一种表面能梯度仿生吸液芯及应用制造技术

本发明专利技术公开了一种表面能梯度仿生吸液芯及应用，该表面能梯度仿生吸液芯包括三维阵列排布的若干仿生单元，所述仿生单元上开设导流槽，所述导流槽的投影为半个椭圆，包括斜面、曲面和凸缘，所述斜面且沿液体流向具有槽体深度逐渐增加的结构，所述斜面的末端连接有曲面，所述曲面在靠近斜面的一侧为凹面，曲面的上端向斜面方向回伸形成所述凸缘，所述凸缘与下一仿生单元的斜面平滑衔接；该仿生单元模仿猪笼草表面的微结构特征，将该表面能梯度仿生吸液芯应用于环路热管等相变散热装置中，既能提高吸液芯的毛细抽吸力，又能保证液体的定向传输，有效解决环路热管毛细抽吸力不足和背向导热的问题，具有良好的工程应用意义。

Surface energy gradient bionic wick and its application

【技术实现步骤摘要】
一种表面能梯度仿生吸液芯及应用
本专利技术涉及一种表面能梯度仿生吸液芯及应用。
技术介绍
随着微电子技术的发展，电子芯片的主频和集成度越来越高，单位面积上的功耗急剧增加，导致热流密度随之增加。比如LED灯珠的热流密度已经达到100W/cm2；CPU的热流密度普遍在60～100W/cm2，甚至高达200W/cm2。当电子芯片的热流密度超过0.08W/cm2时，自然散热已经无法满足其散热要求；热流密度超过0.3W/cm2时，强迫对流散热已经达到极限。高热流密度芯片的热控制问题已经成为制约微电子芯片技术发展的瓶颈，电子元器件可靠性的改善、功率容量的增加、集成度的提高以及结构的微型化直接取决于芯片的热控制问题的解决。为解决高热流密度电子芯片的散热问题，相变散热得到了广泛的应用。环路热管是典型的相变散热装置，由蒸发器、冷凝器、蒸汽联管以及液体联管等组成。蒸发器与电子芯片直接接触，内部的液体吸收汽化潜热，蒸汽携带着热量在蒸汽压力的作用下沿着蒸汽联管到达冷凝器，在强化冷凝结构作用下液化放出热量，液化后的工质经过液体联管回到蒸发器。由于环路热管采用相变传热机制，其散热能力比当前主要的散热方式高2个数量级以上。通过吸液芯的毛细力和蒸汽相变压力以及重力辅助运行，无需外部能源输入，具有节能减排的优势，同时工作时振动小，无噪音。将蒸汽和液体分开，吸液芯只存在于蒸发器，避免了热管的携带极限，进一步提升了环路热管的散热能力。吸液芯是环路热管最核心的部件，既要提供驱动液体循环的毛细抽吸力，又要提供液体流动通道，同时还要防止产生的蒸汽和热量反向到达液体补偿室。为了提高毛细抽吸力，需降低吸液芯孔径，但会增加液体流动阻力和热量泄露到液体补偿室；为了降低液体流动阻力，需要增加吸液芯孔径，但会降低毛细抽吸力、增加蒸汽反向流动。虽然目前对吸液芯进行了大量研究，但收效甚微，难以有效解决上述技术问题。猪笼草表面微结构能够使液体朝着某个特定方向快速传输，这种特殊的功能在吸液芯内部具有很好的应用。如何将猪笼草的表面微结构进行提取，并对其进行空间变换，将其液体定向快速传输的功能集成于吸液芯中，这对于环路热管的高效运行和热量传输具有重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足之处，提供了一种表面能梯度仿生吸液芯及应用，解决了上述
技术介绍
中毛细抽吸力不足和背向导热的问题。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种表面能梯度仿生吸液芯，包括三维阵列排布的若干仿生单元，所述仿生单元上开设导流槽，所述导流槽的投影为半个椭圆，包括斜面、曲面和凸缘，所述斜面且沿液体流向具有槽体深度逐渐增加的结构，所述斜面的末端连接有曲面，所述曲面在靠近斜面的一侧为凹面，曲面的上端向斜面方向回伸形成所述凸缘，所述凸缘与下一仿生单元的斜面平滑衔接。在本专利技术一较佳实施例中，所述曲面与斜面的连接处为圆角，所述圆角的半径为50～80μm。在本专利技术一较佳实施例中，所述斜面与水平面的夹角为5～15°，所述凸缘的曲面切线与下一仿生单元的斜面间的夹角为30～45°。在本专利技术一较佳实施例中，所述仿生单元还包括孔隙控制块，所述孔隙控制块用于形成竖向相邻的仿生单元间的孔隙。在本专利技术一较佳实施例中，所述孔隙控制块包括凸柱，所述凸柱设置于导流槽旁，凸柱的宽度和高度为50-100μm。在本专利技术一较佳实施例中，所述仿生单元沿厚度方向镜像对称。在本专利技术一较佳实施例中，所述仿生单元的表面由两侧向导流槽轴线方向凹陷形成一定曲度。在本专利技术一较佳实施例中，所述仿生单元在横向上沿导流槽方向平行排列，纵向上通过孔隙控制块对齐叠放设置。本专利技术还提供了上述一种表面能梯度仿生吸液芯在相变散热装置中的应用。在本专利技术一较佳实施例中，所述相变散热装置包括环路热管。本技术方案与
技术介绍
相比，它具有如下优点：1、本专利技术模仿猪笼草表面的微结构特征形成表面能梯度仿生单元，使液体能够沿着特定方向定向传输，液体在流动方向上的接触角不同，液滴前端形成接触角远小于90°的超亲水状态；液滴的后端与夹角为θ2的尖角相切，形成接触角大于150°的超疏水状态。液滴前后亲疏水性差异构成表面能梯度差，保证液体沿着超亲水一端流动，抑制液体向超疏水一端流动；2、本专利技术设置孔隙控制块，使仿生结构单元之间形成微小孔隙，提供毛细抽吸力，同时保证液体能够在宽度和高度方向渗透，进而液体能够均匀充满整个吸液芯；3、本专利技术应用于环路热管，由于吸液芯内部具有超疏水到超亲水变化的表面能梯度，其产生的毛细抽吸力比相同孔径下普通吸液芯更大，液体能够在吸液芯内部朝着特定方向快速传输，可防止产生的蒸汽反窜到液体补偿室；在满足毛细抽吸力的条件下，可适当提高吸液芯的孔径，降低液体工质流动阻力；有效解决环路热管毛细抽吸力不足和背向导热的问题，具有良好的工程应用意义。附图说明图1为表面能梯度仿生吸液芯立体图；图2为仿生单元三维阵列排布图；图3为仿生单元立体图；图4为图3的仿生单元沿A-A线剖视图；图5为原理示意图；图6为图5的液滴前端放大示意图；图7为环路热管蒸发器结构示意图；其中，1.吸液芯；2.仿生单元；2-1.(仿生单元)上部；2-2.(仿生单元)下部；3-1.横向(液体流向)；3-2.纵向(厚度方向)；4.斜面；5.曲面；6.凸缘；7.孔隙控制块；9.圆角；11.液滴；12.蒸发器壳体；13.液体补偿室；14.液体入口；15.加热棒；16.蒸汽槽；17.蒸汽出口。具体实施方式下面结合实施例具体说明本专利技术的内容，为方便描述，定义液滴11在仿生单元2表面的流向为横向3-1，仿生单元2的厚度方向为纵向3-2。实施例1本实施例的一种表面能梯度仿生吸液芯1，如图1和2，包括三维阵列排布的若干仿生单元2。所述仿生单元2上开设导流槽，如图3，所述导流槽的投影为半个椭圆，如图4，导流槽包括斜面4、曲面5和凸缘6，所述斜面4且沿液体流向3-1具有槽体深度逐渐增加的结构，所述斜面4的末端连接有曲面5，所述曲面5在靠近斜面4的一侧为凹面，曲面5的上端向斜面4方向回伸形成所述凸缘6，所述凸缘6与下一仿生单元2的斜面4平滑衔接，形成一尖角。在本实施例中，所述曲面5与斜面4的连接处为圆角9，所述圆角9的半径R为50～80μm。所述斜面4与水平面的夹角θ1为5～15°，所述凸缘6的曲面5切线与下一仿生单元2的斜面4间的夹角θ2为30～45°。传输时，夹角θ1与液滴11的前端形成接触角远小于90°的超亲水状态，夹角θ2与液滴11的后端形成接触角大于150°的超疏水状态，所述超亲水和超疏水状态构成具有表面能梯度的仿生表面，使得仿生吸液芯1能够促进液体沿着超亲水一端传输，抑制液体沿着超疏水一端传输。所述仿生单元2还包括孔隙控制块7，所述孔隙控制块7用于形成竖向相邻的仿生单元2间的孔隙。本实施例中，所述孔隙控制块7包括四个沿竖直方向设置的凸柱，四个凸柱分别设置于本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种表面能梯度仿生吸液芯，其特征在于：包括三维阵列排布的若干仿生单元，所述仿生单元上开设导流槽，所述导流槽的投影为半个椭圆，包括斜面、曲面和凸缘，所述斜面且沿液体流向具有槽体深度逐渐增加的结构，所述斜面的末端连接有曲面，所述曲面在靠近斜面的一侧为凹面，曲面的上端向斜面方向回伸形成所述凸缘，所述凸缘与下一仿生单元的斜面平滑衔接。/n

【技术特征摘要】
1.一种表面能梯度仿生吸液芯，其特征在于：包括三维阵列排布的若干仿生单元，所述仿生单元上开设导流槽，所述导流槽的投影为半个椭圆，包括斜面、曲面和凸缘，所述斜面且沿液体流向具有槽体深度逐渐增加的结构，所述斜面的末端连接有曲面，所述曲面在靠近斜面的一侧为凹面，曲面的上端向斜面方向回伸形成所述凸缘，所述凸缘与下一仿生单元的斜面平滑衔接。


2.根据权利要求1所述的一种表面能梯度仿生吸液芯，其特征在于：所述曲面与斜面的连接处为圆角，所述圆角的半径为50～80μm。


3.根据权利要求2所述的一种表面能梯度仿生吸液芯，其特征在于：所述斜面与水平面的夹角为5～15°，所述凸缘的曲面切线与下一仿生单元的斜面间的夹角为30～45°。


4.根据权利要求1所述的一种表面能梯度仿生吸液芯，其特征在于：所述仿生单元还包括孔隙控制块，所述孔隙控制块用于形成竖向相邻的仿生...

【专利技术属性】
技术研发人员：周伟，凌伟淞，刘成忠，黄家乐，刘瑞亮，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：福建;35