CN101762196A - 多通道嵌入吸液芯式平板热管 - Google Patents

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张程宾
施明恒
朱旺法
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Abstract

本发明公开了一种多通道嵌入吸液芯式平板热管,由高导热基板、吸液芯和工作介质构成,在基板的上表面内侧设置有上窄空腔,在基板的下表面内侧设置有下窄空腔,在上窄空腔与下窄空腔之间设置有连通通道,在连通通道之间还设置有贯穿通道;在下窄空腔、上窄空腔、连通通道以及贯穿通道内表面设置吸液芯;工作介质位于基板内部的上窄空腔、下窄空腔、贯穿通道以及连通通道中。本发明多通道嵌入吸液芯式平板热管,不仅大大增加了蒸发和冷凝的有效换热面积,还能实现多个局部高热流点热源产生的热量迅速向大冷却面扩散传播,实现了提高受热面的温度均匀性和降低电子设备表面温度水平的目标,进而保证电子设备系统的安全、稳定、高效工作。

Description

多通道嵌入吸液芯式平板热管
技术领域
[0001] 本发明涉及一种用于多个局部高热流密度热源的电子设备系统的散热,具体涉及
的是一种多通道嵌入吸液芯式平板热管。 背景技术
[0002] 随着电子技术的不断发展,电子设备系统的功率越来越大但物理尺寸却越来越 小,热流密度也随之急剧增加。若无法及时散出电子设备系统所产生的热量,系统温度会急 剧升高。已有的研究表明,电子元器件的温度每升高l(TC,其工作效率降低50%以上,因此 如何实现电子设备的高效散热对提高其系统的可靠性和稳定性至关重要。在电子设备系统 中,单个电子元件或电路的可靠性取决于工作温度,必须为电子元器件提供一个良好环境 以使工作温度不超过相应的额定值。电子元器件工作性能除受工作温度影响外,还需保证 电子设备表面温度的均匀性,局部热点也会导致电子设备内部产生热应力和热变形,从而 影响系统的稳定性和可靠性。因此,进行有效的热分析和热设计,采用高效热控制技术提高 电子设备系统可靠性和稳定性已成为解决此难题的关键。
[0003] 目前,随着微机电系统的快速发展,电子系统正向着集成化和小型化方向发展,印 刷电路板中大量的集成电路芯片无疑产生许多的高温点,形成多热源情况。而传统的散热 方式采用铝制、铜制散热片外加风扇的强迫对流换热方法,只能用于热流密度不大于10W/ cn^的芯片散热,传统的普通热管也只能满足单热源条件下的散热要求,但对于高热流密 度、多热源的电子设备系统,却无法满足散热能力和均温性的双重要求。因此,必须研究和 开发新型高效的散热、均温技术以适应局部高热流密度、多热源的电子电器设备散热要求。 如果温度均匀性和传热能力指标达不到要求,会大大降低电子元器件的工作性能,并且在 某些情况下甚至会导致整个电路板的烧毁。因此对于局部高热流密度、多热源的电子设备 系统,亟待需要研制新型高效的冷却散热装置,消除局部热点的产生以提高多个热源的电 子设备表面温度均匀性,进而保证多个电子元器件在都能在正常的工作温度范围安全、高 效、稳定的工作。
发明内容
[0004] 要解决的技术问题
[0005] 为解决局部高热流密度、多热源电子设备系统散热所需求的散热能力强和均温性
能高的双重难题,本发明提供一种多通道嵌入吸液芯式平板热管,能高效扩散电子设备产
生的热量,减低电子设备表面温度,更能消除局部热点产生,使得电子设备系统表面温度均
匀,为电子设备系统运行的稳定性提供可靠保证。
[0006] 技术方案
[0007] 为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案是:
[0008] —种多通道嵌入吸液芯式平板热管,由高导热基板、吸液芯和工作介质构成,在所 述基板的上表面内侧设置有上窄空腔,在所述基板的下表面内侧设置有下窄空腔,在所述
3的上窄空腔与下窄空腔之间设置有连通所述的上窄空腔与下窄空腔的呈阵列布置的连通
通道,在所述的连通通道之间还设置有连通所述连通通道的贯穿通道;在所述的下窄空腔、
上窄空腔填满所述的吸液芯,在所述的连通通道和贯穿通道内表面也设置所述的吸液芯;
所述的工作介质位于所述基板内部的上窄空腔、下窄空腔、贯穿通道以及连通通道中。
[0009] 所述的基板由上盖板、下盖板以及位于上盖板和下盖板之间的中间板组成,所述
的上窄空腔设置在中间板的上表面或上盖板的下表面,所述的下窄空腔设置在中间板的下
表面或下盖板的上表面。
[OOW] 所述的平板热管基板材料为铜(铜合金)、铝(铝合金)、钢(合金钢)、银等多种 高导热性能金属。
[0011] 所述的平板热管工作介质为为水、氨、丙酮、乙醇、甲醇、液态金属或制冷剂等各种 类型热管工质。
[0012] 所述的平板热管吸液芯为多孔金属泡沫、金属丝网、烧结金属粉末和复合吸液芯 等。在所述的上/下窄空腔内填满吸液芯;在所述的连通通道和贯穿通道内设置吸液芯。 [0013] 所述的贯穿通道设置在连通通道的两端或一端,在连通通道轴向方向的任意位置 也可加设贯穿通道。
[0014] 所述的贯穿通道横截面的形状为矩形、圆形、梯形、弧形等任意形状的多边形,其
内表面可开任意形状的小槽,其小槽形状可为"V"形、矩形、弧形、梯形等任意形状的多边
形。连通通道的阵列布置方式为平行布置、交叉布置等任意不规则方式布置。
[0015] 所述的连通通道横截面的形状为矩形、圆形、弧形等任意形状的多边形,连通通道
内侧壁面可开任意形状的小槽,其小槽形状可为"V"形、矩形、梯形等任意形状的多边形。
[0016] 所述的平板热管冷却方式为空气(也可以为水等多种类型液体或气体工质)强迫
对流换热等多种冷却方式。
[0017] 所述的平板热管的热源为单个热源、两个热源或多个热源,热源之间的相对位置 是可以任意布置的。
[0018] 本发明涉及到的平板热管是利用蒸发窄空腔(热源接触面所在窄空腔,可以是上 窄空腔或下窄空腔,内部充满吸液芯材料)内工作液体吸收多个局部高热流密度热源处热 量而产生蒸发相变,从多个热源点蒸发相变产生的蒸汽迅速通过贯穿通道向各自的四周扩 散进而通过呈阵列布置的多个连通通道达到大面积冷却面,然后在冷凝散热面冷凝,释放 出的热量直接传输给外界冷源。冷凝产生的凝结液通过冷凝窄空腔(冷源接触面所在窄空 腔,下窄空腔或上窄空腔,内部充满吸液芯材料)内的吸液芯向四周渗流进而通过呈阵列 布置的连通通道内的毛细吸液芯抽吸到蒸发窄空腔内的吸液芯,凝结液再次吸收高热流密 度热源热量而产生蒸汽。这样,在毛细泵的驱动下实现了热管内工质毛细相变换热循环。由 于该发明所涉及到的热管能将多个(含单个)局部高热流热源点产生的热量迅速通过汽化 潜热带走,由于汽化潜热大,因此能瞬时降低受热面的温度水平,并可有效消除局部热点的 产生,使得平板热管受热面具有优越等温性能,进而保证电子元器件的安全、稳定、高效工 作。
[0019] 本发明提供一种为多个局部高热流密度热源的电子设备系统散热的新型高效的 多通道嵌入吸液芯式平板热管。在该型平板热管使用中,热管可以位于任意倾斜角度下工 作(包括水平和垂直工况),也就是说,在顺重力和逆重力条件下均能工作。当具有多热源的受热面(蒸发段)位于上(下)侧时,其对应的冷却面(冷凝段)位于下(上)侧。对 于热管处于水平状态且热源位于下侧工况时,连通上下空腔的呈阵列布置的多个圆柱形通 道内壁可以不需要吸液芯,但上/下窄空腔内还是要布满吸液芯。除此工况外,连通通道内 壁、上/下窄空腔内都要布置吸液芯。
[0020] 上/下窄空腔内填满毛细芯,不仅大大增加了有效的蒸发和冷凝换热面积,还为 蒸发/冷凝面提供了流体流动的多向输运通道,可及时输送补充多个局部高热流密度点蒸 发相变的所需液体工质。进而消除了多个热源点可能产生的局部热点,有效保证了平板热 管受热面温度的均匀性并大大降低了受热面的温度水平。
[0021] 贯穿通道的布置,使得由多个局部高热流密度热源导致的液体蒸发相变产生的蒸 汽可快速向四周扩散并贯穿到整个蒸汽腔,进而有效地通过呈阵列布置的连通通道流向冷 凝面,使其在冷凝面所在窄空腔内凝结成液体。冷凝段的贯穿通道使得蒸汽也可向冷凝窄 空腔的整个平面扩散,从而保证了冷凝面温度的均匀,消除了局部高温的现象,扩大了冷源 侧的对流换热系数,进而达到降低受热面温度的目的。
[0022] 呈阵列布置的连通通道,大大增加了吸液芯的布置面积,进而大幅度扩展了凝结 液毛细流向蒸发面所在窄空腔的输送途径,对于满足多热源蒸发相变所需凝结液从各个方 向得到及时高效补充具有积极意义。 [0023] 有益效果
[0024] 本发明涉及的多通道嵌入吸液芯式平板热管,不仅大大增加了蒸发和冷凝的有效 换热面积(由蒸发/冷凝窄空腔内吸液芯来实现),还能实现多个局部高热流点热源产生的 热量迅速向大冷却面扩散传播,并能大幅度扩展凝结液从冷凝面所在窄空腔毛细流向蒸发 面所在窄空腔的输送途径。以上这些有利因素大大强化了热管的传热性能,能有效地消除 多个局部高热量密度热源点可能产生的局部热点,提高受热面的温度均匀性并降低电子设 备表面温度水平,进而保证电子设备系统的安全、稳定、高效工作。另外,该型热管还可以在 任意倾斜角度下工作(包括水平和垂直工况),使得该型热管换热器的使用不受热源点位 置所限制。
附图说明
[0025] 图1多通道嵌入吸液芯式平板热管立体示意图。 [0026] 图2本发明连通通道与贯穿通道连接示意图。 [0027] 图3本发明平板热管内吸液芯布置(局部剖面)。 [0028] 图4本发明平板热管工作原理示意图。
[0029] 图中1.上盖板;2.中间板;3.下盖板;4.连通通道;5.贯穿通道;6.上窄空腔; 7.下窄空腔;8.吸液芯;9.蒸发段;10.冷凝段;11.高热流密度热源;12.冷源;13.蒸气;
14.凝结液
具体实施方式
[0030] 下面结合附图进行更进一步的详细说明:
[0031] 图1给出了平板热管立体图,一种多通道嵌入吸液芯式平板热管,由高导热基板、 吸液芯和工作介质构成。基板可以采用分体式加工方式,即由上盖板1、下盖板3以及位于
5上盖板1和下盖板3之间的中间板2组成。在基板的上表面内侧设置有上窄空腔6,在基板 的下表面内侧设置有下窄空腔7。上窄空腔6设置在中间板3的上表面或上盖板1的下表 面,下窄空腔7可设置在中间板2的下表面或下盖板3的上表面。在上窄空腔6与下窄空 腔7之间设置有连通通道4,在上窄空腔6、下窄空腔7以及连通通道4内均设置有吸液芯 8,在连通通道4之间还设置有连通连通通道4的贯穿通道5,贯穿通道5设置在连通通道4 的两端。
[0032] 贯穿通道5横截面的形状为矩形、圆形、弧形、梯形等任意形状的多边形,其内表
面可开任意形状的小槽,其小槽形状可为"V"形、矩形、梯形等任意形状的多边形。连通通
道4横截面的形状为矩形、圆形、弧形、梯形、三角形等任意形状的多边形,连通通道内侧壁
面可开任意形状的小槽,其小槽形状可为"V"形、矩形、梯形等任意形状的多边形。
[0033] 工质处在上窄空腔6、下窄空腔7、连通通道4、贯穿通道5这四者的吸液芯内和连
通通道4和贯穿通道5这二者的蒸汽腔中,上下窄空腔(6、7)保证了平板热管上下表面温
度的均匀。内表面吸液芯8保证了该型热管具有强劲的毛细力和足够的蒸发和冷凝面积,
呈阵列布置的连通通道4提供了蒸汽和工作液体的流动通道,保证了上下窄空腔内工质的
连续。贯穿通道5能迅速实现蒸汽向四周扩散,消除局部热点的产生。
[0034] 图2给出了内部纵横通道单元体示意图,该图能清晰的表达本发明涉及的平板热
管内部结构。
[0035] 图3给出了本发明平板热管内局部吸液芯布置。在下窄空腔、上窄空腔填满吸液 芯,在所述的连通通道和贯穿通道内表面设置吸液芯。
[0036] 图4给出了本发明平板热管工作原理图。平板热管的工作原理为蒸发段9(上窄 空腔6或下窄空腔7)内吸液芯中工作液体在高热流密度热源11作用下吸收热源热量发生 蒸发相变,产生的蒸汽13通过贯穿通道5内向四周扩散,经过呈阵列布置的连通通道4到 达冷凝段IO,最终在冷源的作用12下释放出潜热而使蒸汽冷凝成液体进入冷凝面所在窄 空腔内吸液芯,凝结液14在毛细力的作用下不断流向热源所在面的窄腔内,毛细吸液芯内 的工作液体再次吸收热量,再次蒸发,如此不断循环,而带走热量。由于多处热源点蒸发相 变所需的凝结液14能从其四周得到及时有效的补充使得浸在吸液芯中的工质始终处于气 液饱和状态,保证了平板热管表面温度均匀性的要求。本发明涉及到新型平板热管具有消 除局部热点和提高温度均匀性的优势,解决多热源条件下电子设备系统散热难题。

Claims (8)

  1. 一种多通道嵌入吸液芯式平板热管,由高导热基板、吸液芯和工作介质构成,其特征在于:在所述基板的上表面内侧设置有上窄空腔,在所述基板的下表面内侧设置有下窄空腔,在所述的上窄空腔与下窄空腔之间设置有连通所述的上窄空腔与下窄空腔的呈阵列布置的连通通道,在所述的连通通道之间还设置有连通所述连通通道的贯穿通道;在所述的下窄空腔、上窄空腔填满所述的吸液芯,在所述的连通通道和贯穿通道内表面也设置所述的吸液芯;所述的工作介质位于所述基板内部的上窄空腔、下窄空腔、贯穿通道以及连通通道中。
  2. 2. 根据权利要求1所述的多通道嵌入吸液芯式平板热管,其特征在于:所述的贯穿通 道设置在连通通道的两端或一端。
  3. 3. 根据权利要求2所述的多通道嵌入吸液芯式平板热管,其特征是:所述的贯穿通道 横截面的形状为矩形、圆形、梯形、弧形或三角形。
  4. 4. 根据权利要求1所述的多通道嵌入吸液芯式平板热管,其特征在于:所述的基板由 上盖板、下盖板以及位于上盖板和下盖板之间的中间板组成,所述的上窄空腔设置在中间 板的上表面上或上盖板的下表面,下窄空腔设置在中间板的下表面或上盖板的上表面。
  5. 5. 根据权利要求1所述的多通道嵌入吸液芯式平板热管,其特征在于:所述的连通通 道截面形状为圆形、矩形、弧形、三角形或梯形。
  6. 6. 根据权利要求1所述的多通道嵌入吸液芯式平板热管,其特征在于:所述吸液芯为 多孔金属泡沫、金属丝网、烧结金属粉末或复合吸液芯。
  7. 7. 根据权利要求1所述的多通道嵌入吸液芯式平板热管,所述的基板材料为铜、铜合 金、铝、铝合金、钢、合金钢或银。
  8. 8. 根据权利要求1所述的多通道嵌入吸液芯式平板热管,所述的工作介质为水、氨、丙 酮、乙醇、甲醇、液态金属或制冷剂。
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