CN103759563A - 一种利用工质相变循环运动传热的微通道散热装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微通道热管散热技术。本发明公开了一种利用工质相变循环运动传热的微通道散热装置，包括热沉、集流管、冷凝箱，所述热沉内部布置有相互连通的微通道，所述集流管上下两端分别与冷凝箱和热沉密封连接，使所述热沉和冷凝箱的内部空间连通构成密闭的三维空间回路，所述三维空间回路中灌注有工质，所述冷凝箱上布置有热管，所述热管贯穿冷凝箱在冷凝箱上形成通孔，所述热管暴露在所述三维空间回路中的表面有毛刺。本发明的散热装置结构紧凑，并且为全封闭结构，无需外加动力源，能长期稳定运行。冷凝箱采用多孔结构，可以增大散热面积，增强空气对流，提高散热效率，热管外表面的毛刺，可增大其对蒸汽的吸附作用，有利于加速冷凝。

Description

一种利用工质相变循环运动传热的微通道散热装置

技术领域

本发明涉及微通道热管散热技术，特别涉及到一种多尺度结构微通道带毛刺热管群并利用利用工质（冷却液）相变循环运动传热的微通道散热装置。

背景技术

目前，电子技术迅猛发展，并呈高功率、高集成度的发展态势，这直接导致其工作热负荷和单位面积的发热量的显著增加，因此热失效也逐渐成为了电子元器件最为主要的失效方式。同样的，随着计算机软件技术的快速发展，各种大型软件的运行导致电脑的CPU、主板等各个部件负荷增大，这些部件的高速运行同时会产生大量的热量，若不能及时改善散热条件，消除这些部件聚集的热量，其温度将迅速上升，严重影响其性能和使用寿命，有时甚至会导致计算机因过热而死机，降低工作效率。传统的翅片加风扇冷却的方式越来越不能满足高密度发热的电子电气设备及电脑主机的散热要求。因此，高效紧凑的散热装置的开发一直是业内研究者的主要研究方向。

热管技术是1963年美国Los Alamos国家实验室的George Grover发明的一种称为“热管”的传热元件，它充分利用了热传导原理与相变介质的快速热传递性质，透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外，其导热能力超过任何已知金属的导热能力。典型的重力热管是在密闭的管内先抽成真空，在此状态下充入适量工质，在热管的下端加热，工质吸收热量汽化为蒸汽，在微小的压差下,上升到热管上端，并向外界放出热量，凝结为液体。冷凝液在重力的作用下，沿热管内壁返回到受热段，并再次受热汽化，如此循环往复，连续不断的将热量由一端传向另一端，由于是相变传热，因此热管内热阻很小。热管换热器具有传热效率高、阻力损失小、结构紧凑、工作可靠和维护费用少等多种优点，它在空间技术、电子、冶金、动力、石油、化工等各种行业都得到了广泛的应用。

在高热流密度器件散热应用场合，单一热管导热能力有限，目前出现多热管联合应用的热管群散热器，增加了传热能力。专利号为201310222822.X，名称为“无源驱动的微通道散热冷却装置”的中国专利申请（下称该专利），公开了一种具有圆形微通道的金属板块热沉和铜毛细管连接构成的冷却装置对电子器件进行散热，但国内一些学者通过实验和数值模拟发现矩形、V形微通道比圆形微通道具有更好的吸热效果。该专利弧形的铜毛细管直接跟微通道相连接，使得作为冷凝部分的铜毛细管的数量和内径尺寸受限，再加上冷凝的液体工质在微小流道内的回流，这些都导致流体进入每个流道都产生较大的压力损失，且微小流道因长时间的液体腐蚀容易生锈而堵塞，严重影响散热效果。同时该专利中，工质冷凝时的散热面积小，冷凝效果不理想。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，就是提供一种利用工质相变循环运动传热的微通道散热装置，提高散热效果。

本发明解决所述技术问题，采用的技术方案是，一种利用工质相变循环运动传热的微通道散热装置，包括热沉、集流管、冷凝箱，所述热沉内部布置有相互连通的微通道，所述集流管上下两端分别与冷凝箱和热沉密封连接，使所述热沉和冷凝箱的内部空间连通构成密闭的三维空间回路，所述三维空间回路中灌注有工质，其特征在于，所述冷凝箱上布置有热管，所述热管贯穿冷凝箱在冷凝箱上形成通孔，所述热管暴露在所述三维空间回路中的表面有毛刺。

本发明的散热装置，具有双层结构。热沉为一个金属板块结构，其内部布置有微通道阵列，作为本发明散热装置的第一层，该金属板块可以与热源直接接触，主要作用是吸热。冷凝箱为中空结构的金属箱，是本发明散热装置的第二层，主要作用是散热。集流管为连接微通道和冷凝箱空间的通道，将热沉和冷凝箱的内部空间连通构成密闭的三维空间回路，该三维空间回路中灌注有工质。工质既可以在第一层微通道和第二层冷凝箱中作平面运动，也可以沿集流管上下运动。液体或蒸汽可以在集流管中运动。微通道中的液体工质吸热后变成蒸汽，通过集流管上升到冷凝箱中，冷却后又变成液体，通过集流管流回热沉，形成液体-汽体-液体循环传热，将热沉吸收的热量传递出去。冷凝箱上布置的热管贯穿冷凝箱，在冷凝箱上形成通孔，热管内表面相当于增加了冷凝箱的表面积，提高了冷凝箱的散热能力。这些通孔又进一步增加了周围空气的对流，大大提高了冷凝箱的散热效果。热管暴露在三维空间回路中的外表面的毛刺，类似植物叶片表面的毛绒，能够增大其对工质蒸汽的吸附性，大大提高工质蒸汽冷凝效率。

优选的的，所述热沉和冷凝箱平行配置，所述集流管与所述热沉和冷凝箱垂直。

这种配置方式，能够最大限度的利用温度产生的压差，并能够降低工质运动的阻力，有利于工质蒸汽的运动，提高热传递效率，特别适合热沉水平安装的情况（实际使用中多数情况如此）。

具体的，所述热管断面为圆形或正方形。

采用断面为圆形或正方形的热管，能够获得更大的散热面积，特别是圆形热管，更具有便于加工和装配的优点。

更具体的，所述热管直径或边长为1～5mm。

热管的大小可以根据冷凝箱的大小确定，通常选择圆形热管直径或正方形热管边长为1～5mm基本上可以满足于大多数电子设备芯片散热器的需要。

推荐的，所述热管之间的最小间隙≤2mm。

热管装配越密，越能够发挥毛刺的吸附作用，并且能够增加冷凝箱的表面积，考虑到装配工艺等情况，通常要求热管之间的最小间隙≤2mm就可以了。

推荐的，所述集流管由布置在所述热沉两端的两排圆管构成。

采用两排圆管连接冷凝箱和热沉，构成工质上下运动的通道，具有结构简单，便于加工和装配的特点。两排圆管可以根据冷凝箱和热沉的具体形状进行布置，通常对于条状结构的冷凝箱和热沉，一般在两端分别布置一排圆管。

具体的，所述圆管直径为1～5mm。

作为连接冷凝箱和热沉的两排圆管，其直径除了受到散热装置结构的约束，还需要考虑到工质运动的需要，通常直径越大越有利于工质的运动，有利于提高散热效果。圆管直径为1～5mm，基本上能够适应大多数电子设备的使用要求。

优选的，所述集流管由布置在所述热沉两端的两只空心集流板构成。

采用空心薄板构成集流管，可以充分利用有限空间，增加通道的横截面积，增大蒸汽上升空间，减小压力损失，提高工质流动性，有利于增强散热效果。

具体的，所述热沉内部的微通道断面为矩形或梯形。

采用矩形或梯形断面的微通道，比圆形微通道具有更好的吸热效果，是本发明优选的微通道形状结构。

更具体的，所述热沉内部的微通道宽度相等或不相等。

热沉内部的微通道宽度采用相同宽度，能够提高加工效率，降低生产成本。采用不同宽度的微通道，能够显著增强工质在热沉内运动的不稳定性，进而增强传热传质能力，有利于提高散热效果。

本发明的有益效果是，散热装置结构紧凑，并且为全封闭结构，无需外加动力源，能长期稳定运行。整个装置能有效散热和减小温度梯度，具有良好的散热冷却效果。冷凝箱采用多孔结构，不仅可以增大散热面积，由于上下表面温差，还可以增强空气对流，提高散热效率，同时，根据仿生学原理，冷凝箱内部热管外表面有毛刺，可增大其对蒸汽的吸附作用，有利于加速冷凝。

附图说明

图1是实施例1的三维结构示意图；

图2a是主视图；

图2b是图2a的左视图；

图3是集流管上下两端分别与散热底座和热沉盖板的连接示意图及冷凝箱内的热管上下两端与散热盖板和散热底座的连接示意图；

图4是热沉的三维结构示意图；

图5a是热沉盖板的主视图；

图5b是图5a的俯视图；

图6是冷凝箱的三维结构示意图；

图7a是散热底座的主视图；

图7b是图7a的俯视图；

图8是圆管的三维结构示意图；

图9a是散热盖板的主视图；

图9b是图9a的俯视图；

图10是微通道散热沉内宽与高均相同的矩形微通道阵列。

图11是微通道散热沉内高相同，而宽不同的矩形微通道阵列。

图12是实施例2的三维结构图。

图13是集流板的三维结构图。

其中，1为热沉；2为集流管；3为冷凝箱；4为注液孔；5为空心集流板；11为热沉底座；12为热沉盖板；13为分液腔；31为散热底座；32为热管；33为散热盖板；111为分液腔；112为微通道；113为微通道；121为热沉盖板上的沉孔；311为散热底座上的沉孔；312为散热底座上的沉孔；321为热管上的毛刺；331为散热盖板上的沉孔；

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

实施例

如图1、图2a和图2b所示，本例散热装置由热沉1、集流管2、冷凝箱3三大部分构成。集流管2上下两端分别与冷凝箱3和热沉1密封连接而构成三维空间回路。如图3所示，布置在热沉1两端的两排圆管构成本例的集流管2。集流管2上下两端分别与冷凝箱3的散热底座31下表面的沉孔311和热沉1的盖板12上表面的沉孔121采用环氧耐高温导热胶胶接或焊接，形成密封连接结构。集流管2的内径通常在1-5mm之间，冷凝箱3和热沉1平行布置并与集流管2垂直。为了提高密封及连接效果，微通道散热冷却装置在进行装配前，需将各部件放在丙酮溶液中进行超声清洗，去除其表面的油污等杂质。

如图4、图5a和图5b所示，本例热沉1由两部分构成：一是与热源相连的热沉底座11，其内含分液腔111和分液腔13以及若干平行阵列的矩形微通道112，矩形微通道112的宽和高在0.5-5mm之间，分液腔位于矩形微通道112的两端，并与之相通；二是热沉盖板12，热沉底座11的分液腔的正上方，热沉盖板12的上表面有两排跟集流管连接的沉孔121。热沉底座11与热沉盖板12的壁厚在0.2-1.5mm之间。热沉底座11与热沉盖板12通过焊接固定或螺钉压接固定。

如图6、图7a和图7b所示，本例冷凝箱3由三部分构成：散热底座31、热管32及散热盖板33，热管32断面为圆形。散热底座31的上表面有若干跟热管32连接的沉孔312，下表面的边缘有两排跟集流管2连接的沉孔311，散热盖板33边缘有一注液口4。参见图6和图7a，类似于集流管2，热管32的上下两端分别与散热底座31和散热盖板33采用环氧耐高温导热胶胶接或焊接，热管32贯穿冷凝箱3在冷凝箱3上形成通孔。散热底座31与散热盖板33通过焊接固定或螺钉压接固定。

如图8所示，冷凝箱3内的热管32立体图，其直径为1-5mm，每根热管32之间的间隙应尽量小，一般不得超过2mm。根据仿生学原理，类似植物叶片表面的绒毛，每根热管32表面有许多毛刺321。这些毛刺暴露在散热装置内部三维空间回路中，能够增大其对液体蒸汽的吸附性，大大提高冷凝效率。

图9a和图9b给出了散热盖板33的结构。

在充注液体工质前，需通过注液口4将散热装置内部空间抽成真空，然后根据具体的散热要求，充注不同沸点的液体工质，如氟碳化合物电子工质FC-72、FC-71000、制冷剂R141b和水等。工质体的充注量控制在热沉1内部空间的80%-90%，然后将注液口4密封，即可得本例的散热装置。热沉底座11可直接与高功率电子器件或电脑主机某部件直接相连。这些热源将热量传导给热沉底座11，热沉1内的液体工质吸收足够的热量后发生相变，并产生大量的气泡，最后液体工质达到沸点后沸腾并会产生振荡，同时由于热沉1和冷凝箱3内部空间的温差，从而产生压差，推动里面的蒸汽通过集流管2上升至冷凝箱3，冷凝箱3内的热管32表面有毛刺，对蒸汽具有很强的吸附性，蒸汽在冷凝箱3的腔壁和热管32外表面遇冷液化后又通过集流管2回流到热沉1内，热量可通过自然对流或风扇强制对流的方式从冷凝箱3传递给周围环境中去，这就构成一个散热循环。本发明结构紧凑，仿热管的工作原理，利用液体工质的相变进行散热，对高热流密度电子器件及电脑主机各部件具有很强的散热效果，不借助外加动力的条件下，能够长期稳定的运行。

图10所示为热沉底座11具有相同宽度的矩形微通道112。

图11所示为热沉底座11的矩形微通道112和113的宽度交替变化，与图11中带有相同尺寸的矩形热沉相比，宽度交替变化的矩形热沉可以显著增强工质在热沉1内振荡运动的不稳定性，进而增强传热传质能力。

图10和图11示出的都是矩形微通道，可以看出，采用梯形微通道同样可以实现本发明。

实施例2

如图12和图13所示，将实施例1的两排集流管换成两个空心集流板5就构成了本例的散热装置。空心集流板5能够增大工质蒸汽上升空间，减小压力损失，有利于提高散热效果。

Claims (10)

1.一种利用工质相变循环运动传热的微通道散热装置，包括热沉(1)、集流管(2)、冷凝箱(3)，所述热沉(1)内部布置有相互连通的微通道（112），所述集流管(2)上下两端分别与冷凝箱(3)和热沉(1)密封连接，使所述热沉(1)和冷凝箱(3)的内部空间连通构成密闭的三维空间回路，所述三维空间回路中灌注有工质，其特征在于，所述冷凝箱(3)上布置有热管（32），所述热管（32）贯穿冷凝箱(3)在冷凝箱(3)上形成通孔，所述热管（32）暴露在所述三维空间回路中的表面有毛刺。 

2.根据权利要求1所述的一种利用工质相变循环运动传热的微通道散热装置，其特征在于，所述热沉(1)和冷凝箱(3)平行配置，所述集流管(2)与所述热沉(1)和冷凝箱(3)垂直。 

3.根据权利要求1所述的一种利用工质相变循环运动传热的微通道散热装置，其特征在于，所述热管（32）断面为圆形或正方形。 

4.根据权利要求3所述的一种利用工质相变循环运动传热的微通道散热装置，其特征在于，所述热管（32）直径或边长为1～5mm。

5.根据权利要求1所述的一种利用工质相变循环运动传热的微通道散热装置，其特征在于，所述热管（32）之间的最小间隙≤2mm。 

6.根据权利要求1所述的一种利用工质相变循环运动传热的微通道散热装置，其特征在于，所述集流管（2）由布置在所述热沉（1）两端的两排圆管构成。 

7.根据权利要求6所述的一种利用工质相变循环运动传热的微通道散热装置，其特征在于，所述圆管直径为1～5mm。 

8.根据权利要求1所述的一种利用工质相变循环运动传热的微通道散热装置，其特征在于，所述集流管（2）由布置在所述热沉（1）两端的两只空心集流板构成。 

9.根据权利要求1所述的一种利用工质相变循环运动传热的微通道散热装置，其特征在于，所述热沉（1）内部的微通道（112）断面为矩形或梯形。 

10.根据权利要求1所述的一种利用工质相变循环运动传热的微通道散热装置，其特征在于，所述热沉（1）内部的微通道（112）宽度相等或不相等。 

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