CN102829660A - 一种基于泡沫材料的脉动热管式换热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于泡沫材料的脉动热管式换热器，包括蒸发端和冷凝端，蒸发端和冷凝端均带有通过壳体围成的内腔，且蒸发端和冷凝端的内腔之间通过脉动热管连通，内腔中装有泡沫材料，在脉动热管的外部设有平行排布的多根翅片，脉动热管内部充有充注介质。本发明主要是利用泡沫材料良好的导热特性，使得脉动热管式换热器的热阻变小，提高传热效率；同时，泡沫材料多孔的结构也可以强化工作介质在换热器内部的震荡，以达到强化换热的目的。本发明具有体积小、重量轻、传热效率高和启动快等优点，特别适用于高集成密度的电子元器件的散热。

Description

一种基于泡沫材料的脉动热管式换热器

技术领域

本发明涉及一种脉动热管式换热器，尤其涉及一种基于泡沫材料的脉动热管式换热器。

背景技术

随着电子元器件集成度的提高，半导体制作工艺的完善，电子设备体积越来越小，而电子设备的功能和复杂性日益增长，在有限的体积范围内，电子设备的功耗不断增加，散热量急剧上升，热流密度也越来越大，能否很好的解决这些元器件的散热问题直接影响了电子设备的可靠性和使用寿命。

目前电子散热的方法主要有自然冷却、空气冷却、液体冷却等。但这些传统的冷却手段已不能够满足目前高热流密度电子设备和未来先进电子(如大功率的FR，星载电子器件等)设备的散热要求。微型液体冷却系统和半导体冷却也被用作电子散热，微型液体冷却系统由微泵、微阀、微型冷却通道组成，工作时会产生噪音，且性能的可靠性相对较差、工艺加工难度大；半导体制冷虽然无噪声、体积小、易于控制，但是其制冷量小、能效比低的特点不利于大规模应用。作为一种新型散热冷却技术，脉动热管因其尺寸小、重量轻、传热效果好等特点已经在电子散热领域显示出了优势。然而，虽然脉动热管的导热系数很高，但是它的传热机理很复杂，理论分析难度大，工作不稳定。设计起来较困难，在蒸发端和冷凝端的换热可能不均匀，这就在一定程度上限制了脉动热管的大规模使用。

目前，美国等许多国家已经对泡沫材料的实用化进行了大量研究。早期的泡沫材料的基体大多为橡胶、塑料等高分子材料，再后来，又增加了铝、铝合金等轻金属材料。随着技术工艺的巨大进步，这一家族目前更加壮大，材质更是包含了陶瓷、石墨、钛等。泡沫材料是由刚性骨架和内部孔洞组成的，自20世纪40年代问世以来，由于具有诸多优异的性能，如：能量吸收性能好、密度小、耐高温、耐腐蚀、重量轻、比表面积大，导热系数高，热稳定性好，防噪效果好等优点。在金属电极、吸附材料、能量储存于吸收领域获得了广泛的应用。泡沫材料的优良传热性能可以用泡沫金属为例来进行说明：由于大多数的金属材料本身就具有非常高的导热系数，因此以高孔隙率的泡沫金属味骨架，在其中填充相应的复合相变材料，在密度和单位体积的相变潜热都改变很小的情况下，可以使复合材料的等效导热系数大大提高。如根据文献“程文龙，韦文静.高孔隙率泡沫金属相变材料储能传热特性.太阳能学报.2007年7月.739-744”把水充入孔隙率为94.6％的泡沫铝中，其等效导热系数由0.6W/(m·K)提高8倍，达到5.4W/(m·K)。它具有很大的比表面积和良好的流通性能，使得流体从泡沫材料中通过时有极大的热交换面积，而且材料良好的导热性使得热量更能均匀的分布，因此，泡沫材料是一种优良的传热材料，可以有效增大换热管的换热面积。

由于脉动热管能够传递很高的热流密度，经调查发现已有散热器考虑用脉动热管，这样一来散热器的传热热流密度会有所增加，但是由于各种原因，还是存在着很多不足。专利号(申请号200610032490.9)公布了一种用于电子冷却的脉动热管散热器，特点是脉动热管被弯折成蛇形回路，并在中间对折，上半部分与翅片焊接，通过底座与发热元件紧贴在一起，但是由于方案中采用离开翅片，提高翅片的数量和高度并不能明显的提高传热量，同时在电子器件散热时，翅片也不可能做的太大，本方案还有一个不足之处是不可能实现远距离的传热，众所周知，CPU等重要的发热元件并不靠近电脑的边缘，这样该方案在使用时就会受限。专利(申请号200710074565.4)公布了一种L型的CPU散热器，该专利把热管弯折成L型，其两端仍然为蒸发端和冷凝端，但是在蒸发段并没有采取任何的强化措施，冷凝段也只是采用翅片强化，因此换热效果仍然不是很理想，实质上与目前常见的强制空气对流方式有很多相似之处。

资料显示，泡沫材料优良的传热特性也引起了学者们的注意，也有一部分专利把泡沫和脉动热管结合起来强化换热。例如专利(申请号200910097729.4)公布了一种带泡沫的脉动热管散热器，该专利在脉动热管的外部装有泡沫材料，用以强化换热，但是由于脉动热管是嵌入在泡沫材料中的，因此加工起来不方便，工艺要求很高，同时由于泡沫材料内部空隙很大，使得它与脉动热管的接触面积较小，接触热阻将会很大，因此传热强化的效果并不好。专利(申请号200820180252.7)公布了一种开孔泡沫金属热管针翅组合式CPU散热器，虽然其蒸发段也采用了泡沫金属进行强化换热，但是在冷凝段却用翅片，因此还具有一定的提升潜力。

本发明在以上专利的基础上，充分挖掘了脉动热管和泡沫材料的优良性能，在蒸发段和冷凝段均采用泡沫材料作为强化换热的手段。本发明最大的优势在于装置非常的小巧，而且能够传递很大的热流密度(参见最后的计算)。特别适用于某些散热器尺寸受限的场合。在特定的情况下，装置还可以更加的小型化。装置的结构也比较简单，管道也可以随意的弯曲布置。同时，装置还具有目前热管散热器的普遍优势：首先，在很小的温差下就能启动，传热的热流密度很大。能够满足当前甚至未来一段时间的功率要求。其次，泡沫材料材质轻，性能好，种类多样。能够节省金属材料的消耗，而且随着材料技术的进步，还可以采用非金属材料。本发明在电子产品的散热方面必将有很广阔的应用前景。

发明内容

本发明提供了一种可以增加蒸发端和冷凝端的换热面积，提高电子元器件散热效果的脉动热管式换热器。

一种基于泡沫材料的脉动热管式换热器，包括蒸发端和冷凝端，所述蒸发端和冷凝端均带有通过壳体围成的内腔，且蒸发端和冷凝端的内腔之间通过至少两根脉动热管连通，所述内腔中装有泡沫材料，在脉动热管的外部设有平行排布的多根翅片。

所述的至少两根脉动热管是叉排或者是顺排布置。

所述的脉动热管和壳体之间的连接采用焊接或者粘接，视充注介质而定，充注介质不同，所述的换热器工作时，脉动热管内的压力不同，当系统内部工质工作压力大时，所述脉动热管和壳体之间应采用焊接；工质工作压力小时，脉动热管和壳体之间可以采用粘接。

所述的泡沫材料材质为金属时，泡沫材料和壳体之间的连接采用焊接，当材质为非金属时，与客体之间的连接也可以采用粘接。将泡沫和壳体牢固的结合为一个整体，以尽可能的减少接触热阻，并在需要的时候增加强导热剂，利于传热的进行。

所述的壳体的材质为导热系数较高的金属材料，如银、铜、金等，银和金的导热性能比较好，但价格昂贵，作为优选，所述壳体的材质为金属铜。

所述的脉动热管由多根毛细管道组成，所述毛细管道采用铜管、塑料管、不锈钢管或玻璃管，所述毛细管道的当量直径满足：

$0.7\sqrt{\mathrm{\σ}/({\mathrm{\ρ}}_l-{\mathrm{\ρ}}_g)g}\≤D\≤2\sqrt{\mathrm{\σ}/({\mathrm{\ρ}}_l-{\mathrm{\ρ}}_g)g},$

其中σ为充注介质的表面张力，ρ_l为充注介质的液相密度，ρ_g为充注介质的气相密度，g为重力加速度。

系统工质的充注量较少必将导致泄露到环境中的制冷剂的量减少，某些微燃性的工质也可以作为传热介质，起到节能环保的作用。

所述脉动热管式换热器内部的充注介质为水、甲醇、乙醇或碳氢化合物等，在特定的工况下还可以在工质内部充注纳米微粒，如AL₂O₃粉末和纳米Ag颗粒。所述充注介质的充注比为20％-80％，所述充注比为充注介质与脉动热管式换热器内部总空间的比(脉动热管式换热器内部总空间指脉动热管与壳体内部的空间之和)。

所述的泡沫材料为导热性能较好的泡沫铜、泡沫铝、泡沫铁、泡沫镍、泡沫陶瓷、泡沫塑料中的一种或多种。

所述的泡沫材料的孔洞大小为0.05mm～5mm。

所述的翅片材料是金属铜、铝等，多根翅片间的间隔为1～3mm，当工作温度较低时采用大间距。

所述的基于泡沫材料的脉动热管换热器的工作原理为：本换热器在使用时，用导热硅胶把蒸发端的铜片和被冷却的电子器件(如CPU)粘接在一起，位置居中，使两者紧密接触，这样电子器件所产生的热量就能作为该换热器的热量输入源。在系统抽真空并且部分充注工质后，由于毛细作用，管道内部会自发的形成液塞和气塞交替存在的布局。当蒸发端有热量输入且脉动热管内壁面的过热度达到脉动热管的启动要求时，靠近蒸发段的气泡受热内部的压力就会增大，从而推动临近的液塞运动。气泡在蒸发端扩张后会加速蒸发端的充注介质之间的对流换热，使得加热更均匀。随着加热功率的增大，气泡也在长大，开始时是单个气泡的脱离，后来是形成稳定的气塞在移动，再后来是震荡流、环状流，之后会在管道的内部形成随机的方向不定的脉动。在这个过程中，充注介质会经历很复杂的传热传质过程，气塞和液塞的体积也会随着换热传质过程的进行发生变化，此时充注介质的状态是液塞和气塞交替存在。当气塞和液塞形成稳定的脉动时，热量在蒸发端转化为充注介质的潜热，经过绝热段后被带到冷凝端，在整个管道的外部，翅片把热量散发出去。同时气相的充注介质也被冷凝为液体，在管道振荡后又回到蒸发端继续下一个换热过程。这样电子器件产生的热量就被持续不断的被带走。

附图说明

图1为基于泡沫材料的脉动热管式换热器结构示意图；

图2为基于泡沫材料的脉动热管式换热器液冷工作方式；

图3为基于泡沫材料的脉动热管式换热器强制对流工作方式。

具体实施方式

如图1所示，本发明基于泡沫材料的脉动热管式换热器，由冷凝端、绝热段和蒸发端组成，绝热段位于蒸发端和冷凝端之间。蒸发端和冷凝端均带有由壳体3围成的内腔，且蒸发端和冷凝端的内腔之间通过脉动热管1连通，内腔中装有泡沫材料4，在管道的外部布置有翅片2。

脉动热管和壳体之间的连接采用粘结，泡沫材料和壳体之间的连接采用焊接，壳体的材质为铜；脉动热管由多根毛细管道组成，多根毛细管道之间平行布置，毛细管道的内径为2.5mm，毛细管道采用铜管；脉动热管内部的充注介质为水，充注比为60％；采用的泡沫材料为泡沫铜，泡沫铜的孔洞为4mm。

实施例1

如附图2所示，本实施例适用于大中型电子器件的散热，采取的冷却方式为液体冷却(含浸没冷却)，因此散热的热流密度较大。

使用时，用导热硅胶把蒸发端的壳体和被冷却的电子器件粘接在一起，或用夹紧的办法使两者充分接触，使得电子器件的热量传递到散热器中，工质在蒸发段受热汽化，把热量转化为潜热，气泡内部的气压升高，进而推动临近的液塞运动，当该散热器稳定工作时，管内形成脉动流，通过工质的循环，散热器把热量转移到冷凝段，在冷凝段热量被冷却介质(如冷却水)带走，完成热量的散失。同时，当热流密度较大时，还可以把整个装置(除去蒸发段)浸没于冷却液中，整个装置的外表面和翅片都能够进行热量的散失，使散热能力达到最大化。

实施例2

如附图3所示，本实施例适用于小型电子器件的散热，采用强制对流的方式冷却，散热的热流密度较前者小。

使用时，用导热硅胶把蒸发端的壳体和被冷却的电子器件粘接在一起，或用夹紧的办法使两者充分接触，使得电子器件的热量传递到散热器中，工质在蒸发段受热汽化，把热量转化为潜热，气泡内部的气压升高，进而推动临近的液塞运动，当该散热器稳定工作时，管内形成脉动流，通过工质的循环，散热器把热量转移到冷凝段，在冷凝段和绝热段位置布置有风机，进行强制对流换热，热量通过冷凝段和翅片散失，由于该冷却方式采用强制风冷散热，因此极限热流密度较前者小。

本发明的工作原理为：本散热器在使用时，由于导热，电子器件的发热量就直接传到散热器的蒸发端，当达到脉动热管的启动功率时，工质就会在脉动热管内部发生震荡，电子器件的散热量就转化为工质的潜热，在蒸发段的气泡气压升高，气泡长大，推动临近的液塞向冷凝段移动。在汽液界面发生着极其复杂的传热传质现象，到脉动热管稳定工作时，工质会形成环状-半环状脉动流动。电子器件产生的热量就被工质带到冷凝段中的泡沫材料中，充分混合后得到冷却，同时，整个过程的热量被冷凝段的冷却液体带走，或者是被管道外部的翅片散发出去。

为了简单说明本发明的实用性，发明者进行了简要的计算说明：

本发明的模型图如附图1所示：初始的计算参数设置为：两端泡沫材料的尺寸为5×5×3cm，材料为铝，孔隙率为94％。工质采用水。充液比为50％，脉动热管管道的内径为2mm，外径为2.5mm。长度为200mm，翅片间距为2mm，翅片的数量为80，翅片的尺寸为50×50mm，材料为铝。两端的铜片厚度为1.5mm。从加热段开始到冷凝段的热阻分别为：

1)铜片外壁的导热热阻： $r_1=\frac{0.0015}{300}=5\×{10}^{-6}K/W$

2)根据文献“程文龙，韦文静.高孔隙率泡沫金属相变材料储能传热特性.太阳能学报.2007年7月.739-744”，当泡沫金属材料采用铝，内部工质为水时，孔隙率为94％，材料的当量导热系数约为λ＝5W/(m·K)，故导热热阻为：

$r_2=\frac{\mathrm{\δ}}{\mathrm{\λ}}=\frac{0.05}{5}=0.01K/W$

3)根据相关文献中脉动热管的热阻数据范围，当加热功率为80W，脉动热管的热阻取为0.3K/W

4)强制对流换热热阻： $R=\frac{1}{\mathrm{hA}}=\frac{1}{30\×0.2}=\frac{0.1666K}{W}$

其中h为强制对流换热系数，取为30W/(m²·K)，面积为整个翅片的面积，设翅片的大小为5cm×5cm，翅片的数目为80。故在本工况参数下，冷凝端和蒸发端的温度差值为：

ΔT＝Q·R＝80W×(0.000005+0.01+0.3+0.000005+0.01+0.166)

＝38.88K

目前CPU的温度控制在与环境温度差值小于40℃时均可以正常工作。上面的简要计算说明在未考虑到泡沫材料对脉动热管强化换热的前提下，所计算的温度差值小于40℃，说明该专利工作时具有优良的热传输性能，在较小的热阻下能够传递较大的热流密度，适应了电子产品热流密度大的特点。该专利在电子散热方面前景一定会很广阔。

Claims (12)

1.一种基于泡沫材料的脉动热管式换热器，包括蒸发端和冷凝端，其特征在于，所述蒸发端和冷凝端均带有通过壳体围成的内腔，蒸发端和冷凝端的内腔之间通过至少两根脉动热管连通，内腔中装有泡沫材料，在脉动热管的外部设有平行排布的多根翅片。

2.如权利要求1所述的基于泡沫材料的脉动热管式换热器，其特征在于，所述的至少两根脉动热管叉排或者是顺排布置。

3.如权利要求1所述的基于泡沫材料的脉动热管式换热器，其特征在于，所述的脉动热管和壳体之间的连接采用焊接或粘接。

4.如权利要求1所述的基于泡沫材料的脉动热管式换热器，其特征在于，泡沫材料与壳体之间的连接采用焊接或粘接。

5.如权利要求1所述的基于泡沫材料的脉动热管式换热器，其特征在于，所述的壳体的材质为金属铜、不锈钢或铝。

6.如权利要求1所述的基于泡沫材料的脉动热管式换热器，其特征在于，所述的脉动热管由毛细管道组成，所述毛细管道为铜管、塑料管、不锈钢管或玻璃管。

7.如权利要求6所述的基于泡沫材料的脉动热管式换热器，其特征在于，所述的毛细管道的截面形状为圆形、正方形、矩形或三角形，所述毛细管道的截面的当量直径满足：

$0.7\sqrt{\mathrm{\σ}/({\mathrm{\ρ}}_l-{\mathrm{\ρ}}_g)g}\≤D\≤2\sqrt{\mathrm{\σ}/({\mathrm{\ρ}}_l-{\mathrm{\ρ}}_g)g}$

其中σ为充注介质的表面张力，ρ_l为充注介质的液相密度，ρ_g为充注介质的气相密度，g为重力加速度。

8.如权利要求1所述的基于泡沫材料的脉动热管式换热器，其特征在于，所述的脉动热管式换热器的充注介质为水、甲醇、乙醇、丙酮或碳氢化合物。

9.如权利要求8所述的基于泡沫材料的脉动热管式换热器，其特征在于，所述充注介质的充注比为20％-80％。

10.如权利要求1所述的基于泡沫材料的脉动热管式换热器，其特征在于，所述的泡沫材料为铜泡沫、铝泡沫、铁泡沫、镍泡沫、石墨泡沫、碳泡沫中的一种或多种。

11.如权利要求1所述的基于泡沫材料的脉动热管式换热器，其特征在于，所述翅片的材料为铝或铜。

12.如权利要求11所述的基于泡沫材料的脉动热管式换热器，其特征在于，所述的多根翅片间的间隔为1～3mm。

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