CN102506598A - 一种带超声振动雾化装置的重力辅助回路热管 - Google Patents

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闵旭伟
方民
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Abstract

本发明公开了一种带超声振动雾化装置的重力辅助回路热管，包括蒸发腔、冷凝段、将两者闭合连通为循环回路的气相管和液相管，冷凝段在蒸发腔的上方，蒸发腔内腔底部设有超声振动雾化装置，蒸发腔顶面设有若干与外界连通的槽口；蒸发腔上方设有基板，基板底面固定有若干底面穿过蒸发腔上对应槽口的被冷却芯片，被冷却芯片四周侧面分别与槽口密封连接。本发明的装置涉及的工艺成熟，根据被冷却芯片形状和在基板的布置位置，可以灵活的改变蒸发腔的结构，可以良好的适应芯片阵列的冷却。特别对于在地面高热流密度耗功电子芯片阵列，如高端CPU、大功率LED灯、通信设备等的冷却及热控制方面有很大的应用前景，实用性强。

Description

一种带超声振动雾化装置的重力辅助回路热管
技术领域
本发明属于传热元件制备领域，具体是涉及一种带超声振动雾化装置的重力辅助回路热管。
背景技术
一方面，四十年来，人们通过对MOSFET(金属-氧化层-半导体-场效晶体管)尺寸的等比例缩小来不断提高电子器件的性能并降低电子器件的成本。目前，以CMOS器件等比例缩小为动力的硅集成电路技术已迈入纳米尺度，并将继续保持对摩尔定律的追求，进一步缩小器件尺寸，以满足芯片微化、高密度化、高速化和系统集成化的要求。例如，Intel公司基本上两年更换一次工艺，在2007年推出其首款45nm Penryn处理器。Penryn双核心版本内建4.1亿个晶体管，四核心则有8.2亿个晶体管。2010 Xeon5600首批采用32nm第二代高K金属栅极(HKMG)工艺制造的服务器和工作站芯片，集成11.7亿个晶体管，核心面积248平方毫米。在面积保持不变的情况下，集成更多的晶体管，虽然晶体管本身热性能有一定改善，但总的来说，热设计功耗有逐步增大的趋势。
另一方面，每个元器件或材料都有一定的工作温度范围，超出这个范围可靠性就会急剧恶化，就会导致微处理器的失效。目前关于热失效形式主要有两种观点：一种观点认为热失效是瞬间失效，器件工作时，电流通过引脚以及三极管组成的半导体器件受到一定的阻抗后，电能转变为热量，导致器件内部温度升高，当温度上升到某一值时，器件将因失效而瞬间停止工作，严重时甚至会引起封装材料的燃烧；另一种观点则是认为热失效是一个逐步积累的过程，器件工作时，电子的流动会导致金属原子移动，温度越高，电子流动所产生的作用越大，其彻底破坏CPU内晶体管引线的时间就越少。因此，提出适应高热流密度散热要求的散热装置是一项迫切的任务。
其中，重力辅助回路热管散热就是一项比较有潜力的散热方式，其特点主要在于不使用毛细结构，结构简单、加工方便，依靠重力自然回流，蒸气和液体有各自的通道，蒸发段和冷凝段热阻小，依靠相变传递热量，是一种解决电子器件冷却的方法之一。而目前重力辅助回路热管存在着以下问题：
(1)传统重力辅助回路热管将芯片直接黏贴在蒸发腔外表面，这样不可避免的存在蒸发段管壁与芯片之间的接触热阻，以及热量由接触部分扩散到整个蒸发腔的扩散热阻；
(2)传统重力辅助回路热管蒸发腔内近似于池沸腾状态，芯片热量通过蒸发腔壁传导给蒸发腔内液态工质，蒸发腔内液态工质受热沸腾蒸发，带走热量，而核态沸腾换热随着热流密度的增加所需的过热度也增加，并且临界热流密度比较低。雾化冷却技术主要包括高压喷雾冷却技术和超声振荡雾化冷却技术，即把液体雾化后喷淋到高热流密度散热表面形成一层气液薄膜，并带走热量的冷却过程。雾化冷却形成的两相流体，渗透能力强。气液两相流体上升到散热表面时，由于液态微滴可以达到微米级别，这样在散热表面能形成很多汽化核心，因此具有极高的散热能力。超声振荡雾化冷却具有散热能力高、冷却过程中温差小、工质需求量小、没有沸腾的滞后性、与固体表面之间没有接触热阻等优点。
如果能够将雾化冷却技术和传统的重力辅助回路热管散热技术进行有机的整合，将会有效的解决耗功电子芯片冷却问题。不过高压喷雾冷却技术需要高压泵，需要特制的喷嘴，同时存在需要耐高压的部件或装置，易泄露，喷嘴易堵塞。另外，高压喷雾所得到的雾化液滴颗粒较大，这导致系统工质循环量较大，功耗较大。而超声振荡雾化冷却技术则是一项能够较好的提高沸腾换热效果的技术，且对设备无特殊要求的雾化冷却技术。
美国专利文献(US7,784,972B2)提出了一种应用于LED阵列的热管系统，其利用了超声振动雾化装置，结构如图3，雾化冷却单元301包括基板317、雾化腔体303以及固定在雾化腔体303之间的LED阵列305，雾化腔体303外壁311上设有若干肋片315，雾化腔体303内腔底部设有雾化发生阵列309和开设在雾化腔体303底部的窗口307。实际工作过程中，雾化腔体底部的诱导振动雾化器将位于腔体底部的液态工质雾化，雾化颗粒接触到顶部的LED阵列背部发热源后沸腾气化，侧部肋片吸收过热气体热量并被腔外空气冷却，过热气体被冷却为液体倒流入腔体底部。其主要不足在于过热气体由于浮力的作用会聚集在腔体顶部，包裹LED阵列背部发热源，形成过热气体湖，影响换热性能，其没能利用热管的性能提高其装置的换热潜能。此外，上升的雾化颗粒与下降的液态工质同处一个流道，雾化颗粒易将液体裹挟到顶部，使得底部液态工质匮乏。中国专利文献(CN200910089220.5)公开了一种用于高功率固体激光器的双流体喷嘴雾化冷却封闭系统，其利用压缩机提供高压，高压液体经喷嘴雾化，其特点主要是将制冷系统和喷雾系统实现了有机结合，然而需要额外配置压缩机，成本高，同时对喷嘴的耐高压性能要求较高。
发明内容
本发明提供了一种带超声振动雾化装置的重力辅助回路热管，该装置利用超声振荡雾化装置产生微米量级的雾滴，雾滴依靠雾化装置提供的一部分初始动能和浮升力向上运动，接触芯片散热面，立即沸腾气化，提高了重力辅助回路热管的传热性能和临界换热热流密度，减小了装置热阻和壁面过热度，具有较强的实用性。
一种带超声振动雾化装置的重力辅助回路热管，包括蒸发腔、冷凝段、将蒸发腔的工质出口与冷凝段的工质入口连通的气相管以及将冷凝段的工质出口与蒸发腔的工质入口连通的液相管，冷凝段在蒸发腔的上方，所述的蒸发腔内腔底部设有超声振动雾化装置，蒸发腔顶面设有若干与外界连通的槽口；所述的蒸发腔上方设有基板，基板底面固定有若干底面穿过蒸发腔上对应槽口的被冷却芯片，被冷却芯片四周侧面分别与槽口密封连接，防止工质外泄。
被冷却芯片底面穿过蒸发腔腔壁，使得被冷却芯片四周侧面直接与冷却雾滴接触，大大降低了蒸发腔体管壁与被冷却芯片之间的接触热阻，以及热量由接触部分扩散到整个蒸发腔的扩散热阻，从了大大提高了冷却效率。
为进一步提高冷却效率，避免冷却不均，优选的技术方案中，所述的被冷却芯片交错设置，即其排布方式可选择错列式。另外，蒸发腔底面槽口设置的数量、形状、大小以及排布方式需要根据实际基板上耗功的被冷却芯片的参数一致，需要根据实际需要确定。
为便于蒸发腔内形成的蒸气顺利快速的到达冷凝段，防止倒流，优选的技术方案中，所述的蒸发腔的工质出口位于蒸发腔侧壁上部，形成的蒸气在在浮力作用下能够快速的进入气相管，最后到达冷凝段冷凝。
为便于观察蒸发腔内工质的体积大小，方便操作和调整，优选的技术方案中，所述的蒸发腔顶部与液相管之间设有将两者内腔连通的管道，管道上设有视液镜。视液镜设置的高度需要根据实际运行的工质种类以及超声振动雾化装置的规格等因素确定，其高度一般与工质初始充液高度相等。
为便于工质的充装，便于操作，所述的液相管上设带有阀门的充液管。为方便布置，充液管也可设置在装置的其他管路上，根据实际需要确定。
循环工作的工质可选用常规的多种工质，一般最为常用的循环在热管内的工质包括去离子水、乙醇、甲醇或者丙酮。上述几种工质价格成本低，循环效率较高。
为保证工质液体得到很好的雾化，并且不至于烧干，优选的技术方案中，所述的蒸发腔内的工质液面高于超声振动雾化装置的上表面的高度。工质液面的高度一般根据实际需要确定。
所述的冷凝段可选用多种冷凝方式的冷凝装置，常见的冷凝段包括套管式水冷冷凝段或者板翅式风冷冷凝段。冷凝段冷凝方式的选择一般需要根据实际应用场合选择。
为提高导热效率，所述的气相管、液相管以及其他相关管路可选择导热性能较好的金属管，综合考虑成本和导热性能一般选择铜管，铜管的管壁厚度可根据实际需要确定。
为便于蒸发腔的安装，所述的蒸发腔包括两个开口相向设置的端盖，两端盖开口处通过法兰密封固定，即两端盖开口处分别设有相互配合的法兰面，螺栓穿过法兰面将两筒体密封固定。所述的超声振动雾化装置，其所需动力由供电线供给，供电线穿出蒸发腔与外电源相连，出口处用带胶热缩管密封，操作方便。
本发明中，利用超声振荡雾化装置产生微米量级的雾滴，微米量级的雾滴依靠雾化装置提供的一部分初始动能和浮升力向上运动，接触芯片散热面，立即沸腾气化，雾滴能与芯片良好接触，能够有效的增强蒸发腔内传热，气化后的过热气体经气相管进入冷凝段被外界冷却介质冷却为过冷液体，经过液相管回到蒸发腔底部。
本发明的带超声振动雾化装置的重力辅助回路热管的工作过程为：被冷却芯片开始工作后，热量传导到芯片外表面，同时，蒸发腔内底部的超声振动雾化装置运行，通过其上的雾化片超声振荡将液态工质雾化，微米量级的雾化液滴在浮升力作用下继续上升，接触芯片外表面，吸热沸腾气化。过热的气态工质经过气相管进入冷凝段内部，被冷凝段管外空气或水冷却，过热气态工质转变为过冷液态工质经过液相管回到蒸发腔底部，完成一个循环，实现了把散热元件的热量传导到环境中的目的。
本发明的有益效果体现在：
(1)本发明带超声振动雾化装置的重力辅助回路热管其结构独特，蒸发腔顶部槽口根据基板上耗功的被冷却芯片的位置和形状而制作，被冷却芯片封装后一端面固定在基板上，另一端面通过蒸发腔顶部腔壁槽口伸入蒸发腔顶部内，其缝隙通过耐高温树脂密封。本发明能够很灵活的根据集成电路的形式和结构而相应的变化，一套散热装置可以实现一个或多个芯片的冷却和热控制。并且可以避免蒸发段管壁与芯片之间的接触热阻，以及热量由接触部分扩散到整个蒸发腔的扩散热阻；
(2)本发明带超声振动雾化装置的重力辅助回路热管靠超声振荡雾化装置利用浮升力提供驱动力，微米量级的雾化液滴接触芯片表面后，能形成很多微小的汽化核心，大大减小沸腾的滞后性及所需的过热度，使得换热性能和临界换热热流密度大为提升，使其成为一种解决高热流密度散热的方式；
(3)相对于美国专利文献(US7,784,972B2)，本发明带超声振动雾化装置的重力辅助回路热管装置散热结构合理，有效的利用了重力辅助回路热管的特点，使得吸热气化的过热气体能够通畅的进入冷凝段冷却，冷却后的过冷液体也能顺利的回到蒸发腔底部，不会在被冷却芯片阵列周围形成热空气湖，工质能形成一个有效的循环；
(4)由于本发明的结构特点，冷凝段单独设置，并且可以设置冷却风扇，其冷却能力更好，冷凝段也可以根据需要设置在机箱外，使得封装部分无机械运动部件，实现电子装置部分的完全密封，保证了电子装置部分的防尘防水效果；
(5)本发明带超声振动雾化装置的重力辅助回路热管装置所需的雾化装置具有成熟的生产工艺，加工简单，成本低；
(6)相对于高压喷雾冷却，本发明带超声振动雾化装置的重力辅助回路热管雾化液滴可以达到微米量级，可以极大的减小工质循环量，而且整个装置不存在高压段或高压部件，不易泄露、爆裂或堵塞，系统结构可靠性和制造成本大为降低。
总之，本发明的带超声振动雾化装置的重力辅助回路热管结构简单，制造工艺成熟，根据被冷却芯片形状和在硅基板的布置位置，可以灵活的改变蒸发腔的结构，可以良好的适应芯片阵列的冷却。特别对于在地面高热流密度耗功电子芯片阵列，如高端CPU、大功率LED灯、通信设备等的冷却及热控制方面有很大的应用前景，实用性强。
附图说明
图1为本发明的带超声振动雾化装置的重力辅助回路热管的结构示意图；
图2为图1所示热管的蒸发腔的局部放大结构示意图。
具体实施方式
如图1和图2所示，一种带超声振动雾化装置的重力辅助回路热管，包括蒸发腔1、冷凝段2以及将蒸发腔1的工质出口和冷凝段2的工质入口连接的气相管3，冷凝段2的工质出口与蒸发腔1的工质入口之间通过液相管4连接；蒸发腔1内腔底部装有一超声振动雾化装置5，超声振动雾化装置5上表面装有一雾化片12，蒸发腔1顶部腔壁开有若干与被冷却芯片7位置和形状相对应的槽口，被冷却芯片7封装后一端面固定在硅基板9上，另一端面通过蒸发腔1顶部腔壁槽口伸入蒸发腔1顶部内，且交错设置，其缝隙通过耐高温树脂密封。蒸发腔1顶部与液相管4之间设有将两者内腔连通的管道，管道上设有视液镜8，视液镜8一端与蒸发腔1顶部引出管13相连，另一端通过另一个引出管14与液相管4相连；蒸发腔1在冷凝段2下方，便于液相工质回流至蒸发腔1内；液相管4上装有一充液管10，充液管10上装有一阀门9；蒸发腔1、气相管3、冷凝段2、液相管4依次连接成一个闭合回路。
蒸发腔1由内径50mm、外径55mm的不锈钢管制成，两端端盖用银焊焊接密封，蒸发腔1高12cm，左下端为液态工质入口，右上端为工质出口，左上端有一视液镜连接口，右中端有一供电线15出口。蒸发腔1的底部安装有一超声振动雾化装置5，超声振动雾化装置5上安装有雾化片12，雾化装置5通过供电线15供电。为了保证整个装置的密封性，供电线15出口通过带胶热缩管密封。蒸发腔1外表面包裹聚氨酯保温材料，以减少漏热。被冷却芯片7封装后一端面固定在硅基板6上，另一端面通过蒸发腔1顶部腔壁槽口伸入蒸发腔1顶部内，其缝隙通过耐高温树脂密封，其总的散热面积为3.14cm2。
气相管3采用内径17mm，外径19mm的铜管，液相管4采用内径8mm，外径10mm的铜管其长度根据实际需要确定；气相管3或液相管4的连接接头采用螺纹连接或银焊焊接密封；气相管3、液相管4的外壁均包有绝热材料。
如图2，蒸发腔1由上端盖16和下端盖17组成，两端盖开口处分别设有相互配合的法兰面11，两法兰面之间垫有聚四氟乙烯垫圈，螺栓18穿过法兰面11和聚四氟乙烯垫圈将两筒体密封固定。
供电线15穿出蒸发腔1侧壁后接电源，其采用带胶热缩管密封，带胶热缩管一端搭接在蒸发腔腔壁上，另一端搭接在供电线上，利用热风枪将带胶热缩管热缩固化，即可实现密封。
冷凝段2采用套管式水冷冷凝段，整个装置垂直地面放置，总高度70cm，左端为工质出口，右端为工质入口，其中冷凝段2在蒸发段1的上方。
本实施例中的带超声振动雾化装置的重力辅助回路热管采用去离子水为循环工质，实际测试过程为：首先利用真空泵将整个装置抽真空半小时，然后通过充液管10充注工质，充注时观察视液镜8，当观察到视液镜8出现液态工质时，充液过程结束，关闭阀门9；然后进行实际传热检测，检测结果见表1，其中温度测量采用铜-康铜热电偶(热电偶利用标准二等铂电阻温度计(Model：WZPB-II，中国云南)进行标定)，温度测量的不确定度为±0.1℃，采用Agilent34970A作为数据采集仪。芯片散热功率采用单相功率表(青智ZW1403)测量，芯片散热热流密度为芯片散热功率除以散热面积，被冷却芯片表面温度通过贴在芯片表面的热电偶测量，冷凝段冷却水进口温度通过测量进入套管式换热器的冷却水温度测量得到。当量热阻通过计算得到，其值等于被冷却芯片表面温度减去冷却水进口温度除以芯片散热功率。
表1实施例实验数据记录表
Figure BDA0000104491460000081
从上述表1的实验数据来看，本实施例中的带超声振动雾化装置的重力辅助回路热管运行稳定，特别是在芯片散热热流密度较大时，被冷却芯片温度能维持在比较合理的温度(75℃)以下，并具有较小的当量热阻。因此本实施例可以说明本发明能较好的满足高耗功电子器件的冷却与热控制。

Claims (10)

1.一种带超声振动雾化装置的重力辅助回路热管，包括蒸发腔(1)、冷凝段(2)、将蒸发腔(1)的工质出口与冷凝段(2)的工质入口连通的气相管(3)以及将冷凝段(2)的工质出口与蒸发腔(1)的工质入口连通的液相管(4)，冷凝段(2)在蒸发腔(1)的上方，其特征在于，所述的蒸发腔(1)内腔底部设有超声振动雾化装置(5)，蒸发腔(1)顶面设有若干与外界连通的槽口；所述的蒸发腔(1)上方设有基板(6)，基板(6)底面固定有若干底面穿过蒸发腔(1)上对应槽口的被冷却芯片(7)，被冷却芯片(7)四周侧面分别与槽口密封连接。
2.根据权利要求1所述的带超声振动雾化装置的重力辅助回路热管，其特征在于，所述的被冷却芯片(7)的排布方式为错列式。
3.根据权利要求1所述的带超声振动雾化装置的重力辅助回路热管，其特征在于，所述的蒸发腔(1)的工质出口位于蒸发腔(1)侧壁上部。
4.根据权利要求1所述的带超声振动雾化装置的重力辅助回路热管，其特征在于，所述的蒸发腔(1)顶部与液相管(4)之间设有将两者内腔连通的管道，管道上设有视液镜(8)。
5.根据权利要求1～4任一权利要求所述的带超声振动雾化装置的重力辅助回路热管，其特征在于，所述的液相管(4)上设带有阀门(9)的充液管(10)。
6.根据权利要求1～4任一权利要求所述的带超声振动雾化装置的重力辅助回路热管，其特征在于，所述的循环在热管内的工质为去离子水、乙醇、甲醇或者丙酮。
7.根据权利要求1～4任一权利要求所述的带超声振动雾化装置的重力辅助回路热管，其特征在于，所述的蒸发腔(1)内的工质液面高度高于超声振动雾化装置(5)上表面。
8.根据权利要求1～4任一权利要求所述的带超声振动雾化装置的重力辅助回路热管，其特征在于，所述的冷凝段(2)为套管式水冷冷凝段或者板翅式风冷冷凝段。
9.根据权利要求1～4任一权利要求所述的带超声振动雾化装置的重力辅助回路热管，其特征在于，所述的气相管(3)、液相管(4)均为铜管。
10.根据权利要求1～4任一权利要求所述的带超声振动雾化装置的重力辅助回路热管，其特征在于，所述的蒸发腔(1)由两个开口相向的端盖组成，两端盖开口处通过法兰(11)密封固定。
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