CN103000595B - 一种多向进出相变传热装置及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明是有关于一种多向进出相变传热装置及其制作方法，该装置包括蒸发器、蒸汽管路、液体管路和冷凝器，所述的蒸发器为平板蒸发器，包括底板、多孔材料和上盖，多孔材料固定在底板上，上盖罩于多孔材料外部且下缘与底板固定连接；多孔材料内设有蒸汽排泄孔道；上盖设有蒸汽管路接口和液体管路接口。其制作方法包括：准备模具，以及与蒸汽排泄孔道形状相应的中心棒；填充烧结粉末；烧结得到多孔材料；制造上盖和底板；将多孔材料固定在底板上，再将上盖与底板固定连接，制成蒸发器；将蒸发器与蒸汽管路、液体管路、冷凝器固定连接。本发明制程简单可靠，成本较低，并能够充分开拓环路热管的散热潜能。

Description

一种多向进出相变传热装置及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种电子产品领域的散热装置及其制作方法，特别是涉及一种多向进出相变传热装置及其制作方法。

背景技术

大功率电子芯片的冷却是电子、计算机、通讯和光电设备中非常重要的一个技术环节。目前市场上针对大功率电子器件散热常用的方法包括以下几种：(1)风扇+散热器；(2)风扇+热管+散热器；(3)风扇+液冷技术。他们在一定程度上都可以解决大功率器件的散热问题，但是各自存在如下缺点：

(1)风扇+散热器，为了增强散热装置的散热能力，只有通过增大散热翅片的面积以及提高风扇转速，导致的结果是噪音大、体积大且厚重，不利于安装，还会对电子器件产生很大的压力；

(2)风扇+热管+散热器，可以解决方法1中的缺点，但是其本身结构复杂，热管的设计及安装常常受到实际结构的限制，并且在有限根热管作用下，其散热能力也是有限的；

(3)液冷技术，在性能上超越以上两种方式，但是液冷技术存在结构极其复杂的缺陷，需要增加驱动液体工质循环的泵，此外目前还没有一种能够完全保证不泄漏的管道连接技术，这些方面都将影响到液冷散热装置的实际使用寿命，并且液冷散热装置的造价最高，在同样散热能力下，是普通热管散热器的3倍以上。

环路热管技术最早出现于1974年，前苏联科学家在1979年、1985年申请了相关专利。目前环路热管技术已经成功应用于航空航天领域，近5年来环路热管技术逐渐进入电子芯片散热领域，但是大规模商业应用还没有到来，不过可以预见，当全面提升了环路热管的性能以及有效地降低其加工成本以后，环路热管将在电子设备散热领域将大展身手。

环路热管是集合了热管以及液冷散热技术的优点，同时抛弃了各自的缺点的一种散热方式，散热潜力同液冷技术一样，一款紧促型微小环路热管，可以轻松实现500瓦及以上的散热(环路热管整体热阻可以低到0.15℃/W以下)，同时其造价远低于液冷技术。环路热管散热器还具有以下优点：(1)性能受重力影响小于普通热管；(2)结构形状可以多样化，满足不同使用需求；(3)可以远距离传递热量；(4)环路热管散热器属于被动式散热方式，可以完全做到零能耗，等等。由于环路热管制造工艺和普通热管类似，因此其可靠性和使用寿命和普通热管一样，可以广泛使用在一些要求比较苛刻的环境中.

请参阅图1所示，现有的一款环路热管散热器主要包括带有毛细结构12的蒸发器1、提供工作介质循环的蒸汽管道2和液体管道3、以及把热量释放到环境的冷凝器4。蒸发器1上还设有补偿腔13和上盖14或壳体。工作时，蒸发器1底面接收从发热器件(例如，电子芯片)传递过来的热量，工作介质在毛细结构12内部蒸发，蒸汽离开蒸发器1，通过弯曲的蒸汽管道2流到带有翅片的冷凝器4，蒸汽在冷凝器4通过，把热量释放到流过冷凝器的环境介质中(例如空气)，蒸汽经自然冷却或风扇强制冷却后转变为液体，液体在毛细结构12提供的毛细力的作用下经由液体管道3返回蒸发器1，完成一次热力学循环，据此循环往复，持续不断地把热量从发热器件释放到周围空气中。

目前，环路热管在电子散热领域的应用并不多。由于普通电子芯片的形状基本为四方形(正方体或者长方体)，而传统的圆筒形蒸发器不利于和芯片的平表面接触。目前研究比较多的是带有盘状平板形式蒸发器的环路热管技术，但是盘状平板形式蒸发器的制程复杂，并且在安装时会占用额外的空间，也不利于电子芯片散热。

如上所述，将现有的环路热管散热器应用于电子芯片类散热尚存在以下问题：

1、现有的环路热管蒸发器结构不能很好地满足与电子芯片的配合安装，无法实现和电子芯片充分并且有效地接触；

2、目前环路热管散热器热阻偏大，对于热流密度高于100W/cm²的高功率芯片散热无能为力；

3、目前环路热管蒸发器结构不利于微小型化；

4、不能随意拓展汽液进出蒸发器的位置和方向；

5、蒸发器制作工艺复杂及成本太高；

6、毛细结构在烧结过程中成品率不高，烧结模具容易损坏。

如何能创设一种制程简单可靠，成本较低，并能够充分开拓环路热管的散热潜能的新的多向进出相变传热装置及其制作方法，实属当前本领域的重要研发课题之一。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种多向进出相变传热装置，使其散热效率高，运行稳定，并能够充分开拓环路热管的散热潜能，从而克服现有的环路热管散热装置的不足。

为解决上述技术问题，本发明一种多向进出相变传热装置，包括蒸发器、蒸汽管路液体管路和冷凝器，所述的蒸发器为平板蒸发器，包括底板、多孔材料和上盖，多孔材料固定在底板上，上盖罩于多孔材料外部且下缘与底板固定连接；多孔材料内设有蒸汽排泄孔道；上盖设有蒸汽管路接口和液体管路接口。

作为本发明的一种改进，所述的多孔材料上部设有汽液隔离台。

所述的汽液隔离台为半环绕凸台。

所述的蒸汽排泄孔道为锥形，从盲端到出口逐渐增大。

所述的多孔材料与底板直接烧结结合。

所述的多孔材料为金属或陶瓷材质。

本发明还提供了上述多向进出相变传热装置的制作方法，其制程简单可靠，成本较低，从而克服现有的环路热管散热装置制作方法的不足。

为解决上述技术问题，本发明多向进出相变传热装置的制作方法，包括以下步骤：准备与多孔材料外形相应的模具，以及与蒸汽排泄孔道形状相应的中心棒；在模具中填充烧结粉末，并将中心棒置于相应位置；将模具放到烧结炉中烧结，得到多孔材料；制造上盖和底板；将多孔材料固定在底板上，再将上盖与底板固定连接，制成蒸发器；将蒸发器与蒸汽管路、液体管路、冷凝器固定连接。

本发明多向进出相变传热装置的制作方法，也可以包括以下步骤：准备与多孔材料上部外形相应的模具，以及与蒸汽排泄孔道形状相应的中心棒；制造上盖和底板；将模具置于底板上，在模具与底板之间填充烧结粉末，并将中心棒置于相应位置；将模具放到烧结炉中烧结，得到多孔材料；将上盖与底板固定连接，制成蒸发器；将蒸发器与蒸汽管路、液体管路、冷凝器固定连接。

作为上述的改进，所述的烧结粉末为金属粉末或陶瓷粉末；所述的模具、中心棒为石墨、高温陶瓷或碳钢材质；所述的上盖和底板为铜质或铝质，制造工艺为机加工、冲压或铸造，二者焊接固定。

采用这样的设计后，本发明具有以下有益效果：

1、可满足与电子芯片的有效贴合、节省安装空间，由于普通电子芯片的形状基本为立方体形，本发明平板蒸发器的外形为立方体形，因而可以和芯片的表面充分有效贴合，能够很好地满足电子芯片散热的安装使用要求，节省安装空间，利于微小型化；

2、最大程度地降低了热量传递的阻力并提高了环路热管运行的稳定性，本发明蒸发器内部包含多孔材料，也就是产生毛细结构的材料，采用将该多孔材料与蒸发器基板相结合的结构，通过把多孔材料直接烧结在基板上，使之可以最大程度地降低传热热阻，充分开拓环路热管的散热潜能；

3、本发明的蒸发器结构可以使得液体在毛细结构内部蒸发更易进入到薄液膜蒸发状态，同时渐变的蒸汽排泄通道可使得所产生的蒸汽快速离开蒸发器，通过实验表明，该结构使得蒸发器相变不稳定性得到非常明显的抑制；

4、本发明提出的蒸发器结构，其多孔材料的上侧为半环绕的烧结凸台，通过该环绕凸台可以实现在蒸发器内部把液体和蒸汽完全隔离的作用，同时该环绕凸台结合蒸发器上盖可以使得在蒸发器内部充分实现汽液隔离，相对于其它平板蒸发器结构，多了一层隔离措施，使得环路热管在运行当中，不会出现运行安全问题例如侧漏等问题；

5、尽可能简化蒸发器制作工艺并降低制造成本，本发明中的蒸发器上盖，蒸发器底板，液体管路和蒸汽管路皆可通过焊接同时完成，蒸发器上盖的结构也做到最简化处理；

6、蒸发器结构节省空间、利于微小型化以及标准化，本发明提出的环路热管蒸发器，通过毛细结构的合理设计以及配合上盖的汽液进出口开孔方向的调整，能随意拓展汽液进出蒸发器的位置和方向，使得环路热管散热器在安装使用中具有最大的灵活度，同时对于不同管径的进出口汽液管道也能够比较容易配合，因此该结构利于微小型化以及标准化的实现；

7、本发明提出的新型毛细结构可以保证在烧结过程中成品率高，烧结模具不容易被损坏。

附图说明

上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1是现有圆筒形蒸发器环路热管散热器的结构示意图。

图2是本发明一种多向进出相变传热装置的结构示意图。

图3是图2的分解结构示意图。

图4是本发明一种多向进出相变传热装置的蒸发器结构示意图。

图5是本发明一种多向进出相变传热装置的蒸发器多孔材料示意图。

图6是图5的剖视结构示意图。

图7-12是本发明蒸发器上盖可采用的不同进出口方向结构示意图。

图13是本发明一种多向进出相变传热装置的应用结构示意图。

具体实施方式

请参阅图2所示，本发明一种多向进出相变传热装置，包括一组蒸发器1、一组蒸汽管路2、一组液体管路3和一组冷凝器4。

其中，请配合参阅图3所示，蒸发器1采用平板蒸发器，该平板蒸发器的外形为四边形体，包括一个底板11、一组多孔材料12和一个上盖14。另请配合参阅图4所示，多孔材料12内设有一端封闭、一端开放用于蒸汽流动的蒸汽排泄孔道121，上盖14设有蒸汽管路接口和液体管路接口141。多孔材料12固定在底板11上，上盖14罩于多孔材料12外部且下缘与底板11固定连接。

较佳的，如图4-6所示，蒸汽排泄孔道121优选为锥形，从盲端到出口逐渐增大，增大的幅度根据从业者的知识以及经验设定，其横截面优选为如图所示的圆形，也可以采用其它形状。此外，多孔材料12材料可以是具有高导热性能的金属粉末或者金属网，也可以是其它无机材料，例如陶瓷粉末材料等，上部还设有汽液隔离台122，汽液隔离台122优选为半环绕凸台，与蒸汽排泄孔道121的盲端对应的一侧形成储液池123。

请配合参阅图7-12所示，上盖14可为一简单的四方凹槽壳体结构，其蒸汽管路接口和液体管路接口可根据实际使用需要任意开设，这样就可以实现工质在蒸发器1内部流动可以实现多方向进出的效果，满足在散热器实际使用过程的不同需求，同时更易使得该结构具备通用化以及标准化，最大可能降低企业加工成本。

蒸汽管路2的两端分别与平板蒸发器上盖14上的蒸汽管路接口及冷凝器4的一侧相连通，液体管路3的两端分别与平板蒸发器上盖14上的液体管路接口及冷凝器的另一侧相连通。

工作时，蒸发器1底面接收从发热器件传递过来的热量，工作介质在蒸发器1内部蒸发，蒸汽离开蒸发器1，通过弯曲的蒸汽管路2流到带有翅片的冷凝器4，蒸汽在冷凝器4通过，把热量释放到流过冷凝器4的环境介质中(例如空气)，蒸汽经自然冷却或强制冷却后转变为液体，液体在毛细力(由蒸发器的多孔材料12提供此作用力)的作用下经由液体管路3返回蒸发器1，完成一次热力学循环，据此循环往复，持续不断地把热量从发热器件释放到周围空气中。

本发明多向进出相变传热装置的制作方法，包括以下步骤：

(1)制备多孔材料：该多孔材料12可以是具有高导热性能的金属粉末如铜粉末，或者金属网，也可以是其它无机材料，例如陶瓷粉末材料等。多孔材料12可以采用单独烧结方式得到，也可以直接烧结在底板11上。

在烧结多孔材料的过程中，需要一组用来填充烧结粉末的模具，该模具材料为钢或者高温陶瓷，模具的内腔结构同多孔材料的外部几何结构相同，配合同蒸汽排泄通道121截面形状一致的锥形中心棒使用，用来形成带有所需蒸汽排泄通道121的多孔材料12。中心棒的材料可以为石墨或者钢。

然后把整个填充有烧结粉末的摸具放到烧结炉中，经过烧结，然后移走中心棒以及模具，就可以得到所需的多孔材料12。蒸汽排泄通道可根据从业者的知识水平，任意调整间距、粗细大小，便于提升散热潜力同时保证模具磨损降到最小。

(2)制造上盖和底板：上盖14的材料是铜或铝，通过冲压、机加工或者压铸等方式直接制成上盖，工艺简单、成本低；底板11由具有高导热性能的材料铜或铝，通过机加工、冲压或铸造制成；蒸发器1的上盖14的材料可以是和底板11一致，例如都为铝和铜；也可以不一致，例如上盖为铝，底板为铜。

(3)当多孔材料12制备完成以后，可以再次把多孔材料12与底板11进行二次烧结；也可以把加工好的底板11与多孔材料12一次烧结完成，相应模具以及加工难度相对增加，但节省工时，从而让多孔材料12牢固地与底板11结合，减小传热热阻。之后把蒸发器1的上盖14和带有多孔材料12的底板11采用焊接，例如钎焊、氩弧焊、锡焊、软焊接(soldering)、硬焊接(brazing)、分子扩散焊(diffusion Bonding)等方式，将两者结合在一起，完成蒸发器的加工。

(4)把加工好的平板蒸发器1同冷凝器4通过管路焊接在一起，然后进行标准热管生产工艺，其基本步骤包括清洗，抽真空，灌装工作介质以及密封，则带有平板蒸发器的环路热管制作完成。

其中，冷凝器4可以通过中国专利ZL200820123487.2中描述的方法完成加工，也可以通过标准穿管工艺实现冷凝器散热翅片与工质循环管路(包括蒸汽管路2和液体管路3)的结合加工。

请参阅图13所示，为本发明的一个具体应用实例，为了很好地解决大功率集成LED灯芯片的散热，图中所示为一款工质能够从环路热管蒸发器两侧同时循环并传热的散热装置。热量从LED芯片5传至环路热管蒸发器1，工质在1中蒸发相变从液相变到汽相，汽相工质分别从蒸发器1两侧把热量传递到对称的两个冷凝器4上，这样在有限的空间内，实现了大功率热量的传递以及有效地散发到环境中去。同时，该结构具有对称性以及美观性，配合支撑板6和护罩7，可使结构更为稳固。

本发明适用于计算机芯片散热，包括中央处理单元(CPU)和图形处理单元(GPU)，同时也可以适用于发光二极管照明设备(LED)，无线通讯或者有线通讯行业的高能电子芯片或者光电芯片、射频芯片的冷却，还可以适用到军用雷达，激光设备，医疗器械或者航空航天设备内部高能发热部件的冷却。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种多向进出相变传热装置，包括蒸发器、蒸汽管路、液体管路和冷凝器，其特征在于：

所述的蒸发器为平板蒸发器，包括底板、多孔材料和上盖，多孔材料固定在底板上，上盖罩于多孔材料外部且下缘与底板固定连接；

多孔材料内设有蒸汽排泄孔道；

上盖设有蒸汽管路接口和液体管路接口；

所述的多孔材料上部设有汽液隔离台，所述的汽液隔离台为半环绕凸台。

2.根据权利要求1所述的一种多向进出相变传热装置，其特征在于所述的蒸汽排泄孔道为锥形，从盲端到出口逐渐增大。

3.根据权利要求1所述的一种多向进出相变传热装置，其特征在于所述的多孔材料与底板直接烧结结合。

4.根据权利要求1所述的一种多向进出相变传热装置，其特征在于所述的多孔材料为金属或陶瓷材质。

5.一种权利要求1-4中任一项所述的多向进出相变传热装置的制作方法，其特征在于包括以下步骤：

准备与多孔材料外形相应的模具，以及与蒸汽排泄孔道形状相应的中心棒；

在模具中填充烧结粉末，并将中心棒置于相应位置；

将模具放到烧结炉中烧结，得到多孔材料；

制造上盖和底板；

将多孔材料固定在底板上，再将上盖与底板固定连接，制成蒸发器；

将蒸发器与蒸汽管路、液体管路、冷凝器固定连接。

6.根据权利要求5所述的一种多向进出相变传热装置的制作方法，其特征在于：

所述的烧结粉末为金属粉末或陶瓷粉末；

所述的模具、中心棒为石墨、高温陶瓷或碳钢材质；

所述的上盖和底板为铜质或铝质，制造工艺为机加工、冲压或铸造，二者焊接固定。

7.一种权利要求1-4中任一项所述的多向进出相变传热装置的制作方法，其特征在于包括以下步骤：

准备与多孔材料上部外形相应的模具，以及与蒸汽排泄孔道形状相应的中心棒；

制造上盖和底板；

将模具置于底板上，在模具与底板之间填充烧结粉末，并将中心棒置于相应位置；

将模具放到烧结炉中烧结，得到多孔材料；

将上盖与底板固定连接，制成蒸发器；

将蒸发器与蒸汽管路、液体管路、冷凝器固定连接。

8.根据权利要求7所述的一种多向进出相变传热装置的制作方法，其特征在于：

所述的烧结粉末为金属粉末或陶瓷粉末；

所述的模具、中心棒为石墨、高温陶瓷或碳钢材质；

所述的上盖和底板为铜质或铝质，制造工艺为机加工、冲压或铸造，二者焊接固定。