CN105258540B - 一种高热流密度器件用热沉 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高热流密度器件用热沉，旨在提供一种具有自动调节散热能力，可有效避免发热表面热点产生的热沉。包括由上盖和底盖组成的工作腔，上盖上有喷射组件，底盖上有出口，底盖的底板上有多个肋柱，底盖的底板内为中空的蒸发腔，喷射组件包括喷管、喉管、调节杆和挡板，喷管沿流动方向包括缩径段和扩径段，缩径段与扩径段相交处有喉管，挡板位于扩径段下方，调节杆为中空结构，调节杆的下端与蒸发腔连通，调节杆上端位于喉管下方，调节杆上端密封有弹性膜片，弹性膜片与通过上下移动改变喉管喷射面积的调节端子连接，挡板与扩径段之间形成雾化空间。该热沉通过可变喷嘴喉管截面积的设计，提升了器件的运行稳定性和安全性。

Description

一种高热流密度器件用热沉

技术领域

本发明涉及热能工程技术领域，特别涉及一种适用于高热流密度器件用热沉。

背景技术

对于高热流密度器件的冷却，传统散热方式主要以风冷散热为主，其它还包括液冷、热管散热、半导体制冷以及微型制冷系统冷却等冷却方式，其中风冷和液冷是最为常见和廉价的高热流密度器件冷却方式。

风冷是通过风扇强制驱动空气流经被冷却器件表面，以对流换热的方式带走被冷却对象表面所产生的热量，但风冷散热本身具有一定的局限性，例如在热流密度超过一定值时，普通风冷散热将达到极限，无法工作在更高热流密度条件下工作。与风冷散热器相比较，传统液冷散热器主要通过循环泵驱动流体带走发热元件表面的热量，液冷散热器具有噪音小、热阻低以及对周围环境温度影响小等优点。传统液冷散热主要是通过在蒸发器底板上加工出数量众多、形状各异的导热肋柱，不仅增加了液体的流阻和散热器本身的体积，增加了循环泵的功耗，且传热效果不佳，发热元器件表面容易出现热点，限制了液冷散热器的进一步的推广与应用。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足之处，提供一种具有自动调节散热能力，可有效避免发热表面热点产生的热沉。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种高热流密度器件用热沉，包括由上盖和底盖组成的中空密封的工作腔，所述上盖上设置有喷射组件，所述底盖上设置有出口，所述底盖的底板上设置有多个肋柱，所述底盖的底板内为中空的蒸发腔，所述喷射组件包括喷管、喉管、调节杆和挡板，所述喷管沿流动方向包括缩径段和扩径段，所述缩径段与扩径段相交处设置有所述喉管，所述挡板位于所述扩径段下方，所述调节杆为中空结构，所述调节杆的下端与所述蒸发腔连通，所述调节杆上端位于所述喉管下方，所述调节杆上端密封安装有弹性膜片，所述弹性膜片与通过上下移动改变所述喉管喷射面积的调节端子连接，所述挡板与所述扩径段之间形成雾化空间，所述调节杆和蒸发腔内充注有相变工质。

所述底盖的围板部分为中空的蒸汽上升腔，所述蒸汽上升腔的上端连接有多根换热管束，多根所述换热管束的下端与液体回流腔连通，所述液体回流腔的下端位于所述蒸发腔内液体液面的下方。

所述肋柱下端固定安装于所述蒸发腔的底部，所述肋柱上端穿过所述蒸发腔位于所述工作腔内。

所述工作腔为圆柱形，所述肋柱沿所述工作腔的周向均匀分布，沿径向交错分布。

多根所述换热管束按一定坡度坡向所述底盖的中心，多根所述换热管束整体呈放射状沿周向均匀布置。

所述液体回流腔为一环状中空腔体，所述中空腔体中心部位形成喷射液回收器，所述喷射液回收器通过穿过所述液体回流腔的泄流管与所述工作腔连通。

所述调节杆设置于所述底板的中心位置。

所述上盖与底盖由铜加工而成。

本发明具有下述有益效果：

1、本发明的热沉通过可变喷嘴喉管截面积的设计，可以有效帮助热沉应对高热流密度器件功率上升或非正常工作时出现的热流急剧上升情况，通过强化换热表面射流冲击换热的方式，匹配热负荷与热沉的散热能力和效率，提升了高热流密度器件的运行稳定性和安全性。

2、本发明的热沉通过调节杆及弹性膜片和调节端子的设计，能够根据热负荷的变化自动调节热沉散热能力，能够避免发热表面产生热点，稳定性好。

3、本发明的热沉采用射流冲击与相变传热相结合的换热方式，使得热沉的单位体积散热量大幅增加，可有效应对具有大功率、高负荷特征的高热流密度器件散热。

4、本发明的热沉通过底板设置的相变空间不仅使得底板传热速率大幅提升，同时相变空间能够起到热管均温的效果，可以有效避免器件表面热点的产生。

附图说明

图1所示为本发明高热流密度器件用热沉的外观示意图；

图2所示为本发明高热流密度器件用热沉的俯视图；

图3所示为图2的A-A剖视图；

图4所示为图3的B-B剖视图；

图5所示为本发明高热流密度器件用热沉的喷射组件的剖视图；

图6所示为本发明高热流密度器件用热沉的三维图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明高热流密度器件用热沉的示意图如图1-图6所示，包括由上盖1和底盖2组成的中空密封的工作腔20，本实施例中，所述上盖1与所述底盖2通过焊接密封。所述上盖2上设置有喷射组件，所述底盖2上设置有出口4，所述底盖2的底板5上设置有多个肋柱6，所述肋柱6在所述工作腔20内起到强化散热和扰流作用，本实施例中，所述肋柱6下端固定安装于所述蒸发腔7的底部，并穿过所述蒸发腔7伸入所述工作腔20内。所述底盖2的底板5内为中空的蒸发腔7。所述喷射组件包括喷管3、喉管18、调节杆13和挡板14，所述喷管3沿流动方向包括缩径段17和扩径段19，所述缩径段17与扩径段19相交处设置有所述喉管18，所述挡板14位于所述扩径段19下方，所述调节杆13为中空结构，所述调节杆13的下端与所述蒸发腔7连通，所述调节杆13上端位于所述喉管18下方，所述调节杆13上端密封安装有弹性膜片15，所述弹性膜片15与通过上下移动改变所述喉管喷射面积的调节端子16连接，所述挡板14与所述扩径段19之间形成雾化空间21。所述调节杆13和蒸发腔7内充注有相变工质。

本实施例中，所述底盖2的围板部分为中空的蒸汽上升腔8，所述蒸汽上升腔8的上端连接有多根换热管束9，多根所述换热管束9的下端与液体回流腔10连通，所述液体回流腔10的下端位于所述蒸发腔7内液体液面的下方。所述液体回流腔10优选为一环状中空腔体。所述中空腔体中心部位形成喷射液回收器，所述喷射液回收器通过穿过所述液体回流腔的泄流管11与所述工作腔20连通。其中，泄流管的出口方向朝向底盖上的出口4，便于喷射液体流出。

本实施例中，所述工作腔20为圆柱形，所述肋柱6沿所述工作腔20的周向均匀分布，沿径向交错分布。

本实施例中，多根所述换热管束9按一定坡度坡向所述底盖2的中心，多根所述换热管束9整体呈放射状沿周向均匀布置，冷凝的液体沿换热管束的坡度流向液体回流腔10。

所述调节杆13设置于所述底板5的中心位置。

本实施例中，上盖1与底盖2由铜加工而成。

本发明高热流密度器件用热沉工作时，施加于所述底板5的少部分热负荷通过所述散热的肋柱6的导热被传递至所述工作腔20内，另一部分热负荷直接作用于所述蒸发腔7内的相变工质12，由于所述液体回流腔10伸入至所述蒸发腔7内，且出口处低于相变工质12的液面，同时所述蒸汽上升腔8的进口位置靠近于所述蒸发腔7的上部，因此所述相变工质12相变后产生的蒸汽会沿径向向所述底板5的四周传递，并进入所述蒸汽上升腔8，由于所述蒸汽上升腔8的内壁温度较低，一部分蒸汽冷凝后产生的液滴会沿着所述蒸汽上升腔8的内壁返回所述蒸发腔7，另外大部分蒸汽会继续沿所述蒸汽上升腔8前进并进入各个所述换热管束9内，蒸汽在各个所述换热管束9的外壁与工作腔20内的喷射的雾化液滴进行高效的相变凝结换热，所述换热管束9内蒸汽凝结后在重力作用下沿所述换热管束9向中心流动，并汇聚在所述液体回流腔10内，最终经所述液体回流腔10回流至所述蒸发腔7内，完成相变工质循环。对于热沉内冷却介质循环而言，具有一定压力的冷却液进入所述喷管的缩径段17，由于截面积不断减小，因此冷却介质的流速不断上升，当冷却介质通过所述喉管18和所述调节端子16构成的空间时冷却介质的速度达到最大，其后冷却介质被喷入所述雾化空间21，由于流动空间突变，冷却介质的压力降低，其本身也分散成一个个小液滴，高速运动的小液滴在运动过程中与所述扩径段19和所述挡板14不断碰撞并被雾化，雾化后的冷却介质进入所述工作腔20，雾化后的冷却介质与所述工作腔20内的散热肋柱6以及换热管束9高速撞击并进行换热，带走散热肋柱以及所述换热管束带入热沉的热量。换热后的冷却介质经出口4离开热沉，其中，部分喷射到液体回流腔形成的喷射液体回收器中的冷却介质，通过泄流管11排出，并通过出口4离开热沉，完成换热过程。

当高热流密度器件热负荷增加较快时，所述调节杆13内的相变工质相变，引起所述调节杆13内部压力逐渐增大，所述调节杆13上部的所述弹性膜片15在压力的作用下产生形变并带动所述调节端子16上升，使得所述喉管18的流通面积减小，随之进入工作腔20的冷却介质的速度上升，雾化效果得到强化，散热肋柱6以及换热管束9表面在高速冲击射流的作用下，其表面的换热系数得到迅速提升，因此可有效抑制因底板5热负荷剧烈波动而导致器件表面温度的急剧升高，对高热流密度器件起到了保护作用。当热负荷减小时，所述调节杆13内的相变工质的相变量减少，引起所述调节杆13内部压力逐渐降低，所述调节杆13上部的所述弹性膜片15在压力的作用下产生的形变减少，带动所述调节端子16下降，使得所述喉管18的流通面积增大，随之进入工作腔20的冷却介质的速度降低，雾化效果得到弱化，换热量减少。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，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 (5)

1.一种高热流密度器件用热沉，包括由上盖和底盖组成的中空密封的工作腔，所述上盖上设置有喷射组件，所述底盖上设置有出口，所述底盖的底板上设置有多个肋柱，其特征在于，所述底盖的底板内为中空的蒸发腔，所述喷射组件包括喷管、喉管、调节杆和挡板，所述喷管沿流动方向包括缩径段和扩径段，所述缩径段与扩径段相交处设置有所述喉管，所述挡板位于所述扩径段下方，所述调节杆为中空结构，所述调节杆的下端与所述蒸发腔连通，所述调节杆上端位于所述喉管下方，所述调节杆上端密封安装有弹性膜片，所述弹性膜片与通过上下移动改变所述喉管喷射面积的调节端子连接，所述挡板与所述扩径段之间形成雾化空间，所述调节杆和蒸发腔内充注有相变工质；所述底盖的围板部分为中空的蒸汽上升腔，所述蒸汽上升腔的上端连接有多根换热管束，多根所述换热管束的下端与液体回流腔连通，所述液体回流腔的下端位于所述蒸发腔内液体液面的下方；多根所述换热管束按一定坡度坡向所述底盖的中心，多根所述换热管束整体呈放射状沿周向均匀布置；所述液体回流腔为一环状中空腔体，所述中空腔体中心部位形成喷射液回收器，所述喷射液回收器通过穿过所述液体回流腔的泄流管与所述工作腔连通。

2.根据权利要求1所述的高热流密度器件用热沉，其特征在于，所述肋柱下端固定安装于所述蒸发腔的底部，所述肋柱上端穿过所述蒸发腔位于所述工作腔内。

3.根据权利要求2所述的高热流密度器件用热沉，其特征在于，所述工作腔为圆柱形，所述肋柱沿所述工作腔的周向均匀分布，沿径向交错分布。

4.根据权利要求3所述的高热流密度器件用热沉，其特征在于，所述调节杆设置于所述底板的中心位置。

5.根据权利要求3所述的高热流密度器件用热沉，其特征在于，所述上盖与底盖由铜加工而成。