CN100401508C - 一种高性能被动式相变散热系统及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高性能被动式相变散热系统，包括微槽群蒸发器和冷凝器，其特征在于：所述微槽群蒸发器连接有毛细泵环管路，该毛细泵环管路与所述冷凝器相连接。采用该散热系统有利于对高热流密度的发热体进行充分的散热冷却，从而满足高性能芯片、高能激光、光通讯或其他机电器件的散热要求。本发明还提供一种用于台式计算机的相变散热系统，以较大的换热能力满足各种台式计算机的冷却要求。本发明还提供一种有利于提高总换热量的用于笔记本电脑等小空间内的散热系统。

Description

一种高性能被动式相变散热系统及其应用

技术领域

本发明涉及对发热的工作元件或部件进行被动式相变热交换的技术，特别是一种高性能被动式相变散热系统及其应用，具体应用包括用于台式计算机的相变散热系统和用于笔记本电脑等小空间内的散热系统。

背景技术

高性能芯片(High performance chip)的发热密度即将要达到60W/cm²的程度。这样的热流密度与轻水炉反应堆(LWR)的炉心热流密度为同一水平，但前者要求的散热面温度与环境温度之差较后者要低得多。计算机的热控技术亦即冷却技术要求，既要满足其许容上限温度(约100oC)，又要满足不断提升的散热热流密度，这已成一个国际性的技术难题。

目前普遍使用的一般尺度的空冷技术的冷却能力，在一般流动速度时(例如20m/s)，要比上述高性能芯片的发热密度低一个数量级。要强化空冷技术冷却能力，有主动方法和被动方法。被动办法就是要将换热器流路微细化以强化换热性能和增加换热面积(如增加微槽道等)。主动办法主要有提高工质流速及降低冷却工质的进口温度等。这些强化方法都涉及到微系统及微传热问题，如提高微动力系统(Micro repowering system)(提高工质流速)、微冷冻系统(降低冷却工质温度)和微风扇系统(提高与环境间的对流换热)性能。

计算机的相变冷却技术是区别于空冷技术的另一类正在开发和发展的新型冷却技术。相变蒸发热流密度的理论极限比目前计算机最高热流密度还要高出约两个数量级。且温度条件满足计算机的许容上限温度。目前与之相关的有微热管技术(又分为毛细型、强制震动型及自励振荡型等)及微槽群蒸发型热沉技术，国际上已有不少国家基金和大型企业投入了不少资金进行开发研究。但总的来说，由于受微细管内的流动特性的制约，普通微热管技术已遇到了目前无法克服的发展瓶颈-临界热流制约问题，导致其总热输送能力无法有效提高。

目前国内最好的被动式冷却技术(热管技术)散热能力有限。比如，国内的台式计算机的冷却方法主要为翅片加风扇方式，技术上是在翅片工艺及风扇性能上下功夫。而要求体积小、散热功率大的笔记本电脑的冷却系统基本上都是从国外和主机配套引进。可以说，在国内国外，LSI的冷却问题(包括CPU、HDD、FDD和LCD)将是制约计算机性能的最主要、也是最迫切的因素。同时，高能激光，光通讯等领域也对功率大及体积微小的散热器也提出了新的要求。

因此，随着微电子技术的飞速发展、我国各种尖端技术的迅速提升及国防工业的现实需要，研究开发具有自主知识产权的包括计算机在内的微电子器件的散热技术有着重大的现实意义和经济价值。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的不足或缺陷，提供一种高性能被动式相变散热系统。采用该散热系统有利于对高热流密度的发热体进行充分的散热冷却，从而满足高性能芯片、高能激光、光通讯或其他机电器件的散热要求。

本发明还提供一种用于台式计算机的相变散热系统，以较大的换热能力满足下一代台式计算机的冷却要求。

本发明还提供一种有利于提高总换热量的用于笔记本电脑等小空间内的散热系统。

本发明总的技术构思如下：

基于对国内外微电子及微系统器件微散热技术的研究现状及需求的分析，发展出一种高性能微槽群相变冷却模式，通过利用毛细泵环管路使得微槽群蒸发器与冷凝器实现空间隔离的结构设计来提高对高热流密度发热体的散热冷却能力，研制出满足各种微小尺寸的高性能被动式冷却元件以及满足下一代各种计算机以及其它极端环境中先进电子器件的散热系统，解决军事领域的特许需要和IT产业面临的热问题。

本发明的技术方案如下：

高性能被动式相变散热系统，包括微槽群蒸发器和冷凝器，其特征在于：所述微槽群蒸发器连接有毛细泵环管路，该毛细泵环管路与所述冷凝器相连接。

所述微槽群蒸发器包括微槽群蒸发换热元件，该蒸发换热元件的蒸发面上分布有密集的微毛细槽，微毛细槽内产生的毛细力能够使液体吸入槽内，从而使槽内液体在气、液、固三相接触线附近形成弯月面蒸发换热。

所述微槽群面层为TiO₂材料层或其它亲水材料层，用于对微槽群面进行超亲水处理。

所述微毛细槽为直槽，槽宽为0.01-1mm，槽深为槽宽的1-4倍。

所述槽宽为0.1-0.5mm。

所述毛细泵环管路包括蒸气输送管路部分和液体回流管路部分，并且在管路中设置有单向阀。

所述液体回流管路部分的出口端对接于微槽结构，该微槽结构用于对毛细泵环管路中的回流液体进行毛细驱动。

所述冷凝器为自然冷却式冷凝器、强制空冷式冷凝器、水冷式冷凝器或采用高分子网格状络合膜的强化高效冷凝器。

用于台式计算机的相变散热系统，其特征在于：包括用于芯片散热的微槽群蒸发器和冷凝器，所述微槽群蒸发器连接有毛细泵环管路，所述冷凝器位于台式计算机的机箱两侧，所述毛细泵环管路与所述冷凝器相连接。

用于笔记本电脑等小空间内的散热系统，其特征在于：包括用于CPU散热的微槽群蒸发器和冷凝器，所述微槽群蒸发器连接有毛细泵环管路，所述冷凝器分别位于笔记本电脑的显示屏背板层和主机背板层，所述毛细泵环管路与冷凝器相连接，并在笔记本电脑的旋转轴处采用软管路。

本发明的技术效果如下：

由于本发明的高性能被动式相变散热系统，通过利用毛细泵环管路使得微槽群蒸发器与冷凝器实现空间隔离的结构设计来提高散热冷却能力，使得该散热系统有利于对高热流密度的发热体进行充分的散热冷却，从而满足高性能芯片、高能激光、光通讯或其他机电器件的散热要求。

由于微槽群蒸发器采用微槽群蒸发换热元件，通过蒸发面上分布的密集的微毛细槽充分利用毛细现象，微槽内产生的毛细力使液体吸入微槽内。每个槽内液体在三相(气、液、固)接触线附近有一微小的弯月面，该弯月面的蒸发具有极大的局部换热系数。通过设计最佳的尺寸及结构布局，充分揭示微槽内相变传热传质及临界热负荷产生的机理，其换热量有可能高于或几倍于一般池内沸腾的临界热负荷。且具有换热尺寸任意，总换热量极大等特点。因而该换热技术有可能在今后超微电子及微系统器件散热以及航天器部件散热等方面，有着重要的应用前景。

由于微槽群面层为TiO₂材料层或其它亲水材料层，用于对微槽群面进行超亲水处理，从而得到强化的微槽群蒸发换热元件。

由于微毛细槽为直槽，槽宽为0.01-1mm，槽深为槽宽的1-4倍；而且槽宽可进一步优选为0.1-0.5MM；这就针对开式微槽群蒸发传热面，能够得到最佳的微槽尺寸参数及最佳结构设计(多层、组合微槽及外置型毛细力强化结构等)。

由于管路中设置有单向阀，这就能够充分保证蒸气与液体单向流动，使得不设置液泵的整个CPL回路即毛细泵环管路中，通过回路的几何设计决定回路系统中的各节点压力，从而有利于系统的正常运行。

由于液体回流管路部分的出口端对接于微槽结构，该微槽结构用于对毛细泵环管路中的回流液体进行毛细驱动，这就是说，通过运用回路与蒸发器的对接技术，不仅实现回液管回流的液体连续补充到蒸发器内，而且可以实现最佳设计方案，将液体连接补充到蒸发面上，从而可以克服重力对流动的阻力影响，同时可利用微槽群内毛细力形成的负压增大液体回流的驱动力。

由于冷凝器为自然冷却式冷凝器、强制空冷式冷凝器、水冷式冷凝器或采用高分子网格状络合膜的强化高效冷凝器，这就有利于根据不同工况或运行环境进行合理配置。

由于本发明的用于台式计算机的相变散热系统，是基于一个总的发明构思，在利用毛细泵环管路使得微槽群蒸发器与冷凝器实现空间隔离的结构设计来提高对高热流密度发热体的散热冷却能力的基础上，将冷凝器设置于台式计算机的机箱两侧，能够将蒸发器的蒸发热带到电脑机箱的两侧外壁，与外部空气产生自然对流换热，蒸汽冷凝后再循环到蒸发器内，从而可以在不需要风扇的情况下，以较大的换热能力满足今后台式计算机的冷却要求。

由于本发明的用于笔记本电脑等小空间内的散热系统，也是基于一个总的发明构思，在利用毛细泵环管路使得微槽群蒸发器与冷凝器实现空间隔离的结构设计来提高对高热流密度发热体的散热冷却能力的基础上，将冷凝器设置于笔记本电脑的显示屏背板层和主机背板层，并且在笔记本电脑的旋转轴处采用软管路；这就能够解决临界热流制约问题，提高总换热量，由试验得出，冷却能力可以达到热流密度250W/cm²，最大换热能力1000W。当然关于蒸发器的内部结构设计，必须考虑芯片水平放置和垂直放置以及倾斜放置等情况，流体循环及液体补充将与蒸发器的内部结构设计密切相关。同时还需要采用CPL的软管连接技术：蒸发器和冷凝器的连接由于经过计算机显示屏的旋转轴，因而需要实现软连接。

附图说明

图1为毛细微槽蒸发原理图，包括微槽群蒸发换热元件结构图和局部放大图。图中Q为发热体热流，并用实心箭头表示了热流方向，圆环及空心箭头表示局部放大区域与吸热蒸发。局部放大图指明了槽顶、三相接触线、吸附层、弯月面、蒸发微液膜的层次或位置状况。

图2为蒸发板结构示意图，包括蒸发面上的微毛细槽，呈纵向和横向分布。

图3为强制空冷式台式电脑CPU散热器图。

图4为水冷式外置冷凝器散热系统图。图中表示了冷却水和毛细泵环。

图5为自然冷却式散热系统图。图中表示了微槽群蒸发器、毛细泵环管路和外置冷凝器的连接状况。

图6为笔记本电脑散热系统示意图。图中指明了以笔记本电脑的显示屏背板层和主机背板层作为散热面的状况。

附图标记列示如下：

1-微槽群蒸发换热元件；11-微毛细槽；11A-竖向槽；11B-横向槽；2′-蒸发板；2-微槽群蒸发器；3-冷凝器；3′-水冷式冷凝器；4-液体(蒸发剂)：5-风扇；6-CPU芯片；6′-发热体；10-CPL即毛细泵环；20-CPL中蒸汽部分；30-CPL中液体部分。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

关于本发明中的微槽群蒸发换热元件：

微槽群蒸发换热元件一般是指在一任意尺寸的平板上刻上密集的微细直槽，微槽内产生的毛细力使液体吸入微槽内。每个槽内液体在三相(气、液、固)接触线附近有一微小的弯月面，该弯月面的蒸发具有极大的局部换热系数。通过设计最佳的尺寸及结构布局，其换热量有可能高于或几倍于一般池内沸腾的临界热负荷。且具有换热尺寸任意，总换热量极大等特点。因而该换热技术有可能在今后超微电子及微系统器件散热以及航天器部件散热等方面，有着重要的应用前景。其创新点可以概括为：开发了新一代高性能冷却技术，为国际上相关领域的最先进应用技术；区别于以往被动冷却元件体积较大而无法适应现代高技术所要求的微冷系统，该技术可以奠定今后微冷系统技术的基础。其采用的关键技术为：揭示微槽内相变传热传质及临界热负荷产生的机理；针对开式微槽群蒸发传热面，得到最佳的微槽尺寸参数及最佳结构设计(多层、组合微槽及外置型毛细力强化结构等)；针对不同液体工质，利用TiO₂材料或其它亲水材料对微槽群面进行超亲水处理，得到强化的微槽群蒸发换热元件。

如图1所示的毛细微槽蒸发原理图，包括微槽群蒸发换热元件1的结构图和局部放大图。图中Q为发热体热流，并用实心箭头表示了热流方向；圆环及空心箭头表示局部放大区域与吸热蒸发；图中同时表示了微毛细槽11内的液体分布形状。局部放大图指明了槽顶、三相接触线、吸附层、弯月面、蒸发微液膜的层次或位置状况。微毛细槽11内产生的毛细力能够使液体吸入槽内，从而使槽内液体在气、液、固三相接触线附近形成弯月面蒸发换热。

如图2所示的微槽群蒸发换热元件1的结构，包括蒸发面上的微毛细槽11，呈纵向利横向分布，即竖向槽11A和横向槽11B。微毛细槽为直槽，槽宽为0.01-1mm，槽深为槽宽的1-4倍；而且槽宽可进一步优选为0.1-0.5mm。当然微毛细槽也可以为非直槽。

如图3所示的强制空冷式台式电脑CPU散热器，图中表示出了利用现有配置的风扇对冷凝器3进行强制空冷的状况，包括CPU芯片6、微槽群蒸发换热元件1及其毛细微槽、蒸发板2′、冷凝部分即冷凝器3、风扇5、液体4的位置状况。通过风扇5对冷凝器3进行强制空冷，更进一步系统的提高换热能力。

关于本发明中的CPL系统即毛细泵环系统：

CPL技术已经应用于航天器的散热问题。由于航天器内部器件产生的热量必须带到远离发热体的表面进行换热冷却，蒸发器通过蒸发将发热体产生的热量由蒸汽通过蒸气管路带到冷却部位，冷凝后成为液体并由液体通路回到蒸发器。流体循环的驱动力由蒸发器上的毛细力产生。但一般航天器上的发热体的热流密度不是很高，蒸发器表面上可通过极微细槽(或孔)结构来达到较大的毛细驱动力。目前国际上CPL系统中蒸发器的最大热流密度较小。主要原因是因为目前的CPL只能将蒸发面和毛细力微槽(或孔)做成一体结构，而很难同时实现高蒸发热流密度和高毛细驱动力，因而临界热流密度较低。

对于空间相对较大的台式计算机的冷却系统，蒸发部件和冷凝部件可以做成一体式，因而可不考虑CPL系统。但对空间狭小且热流密度大的笔记本式电脑冷却，将热量带到电脑显示屏背面冷却已是多数人的共识，而当蒸汽和冷凝液体共用一个回路时(热管式)会大大限制总的换热临界量。本研究将开发出一种新型的CPL系统，实现高热流的传输系统。其创新点可以概括为：采用多项新技术的新型CPL系统，可同时适用于普通重力及微重力条件；将微槽蒸发面和液体毛细驱动结构分开设计，实现蒸发器的高临界热流密度。其采用的关键技术为：蒸汽输送管路及液体回路的设计，由于整个CPL回路中不设置液泵，回路的几何设计将决定回路系统中的各节点压力，从而决定是否正常运行。单向阀设置技术，为充分保证蒸气与液体单向流动，在管路中设置单向阀。回路与蒸发器的对接技术，由回液管回流的液体必须连续补充到蒸发器内，最佳设计方案是要将液体连接补充到蒸发面上，从而可以克服重力对流动的阻力影响，同时可利用微槽群内毛细力形成的负压增大液体回流的驱动力。

关于本发明中的强化微型冷凝器：

由于蒸发热量必须通过冷凝换热器，将蒸汽冷凝为液体后再循环到蒸发器中，因此高效冷凝器的开发亦将变得很重要。本专利开发出能长久维持滴状冷凝的低能表面，由此构成与微型蒸发器功率相匹配的冷凝器。其创新点可以概括为：本研究首次提出了网格状高分子膜的模型，与金属基底形成大面积的高强度配位键，与以往小分子络合物膜相比，稳定性大大增强，不仅可以有效地延长使用寿命，还有可能在规则的网格中形成高密度的核化中心。其采用的关键技术为：高分子网格状络合膜的制备及其在强化微型冷凝器中的应用；冷凝过程的微观机理和强化控制条件；高效冷凝器研制。

如图4所示的水冷式外置冷凝器散热系统，图中表示出了微槽群蒸发换热元件1及其毛细微槽、CPL中蒸汽部分20、水冷式冷凝器3′、CPL中液体部分30、微槽群蒸发器2、发热体6′的位置状况。

如图5所示的自然冷却式散热系统，图中表示出了自然冷却式冷凝器3、CPL即毛细泵环管路10、微槽群蒸发器2(吸热器)的位置状况。微槽群蒸发器2连接毛细泵环管路10，该毛细泵环管路10与冷凝器3相连接。

如图6所示的笔记本电脑散热系统，图中表示出了散热面、导热管、发热芯片、高性能吸热器、电源的位置状况。从图中可以看出，该实施例是以笔记本电脑的显示屏背板层和主机背板层作为散热面，即冷凝器3。高性能吸热器即带有微槽群蒸发换热元件1的微槽群蒸发器。发热芯片即CPU芯片6等。导热管即毛细泵环管路10。微槽群蒸发器通过毛细泵环管路10与冷凝器3相连接，并在笔记本电脑的旋转轴处采用软管路。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。因此，尽管本说明书参照附图和实施方式对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或者等同替换；而一切不脱离本发明的精神和技术实质的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明专利的保护范围当中。

Claims (8)

1.高性能被动式相变散热系统，包括微槽群蒸发器和冷凝器，所述微槽群蒸发器连接有毛细泵环管路，该毛细泵环管路与所述冷凝器相连接，所述微槽群蒸发器包括微槽群蒸发换热元件，该蒸发换热元件的蒸发面上分布有密集的微毛细槽，微毛细槽内产生的毛细力能够使液体吸入槽内，从而使槽内液体在气、液、固三相接触线附近形成弯月面蒸发换热，所述微毛细槽槽宽为0.01-1mm，其特征在于所述微毛细槽槽深为槽宽的1-4倍。

2.根据权利要求1所述的高性能被动式相变散热系统，其特征在于：所述微槽群面层为TiO₂材料层或其它亲水材料层，用于对微槽群面进行超亲水处理。

3.根据权利要求1或2所述的高性能被动式相变散热系统，其特征在于：所述槽宽为0.1-0.5mm，槽深为槽宽的2-3倍。

4.根据权利要求1所述的高性能被动式相变散热系统，其特征在于：所述毛细泵环管路包括蒸气输送管路部分和液体回流管路部分，并且在管路中设置有单向阀。

5.根据权利要求4所述的高性能被动式相变散热系统，其特征在于：所述液体回流管路部分的出口端对接于微槽结构，该微槽结构用于对毛细泵环管路中的回流液体进行毛细驱动。

6.根据权利要求1所述的高性能被动式相变散热系统，其特征在于：所述冷凝器为自然冷却式冷凝器、强制空冷式冷凝器或水冷式冷凝器。

7.用于台式计算机的相变散热系统，包括用于芯片散热的微槽群蒸发器和冷凝器，所述微槽群蒸发器连接有毛细泵环管路，所述微槽群蒸发器包括微槽群蒸发换热元件，该蒸发换热元件的蒸发面上分布有密集的微毛细槽，所述微毛细槽槽宽为0.01-1mm，其特征在于：所述冷凝器位于台式计算机的机箱两侧，所述毛细泵环管路与所述冷凝器相连接，所述微毛细槽槽深为槽宽的1-4倍。

8.用于笔记本电脑等小空间内的散热系统，包括用于CPU散热的微槽群蒸发器和冷凝器，所述微槽群蒸发器连接有毛细泵环管路，所述微槽群蒸发器包括微槽群蒸发换热元件，该蒸发换热元件的蒸发面上分布有密集的微毛细槽，所述微毛细槽槽宽为0.01-1mm，其特征在于：所述冷凝器分别位于笔记本电脑的显示屏背板层和主机背板层，所述毛细泵环管路与冷凝器相连接，并在笔记本电脑的旋转轴处采用软管路，所述微毛细槽槽深为槽宽的1-4倍。

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