx50cmxlOcm之間，也可為更多形狀； 空心平板基底1內腔中裝有金屬材質的多孔芯體材料21，多孔芯體材料21的孔隙結
點尺寸可在10nm到0.5cm之間，作為工作液體的加熱及蒸發(fā)表面，這類似于高大植 物的葉面蒸騰位置，多孔芯體材料21也可作成樹葉狀或更多結構；空心平板基底1 壁面上下設置有入口及出口，分別與液體傳輸管道體11連接，由此構成循環(huán)通路， 傳輸管道體11高度在10nm到lcm之間，其中所述多孔芯體材料21的絲網格點尺 寸，和設置在傳輸管道體11內壁上的微槽道的直徑可在10nm到0.5cm之間，這樣 可產生顯著的毛細抽吸力，于是易于將蒸發(fā)空間內不斷生成的工作液蒸汽2抽吸到 傳輸管道體11，再輸運到空心平板基底1內的多孔芯體材料；循環(huán)往復，即可完成 熱量的持續(xù)輸運。傳輸通道的橫截面形狀可為正方形、三角形或圓形等。安裝在所 述空心管道體11或空心平板基底1的外壁上的用于強化傳熱的散熱肋片5，用于強 化傳熱；散熱肋片數(shù)目可在2到1000之間；單枚肋片5的長寬高尺寸可在 lOnmxlOnmxlOnm到50cmx50cmxlcm之間，其形狀可多樣化；空心平板基底1上表 面也可采用類似的散熱肋片結構，但并非必須。本發(fā)明提供的散熱器流體的封裝是這樣進行的，在真空室內將各結構組合后， 僅留一開口，作為封裝口，之后對散熱器內部總體抽成真空，完成此過程后，將工 作液體介質沿此封裝口注入到整個系統(tǒng)中，最后再予以封裝，即形成仿生動力驅動 型熱管散熱機構，這一過程完全類似于熱管流體的封裝，是常規(guī)技術，易于實現(xiàn)。 使用本散熱器時，將其基底1貼附于發(fā)熱器件表面，即可實現(xiàn)高效的散熱作用。根 據(jù)需要，整個散熱器的結構及尺寸可加以調整，散熱器各部件所有材料均可采用金 屬如鋁、銅、銀或半導體材料如硅等制成，吸液芯可采用金屬絲網如鋁、銅、銀網 或碳納米管等制成。流體介質也可采用多種工質，如水、酒精、氨、R-134a,甚至 是液態(tài)金屬如水銀等。本發(fā)明提供的熱管散熱器也可通過加工技術直接制做在待散 熱的器件表面上。附圖1所示的僅是本發(fā)明提供的一種仿生動力驅動型熱管散熱器，空心平板基 底1的兩側端帶有傳輸管道體11。實際上，本發(fā)明裝置的結構并不限于此。比如， 空心平板基底1四周壁上均可開設管道口，用于連接更多的傳輸管道體，而且，管 道體形狀并非單一的平板形，可根據(jù)應用場合設置更多靈活的管路方案；空心平板
基底1內部多孔芯體材料的形狀也不限于此，比如多孔芯體材料21也可作成樹葉狀 或更多結構。本發(fā)明提供的仿生動力驅動型熱管散熱器在驅動方式上與傳統(tǒng)液冷及熱管有顯 著區(qū)別。其管道類似于傳統(tǒng)的液體循環(huán)通道，但管路中不設驅動泵，而在蒸發(fā)界面 及熱管結構布置上又與傳統(tǒng)熱管有明顯差別，實際上是液冷與熱管散熱的結合技 術，綜合了兩大類技術的優(yōu)勢。本發(fā)明的仿生動力驅動型熱管散熱器具有很多優(yōu)點，首先，采用葉面蒸騰原理 的驅動力更大，由此作成的散熱器傳熱能力比傳統(tǒng)熱管更高，且不易出現(xiàn)燒干現(xiàn) 象，是滿足發(fā)熱功率更大的器件的理想散熱方式。正是由于這些綜合因素，使得本 發(fā)明相比于以往的熱管或液冷散熱器，更能適應今后大功率器件的需要。本發(fā)明的仿生動力驅動型熱管散熱器可方便地用于將器件產生的熱量從其表面 導走。以實施例1為例，使用本發(fā)明專利的方式如下將本平板式熱管緊貼于器件 表面，二者之間的接觸面采用高導熱率油脂以增加傳熱效果；并且可根據(jù)待散熱表 面面積大小，選擇不同大小的散熱器即可。于是，器件內產生的熱量即可由多孔芯 體材料表面?zhèn)鬏數(shù)街車墓艿辣谏?，直至釋放到外環(huán)境中，從而維護器件的正常工 作。
權利要求
1. 一種仿生動力驅動型熱管散熱器，包括一空心平板基底(1)；所述空心平板基底(1)的空心內腔內裝有多孔芯體材料(21)；分別連接于所述空心平板基底(1)側端的的空心管道體(11)；所述空心管道體(11)內腔種充填有多孔芯體材料或在所述空心管道體(11)內腔壁上開有微槽道；所述多孔芯體材料的毛細孔隙和所述的微槽道分別與所述空心平板基底(1)的空心內腔相通；所述多孔芯體材料的毛細孔隙或所述微槽道內充滿蒸汽或液態(tài)工質(15)。
2、 按權利要求1所述的仿生動力驅動型熱管散熱器，其特征在于，還進一步包 括安裝在所述空心管道體(U)或空心平板基底(1)的外壁上的用于強化傳熱的散 熱肋片(5)。
3、 按權利要求1或2所述的仿生動力驅動型熱管散熱器，其特征在于，所述的 空心平板基底(1)為鋁、銅、銀或硅材質的空心平板基底。
4、 按權利要求l或2所述的仿生動力驅動型熱管散熱器，其特征在于，所述的 空心管道體(11)為2-10個。
5、 按權利要求l或2所述的仿生動力驅動型熱管散熱器，其特征在于，所述多 孔芯體材料(21)為鋁網、銅網、銀網或碳納米管。
6、 按權利要求l或2所述的仿生動力驅動型熱管散熱器，其特征在于，所述微 槽道的橫截面形狀為正方形、三角形或圓形。
7、 按權利要求1或2所述的仿生動力驅動型熱管散熱器，所述多孔芯體材料 為碳納米管。
8、 按權利要求l或2所述的仿生動力驅動型熱管散熱器，其特征在于，所述散 熱肋片(5)為2至lJ 1000枚。
9、按權利要求1或2所述的仿生動力驅動型熱管散熱器，其特征在于'所述多 孔芯體材料的毛細孔隙或所述微槽道內填充的液態(tài)工質(15)為純水、酒精、氨、 R134a、水銀或金屬鎵。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種仿生動力驅動型熱管散熱器，包括其空心內腔內裝有多孔芯體材料的空心平板基底；分別連接于空心平板基底側端的的空心管道體；空心管道體內腔種充填有多孔芯體材料或在所述空心管道體內腔壁上開有微槽道；多孔芯體材料的毛細孔隙和所述的微槽道分別與空心平板基底的空心內腔相通；多孔芯體材料的毛細孔隙或所述微槽道內充滿蒸汽或液態(tài)工質；本發(fā)明的仿生動力驅動型熱管散熱器仿照高大植物利用其葉片表面的水份蒸騰作用驅動樹干內部實現(xiàn)遠距離流體輸運的原理，以熱管方式實現(xiàn)熱量傳輸，可作為高功率密度光電器件的理想散熱機構；使用時將其貼附于電子器件發(fā)熱端，即可實現(xiàn)高效散熱。
文檔編號F28D15/04GK101210785SQ20061017151
公開日2008年7月2日 申請日期2006年12月30日 優(yōu)先權日2006年12月30日
發(fā)明者靜 劉, 劍 肖 申請人:中國科學院理化技術研究所