CN103165547B - 微槽群复合相变散热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微槽群复合相变散热器，包括相对设置的散热面和冷凝面，散热面和冷凝面由一侧围板连接，构成一封闭的内腔，内腔中，设置多根连接所述散热面和冷凝面的输送管路；位于内腔中的散热面上设置有由多条微米数量级的微槽道构成的微槽群结构，用于容纳取热介质；内腔中，在输送管路之间的空隙中填充多孔芯体材料；输送管路与冷凝面接触的一端具有多条缝隙，可容纳在冷凝面上液化的取热介质从输送管路中流出进入多孔芯体材料中。本发明具有超导热能力，微槽群复合相变技术能把功率电子设备芯片的热量及时送到散热的翅片部位；冷却能力强，无冷却能耗，无动力运行，节约能源；整体重量轻、体积小，工作稳定，可靠性高，成本低、环保。

Description

微槽群复合相变散热器

技术领域

本发明涉及一种散热器，尤其涉及一种将取热与散热相结合的功率电子设备的散热器。

背景技术

现代功率电子设备正在迅速地向高集成度、高密度组装、高运行速度方向发展。作为功率电子设备的核心芯片，其工作频率越来越快，消耗的功率越来越大，发出的热量也越来越多。若器件的散热能力不强，则功率的散耗就会造成器件内部芯片有源区温度上升及结温的升高。元器件的失效率与其结温呈指数关系，性能则随结温的升高而降低。器件的工作温度每升高10℃，其失效率增加1倍。

目前功率电子设备常用的散热技术有风冷、水冷、翅片散热等，这些技术均存在一些问题，如风冷散热器，虽然其散热方式最简单、最直接、成本最低，但是散热器工作时噪声大、易受灰尘干扰且寿命短。水冷散热器虽然散热效果较好，但是成本非常高。翅片散热器单一的散热过程，即通过翅片散热，普遍存在散热不均匀、散热效率低、寿命短和维护成本高等问题。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有散热器的不足，提供了一种将取热与散热相结合的微槽群复合相变散热器，解决了现有散热器普遍存在的散热不均匀、散热效率低、功率电子设备寿命短的问题。

本发明的技术方案是提供一种微槽群复合相变散热器，其特征是，包括相对设置的散热面和冷凝面，散热面和冷凝面由一侧围板连接，构成一封闭的内腔，

所述内腔中，设置多根连接所述散热面和冷凝面的输送管路；

位于所述内腔中的散热面上设置有由多条微米数量级的微槽道构成的微槽群结构，用于容纳取热介质；

所述内腔中，在输送管路之间的空隙中填充多孔芯体材料；

所述输送管路与所述冷凝面接触的一端为通孔，可容纳在冷凝面上液化的取热介质从输送管路中流出进入多孔芯体材料中。

所述内腔中，靠近所述散热面与冷凝面的一侧还设置有基板，所述基板上设置有可容纳所述输送管路通过的避让孔，所述基板上还设置有多个通孔，用于容纳液化的取热介质在多孔芯体材料的毛细材料力作用下流回到所述微槽群结构中。

所述基板与所述散热面上的微槽群结构之间的距离为1mm。

所述微槽群结构利用激光束加工而成。

所述侧围板外垂直于侧围板设置多条肋片。

所述多孔芯体材料中具有可以增加工作流体的流速的通孔。

所述输送管路为细长的直径为毫米数量级的金属管。

所述输送管路为铜管。

所述散热面冷凝面和侧围板采用铝合金材料。

所述取热介质为液体，其沸点不小于功率电子设备正常工作温度值，或通过对内腔中的压强进行调整，使取热介质的沸点不小于功率电子设备正常工作时的温度值。

本发明所达到的有益效果：

1、超导热能力：本发明具有超导热能力，其导热能力远远高于铝基板，微槽群复合相变技术能把功率电子设备芯片的热量及时送到散热的翅片部位。

本发明导热系数大于10⁶W/(m·℃)。用铜棒实验验证本发明的导热能力。铜是优良导体，也是优良导热体，它的导热系数约为400W/(m·℃)。用一根长60cm、直径1.3cm的实心铜棒在100℃工作温度下输送200W的热能量，铜棒两端温度差高达70℃；用上述铜棒重量的一半做成微槽群复合相变技术取热器，能在100℃工作温度下输送200W的热能量，热输送距离也是60cm远，其温度只降了0.5℃，实验表明微槽群复合相变技术具有超导热能力。

2、冷却能力超强：取热热流密度已达400W（m²·s）,比水冷高1000倍，比热管高约100倍。取热能力比强制水冷高100倍，比强制风冷高1000倍。

3、无功耗冷却：被动式散热，无需风扇或水泵，无冷却能耗，无动力运行，节约能源。微槽群复合相变散热器巧妙利用大功率电力电子器件发热的能量使取热介质蒸发产生动能和势能，蒸气流动到冷凝器放热冷凝成液体，借助取热器微槽群的毛细力和液体重力回流到与大功率电力电子器件紧贴的取热器，从而实现无外加动力的闭式散热循环。

4、重量轻、体积小：重量不到现有散热器的25%，体积可减小到20%以下。

5、可靠性高：装置简洁紧凑，工作稳定，无启动问题，可靠性远高于风扇、水冷和热管散热器。

6、成本低、环保：产品成本小于风扇、水冷和热管的散热器。取热介质环境友好，量少无消耗。

附图说明

图1是本发明立体结构示意图；

图2是本发明横向剖视图；

图3是本发明翅片俯视图；

图4是本发明内部散热剖视图；

图5是本发明内部散热俯视图；

图6是本发明单根热管立体结构图；

图7是本发明微槽群结构上方基板示意图；

图8是微槽群结构放大1000倍示意图；

图中：

图中，散热面1；内腔中的散热面11；外表面12；冷凝面2；侧围板3；内腔4；输送管路5；蒸发段51；冷凝段52；微槽道6；基板7；圆孔71；圆通孔72；肋片8；多空芯体材料9。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1-图8所示，本发明的散热器包括相对设置的散热面和冷凝面，散热面1和冷凝面2由一侧围板3连接，构成一封闭的内腔4。内腔4中，设置多根连接输送管路5；位于内腔中的散热面11上设置有由多条微米数量级的微槽道6构成的微槽群结构，用于容纳取热介质。内腔4中，在输送管路5之间的空隙中填充多孔芯体材料。输送管路5与冷凝面2接触的一端具有通孔，可容纳在冷凝面2上液化的取热介质从输送管路5中流出进入冷凝面上的微槽道，进而流入多孔芯体材料9中。

用于取热的散热面：功率电子设备芯片通过螺钉紧紧固定贴在散热器散热面1的外表面12，散热器内腔中的散热面11上加工了许多微米数量级的微槽道6构成的微槽群结构，微槽群结构把密闭循环的取热介质(取热介质可为水)变为微米数量级的水膜，水膜越薄，则遇热蒸发能力越强，潜热交换能力也就越强，大功率器件产生的热量被蒸汽带走。

用于冷凝的冷凝面2：热蒸汽的密度小于冷空气上浮进入热管的蒸发段，由于在热管范围外部空隙中均充满有多孔芯体材料9，气体只能通过热管的蒸发段经冷凝段段流向散热器的冷凝面。热蒸汽在散热器的冷凝面液化成液体，液体经热管顶端的通孔流到散热器内部多孔芯体材料中，在多孔芯体材料9的毛细材料力作用下经基板7直径较大的圆孔71重新流回到微槽群结构中。

椭圆状散热器边缘设置众多肋片8，肋片一般都能强化传热面，作为二次传热面，不仅能扩大传热面积，而且能促进流体的扰动，增强散热器的散热能力。

取热介质：为了保证功率电子设备可以正常工作，取热介质的沸点低于功率电子设备正常工作时的温度。功率电子设备在使用过程中温度不断升高，当温度升高到取热介质沸点时，取热介质蒸发取热，将功率电子设备的热量通过热管传递到冷凝器，热蒸汽受到冷却液化成液体，在毛细材料力的作用下重新流回到微槽。

输送管路5即热管：输送管路两端分别连接散热面和冷凝面，依赖微槽道内取热介质蒸发和冷凝的相变过程传递冷、热流体间的热量。当散热面受热时，微槽道内的取热介质蒸发，通过热管的蒸发段、冷凝段流向冷凝面，蒸汽受到冷却凝结成液体，液体沿多孔材料9靠毛细材料力的作用流回到微槽道中，如此循环往复。

散热器参数计算：

1）相变热

本发明的结构一旦制成，内部的压强就恒定。在热力学中，吉布斯自由能是描述物质系统等温、等压过程的一个重要参数，其表达式为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\ΔG}=\mathrm{\ΔU}-\mathrm{T\ΔS}+\mathrm{pV}=\mathrm{\ΔH}-\mathrm{T\ΔS}\\ \mathrm{\ΔH}=\mathrm{\ΔU}+\mathrm{pV}\end{array}\right.---\left(1\right)$

式(1)中，ΔG是吉布斯自由能变化值，ΔU是系统的内能变化值，T是温度，S是熵，p是压强，V是体积，ΔH是焓变，ΔS是熵变。

相变过程中，温度等于取热介质沸点时，系统处于平衡状态，即ΔG=0，物质系统的熵变表达式：

$\mathrm{\ΔS}=\frac{\mathrm{\ΔH}}{T}---\left(2\right)$

根据热力学熵增加原理，式(2)表明处于相变平衡态的物质系统的焓增加大于零，即ΔH＞0。

热力学第一定律指出，指定物体的内能的变化量等于外界对它作的功W和外界传递给它的热量Q的总和。

dU＝δW+δQ           (3)

对于体积V不变的有限封闭系统，内部物质的相变处于平衡态时，压强p恒定，即公式(1)中焓ΔH表达式中的pV项为常数。也即公式(3)中的δW=0，此时处于相变平衡态的内能变化仅仅与外界传给它的热量Q相关，根据公式(1)可得：

ΔH＝ΔU＝ΔQ            (4)

在实际的相变应用中，处于有限封闭空间内的相变平衡态的物质系统，物质蒸发的相变热可以采用如下的里德尔公式进行描述：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\ΔH}=\frac{1.093R{T}_b(\ln P_c-1)}{0.930-T_{\mathrm{br}}}\\ T_{\mathrm{br}}=\frac{T_b}{T_c}\end{array}\right.---\left(5\right)$

公式(5)中的焓变ΔH即为物质的蒸发热ΔQ(由公式(4)可知)，R为摩尔气体常数，P_c为临界压强(kg.cm^-2)，T_br和T_c分别为正常沸点和临界温度，T_b为被测定的温度。

2）对流传热

Φ₁＝hA₁ΔT         (6)

式(6)中，Φ₁为热量，A₁为与流体接触的壁面面积，h为对流换热系数，ΔT为壁面温度与流体温度的差值。

3）辐射换热

Φ₂＝εA₂KT⁴         (7)

式中，Φ₂为物体辐射出去的辐射能力，K=1.3806506×10-23JK^-1为玻耳兹曼常数,A₂为辐射表面积，T为黑体的热力学温度，ε是物体的发射率又称黑度。

4）肋片散热效率

$\mathrm{\η}=\frac{\arctan [(2\mathrm{hc}/{\mathrm{\λ\σ}}_0)\×0.5b]}{(2\mathrm{hc}/{\mathrm{\λ\σ}}_0)\×0.5b}---\left(8\right)$

式中，hc为自然对流换热系数,δ₀为肋片根部厚度，λ为导热系数，b为肋高。

结合图1至图8，详细介绍本发明微槽群复合相变散热器的设计：

1、微槽群结构的设计：

如图8所示为部分微槽群结构放大1000倍示意图，散热器内腔中的散热面11上加工了很多微米数量级的微槽道6，微槽道可以为“#”形状，形成微槽群结构，利用微细尺度复合相变强化换热机理，实现在狭小空间内，对小体积的高热流密度及大功率器件的高效率取热。取热介质在微槽中形成扩展弯月面薄液膜蒸发和厚液膜核态沸腾的高强度微细尺度复合相变强化换热过程，带走巨大热量。

微槽群结构利用激光束加工技术进加工而成。本发明的微槽群结构采用激光加工中的激光热加工加工而成，激光热加工将具有较高能量密度的激光束(它是集中的能量流)照射到被加工散热器内表面，材料表面吸收激光能量，引起快速加热，在照射区域产生激发过程，从而使被加工表面温度上升，产生变态、熔融、烧蚀、蒸发等现象形成微槽。激光束的发散角可以小于1豪弧，加工得到的微槽道直径可以小到微米数量级，激光束的作用时间可以短到纳秒甚至皮秒。因此，利用激光加工技术加工微槽道实际可以达到微米数量级且加工速度较快。

2、热管的设计

如图4、图6所示，单根热管是一根细长直径为毫米数量级的金属管子。热管冷凝段加工了不能从基板圆孔通过的矩形薄板。取热段外表面加工了外螺纹，与散热面相距1mm的基板7上与热管相配合的孔内加工了内螺纹，热管与基板7依靠螺纹固定。热管壳体的作用是将进入热管内的取热介质与外界环境分开。因为铜材料具有高的比强度和导热性、对取热介质和外界环境的稳定性高、无空隙，并且易于制造及进行各种加工。因此较佳地方案是选用铜管作为热管的壳体材料。

热管在高温处即靠近微槽群结构的部分称为蒸发段51，蒸发后的气体聚集在蒸发段的管内，同时向热管的另一端流动，当气体到达较冷的另一端时便开始冷凝，在此时热量就由气体传入较低温部分即冷凝段52。在冷凝段52内原先由蒸发段51蒸发的气体又凝结成液体，这些凝结后的液体因毛细现象的作用又流回到微槽群结构，如此流体循环不息，热量由高温处便传到了低温处。因为蒸发和冷凝现象几乎在相同时间进行，管内的温差非常小，热管的导热能力很好。

如图4所示，在微槽群结构下方留有1mm空隙，空隙下方有一块1mm厚度的基板7，在此基板7上加工有两种规格的圆孔，液化后的取热介质通过直径较大的圆孔71重新流回到微槽群结构中。另一种规格的圆通孔72直径等于热管的最大直径，安装热管时，将热管蒸发段51从基板7上圆通孔72穿过，直至矩形块与基板7完全接触，此时热管蒸发段与冷凝面2部位的基板依靠螺纹固定。散热段底部与散热器壳体内表面加工的微槽群结构相接触。

3、多孔芯体材料

如图4中所示，本发明采用粉末烧结作为多孔芯体材料，多孔芯体材料9中具有可以增加工作流体的流速的“气道”(通孔)。粉末烧结芯材料经弯曲加工后，仍能维持最大的蒸汽流断截面积，并保护及维持液体单向回流。

在完成微槽群结构及热管的加工后，将多孔芯体材料9充满空心散热器内部及微槽群结构下方1mm空隙。热管蒸发段与微槽群结构紧密相贴，功率电子设备工作时，芯片温度不断升高，当温度升高到取热介质沸点时，微槽群结构中的取热介质受热蒸发成气体，热蒸汽的密度小于冷空气上浮进入热管的蒸发段，由于在热管范围外部1mm空隙中均充满有多孔芯体材料9，气体只能通过热管的蒸发段经冷凝段流向散热器的冷凝面。热蒸汽在散热器的冷凝面液化成液体，液体经热管冷凝段圆孔流到散热器内部多孔芯体材料中，在多孔芯体材料的毛细材料力作用下经基板直径较大的圆孔重新流回到微槽群结构中。

4、取热介质

取热介质可选用的液体种类繁多，它包括二甲胺、二氯甲烷、乙醇、水、木酒精、丙酮、己烷、丁酮及其它一些无机盐类。微槽群内的取热介质的选择视散热器的应用情况而定。例如在100℃以上较高温度时，取热介质多用水等。但散热器用于10℃时，则多用二甲胺等。

取热介质的选择首先应考虑散热器使用的温度范围，在此前提下还要求取热介质与芯材及散热器材质间相容稳定，具有好的热稳定性、高的潜热和导热性能，液态和气态的粘度低，为保证高的毛细管力，取热介质的表面张力应足够高。散热器一旦制成，内部压强就稳定不变，散热器内部的压强对取热介质的沸点也有所影响，两者的关系用克劳修斯-克拉贝龙方程表示为：

$\ln \left(\frac{p2}{p1}\right)={\mathrm{\ΔH}}_m(\frac{1}{T_1}-\frac{1}{T_2})/R---\left(9\right)$

式(9)中P1为常压，0.1MPa，P2为给定压力，T1为常压下沸点，T2为所求沸点。ΔH_m为蒸发热，R为摩尔气体常数，通过式(9)可以看出，随着压强的升高，液体的沸点也在不断升高。因此在实际运用过程中，可以选取无毒无害且价格适中的液体(如甲醇)作为本发明的取热介质，通过改变微槽群复合相变散热器内部的压强，以调整取热介质的沸点到功率电子设备正常工作时的温度值。

5、翅片的设计

如图6、图7所示，本发明的散热器外形设计成椭圆状并在散热器周围的边缘增加了更多肋片，肋片一般都能强化传热，肋片作为二次传热面，不仅能扩大传热面积，而且能促进流体的扰动。通过公式(8)计算可求出微槽群复合相变散热器散热效率最高时候的肋片面积及个数。

本发明采用拉拔技术，在外力的作用下，使铝材通过模孔，以在较低的成本下获得尺寸精确、表面光洁的肋片。肋片采用高频焊接翅片技术按一定的距离焊接在散热器外椭圆上，以高频电流作焊接热源，利用高频电流的集肤效应和电热效应，局部加热肋片与散热器的接触面及待焊区，使接触面达到塑性可焊状态，同时在肋片外侧施加顶锻力将接触处的金属氧化物、局部熔化物以及多余的塑态金属挤出，使散热器与肋片材料之间达到固态原子间的结合，从而实现接触面的塑性焊接。由于本发明采用高频电流产生的热量，将肋片和散热器接触处的材料融合在一起，所以采用此技术焊接而成的肋片与散热器连接较好，接触热阻甚至会低于胀管肋片和轧片管。同时，由于此技术依靠高频焊接本身的特性即集肤效应加热工件表面，达到焊牢的目的，焊接过程中不需添加任何填充金属材料，因此生产成本较低。

6、材质的选用

本发明的散热器主体优选地采用铝合金材料制作而成。铝合金散热器在多种散热器材料中是最轻的，因此散热器的搬运安装非常方便。由于它易挤压成形，也可以挤压成各种形状散热器，因此外观可制作的新颖美观，装饰性强。由于铝氧化后生成氧化铝是最好的保护膜，能避免它进一步氧化，因此它不怕氧化腐蚀。

铝材制成的散热器导热性好，耐压性能高，金属热强度高。铝制的散热量大，散热快，效率非常高，较适用于制成散热器。铝制的散热器外表静电喷塑时，花色美观，装饰性也较好。在综合性生产过程中不污染环境，不污染水质。铝材散热器美观大方，占用居室空间小，环保节能。很符合散热器的"轻型、高效、环保、节能"理念。

从制作散热器方面来讲，铝合金制作散热器是最好的一种选择材料。无论是节能、节材、装饰、价位还是重量等方面均占优势。铜铝、钢铝、不锈钢铝等与铝复合的产品均含有铝的成分，材料特性优良。虽然从弯曲角度上比较，它不如钢管，但是钢管的散热远远比不上铝的散热。从防腐上比较钢是先磷化后防腐，工序繁琐，而铝合金是氧化防腐或直接防腐。所以，铝合金材质制造的散热器无论从哪方面讲，皆优胜于其他材质制造的散热器。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种微槽群复合相变散热器，其特征是，包括相对设置的散热面和冷凝面， 散热面和冷凝面由一侧围板连接，构成一封闭的内腔，

所述内腔中，设置多根连接所述散热面和冷凝面的输送管路；

位于所述内腔中的散热面上设置有由多条微米数量级的微槽道构成的微槽群结构，用于容纳取热介质；

所述内腔中，在输送管路之间的空隙中填充多孔芯体材料；

所述输送管路与所述冷凝面接触的一端具有多条缝隙，可容纳在冷凝面上液化的取热介质从输送管路中流出进入多孔芯体材料中；

所述内腔中，靠近所述散热面的一侧还设置有基板，所述基板上设置有可容纳所述输送管路通过的避让孔，所述基板上还设置有多个通孔，用于容纳液化的取热介质在多孔芯体材料的毛细材料力作用下流回到所述微槽群结构中。

2.根据权利要求1所述的微槽群复合相变散热器，其特征是，所述基板与所述散热面上的微槽群结构之间的距离为1mm。

3.根据权利要求1所述的微槽群复合相变散热器，其特征是，所述微槽群结构利用激光束加工而成。

4.根据权利要求1所述的微槽群复合相变散热器，其特征是，所述侧围板外垂直于侧围板设置多条肋片。

5.根据权利要求1所述的微槽群复合相变散热器，其特征是，所述多孔芯体材料中具有可以增加工作流体的流速的通孔。

6.根据权利要求1所述的微槽群复合相变散热器，其特征是，所述输送管路为细长的直径为毫米数量级的金属管。

7.根据权利要求1或6所述的微槽群复合相变散热器，其特征是，所述输送管路为铜管。

8.根据权利要求1所述的微槽群复合相变散热器，其特征是，所述散热面冷凝面和侧围板采用铝合金材料。

9.根据权利要求1所述的微槽群复合相变散热器，其特征是，所述取热介质为液体，其沸点不小于功率电子设备正常工作温度值，或通过对内腔中的压强进行调整，使取热介质的沸点不小于功率电子设备正常工作时的温度值。