CN105452795A - 两相回路用具有简化装配的蒸发器 - Google Patents

Abstract

一种毛细抽吸两相传热系统用蒸发器(10)，其组成包括：基板(1)，含外缘(14)；以及接收热能外表面，能够吸收从散热部件(9)所散发的热量；主体(2)含底部(21)、侧面部分(22)；以及与基板外缘(14)相邻的边缘(24)；多孔材料(3)，能形成毛细结构层，布置在基板和底部之间，可以确定出第一气体腔室(11)和第二液体腔室(12)的位置；采用压接方式，将所述主体组装到基板上，从而避免借助粘合、螺丝固定、铆接或焊接等操作手段，来获得蒸发器的密封连接。

Description

两相回路用具有简化装配的蒸发器

技术领域

本发明涉一种用于毛细抽吸两相传热系统的蒸发器。

尤其是，本发明涉及到这种蒸发器的结构和装配，尤其是能对散热部件总体上所产生热能进行排放的蒸发器；尤其是，这些散热部件不仅仅包括电子处理器或者某些电子通讯装置。

背景技术

互联网数据交换领域的发展，导致服务器内需要巨大的计算和存储能力，以满足用户需求；尤其是，这些服务器通常都集中在被称为“数据中心”的中心内。

由于电路板内处理器的使用密度越来越高，这些“数据中心”内的服务器在电路板冷却方面的需求在不断地增长。

众所周知的是，可以利用空气循环或者液体流动的方式，来冷却服务器电路板的处理器。液体的循环要求使用一台或多台通风机或者一台或多台泵；而这些通风机或者泵容易产生故障，或者至少需要进行定期维护。

因此，最好使用无源系统，即配置有源泵，用于提取处理器内的热量；这类系统利用毛细抽吸现象来进行工作。这种系统已在文献US2003/051859中予以说明。但是，冷凝器仍然需要借助于通风机来工作；而且，布置在每台处理器上方的蒸发器的制造工艺复杂。因此，价格较为昂贵。此外，所述蒸发器的体积以及运行可靠性方面有待改进。

因此，便需要找到一种既能降低成本，但是又不影响其性能的蒸发器，以便用于毛细抽吸两相传热系统，以满足需要进行大规模制造的各种应用需求。

发明内容

为此，本发明尤其提出一种毛细抽吸两相传热系统用蒸发器，其包括：

-基板，其具有外缘以及接收热能的外表面，能够吸收从散热部件所散发的热量；所述外表面通常沿着临近散热部件的接口所在平面P延伸；

-主体，其具有底部、侧面部分；以及与基板的外缘相邻的边缘，从而确定出蒸发器的内部空间；

-多孔材料，其能形成毛细结构层，布置在基板和底部之间，通过基板、侧面部分和所述多孔材料来确定出第一腔室的位置，且通过底部、侧面部分和所述多孔材料确定出第二腔室的位置；

第一腔室用于容纳以气相为主的冷却流体，且包括气体管道用蒸发器出口；第二腔室用于容纳以液相为主的冷却流体，且包括液体管道用蒸发器入口；其特征在于，主体采用压接操作的方式组装在基板上；在所述压接操作期间，通过材料挤压，会在基板和主体之间形成密闭的结合。

这样，便可避免借助粘合、螺丝固定、铆接或焊接等操作手段，来获得蒸发器的密封装配。

通过这些手段，便可获得一种既特别易于装配，价格又不昂贵的蒸发器。装配流程容易掌握、可以自动化且具有重复性。因此，则可以考虑以较为便宜的价格来进行大规模制造。

此外，根据本发明的实施例中，还可以采用一种和/或其他如下布置：

-较为有利的是，其包括结合突出部分；所述突出部分是主体的整体组成部分，并往基板方向凸起，在压接期间能穿入多孔材料内，从而保证第一腔室和第二腔室之间毛细结构的密封性。换言之，毛细结构的密封性可以避免蒸汽绕过多孔材料而不进入第二腔室，从而避免损坏系统的性能。因此，可以采用相同的压接方式，来获得和另一腔室相同的密封性，以及让蒸发器具有相对于外界的整体密封性；

-结合突出部分是由突出边形成；所述突出边的截面呈含针状端；所述针状端朝向基板；这样，结合突出边便可轻易穿入多孔材料内；而且穿入的深度能让第一腔室和第二腔室之间具有良好的密封性；

-基板的外表面基本上是平坦的，且被配置成压住形成散热部件的电路板处理器。这样，所述蒸发器便尤其可以在电路板冷却系统中使用，尤其可以用来冷却安装在所述系统内的处理器或者中央处理器(CPU)；

-在与平面P垂直方向上，蒸发器的厚度E小于35mm；这样，所述蒸发器便可轻而易举地集成到“1U”型服务器电路板处理器内，“1U”型服务器厚度约为45mm；

-蒸发器的入口和出口布置在其中一个侧壁上，与平面P平行。这样，在于平面P垂直方向的体积不会因为入口、出口和流体管道而增加；

-基板包括朝内部凸起的突出部分；这些突出部分可以形成蒸汽收集槽，并起到对多孔材料进行固定的作用。这样便可以以非常简便且无需加工的方式来使用多孔层，这些蒸汽通道源自基板的形状；

-多孔材料可以形成与接口平面P相平行的恒定厚度层，从而可以使用十分便宜的多孔材料；可以以简单的方式将所述材料切割成合适的长度和宽度，无需其他准备工序；

-基板呈长方形；主体呈长方形，含形成侧面部分的四个侧面。以便于基板能够完全与所安装的处理器或者中央处理器(CPU)的几何外观相一致，而且主体具有易于制造的几何形状；

-基板为铜质；主体为不锈钢材质。这样，基板便具有极佳的传热系数和相应的延展性，从而便于进行压接操作；此外，主体的特征在于，具有一定的耐久性，以及可与相应流体兼容；

-主体包括布置在主体底部外表面上的散热片。这样，如果在第二液体腔室内形成气泡，则这些气泡可以在散热片的冷却作用下被重新冷凝；

-主体包括能固定在电路板上的固定装置；比如，与平面P平行并向侧面延伸的固定装置，优选钻孔型固定装置。这样便可以提高电路板上蒸发器的整体性能，并降低冷却运行时的总体成本；

-主体的边缘包括槽体；在压接期间，所述槽体内放置因基板外缘变形而产生的材料。这样，便可以优化基板和主体之间相互补充的外形，从而获得优良的压接质量，并保证蒸发器内部空间的密封性。

本项发明同样涉及到用来装配所述蒸发器的方法；其特征在于，所述方法包括如下步骤：

a-提供基板；

b-提供顶盖；

c-在基板上方布置一层多孔材料；

d-将顶盖压接在基板上，从而通过挤压材料在基板和主体之间形成密封的结合。

较为有利的是，通过让结合突出部分穿人多孔材料内，可同时保证两个腔室之间毛细结构的密封性。

最后，本项发明因此涉及到一种毛细抽吸两相传热系统，其包括前述类型的蒸发器。

附图说明

本项发明的其他优点和特征将在对优先实施方式的描述内容中出现；

该描述内容中将以参考和非限制性的方式给出参考附图。其中涉及到：

-图1为集成有根据本发明蒸发器的两相回路冷却系统的示意图总图；

-图2为集成有根据本发明蒸发器的冷却装置的透视图总图；

-图3为根据本发明蒸发器的横剖面图；

-图4为图3所示蒸发器主体的仰视图；

-图5和图6示出了以压接方式来获得蒸发器的实施方法；以及

-图7示出了涉及到基板和主体边缘的实施变化例。

在不同的附图中，相同的附图标记指代相同或相似的部件。

具体实施方式

图1给出了闭合两相回路冷却装置的实施例；其包括，蒸发器10、冷凝器模块8、第一液体导管40(即用于连接蒸发器出口和冷凝器模块入口的所谓“蒸汽”管)以及第二液体导管50(即用于连接冷凝器模块出口和蒸发器入口的所谓“流体”管)。

利用布置在蒸发器10内的多孔材料3的毛细作用，来保证两相工作流体的循环。所述多孔材料3可将第一腔室11和第二腔室12隔开；所述第一腔室与热源发生热接触，主要专门用来存放呈气相的工作流体；所述第二腔室背对蒸发器内的热源，主要专门用来存放呈液相的工作流体。

众所周知，蒸发器内所带来的热能会让液体转化为蒸汽，从而能吸收相当于工作流体蒸发的潜在热量的能量。因此产生的水蒸汽可以在压力作用下流入第一管道40内，并往冷凝器模块入口8a流动。在该处，工作流体要么直接将其热量传输到环境中，要么传输到增压管道中的其他液态流体18内(如前文所述，入口为18a，出口为18b)；这是因为在传递出与潜在热能相对应的能量以后，工作流体重新呈液相。

位于冷凝器出口8b处的液态流体，将在抽吸作用下，被多孔材料的毛细结构吸收；液相工作流体则将填充第二腔室和管道50。

所述毛细抽吸系统被视为是回路热管(LHP)或者毛细泵环(CPL)的首字母缩合词；所述系统不仅可以在无重力环境(太空)中使用，也可以在有重力的地面使用。

需要注意的是，图1中未提及垂直方向；因此，并无与蒸发器和冷凝器模块各自的方位和位置相关的特殊要求，目的在于根据所用流体的密度，需使毛细抽吸作用保持大于重力作用。

根据本发明，主要涉及到需要大范围或者大规模使用的地面系统，即需要进行极大规模的部件制造。在所述背景下，需要尽量降低系统部件的成本和生产费用，尤其是毛细蒸发器10的成本和生产费用。

本发明所述的实施例涉及到(但不仅限于)电路板，尤其是安装在电脑电路板、传统型服务器或者服务器电路板机箱内的处理器或者中央处理器(CPU)的冷却。依据图2，给出了至少需要配置一台处理器9的电路板19的示意图。在所述配置中，电路板布置在水平位置，但是其也可以布置在垂直位置。

在处理器9上方，布置根据本发明的毛细蒸发器10，配置成用来按照前述两相毛细回路实施方法，来提取处理器9上所散发的热量。

冷凝器模块8是由液体/液体型换热器组成，优选交流型且众所周知类型的换热器，故此处不再赘述。水是较为典型的冷却器用冷却流体18；水温为室内的可用温度，或者接近室温，或者是稍经冷却。

如图3所述，蒸发器包括，基板1，其专门用于沿着接口平面P与处理器9发生物理和化学接触；主体2，其与基板互补，可用形成密封壳，也被称为内部空间20；在所述空间内，布置有下文所述的蒸发器部件。

基板1包括外缘14以及接收热能外表面17，能够吸收从诸如所述处理器9之类的散热部件上所散发的热量。在背对外表面的一侧，即在所谓的内侧，布置有多个突出部分13；所述突出部分呈加强肋状，可以以连续或者不连续的方式延伸；优选地，所述部分相互平行，从而在这些槽体之间形成通道41；所述通道专门用来将此处所产生的水蒸汽输送到蒸汽出口4。突出部分可以是定位销；所述定位销呈矩阵状布置或者梅花形布置，且相互隔开。基本优选铜质材料；该类材料除了具有极佳的传热系数外，还具有相应的延展性，其益处远不止于此。

在突出部分13上方，形成多孔材料3的毛细结构层；所述材料如实施例中所述，为恒定厚度层，无任何特殊的第二层。因此，将多孔层切割成合适的宽度和长度即可；无需再在该多孔材料内加工处理蒸汽通道。

所述多孔材料3的制作和获取方法已众所周知，因此此处不再赘述。

蒸发器的前述主体2布置在基板和多孔材料上方；所述主体，优选“不锈钢”材料。所述主体2包括底部21，其形成与平面P平行的壁面；侧壁22从底部开始沿着边缘24在蒸发器周围延伸；所述边缘分布在临近接口平面P的主体2上。

基板边缘24和外缘14均是如下文所述的密封型结合。

总体而言，在蒸发器内形成被称为气相的第一腔室11，并通过基板，界定出侧面部分22和多孔材料3。在蒸发器内形成被称为液相的第二腔室12，并通过主体底部21，界定出侧面部分22和多孔材料3。

可采用作为主体整体组成部分的结合突出部分25；该结合突出部分往基板方向凸起，穿入多孔材料，以便于在该处形成工作流体的密封屏障。

因此，可以在液体腔室12和蒸汽腔室11之间形成毛细结构密封，更确切地说，只有多孔材料3的厚度才能在两个腔室之间通过，不可能存在其他通道。尤其是，需要避免蒸发热流体(蒸汽)往液态腔室通行而产生的所有风险，因为这样便会导致温度升高，从而需要对已冷凝呈液态的该类蒸汽重新加以冷凝。结合突出部分25所形成的密封闭合区域，可以穿透入孔材料内，从而避免蒸汽腔室和液体腔室之间出现各种直接通道。

毛细结构的密封不良会导致蒸汽腔室11往液体腔室12内发生渗漏风险；所述渗漏会降低热性能(降低最大热通量密度和最大可传输功率)。更确切地说，在此处所述的实施例中，结合突出部分为具有锋利边缘的突出边；即突出边的截面总体而言呈含针状端的三角形。

此外，主体2包括侧面延伸部分16，通过主体2的成型获得整体外形；这些侧面延伸部分，优选地，以与平面P平行的方式进行延伸，且设置有孔66。众所周知，螺旋弹簧(未在附图中指出)，能够把蒸发器压向处理器。

可选地，主体的底部21可以在其外表面上布置多个散热片28，用来限制第二腔室12内的液体加热温度，而且也可以对气泡重新加以冷凝，这些气泡可在多孔材料附近可能形成，并重新回到底部21。

如图5和图6所示，为便于组装蒸发器10，可将基板1布置在压力机的凸缘60上，然后将多孔材料3层布置在基板上(必要时，可如前文所述，布置在基板的突出部分13上)，然后将主体2布置在底板和多孔材料上方；主体的边缘24布置在结合处周围，可以极大地缩小底板外缘14的尺寸。结合突出边端点布置在多孔材料上。

随后将压力机的冲头61布置在主体2上方，然后往冲头61底部施加压力，以便于将主体压接在基板上。

在冲头发生位移期间，一方面基板(优选铜质基板)外缘发生塑性变形，同时，结合突出边25可穿入多孔材料3。

将压力施加到冲头上，基板外缘14流入往专门就此设置在主体2边缘24上的槽体27内，这样便可以对其外形进行互补，从而保证其密封性。

得益于前文所述的此种布局，可以获得厚度较小的组装毛细蒸发器；在所示实施例中，蒸发器的厚度E小于35mm，甚至小于30mm，这样便易于集成入服务器电路板内；所述电路板一个叠一个地布置在机箱内。

如图7所述，主体2的边缘24和基板的外缘14，均呈尤其不同的形状；槽体的开口可以向底部；两个部件之间的连接区域可以离平面P有一定距离。

有利地，在与平面P垂直的方向上，蒸发器10的厚度E小于35mm，甚至小于30mm，这样便可以在非常狭窄的场所使用该蒸发器，并利于将其集成入其他环境内；尤其是，该解决方案的优点在于，可以冷却电路板。

就此，必须注意的是，液体管道50和气体管道40的出口5、4按照与平面P平行的方式进行布置，这样不会增加蒸发器10的总体厚度。

必须注意的是，两相流体毛细回路可形成无源系统；所述系统既不要求进行维护，也不会产生通风机噪音或者泵噪音。

还必须注意的是，在基板和处理器之间可以加入热接触型润滑油。

必须注意的是，为提高基板1上主体2的闭合密封性能，可以优选在主体内的槽体27的圆角上增加胶带(未示出)。

为提高两相回路的启动安全性，可以考虑将止回装置布置在临近输入液体的出口5的位置；该止回装置能防止流体通过液体管50往冷凝器内回流。

当然，前文所述的压接毛细结构蒸发器，可以用来排放各类装置部件所产生的热量，而不仅仅适用于电子处理器。

Claims (16)

1.一种毛细抽吸两相传热系统用蒸发器(10)，其包括：

-基板1，其具有外缘(14)以及接收热能的外表面，能够吸收从散热部件(9)所散发的热量；所述外表面通常沿着临近所述散热部件的接口所在平面P延伸；

-主体(2)，其具有底部(21)、侧面部分(22)、以及与所述基板的外缘(14)相邻的边缘(24)，从而确定出所述蒸发器的内部空间(20)；

-多孔材料(3)，其能形成毛细结构层，布置在所述基板和所述底部之间，通过所述基板、所述侧面部分和所述多孔材料来确定出第一腔室(11)，通过所述底部、所述侧面部分和所述多孔材料确定出第二腔室(12)；

所述第一腔室用于容纳以气相为主的冷却流体，且包括气体管道用蒸发器出口(4)；所述第二腔室用于容纳以液相为主的冷却流体，且包括液体管道用蒸发器入口(5)；其特征在 于，所述主体采用压接操作的方式组装在基板上；在所述压接操作期间，通过材料挤压，在所述基板和所述主体之间形成密闭的结合，从而避免借助粘合、螺丝固定、铆接或焊接操作，来获得所述蒸发器的密封装配。

2.根据权利要求1所述的蒸发器，其特征在于，其包括结合突出部分(25)；所述突出部分是所述主体整体组成部分，并往所述基板方向凸起，在压接时能穿入所述多孔材料，从而保证所述第一腔室和第二腔室(11、12)之间毛细结构的密封性。

3.根据权利要求2所述的蒸发器，其特征在于，所述结合突出部分(25)是由突出边形成；所述突出边的截面呈含针状端；所述针状端朝向基板。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的蒸发器，其特征在于，所述外表面基本上是平坦的，且被配置成压住形成散热部件的电路板处理器。

5.根据权利要求4所述的蒸发器，其特征在于，在与所述平面P垂直方向上，所述蒸发器的厚度(E)小于35mm。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的蒸发器，其特征在于，所述蒸发器的入口和出口布置在其中一个侧壁上，与所述平面P平行。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的蒸发器，其特征在于，所述基板包括向内部凸起的突出部分13，这些突出部分形成蒸汽收集槽，并起到对所述多孔材料进行固定的作用。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的蒸发器，其特征在于，所述多孔材料3形成与接口平面P相平行的恒定厚度层。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的蒸发器，其特征在于，所述基板呈长方形；所述主体呈长方形，包含形成侧面部分的四个侧面。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的蒸发器，其特征在于，所述基板为铜质；所述主体为不锈钢材质。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的蒸发器，其特征在于，所述主体包括布置在所述主体底部外表面上的散热片(28)。

12.根据权利要求1至5中任一项所述的蒸发器，其特征在于，所述主体包括能固定在所述电路板上的固定装置；比如，可沿着与所述平面P平行的侧面延伸的固定装置，优选钻孔型固定装置。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的蒸发器，其特征在于，所述主体的边缘(24)包括槽体(27)；在压接时，在所述槽体内放置因所述基板外缘(14)变形而产生的材料。

14.装配根据权利要求1至12中任一项所述蒸发器的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

a-提供基板；

b-提供顶盖；

c-在所述基板上方布置多孔材料层；

d-将所述顶盖压接在所述基板上，从而通过材料的挤压在所述基板和所述主体之间形成密封的结合。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，在所述步骤d-中，通过所述结合突出部分(25)穿入所述多孔材料，能同时保证两个腔室之间毛细结构的密封性。

16.一种毛细抽吸两相传热系统，其包括根据权利要求1至13中任一项所述的蒸发器。