CN105890415B - 一种带沸腾池的一体式环路热管散热装置 - Google Patents

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Abstract

一种带沸腾池的一体化环路热管散热装置，包括蒸发器、沸腾池和冷凝器，蒸发器包括补偿室，补偿室下方设置有用于提供动力的毛细芯，毛细芯下方设置有蒸汽槽道，补偿室与沸腾池之间有与蒸汽槽道相连通的集气槽，沸腾池侧壁上设置有与集气槽相连通的连接孔洞，补偿室底部产生的蒸汽进入集气槽，通过连接孔洞进入沸腾池；补偿室与冷凝器的出口相连通，沸腾池与冷凝器的入口相连通。本发明中将提供动力的蒸发器和主要散热部件沸腾池一体化设计，整体尺寸较小，结构紧凑，适应于空间狭小的电子器件散热场景使用，蒸发器和沸腾池紧凑的设计，使得系统只需要被散热器件一个热源，无需外加热源或动力装置，节省能源，能够实现对电子器件的持续高效散热。

Description

一种带沸腾池的一体式环路热管散热装置
技术领域
本发明属于电子元器件冷却散热领域，涉及一种热管散热装置，特别涉及一种带沸腾池的一体式环路热管散热装置。
背景技术
随着MEMS(Micro-Electro-Mechanical-Systems)技术的发展，电子器件规模化、集成化程度越来越高，其发热量也急剧增大，如何高效地将这部分热量散出成为制约电子器件发展的重大问题。传统的风冷、水冷等方式已经不能满足这一高热流密度下的散热需求。
相变传热技术成为这一研究的主要方向，其利用了液态工质的汽化潜热，传热系数远远大于单相传热技术。尤其是将电子器件直接浸没在不导电液体中，利用池沸腾装置进行沸腾换热。为了强化沸腾换热效果，在电子器件表面加工了各种微结构，如中国专利第200810236502.9便设计了一种柱状微结构并提出加工方法，显著提高了临界热流密度。但是，这种加工有表面微结构的池沸腾装置仍存在若干缺点：
1、电子器件在静止环境中进行换热，能够达到的热流密度较低，须在较大过冷度下才能达到较高临界热流密度；
2、系统没有动力来源，芯片热量扩散至环境液体后无法有效导出，导致控制液体温度困难；
3、需要通过在池中布置冷却水管路并连接冷水机来控制液体温度，系统结构较为复杂。
由此可见，上述池沸腾装置存在诸多不足，仍有待进一步改进。
环路热管是一种高效的两相换热技术，其利用内部布置的毛细芯产生的毛细力作为动力驱动系统运转，具有传热系数大、传输距离远、布置灵活、结构简单等显著优点，在电子器件高效散热、空间冷却等领域有着巨大的研究发展和应用前景。
早期的环路热管结构呈圆柱形，不利于与电子器件等平板型结构的配合使用，因此发展出一类平板式环路热管，与被散热物体贴合紧密，热阻小，效率高，在一些场合已经得到了实际应用。
但平板式环路热管也存在一定问题，主要表现在传热系数较小、背向漏热严重、温度波动大、运行稳定性较低等，此外其结构不够简单紧凑，限制了在小空间内的应用。
发明内容
本发明的目的在于解决现有环路热管散热器换热系数小、运行稳定性低、结构复杂的问题，提出一种带沸腾池的一体式环路热管散热装置，该装置换热系数大、结构简单，运行稳定，能够进行高热流密度下的电子器件高效散热。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种带沸腾池的一体化环路热管散热装置，包括蒸发器、沸腾池和冷凝器，蒸发器包括补偿室，补偿室下方设置有用于提供动力的毛细芯，毛细芯下方设置有蒸汽槽道，补偿室与沸腾池之间有与蒸汽槽道相连通的集气槽，沸腾池侧壁上设置有与集气槽相连通的连接孔洞，补偿室底部产生的蒸汽进入集气槽，再通过连接孔洞进入沸腾池；补偿室与冷凝器的出口相连通，沸腾池与冷凝器的入口相连通。
所述补偿室横截面为矩形。
所述蒸汽槽道水平设置，集气槽竖直设置。
所述补偿室的侧壁上还开设有液体管路接口，液体管路接口与液体管路相连通，液体管路与冷凝器的出口相连通。
所述毛细芯采用双层不锈钢丝网结构，上层为300目，下层为500目。
所述沸腾池为方柱型空腔，沸腾池底部设置有用于强化沸腾换热的柱状微结构。
所述沸腾池的侧壁上开设有蒸汽管路接口，蒸汽管路接口与蒸汽管路相连通，蒸汽管路与冷凝器的入口相连通。
所述蒸发器和沸腾池的上部设置有顶板，下部设置有底板，顶板和底板通过螺栓连接，并使用O型密封圈进行密封；蒸发器和沸腾池之间通过挡板隔开，连接孔洞设置在挡板上。
所述蒸发器和沸腾池底部设有用于安装模拟热源的模拟热源滑轨，模拟热源滑轨外侧设置有刻度尺。
所述冷凝器包括管路和用于提供强制空气对流的风扇，管路的入口与蒸汽管路相连通，管路的出口与液体管路相连通，管路上设置两段翅片管，风扇设置在翅片管上方；管路中段通过三通连接有用于抽真空和充注工质液体的充注液阀门，充注液阀门还连接有充注液管；冷凝器入口、出口处设置有变径接头。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明通过设置沸腾池以及补偿室，当对电子元件降温时，将电子元件与蒸发器、沸腾池底面相贴合，从沸腾池出来的过热蒸汽进入冷凝器中，经过冷凝后回流到补偿室中，完成工作循环，同时达到对电子元件持续散热的目的。本发明中由于将提供动力的蒸发器和主要散热部件沸腾池一体化设计，整体尺寸较小，结构紧凑，适应于空间狭小的电子器件散热场景使用，蒸发器和沸腾池紧凑的一体化设计，使得系统只需要被散热器件一个热源，无需外加热源或动力装置，节省能源；减少连接管路，使结构更为简单；本发明结合沸腾换热技术与环路热管技术二者的优点，利用前者传热系数大、效率高的特点，并由后者提供动力，保障系统持续稳定运行。本发明充分结合了环路热管结构简单、传输距离远，以毛细芯为系统提供动力和带柱状微结构的沸腾池传热效率高、温度波动小、占用空间小的特点，实现对电子器件的持续高效散热。
进一步的，本发明中由于沸腾池底部表面添加了柱状微结构进行强化沸腾换热，增加了气化核心数，提高临界热流密度，同时防止初始时温度过高，使电子器件能在较低功率下启动。柱状微结构还具有热毛细对流作用，可以保证稳定的核态沸腾状态，使得温度波动较小，稳定性强，且几乎不随热流密度的增加而变化。
进一步的，蒸发器和沸腾池的上部设置有顶板，下部设置有底板，顶板和底板通过螺栓连接，并使用O型密封圈进行密封；使得结构紧凑，便于拆卸。由于采用O型密封圈进行密封，使得装置密封性强，并且注入液体工质前先进行抽真空操作，方便液体注入，同时相对其他热管装置，工质沸点被降低，更容易沸腾，使得整体温度降低。
进一步的，由于设置了模拟热源滑动导轨，在启动时可以先对蒸发器部分进行预热，之后通过滑动模拟热源对整个散热装置进行加热，满足了系统启动特性的要求；模拟热源滑轨外侧布置的刻度尺，可以更加方便而精确地控制模拟热源位置，以根据加热功率灵活控制蒸发器和沸腾池的受热量。
进一步的，冷凝器布置灵活，可以将热量传到远距离外进行散热，扩大散热面积；
附图说明
图1为本发明的散热器主体剖视图。
图2为本发明的散热器主体底板结构图。
图3为本发明总体结构图。
其中：1为模拟热源滑轨，2为底板，3为蒸汽槽道，4为集气槽，5为柱状微结构，6为O型密封圈，7为蒸汽管路接口，8为沸腾池，9为挡板，10为连接孔洞，11为顶板，12为毛细芯，13为补偿室，14为液体管路接口，15为螺栓，16为蒸汽管路，17为变径接头，18为三通，19为充注液管，20为充注液阀门，21为冷凝器，22为液体管路。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
参照图1和图2，本发明带沸腾池的一体化环路热管散热装置包括蒸发器、沸腾池8和冷凝器21，蒸发器包括毛细芯12、蒸汽槽道13以及补偿室13，补偿室13下方设置有用于提供动力的毛细芯12，毛细芯12下方设置有蒸汽槽道3，补偿室13横截面一般为矩形，补偿室13与沸腾池8之间有与蒸汽槽道3相连通的集气槽4，蒸汽槽道3水平设置，集气槽4竖直设置。沸腾池8侧壁上设置有与集气槽4相连通的连接孔洞10，蒸汽槽道3底部产生的蒸汽进入集气槽4，通过连接孔洞10进入沸腾池8；补偿室13的侧壁上还开设有液体管路接口14，液体管路接口14与液体管路22相连通。液体管路22与冷凝器21的出口相连通。
本发明中采用的工质为甲醇，毛细芯12采用双层不锈钢丝网结构，上层为300目，下层为500目。在毛细芯12上布置了一层(孔隙很大、相对较厚、刚度较大的)粗网隔板，用于提高刚度，支撑丝网毛细芯结构，即由于本发明中设置底板2和顶板11，底板2和顶板11形成补偿室13和沸腾池8，补偿室13下方为毛细芯12，粗网隔板和蒸汽槽道13将毛细芯12进行固定。
沸腾池8为方柱型空腔，底面为矩形，沸腾池8底部设置有用于强化沸腾换热的柱状微结构5，增加汽化核心数，沸腾池8的侧壁上开设有蒸汽管路接口7，蒸汽管路接口7与蒸汽管路16相连通。蒸汽管路16与冷凝器21的入口相连通。
从沸腾池8出来的蒸汽通过蒸汽管路16进入冷凝器21，经过冷凝后回流到补偿室13中，完成工作循环。
为了对电子元件散热，蒸发器和沸腾池底部设有用于安装模拟热源的模拟热源滑轨1，模拟热源在模拟热源滑轨1上能够进行前后滑动。模拟热源滑轨1外侧设置有刻度尺，方便控制模拟热源位移量，控制加热量分配比例。模拟热源导轨1贯穿整个蒸发器和沸腾池8的底部(即底板底部设有模拟热源导轨)，用于模拟热源在蒸发器和沸腾池8下滑动，对两部分加热。本发明中模拟热源包括加热棒和紫铜块，加热棒内嵌到紫铜块中。根据需要进行滑动以分别控制蒸发器和沸腾池的受热量。
为了拆装方便，蒸发器和沸腾池的上部设置有顶板11，下部设置有底板2，顶板11和底板2通过螺栓15连接，并使用O型密封圈6进行严格密封。本发明中补偿室13和沸腾池8之间通过薄金属挡板9隔开，连接孔洞10设置在挡板9上。
参照图3，冷凝器21包括风扇和管路，管路的入口与蒸汽管路相连通，管路的出口与液体管路相连通，管路上设置两段翅片管，风扇设置在翅片管上方，用于提供强制空气对流。管路中段通过三通18连接了充注液阀门20，用于抽真空和工质液体充注，充注液阀门20还连接有充注液管19。本发明中冷凝器入口、出口处设置有变径接头17。
沸腾池侧壁至蒸发器侧壁之间装有冷凝器，采用外加翅片的强制空气对流方式，并在上方伴有风扇，条件和环境允许时，也可以采用水冷方式。
散热器装置主体(底板2和顶板22)、连接管道部分(蒸汽管路16和液体管路22)采用铜制材料，外加翅片的冷凝器考虑到加工的难度与可行性，采用304不锈钢材质，环路管径如果由于加工工艺或材料限制出现不同管径时，采用焊接式变径接头连接；
工作介质可以选用对装置无腐蚀、沸点较低的液体，如甲醇、乙醇、FC-72等。
本发明的工作原理可以概括为：散热器底面(即蒸发器和沸腾池底面，其中主要是沸腾池部分在散热，蒸发器提供动力)与一额外发热器模拟热源面紧密贴合，热量通过铜质外壁传导至蒸汽槽道，蒸汽槽道内的液态工质受热汽化，在毛细芯下表面形成很多曲率半径较小的弯月面，产生毛细力。产生的蒸汽进入集气槽，通过连接孔洞后进入沸腾池。模拟热源热量传导至沸腾池底部柱状微结构表面，进入沸腾池的液态工质受热气化，气态工质被加热到过热状态。过热蒸汽通过壁面的蒸汽管路接口7进入蒸汽管路16流入冷凝器21，在其中放出热量，被冷却至液态后经管路回流到补偿室13中。
在本发明工作过程中，形成了蒸发—蒸发/过热—冷凝的闭合循环。其中蒸发过程利用了毛细芯产生的毛细力为系统提供动力，沸腾池内发生的蒸发/过热过程利用了柱状微结构的强化换热性能，实现对电子器件高效散热。
在系统运行前需通过充注液阀门19进行抽真空操作，使内部产生负压，方便工质注入，并降低工质沸点，使系统能在更低温度下运行。
本发明主体分为蒸发器和沸腾池两部，蒸发器底板加工有蒸汽槽道，上方布置毛细芯，为系统提供动力，毛细芯上方为补偿室。蒸发器通过连接孔洞与沸腾池相连，沸腾池底加工有柱状微结构进行强化换热。沸腾池外管路经过冷凝器与补偿室相连，过热蒸汽冷凝为液态后回流到补偿室。系统中工质经过蒸发—蒸发/过热—冷凝过程，构成工作循环，实现对电子器件的持续散热。本发明充分结合了环路热管结构简单、传输距离远，以毛细芯为系统提供动力和带柱状微结构的沸腾池传热效率高、温度波动小、占用空间小的特点，实现对电子器件的持续高效散热。

Claims (10)

1.一种带沸腾池的一体化环路热管散热装置，其特征在于，包括蒸发器、沸腾池(8)和冷凝器(21)，蒸发器包括补偿室(13)，补偿室(13)下方设置有用于提供动力的毛细芯(12)，毛细芯(12)下方设置有蒸汽槽道(3)，补偿室(13)与沸腾池(8)之间有与蒸汽槽道(3)相连通的集气槽(4)，沸腾池(8)侧壁上设置有与集气槽(4)相连通的连接孔洞(10)，补偿室(13)底部产生的蒸汽进入集气槽(4)，再通过连接孔洞(10)进入沸腾池(8)；补偿室(13)与冷凝器(21)的出口相连通，沸腾池(8)与冷凝器(21)的入口相连通；
沸腾池(8)底部设置有用于强化沸腾换热的柱状微结构(5)；
所述蒸发器和沸腾池底部设有用于安装模拟热源的模拟热源滑轨(1)。
2.根据权利要求1所述的一种带沸腾池的一体化环路热管散热装置，其特征在于，所述补偿室(13)横截面为矩形。
3.根据权利要求1或2所述的一种带沸腾池的一体化环路热管散热装置，其特征在于，所述蒸汽槽道(3)水平设置，集气槽(4)竖直设置。
4.根据权利要求1所述的一种带沸腾池的一体化环路热管散热装置，其特征在于，所述补偿室(13)的侧壁上还开设有液体管路接口(14)，液体管路接口(14)与液体管路(22)相连通，液体管路(22)与冷凝器(21)的出口相连通。
5.根据权利要求1所述的一种带沸腾池的一体化环路热管散热装置，其特征在于，所述毛细芯(12)采用双层不锈钢丝网结构，上层为300目，下层为500目。
6.根据权利要求1所述的一种带沸腾池的一体化环路热管散热装置，其特征在于，所述沸腾池(8)为方柱型空腔。
7.根据权利要求1所述的一种带沸腾池的一体化环路热管散热装置，其特征在于，所述沸腾池(8)的侧壁上开设有蒸汽管路接口(7)，蒸汽管路接口(7)与蒸汽管路(16)相连通，蒸汽管路(16)与冷凝器(21)的入口相连通。
8.根据权利要求1所述的一种带沸腾池的一体化环路热管散热装置，其特征在于，所述蒸发器和沸腾池的上部设置有顶板(11)，下部设置有底板(2)，顶板(11)和底板(2)通过螺栓(15)连接，并使用O型密封圈(6)进行密封；蒸发器和沸腾池(8)之间通过挡板(9)隔开，连接孔洞(10)设置在挡板(9)上。
9.根据权利要求1所述的一种带沸腾池的一体化环路热管散热装置，其特征在于，模拟热源滑轨(1)外侧设置有刻度尺。
10.根据权利要求1所述的一种带沸腾池的一体化环路热管散热装置，其特征在于，所述冷凝器(21)包括管路和用于提供强制空气对流的风扇，管路的入口与蒸汽管路(16)相连通，管路的出口与液体管路(22)相连通，管路上设置两段翅片管，风扇设置在翅片管上方；管路中段通过三通(18)连接有用于抽真空和充注工质液体的充注液阀门(20)，充注液阀门(20)还连接有充注液管(19)；冷凝器(21)入口、出口处设置有变径接头(17)。
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