一种重力式传热器及其制备方法

摘要

本发明涉及一种重力式传热器及其制备方法。所述重力式传热器包括传热器本体和液体工质，所述传热器本体包括传热器壳体和疏离层，所述疏离层覆盖于传热器壳体的内壁；其制备方法步骤为：制造传热器壳体，所述传热器壳体两端开口；对传热器壳体的内表面进行表面处理降低表面能；将经过表面处理的传热器壳体通过焊接封边，且在传热器壳体的任一位置预留注液孔；将液体工质通过注液孔注入传热器内腔；将传热器内腔的空气抽出形成真空；封闭注液孔。本发明的重力式传热器传热密度高、均温性好、结构简单、重量轻、液体工质冷凝后回流效率高，制备方法工艺简单、操作方便。

权利要求

1.一种重力式传热器的制备方法，其特征在于，所述重力式传热器包括传热器本体和液体工质，所述传热器本体围合出第一容腔，所述第一容腔为一密闭空间，所述液体工质位于所述第一容腔内，所述传热器本体包括传热器壳体和疏离层，所述疏离层覆盖于传热器壳体的内壁；

所述制备方法包括以下步骤：

S1：制造传热器壳体，所述传热器壳体两端开口；

S2：对传热器壳体的内表面进行表面处理，并形成与所述液体工质疏离的疏离层；所述疏离层的表面与所述液体工质的接触角设为θ，θ＞90°；将第一容腔的当量直径记为D，所述S2中疏离层表面与所述液体工质的接触角θ根据D的大小而定，具体关系如下：当D≤2.5mm，90°≤θ≤110°；

当2.5≤D≤10mm，110°≤θ≤150°；

当10mm≤D，150°≤θ；

S3：将经过表面处理的传热器壳体通过焊接封边，且在传热器壳体的任一位置预留注液孔；

S4：将液体工质通过注液孔注入所述第一容腔；

S5：将第一容腔内的空气抽出形成真空；

S6：封闭注液孔。

2.根据权利要求1所述的重力式传热器的制备方法，其特征在于，所述表面处理选自喷涂、浸涂、镀敷、沉积中的一种。。

3.根据权利要求1所述的重力式传热器的制备方法，其特征在于，所述S2中采用水滴角测试仪测量疏离层表面与所述液体工质的接触角：当接触角大于90°，则进行下一步骤；当接触角不大于90°，则继续进行表面处理或调整表面处理工艺，直至接触角大于90°。

4.根据权利要求1所述的重力式传热器的制备方法，其特征在于，所述S2还包括在传热器壳体的内表面进行表面处理之前进行传热器壳体的清洗及干燥。

5.根据权利要求1所述的重力式传热器的制备方法，其特征在于，所述S4中注入的液体工质占第一容腔体积10～20％。

6.根据权利要求1所述的重力式传热器的制备方法，其特征在于，所述S5还包括在注液孔上安装抽真空阀嘴，通过抽真空阀嘴将第一容腔内的空气抽出，所述S6还包括在封闭注液孔之前取出抽真空阀嘴。

7.根据权利要求1所述的重力式传热器的制备方法，其特征在于，所述液体工质为水、液氮、氨、异丁烷、丙酮、甲醇、乙醇、HFC制冷剂中的一种。

说明书

一种重力式传热器及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及传热器技术领域，尤其涉及一种重力式传热器及其制备方法。

背景技术

[0002] 随着电子行业技术的发展，电子元件的性能和功率不断提高，热流密度急剧增加，同时电子器件的体积又不断缩小，从而电子产品的寿命和性能受到极大的影响，因此如何
有效解决散热问题以提高产品的可靠性并延长使用寿命成为该行业的重大课题。

[0003] 随着需求的发展，市面上出现了一些先进的传热散热技术，相变式传热技术就是其中一种拥有较强竞争力的导热散热方案。其工作原理是利用液体工质的蒸发冷凝即气液
相变来传递热量，具体过程是传热器件的一端受热时液体工质蒸发汽化，蒸汽在微小的压
差下流向另一端放出热量凝结成液体，液体再沿管壁靠重力或毛细力作用流回至蒸发段，
该过程不断循环，从而将热量由相变式传热器件的一端传至另一端。

[0004] 目前，市场上流行相变式传热器件可分为重力式和反重力式，其区别在于重力式传热技术在腔体内不设置毛细吸液芯。设置毛细吸液芯的反重力式传热技术在毛细力大于
或者等于重力的情况下，可以水平放置使用或者反向使用。但反重力式传热器件吸液芯的
制备工艺复杂，成本较高，尤其在某些特定的使用场景下，如垂直使用或具有倾斜角度的工
作状态时性价比不如重力式相变器件高。

[0005] 对于重力式传热器件，其形态可以是柱状、管状、板状等(如图1～3所示，图1是重力式传热板剖视图，图2是重力式热管剖视图，图3是重力式热柱剖视图)，工质在冷凝段依
靠重力作用回流。为了满足电子产品的微型化和轻薄化趋势，传热器件的体积也不断缩小，
但是，小直径的传热管或超薄型的传热板工作时都面临工质回流速度慢，气液相变循环频
率低的问题。究其原因在于液体工质的表面张力效果大于重力的作用，致使其回流困难，例
如对于一些金属器件，由于金属材料制造工艺的要求，使金属表面带有油污，这样的传热器
件会使液体工质与器件内表面的接触角减小，致使液体工质回流困难。

发明内容

[0006] 基于此，本发明的目的在于，提供一种重力式传热器，传热密度高、均温性好、结构简单、重量轻且液体工质冷凝后回流效率高。

[0007] 一种重力式传热器，其特征在于，包括传热器本体和液体工质，所述传热器本体围合出第一容腔，所述第一容腔为一密闭空间，所述液体工质位于所述第一容腔内，所述传热
器本体包括传热器壳体和疏离层，所述疏离层覆盖于传热器壳体的内壁。通过疏离层的设
置，使液体工质和与之接触的表面之间表面能降低，增大接触角，达到提高工质相变循环速
度，增强传热器传热效率的效果。

[0008] 进一步地，所述疏离层是通过在传热器壳体的内壁进行表面处理得到，所述表面处理选自喷涂、浸涂、镀敷、沉积中的一种。在应对不同功率的热源时，可通过改变表面处理
工艺参数，调控液体工质与疏离层的接触角大小，以控制液体工质从壳体表面滴落的时间，
从而在第一容腔容积不同的传热器上同时实现既增加液体回流速率又将液体工质滴落时
对蒸汽流的影响降到最低的目的。

[0009] 本发明还提供一种重力式传热器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

[0010] S1：制造传热器壳体，所述传热器壳体两端开口；

[0011] S2：对传热器壳体的内表面进行表面处理，并形成与所述液体工质疏离的疏离层；

[0012] S3：将经过表面处理的传热器壳体通过焊接封边，且在传热器壳体的任一位置预留注液孔；

[0013] S4：将液体工质通过注液孔注入所述第一容腔；

[0014] S5：将第一容腔内的空气抽出形成真空；

[0015] S6：封闭注液孔。

[0016] 本发明的重力式传热器的制备方法工艺步骤简单、生产技术难度低，通过对传热器壳体的内表面进行表面处理，并形成与所述液体工质疏离的疏离层，使得与液体工质接
触表面(由传热器壳体的内表面变为疏离层表面)的表面能降低，增大液体工质和与之接触
表面的接触角以减弱液体表面张力对回流效率的影响，解决了小直径的传热器(例如热管
或超薄型的传热板、热柱等)工作时面临的工质回流速度慢、气液相变循环频率低的问题，
大大提高了重力式传热器的传热效率；制备得到的重力式传热器结构简单，内部无需吸液
芯，从而在保证整体体积不变的前提下，拥有更大的型腔，重量更轻，传热密度更大，均温性
更好，可满足散热空间小、散热功率大等应用场景，适用于垂直使用或具有一定倾斜角度的
工作状态。

[0017] 进一步地，所述S2中的疏离层表面与所述液体工质的接触角设为θ，θ＞90°。液体工质和疏离层表面的接触角大于90°，可以减小液体工质在回流时因受液体表面张力的影
响而导致回流速度慢的问题。

[0018] 进一步地，所述S2中采用水滴角测试仪测量疏离层表面与所述液体工质的接触角：当接触角大于90°，则进行下一步骤；当接触角不大于90°，则继续进行表面处理或调整
表面处理工艺，直至接触角大于90°。通过水滴角测试仪对疏离层表面与所述液体工质的接
触进行测量，并随时调整表面处理的程度及表面处理工艺，可以确保在下一步骤前，接触角
大于90°。

[0019] 进一步地，将第一容腔的当量直径记为D，所述S2中疏离层表面与所述液体工质的接触角θ根据D的大小而定，具体关系如下：

[0020] 当D≤2.5mm，90°≤θ≤110°；

[0021] 当2.5≤D≤10mm，110°≤θ≤150°；

[0022] 当10mm≤D，150°≤θ。

[0023] 本申请人经研究发现，一味增加液体工质与表面的接触角并非完全可取，尤其当传热器件的腔体容积或当量直径非常小时，冷凝液化的液体在壁面积累，很快形成液滴滴
落，在狭小的腔体内，滴落的液体会影响向上的热流，导致上升气流通道减小，形成一定的
阻力，反而造成器件传热效率低下的问题。因此，需要结合传热器结构尺寸，来灵活调控液
体工质与壳体内表面的接触角大小。即，传热器腔体当量直径较小时，需要避免液体工质和
疏离层表面的接触角过大，过大的接触角会使液体工质在传热器冷凝区迅速汇集滴落，导
致上升气流通道减小，对热气流形成一定的阻力；当传热器腔体当量直径大于一定尺寸时，
液体工质滴落时造成上升气流通道的减小值所占传热器腔体当量直径的比例减小，因此可
增加液体工质和传热器壳体内表面的接触角，使性能达到最优。如果液体工质和疏离层表
面的接触角可以保持在以上角度，液体工质在传热器内的回流效率更高且在一定程度上减
小液体工质滴落时对上升热气流的影响。

[0024] 进一步地，所述S2还包括在传热器壳体的内表面进行表面处理之前进行传热器壳体的清洗及干燥。对传热器壳体的清洗及干燥，可以去除传热器壳体表面的脏污和油渍等
可能影响液体工质与传热器壳体内表面接触角的因素。

[0025] 进一步地，所述S4中注入的液体工质占第一容腔体积10～20％。如果液体工质体积占比太多，热量不能及时传递出去，传热不够快；如果液体工质体积占比太少，当热源温
度较高时，液体工质完全气化，从而出现干涸现象。液体工质占内腔体积10～20％时传热效
率最佳。

[0026] 进一步地，所述S5还包括在注液孔上安装抽真空阀嘴，通过抽真空阀嘴将第一容腔内的空气抽出，所述S6还包括在封闭注液孔孔之前取出抽真空阀嘴。

[0027] 进一步地，所述液体工质为水、液氮、氨、异丁烷、丙酮、甲醇、乙醇、HFC制冷剂中的一种。

[0028] 本发明的重力式传热器及其制备方法，具有以下有益效果：

[0029] (1)本发明的重力式传热器，传热密度高、均温性好、结构简单，内部无需吸液芯，从而在保证整体体积不变的前提下，拥有更大的型腔，重量更轻且液体工质冷凝后回流效
率高，可满足散热空间小、散热功率大等应用场景，适用于垂直使用或具有一定倾斜角度的
工作状态；其制备方法工艺步骤简单、生产技术难度低，通过对传热器壳体的内表面进行表
面处理，增加液体工质和与之接触表面的接触角以减弱液体表面张力对回流效率的影响，
解决了小直径的传热器(例如热管或超薄型的传热板、热柱等)工作时面临的工质回流速度
慢、气液相变循环频率低的问题，大大提高了重力式传热器的传热效率。

[0030] (2)在本发明的一个优选实施方式中，在对传热器壳体内表面进行表面处理时，结合传热器腔体当量直径，通过调整表面处理工艺参数，精准调控液体工质和疏离层表面的
接触角角度范围，既实现了液体工质在冷凝区液化后的快速回流，同时又避免了在传热器
腔体当量直径较小时快速滴落的液滴对上升热气流通道的影响，达到了高效应对不同的传
热散热场景需求的效果。

[0031] 为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。

附图说明

[0032] 图1是现有技术的重力式传热板剖视图；

[0033] 图2是现有技术的重力式热管剖视图；

[0034] 图3是现有技术的重力式热柱剖视图；

[0035] 图4是实施例1的重力式传热器的剖视图；

[0036] 图5是液体与固体表面接触时形成的接触角示意图。

具体实施方式

[0037] 实施例1

[0038] 本实施例的重力式传热器，如图4所示，是以重力式热管为例的剖视图，重力式传热器包括传热器本体1和液体工质2，传热器本体1围合出第一容腔13，第一容腔13为一密闭
空间，液体工质2位于第一容腔13内，传热器本体1包括传热器壳体11和疏离层12，疏离层12
覆盖于传热器壳体11的内壁。通过疏离层12的设置，使液体工质和与之接触的表面之间表
面能降低，增大接触角，达到提高工质相变循环速度，增强传热器传热效率的效果。

[0039] 作为一种具体实施方式，疏离层12是通过在传热器壳体11的内壁进行表面处理得到，所述表面处理选自喷涂、浸涂、镀敷、沉积中的一种。在应对不同功率的热源时，还可通
过改变表面处理工艺参数，调控液体工质与疏离层的接触角大小，以控制液体工质从壳体
表面滴落的时间，从而在第一容腔容积不同的传热器上同时实现既增加液体回流速率又将
液体工质滴落时对蒸汽流的影响降到最低的目的。

[0040] 实施例2

[0041] 本实施例提供实施例1的重力式传热器的一种制备方法，包括以下步骤：

[0042] S1：制造传热器壳体，所述传热器壳体两端开口；

[0043] S2：通过镀敷工艺对传热器壳体内表面进行表面处理，并形成与所述液体工质疏离的疏离层；

[0044] S3：将经过表面处理的传热器壳体通过焊接封边，且在传热器壳体的任一位置预留注液孔；

[0045] S4：将液体工质——HFC制冷剂通过注液孔注入所述第一容腔；

[0046] S5：将第一容腔内的空气抽出形成真空；

[0047] S6：封闭注液孔。

[0048] 本实施例的重力式传热器的制备方法工艺步骤简单、生产技术难度低，通过对传热器壳体的内表面进行表面处理，降低其表面能，增大液体工质和与之接触表面的接触角
以减弱液体表面张力对回流效率的影响，解决了小直径的传热器(例如热管或超薄型的传
热板、热柱等)工作时面临的工质回流速度慢、气液相变循环频率低的问题，大大提高了重
力式传热器的传热效率；制备得到的重力式传热器结构简单，内部无需吸液芯，从而在保证
整体体积不变的前提下，拥有更大的型腔，重量更轻，传热密度更大，均温性更好，可满足散
热空间小、散热功率大等应用场景，适用于垂直使用或具有一定倾斜角度的工作状态。

[0049] 实施例3

[0050] 本实施例提供实施例1的重力式传热器的另一种制备方法，包括以下步骤：

[0051] S1：由挤出成型制备具有腔体结构的铝制中空型材作为传热器壳体，其内腔体积通过成型模具设计来控制；

[0052] S2：通过浸涂工艺对中空铝型材进行表面处理，并形成与所述液体工质疏离的疏离层，使传热器的液体工质——乙醇和疏离层表面的接触角大于90°(如图5所示，接触角为
图中θ角)，具体操作方法是：当接触角大于90°，则进行下一步骤；当接触角不大于90°，则继
续进行表面处理或调整表面处理工艺，直至接触角大于90°；

[0053] S3：通过摩擦焊技术将经过表面处理的铝型材两端焊接，同时在其中一端的任一位置预留注液孔；

[0054] S4：将乙醇通过注液孔注入所述第一容腔，并控制乙醇体积含量占第一容腔体积的12％；

[0055] S5：在注液孔上安装抽真空阀嘴，通过抽真空阀嘴将内腔空气抽出；

[0056] S6：最后取出抽真空阀嘴并封闭注液孔。

[0057] 本实施例的重力式传热器的制备方法，工艺步骤简单，具体通过浸涂工艺对传热器壳体进行表面处理，且使传热器的液体工质——乙醇和传热器壳体内表面的接触角大于
90°，可以减小液体工质因回流时会受液体表面张力的影响而导致回流速度慢的问题，回流
效率高，且由于乙醇的体积限制在内腔体积的12％，传热效率高。

[0058] 实施例4

[0059] 本实施例提供实施例1的重力式传热器的另一种制备方法，包括以下步骤：

[0060] S1：制造传热器壳体，所述传热器壳体两端开口；

[0061] S2：清洗传热器壳体，使用酒精或丙酮对传热器壳体内部进行超声清洗，以除去传热器壳体生产过程中遗留的油污，有利于后续表面处理的进行，随后在室温下自然干燥；然
后选择合适的低表面能涂料，例如氟化物低表面能涂料、改性有机硅类低表能涂料或改性
环氧树脂类低表能涂料等，并将涂料均匀的喷涂于传热器壳体内表面，形成与所述液体工
质疏离的疏离层；然后放入50‑180℃真空烘箱中固化1‑24小时；通过水滴角测试仪测量液
体工质——水与经表面处理后的传热器壳体内表面的接触角(如图4所示，接触角为图中θ
角)，当接触角大小满足要求，则进行下一步骤；当接触角大小不满足要求，则继续进行表面
处理或调整表面处理工艺和涂料类型，直至接触角大小满足要求为止；具体地，对于不同当
量直径(记为D)的第一容腔，其液体工质与疏离层表面的接触角θ，根据D的大小而定，关系
如下：

[0062] 当D≤2.5mm，90°≤θ≤110°；

[0063] 当2.5≤D≤10mm，110°≤θ≤150°；

[0064] 当10mm≤D，150°≤θ；

[0065] S3：将经过表面处理的传热器壳体通过焊接(例如摩擦焊技术等)封边，且在传热器壳体的任一位置预留注液孔；

[0066] S4：将水通过注液孔注入所述第一容腔，使水的体积占第一容腔体积的10～20％；

[0067] S5：在注液孔上安装抽真空阀嘴，通过抽真空阀嘴将传热器内腔空气抽出；

[0068] S6：取出抽真空阀嘴，封闭注液孔。

[0069] 本实施例的重力式传热器的制备方法，工艺步骤简单，其先后对传热器壳体内表面的清洗、干燥，然后再通过喷涂方式对其内表面进行表面处理，并确保水与经表面处理后
的传热器壳体内表面的接触角能够满足要求，且针对不同当量直径的第一容腔，使液体工
质与疏离层表面之间具有合适的接触角，在保证了液体工质——水在传热器内较高的回流
效率的同时，使液体工质滴落时对上升热气流的影响降到最低；在焊接封边时，可以直接焊
接封边(例如重力式传热板或重力式热管)，也可以在焊接上盖及底座后再焊接封边(例如
重力式热柱)，通过将水的体积限制在内腔体积的10～20％，使重力式传热器的传热效率达
到最佳。

[0070] 以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来
说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护
范围。