專(zhuān)利名稱(chēng)：提高液汽相散熱裝置內(nèi)部工作流體的流動(dòng)性質(zhì)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制作液汽相散熱裝置的方法，特別涉及一種提高液汽相散熱裝置內(nèi)部工作流體的流動(dòng)性質(zhì)的方法。
背景技術(shù)：
為滿(mǎn)足高性能、高效率的要求，電子元件的操作頻率不斷提高，因而造成發(fā)熱量日益增加，同時(shí)科技的提高使得電子產(chǎn)品更加輕薄短小，而體積的縮減使得單位體積所包括的電子元件數(shù)目相對(duì)增加，因而造成高熱通密度，而電子元件的操作溫度又與其可靠度、壽命等息息相關(guān)，因此，如何有效地提高散熱成了一個(gè)關(guān)鍵性的問(wèn)題，尤其是應(yīng)用于體積受限的筆記型計(jì)算機(jī)等電子外圍產(chǎn)品的領(lǐng)域更是如此。
因電子元件效能設(shè)計(jì)的不同，使得在電子產(chǎn)品各處的熱通量分布不均，并且由于局部溫度不同會(huì)在表面上形成所謂的熱點(diǎn)(hotspot)，為解決該問(wèn)題，開(kāi)發(fā)出了一種具有毛細(xì)結(jié)構(gòu)的均熱裝置，如一般所稱(chēng)的熱管(Heat pipe)，其動(dòng)作原理是在一密閉的容器中注入易揮發(fā)的工作流體如水或酒精等，或是在該密閉容器內(nèi)形成一低壓的狀態(tài)，并且在其內(nèi)部設(shè)置毛細(xì)結(jié)構(gòu)，工作流體在受熱側(cè)吸收熱能后轉(zhuǎn)換為汽相，汽相的工作流體在較低溫度的一側(cè)再凝結(jié)為液態(tài)，通過(guò)汽液相轉(zhuǎn)換過(guò)程的高潛熱效應(yīng)將熱量排出，并凝結(jié)成液態(tài)的工作流體，再通過(guò)毛細(xì)結(jié)構(gòu)流回受熱側(cè)，這樣形成一種循環(huán)的散熱操作。
請(qǐng)參閱圖1，為現(xiàn)有技術(shù)的液汽相散熱裝置的斷面結(jié)構(gòu)圖，其為一金屬密閉腔體10，內(nèi)有一毛細(xì)結(jié)構(gòu)層11；金屬密閉腔體10的受熱端(蒸發(fā)端)為12、冷端(冷凝端)為13；金屬密閉腔體10內(nèi)含工作流體，工作流體可為純水、氨水、甲醇、乙醇、和丙酮中任一種流動(dòng)性高且蒸發(fā)時(shí)會(huì)吸收大量熱量的流體；其散熱原理是由工作流體將電子元件產(chǎn)生的熱能如圖1中箭頭所示方向傳送，由受熱端12將熱量傳送至冷端13，利用金屬密閉腔體10內(nèi)的毛細(xì)結(jié)構(gòu)層11進(jìn)行蒸發(fā)、冷凝的循環(huán)。
目前，具有毛細(xì)結(jié)構(gòu)的均熱裝置中，毛細(xì)結(jié)構(gòu)雖可提供液體的流動(dòng)性，但其毛細(xì)拉力與表面的接觸及材質(zhì)的表現(xiàn)性質(zhì)有關(guān)，以水為例，對(duì)于較具親水性的表面，其表面接觸角較小且具有較佳的流動(dòng)性，因此，所能提供的毛細(xì)拉力及液體補(bǔ)充回流的性能也較好。
對(duì)于一般液汽相散熱裝置而言，以采用水為工作流體為例，由于裝置本身所采用的材料需具有較佳的熱傳導(dǎo)系數(shù)才能使散熱效果較佳，而目前主要以銅或鋁等具有較佳熱傳能力的金屬為基材，但銅因易于與空氣產(chǎn)生氧化銅，鋁則生成氧化鋁，而造成裝置毛細(xì)結(jié)構(gòu)的內(nèi)壁與水的接觸角過(guò)大，使水的流動(dòng)性相對(duì)降低，因此降低了散熱效能；而若以其它方式來(lái)提高毛細(xì)拉力，如改變毛細(xì)結(jié)構(gòu)的尺寸或清除表面雜質(zhì)等，因改變毛細(xì)結(jié)構(gòu)的尺寸所需的制造技術(shù)及花費(fèi)的成本較高，且即便毛細(xì)結(jié)構(gòu)的尺寸達(dá)到所需的大小，使毛細(xì)表面與水的接觸角度變小，但由于毛細(xì)結(jié)構(gòu)的表面基材性質(zhì)仍未改善，因此并沒(méi)有徹底改善工作流體的流動(dòng)性質(zhì)。
現(xiàn)今在制造熱管等內(nèi)含工作流體的均熱裝置時(shí)，若選用銅為熱管的材質(zhì)，其步驟需將銅管先清洗，以減少雜質(zhì)的污染，進(jìn)而確保其效能，然而一般清洗步驟往往需耗費(fèi)大量人力，且若以相關(guān)化學(xué)藥劑清洗，如使用酸洗或有機(jī)溶劑等清洗時(shí)，不但增加其成本，而且還會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，最重要的是，其清洗后防氧化能力不好，一旦氧化后，工作流體的流動(dòng)性就會(huì)再度降低。
現(xiàn)有技術(shù)的具有毛細(xì)結(jié)構(gòu)的散熱元件，在導(dǎo)流的毛細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，除了毛細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的尺寸和排列外，其對(duì)于毛細(xì)結(jié)構(gòu)的表面性質(zhì)并無(wú)顯著提高，如2000年12月12日公告的美國(guó)專(zhuān)利第6,158,502號(hào)及2001年1月2日公告的美國(guó)專(zhuān)利第6,167,948號(hào)。
中國(guó)臺(tái)灣專(zhuān)利披露了多種具有毛細(xì)結(jié)構(gòu)的散熱裝置，如2003年11月21日公告的中國(guó)臺(tái)灣專(zhuān)利第563016號(hào)，其披露了一種制造熱流導(dǎo)管的方法；另外如2003年4月11日公告的中國(guó)臺(tái)灣專(zhuān)利第528151號(hào)，則是將單層毛細(xì)結(jié)構(gòu)改為雙層毛細(xì)結(jié)構(gòu)；還有一件如2002年9月1日公告的中國(guó)臺(tái)灣專(zhuān)利第501722號(hào)，其只說(shuō)明以不同形式的銅網(wǎng)組合其毛細(xì)結(jié)構(gòu)；以上已公開(kāi)的專(zhuān)利技術(shù)中均沒(méi)有提到如何改善工作流體與毛細(xì)結(jié)構(gòu)表面的接觸性質(zhì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于提高液汽相散熱裝置內(nèi)部工作流體的流動(dòng)性質(zhì)，進(jìn)而提高散熱裝置的散熱能力。
為達(dá)到該目的，本發(fā)明通過(guò)表面改質(zhì)的方式對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的液汽相散熱裝置進(jìn)行改進(jìn)，主要是在裝置內(nèi)的毛細(xì)結(jié)構(gòu)表面覆蓋(coating)一層材料，覆蓋方式可為濺鍍(sputting)、鍍(plating)、電鍍(electroplating)、電鑄(electronform)、氣相沉積(CVD)等，覆蓋的材料可為銅、鐵、鋅、鋁、鎳、和鉻中的任一種，使工作流體與毛細(xì)結(jié)構(gòu)表面的接觸角較現(xiàn)有技術(shù)小，因此工作流體與密閉腔體內(nèi)的毛細(xì)結(jié)構(gòu)有較佳的結(jié)合力，從而使流體的流動(dòng)性更佳，進(jìn)而使散熱的效果更好。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)的液汽相散熱裝置的斷面結(jié)構(gòu)圖；圖2為根據(jù)本發(fā)明的液汽相散熱裝置的斷面結(jié)構(gòu)圖；圖3為現(xiàn)有技術(shù)的液汽相散熱裝置未清洗毛細(xì)結(jié)構(gòu)層的表面時(shí)，水和毛細(xì)結(jié)構(gòu)層接觸角的圖形；圖4為現(xiàn)有技術(shù)的液汽相散熱裝置清洗毛細(xì)結(jié)構(gòu)層的表面后，水和毛細(xì)結(jié)構(gòu)層接觸角的圖形；圖5為根據(jù)本發(fā)明在毛細(xì)結(jié)構(gòu)層的表面覆蓋一層鎳后，水和毛細(xì)結(jié)構(gòu)層接觸角的圖形；圖6為工作流體的接觸角與散熱效能的關(guān)系圖；以及圖7為覆蓋鎳層的厚度對(duì)毛細(xì)結(jié)構(gòu)層熱傳值影響的關(guān)系圖。
具體實(shí)施例方式
有關(guān)本發(fā)明的詳細(xì)技術(shù)內(nèi)容及較佳實(shí)施方式，現(xiàn)結(jié)合

如下。
請(qǐng)參閱圖2，為根據(jù)本發(fā)明的液汽相散熱裝置的斷面結(jié)構(gòu)圖，其為一金屬密閉腔體20，內(nèi)含毛細(xì)結(jié)構(gòu)層21，并在毛細(xì)結(jié)構(gòu)層21的表面上覆蓋一層親水層24，覆蓋的方式可為濺鍍、鍍、電鍍、電鑄、氣相沉積等，但并不限于上述方式；該親水層24的材料可為鐵、鋅、鋁、鎳、和鉻中的任一種；金屬密閉腔體20的受熱端(蒸發(fā)端)為22、冷端(冷凝端)為23；金屬密閉腔體20內(nèi)含工作流體，工作流體可為純水、氨水、甲醇、乙醇、和丙酮中任一種流動(dòng)性高且蒸發(fā)時(shí)會(huì)吸收大量熱量的流體；其散熱原理是由工作流體將電子元件產(chǎn)生的熱能如圖2中箭頭所示方向傳送，由受熱端22將熱量傳送至冷端23，利用金屬密閉腔體20內(nèi)的毛細(xì)結(jié)構(gòu)層21進(jìn)行蒸發(fā)、冷凝的循環(huán)。
在現(xiàn)有的液汽相散熱裝置中，以銅為基材、水為工作流體，若未清洗毛細(xì)結(jié)構(gòu)層21的表面，則水和毛細(xì)結(jié)構(gòu)層21的表面接觸角如圖3所示近似90°；若進(jìn)行清洗后，則接觸角如圖4所示，減少至大約37°。
本發(fā)明的方法如圖5所示，在毛細(xì)結(jié)構(gòu)層21的表面50上覆蓋一層鎳，厚度介于5nm及10μm之間；覆蓋后，水和親水層24的接觸角度僅大約為27°，與圖3及圖4中水和毛細(xì)結(jié)構(gòu)層21的接觸角相比較為三者中最低的，而接觸角減低后，可增加水的流動(dòng)性，提高毛細(xì)拉力，使水能帶走的熱量提高，增進(jìn)散熱的效能。
請(qǐng)?jiān)賲㈤?，為工作流體的接觸角與散熱效能的關(guān)系圖，以采用鎳為親水層24、工作流體為水為例，當(dāng)散熱裝置的材料為銅時(shí)，若未清洗毛細(xì)結(jié)構(gòu)層21的表面，對(duì)應(yīng)圖形中的坐標(biāo)位置為60，散熱效能最差，與水的接觸角最大；當(dāng)毛細(xì)結(jié)構(gòu)層21的表面進(jìn)行清洗后，對(duì)應(yīng)圖形中的坐標(biāo)位置則為61，與水的接觸角降低，散熱效能也提高；當(dāng)采用本發(fā)明的設(shè)計(jì)后，在銅片的毛細(xì)結(jié)構(gòu)層21的表面上增加一覆蓋薄層鎳時(shí)，對(duì)應(yīng)圖形中的坐標(biāo)位置為62，水與毛細(xì)結(jié)構(gòu)層21的接觸角度為三者中最小的，散熱效能也最佳。
由于本發(fā)明需在散熱裝置的毛細(xì)結(jié)構(gòu)層21的表面上覆蓋一層材料，若親水層24的材料以鎳、散熱裝置本身的材料為銅，因銅的毛細(xì)結(jié)構(gòu)層21的熱傳值比鎳好，覆蓋一層鎳后會(huì)使毛細(xì)結(jié)構(gòu)層21的表面熱傳值下降，但因本發(fā)明所覆蓋的厚度僅為幾個(gè)nm或幾個(gè)μm，因此造成的影響并不大；請(qǐng)參閱圖7，為覆蓋鎳層的厚度與毛細(xì)結(jié)構(gòu)層熱傳值的關(guān)系圖，當(dāng)未覆蓋鎳層時(shí)，毛細(xì)結(jié)構(gòu)層21的熱傳值較高，對(duì)應(yīng)圖形中的坐標(biāo)位置為70，而當(dāng)覆蓋僅僅幾個(gè)μm的鎳層后，毛細(xì)結(jié)構(gòu)層21的熱傳值略為下降，對(duì)應(yīng)圖中的坐標(biāo)位置為71，熱傳值的下降僅有約2.54％。
以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包括在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種提高液汽相散熱裝置內(nèi)部工作流體的流動(dòng)性質(zhì)的方法，應(yīng)用于一種在一金屬密閉腔體(20)內(nèi)包括毛細(xì)結(jié)構(gòu)層(21)和工作流體的液汽相散熱裝置；其特征在于在所述液汽相散熱裝置內(nèi)的所述毛細(xì)結(jié)構(gòu)層(21)上形成一親水層(24)，所述親水層(24)由一種可降低所述工作流體與毛細(xì)結(jié)構(gòu)層(21)表面的接觸角的材料構(gòu)成，使所述工作流體與毛細(xì)結(jié)構(gòu)層(21)具有良好的結(jié)合力，以增進(jìn)工作流體在所述毛細(xì)結(jié)構(gòu)層(21)表面的流動(dòng)性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高液汽相散熱裝置內(nèi)部工作流體的流動(dòng)性質(zhì)的方法，其特征在于所述親水層(24)僅覆蓋于毛細(xì)結(jié)構(gòu)層(21)的表面上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高液汽相散熱裝置內(nèi)部工作流體的流動(dòng)性質(zhì)的方法，其特征在于形成所述親水層(24)的方法是利用濺鍍法將所述材料形成于所述毛細(xì)結(jié)構(gòu)層(21)的表面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高液汽相散熱裝置內(nèi)部工作流體的流動(dòng)性質(zhì)的方法，其特征在于形成所述親水層(24)的方法是利用鍍的方式將所述材料形成于所述毛細(xì)結(jié)構(gòu)層(21)的表面。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高液汽相散熱裝置內(nèi)部工作流體的流動(dòng)性質(zhì)的方法，其特征在于形成所述親水層(24)的方法是利用電鍍法將該材料形成于所述毛細(xì)結(jié)構(gòu)層(21)的表面。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高液汽相散熱裝置內(nèi)部工作流體的流動(dòng)性質(zhì)的方法，其特征在于形成所述親水層(24)的方法是利用電鑄法將所述材料形成于所述毛細(xì)結(jié)構(gòu)層(21)的表面。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高液汽相散熱裝置內(nèi)部工作流體的流動(dòng)性質(zhì)的方法，其特征在于形成所述親水層(24)的方法是利用氣相沉積法將所述材料形成于所述毛細(xì)結(jié)構(gòu)層(21)的表面。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高液汽相散熱裝置內(nèi)部工作流體的流動(dòng)性質(zhì)的方法，其特征在于所述親水層(24)的厚度介于10μm和5nm之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高液汽相散熱裝置內(nèi)部工作流體的流動(dòng)性質(zhì)的方法，其特征在于所述親水層(24)的材料選自由鐵、鋅、鋁、鎳、和鉻所組成的群組中的任一種。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種提高液汽相散熱裝置內(nèi)部工作流體的流動(dòng)性質(zhì)的方法，該方法可應(yīng)用于液汽相散熱裝置中以提高內(nèi)部工作流體的流動(dòng)性質(zhì)，進(jìn)而提高該散熱裝置的散熱能力；本發(fā)明通過(guò)在裝置內(nèi)的毛細(xì)結(jié)構(gòu)表面上覆蓋一層可增加工作流體與毛細(xì)結(jié)構(gòu)的結(jié)合力的表面改質(zhì)材料，使工作流體和毛細(xì)結(jié)構(gòu)的接觸角變小，工作流體因而具有較高的流動(dòng)性，以解決液汽相散熱裝置的高熱通密度的問(wèn)題以增加散熱效能；本方法不僅可應(yīng)用于有限空間下的發(fā)熱電子元件，還可應(yīng)用于其它需保持恒溫的電子元件。
文檔編號(hào)G12B15/00GK1705043SQ20041004285
公開(kāi)日2005年12月7日 申請(qǐng)日期2004年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月26日
發(fā)明者葉嵐凱, 林哲瑋, 林紹文, 徐金城, 蔡明杰 申請(qǐng)人:財(cái)團(tuán)法人工業(yè)技術(shù)研究院