CN102121802B - 双面槽道板式脉动热管 - Google Patents

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Abstract

双面槽道板式脉动热管，包括壳体、折板，所述壳体横截面为矩形的封闭箱体；所述折板是由周期性曲折形状构成的曲面板，截面形状为连续三角形、正弦形或其他周期性曲折；所述折板插装在所述壳体中，使所述折板与所述壳体内表面之间形成多条脉动槽道；所述折板的折棱与所述壳体内表面通过不连续点焊连接，使相邻槽道之间形成微缝联通；所述壳体封闭、抽真空并灌充工质。本发明的双面槽道板式脉动热管，集脉动、平板、毛细、强化传热于一身，具有优异的散热冷却性能。其当量导热系数比铝挤压散热器高两个数量级以上，比有关平板热管高2～3倍以上。毛细槽道，使其水平安装也具优良散热功能，使用极为方便。故双面槽道板式脉动热管特别适用于各种芯片及电子元器件的散热冷却。

Description

双面槽道板式脉动热管
技术领域
本发明公开了一种双面槽道板式脉动热管。属于热交换设备技术领域。
背景技术
电子微电子领域芯片、机电领域晶闸管、可控硅整流器、半导体发光二极体(LED)、大规模集成电路(LSLchip)等电子元器件，在生产、生活中使用极为广泛。这些芯片及元器件工作时产生大量热，必需及时散热才能保证设备安全稳定运行。研究表明，电子元器件工作温度一般为-5～+70℃，超过这个范围，单个半导体元件温度每升高10℃，系统可靠性下降50％，超过55％的电子设备失效是由于温度过高引起的。可见，芯片及电子元器件的散热非常重要。
目前对于此类芯片及元器件的散热，一般采用如下两种形式的散热器，即铝挤压散热器与传统热管散热器。
铝挤压散热器散热原理是，利用铝挤压散热器金属底座与发热元件接触，通过导热方式把元器件热量传至散热器表面，再利用风扇对散热器进行强制对流换热，使热量传至周围大气，实现元器件的散热。此种方式的传热本质是导热加对流换热，属于较低效率的传热方式。
传统热管散热器工作原理是，工质在热端吸热相变为蒸汽，蒸汽流向冷端放热冷凝成液体，然后借助重力或吸液芯毛细作用力回到热端吸热，进而循环往复传递热量。由于利用了相变传热，其散热能力较铝挤压散热器有较大提高，属于电子元器件散热的更高一级的形式。
随着科技的进步，实践表明铝挤压散热器其散热能力已发挥到极限，未来将难以满足元器件散热的需要。传统热管散热器虽然其散热效果较铝挤压散热器更强，其散热能力同样面临严峻考验。例如笔记本电脑大量使用了传统热管散热器，但由于电脑的极速发展，笔记本电脑就常因发热而影响其稳定工作，发热过甚致使电脑死机、故障、甚至损坏的事情时有发生。
特别是电子微电子领域，集成电路正向着高密度大功率方向飞速发展，芯片单位面积的热流密度迅速递增，目前已达到MW/m2或以上的数量级，发热已严重制约了芯片主频的进一步提高，成为电子微电子技术领域发展的一大瓶颈，寻求一种新技术来解决高热流密度散热问题，成为了当务之急。
脉动热管(pulsating heat pipe，PHP)是Akachi在20世纪90年代初提出的一种新型、高效、可用于微小空间、高热流密度条件下的传热元件，它具有体积小、结构简单、传热性能较好的优点，非常适合芯片及电子元器件散热，具有广阔的应用前景。
脉动热管的工作机理与传统热管具有很大的不同，不同于传统热管工质热端吸热蒸发→蒸汽流向冷端放热冷凝→液体又冷端回流到热端的循环传热形式，脉动热管传热循环过程为工质热端吸热蒸发→工质在流向冷端时发生汽液塞随机产生消失的流动与放热现象(脉动冲击震荡行为)→工质利用自身毛细作用回流热端重新循环。由于脉动热管出现了汽液塞随机产生消失的流动放热过程，致使传热过程热边界层破坏，热阻大为减小，极大强化了热管热量传输能力。另外脉动热管具有自身毛细回流作用，故它在倾角为零的水平状态下仍有很好的传热能力，不像传统热管需借助吸液芯才能完成传热，从而简化了制造工艺、增强了使用灵活性，降低了生产成本。
中国专利200810119311提出的电子器件冷却平板热管，其工作原理为非脉动传热。热管框架与支撑件采用整体钎焊，通道之间没有微缝，产生不了通道间的横向冲刷以强化传热，并且因为整体钎焊增加整个金属厚度增加热阻。中国专利200520011723提出的板状热管，其工作原理为非脉动传热。另外热管通道为方形，无尖锐锐角，通道毛细作用较弱。中国专利201010170205提出一种烧结式平板热管，其通道通过填充金属粉末烧结形成。此种方法会增加整个壳体的厚度，增加热阻，且粉末难于填充密实均匀，也产生不了通道缝隙，通道横向冲刷不存在，不能产生横向冲刷的强化传热作用。中国专利200920246791提出的平板热管，其通道为园型、无微缝。圆形则自身毛细作用弱，如欲增加毛细作用需在圆形通道内加工微槽，工艺复杂。无微缝则通道间无横向冲刷，不能产生横向冲刷的强化传热作用。
从上述公开报道的技术文件来看，受热管工作机理的限制，或受热管结构限制，热管的传热性能尚未达到更佳，热交换效率将难以满足日益苛刻的实际工况的需要。
脉动热管由于特别适合于小空间、高热流密度下传热，其优异的传热特性深受各国学者重视与认同，一经提出就成为科技界研究的热点。虽然脉动热管的高效传热特性已得到普遍认同，但由于脉动传热机理的研究尚未形成统一解释，科技界仍把注意力大量倾注在理论探讨中，脉动热管应用却未引起足够重视。从市场看，虽然芯片及电子元器件散热已成为现今一大难题，但目前市场散热器产品仍停留在铝挤压散热器、传统热管散热器及其改进上。新型传热机理的散热器，特别是双面槽道板式脉动热管散热器尚未出现。
既然脉动热管卓越的传热性能已经有了共识，就应尽快加以推广应用，机理探索可以在实践中逐步开展，二者并行不悖。基于此认识和对脉动热管的研究，结合电子元器件散热现状，本发明提出了一种适用于芯片、电子元器件散热的双面槽道板式脉动热管，以期形成一种新型、高效、实用的散热器，为电子微电子领域、机电领域及日常生产生活使用的各种芯片、电子元器件提供可靠的散热冷却，也为相关领域科技的进步与发展提供有力支持。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术之不足而提供一种结构简单合理、体积小、传热性能良好的双面槽道板式脉动热管，
本发明是采用如下技术方案实现的：
双面槽道板式脉动热管，包括壳体、折板，所述壳体横截面为矩形的封闭箱体；所述折板是由周期性曲折形状构成的曲面板，所述折板插装在所述壳体中，使所述折板与所述壳体内表面之间形成多条脉动槽道；所述折板的折棱与所述壳体内表面通过不连续点焊焊点连接，使相邻槽道之间形成微缝联通；所述壳体封闭、抽真空并灌充工质。
本发明双面槽道板式脉动热管中，所述微缝的长度为5～50mm，微缝宽度为3～30μm。
双面槽道板式脉动热管，包括壳体、折板，所述壳体横截面为矩形的封闭箱体；所述折板是由周期性曲折形状构成的曲面板，所述壳体与所述折板采用一体拉伸成型或一体挤压成型，所述折板处于所述壳体中，所述折板与所述壳体内表面之间形成多条脉动槽道；所述壳体封闭、抽真空并灌充工质。
本发明双面槽道板式脉动热管中，所述折板与所述壳体的端部至少有一端不平齐。
本发明双面槽道板式脉动热管中，所述脉动槽道当量直径为0.5～3.5mm。
本发明双面槽道板式脉动热管中，所述折板的周期性曲折形状的横截面为三角形、梯形或正弦波形中的一种。
本发明双面槽道板式脉动热管中，所述壳体、折板选用铜合金、铝合金、不锈钢中的一种制造。
本发明双面槽道板式脉动热管中，所述工质选自蒸馏水、甲醇、无水乙醇、丙酮、R123、R134a中的一种。
本发明由于采用上述结构，制做的热管结构外形为平板壳体，壳体内部对称分布若干双面脉动槽道。槽道当量直径介于0.5～3.5mm，截面形状为三角形、正弦形、其他周期性曲折形状，使其本身成为具有多个尖锐锐角的毛细通道，采用不连续点焊，使槽道形成不规则微缝槽道。其工作原理及优点简述于下：热管工作时，工质在槽道中发生汽液两相随机分布、汽液塞随机产生与消失、蒸汽主体由蒸发段流向冷凝段、冷凝液主体由冷凝段流向蒸发段的脉动流动传热过程。由于槽道微缝的存在，槽道间工质将产生随机性的横向冲刷，强化了热管的热质交换。
本发明采用双面脉动槽道，即朝向相错多尖锐锐角的单槽道连续并行布置，组合多根槽道共同工作，以形成实用的脉动热管，满足实际散热需要。
本发明采用板式结构外形，便于与外形同为平面的芯片及电子元器件紧密结合，导热面接触良好。
本发明采用插入焊接法制作产生脉动传热的关键结构--双面脉动槽道。
将本发明热管分成两大基本件，一是平板壳体，二是曲折板。平板壳体为长度方向一端敞口的盒体，壳体通过拉伸或挤压成型加工而成。曲折板为截面形状为连续三角形、正弦形或其他周期性曲折的板式波浪板，曲折板通过冲压加工而成。插入焊接槽道具体加工方法为：将曲折板插入壳体，然后沿着曲折板与壳体的接触棱边进行点焊。通过这种方法可以达到如下三个目的：一是曲折板与壳体连为一体增加热管承压能力，二是热管内部形成双面脉动槽道(曲折板棱边与壳体内壁接触，自然形成若干朝向相错、多尖锐锐角的连续并行槽道)，三是在双面脉动槽道的每条棱边上形成系列长5～50mm、间隙3～30μm的不规则微缝。
脉动热管之所以具有优异的传热性能，是基于工质在热管内呈现的脉动冲击震荡行为，这也是其工作原理与传统热管的根本区别所在，显然若能强化冲击效果将有助于热管传热。本发明采用插入焊接槽道可以形成不规则微缝槽道，不规则微缝可以使热管工作时槽道之间产生相互横向冲刷，从而强化传热，提高热管的换热效率。另外，当微缝处于热端时，微缝利于汽泡产生，有助于脉动热管的启动；
本发明采用整体成型的方法制作产生脉动传热的关键结构--双面脉动槽道
通过挤压成型或拉伸成型方法，壳体及内部双面脉动槽道一次性完成，壳体与其内部双面脉动槽道为整体。此法适合加工轴向长度不大的热管，特点是焊接少、成品率高、生产成本底、加工效率高。
本发明采用热管内部双面槽道与壳体两端面至少一处不接触，用于联通内部脉动槽道，有效提高热管工作时内部工质分布及传热的均匀性，也使双面槽道板式脉动热管抽真空及灌液更方便。
本发明制作的热管每个槽道当量直径介于0.5～3.5mm，且槽道有多个尖锐锐角，槽道为毛细通道，使双面槽道板式脉动热管可以克服传统重力无吸液芯热管安装角度不能水平安装的限制，即使水平安装仍具良好传热能力，安装使用极为方便。
本发明采用热的良导体铜合金、铝合金、不锈钢加工双面槽道板式脉动热管，可以有效提高本发明的传热效率。
本发明采用蒸馏水、甲醇、无水乙醇、丙酮、R123、R134a作为工质，材料来源广，价格低。
本发明的双面槽道板式脉动热管，适用于温度范围30℃～170℃热源的热传导或散热，具体适用电子微电子领域各种芯片、机电领域各种电子元器件的散热降温。
本发明解决了目前芯片及电子元器件散热不良的困难，提供一种融合脉动传热、平板化、毛细化、强化传热四方面内容的新型、高效、实用的基础性传热元件----双面槽道板式脉动热管，该热管特别适用于各种芯片及电子元器件的散热冷却。
综上所述，本发明的双面槽道板式脉动热管，兼具脉动传热、平板化、毛细化、强化传热于一身，具有优异的散热冷却性能。发明人分别对现有技术中常用的铝挤压散热器和本发明制备的水-不锈钢双面槽道板式脉动热管进行了实验对比，实验数据显示：铝挤压散热器的当量导热系数为1.8W/cm.k，双面槽道板式脉动热管最大当量导热系数为200W/cm.k，双面槽道板式脉动热管的当量导热系数比铝挤压散热器高出两个数量级以上。相对于已公布的有关平板热管性能，如2004年1月热能动力工程刊载的论文——《重力对微槽平板热管传热性能的影响》，论文所述微槽平板热管最大当量导热系数约为60W/cm.k，双面槽道板式脉动热管，当量导热系数比其高3倍以上。毛细效应的槽道，使其水平安装也具优良散热功能，安装使用极为方便，是一种高效、实用、基础性的平板式热管，特别适用于各种芯片及电子元器件的散热冷却。
附图说明
附图1为本发明实施例1的主视图。
附图2为附图1的左视图。
附图3为附图1的俯视图。
附图4为附图2中A部放大图。
附图5为本发明实施例2的主视图。
附图6为附图5的A-A剖视图。
图中：1-壳体、2-折板，3-脉动槽道，4-焊点，5-微缝。
具体实施方式
以下结合附图对各具体实施例对本发明的结构做进一步阐述。实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。在阅读了本发明内容之后，本领域技术人员对本发明所作的各种改动和修改，同样属于本发明所附权利要求书限定范围。
实施例一
参见附图1、2、3、4，本发明双面槽道板式脉动热管，包括壳体1、折板2，所述壳体1横截面为矩形的封闭箱体；所述折板2是由周期性三角形状构成的曲面板，所述折板2插装在所述壳体1中，使所述折板2与所述壳体1内表面之间形成多条脉动槽道3；所述折板2的折棱与所述壳体1内表面通过不连续点焊焊点4连接，使相邻槽道之间形成微缝5联通；所述壳体1封闭、抽真空并灌充工质蒸馏水；所述折板2与所述壳体1的端部6、7两端不平齐；所述脉动槽道3当量直径为0.5～1mm；所述壳体、折板选用不锈钢制造；所述微缝5的长度为5～50mm，微缝5宽度为3～30μm。
本实施例制备的双面槽道板式脉动热管最大当量导热系数为200W/cm.k、比2004年1月热能动力工程刊载的论文——《重力对微槽平板热管传热性能的影响》，所述的微槽平板热管导热系数高3倍以上，论文所述的微槽平板热管最大当量导热系数约为60W/cm.k。
实施例二
参见附图5、6，本发明双面槽道板式脉动热管，包括壳体1、折板2，所述壳体1横截面为矩形的封闭箱体；所述折板2是由周期性正弦波形状构成的曲面板，所述壳体1与所述折板2采用一体拉伸成型或一体挤压成型，所述折板2处于所述壳体1中，所述折板2与所述壳体1内表面之间形成多条脉动槽道3；所述壳体1封闭、抽真空并灌充工质R123；所述折板2与所述壳体1的端部一端不平齐；所述槽道当量直径为0.5～3.5mm；所述壳体、折板选用铝合金制造。

Claims (8)

1.双面槽道板式脉动热管，包括壳体、折板，其特征在于：所述壳体横截面为矩形的封闭箱体；所述折板是由周期性曲折形状构成的曲面板，所述折板插装在所述壳体中，使所述折板与所述壳体内表面之间形成多条脉动槽道；所述折板的折棱与所述壳体内表面通过不连续点焊焊点连接，使相邻槽道之间形成微缝联通；所述壳体封闭、抽真空并灌充工质。
2.根据权利要求1所述的双面槽道板式脉动热管，其特征在于：所述微缝的长度为5～50mm，微缝宽度为3～30μm。
3.双面槽道板式脉动热管，包括壳体、折板，其特征在于：所述壳体横截面为矩形的封闭箱体；所述折板是由周期性曲折形状构成的曲面板，所述壳体与所述折板采用一体拉伸成型或一体挤压成型，所述折板处于所述壳体中，所述折板与所述壳体内表面之间形成多条脉动槽道；所述壳体封闭、抽真空并灌充工质。
4.根据权利要求1或3所述的双面槽道板式脉动热管，其特征在于：所述折板与所述壳体的端部至少有一端不平齐。
5.根据权利要求1或3所述的双面槽道板式脉动热管，其特征在于：所述脉动槽道当量直径为0.5～3.5mm。
6.根据权利要求1或3所述的双面槽道板式脉动热管，其特征在于：所述折板的周期性曲折形状的横截面为三角形、矩形、梯形、正弦波形或其他周期性曲折的中的一种。
7.根据权利要求1或3所述的双面槽道板式脉动热管，其特征在于：所述壳体、折板选用铜合金、铝合金、不锈钢中的一种制造。
8.根据权利要求1或3所述的双面槽道板式脉动热管，其特征在于：所述工质选自蒸馏水、甲醇、无水乙醇、丙酮、R123、R134a中的一种。
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