CN102506600A - 冷凝端扩展型一体化平板热管 - Google Patents

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本发明公开了属于散热装置的一种冷凝端扩展型一体化平板热管。该平板热管是将平板热管制作于散热翅片内部，即是散热翅片的外层翅片与底板固定，多孔金属材料层附着在底板上，毛细吸液芯制作在各中间翅片内腔中；各中间翅片在散热翅片基部下面形成沟槽；多孔金属材料层内的低沸点液体受热发生汽化时，蒸汽在微小压力下从多孔材料的内部溢出，通过散热翅片底部的沟槽均匀的流向翅片内部作为冷凝通道的中间翅片内腔；使平板热管和散热翅片实现一体化，消除平板热管和散热片间的接触热阻，同时增大蒸汽冷凝面积，提高平板热管纵向的导热能力，提高散热装置的散热效率。本发明低成本和低能耗的操作运行，是解决制约大功率光电芯片散热的较好途径。

Description

冷凝端扩展型一体化平板热管
技术领域
本发明属于散热装置，特别涉及一种冷凝端扩展型一体化平板热管。
背景技术
随着科学技术的发展，大功率激光器、大功率LED、红外探测阵列、大功率和高性能微处理器等光电子/微电子芯片(简称“光电芯片”)及其应用系统的微型化和高度集成化，导致单位容积内的发热量急剧增大，出现局部热流密度较大且不均匀的现象，传统的单纯使用空气强迫对流冷却的散热方式已经达到其传热极限，散热问题成为制约高热流密度光电芯片技术及产业发展的主要瓶颈。
而平板热管作为一种高效相变式换热装置，具有传热温差小、传热性能高、其体积小、重量轻、具有优良的等温性等优点，利用高性能平板热管代替铝或铜材料的空气强制对流散热方案已经成为目前解决制约大功率光电芯片散热的一种重要的途径。
目前平板热管作为散热装置的一部分，它与散热翅片大都是分开设计和制造的，应用时要在接触面涂抹导热硅脂后再将平板热管帖附在散热翅片的底面，尽管这种设计便于加工制作，但这样的设计会使平板热管与散热翅片间的接触热阻较大，极大的影响了整个散热装置的工作性能，因此把平板热管与风冷散热翅片进行一体化设计，就可以消除这部分接触热阻，有效的提高散热效率。但仅仅进行一体化平板设计还是不够完善的，因为一体化平板热管的散热翅片的基部是均温的，温度较高，但翅片的末端温度较低，基部与末端存在着较大的温度差，而热量最终大部分是通过翅片的末端散失到空气中的，这个较大的温差降低了散热器的散热效率。
如果减小翅片末端与其基部的温度差就可以极大的提高散热器的散热效率。因此在散热翅片内部构造较多的通道将使蒸汽均匀的分布于翅片内部的通道内并冷凝，不仅扩大了蒸汽冷凝面积，而且使整个散热翅片处于均温状态，从而大大提高了翅片散热的效率(所谓的肋效率)。传统散热翅片的基部与末端存在着较大的温度差，其平板热管只能实现散热翅片基部的均温，这个较大的温差降低了散热器的散热效率。而本发明的散热器实现了整个散热翅片的均温。平板热管在设计时为了防止抽真空变形，在散热翅片的底部构造有很多槽道，一方面起支撑作用，另一方面槽道是气体溢出的通道，同时可以增加热管的纵向导热能力。但由于翅片的尺寸较小，因此翅片内部的通道也较小，因此冷凝的液体会由于表面张力的作用停留在孔内，因此每个孔内必须插一根能够吸液的毛细吸液芯，一方面可以把冷凝的液体传送到蒸发面，另一方面可以使散热器在反重力下工作。因此在每个通道内插有毛细吸液芯或者刻有能够吸液的微槽，这也是本专利的一个关键技术。
发明内容
本发明的目的是提供一种冷凝端扩展型一体化平板热管，其特征在于，将平板热管制作于散热翅片内部，并通过在散热翅片内部的通道，使平板热管和散热翅片实现一体化，消除平板热管和散热片间的接触热阻，同时增大蒸汽冷凝面积，使整个散热片都处于均温状态，提高了平板热管的散热性能。
所述平板热管包括散热翅片1的外层翅片9与底板5固定，多孔金属材料层3通过烧结的方式附着在底板5上，散热翅片1的各中间翅片之间间隙及中间翅片与外层翅片9的间隙相等并在散热翅片基部10相互连接，各中间翅片在散热翅片基部下面形成沟槽7；多孔金属材料层3与各中间翅片连接；毛细吸液芯2制作在各中间翅片内腔8中，抽真空和注液管道4与多孔金属材料层3连接。
所述毛细吸液芯2、中间翅片内腔8及沟槽7均与多孔金属材料层3的孔相通。
所述吸液毛细芯2结构呈细长形，长度为散热片中间翅片内腔8的长度，其横截面为圆形、方形或者多边形。
所述底板由铜材料制成，其边壁与抽真空和注液管道4相连；并通过抽真空和注液管道4向多孔金属材料层3内的充入低沸点液体，所述平板热管的散热过程是当多孔金属材料层3内的低沸点液体受热发生汽化时，蒸汽在微小压力下从多孔材料的内部溢出，通过散热翅片底部的沟槽均匀的流向翅片内部作为冷凝通道的中间翅片内腔8，在中间翅片内腔8内部发生冷凝，热量传递给散热翅片，在外界风扇的吹动下进一步散失到周围环境中，而冷凝后的液体则通过毛细吸液芯2和多孔金属材料层3到达蒸发面，实现液体的补充和液体循环。作用结果是整个散热片都处于均温状态，散热器的散热效率大大提高。在散热翅片的底部有许多沟槽7，其作用是一方面让液体汽化产生的蒸汽在沟槽7内运行，在冷凝端进行自由分配并冷凝，另一方面起支撑作用，防止热管在抽真空时发生变形，同时可以提高平板热管纵向的导热能力，提高散热装置的散热效率。
所述低沸点液体选用水、丙酮或乙醇。
多孔的泡沫铜、泡沫铝或泡沫镍材料本发明的有益效果是通过在散热翅片内部构造诸多通道，使平板热管和散热翅片实现一体化，消除平板热管和散热片间的接触热阻，同时增大蒸汽冷凝面积，使整个散热片都处于均温状态，大大提高了平板热管的散热性能，具有强化散热的作用，从而解决了光电芯片的局部高热流问题，该平板热管的加工过程较为简单，可以成批量生产，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为冷凝端扩展型一体化平板热管组装结构示意图。
图2为散热翅片与平板热管一体化剖面示意图。
图3为散热翅片底部槽道的结构示意图。
附图标记说明：1、散热翅片，2、毛细吸液芯，3、多孔金属材料层，4、抽真空和注液的管道，5、平板热管的底板，7，沟槽，8、散热翅片内部通道，9、散热翅片间的间隙，10、散热翅片基部。
具体实施方式
本发明提供一种冷凝端扩展型一体化平板热管。下面结合附图予以说明。图1所示为冷凝端扩展型一体化平板热管组装结构示意图。图2所示为散热翅片与平板热管一体化剖面示意图。图中，平板热管包括散热翅片1的外层翅片9与底板5固定，即平板热管的底板5与散热翅片的底部10的周边进行封装。多孔金属材料(如泡沫铜、泡沫铝及泡沫镍等多孔材料，以泡沫铜为最佳)层3通过烧结的方式附着在底板5上，散热翅片1的各中间翅片之间间隙及中间翅片与外层翅片9的间隙相等并在散热翅片基部10相互连接，各中间翅片在散热翅片基部下面形成沟槽7；多孔金属材料层3与各中间翅片连接；毛细吸液芯2制作在各中间翅片内腔8中(如图2所示)，并且毛细吸液芯(由具有较好毛细吸力的多孔材料制成(如泡沫铜、泡沫铝及泡沫镍等多孔材料，以泡沫铜为最佳)；2、中间翅片内腔8及沟槽7均与多孔金属材料层3的孔相通。抽真空和注液管道4与多孔金属材料层3连接，保证其气密性，通过抽真空和注液管道4向多孔金属材料层3内的充入热管低沸点液体作为平板热管的液体工质(水、丙酮和乙醇等等)；并封装，散热翅片底部槽道外观图如图3所示。散热片可以是翅片状，柱状或者肋片状。
上述结构使平板热管和散热翅片实现一体化，消除平板热管和散热片间的接触热阻，同时增大蒸汽冷凝面积，使整个散热片都处于均温状态，提高了平板热管的散热性能。此平板热管可以和低压交流或直流风扇组装在一起，把发热元件产生的热量散发到环境中。
其中吸液毛细芯2结构呈细长形，长度为散热片内的通道长度，其横截面可以是各种形状，如圆形、方形或者其他形状。
多孔金属材料层3是极为重要的部件，为了获取较高的传热效率，其材料应该具有较大的导热系数，具有较高的孔隙率，最佳的结构为多尺度结构，即多孔材料内部拥有不同孔径的通道，大孔是蒸汽溢出通道，孔越大，蒸汽溢出阻力越小，小孔提供较大的毛细吸力，使相变换热有充足的液体供应。
热管底板5一般由铜材料制成，其边壁与抽真空和注液管道4相连。
在平板热管的制作过程中，最后一个环节是对热管进行抽真空并注入合适的低沸点液体作为平板热管的液体工质(如水、丙酮和乙醇等，这些液体在抽真空状态下其沸点会大大降低，其中水由于具有较大的蒸发潜热和表面张力及无毒性，是较好的备选工质)和恰当的充液比(体积比为25％-35％)。在热管工作过程中，当热管底板5受到加热时，热管底板5和多孔金属材料层3的温度会升高，当其达到一定温度时，多孔金属材料层3内部的低沸点液体会发生汽化，汽化后的蒸汽从多孔金属材料层3内部溢出，沿着沟槽7运动，并在中间翅片内腔8内部进行分配，进入中间翅片内腔8内的气体沿着内腔运动，在内腔内部的边壁上冷凝，冷凝后的液体被吸附到毛细吸液芯2内部，这些液体在毛细吸力的作用下沿着毛细吸液芯2到达多孔金属材料层3，并在其内部进行分配，流向相变发生区域，满足液体蒸发所需要的液体供应，从而形成完整的循环，由于毛细芯的存在，液体的循环是被动的，不需要外界的动力，而且能够在反重力下工作。该平板热管和风扇组装在一起就可以构成体积小、重量轻的高效散热装置，由于平板热管内部的传热属于相变传热，其相变传热的热阻较小，且由于本发明中在散热翅片内部构造了许多通道，并在内部插有许多毛细吸液芯，因此使整个散热片都处于均温状态，从而本发明也就能够使散热器的散热过程实现高效、低成本和低能耗的操作运行。为解决制约大功率光电芯片散热提供了一种较好的途径。

Claims (9)

1.一种冷凝端扩展型一体化平板热管，其特征在于，将平板热管制作于散热翅片内部，并通过在散热翅片内部的通道，使平板热管和散热翅片实现一体化，消除平板热管和散热片间的接触热阻，同时增大蒸汽冷凝面积，使整个散热片都处于均温状态；
所述平板热管包括散热翅片(1)的外层翅片(9)与底板(5)固定，多孔金属材料层(3)通过烧结的方式附着在底板(5)上，散热翅片(1)的各中间翅片之间间隙及中间翅片与外层翅片(9)的间隙相等并在散热翅片基部(10)相互连接，各中间翅片在散热翅片基部下面形成沟槽(7)；多孔金属材料层(3)与各中间翅片连接；毛细吸液芯(2)制作在各中间翅片内腔(8)中，抽真空和注液管道(4)与多孔金属材料层(3)连接。
2.根据权利要求1所述冷凝端扩展型一体化平板热管，其特征在于，所述毛细吸液芯(2)、中间翅片内腔(8)及沟槽(7)均与多孔金属材料层(3)的孔相通。
3.根据权利要求1所述冷凝端扩展型一体化平板热管，其特征在于，所述吸液毛细芯(2)结构呈细长形，长度为散热片中间翅片内腔(8)的长度，其横截面为圆形、方形或者多边形。
4.根据权利要求1所述冷凝端扩展型一体化平板热管，其特征在于，所述底板由铜或铝材料制成，其边壁与抽真空和注液管道(4)相连；并通过抽真空和注液管道(4)向多孔金属材料层(3)内充入低沸点液体。
5.根据权利要求1所述冷凝端扩展型一体化平板热管，其特征在于，所述平板热管的散热片为翅片状，柱状或者肋片状，因此散热片的中间翅片内腔相应为圆孔、方孔或者各种形状的条形孔；蒸汽将在这些中间翅片内腔内被冷却并沿着毛细芯回流到蒸发部位。
6.根据权利要求1、2或3所述的冷凝端扩展型一体化平板热管，其特征在于，毛细吸液芯由具有较好毛细吸力的多孔材料制成，选用多孔的泡沫铜、泡沫铝或泡沫镍材料。
7.根据权利要求1所述冷凝端扩展型一体化平板热管，其特征在于，所述多孔金属材料为多孔的泡沫铜、泡沫铝或泡沫镍材料。
8.一种权利要求1所述冷凝端扩展型一体化平板热管散热方法，其特征在于，所述平板热管的散热过程是当多孔金属材料层(3)内的低沸点液体受热发生汽化时，蒸汽在微小压力下从多孔材料的内部溢出，通过散热翅片底部的沟槽均匀的流向翅片内部作为冷凝通道的中间翅片内腔(8)，在中间翅片内腔(8)内部发生冷凝，热量传递给散热翅片，在外界风扇的吹动下进一步散失到周围环境中，而冷凝后的液体则通过毛细吸液芯(2)和多孔金属材料层(3)到达蒸发面，实现液体的补充和液体循环，作用结果是整个散热片都处于均温状态，散热器的散热效率大大提高，在散热翅片的底部有许多沟槽(7)，其作用是一方面让液体汽化产生的蒸汽在沟槽(7)内运行，在冷凝端进行自由分配并冷凝，另一方面起支撑作用，防止热管在抽真空时发生变形，同时可以提高平板热管纵向的导热能力，提高散热装置的散热效率。
9.根据权利要求8所述冷凝端扩展型一体化平板热管散热方法，其特征在于，所述低沸点液体选用水、丙酮或乙醇。
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