CN104154787A - 多级蒸发微通道热管传热散热装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及散热装置。本发明公开了一种多级蒸发微通道热管传热散热装置，包括由吸热端和散热端构成的两个独立工质循环系统，所述吸热端包括至少一个热沉，每个热沉通过热管与冷凝器连接，所述冷凝器根据连接的热沉数量分成相应的几个部分，每一部分及其连接的热管和热沉构成一个封闭独立的工质循环空间；所述散热端包括蒸发器和散热器，所述蒸发器与冷凝器连接吸收其热量，并通过热管传递热量到散热器，所述蒸发器和冷凝器结构相同，所述冷凝器、蒸发器和散热器具有微通道结构。本发明中，与各热源连接的热沉及其工质循环空间相互独立，减小了热耦合作用，采用两级蒸发能够极大的增强导热能力和减小热管中流体的流动阻力。

Description

多级蒸发微通道热管传热散热装置

技术领域

本发明涉及散热装置，具体涉及一种微通道与热管相结合，并采用多级蒸发对多个热源散热的装置。

背景技术

从二十世纪七十年代开始，各国开始研究和发展多芯片组件技术，到二十一世纪进入全面应用。当前电子设备的封装的主要技术为MCM(multi-chip module)，采用MCM技术封装的电子元件密度也逐渐增多。同时近些年来的电子元器件和芯片的功率不断增大，芯片在工作时都会产生热量，热流密度不断提高。如果芯片产生的热量不能及时散发出去，会使元件结温不断升高，影响系统的正常工作和可靠性，甚至会使系统失效，缩短系统的寿命。根据阿伦尼斯定律，温度每升高10℃，化学反应的速率也会增加一倍，失效速率也同样增加一倍。因此对多芯片组件的热管理技术逐渐成为了国内外研究人员的研究课题。

迄今为止，在众多的传热元件中，热管是最有效的传热元件之一，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。平板热管属于热管的一种，其结构如图1a和图1b所示。通常由金属材料构成，利用两个平板201、202形成管道20，并在两平板201、202的内壁上形成等厚度的毛细结构203，并填充工作介质，它的工作原理与传统的热管相同，但其形状非常有利于对点热源及多个热源进行扩散。热管除了直线型外，还可以弯曲，以便将热量传递到需要的方向。平板热管由于具有比传统的热管更大的热传导面积，且结构轻而薄，能紧密的跟其他散热元件结合在一起，有利于缩小封装空间，而被大量应用在大型散热面的电子产品上。平板热管与传统热管相比能有效解决散热和减小温度梯度，平板热管通过降低热阻而达到高热导率，保证热量快速及时传递；用热管基板代替金属基板能大大强化基板的热扩散，热板的等温性也有益于降低热阻，为与电子元件一体化封装提供了条件，为此平板热管正成为国内外研究人员研究的一个热点领域。作为与热管配合使用的另一种传热元件微通道热沉(简称为热沉，通常由金属材料如铜或铝构成)，其结构如图2所示，热沉1由底座11、盖板12组成。底座11内部分布有阵列的微通道111和连接微通道111的分液腔112，底座11上还设置有热管安装孔113和注液口114。热沉安装在热源上用于吸热时，就构成于蒸发器，当其连接到热管的另一端用于散热时，就构成冷凝器或散热器。

热管与热沉结合构成的工质循环系统结构如图3所示，包括蒸发器1(或称为蒸发端)、冷凝器3(或称为冷凝端)和热管2。其中，蒸发器1和冷凝器3均为微通道结构，如图2所示，热管2的结构如图1a和图1b所示。工质循环系统内部抽成真空并填充液体工质，液体工质在蒸发端吸热蒸发，蒸汽在冷凝端散热冷凝成液体，并在热管毛细结构作用下流回蒸发器，利用工质相变循环将热量由蒸发端传递到冷凝端，所以图3所示工质循环系统也称为热传递装置。

目前利用热沉和平板热管对高功率发热电子元件散热时，主要在冷凝端加装翅片，如图2中在盖板12上安装翼片，然后采用自然对流或强制风冷的方式散热，如笔记本CPU的散热结构。近年来，平板热管已用于LED等热源散热的行业，但针对不同功率的多个热源散热时，各个热源之间的蒸发端采用串联的方式连接在一起，通常由一个热沉吸收多个热源的热量，各个热源之间可能存在热耦合作用，单位体积的功率损耗很大，而各个发热电子元件的工作温度可能不同，难以均温化，将出现局部和整体的热失效和热退化，同时平板热管吸收高功率电子元件散发的热量后，下板上的毛细结构内的工作介质蒸发以带走热量，此时若毛细结构太厚，其内工作介质蒸发的反应时间长，传热效率不高；若毛细结构太薄，毛细结构容易发生干燥甚至烧损，从而影响热管的工作性能。若蒸汽或通过毛细作用回流的液体传输距离过远时，阻力急剧增大，可能导致蒸发端出现干燥的迹象，降低传热效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，提供一种多级蒸发微通道热管传热散热装置，采用多级蒸发和热源隔离技术，提高热传递效率。

本发明解决所述技术问题，采用的技术方案是，多级蒸发微通道热管传热散热装置，包括由吸热端和散热端构成的两个独立工质循环系统，所述吸热端包括至少一个热沉，每个热沉通过热管与冷凝器连接，所述冷凝器根据连接的热沉数量分成相应的几个部分，每一部分及其连接的热管和热沉构成一个封闭独立的工质循环空间；所述散热端包括蒸发器和散热器，所述蒸发器与冷凝器连接吸收其热量，并通过热管传递热量到散热器，所述蒸发器和冷凝器结构相同，所述冷凝器、蒸发器和散热器具有微通道结构。

进一步的，所述吸热端和散热端之间连接有至少一个热传递装置，所述热传递装置包括冷凝端和蒸发端，所述冷凝端和蒸发端与所述冷凝器具有相同结构，所述冷凝端和蒸发端通过热管连接构成相应数量的封闭独立的工质循环空间，利用工质相变传递热量；所述蒸发端与冷凝器连接，所述冷凝端与下一个热传递装置的蒸发端连接或与蒸发器连接，所述蒸发端和冷凝端具有微通道结构。

优选的，所述吸热端、热传递装置以及散热端填充的工质沸点各不相同并依次降低。

优选的，所述热管为平板热管。

优选的，所述散热器具有强制散热结构。

具体的，所述强制散热结构为散热翼片和/或风扇。

本发明的有益效果是，采用微通道和热管相结合和进行多级蒸发的技术，并对多个不同发热功率的热源进行散热。蒸发端和冷凝端采用微通道的结构形式，增大了取热面积和散热面积，减小了各热源与热管间的热阻。与各热源连接的热沉及其工质循环空间相互独立，减小了热耦合作用，便于独立热控制。采用两级蒸发能够极大的增强导热能力和减小热管中流体的流动阻力，本发明对需要将热量进行远距离传输时，具有非常良好的传热效果。同时本发明具有很高的导热性、优良的等温性和温度可控性及极强的环境适应性，散热能力非常好，不会出现干燥和烧损的迹象，其散热能力强于风冷，相对于其他液冷技术具有更强的安全性与可靠性，可长期稳定可靠的运行。

附图说明

图1a是平板热管主视图；

图1b是图1a的左视图；

图2是热沉三维结构示意图；

图3是工质循环系统结构示意图；

图4是实施例1吸热端结构示意图；

图5是实施例1冷凝器内部微通道结构示意图；

图6是实施例1散热端结构示意图；

图7是实施例1散热器内部微通道结构示意图；

图8是实施例1散热端和吸热端连接示意图；

图9是热传递装置结构示意图；

图10是实施例2结构示意图。

图中，1 为热沉；2 为热管；3 为冷凝器；4 为散热器；5 为风扇；6 为外壳；7 为安装版；11 为底座；12 为盖板；21 为蒸发器；31 为蒸发端；33 为冷凝端；201、202 为平板；20 为管道；203 为毛细结构；111、311、411 为微通道；112、312、412 为分液腔；113 为热管安装孔；114、415 为注液孔；313、413 为隔板；421 为翼片。

下面结合附图及实施例，详细描述本发明的技术方案。

本发明采用微通道和热管相结合和进行多级蒸发传热。吸热端和散热端为两个独立的工质循环系统，吸热端和散热端连接构成最简单的二级蒸发传热系统，吸热端为第一级蒸发传热系统，散热端为第二级蒸发传热系统。根据实际热量传递的距离，通过在吸热端和散热端之间连接由热管和热沉构成的热传递装置，可以构成多级蒸发传热系统。

实施例1

本例散热装置为二级蒸发传热系统，包括由吸热端和散热端构成的两个独立工质循环系统。本例吸热端由三个热沉1构成，分别安装到三个热源上。每个热沉1通过热管2与冷凝器3连接，如图4所示。每个热沉1的大小(表示包含的微通道数量的多少)，由热源发热量和发热面积决定，发热量大的热源，安装的热沉就大，包含的微通道数量也越多。图5示出了冷凝器3内部的微通道结构，根据连接的3个热沉1的大小，本例冷凝器3分成相应大小的三个部分，每一部分包括若干数量的微通道311，微通道311的数量与连接的热沉1相对应。由图5可以看出，冷凝器3可以看成是由三个独立的热沉并排构成，两个隔板313(位于图4中虚线处)，将冷凝器3分隔为三部分，从大到小的排列顺序(即图5中从右到左的顺序)，与图4中三个热沉1从上到下的排列顺序对应。每一部分通过热管与对应的热沉连接，热沉1中的微通道111、分液腔112和冷凝器3中的微通道311、分液腔312以及热管通道20，构成一个封闭独立的工质循环空间，如图4中虚线所示。即本例吸热端实际上具有三个独立的工质循环空间，他们中填充的液体工质分别在各自的工质循环空间运动，大大降低了三个热源之间的热耦合作用。本例散热装置，散热端包括蒸发器21、散热器4和热管2，如图6所示。蒸发器21焊接到冷凝器3上，吸收其散发的热量，并通过热管2传递热量到散热器4。蒸发器21与冷凝器3的结构相同，也是由大小不同的三部分构成，蒸发器21内部的微通道结构参见图5所示。本例散热器4配置有散热翼片421和风扇5构成的强制散热结构，具有较强的散热能力。为了便于安装风扇5本例中增加了安装版7，图6中外壳6的作用是将气流导向到散热翼片421处，增强散热能力。图7示出了本例散热器4内部的微通道结构，包括微通道411、积液腔412和隔板413。可以看出本例散热器4的微通道结构与蒸发器3的微通道结构相同，参见图5所示，这里不再赘述。本例散热端的注液孔415设置在散热器上，本例散热端也具有三个独立的工质循环空间，如图6中的虚线所示。这种结构的散热端可以进一步降低热源之间的耦合。本例中冷凝器3、蒸发器21和散热4具有相同的微通道结构。

本例吸热端和散热端的连接结构如图8所示。在吸热端，三个热沉1分别连接三个热源(图中未示出)，吸收热量后，液体工质受热蒸发，蒸汽通过热管2进入冷凝器3，散热冷凝成液体，在热管2毛细结构作用下流回热沉1，完成一次工质相变循环。在散热端，蒸发器21与冷凝器3连接，这里冷凝器3就是散热端的热源，蒸发器21吸收其热量，液体工质受热蒸发，蒸汽通过热管2进入散热器4，散热冷凝成液体，在热管2毛细结构作用下流回蒸发器21，完成一次工质相变循环。上述两个独立的工质相变循环系统，分别由吸热端和散热端构成，这是一种简单的二级蒸发传热系统，可以把热量从热源传递到较远的地方。本例中，吸热端和散热端各包含三个独立的工质循环空间，他们之间工质循环通道相互独立。图8所示的散装置保留了一体化结构便于制作和安装的特点，但相互独立的工质循环空间，又大大降低热源之间的热耦合。

实施例2

本例散热装置，吸热端和散热端之间连接有一个热传递装置，该热传递装置结构如图9所示，包括冷凝端33和蒸发端31，冷凝端33和蒸发端31与冷凝器3具有相同结构，冷凝端33和蒸发端31内部的微通道结构可以参见冷凝器3的结构，也分成三部分，分别通过三根热管2连接构成三个封封闭独立的工质循环空间，如图9中虚线所示。本例热传递装置同样是利用工质相变传递热量，传递装置与吸热端和散热端的连接结构如图10所示，蒸发端31与冷凝器3焊接在一起，冷凝端33与蒸发器21焊接在一起，构成一个三级蒸发传热系统。如果需要将热量传递到更远的地方，还可以增加热传递装置。对于热量传递距离较远的多级散热装置，由于热量传递过程中逐渐散发，温度也会逐渐降低，可以为每一级选择不同沸点的工质，使吸热端、热传递装置以及散热端填充的工质沸点各不相同并依次降低，以保证每一级中工质正常蒸发和冷凝。微通道与热管结合的多级蒸发传热系统，具有更小的热阻，传热效率大大增加，在热量的远距离传输时能够显著强化传热作用。

Claims (6)

1.多级蒸发微通道热管传热散热装置，包括由吸热端和散热端构成的两个独立工质循环系统，所述吸热端包括至少一个热沉，每个热沉通过热管与冷凝器连接，所述冷凝器根据连接的热沉数量分成相应的几个部分，每一部分及其连接的热管和热沉构成一个封闭独立的工质循环空间；所述散热端包括蒸发器和散热器，所述蒸发器与冷凝器连接吸收其热量，并通过热管传递热量到散热器，所述蒸发器和冷凝器结构相同，所述冷凝器、蒸发器和散热器具有微通道结构。

2.根据权利要求1所述的多级蒸发微通道热管传热散热装置，其特征在于，所述吸热端和散热端之间连接有至少一个热传递装置，所述热传递装置包括冷凝端和蒸发端，所述冷凝端和蒸发端与所述冷凝器具有相同结构，所述冷凝端和蒸发端通过热管连接构成相应数量的封闭独立的工质循环空间，利用工质相变传递热量；所述蒸发端与冷凝器连接，所述冷凝端与下一个热传递装置的蒸发端连接或与蒸发器连接，所述蒸发端和冷凝端具有微通道结构。

3.根据权利要求2所述的多级蒸发微通道热管传热散热装置，其特征在于，所述吸热端、热传递装置以及散热端填充的工质沸点各不相同并依次降低。

4.根据权利要求1所述的多级蒸发微通道热管传热散热装置，其特征在于，所述热管为平板热管。

5.根据权利要求1～4任意一项所述的多级蒸发微通道热管传热散热装置，其特征在于，所述散热器具有强制散热结构。

6.根据权利要求5所述的多级蒸发微通道热管传热散热装置，其特征在于，所述强制散热结构为散热翼片和/或风扇。