CN105097735B - 一种采用脉动流及泡沫金属板强化散热装置 - Google Patents
一种采用脉动流及泡沫金属板强化散热装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种采用脉动流及泡沫金属板强化散热装置，包括脉动泵、热沉室、积液腔和冷却器，所述脉动泵通过液体流入管将冷却液送入积液腔连接，积液腔通过分液器将冷却液喷入到热沉室，热沉室通过液体排出管将换热后的液体送入冷却器中冷却，脉动泵通过连接管从冷却器吸入冷却后的冷却液；所述热沉室包含泡沫金属板、换热载板和盖板，所述换热载板与高热流密度器件连接，所述泡沫金属板与换热载板固定连接，分液器与盖板顶部垂直连接。本发明中的脉动流配合双层泡沫金属结构能够增大工质的横向和纵向扰动和掺混，热边界层不断重组，同时在扰动过程中由于压力的变化会导致空化和涡旋的形成，能够大大的提高换热效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种采用脉动流及泡沫金属板强化散热装置，属于工业散热领域。
背景技术
近年来，由于工业的飞速发展，对电子设备的散热和换热要求越来越高，发热功率已经超过了100W/cm2。从目前的研究看，电子芯片的散热目前主要是采用风冷、液冷、热管和微通道等方式。风冷散热方式难以应对高热流密度器件的挑战；热管散热模组受到携带极限和干涸极限等现象的限制；对于液冷散热，一般是在稳态工况下进行。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提出一种采用脉动流及泡沫金属板强化散热装置，并采用垂直冲刷方式，使流动和换热的场协同达到更佳，这样可大幅度强化流体与换热载板之间的换热，同时还能使换热载板表面温度分布更为均匀。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种采用脉动流及泡沫金属板强化散热装置，包括脉动泵、热沉室、积液腔和冷却器，所述脉动泵通过液体流入管将冷却液送入积液腔连接，积液腔通过分液器将冷却液喷入到热沉室，热沉室通过液体排出管将换热后的液体送入冷却器中冷却，脉动泵通过连接管从冷却器吸入冷却后的冷却液；所述热沉室包含泡沫金属板、换热载板和盖板，所述换热载板与高热流密度器件连接，所述泡沫金属板与换热载板固定连接，泡沫金属板通过盖板形成密封空间，分液器与盖板顶部垂直连接，盖板的侧面设有与液体排出管连接的圆孔。
作为优选，所述泡沫金属板包括底板，底板上延伸有若干个矩形凸台，矩形凸台之间形成横纵交错的沟槽，采用这种两层式泡沫金属结构有利于脉动流的充分接触，减少流动阻力，使得温度场和压力场的均匀性得到保证，能大大提高换热效率。
作为优选，所述底板的厚度为1mm～2mm，沟槽的深度与底板厚度相同。采用此种结构有利于脉动流体迅速冲刷整个泡沫金属孔隙，将热量迅速带走，使高热流密度散热元件的表面温度分布更为均匀，冷却时间大大缩短，散热效率更高，并且流动阻力减小。
作为优选，所述泡沫金属板的金属孔密度变化范围为60PPI～100PPI，泡沫金属孔隙率变化范围为0.7～0.9。此范围孔密度以及孔隙率范围内的泡沫金属扰流能力强，从结构上更易于脉动流结合。
作为优选，所述换热载板为紫铜，脉动泵为大振幅、低频率的小型隔膜泵。在现有的脉动研究中，认为大振幅、低频率具有锯齿波形的脉动流强化换热效果最佳，并且所占空间不因过大，依据这个指导基础进行脉动源的选择。
作为优选，所述积液腔为喇叭形腔体。喇叭形腔体有利于流体均匀冲刷泡沫金属板作为优选，所述分液器为圆柱筒，冷却器为循环水冷却器
在本发明中，该装置主要利用脉动泵产生的脉动流，并在换热载板上焊接泡沫金属，并使冷流体垂直冲刷换热载板上的泡沫金属。泡沫金属由于其中存在大量的微小孔隙通道，这样就可从多重机制上对换热进行强化，一方面获得极高的换热比表面积，另一方面通过脉动加强对流体的扰动和掺混，而且由于冷流体采用垂直冲刷，而不是平行流过换热载板，其速度场与温度场夹角近似0度，与场协同换热强化机理完全符合。这样，可达到大幅度流体与换热载板之间的换热，同时还能达到使其表面温度分布更为均匀的效果。
本发明的强化散热装置，针对泡沫金属的结构以及液体流入与流出端口结构进行了改进，使得将脉动流和泡沫金属的优点很好的结合，大大提高了散热效率。本发明的泡沫金属焊接于换热载板上，泡沫金属板上端设置了液体流入管道，对泡沫金属进行垂直冲刷，流入管道末端与积液腔和积液腔末端的分液器连接；流出管道经主流管道分型成六根支路管道与盖板底端的开孔进行连接。发明中的泡沫金属的结构设计以及管道端口结构设计减小了在泡沫金属中的流动阻力损失，增大了脉动流体与泡沫金属板的接触面积，充分利用脉动流纵向冲击热边界层和泡沫金属强大扰流能力的优点，使得换热效率大大提高，同时换热载板的温度场的分布均匀性得到了保证。
有益效果：本发明的采用脉动流及泡沫金属板强化散热装置，采用大振幅、低频率的脉动流垂直冲刷泡沫金属，并采用垂直冲刷泡沫金属换热载板，最大化利用场协同效应强化换热过程；采用上层为分块、下层整体的泡沫金属，能够大大增加对流换热面积，减小流动阻力，使温度分布更为均匀；大振幅、低频率的脉动流配合上双层泡沫金属结构能够增大工质的横向和纵向扰动和掺混，热边界层不断重组，同时在扰动过程中由于压力的变化会导致空化和涡旋的形成，这些机制能够大大的提高换热效率；所选用的隔膜泵和循环水冷却器体积小，效率高，使系统寿命大大提高同时节省出相应的空间。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的积液腔的结构示意图；
图3为本发明中泡沫金属板结构示意图。
图中：1、高热流密度器件，2、盖板，3、积液腔，5、冷却器，7、液体排出管，8、液体流入管，9、脉动泵，10、分液器，11、热沉室出口，12、泡沫金属板，13、连接管。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1至图3所示，本发明的一种采用脉动流及泡沫金属板强化散热装置，包括脉动泵9、热沉室、喇叭形腔体的积液腔3和冷却器5，所述脉动泵9通过液体流入管8将冷却液送入积液腔3连接，积液腔3通过圆柱筒状的分液器10将冷却液喷入到热沉室，热沉室通过液体排出管7将换热后的液体送入冷却器5中冷却，脉动泵9通过连接管13从冷却器5吸入冷却后的冷却液，冷却器5为循环水冷却器5。所述热沉室包含泡沫金属板12、换热载板和盖板2，所述换热载板与高热流密度器件1连接，换热载板与高热流密度器件1通过导热硅胶胶接，为了防止松动脱落，在利用螺栓进行紧固，所述泡沫金属板12与换热载板固定连接，优选泡沫金属板12与换热载板焊接，焊接时需进行惰性气体保护，以防止泡沫金属氧化，泡沫金属板12通过盖板2形成密封空间，分液器10与盖板2顶部垂直连接，盖板2的侧面设有若干个与液体排出管7连接的圆孔，通过多个液体排出管7与冷却器5连接，更好的将换热过后的流体排除泡沫金属中。
在本发明中，所述泡沫金属板12包括底板，底板上延伸有若干个矩形凸台，矩形凸台之间形成横纵交错的沟槽，采用这种两层式泡沫金属结构有利于脉动流的充分接触，减少流动阻力，使得温度场和压力场的均匀性得到保证，能大大提高换热效率。所述底板的厚度为1mm～2mm，所述换热载板为紫铜，脉动泵9为大振幅、低频率的小型隔膜泵。换热载板为紫铜，能够更好的与高热流密度器件1换热。换热载板为正方形，这种长宽相等的正方形板和大多数功率器件的形状以及cpu的形状相同，非常适合这些芯片的散热。
为了保证装置的寿命，本装置在进行装配前，将所有部件进行除锈清洗，并且所有管路均采用不锈钢管或者软管，循环水进行脱气和去离子化处理。本例中的小型隔膜泵所选型号为HL系列的5208等，循环水冷却器5所选型号为NF系列S12B等。
本例中泡沫金属板12通过泡沫铜和换热载板无缝焊接而成。泡沫金属板12中的泡沫金属利用线切割工艺将上层切割成长2到4mm，宽2到4mm，高1到2mm的长方体，下层为整层结构。
本发明在使用时，事先利用一定体积的水将散热系统中的空气排出，然后将整个散热装置密封。小型隔膜泵产生的脉动流通过小型隔膜泵出口与液体流入管8进入积液腔3，在积液腔3下端连接有管径为3mm的分液器10，积液腔3中的脉动流通过分液器10注入泡沫金属板12中，泡沫金属板12是通过泡沫金属和换热载板无缝焊接形成，焊接时需进行惰性气体保护，以防止泡沫金属氧化。高热流密度器件1产生的热量通过热传导的方式将热量传递给了泡沫金属板12的换热载板，分液器10中的脉动流垂直冲刷换热载板与之进行脉动强化换热，换热后的高温脉动流通过热沉室出口11经热沉室出口11与液体排出管7流入循环水冷却器5流入管路中，在通过循环水冷却器5流入管路流入循环水冷却器5中，在循环水冷却器5中将换热后的高温脉动流被冷却到初始温度，冷却后的脉动流通过循环水冷却器出口与连接管13流入隔膜泵中，形成一个稳定封闭的液冷循环散热系统。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种采用脉动流及泡沫金属板强化散热装置，其特征在于：包括脉动泵、热沉室、积液腔和冷却器，所述脉动泵通过液体流入管将冷却液送入积液腔，积液腔通过分液器将冷却液喷入到热沉室，热沉室通过液体排出管将换热后的液体送入冷却器中冷却，脉动泵通过连接管从冷却器吸入冷却后的冷却液；所述热沉室包含泡沫金属板、换热载板和盖板，所述换热载板与高热流密度器件连接，所述泡沫金属板与换热载板固定连接，泡沫金属板通过盖板形成密封空间，分液器与盖板顶部垂直连接，盖板的侧面设有与液体排出管连接的圆孔。
2.根据权利要求1所述的采用脉动流及泡沫金属板强化散热装置，其特征在于：所述泡沫金属板包括底板，底板上延伸有若干个矩形凸台，矩形凸台之间形成横纵交错的沟槽。
3.根据权利要求2所述的采用脉动流及泡沫金属板强化散热装置，其特征在于：所述底板的厚度为1mm～2mm，沟槽的深度与底板厚度相同。
4.根据权利要求3所述的采用脉动流及泡沫金属板强化散热装置，其特征在于：所述泡沫金属板的金属孔密度变化范围为60PPI～100PPI，泡沫金属孔隙率变化范围为0.7～0.9。
5.根据权利要求1所述的采用脉动流及泡沫金属板强化散热装置，其特征在于：所述积液腔为喇叭形腔体。
6.根据权利要求1所述的采用脉动流及泡沫金属板强化散热装置，其特征在于：所述分液器为圆柱筒。
7.根据权利要求1所述的采用脉动流及泡沫金属板强化散热装置，其特征在于：所述换热载板为紫铜，脉动泵为大振幅、低频率的小型隔膜泵。
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