技术领域

本实用新型涉及一种微型热管，特别涉及一种带纳米芯体的微型热管。

                           背景技术

近年来自然科学和工程技术发展的一个重要趋势是朝微型化发展，人们的注意力 逐渐从宏观物体转向那些发生在小尺度和/或快速过程中的现象及器件上，其中，微 电子机械系统尤其取得了巨大成功并正被拓展应用于各种工业过程，这类系统指的 是那些特征尺寸在1毫米以下但又大于1微米的器件，它集电子与机械元件于一 身，并且可通过集成电路制造中所采用的批量加工方法制成。纳米器件则进一步推 进了微电子机械系统的小型化。由于现代制造与应用技术的持续进展，“微机械” 或“纳机械”的尺寸正以超乎寻常的速度降低，而同时其性能却得到了保持甚至更 好，各种令人惊讶的成就比肩接踵。然而，在几乎所有的微/纳电子器件中都存在如 何散热的问题。比如，随着微/纳电子工业的发展，个人计算机、工作站、掌上电脑 等如雨后春笋般涌现，在这些产品中，无一例外地要用对流空气来冷却发热器件， 其对高密度热量输运的要求常常成为极富挑战性的课题。冷却微小系统的困难在 于：首先，冷却空气速率不能太高，否则声学噪音太大；其次，器件结构紧凑性要 求仅允许保留有限的冷却流体空间；第三，模块上应尽量避免安装大表面热沉。所 以，发展高性能的紧凑式散热装置十分重要。此外，近年来世界各航天大国均加大 了对各大、小及微型卫星的研制力度，整个卫星发展趋势是朝功能复杂化和先进化 迈进，它们集中体现为星载电子元器件密集度的日益增长，与此同时，其产热强度 也越来越高，同样成为制约卫星技术发展的瓶颈。所以，上述这些问题都提出了发 展紧凑型高功率密度散热器件的重要性，而体积小、重量轻、效率高正是其中最重 要的指标之一。

在众多高效散热技术中，热管技术在性能上体现得尤为卓越。它以毛细力作为 循环动力，又以相变(蒸发与凝结)换热作为传热的主要方式，具有传热能力大、 质量轻、温度控制能力强、传热效率高等特点，迄今在航天领域内已被竞相加以探 索，其在计算机元器件散热方面的应用也引人瞩目。热管主要由毛细管体(主要分为 蒸发段、绝热段和冷凝段三部分)、毛细芯、流体介质等组成，其基本工作原理是： 外部热负荷加于蒸发段，内部工质受热蒸发，产生的蒸汽传到冷凝段凝结成液体， 释放从蒸发器吸收的热量，并将热量传至冷凝端外部，冷凝端内凝结的液体通过毛 细芯抽吸回热端。这样，工质在热管中不断循环流动，并以相变潜热的方式将热量 持续地输运出去。

采用相变传热与单相传热或导热相比，所需工质少，热传输量大，因而可减轻 重量。热管运行的推力来自毛细芯的抽吸力，要使热管正常工作，必须使毛细压差 大于流体流动的总压降，因而如何选择和制作毛细抽吸力较大的毛细芯是一个关 键。

                          发明内容

本实用新型的目的在于：提供一种以纳米管或纳米多孔材料为芯体的微型热 管，该热管为一种由纳米管中孔隙及其阵列间孔隙构成超微流体通道的以热管方式 实现热量传输高效散热的带纳米芯体的微型热管，可作为发热元器件的理想散热装 置。

本实用新型的实施方案如下：

本实用新型提供的带纳米芯体的微型热管，包括：热面基底1、微孔管道11、纳 米芯体3、工作介质2、15及冷端封装片16，其特征在于，纳米芯体3固着在微孔 管道11内壁面上，热面基底1和冷端封装片16分别封装在微孔管道11的两端，以 构成微型热管的热端和冷端，工作介质2封装在纳米芯体3内腔中，流体介质15封 装在微孔管道11内的孔道或纳米芯体3孔隙中；所述纳米芯体3由纳米/微米管材或 纳米/微米多孔材料制作；所述纳米芯体3为纳米/微米碳或纳米/微米金属管材制作； 所述纳米芯体3为纳米/微米多孔金属或纳米/微米非金属颗粒材料制作；所述微型热 管内径为2厘米到10纳米，且纳米芯体3的横截面为正方形、三角形或圆形，其 冷、热端距离为1厘米到10纳米；所述热面基底1为金属或半导体硅基底，其厚度 为1厘米到1微米；所述封装片16为金属或半导体硅封装片，其厚度为1厘米到1 微米；所述流体介质2为工作液纯水或氨水；所述流体介质15为工作液纯水或氨 水；本实用新型的带纳米芯体的微型热管可为组合成平片型、弧型或圆管型的微型 热管组合，其传热方向由热面基底1至冷端封装片16。

首先纳米芯体3制作在微孔管道11的内壁上，之后将流体介质15注入微孔管 道11及纳米芯体3间孔隙中，最后将热面基底1和冷端封装片16分别封装在微孔管 道11两端，再将流体介质2注入纳米芯体3中，即形成本实用新型的带纳米芯体的 微型热管，将其贴附于发热元器件表面，可实现热量的高效传输。根据需要，整个 带纳米芯体的微型热管尺寸可根据需要加以调整；其中纳米芯体3材料除采用最常 见的碳纳米管外，也可采用金属(如Au)纳米管，可根据需要组成纳米阵列结构，比 如碳纳米管已可实现定向生长，且达到超长量级(毫米级)，并在今后还会得到继续提 高，这使得本实用新型易于实现；流体介质可采用与基底相容的工质，如氨、R- 134a等。

本实用新型中纳米芯体3的微孔或槽直径在10nm到103μm之间；可制作在硅、 金属或其它材料的薄片上，每一薄片既可单独组成一个换热器，也可堆叠和焊接在 一起形成平行的顺流或逆流换热器。

本实用新型的关键之处在于纳米芯体3，具有良好的力学、电学、磁学性能，也 是目前世界上最好的导热材料，其内热量通过超声波传递，即使将纳米管捆在一 起，热量也不会从一个碳纳米管传到另一个碳纳米管，这说明纳米管只能沿一维方 向传递热能。该特性可以很好地用于热管内的单向导热。而且，纳米管极小的尺寸 使得其表面对液体的毛细抽吸力极高，从而大大促进微管内的液体流动，是理想的 热管芯体材料。

目前，纳米技术的发展日新月异，但实用化技术仍较少，结合先进的微/纳米技 术实现某些重要应用是人们追求的目标。本实用新型提供的带纳米芯体的微型热管 可为此找到一个切入点。

                          附图说明

附图1为本实用新型的原理及结构示意图；

附图2为图1的纵剖面图；

其中：热面基底11              流体介质2        肋片5

      纳米芯体3               真空泵8          微孔管道11

      流体介质15              封装片16         热管封装件18

      热管连接件19            真空室20

                          实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步描述本实用新型： 由图1和图2可知，本实用新型提供的带纳米芯体的微型热管，包括：热面基底1、 微孔管道11、纳米芯体3、工作介质2、15及冷端封装片16，其特征在于，纳米芯 体3固着在微孔管道11内壁面上，热面基底1和冷端封装片16分别封装在微孔管道 11的两端，以构成微型热管的热端和冷端，工作介质2封装在纳米芯体3内腔中， 流体介质15封装在微孔管道11内的孔道或纳米芯体3孔隙中；所述纳米芯体3由纳 米/微米管材或纳米/微米多孔材料制作；所述纳米芯体3为纳米/微米碳或纳米/微米 金属管材制作；所述纳米芯体3为纳米/微米多孔金属或纳米/微米非金属颗粒材料制 作；所述微型热管内径为2厘米到10纳米，且纳米芯体3的横截面为正方形、三角 形或圆形，其冷、热端距离为1厘米到10纳米；所述热面基底1为金属或半导体硅 基底，其厚度为1厘米到1微米；所述封装片16为金属或半导体硅封装片，其厚度 为1厘米到1微米；所述流体介质2为工作液纯水或氨水；所述流体介质15为工作 液纯水或氨水；本实用新型的带纳米芯体的微型热管可为组合成平片型、弧型或圆 管型的微型热管组合，其传热方向由热面基底1至冷端封装片16。

图1为本实用新型提供的原理和结构示意图，也是本实用新型的一个实施例；整 套机构可为平片型，也可为其他形状(见图14-16)；将其热面基底1贴附于一定发 热元器件表面，可实现高效的散热作用；可根据需要，整个散热结构的尺寸可加以 调整。本实用新型提供的热管芯体3材料除采用目前比较常见的碳纳米管外，也可 采用金属(如Au)型纳米管。目前，可根据需要加以组装成纳米结构阵列，并实现多 种形式的组合(张立德，牟季美，纳米材料和纳米结构，北京：科学出版社，2001)， 比如碳纳米管已可实现定向生长，且已达到超长程度(毫米级)，并在今后还有望得到 提高，这使得本实用新型易于实现。流体介质也可采用多种工质，如氨、R-134a 等。本实用新型提供的微型热管也可通过微加工技术直接制做在待散热件的表面 上。

本实用新型提供的带纳米芯体的微型热管在实施上与传统热管类似，但在芯体 材料的选择上则有实质性差别。其外层为密封壳体(图1)，沿微孔管道11内壁铺 设有一定厚度的纳米芯体3(如碳纳米管)，在纳米芯体3的毛细孔隙中充满着流体介 质15(如水)，微孔管道11中心空间则为蒸汽2通路，当热管基底1连接热源时，热 量将通过热管基底1的管壁传给纳米芯体3及其内所充满的流体介质15，于是温度 升高后的流体介质15在纳米芯体3的表面上的蒸发将加强，热管的这一部分称为加 热段或蒸发端，此处蒸汽压力为P1；与此同时，热管的另一端(即冷端封装片16 端)与热沉连接或处于自然排热状态，称为排热段或凝结段，此段中的蒸汽饱和压 力为P2表示；于是，在压差(P1-P2)的作用下，蒸汽2由蒸发段流动到凝结段，并在 那里凝结下来，放出汽化潜热；这样，热量即通过流体介质15、纳米芯体3和管壁 传到外界热沉中去；蒸汽放出潜热后凝结成液体，再通过纳米管芯3毛细力的驱动 回流到蒸发段，由此，即完成一个流动循环。

本实用新型所提供的一种热管形式的具体制作方式如下：

1.微孔加工：若要求所制成的热管尺寸尽可能小(如微孔管道11的内径在数十 微米量级)，则需采用一些微/纳米加工技术如LIGA技术、激光打孔等在热面基底 1(可为金属如铝或半导体硅等)上加工出一系列有一定深宽比的微型槽或孔道，如图 4-1所示；若热管尺寸在毫米到厘米量级，则该孔道可用常规方法如电加工制作；

2.纳米芯体3：对于尺寸较大孔道的微孔管道11，取一定量图3-1至图3-3所 示的碳纳米管(其制作已有现成方法，可参见[张立德，牟季美，纳米材料和纳米结 构，北京：科学出版社，2001]，将其平行地填充到微孔管道11的内壁上(其具体形 状见图4-2)，由于碳纳米管导热方向主要沿其轴向进行，由此即可最大限度地确保 热量传输方向垂直于热面基底1；上述材料铺设完毕后，采用一定方法使纳米芯体3 并粘附在微孔管道11的内壁上，于是碳纳米管内及纳米管簇之间的空隙即形成流体 介质15的回流通道，而其同样作为液体逸出的表面；对于极微小孔道的微孔管道 11，其制作方法如下，首先在热面基底1上等间距地沉积上微小的肋5充当微孔管 道11的两壁(见图4-1)，再在热面基底1及肋片5壁上敷设并粘附纳米管或纳米多 孔材料(见图4-2)，之后，将热管封装件18盖在肋片5上(见图4-3)，经高温融化 后，即形成内部充填有纳米材料的微孔管道11；在上述充填过程中，纳米芯体3与 微孔管道11管壁之间的结合可采用在微孔管道11内壁上预先涂附一定的化学制 剂，以将二者粘合在一起，这在各种化工领域是成熟技术，不难实现；此后，将上 述已形成图4-3所示的结构的一端用热面基底1封装，另一端暂时不封闭，以便充填 流体液；

3.液体介质15的填充：将上述半封闭结构置于真空室20内(图5)，进行抽 真空，以尽量除去微孔管道11内及驻留在钠米芯体3内的空气，从而提高热管工作 效率；并且，为最大限度地去除空气，还可从热面基底1处进行烘烤加热，使残留 气体逸出，并通过真空机8抽走；此后，将待填充的流体工质15加入到真空室20 内，并对之进行加热，于是，液体介质15变为蒸汽，经过一定时间后，随着压力的 升高，真空室内的液体介质15的蒸汽即进入微孔管道11及钠米芯体3的孔道中， 根据需要，调整真空室内的温度及压力，则可改变进入微孔管道11及钠米芯体3中 的液体介质15蒸汽的量；经此处理后，在真空室20内将冷端封装片16对接于如图 4-3所示结构的另一端，采用高温或扩散焊的办法即可将其封装成一体；之后，将其 从真空室20内取出，在室温下冷却一定时间后，其流体工质蒸汽即变为液体，从而 即制成一种本实用新型的带钠米芯体的微型热管；

4.热管内孔形状的选定：一般来说，由于本实用新型的带钠米芯体的微型热 管中流体流动的驱动力来自纳米管或纳米多孔体内的孔隙，由于该结构具有极高的 比表面积，因而所提供的表面张力可显著驱动流体在管内流动，对热管内孔形状的 要求也就不像以往微型热管中所必须依赖的通过角接处缝隙的表面张力来完成，因 而采用如图9-图13所示的几类横截面形状均可；

5.热管组装件形式：根据待散热表面的要求，本实用新型提供的热管组装件可 作成多种形式，如图14-16所示，即整个热管结构既可为一个平片结构(图14)， 也可是若干个平片的组合(见图15)，其间采用连接件19(如金属件)连接；也可 呈弧状(图16)，适合于多种表面的散热。而且，该散热热管平片上端还可与多种 散热肋片配合使用，由此即将热量相当有效地散发出去。

为达到较好的散热效果，一般用作本实用新型的流体介质应满足如下要求：不 爆炸，无毒，对所接触材料不起腐蚀作用及化学作用，高温下不分解；便于获得； 具有一定的热稳定性；比热要大，因而在传递一定的热量时，可使流量小；流体介 质应与结构材料相容，所选流体介质应不能造成对热管系统部件产生腐蚀和锈化等 影响使用寿命的不利因素，此外，工质还应具有较大的汽化潜热和较小的粘性系 数。

本实用新型具有很多优点，首先，基于碳纳米管(颗粒)制成的微型热管厚度可 以非常小，如在1mm以下，而传热能力则相当高，由于碳纳米管内传热主要在其轴 向进行，因而方向性好从而效率较高；而且，由此制成的热管还易于弯曲，因而适 用面更宽；整个热管内循环过程是封闭的，可选择工质流体种类受限制较少。正是 由于这些综合因素，使得本实用新型相比于以往的微型热管，结构更为紧凑，重量 更轻。

本实用新型热管可方便地用于将器件产生的热量从其表面导走，将其紧贴于器 件表面，二者之间的接触面采用高导热率油脂以增加传热效果；并且可根据待散热 表面面积大小，选择不同大小的热管型微型散热片即可；于是，器件内产生的热量 即可由热管传输到另一侧，从而维护器件的正常工作。