CN103200803A

CN103200803A - 一种有池沸腾的环路热管散热装置

Info

Publication number: CN103200803A
Application number: CN2013100897455A
Authority: CN
Inventors: 魏进家; 吕虓; 龙延
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2013-03-20
Filing date: 2013-03-20
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2033-03-20
Also published as: CN103200803B

Abstract

本发明公开了一种有池沸腾的环路热管散热装置，包括平板型蒸发器、第一冷凝器、池沸腾蒸发器、第二冷凝器；平板型蒸发器的金属腔体最上部设置有补偿器；平板型蒸发器的出口通过第一连接管道连接至池沸腾蒸发器的出口；第一冷凝器为套管式并套装在第一连接管道上；池沸腾蒸发器的出口通过第二连接管道与补偿器连接，第二冷凝器也为套管式并套装在第二连接管道上；第一冷凝器的冷凝液出口通过管道与第二冷凝器的冷凝液入口连接。本发明充分结合了方柱微结构池沸腾散热效率高、温度波动小、占用空间少和环路热管可远距离传输的优点，以毛细芯产生的毛细抽吸力为系统提供动力，保证了电子元器件的高效冷却散热。

Description

一种有池沸腾的环路热管散热装置

技术领域

本发明属于电子元器件冷却散热技术领域，涉及一散热装置，尤其是一种有池沸腾的环路热管散热装置。

背景技术

随着电子元器件的高度集成化、大功率化和小型化发展，电子元器件的热处理问题变得越来越严峻，如何及时有效地将热量导出，已成为制约电子元件发展的重要因素，传统的风冷等冷却技术已不能满足其高散热率的要求。

利用液体对电子元器件进行冷却是一种高效的散热方式，尤其是将电子元器件直接浸没在装有不导电液体的小池中，利用池沸腾装置的相变传热对其进行冷却。为了强化沸腾换热，发明人在电子器件的表面加工了不同的微结构。如中国专利第200810236502.9号就公开了一种芯片的沸腾强化换热结构及其制作方法，它首先将芯片表面腐蚀出多个微柱状结构的凸台，然后在带有凸台的芯片表面溅射SiO₂层，将其腐蚀为多孔结构。其特点是在较低的壁面过热度下提供了较大的强化换热表面积和足够多的汽化核心数，从而解决了芯片在沸腾起始到核态沸腾时存在的较大温度热冲击问题，使核态沸腾得到很大程度的改善，同时，它还显著地提高了临界热流密度值。但是，这种有方柱微结构的池沸腾装置仍存在若干缺点：

1、电子元器件浸没在静止的工质中进行换热，临界热流密度值偏低，需要增大过冷度才能提高临界热流密度。

2、虽然方柱微结构能够使电子元器件的热量及时有效地传递到池内液体中，但由于系统没有动力，难以将这部分热量导出系统之外，以维持池内液体温度。

3、在对池内的液体进行冷却时，还需要额外的散热系统，结构复杂。

由此可见，上述池沸腾装置还需进一步改进，才能满足实际应用的要求。

环路热管是一种高效的两相传热设备，其依靠工质在毛细芯内部形成的毛细力来驱动回路的运转。具有散热能力强、传输距离远、无需额外附加驱动力、可靠性高等众多优势，使得环路热管可以广泛应用于电子元器件的高效散热及空间冷却技术等相关领域，近年来引起人们的广泛关注。

最开始的环路热管是圆筒形，但由于电子元器件的散热面一般是平板状，所以从协同作用的角度，平板式环路热管更适用于电子元器件的散热。其蒸发器底板与散热面紧密贴合，热阻小，导热高，在一些电子器件的散热中，已获得了应用。

但是，平板式环路热管散热能力有限，背向漏热多，且温度波动往往较大，尤其是在功率较低时，这不利于电子器件性能的稳定发挥。此外，补偿器的布置主要有两种方式，一是位于毛细芯上部，通过增加高度来增加储液量；二是置于蒸汽槽道一侧，通过增加长和宽来增加储液量，都不适合于小空间的应用。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种有池沸腾的环路热管散热装置，该装置充分利用方柱微结构池沸腾体积小、散热效率高的特性，以平板式环路热管的毛细芯为其提供动力，既可以保持池内液体的温度，又可以把热量传到距离较远的系统之外。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

这有池沸腾的环路热管散热装置，包括平板型蒸发器、第一冷凝器、池沸腾蒸发器、第二冷凝器；所述平板型蒸发器的金属腔体最上部设置有补偿器；所述平板型蒸发器的出口通过第一连接管道连接至池沸腾蒸发器的出口；所述第一冷凝器为套管式并套装在第一连接管道上；所述池沸腾蒸发器的出口通过第二连接管道与补偿器连接，所述第二冷凝器也为套管式并套装在第二连接管道上；所述第一冷凝器的冷凝液出口通过管道与第二冷凝器的冷凝液入口连接；所述平板型蒸发器与补偿器之间布置有毛细芯；所述池沸腾蒸发器的底部设置有一层带有方柱微结构的金属泡沫。

上述池沸腾蒸发器的底部是通过焊接或粘接的方式设置所述金属泡沫。

上述平板型蒸发器上刻有蒸汽槽道，所述蒸汽槽道的横截面是矩形或三角形；蒸汽槽道的轴向方向与第一蒸汽管道相同；所述蒸汽槽道的侧面设有一个蒸汽腔。

上述平板型蒸发器是方柱型或圆柱型，金属壁面的上下两部分通过螺栓连接，并通过第一O型圈密封。

上述池沸腾蒸发器的池沸腾发生在一个小方柱或圆柱型腔体中，池沸腾蒸发器由上下两部分通过螺栓连接组成，并通过第二O型圈密封。

上述第一冷凝器的冷凝液出口与第二冷凝器的冷凝液入口之间通过橡胶管连接。

进一步，在第二连接管道上，于池沸腾蒸发器与第二冷凝器之间，还通过接支管设置有阀门。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明为电子元器件散热的主要是池沸腾蒸发器，它尺寸小，结构简单，布局紧凑，对于空间极为有限的电器元器件散热，该装置也同样适用。

（2）本发明的池沸腾蒸发器底板采用方柱微结构，大大地增加了强化换热面积和汽化核心数，既能防止初始时温度过高，又能使电子元器件在较低功率下启动。该方柱微结构还具有热毛细对流作用，可以保证稳定的核态沸腾状态，使温度基本稳定，波动幅度较小，且几乎不随热流密度的增加而变化。

（3）本发明密封性好，给回路灌装工作介质前，先进行抽真空处理，因此，相对于一般的池沸腾装置，其工质的沸点更低，更易沸腾。

（4）本发明的池沸腾蒸发器、冷凝器和平板型蒸发器之间相互分离，可以通过柔性管线连接，作为一种新颖的环路热管，具有普通环路热管可以远距离传输，不受距离限制的优点。

（5）本发明的装置结合了方柱微结构池沸腾装置和平板式环路热管的优点，前者传热效率高，后者毛细芯产生的毛细力又为系统提供动力，这样就保证了系统可以长期稳定地运行。

（6）本发明的两个冷凝器均采用了套管式结构，并用塑料软管相连，这样就只有一根进水管道和出水管道，简化了冷却结构。

（7）本发明不仅可以对一个电子元器件进行散热，由于有池沸腾蒸发器和平板型蒸发器两个加热面，当有两个电子元器件散热时，该装置同样适用；同时，也可以通过增加池沸腾蒸发器来实现对多个电子元器件的散热。

附图说明

图1为本发明的总体结构图.

图2为本发明池沸腾容器的剖视图。

图3为本发明蒸发器的剖视图。

其中：1为平板型蒸发器；2为蒸汽槽道；3、17为螺栓；4为第一O型圈；5为毛细芯；6为补偿器；7为第一蒸汽段；8为入口；9为第一冷凝器；9.1为第一冷凝段；10为出口；11为橡胶管；12为入口；13为池沸腾蒸发器；14为金属泡沫；15为方柱微结构；16为第二O型圈；18为阀门；19为第二蒸汽段；20为第二冷凝器；20.1为第二冷凝段；21为出口；22为第二液体段；23为第一液体段；24为蒸汽腔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，本发明的有池沸腾的环路热管散热装置，包括平板型蒸发器1、第一冷凝器9、池沸腾蒸发器13、第二冷凝器20；平板型蒸发器1的金属腔体最上部设置有补偿器6；平板型蒸发器1的出口通过第一连接管道连接至池沸腾蒸发器13的出口；第一冷凝器9为套管式并套装在第一连接管道上；池沸腾蒸发器13的出口通过第二连接管道与补偿器6连接，第二冷凝器20也为套管式并套装在第二连接管道上；第一冷凝器9的冷凝液出口10通过管道与第二冷凝器20的冷凝液入口12连接。

从平板型蒸发器1出口到池沸腾蒸发器13入口间的第一连接管道分为三段，如图1所示：第一蒸汽段7、第一冷凝段9.1和第一液体段23。从池沸腾蒸发器13出口到补偿器6间的第二连接管道分为第二蒸汽段19、第二冷凝段20.1和第二液体段22三段。在第一连接管道和第二连接管道的冷凝段均有一套管式冷凝器，第一冷凝器9的出口10和第二冷凝器20的入口12，通过一根橡胶管11连接。冷却水从第一冷凝器9的入口8流入，从第二冷凝器20的出口21流出。在第二连接管道上，于池沸腾蒸发器13与第二冷凝器20之间，还通过接支管设置有阀门18，用于系统抽真空和工作介质填充。

本发明的平板型蒸发器1是方柱型（如图1所示）或圆柱型，为了装卸方便，平板型蒸发器的上下壁面用螺栓3连接，并通过第一O型圈4密封。所述平板型蒸发器1与补偿器6之间布置有为系统提供动力的毛细芯5。并且在平板型蒸发器1上刻有蒸汽槽道2（如图3），蒸汽槽道2的横截面是矩形或三角形；蒸汽槽道2的轴向方向与第一蒸汽管道7相同；蒸汽槽道2的侧面设有一个蒸汽腔24。从平板型蒸发器1出来的蒸汽，经过蒸汽腔24，进入第一蒸汽段7，并经第一冷凝器9冷却成液体流到池沸腾蒸发器13中。

本发明的池沸腾蒸发器13的池沸腾发生在一个小方柱或圆柱型腔体中（如图1），池沸腾蒸发器13由上下两部分通过螺栓17连接组成，并通过第二O型圈16密封。池沸腾蒸发器13的下端是蒸发底板，底板上通过焊接或粘接的方式设置有一层带有方柱微结构15（如图2）的金属泡沫14。从池沸腾蒸发器13出来的蒸汽经第二蒸汽段19流到第二冷凝器20中，冷却的液体再经第二液体段22流到补偿器6。

本发明的工作原理如下：

1）所述平板型蒸发器1壁面与一额外热源发热面贴合，热量通过平板型蒸发器1的金属外壁传导至毛细芯5，液体在毛细芯5表面受热汽化，同时在汽液界面产生弯月面，形成毛细力，产生的蒸汽通过蒸汽槽道2和蒸汽腔24进入第一蒸汽段7，经第一冷凝器9冷却，放出热量，被冷却的液体经第一液体段23流到池沸腾蒸发器13中。

2）池沸腾蒸发器底面13与电子元器件发热面贴合，热量通过底板和金属泡沫层14传到方柱微结构15表面，进入池中的液体工质受热蒸发，形成核态沸腾，产生的蒸汽经第二蒸汽段19流到第二冷凝器20中，放出热量，被冷却的液体经第二液体段22流回补偿器6中。

综上所述，在本发明工作过程中，形成了蒸发—冷凝—再蒸发—再冷凝的闭合循环。其中，第一次蒸发—冷凝主要是利用毛细芯的毛细抽吸力为系统提供动力，再蒸发—再冷凝则是利用了方柱微结构池沸腾的高效散热性能，以实现对电子元器件的高效冷却散热。

在向系统中灌入工作介质前，先要对系统进行抽真空处理，使内部形成负压，以降低工质的沸点，使回路能在较低温度下启动和运行。

Claims

1.一种有池沸腾的环路热管散热装置，其特征在于：包括平板型蒸发器（1）、第一冷凝器（9）、池沸腾蒸发器（13）、第二冷凝器（20）；所述平板型蒸发器（1）的金属腔体最上部设置有补偿器（6）；所述平板型蒸发器（1）的出口通过第一连接管道连接至池沸腾蒸发器（13）的出口；所述第一冷凝器（9）为套管式并套装在第一连接管道上；所述池沸腾蒸发器（13）的出口通过第二连接管道与补偿器（6）连接，所述第二冷凝器（20）也为套管式并套装在第二连接管道上；所述第一冷凝器（9）的冷凝液出口（10）通过管道与第二冷凝器（20）的冷凝液入口（12）连接；所述平板型蒸发器（1）与补偿器（6）之间布置有毛细芯（5）；所述池沸腾蒸发器（13）的底部设置有一层带有方柱微结构（15）的金属泡沫（14）。

2.根据权利要求1所述的有池沸腾的环路热管散热装置，其特征在于：所述池沸腾蒸发器（13）的底部是通过焊接或粘接的方式设置所述金属泡沫（14）。

3.根据权利要求1所述的有池沸腾的环路热管散热装置，其特征在于：所述平板型蒸发器（1）上刻有蒸汽槽道（2），所述蒸汽槽道（2）的横截面是矩形或三角形；蒸汽槽道（2）的轴向方向与第一蒸汽管道（7）相同；所述蒸汽槽道（2）的侧面设有一个蒸汽腔（24）。

4.根据权利要求3所述的有池沸腾的环路热管散热装置，其特征在于：所述平板型蒸发器（1）是方柱型或圆柱型，金属壁面的上下两部分通过螺栓（3）连接，并通过第一O型圈（4）密封。

5.根据权利要求1所述的有池沸腾的环路热管散热装置，其特征在于：所述池沸腾蒸发器（13）的池沸腾发生在一个小方柱或圆柱型腔体中，池沸腾蒸发器（13）由上下两部分通过螺栓（17）连接组成，并通过第二O型圈（16）密封。

6.根据权利要求1所述的有池沸腾的环路热管散热装置，其特征在于：所述第一冷凝器（9）的冷凝液出口（10）与第二冷凝器（20）的冷凝液入口（12）之间通过橡胶管（11）连接。

7.根据权利要求1所述的有池沸腾的环路热管散热装置，其特征在于：在第二连接管道上，于池沸腾蒸发器（13）与第二冷凝器（20）之间，还通过接支管设置有阀门（18）。