CN103629963A - 多尺度毛细芯平板环路热管式散热装置 - Google Patents

Abstract

一种多尺度毛细芯平板环路热管式散热装置，属于相变散热技术领域。该散热装置包括蒸发部、冷凝部、补偿腔，以及连接蒸发部和冷凝部的气相管道、连接冷凝部和补偿腔的液相管道；蒸发部的底板呈平板状，在底板的上表面用金属粉末烧结有多尺度的两层毛细芯，并在两层毛细芯间构造有蒸汽槽道；在第二层毛细芯上紧紧覆盖一层吸水棉作为第三层毛细芯，三层毛细芯形成多尺度结构。多层多尺度毛细芯以及构造的蒸汽槽道，解决了汽液流动阻力与毛细吸力间的矛盾性问题，降低了环路热管的启动温度、提高了散热器承载高热流密度的能力，并减小了传热的不稳定；具有冷却能力强、承载热流密度大、启动温度低、温度波动小、反重力性能好、传输距离长的优点。

Description

多尺度毛细芯平板环路热管式散热装置

技术领域

本发明涉及一种多尺度毛细芯平板环路热管式散热装置，属于相变散热技术领域，可用于高热流密度电子和光学器件的冷却。

背景技术

随着科学技术的发展，大功率激光器、大功率LED、红外探测阵列、大功率和高性能微处理器等光电子/微电子芯片（简称“光电芯片”）及其应用系统的微型化和高度集成化，导致单位容积内的发热量急剧增大，出现局部热流密度较大的现象，传统的单纯使用空气强迫对流冷却的散热方式已经达到其传热极限，散热问题已成为制约高热流密度光电芯片技术及产业发展的主要瓶颈。

环路热管作为一种高效相变式换热装置，具有传热能力强、传输距离长、安全可靠且价格低廉等优点，环路热管技术已成为解决高热流密度电子设备热管理问题的有效手段之一。

目前困扰环路热管技术在电子设备热管理方面应用的关键问题主要集中于蒸发部的内部结构设计和毛细芯的设计。

在蒸发部内部结构设计上，传统环路热管通常采用机械加工的方式，在蒸发部底面切割出不同形式的蒸汽槽道，并在其上覆盖一层毛细芯，尽管这种结构便以加工制作，但这样的设计面临一个无法解决的矛盾，一方面希望获得较宽的槽道以降低蒸汽排出时的压力损失，以及较大的毛细芯孔隙减小汽液流动阻力，另一方面希望获得较大的毛细吸力，以增加工质循环的动力，这需要较小的毛细芯孔隙，但受限于空间大小，二者无法兼顾（对环路热管而言，毛细芯大的孔隙对汽液的流动阻力小，有利于汽液的流通，但毛细吸力小，小的孔隙有具有较大的毛细吸力，可提供汽液循环的较大动力，二者是一个矛盾的统一体，传统的回路热管的毛细芯没能够很好的协调这一矛盾。因此，传统环路热管往往存在低温启动困难、温度波动大、极限散热能力低的问题。

另外，传统环路热管由于毛细芯的设计问题往往存在蒸发腔向补偿腔的热泄漏问题。一方面，毛细芯的导热造成补偿腔中温度过高；另一方面，蒸发腔中的蒸汽会透过毛细芯进入补偿腔，这两种情况都会造成环路热管启动困难，甚至在某些情况下无法启动；同时，当反向工作时（即蒸发部在上，冷凝部在下，液体由于重力作用主要存在于管路中，补偿腔中液体较少，从而使环路热管启动时产生的蒸汽压难于克服循环阻力而造成启动失败。

如何优化蒸发腔内部结构设计和选取合适的毛细芯，提高环路热管的散热能力，解决启动过温和温度波动等问题，已成为当今环路热管技术研究的重要课题。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种多尺度毛细芯平板环路热管式散热装置，通过优化蒸发腔内部结构设计，并合理设计和选取多尺度毛细芯，较好的解决了汽液阻力和毛细吸力间的矛盾性的协调性问题，提升了环路热管的散热能力和抗重力性能，解决了启动过温和温度波动等问题。

本发明采用的技术方案为：

该散热装置包括蒸发部、冷凝部、与蒸发部盖板加工在一起的补偿腔，以及连接蒸发部和冷凝部的气相管道、连接冷凝部和补偿腔的液相管道、与补偿腔连接的抽真空及工质灌装管路；

所述蒸发部底部的底板呈平板状，底板的下底面为加热面，在底板的上表面用金属粉末烧结有多尺度的第一层毛细芯和第二层毛细芯，两层毛细芯与底板一体化烧结，并在两层毛细芯间构造有蒸汽槽道；在第二层毛细芯上紧紧覆盖一层吸水棉作为第三层毛细芯，三层毛细芯形成多尺度结构。

所述蒸发部的底板为呈圆形或多边形的平板状结构；蒸发部及补偿腔的材质选用包括铜和铝在内的高导热金属。

所述第一层毛细芯和第二层毛细芯采用铜粉或者镍粉，与蒸底板一体式烧结而成，烧结过程中通过金属颗粒直径和添加的造孔剂控制毛细芯中孔隙的大小，并形成孔隙的多尺度结构。

所述第一层毛细芯和第二层毛细芯之间的蒸汽槽道，开口形状为矩形、梯形、三角形或圆形。

所述第二层毛细芯由两种不同粗细的金属粉末烧结而成，靠近蒸发部的一侧采用较细的金属粉末，孔穴较小，起到控制热泄漏和提高较高的毛细压力的作用；靠近补偿腔的一侧采用较粗的金属粉末，孔穴较大，起到增大吸液率的作用，从而形成多尺度结构毛细芯。

所述第三层毛细芯为吸液棉，或采用包括海绵、纤维在内的具有毛细吸力、保液性以及低导热性的材料。第三层毛细芯具有很强的吸液能力和保液性，使得环路热管在反向放置时（即蒸发部在上、冷凝部在下放置），吸液棉能提供足够的液体进行蒸发，从而提供足够的蒸汽压来克服循环阻力。更为重要的是，吸液棉能够大大降低毛细芯向补偿室的热泄漏，提高环路热管的运行可靠性和极限散热能力。

所述抽真空及工质灌装管路中灌装的工质为水、乙醇、丙酮、氨中的一种或多种。

所述冷凝部采用翅片式散热器加装风扇的结构，或采用自然对流冷却或液冷的散热方式，确保气相工质在冷凝部冷却为液相。

当环路热管工作时，工质在蒸发部底板上的多尺度结构表面以及蒸汽槽道两侧凸起处发生汽化，并通过蒸汽槽道排出，在蒸汽压力作用下，流向环路热管的冷凝部，冷凝后的液体在毛细芯的毛细吸力下回流到补偿腔，进一步通过毛细芯到达蒸发部进一步汽化，从而形成一个完整的循环。通过工质的循环，把蒸发部的热量传递到冷凝部，进而把热量散失在环境中，达到冷凝蒸发部的目的。

与现有技术相比，本发明的突出优势在于：

（1）利用粉末烧结技术，在蒸发部底板上直接烧结多尺度毛细芯，并构造蒸汽槽道，使得蒸汽的产生不仅发生于槽道凸起与毛细芯接触处，还能够产生于蒸发部底板上所烧结的多尺度毛细芯内部及表面，多尺度毛细芯有效解决了汽液流动阻力和毛细吸力间的矛盾关系，有利于提供足够的蒸汽压推动工质循环，解决传统环路热管低温启动困难的问题，提高环路热管的换热性能；同时，多尺度毛细结构还能有效消除环路热管运行时的温度波动。

（2）在第二层毛细芯上紧紧覆盖一层吸液棉作为第三层毛细芯，由于吸液棉的低导热性和良好的毛细吸力，解决了传统环路热管难于解决的热泄漏问题，提高了环路热管的极限散热能力；另外，吸液棉兼有保液的能力，使得环路热管在任何放置形式下，都能提供足够的液体工质来补充蒸发腔的蒸发，极大提高了环路热管的抗重力性能，使得环路热管能够在反重力情况下稳定运行。

附图说明

图1为本发明所述的多尺度毛细芯平板环路热管式散热装置的结构示意图。

图2为蒸发部的结构分解示意图及三层毛细芯各自的截面示意图。

图3为本发明的蒸发模型示意图。

附图标记

1-蒸发部，2-气相管道，3-冷凝部，4-液相管道，5-补偿腔，6-抽真空和工质灌装管路；7-蒸汽出口，8-底板，9-第一层毛细芯，10-第二层毛细芯，11-第三层毛细芯，12-蒸发部盖板，13-冷凝液体入口。

具体实施方式

本发明提供了一种多尺度毛细芯平板环路热管式散热装置，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

如图1所示，该散热装置包括蒸发部1、冷凝部3、与蒸发部盖板12加工在一起的补偿腔5，以及连接蒸发部1和冷凝部3的气相管道2、连接冷凝部3和补偿腔5的液相管道4、与补偿腔5连接的抽真空及工质灌装管路6。

该环路热管式散热装置的关键技术在于平板蒸发部内部设计和制作。如图2所示，蒸发部1底部的底板8呈平板状，底板8的下底面为加热面，在底板8的上表面用金属粉末烧结有多尺度的第一层毛细芯9和第二层毛细芯10，两层毛细芯与底板8一体化烧结，并在两层毛细芯间构造有蒸汽槽道；两层毛细芯可以分两次烧结在一起，采用模具直接在底板上烧结第一层毛细芯9，同时构造出蒸汽槽道，并在槽道中撒造孔剂，然后铺第二层金属粉末并烧结出第二层毛细芯10。在第二层毛细芯10上紧紧覆盖一层吸水棉作为第三层毛细芯11，起到降低热泄漏和保液的作用，三层毛细芯形成多尺度结构。吸水棉也可用纤维、海绵等其他具有低导热性、高吸液性、保液性的材料代替。孔隙的大小通过金属颗粒直径的大小和造孔剂在烧结过程中实现。

第一层毛细芯9和第二层毛细芯10与底板8一体化烧结能够大大提高环路热管的换热能力，降低启动过温问题。如图3所示，传统环路热管的蒸汽主要产生于槽道凸起与上部毛细芯的接触部位，蒸汽产生量小；而本发明的环路热管，蒸汽不仅产生于槽道凸起与毛细芯接触处，还能够产生于蒸发部底板所烧结的多尺度毛细芯的内部和表面，在相同功率下，蒸汽量的产生远大于常规环路热管，极大的提高了换热能力和启动容易性。同时，多尺度毛细芯有效解决了汽液流动阻力和毛细吸力间的矛盾关系，显著降低温度波动作用，使得环路热管运行更稳定。

在环路热管运行时，吸水棉的低导热性，使得蒸发部1向补偿腔5的热泄漏显著减小，并具有阻止蒸汽窜入补偿腔的作用；同时，吸水棉的保液性，使得环路热管反向工作时也能够有充足的液体进入蒸发部蒸发，提高了装置的抗重力性能。

蒸发部1的底板8边壁上加工有蒸汽出口7，并与气相管道2焊接相连。冷凝部3可设计为盘管散热翅片并组装风扇，但不限于此设计，冷凝部采用自然对流循环散热也可以，只要能保证气相工质能在此冷凝并满足冷凝出口的温度要求即可。

环路热管制作完成后，需要对热管进行抽真空并注入合适的工质（如水、丙酮、乙醇、氨水等一些工质），且选择恰当的充液比。在热管工作过程中，当蒸发部的底板8受热时，随着底板温度升高到一定温度，多尺度毛细芯内部的液体会发生汽化，且蒸汽沿着槽道通过蒸汽出口7进入气相管道2，蒸汽在冷凝部3冷凝成液体并将热量释放到空气中，冷凝后的液体在蒸汽压力和毛细吸液芯的毛细吸力作用下通过冷凝液体入口13进入补偿腔5，并进一步回流入蒸发部1再次汽化，即完成一次循环。环路热管通过每一次的循环，源源不断的将热量传输到空气中。蒸发部的液体蒸发与液体补充的原理图如图3所示。

Claims (8)

1.一种多尺度毛细芯平板环路热管式散热装置，包括蒸发部（1）、冷凝部（3）、与蒸发部盖板（12）加工在一起的补偿腔（5），以及连接蒸发部（1）和冷凝部（3）的气相管道（2）、连接冷凝部（3）和补偿腔（5）的液相管道（4）、与补偿腔（5）连接的抽真空及工质灌装管路（6），其特征在于，

所述蒸发部（1）底部的底板（8）呈平板状，底板（8）的下底面为加热面，在底板（8）的上表面用金属粉末烧结有多尺度的第一层毛细芯（9）和第二层毛细芯（10），两层毛细芯与底板（8）一体化烧结，并在两层毛细芯间构造有蒸汽槽道；在第二层毛细芯（10）上紧紧覆盖一层吸水棉作为第三层毛细芯（11），三层毛细芯形成多尺度结构。

2.根据权利要求1所述的多尺度毛细芯平板环路热管式散热装置，其特征在于，所述蒸发部（1）的底板（8）为呈圆形或多边形的平板状结构；蒸发部（1）及补偿腔（5）的材质选用包括铜和铝在内的高导热金属。

3.根据权利要求1所述的多尺度毛细芯平板环路热管式散热装置，其特征在于，所述第一层毛细芯（9）和第二层毛细芯（10）采用铜粉或者镍粉，与蒸底板（8）一体式烧结而成，烧结过程中通过金属颗粒直径和添加的造孔剂控制毛细芯中孔隙的大小，并形成孔隙的多尺度结构。

4.根据权利要求1所述的多尺度毛细芯平板环路热管式散热装置，其特征在于，所述第一层毛细芯（9）和第二层毛细芯（10）之间的蒸汽槽道，开口形状为矩形、梯形、三角形或圆形。

5.根据权利要求1所述的多尺度毛细芯平板环路热管式散热装置，其特征在于，所述第二层毛细芯（10）由两种不同粗细的金属粉末烧结而成，靠近蒸发部（1）的一侧采用较细的金属粉末，靠近补偿腔（5）的一侧采用较粗的金属粉末，形成多尺度结构毛细芯。

6.根据权利要求1所述的多尺度毛细芯平板环路热管式散热装置，其特征在于，所述第三层毛细芯（11）为吸液棉，或采用包括海绵、纤维在内的具有毛细吸力、保液性以及低导热性的材料。

7.根据权利要求1所述的多尺度毛细芯平板环路热管式散热装置，其特征在于，所述抽真空及工质灌装管路（6）中灌装的工质为水、乙醇、丙酮、氨中的一种或多种。

8.根据权利要求1所述的多尺度毛细芯平板环路热管式散热装置，其特征在于，所述冷凝部（3）采用翅片式散热器加装风扇的结构，或采用自然对流冷却或液冷的散热方式，确保气相工质在冷凝部冷却为液相。

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