CN101210785A - 仿生动力驱动型热管散热器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种仿生动力驱动型热管散热器，包括：其空心内腔内装有多孔芯体材料的空心平板基底；分别连接于空心平板基底侧端的的空心管道体；空心管道体内腔种充填有多孔芯体材料或在所述空心管道体内腔壁上开有微槽道；多孔芯体材料的毛细孔隙和所述的微槽道分别与空心平板基底的空心内腔相通；多孔芯体材料的毛细孔隙或所述微槽道内充满蒸汽或液态工质；本发明的仿生动力驱动型热管散热器仿照高大植物利用其叶片表面的水份蒸腾作用驱动树干内部实现远距离流体输运的原理，以热管方式实现热量传输，可作为高功率密度光电器件的理想散热机构；使用时将其贴附于电子器件发热端，即可实现高效散热。

Description

仿生动力驱动型热管散热器

技术领域

本发明涉及一种仿生动力驱动型热管，特别涉及一种仿高大植物利用其叶片表面的水份蒸腾作用而驱动树干内部流体实现远距离输运的以热管方式实现热量传输的仿植物叶片表面蒸腾作用的仿生动力驱动型热管散热器。

背景技术

近年来，计算机、微电子、光电芯片等一直是朝着提高集成度、减小尺寸及增加时钟频率的趋势发展，“热障”问题因此日显严峻。按照著名的“摩尔定律”推算：计算机芯片上的晶体管使用量18个月翻一番，那么到2010年，芯片上晶体管使用数量将突破10亿，此时，芯片耗能和散热问题也凸现出来。实际上，现有AMD桌面Athlon 1200MHz产生的热量已达66瓦，一颗Pentium4@2 GHz芯片的消耗功率更高达75瓦。由此带来的过高温度将降低芯片的工作稳定性，增加出错率，同时模块内部与其外部环境间所形成的热应力会直接影响到芯片的电性能、工作频率、机械强度及可靠性。事实上，不仅对于计算机芯片，对于大量功率电子设备、光电器件以及近年来发展迅速的微/纳电子机械系统等，都存在着类似的广泛而迫切的散热冷却需要，有的情况下甚至要求更高，比如，一些微系统的热流密度已高达10³W/cm²。这些态势都表明，目前对高性能散热技术的需求已提到了前所未有的层面，相关研究是多个学科领域共同的前沿和关注的重大课题。

计算机芯片技术发展对高性能散热方法的迫切要求与实际应用的广阔空间，使得对超高热流密度光电子芯片、微系统的散热技术研究成为国际上异常重要而活跃的研究领域。当前的技术现状是，各类计算机芯片普遍采用受迫对流空气来冷却发热器件，即通过扩展肋片，改进气流分布，增大风压，将冷却空气压送至散热器件表面以将该处热量散走，此种方式的冷却效率与风扇速度成正比，因而会产生明显噪音；而且一旦微器件发热密度过高时，空气冷却将很难胜任。目前，气冷方式的散热能力已渐趋极限，难以适应功耗继续增加的需要，特别是在如多核台式机、笔记本电脑等设备的狭小受限空间中更是如此。随着计算机芯片集成度的飞速增长，要求的换热强度越来越高，采用水冷或热管散热的方式已提到日程上来，相应产品相继出现在市场上。液体因单位体积热容远大于气体，作为循环工质能够提供更高的冷却功率，是一种较佳选择。据业界人士分析，液冷可能会成为一个主流。实际上就计算机CPU的散热问题而言，Intel、NEC、松下、日立等国际著名公司新近都推出了基于液冷的散热方案。然而，这类液体冷却虽然效率较高，但在运行中必须依赖驱动装置，这无疑会使整套散热系统的体积增大，功耗提升。也因如此，长期以来，围绕液体冷却中的驱动泵开展研究，一直是工程师们的重大努力方向。与之相比，热管作为一种无外力驱动的基于相变传热的冷却方式，可以达到较之单相流体更高的热流转移通量，因而目前其应用颇为引人瞩目。

可以认为，在众多的高效散热方法中，热管技术在性能上表现突出。它以毛细力作为循环动力，又以相变(蒸发与凝结)换热作为传热的主要方式，具有传热能力大、质量轻、温度控制能力强、传热效率高等特点，迄今在许多领域内被竞相加以探索，其在计算机元器件散热方面的应用正如火如荼。

采用相变传热与单相传热或导热相比，所需工质少，热传输量大，因而可减轻重量。热管运行的推力来自毛细芯的抽吸力，要使热管正常工作，必须使毛细压差大于流体流动的总压降，因而如何选择和制作毛细抽吸力较大的毛细芯是一个关键。但是，当芯片发热密度过高时，会导致热管内部液体全部蒸发干，从而工质难以完成正常的循环输运，于是会引起烧毁现象发生，对于超高功率的发热元件，热管散热存在工作极限，必须突破其现有热量及工作流体传输的途径。考虑到上述因素，本发明提供一种新的热管方案，可以实现形式更加多样化且无烧干风险的热管散热器。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种仿生动力驱动型热管散热器，特别涉及一种仿照高大植物利用其叶片表面的水份蒸腾作用驱动树干内部流体实现远距离输运的原理，以热管方式完成热量传输的仿生动力驱动型热管散热器，可作为高功率密度器件中的理想散热机构。其概念新颖，基于叶片表面的水份蒸腾作用驱动流体的输运，同时又部分采纳了热管换热的概念，是液冷与热管散热方式的优势结合。

本发明的技术方案如下：

本发明提供的仿生动力驱动型热管散热器，包括：

一空心平板基底1；所述空心平板基底1的空心内腔内装有多孔芯体材料21；

分别连接于所述空心平板基底1侧端的空心管道体11；所述空心管道体11内腔中充填有多孔芯体材料或在所述空心管道体11内腔壁上开有微槽道；所述多孔芯体材料的毛细孔隙和所述的微槽道分别与所述空心平板基底1的空心内腔相通；

所述多孔芯体材料的毛细孔隙或所述微槽道内充满蒸汽或液态工质15。

本发明提供的仿生动力驱动型散热装置，还可进一步包括安装在所述空心管道体11或空心平板基底1的外壁上的用于强化传热的散热肋片5。

所述的空心平板基底1为铝、铜、银或硅材质的空心平板基底。

所述的空心管道体11为2-10个。

所述多孔芯体材料21为铝网、铜网、银网或碳纳米管。

所述微槽道的横截面形状为正方形、三角形或圆形。

所述多孔芯体材料为碳纳米管。

所述散热肋片5为2到1000枚。

所述多孔芯体材料的毛细孔隙或所述微槽道内填充的液态工质15为纯水、酒精、氨、R134a、水银或金属镓。

本发明所述的散热装置中的每一部件既可单独组成一个散热器，也可堆叠和焊接在一起形成平行的顺流或逆流换热器。

本发明装置的运行易于理解，沿空心管道体11内壁可设置微槽道，或铺设一定多孔芯体材料(如碳纳米管)，多孔芯体材料的毛细孔隙中充满着液态工质15(如水、酒精、氨、R134a、水银或金属镓等)，空心管道体11为液态工质15的流通通路；于是，当空心平板基底1接触热源时，热量将通过空心平板基底1传给多孔芯体材料及其内充满的液态工质15，于是温度升高后的液态工质15在多孔芯体材料的自由表面上的蒸发将加强；蒸发空间内的蒸汽压力可表示为P1；与此同时，散热器其他部位如空心管道体11表面及肋片5处于自然排热状态，称为排热段或凝结段，此段中的蒸汽饱和压力用P2表示；于是，在压差(P1-P2)的作用下，液态工质15产生的蒸汽由蒸发空间表面流动进入到空心管道体11的内腔中，并沿途凝结下来，放出汽化潜热。这样，热量即通过凝结液、多孔芯体材料和空心管道体11的管壁传到外界热沉中去。蒸汽放出潜热后凝结成液态工质液体15，再通过空心管道体11的吸液芯所具备的毛细力的驱动回流到多孔芯体材料中，由此，即完成一个流动循环。

本发明的关键之处在于引入了仿照叶片(在本发明中相当于平板基底1中的多孔芯体材料表面)表面的水份蒸腾作用驱动树干(在本发明中指的是平板基底1底部)内部流体输运，从而以热管方式实现热量传输的仿生动力驱动型散热装置概念，在技术内涵上大大丰富了传统热管技术及需依赖驱动泵运行的液冷散热器，综合了液体冷却及热管散热的方式，是传统芯片散热技术的一个重要拓展。

本发明的优点在于：首先，采用叶面蒸腾原理的驱动力更大，由此作成的散热器传热能力比传统热管更高，且不易出现烧干现象，是满足发热功率更大的器件的理想散热方式。正是由于这些综合因素，使得本发明相比于以往的热管或液冷散热器，更能适应今后大功率器件的需要。

附图说明

附图1为仿生动力驱动型热管散热器的结构示意图；

附图2为仿生动力驱动型热管散热器的纵截面示意图；

附图3为仿生动力驱动型热管散热器的空心平板基底1的横截面示意图；

附图4为仿生动力驱动型热管散热器中传输管道11的横截面示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步描述本发明：

附图1为本发明的仿生动力驱动型热管散热器的结构示意图，也是本发明的一个实施例；附图2为仿生动力驱动型热管散热器的纵截面示意图；附图3为仿生动力驱动型热管散热器的空心平板基底1的横截面示意图；附图4为仿生动力驱动型热管散热器的传输管道11的横截面示意图。由图可知，本发明提供的仿生动力驱动型热管散热器，包括：

一工作时与发热面相连的空心平板基底1；所述空心平板基底1的空心内腔内装有多孔芯体材料21；

分别连接于所述空心平板基底1侧端的的空心管道体11；所述空心管道体11内腔种充填有多孔芯体材料或在所述空心管道体11内腔壁上开有微槽道；所述多孔芯体材料的毛细孔隙和所述的微槽道分别与所述空心平板基底1的空心内腔相通；

所述多孔芯体材料的毛细孔隙或所述微槽道内充满蒸汽或液态工质15。

本发明提供的仿生动力驱动型散热装置，还可进一步包括安装在所述空心管道体11或空心平板基底1的外壁上的用于强化传热的散热肋片5。

所述的空心平板基底1为铝、铜、银或硅材质的空心平板基底。

所述的空心管道体11为2-10个。

所述多孔芯体材料21为铝网、铜网、银网或碳纳米管。

所述微槽道的横截面形状为正方形、三角形或圆形。

所述多孔芯体材料为碳纳米管。

所述散热肋片5为2到1000枚。

所述多孔芯体材料的毛细孔隙或所述微槽道内填充的液态工质15为纯水、酒精、氨、R134a、水银或金属镓。

空心平板基底1与需要散热散热元件发热端连接，空心平板基底1可采用金属如铝、铜、银或半导体材料如硅等制成，空心平板基底1可为带散热肋片5的平板型，长宽高尺寸可在1cm×1cm×1cm到50cm×50cm×10cm之间，也可为更多形状；空心平板基底1内腔中装有金属材质的多孔芯体材料21，多孔芯体材料21的孔隙结点尺寸可在10nm到0.5cm之间，作为工作液体的加热及蒸发表面，这类似于高大植物的叶面蒸腾位置，多孔芯体材料21也可作成树叶状或更多结构；空心平板基底1壁面上下设置有入口及出口，分别与液体传输管道体11连接，由此构成循环通路，传输管道体11高度在10nm到1cm之间，其中所述多孔芯体材料21的丝网格点尺寸，和设置在传输管道体11内壁上的微槽道的直径可在10nm到0.5cm之间，这样可产生显著的毛细抽吸力，于是易于将蒸发空间内不断生成的工作液蒸汽2抽吸到传输管道体11，再输运到空心平板基底1内的多孔芯体材料；循环往复，即可完成热量的持续输运。传输通道的横截面形状可为正方形、三角形或圆形等。安装在所述空心管道体11或空心平板基底1的外壁上的用于强化传热的散热肋片5，用于强化传热；散热肋片数目可在2到1000之间；单枚肋片5的长宽高尺寸可在10nm×10nm×10nm到50cm×50cm×1cm之间，其形状可多样化；空心平板基底1上表面也可采用类似的散热肋片结构，但并非必须。

本发明提供的散热器流体的封装是这样进行的，在真空室内将各结构组合后，仅留一开口，作为封装口，之后对散热器内部总体抽成真空，完成此过程后，将工作液体介质沿此封装口注入到整个系统中，最后再予以封装，即形成仿生动力驱动型热管散热机构，这一过程完全类似于热管流体的封装，是常规技术，易于实现。使用本散热器时，将其基底1贴附于发热器件表面，即可实现高效的散热作用。根据需要，整个散热器的结构及尺寸可加以调整，散热器各部件所有材料均可采用金属如铝、铜、银或半导体材料如硅等制成，吸液芯可采用金属丝网如铝、铜、银网或碳纳米管等制成。流体介质也可采用多种工质，如水、酒精、氨、R-134a，甚至是液态金属如水银等。本发明提供的热管散热器也可通过加工技术直接制做在待散热的器件表面上。

附图1所示的仅是本发明提供的一种仿生动力驱动型热管散热器，空心平板基底1的两侧端带有传输管道体11。实际上，本发明装置的结构并不限于此。比如，空心平板基底1四周壁上均可开设管道口，用于连接更多的传输管道体，而且，管道体形状并非单一的平板形，可根据应用场合设置更多灵活的管路方案；空心平板基底1内部多孔芯体材料的形状也不限于此，比如多孔芯体材料21也可作成树叶状或更多结构。

本发明提供的仿生动力驱动型热管散热器在驱动方式上与传统液冷及热管有显著区别。其管道类似于传统的液体循环通道，但管路中不设驱动泵，而在蒸发界面及热管结构布置上又与传统热管有明显差别，实际上是液冷与热管散热的结合技术，综合了两大类技术的优势。

本发明的仿生动力驱动型热管散热器具有很多优点，首先，采用叶面蒸腾原理的驱动力更大，由此作成的散热器传热能力比传统热管更高，且不易出现烧干现象，是满足发热功率更大的器件的理想散热方式。正是由于这些综合因素，使得本发明相比于以往的热管或液冷散热器，更能适应今后大功率器件的需要。

本发明的仿生动力驱动型热管散热器可方便地用于将器件产生的热量从其表面导走。以实施例1为例，使用本发明专利的方式如下：将本平板式热管紧贴于器件表面，二者之间的接触面采用高导热率油脂以增加传热效果；并且可根据待散热表面面积大小，选择不同大小的散热器即可。于是，器件内产生的热量即可由多孔芯体材料表面传输到周围的管道壁上，直至释放到外环境中，从而维护器件的正常工作。

Claims (9)

1.一种仿生动力驱动型热管散热器，包括：

一空心平板基底(1)；所述空心平板基底(1)的空心内腔内装有多孔芯体材料(21)；

分别连接于所述空心平板基底(1)侧端的的空心管道体(11)；所述空心管道体(11)内腔种充填有多孔芯体材料或在所述空心管道体(11)内腔壁上开有微槽道；所述多孔芯体材料的毛细孔隙和所述的微槽道分别与所述空心平板基底(1)的空心内腔相通；

所述多孔芯体材料的毛细孔隙或所述微槽道内充满蒸汽或液态工质(15)。

2.按权利要求1所述的仿生动力驱动型热管散热器，其特征在于，还进一步包括安装在所述空心管道体(11)或空心平板基底(1)的外壁上的用于强化传热的散热肋片(5)。

3.按权利要求1或2所述的仿生动力驱动型热管散热器，其特征在于，所述的空心平板基底(1)为铝、铜、银或硅材质的空心平板基底。

4.按权利要求1或2所述的仿生动力驱动型热管散热器，其特征在于，所述的空心管道体(11)为2-10个。

5.按权利要求1或2所述的仿生动力驱动型热管散热器，其特征在于，所述多孔芯体材料(21)为铝网、铜网、银网或碳纳米管。

6.按权利要求1或2所述的仿生动力驱动型热管散热器，其特征在于，所述微槽道的横截面形状为正方形、三角形或圆形。

7.按权利要求1或2所述的仿生动力驱动型热管散热器，所述多孔芯体材料为碳纳米管。

8.按权利要求1或2所述的仿生动力驱动型热管散热器，其特征在于，所述散热肋片(5)为2到1000枚。

9.按权利要求1或2所述的仿生动力驱动型热管散热器，其特征在于，所述多孔芯体材料的毛细孔隙或所述微槽道内填充的液态工质(15)为纯水、酒精、氨、R134a、水银或金属镓。

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