CN103940273A

CN103940273A - 一种有限空间内局部高热流的散热装置及方法

Info

Publication number: CN103940273A
Application number: CN201410187945.9A
Authority: CN
Inventors: 张良
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2014-05-07
Filing date: 2014-05-07
Publication date: 2014-07-23
Anticipated expiration: 2034-05-07
Also published as: CN103940273B

Abstract

本发明公开了一种有限空间内局部高热流的散热装置及方法。装置包括下盖板、入水管道、入口管道连接头、真空抽气口、上盖板、支撑柱、容置空间、超亲水微纳结构涂层、蒸发区、微通道管束、出口管道连接头、出水管道、局部发热源、基板、微通道孔。本发明通过微通道管束布置导平板热管的内部管冷凝段空间，从而实现大大减小整个散热器装置的空间。通过微通道管的排列布置增加散热的表面积，通过微通道管内的水的强制对流提高换热系数，提高冷凝端的换热能力；通过超亲水微纳结构涂层强化蒸发区的沸腾换热能力；最终达到提升装置的整体换热能力目的。

Description

一种有限空间内局部高热流的散热装置及方法

技术领域

本发明涉及一种有限空间内局部高热流的散热装置及方法，属于电子器件强化换热技术领域。

背景技术

随着纳米技术的发展，电子器件的体积越小，但局部单位面积的热流密度却越来越高，有限空间内高效快速散热成为制约电子器件设备制造发展的主要制约因素之一。

热管作为一种导热二极管，具有极高的传热能力，热管或均温板等为实现有限空间内的高效换热提供了一种选择。目前，利用热管或均温板作为服务器、计算机、基站以及LED等设备中的关键部件如CPU的散热已经得到较为广泛的应用。

但对于现有均温板散热技术而言，如中国专利CN200420120470.3以及中国专利CN200420120475.6，均是通过在冷凝端的外部通过翅片等强化换热的方式将热量最终带走。此类技术存在的主要问题包括：

（1）翅片等外部强化换热件增加了散热的空间，从而制约了系统装置的小型化和紧凑化发展。

（2）翅片等的通过空气对流换热的热流密度仍然无法满足局部高热流密度的散热需求，需要更有效的散热方式。

因此针对上述问题，对于利用热管对局部高热流密度进行强化散热还有进一步提升和改进的空间。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种有限空间内局部高热流的散热装置及方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

有限空间内局部高热流的散热装置包括下盖板、入水管道、入口管道连接头、真空抽气口、上盖板、支撑柱、容置空间、超亲水微纳结构涂层、蒸发区、微通道管束、出口管道连接头、出水管道、局部发热源、基板、微通道孔；下盖板与上盖板通过焊接连接形成密闭的容置空间；下盖板与上盖板之间设有支撑柱，支撑柱的一端与上盖板焊接；上盖板上设有真空抽气口；下盖板的内表面涂有超亲水微纳结构涂层；下盖板底面上通过机械压制形成蒸发区；下盖板的上端设有微通道孔；微通道管束穿过微通道孔布置在容置空间内部，微通道管束与微通道孔之间焊接密封；微通道管束的两端分别通过入口管道连接头和出口管道连接头与入水管道和出水管道依次连接；局部发热源分布在基板上，局部发热源上表面与蒸发区的外表面通过导热胶连接。

所述的微通道管束的位置为容置空间的气液界面的上方，其数量为单根或者多根，其排列为平行排列或者交错排列。所述的容置空间内的工作流体为水、甲醇、乙醇、氟利昂、丙酮工作范围在20~120℃的流体工质，容置空间内工质的充液率为0.2~0.6。所述的蒸发区的表面大小和形状与局部发热源的表面大小和形状相同，其数量为单个或者多个；其布置也与局部发热源成一一对应关系；蒸发区的高度H1与局部发热源的高度H2之和为下盖板与基板之间的设计高度H。所述的下盖板和微通道管束为铜、铝具有高导热系数的金属材料。所述的上盖板材料为不锈钢导热系数较差的材料，或者与下盖板的材料相同。

有限空间内局部高热流的散热装置的散热方法：下盖板与上盖板之间以及微通道管束与微通道孔之间通过焊接密封，再通过真空抽气口抽真空形成一个平板式热管结构。基板上的局部发热源产生的热量传导到蒸发区壁面通过加热工质进行换热，以保证局部发热源的温度不超过设计工作温度，工质吸热沸腾产生蒸汽上升到容置空间的上部空间，形成气液界面；冷水经入水管道流入到微通道管束内，容置空间的上部空间内的蒸汽通过在微通道管束外表面冷凝换热加热微通道管束内的水，加热后的水经出水管道流出，实现换热目的。微通道管束外表面的冷凝液态工质通过下盖板内表面的超亲水微纳结构涂层的表面张力和重力作用，回流到蒸发区。蒸发区表面的超亲水微纳结构涂层还有助于强化沸腾热换热。

本发明通过微通道管束布置导平板热管的内部管冷凝段空间，从而大大减小实现减小整个散热器装置的空间。通过微通道管的排列布置增加散热的表面积，通过微通道管内的水的强制对流提高换热系数，实现提高冷凝端的换热能力；通过超亲水微纳结构涂层实现强化蒸发区的沸腾换热能力；最终达到提升装置的整体换热能力目的。相比现有技术，本发明具有的优点显而易见。

附图说明

图1是含有单个局部热源的有限空间内局部高热流的散热装置结构示意图；

图2是含有多个局部热源的有限空间内局部高热流的散热装置结构示意图；

图3是含有单个局部热源的有限空间内局部高热流的散热装置的下盖板仰视图；

图4是含有多个局部热源的有限空间内局部高热流的散热装置的下盖板仰视图；

图5是有限空间内局部高热流的散热装置的下盖板侧视图。

图中：下盖板1、入水管道2、入口管道连接头3、真空抽气口4、上盖板5、支撑柱6、容置空间7、超亲水微纳结构涂层8、蒸发区9、微通道管束10、出口管道连接头11、出水管道12、局部发热源13、基板14、微通道孔15。

具体实施方式

如图1-5所示，有限空间内局部高热流的散热装置包括下盖板1、入水管道2、入口管道连接头3、真空抽气口4、上盖板5、支撑柱6、容置空间7、超亲水微纳结构涂层8、蒸发区9、微通道管束10、出口管道连接头11、出水管道12、局部发热源13、基板14、微通道孔15；下盖板1与上盖板5通过焊接连接形成密闭的容置空间7；下盖板1与上盖板5之间设有支撑柱6，支撑柱6的一端与上盖板5焊接；上盖板5上设有真空抽气口4；下盖板1的内表面涂有超亲水微纳结构涂层8；下盖板1底面上通过机械压制形成蒸发区9；下盖板1的上端设有微通道孔15；微通道管束10穿过微通道孔15布置在容置空间7内部，微通道管束10与微通道孔15之间焊接密封；微通道管束10的两端分别通过入口管道连接头3和出口管道连接头11与入水管道2和出水管道12依次连接；局部发热源13分布在基板14上，局部发热源13上表面与蒸发区9的外表面通过导热胶连接。

所述的微通道管束10的位置为容置空间7的气液界面的上方，其数量为单根或者多根，其排列为平行排列或者交错排列。所述的容置空间7内的工作流体为水、甲醇、乙醇、氟利昂、丙酮等工作范围在20~120℃的流体工质，容置空间7内工质的充液率为0.2~0.6。所述的蒸发区9的表面大小和形状与局部发热源13的表面大小和形状相同，其数量可以是单个也可以是多个；其布置也与局部发热源13成一一对应关系；其个体高度H1与局部发热源13的高度H2之和为下盖板1与基板14之间的设计高度H。所述的下盖板1和微通道管束10为铜、铝等具有高导热系数的金属材料。所述的上盖板5材料可为不锈钢等导热系数较差的材料，也可与下盖板1的材料相同。

有限空间内局部高热流的散热装置的散热方法是：下盖板1与上盖板5之间以及微通道管束10与微通道孔15之间通过焊接密封，再通过真空抽气口4抽真空形成一个平板式热管结构。基板14上的局部发热源13产生的热量传导到蒸发区9壁面通过加热工质进行换热，以保证局部发热源13的温度不超过设计工作温度，工质吸热沸腾产生蒸汽上升到容置空间7的上部空间，形成气液界面；冷水经入水管道2流入到微通道管束10内，容置空间7的上部空间内的蒸汽通过在微通道管束10外表面冷凝换热加热微通道管束10内的水，加热后的水经出水管道12流出，实现换热目的。微通道管束10外表面的冷凝液态工质通过下盖板1内表面的超亲水微纳结构涂层8的表面张力和重力作用，回流到蒸发区9。蒸发区9表面的超亲水微纳结构涂层8还有助于强化沸腾热换热。

本发明的具体工作过程为：基板上的局部发热源开始工作后开始产生热量，导致温度升高，通过导热将热量传送给下盖板的蒸发区，换热工质在蒸发区在沸腾区进行沸腾换热将热量输送到容置空间的上半部的冷凝区间，在冷凝区间内，通过在微通道管束上的冷凝换热将热量输送给管束内的水，入水管道内进来流进的冷水在微通道管束内通过对流换热吸热加热后，从出水管道流出，完成对基板局部高热流的散热过程。

Claims

1.一种有限空间内局部高热流的散热装置，其特征在于包括下盖板（1）、入水管道（2）、入口管道连接头（3）、真空抽气口（4）、上盖板（5）、支撑柱（6）、容置空间（7）、超亲水微纳结构涂层（8）、蒸发区（9）、微通道管束（10）、出口管道连接头（11）、出水管道（12）、局部发热源（13）、基板（14）、微通道孔（15）；下盖板（1）与上盖板（5）通过焊接连接形成密闭的容置空间（7）；下盖板（1）与上盖板（5）之间设有支撑柱（6），支撑柱（6）的一端与上盖板（5）焊接；上盖板（5）上设有真空抽气口（4）；下盖板（1）的内表面涂有超亲水微纳结构涂层（8）；下盖板（1）底面上通过机械压制形成蒸发区（9）；下盖板（1）的上端设有微通道孔（15）；微通道管束（10）穿过微通道孔（15）布置在容置空间（7）内部，微通道管束（10）与微通道孔（15）之间焊接密封；微通道管束（10）的两端分别通过入口管道连接头（3）和出口管道连接头（11）与入水管道（2）和出水管道（12）依次连接；局部发热源（13）分布在基板（14）上，局部发热源（13）上表面与蒸发区（9）的外表面通过导热胶连接。

2.根据权利要求1所述的一种有限空间内局部高热流的散热装置，其特征在于所述的微通道管束（10）的位置为容置空间（7）的气液界面的上方，其数量为单根或者多根，其排列方式为平行排列或者交错排列。

3. 根据权利要求1所述的一种有限空间内局部高热流的散热装置，其特征在于所述的容置空间（7）内的工作流体为水、甲醇、乙醇、氟利昂、丙酮工作范围在20~120℃的流体工质，容置空间（7）内工质的充液率为0.2~0.6。

4. 根据权利要求1所述的一种有限空间内局部高热流的散热装置，其特征在于所述的蒸发区（9）的表面大小和形状与局部发热源（13）的表面大小和形状相同，其数量为单个或者多个；其布置也与局部发热源（13）成一一对应关系；蒸发区（9）的高度H1与局部发热源（13）的高度H2之和为下盖板（1）与基板（14）之间的设计高度H。

5. 根据权利要求1所述的一种有限空间内局部高热流的散热装置，其特征在于所述的下盖板（1）和微通道管束（10）为铜、铝具有高导热系数的金属材料。

6. 根据权利要求1所述的一种有限空间内局部高热流的散热装置，其特征在于所述的上盖板（5）材料为不锈钢导热系数较差的材料，或者与下盖板（1）的材料相同。

7.一种使用如权利要求1所述装置的有限空间内局部高热流的散热方法，其特征在于：下盖板（1）与上盖板（5）之间以及微通道管束（10）与微通道孔（15）之间通过焊接密封，再通过真空抽气口（4）抽真空形成一个平板式热管结构；基板（14）上的局部发热源（13）产生的热量传导到蒸发区（9）壁面通过加热工质进行换热，以保证局部发热源（13）的温度不超过设计工作温度，工质吸热沸腾产生蒸汽上升到容置空间（7）的上部空间，形成气液界面；冷水经入水管道（2）流入到微通道管束（10）内，容置空间（7）的上部空间内的蒸汽通过在微通道管束（10）外表面冷凝换热加热微通道管束（10）内的水，加热后的水经出水管道（12）流出，实现换热目的；微通道管束（10）外表面的冷凝液态工质通过下盖板（1）内表面的超亲水微纳结构涂层（8）的表面张力和重力作用，回流到蒸发区（9）；蒸发区（9）表面的超亲水微纳结构涂层（8）还有助于强化沸腾热换热。