一种具有蒸腾抽吸效应的仿生吸液芯结构及均热板

本发明涉及均热板散热及相变传热，具体涉及一种具有蒸腾抽吸效应的仿生吸液芯结构，以及采用该吸液芯结构的均热板。

背景技术：

1、随着电子器件集成度和功率密度不断提高，器件产生的热流密度急剧增大，给散热系统带来严峻挑战。均热板是一种利用密闭腔体内工质蒸发、蒸气输运、冷凝及液体回流实现热量快速扩散的高效的两相传热装置。均热板凭借优异的导热性能、紧凑的结构以及良好的均温能力，被广泛应用于电子器件的散热，例如服务器、高端显卡等领域。

2、吸液芯是均热板内部实现冷凝液回流和给蒸发区持续供液的关键部件。吸液芯主要依靠汽液界面产生的毛细压力驱动冷凝液由冷凝区返回蒸发区，其液体输运性能受到孔径、孔隙率、渗透率、润湿性及输运距离等因素的共同影响。例如，当吸液芯孔径较小时，虽然能够产生较大的毛细压力，但其渗透率较低，液体沿程流动阻力较大，不利于冷凝液的长距离输运；当吸液芯孔径较大时，液体流动阻力有所降低，但其毛细抽吸能力减弱，容易造成蒸发区供液不足。因此，单一孔隙尺度的吸液芯难以同时满足冷凝液快速汇集、低阻输运和蒸发界面持续供液的要求。

3、现有均热板常用的吸液芯主要包括金属丝网吸液芯、烧结粉末吸液芯、沟槽吸液芯以及多孔复合吸液芯等。金属丝网吸液芯具有结构简单、加工方便等优点，但其孔隙尺度相对较大，毛细抽吸能力有限；同时，丝网与壁面之间的接触热阻较大，在高热流密度或逆重力运行条件下，蒸发区容易出现供液不足；烧结粉末吸液芯能够提供较高的毛细压力，但其渗透率较低，液体长距离回流阻力较大；沟槽吸液芯具有较低的液体流动阻力，但毛细压力相对较弱，且横向供液和蒸发面均匀润湿能力有限；多孔复合吸液芯虽然能够在一定程度上兼顾毛细抽吸和液体输运能力，但结构复杂，不同孔隙层或输液结构之间的连通性对性能影响较大。总之，现有传统吸液芯结构难以兼顾冷凝液快速汇集、低阻输运和蒸发区持续均匀供液的要求，也难以满足日益增长的散热需求。

4、为了解决上述技术难题，中国发明专利cn103542749b提出了一种具有叶脉状分形通道和微细通道的仿生均热板吸液芯，但其需要对多级通道的尺寸、分叉关系及加工深度进行精确控制，部分方案还涉及真空烧结与后续激光雕刻或化学腐蚀，制备工艺较为复杂。中国发明专利cn117628953b提出了一种功能化仿生微纳结构均热板，通过在蒸发段和冷凝段分别构建超亲水和超疏水微纳结构强化传热，但其涉及聚苯乙烯蛋白石模板制备、电化学沉积、模板去除、化学氧化、刻蚀及表面改性等多道工序，对工艺一致性要求较高，制备周期和成本相对较大。然而，在均热板的工业生产中，不仅要考虑吸液芯的综合性能，还要兼顾其加工难度和制造成本，在满足传热要求的基础上尽量选择更简单的结构。

5、工程上，依靠毛细吸液芯进行逆重力输运液态工质的极限高度在0.5~1m，而树木却能够依靠根系、树干和枝叶构成的系统，依靠蒸腾抽吸效应，将水分从土壤抽吸至树顶，输运距离甚至能够超过100米。因此，参考植物水分输运系统，利用蒸腾抽吸作用带来的流动负压效应，构建一种能够兼顾冷凝液汇集、蒸发区持续均匀供液、长距离输运，且结构相对简单、制造难度较低的仿生吸液芯结构，对于提升均热板的传热性能、应对电子散热日益增长的需求，具有重要的促进作用。

技术实现思路

1、为了低成本解决均热板吸液芯中工质长距离输运阻力较大、蒸发区局部供液不足，进而导致极限传输功率较难提升的瓶颈问题。本发明提出了一种具有蒸腾抽吸效应的仿生吸液芯结构及采用该吸液芯结构的均热板。

2、为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

3、第一方面，本发明提供一种具有蒸腾抽吸效应的仿生吸液芯结构，包括的液体汇集单元、输运单元和蒸发供液单元；所述液体汇集单元包括毛细编织绳，用于吸收和汇集液体工质；所述输运单元包括导管，且至少部分毛细编织绳穿设于导管的内部通道内，所述毛细编织绳与所述导管共同形成由液体汇集单元通向蒸发供液单元的液体输运路径；所述蒸发供液单元包括多孔蒸腾膜，多孔蒸腾膜设置于液体输运路径的末端，使得经由毛细编织绳和导管输送的液体工质能够进入多孔蒸腾膜并形成蒸发供液界面；所述毛细编织绳、导管和多孔蒸腾膜共同形成液体汇集、定向输运和蒸发供液的分级液体输运结构。

4、进一步地，所述毛细编织绳设置为多根，并在其所在平面内等间距或非等间距布置；所述毛细编织绳为不锈钢编织绳、铜编织绳、镍编织绳或其他具有毛细孔隙的金属纤维编织绳。

5、进一步地，所述导管具有供所述毛细编织绳穿设的内部通道，内部通道的横截面尺寸大于毛细编织绳的横截面尺寸，使导管内壁与毛细编织绳外表面之间形成供液体工质流动的输运空间。

6、进一步地，所述多孔蒸腾膜具有亲液特性和连通孔隙结构，所述连通孔隙结构用于使工作介质在多孔蒸腾膜内分布并为蒸气提供逸出通道。

7、进一步地，所述多孔蒸腾膜为金属烧结多孔膜、金属泡沫多孔膜、金属丝网多孔膜、金属纤维多孔膜或陶瓷多孔膜中的任一种或多种。

8、第二方面，本发明还提供一种均热板，包括下盖板、上盖板、由下盖板和上盖板密封连接形成的密闭腔体、与密闭腔体连通的充液口、填充于密闭腔体内的工作介质以及设置于密闭腔体内的如上所述的仿生吸液芯结构。

9、进一步地，所述密闭腔体包括蒸发区、输运区和冷凝区；至少部分毛细编织绳穿设于导管的内部通道内，并由冷凝区向蒸发区延伸；所述毛细编织绳与所述导管共同形成由冷凝区通向蒸发区的液体输运路径；所述多孔蒸腾膜设置于蒸发区并位于所述液体输运路径的末端，液体工质经所述毛细编织绳和导管输送至蒸发区，并进入多孔蒸腾膜。

10、进一步地，所述蒸发区设置于与外部热源相对应的位置，所述输运区设置于蒸发区的至少一侧，并位于蒸发区与冷凝区之间；所述冷凝区包括位于下盖板内表面、设置在输运区远离蒸发区一侧的下部冷凝区，以及位于上盖板内表面的上部冷凝区。

11、进一步地，所述毛细编织绳设置于所述下盖板的内表面，并沿冷凝区、输运区和蒸发区延伸。

12、进一步地，所述蒸发区为设置于所述下盖板内表面的下沉式凹槽结构，所述多孔蒸腾膜设置于所述下沉式凹槽结构内，并至少覆盖外部热源在所述均热板上的投影区域。

13、本发明的技术方案借鉴植物蒸腾输运系统中的“根系—木质部—叶片”分级结构特征，构建了多尺度仿生吸液芯结构。其工作原理为：外部热源向蒸发区输入热量，多孔蒸腾膜内的液体工质受热蒸发，产生的蒸气经多孔蒸腾膜的连通孔隙结构逸出，并进入密闭腔体内的蒸气流动空间，随后向冷凝区扩散。由于多孔蒸腾膜内液体工质持续蒸发，蒸发区形成动态补液需求，在毛细作用协同下促进上游液体工质沿毛细编织绳和导管共同形成的液体输运路径向蒸发区持续补充，从而产生类似植物蒸腾过程的抽吸效应。进一步地，蒸气在冷凝区放热并冷凝形成冷凝液，冷凝液由毛细编织绳吸收和汇集，并沿毛细编织绳与导管形成的液体输运路径由冷凝区向蒸发区输送，进入多孔蒸腾膜后再次参与蒸发过程，最终形成蒸发、蒸气扩散、冷凝以及冷凝液回流的汽液相变循环。

14、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

15、仿生吸液芯能够产生蒸腾抽吸效应，从而大幅提高冷凝液由冷凝区向蒸发区的输运能力，实现持续供液，防止蒸发区局部干涸，有利于提升均热板的极限传输功率和传热性能；通过毛细编织绳、导管和多孔蒸腾膜的分级配合，缓解单一吸液芯难以同时兼顾冷凝液汇集、长距离输运、蒸发区持续均匀供液等问题；该仿生吸液芯结构组成及装配过程相对简单，加工成本低，可根据不同的应用场景和需求进行优化设计，适用于均热板的工业化生产。