CN103687455B

CN103687455B - 一种真空腔均热板

Info

Publication number: CN103687455B
Application number: CN201310751930.6A
Authority: CN
Inventors: 全晓军; 刘修良; 郑平
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2013-12-31
Filing date: 2013-12-31
Publication date: 2016-06-01
Anticipated expiration: 2033-12-31
Also published as: CN103687455A

Abstract

本发明公开了一种真空腔均热板，包括底板和盖板，底板和盖板密封连接形成一个中空的密闭腔室；底板具有超疏水表面，用作真空腔均热板的冷凝区；盖板具有超亲水表面，用作真空腔均热板的蒸发区；密闭腔体内压埋泡沫铜，泡沫铜一端与盖板连接，泡沫铜的另一端与底板连接，用于促进工质从冷凝区回到蒸发区。本发明强化真空腔均热板的蒸发区和冷凝区的换热性能，利于工质在蒸发区和冷凝区的循环流动，提高了真空腔均热板的换热能力，增大了真空腔均热板的换热极限。

Description

一种真空腔均热板

技术领域

本发明涉及一种微电子器件散热技术，尤其涉及一种真空腔均热板。

背景技术

随着现代科学技术如IT、通讯、LED和太阳能等领域的日新月异的高速进步，电子设备朝向多功能、高速率、小尺寸的方向发展，其中所使用的电子器件的单位发热量迅速增大。在电子设备的实际运行过程中，随着温度的增加，电子元器件的失效率呈指数增长。当超出元件的工作温度范围时，其性能将显著下降，不能稳定工作，严重影响系统运行的可靠性。研究表明：单个半导体元件温升10℃，系统的可靠性降低50%。电子技术的发展需要良好的散热手段来保证，其中电子元件对温度的均匀性也提出了更高的要求。

现有技术中，主流散热方式主要是风扇、鳍片、热管及其结合，诸如铝挤型散热片、铝冲压散热片、铝或铜切削散热片及铜铝与热管嵌合散热片等。最典型的散热器与散热装置是一种拥有风扇的鳍片式热管散热器，通过散热器与发热源接触达到散热的目的。

为了使电子元件能够稳定可靠工作，一般采用加大散热器的换热面积，增大空气流速或降低散热装置的进口空气温度等方法。但这些方法会增大整个系统的重量、增加噪声、加大系统的复杂程度，提高成本。采用底部嵌有良好热传导性的真空腔均热板（简称均热板，VaporChamber）可以为克服以上问题提供更多、更好的思路。

真空腔均热板通常安装于发热电子元件和散热器之间，利用均热板内工质的相变，实现热量的快速传递。并且均热板能够使电子元件的热量在传递到散热器之前先均匀分布，充分发挥散热器的性能，提高电子元件的稳定性和可靠性。均热板的在运行过程中，要保证蒸发区和冷凝区工质的循环流动。蒸发区连接发热元器件，液态工质在蒸发区吸热，发生相变，蒸汽到达冷凝区放热，冷凝变成液态，冷凝液在毛细芯的毛细力作用下，回到蒸发区，如此循环工作。然而，现有的真空腔均热板，基本上都采用单元工质，如水、乙醇或丙酮等，工质的回流仅依靠吸液芯的作用，工质循环流动方式比较单一，换热的毛细极限和沸腾极限范围比较小。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种新型的真空腔均热板，促进工质的循环流动，提高均热板的换热能力，增大均热板的换热极限。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种真空腔均热板，强化真空腔均热板的蒸发区和冷凝区的换热性能，利于工质在蒸发区和冷凝区的循环流动，提高均热板的换热能力，增大均热板的换热极限。

为实现上述目的，本发明提供了一种真空腔均热板，包括底板和盖板，所述底板和盖板密封连接形成一个中空的密闭腔室；所述底板具有超疏水表面，用作所述真空腔均热板的冷凝区；所述盖板具有超亲水表面，用作所述真空腔均热板的蒸发区；所述密闭腔体内压埋有发泡体，所述发泡体一端与盖板连接，所述发泡体的另一端与底板连接，用于促进工质从冷凝区回到蒸发区。

进一步地，所述发泡体为泡沫铜，所述泡沫铜的孔隙率为85%～95%。

其中，泡沫铜是一种在铜基体中均匀分布着大量连通或不连通孔洞的新型多功能材料。

进一步地，所述底板的内表面具有纳米结构，所述盖板的内表面具有微米结构。

其中，所述内表面是指：底板或盖板面向密闭腔室的表面。

进一步地，所述底板的主体为金属材料铜块体，所述铜块体的表面经过氧化处理具有一层纳米花簇状的CuO膜，所述CuO膜经过十三氟辛基三乙氧基硅烷（C₈F₁₃H₄Si(OCH₂CH₃)₃）溶液进行表面氟化处理。

其中，十三氟辛基三乙氧基硅烷溶液为十三氟辛基三乙氧基硅烷、水和乙醇（或甲醇）的混合溶液。

进一步地，所述盖板的主体为铜板，所述盖板的内表面具有多孔介质微结构。所述多孔介质微结构为所述铜板上烧结成均匀分布的铜粉形成的多孔介质，所述铜粉的平均粒径为50μm左右。

进一步地，所述真空腔均热板的总厚度为3～5mm，所述密闭腔室的高度为1～3mm。

进一步地，所述工质为自润湿流体。

进一步地，所述自润湿流体包括二元流体和三元流体，所述二元流体为水和丁醇的混合液，所述水和丁醇的质量比为95%：5%；所述三元流体为水、乙二醇和辛醇的混合液，所述水和乙二醇的体积比为1：1，所述辛醇为水和乙二醇的总质量的0.1%。

进一步地，真空腔均热板内的自润湿流体的充液率为30%～50%。

在本发明的较佳实施方式中，提供了一种真空腔均热板，包括底板和盖板，底板和盖板通过两侧的焊接密封连接形成一个中空的密闭腔室；底板具有超疏水表面，用作真空腔均热板的冷凝区；盖板具有超亲水表面，用作真空腔均热板的蒸发区；密闭腔体内压埋有泡沫铜，泡沫铜一端与盖板连接，泡沫铜的另一端与底板连接，用于促进密闭腔体内的工质从冷凝区回到蒸发区。

其中，底板的内表面加工为超疏水的纳米结构，冷凝液滴在合并的过程中，释放表面能，冷凝液滴弹跳，直接回到蒸发区，强化滴状冷凝换热。盖板的内表面加工为超亲水的微米结构，有效吸收从冷凝区的回弹的液态工质，以及强化蒸发或者沸腾换热。

另外，密闭腔体内的工质为自润湿流体，如水和丁醇的混合液形成的二元流体，或水、乙二醇和辛醇的混合液形成的三元流体等。利用自润湿流体特有的表面张力与温度的关系，增加工质的循环流动速率，进一步促进工质从冷凝区到蒸发区的回流。

由此可见，本发明采用自润湿流体表面张力随温度的变化特性，增加工质的循环流动速率，并且利用超疏水表面冷凝液滴的合并过程中的弹跳机制，液滴直接回到蒸发区，多方面促进了工质的循环流动。并且，盖板和底板特有的微/纳结构分别强化冷蒸发区和冷凝区的相变换热性能。利用以上多方面机制，提高了真空腔均热板的换热功能，增大了真空腔均热板的换热极限，具有很大的应用价值。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的真空腔均热板的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，在本实施例中，一种真空腔均热板，包括底板1和盖板2，底板1和盖板2的两侧焊接密封连接形成一个中空的密闭腔室3。密闭腔室3内填充有一定的流体工质，充液率为30%～50%。底板1具有超疏水表面，用作真空腔均热板的冷凝区。盖板2具有超亲水表面，用作真空腔均热板的蒸发区。密闭腔体3内压埋有泡沫铜4，孔隙率为85%～95%，泡沫铜4一端与盖板2连接，泡沫铜4的另一端与底板1连接。泡沫铜4和盖板1上的多孔介质5微结构作为吸液芯，用于促进工质从冷凝区回到蒸发区。

底板1的内表面具有纳米结构。底板的主体为金属材料块体，表面被氧化了一层纳米花簇状的CuO膜，并用十三氟辛基三乙氧基硅烷溶液表面氟化处理，降低表面能，形成超疏水表面（接触角为160°）。

本实施例的底板1用作真空腔均热板的冷凝区，采用纳米结构的超疏水内表面强化珠状凝结，利用超疏水表面液滴在合并过程中，释放表面能，液滴产生弹跳行为，使液滴直接弹回蒸发区，强化滴状冷凝换热。此外，底板1的超疏水内表面使得液滴的接触角迟滞很小，自身移动性非常好，在吸液芯的作用下，液滴很容易回到蒸发区。

盖板2的内表面具有超亲水的多孔介质5微米结构。盖板2的主体为具有高导热性的铜板，盖板2的内表面为铜板上烧结均匀分布的铜粉形成的多孔介质5微米结构。具体为：在铜板上均匀涂覆一层铜粉，将铜板和铜粉放入烧结炉中，850℃烧结一小时，然后关掉烧结炉，铜板在炉内慢慢冷却之后，铜粉在铜板表面上形成一层多孔介质5。

本实施例的盖板通过上述处理，在具有高导热性的铜板的内表面形成多孔介质5微结构，这种微结构对液体有很大的毛细作用力，形成超亲水表面。盖板的超亲水表面能有效吸收泡沫铜内的或从冷凝区回弹的液态工质，并且超亲水表面能够强化蒸发或者沸腾换热。

其中，上述底板1或盖板2的内表面是分别是指：底板1或盖板2面向真空腔均热板的密闭腔室3的表面。

对于本实施例的真空腔均热板的总厚度为3～5mm，密闭腔室3的高度为1～3mm。

本实施例的工质为自润湿流体，包括二元流体和三元流体，二元流体为水和丁醇的混合液，水和丁醇的质量比为95%：5%；三元流体为水、乙二醇和辛醇的混合液，水和乙二醇的体积比为1：1，辛醇为水和乙二醇的总质量的0.1%。

在传统的用于均热板的工质中，工质一般为单元工质，如水、乙醇或丙酮等，表面张力随着温度的升高而减小，工质的回流仅依靠吸液芯的作用，工质循环流动方式比较单一，换热的毛细极限和沸腾极限范围比较小。而自润湿工质在低温区，其表面张力随温度的升高而减少；在一定的温度后，其表面张力会随着温度的升高而增大。因而，当采用自润湿流体作为本实施例的真空腔均热板的工质时，将产生从温度较低的冷凝区到温度较高的蒸发区的Marangoni热对流，在Marangoni效应的作用下，工质将自发的从低温的冷凝区流向温度较高的蒸发区，增加工质的循环流动速率，从而促进工质从冷凝区到蒸发区的回流。

进一步，盖板2与热源6连接，吸收热源的发热量。图中，真空腔均热板外部的箭头方向代表热量的传递方向。热源6可以是电脑中央处理器CPU、硬盘、图形视屏阵列或者LED等。底板1的外表面可以安装一个翅片式散热器，该散热器的结构及形状视具体情况而定，再次不作限定。

在本实施例中，自润湿流体作为工质，吸附在具有超亲水性能的盖板的内表面。当工质吸收热源的发热量，迅速发生相变，如图1所示，真空腔均热板内部的箭头方向代表工质的运动方向。工质由液体变为蒸汽，蒸汽在底板冷凝，形成冷凝液滴。液滴在具有超疏水内表面的底板1上有两种动态行为：第一种，相邻的液滴直接合并，在合并过程中，液滴的表面能释放，液滴发生弹跳，直接回到蒸发区。第二种，当液滴相聚较远时，由于超疏水表面液滴的接触角迟滞非常小，非常易于液滴的移动，移动液滴遇到周围液滴，与周围液滴合并，进而发生液滴的表面能释放，液滴发生弹跳，直接回到蒸发区的现象。

另外，当采用自润湿流体作为工质时，由于自润湿流体的特殊性能，将产生从温度较低的冷凝区到温度较高的蒸发区的Marangoni热对流，在Marangoni效应的作用下，工质将自发的从低温的冷凝区流向温度较高的蒸发区，从而促进工质的回流。

此外，真空腔均热板内压埋有的泡沫铜4，孔隙率为85%～95%，连通底板1和盖板2，和盖板2的多孔介质5共同作为吸液芯，促使靠近泡沫铜4区域的工质通过泡沫铜4从底板1输送至盖板2，进一步促进工质的纵向流动循环。

由此，本实施例利用上述三种机制，促进工质的循环流动，并且分别通过设置盖板2（蒸发区）的超亲水性结构和底板1（冷凝区）的超疏水性结构，强化蒸发区和冷凝区的相变换热，从而提高了真空腔均热板换热能力，增大了真空腔均热板的换热极限。

本实施例中，真空腔均热板的密闭腔体为低真空环境，该环境可通过设置通道与密闭腔体3相连接，外界真空泵与密闭腔体3连接，将密闭腔体3抽气至低真空状态，即可实现。另外，本实施例的真空腔均热板的密闭腔体3还可以设置另一个通道，用于向密闭腔体3内填充工质。当然，可被本领域技术人员理解的是，实现密闭腔体3的真空状态和工质的填充的途径有多种，在此不作限定。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims

1.一种真空腔均热板，包括底板和盖板，所述底板和所述盖板密封连接形成一个中空的密闭腔室；所述底板具有超疏水表面，所述底板的主体为铜块体，所述铜块体的表面经过氧化处理具有一层CuO膜，所述CuO膜经过十三氟辛基三乙氧基硅烷溶液进行表面氟化处理，用作所述真空腔均热板的冷凝区；所述盖板具有超亲水表面，所述盖板的主体为铜板，所述盖板的内表面具有多孔介质微结构，用作所述真空腔均热板的蒸发区；所述密闭腔体内压埋有发泡体，所述发泡体一端与所述盖板连接，所述发泡体的另一端与所述底板连接，用于促进工质从所述冷凝区回到所述蒸发区。

2.如权利要求1所述的真空腔均热板，其特征在于，所述发泡体为泡沫铜，所述泡沫铜的孔隙率为85％～95％。

3.如权利要求1所述的真空腔均热板，其特征在于，所述多孔介质微结构为所述铜板上烧结均匀分布的铜粉形成的多孔介质，所述铜粉的平均粒径为50μm。

4.如权利要求1所述的真空腔均热板，其特征在于，所述真空腔均热板的总厚度为3～5mm，所述密闭腔室的高度为1～3mm。

5.如权利要求1所述的真空腔均热板，其特征在于，所述工质为自润湿流体。

6.如权利要求5所述的真空腔均热板，其特征在于，所述自润湿流体包括二元流体和三元流体，所述二元流体为水和丁醇的混合液，所述水和丁醇的质量比为95％：5％；所述三元流体为水、乙二醇和辛醇的混合液，所述水和乙二醇的体积比为1：1，所述辛醇为水和乙二醇的总质量的0.1％。

7.如权利要求5或6所述的真空腔均热板，其特征在于，所述真空腔均热板内的所述工质的充液率为30％～50％。