CN103415191A

CN103415191A - 热管/微小通道冷板复合结构均温装置

Info

Publication number: CN103415191A
Application number: CN2013103625664A
Authority: CN
Inventors: 李强; 宣益民; 郭磊
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2013-08-20
Filing date: 2013-08-20
Publication date: 2013-11-27

Abstract

本发明公开了一种热管/微小通道冷板复合结构均温装置，所述热管/微小通道冷板复合结构均温装置包括热管层和微小通道冷板层，微小通道冷板层位于两个热管层之间，其中所述热管层由多个矩形热管组成，所述微小通道冷板层包括两个流道单元，并且流道的水力直径不大于3mm。所述均温装置总高度不大于9mm。

Description

热管/微小通道冷板复合结构均温装置

技术领域

本发明涉及电子器件散热领域，具体涉及一种热管/微小通道冷板复合结构均温装置，用于高热流密度电子器件的均温散热。

背景技术

近年来，电子器件的尺寸越来越小，但是其功率却越来越大，因此导致热流密度越来越高，所以迫切需要一种高效的换热装置对高热流密度电子器件进行温度控制。在过去的几十年，最初通常采用铜制的翅片散热器对电子器件进行温度控制。但是文献1（液冷冷板的研究，徐德好，杨冬梅，电子机械工程，2006年第一期，4-6页）指出，当电子器件的热流密度超过5W/cm²时翅片散热器已难以满足散热要求，必须使用液冷冷板进行有效散热。液冷冷板比铜制翅片散热器具有更优秀的换热能力，尤其是微小通道液冷冷板具有更高的换热系数。但是当热流密度达到100W/cm²时，微小通道冷板的壁面较薄，承受压力能力有限，并且受驱动泵的功率限制，因此不能通过无限制的提高入口流量来提高微小通道冷板的换热能力。如果微小通道冷板的进口与出口距离较大，则会导致布置在微小通道冷板表面上的高热流密度电子器件的温度均匀性很差。所以在高热流密度条件下，应采用相变换热对电子器件进行有效的散热。

相变换热是指利用液体工质吸收热量转变为汽体工质以汽化潜热的形式传递大量热量的一种换热方式。与显热相比，汽化潜热可携带大量热量，因此可高效地进行热量交换。热管是利用汽化潜热进行高效换热的典型装置。热管以良好的传热性能，启动性以及无机械磨损等优点广泛应用于各个工业领域中。随着电子工业的迅猛发展，高热流密度电子器件的散热问题日益凸显。热管作为相变换热装置被认为是未来电子工业高热流密度电子器件的主要散热手段。但是需要注意的是，必须在热管的冷凝端提供有效的冷却手段将相变携带的汽化潜热散发到外界环境中，否则会导致热管失效。最常见的冷却手段是，在热管的冷凝端布置翅片通过空气强迫对流将相变携带的汽化潜热带入外界环境，但是这种空气强迫对流的手段已不能满足当前高热流密度条件下的散热要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种热管/微小通道冷板复合结构均温装置，散热能力强，温度均匀性良好，利用效率高，解决了高热流密度电子器件的散热问题，特别是解决了多个高热流密度电子器件的均温性问题。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种热管/微小通道冷板复合结构均温装置，包括热管层和微小通道冷板层，热管层为两层，微小通道冷板层位于两个热管层之间，所述热管层包括N个矩形热管和位于相邻矩形热管之间的热管层肋，N≥1。所述微小通道冷板层包括进水口、出水口和M个单元流道，M≥2，单元流道包括第一外流道、第二外流道、第一内流道、第二内流道和流道肋，第一外流道和第二外流道一端相连通，第一内流道和第二内流道一端相连通，第一内流道和第二内流道相邻布置，第一外流道与第一内流道相邻，第二外流道与第二内流道相邻，第一内流道、第二内流道、第一外流道和第二外流道之间通过流道肋隔开，进水口与第一单元的第一外流道的另一端相连，出水口与第一个单元的第一内流道的另一端相连，当前单元的第二外流道与下一个单元的第一外流道相连通，第M个单元的第二外流道与第M个单元的第二内流道相连通。微小通道冷板层的相邻流道中的流体流向相反，每条流道的水力直径应不大于3mm。上述热管层和微小通道冷板层总高度不大于9mm。上述热管层中的矩形热管含有毛细层，毛细层由烧结金属粉末制成。

与现有技术相比，本发明的技术优点为：1、相变换热。本发明利用了热管的相变换热，以汽化潜热的形式传递大量热量，因此大幅度提高了热交换能力。2、良好的均温性。上下热管层的两个相邻热管之间均为铝肋连接，这样大幅度减小接触热阻，而且铝的导热系数较高，因此长度方向的热量传递热阻很小，并且微小通道冷板冷凝能力充足，能够保证热管的正常运行，因此均温性良好。3、可利用面积大，即上下两个表面均可用布置高热流密度电子器件。

附图说明

图1是本发明的热管/微小通道冷板复合结构均温装置的原理示意图。

图2是本发明的热管/微小通道冷板复合结构均温装置的热管层结构示意图，其中图（A）为所述热管层的横截面图，图（B）为所述热管层的横截面放大示意图。

图3是本发明的热管/微小通道冷板复合结构均温装置的微小通道冷板层的横截面图。

具体实施方式

下面结合附图，将对本发明的具体实施方式进行描述。

结合图1，将详细描述本发明的热管/微小通道冷板复合结构均温装置的工作原理。为了图示清晰，仅示意性的示出一个矩形热管1来阐明所述装置的工作原理。从图1可以看出，布置在矩形热管1表面上的高热流密度电子器件（图1中称为热源）通过热传导将大量热量传递至矩形热管1的蒸发端毛细层，由于矩形热管1内部为气液两相饱和状态，因此液体工质吸收热量时迅速汽化，伴随着压力的增大，汽体工质向冷凝端毛细层运动（如图1中的弯箭头线所示），当汽体工质到达冷凝端毛细层后受到中间微小通道冷板层的冷却（图1中的虚线箭头表示微小通道冷板内部流体的流动方向），汽体工质再次转化为液体工质并释放汽化潜热，在压力的驱动下液体工质回流到蒸发端的毛细层，由此完成液体工质的蒸发-冷凝循环，同时，微小通道冷板将相变释放的汽化潜热带入外界环境，以便维持矩形热管1内部液体工质的蒸发-冷凝循环。本发明的复合结构均温装置在微小通道冷板的两面均增加了热管层，因此两个热管层的表面均可作为有效的热控表面，显著地扩大了可利用面积，利用效率较高。

结合图2，将详细描述本发明的热管/微小通道冷板复合结构均温装置的热管层。从图2A可以看出，本发明的热管/微小通道冷板复合结构均温装置的热管层主要结构包括矩形热管1和矩形热管1之间的热管层肋2。所述热管层等间距地均匀布置20个矩形热管1，其中每个矩形热管1的长度、宽度以及高度均相等（高度未示出），并且在每个矩形热管1的腔体拐角处均进行倒角处理，以便减小流动阻力。两个相邻矩形热管1之间的热管层肋2具有两个功能，其一为支撑功能，热管层肋2确保整个表面的平整；其二为焊接点，由于整个热管层在其内部毛细层烧结完成后将进行封装，因此该热管层肋2可增大焊接接触面，以保证封装的密封性。热管层的制造过程为：在热管层上用高速铣床加工出矩形热管1的腔体，腔体的尺寸为8mm*77mm*2.5mm（长*宽*高），腔体之间为热管层肋2，热管层肋2的长度为7mm，并且在腔体的拐角处均进行倒圆角处理。当铣床加工好所有的矩形腔体1后，对整个装置进行除油除脂清洗。当除油除脂清洗结束后进行烧结工艺，加工矩形热管1内部的毛细层。当毛细层烧结完毕后，再次进行除油除脂清洗，随后进行盖板的焊接封装，完成热管层的制造。应注意的是，在盖板与矩形热管1的腔体对应的部分也应进行烧结过程，以制造矩形热管1蒸发端的毛细层。

从图2B可以看出，每个矩形热管1的腔体高度为2.5mm（图中未示出），并且在腔体内部四个角进行倒角处理，这样做的好处是减小矩形热管1内部蒸汽和液体工质的流动阻力。每个矩形热管1的底部和四壁都具有毛细层，并且在上端盖的相应位置也具有毛细层，以便形成液体工质的完整循环路径。图2B示出的矩形热管1的内部毛细层优选地采用烧结金属粉末和槽道进行制造。在图2B中，黑色的圆表示烧结金属粉末的颗粒，应注意的是毛细层的厚度不小于所选烧结粉末平均粒径的4倍。可以明显看出的是，优选地采用了多种粒径的金属粉末进行烧结，这样做的优点是：较大粒径的金属粉末主要起结合作用，即通过融化大粒径的金属粉末增大熔融态金属粉末的接触面积，以便结合其他较小粒径的金属粉末。较小粒径的金属粉末填充在缝隙中。不同粒径金属粉末能够形成内部呈多种孔径的多孔介质，例如，烧结层靠近壳体的部分为大粒径粉末，其能够减小毛细层内液体工质的流动阻力，远离壳体的部分为小粒径粉末，其能够提供较大的毛细力。与丝网和槽道构成的毛细层相比，烧结金属粉末的优势是：1、良好的接触。烧结金属粉末能够直接烧结在矩形热管1的腔体壁面上，基本消除了矩形热管1的毛细层与壳体的接触热阻，提高传热性能。2、可控孔隙率。通过采用不同粒径的金属粉末，可按照设计需求，人为控制所需的孔隙率。

结合图3，将详细描述本发明的热管/微小通道冷板复合结构均温装置的微小通道冷板层。微小通道冷板层主要结构包括第一个单元流道6和第二个单元流道7，并且这两个单元流道由流道肋4隔开。下面以第一个单元流道6来具体说明其内部结构。第一个单元流道6包括第一外流道3、第二外流道10、第一内流道11、第二内流道12和流道肋4。第一外流道3和第二外流道10一端相连通，第一内流道11和第二内流道12一端相连通，第一内流道11和第二内流道12相邻布置，第一外流道3与第一内流道11相邻，第二外流道10与第二内流道12相邻，第一内流道11、第二内流道12、第一外流道3和第二外流道10之间通过流道肋4隔开。进水口8与第一外流道3的另一端相连，出水口9与第一内流道11的另一端相连。当前单元的第二外流道10与下一个单元的第一外流道3相连通，第二个单元的第二外流道10与第二个单元的第二内流道12相连通。流体在流道内的流动过程为：流体从进水口8进入第一个单元流道6的第一外流道3，然后流入第二外流道10，从第一个单元流道6的第二外流道10流出的流体进入第二个单元流道7的第一外流道3，然后流入第二个单元流道7的第二外流道10，随后进入第二个单元流道7的第二内流道12，再流入第二个单元流道7的第一内流道11，之后流入第一个单元流道6的第二内流道12，再流入第一个单元流道6的第一内流道11，最后从出水口9流出。应注意的是，所有流道的水力直径不大于3mm。

本发明能够将40个高热流密度电子器件的均方根温差控制在5℃以内。

Claims

1.一种热管/微小通道冷板复合结构均温装置，包括热管层和微小通道冷板层，其特征在于：热管层为两层，微小通道冷板层位于两个热管层之间，所述热管层包括N个矩形热管（1）和位于相邻矩形热管（1）之间的热管层肋（2），N≥1。

2.根据权利要求1所述的热管/微小通道冷板复合结构均温装置，其特征在于：所述微小通道冷板层包括进水口（8）、出水口（9）和M个单元流道，M≥2，单元流道包括第一外流道（3）、第二外流道（10）、第一内流道（11）、第二内流道（12）和流道肋（4），第一外流道（3）和第二外流道（10）一端相连通，第一内流道（11）和第二内流道（12）一端相连通，第一内流道（11）和第二内流道（12）相邻布置，第一外流道（3）与第一内流道（11）相邻，第二外流道（10）与第二内流道（12）相邻，第一内流道（11）、第二内流道（12）、第一外流道（3）和第二外流道（10）之间通过流道肋（4）隔开，进水口（8）与第一个单元的第一外流道（3）的另一端相连，出水口（9）与第一个单元的第一内流道（11）的另一端相连，当前单元的第二外流道（10）与下一个单元的第一外流道（3）相连通，第M个单元的第二外流道（10）与第M个单元的第二内流道（12）相连通。

3.根据权利要求2所述的热管/微小通道冷板复合结构均温装置，其特征在于：微小通道冷板层的相邻流道中的流体流向相反，每条流道的水力直径应不大于3mm。

4.根据权利要求1所述的热管/微小通道冷板复合结构均温装置，其特征在于：热管层和微小通道冷板层总高度不大于9mm。

5.根据权利要求1所述的热管/微小通道冷板复合结构均温装置，其特征在于：热管层中的矩形热管含有毛细层，毛细层由烧结金属粉末制成。