CN106211726A - 一种带多孔内肋片的相变散热系统及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种带多孔内肋片的相变散热系统，包括蒸发器、自然对流式冷凝器、蒸汽管路和回流管路，所述蒸发器设有长方体的真空腔体，蒸发器的一面为受热面，受热面的外侧与发热体连接，受热面的内侧与若干个蒸发肋片连接，在蒸发肋片的两侧均设有泡沫金属铜；所述自然对流式冷凝器设有密封腔体，在密封腔体的两侧均设有用于散热的肋片群；所述蒸发器的顶部通过蒸汽管路与自然对流式冷凝器的顶部连通，自然对流式冷凝器的底部通过回流管路与蒸发器的底部连通。本发明的带多孔内肋片的相变散热系统，通过将吸热和散热分布在不同区域，可以大大的减小装置的空间要求，利用带多空肋片进行蒸发吸热，吸热效果好，从而散热效果好。

Description

一种带多孔内肋片的相变散热系统及制备方法
技术领域
本发明涉及一种带多孔内肋片的相变散热系统及制备方法，属于散热领域。
背景技术
电子元器件的散热问题已成为当前电子元器件和电子设备制造的关键困难。近些年来，电子技术的快速发展。电子器件的高频、高速以及集成电路的密集和小型化，使得单位容积电子器件的总功率密度和发热量大幅度地增长，从而使电子器件的冷却问题变得越来越突出。如:大型计算机的芯片热流量已达到了60W/cm2，到2000年已经超过了100W/cm2，目前最高已达到200W/cm2。特别是由于MEMS(Micro Electro-Mechanical System)技术突飞猛进，使得电子元器件的尺寸越来越小，已经从微米量级进入到了亚微米量级。对于热流密度较高的应用场合，比如笔记本电脑等，热管冷却方式得以广泛的应用。热管的研究在过去三十年取得极大的进展，2007年左右，中科院的唐大伟、赵耀华等提出了微槽群相变冷却系统，并成功应用于激光冷却、LED散热等领域，并提出了相关专利如下：
中国专利号[200510098733.4]，公开(公告)日2007.03.14,胡学功和赵耀华提出了微槽群相变换热系统，这实际上是一种分离式热管，主要是靠近热源的蒸发面上开设平行的微槽群，利用微槽产生的毛细力将液态工质抽吸至受热区域，通过薄液膜蒸发效应，达到高强度散热冷却的效能；然后通过自然对流冷凝器散热至大气环境中。
中国专利号[200810057185.4]，公开(公告)日2009.08.05,胡学功和肖送连等提出了带内肋片的微槽群相变换热系统，主要是在专利[200510098733.4]基础上，对靠近热源的蒸发面布设内肋片，并在每个内肋片上加工平行的微槽群，这样就增加了薄液膜蒸发面积，进一步提高了蒸发器的冷却性能。
从上述已有的专利看，主要存在的不足如下：在铜材上加工平行的微槽群，为保证加工精度，主要采用线切割或CNC雕刻机，加工成本不菲。而且通过设置带微槽的内肋片方法提高薄液膜蒸发面积，这种方式对换热面积的提高毕竟还是有限的。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提出一种带多孔内肋片的相变散热系统及制备方法，通过将吸热和散热分布在不同区域，可以大大的减小装置的空间要求，利用带多空肋片进行蒸发吸热，吸热效果好，从而散热效果好。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明的带多孔内肋片的相变散热系统，包括蒸发器、自然对流式冷凝器、蒸汽管路和回流管路，所述蒸发器设有长方体的真空腔体，真空腔体内设有易蒸发的液体工质，蒸发器的一面为受热面，受热面的外侧与发热体连接，受热面的内侧与若干个蒸发肋片连接，蒸发肋片为长方形状的片状结构，在蒸发肋片的两侧均设有泡沫金属铜；所述自然对流式冷凝器设有密封腔体，密封腔体由导热好的金属制成，在密封腔体的两侧均设有用于散热的肋片群；所述蒸发器的顶部通过蒸汽管路与自然对流式冷凝器的顶部连通，自然对流式冷凝器的底部通过回流管路与蒸发器的底部连通，在回流管路上设有抽真空充注接口；蒸发器通过蒸发肋片将液体工质蒸发吸热变成蒸汽，蒸汽通过蒸汽管路将蒸汽送入到自然对流式冷凝器中，通过蒸汽变成冷凝水放热，将热量通过肋片群散发到空气中。
作为优选，所述泡沫金属铜的孔隙率范围为60％-90％，孔密度范围取60PPI-200PPI。
作为优选，所述蒸汽管路由铜管或其他与工质相容的金属管制成，管径为6-10mm；所述回流管路也由铜管或其他与工质相容的金属管制成。
作为优选，所述回流管路的管径较蒸汽管路的管径大。
作为优选，所述液体工质为除气的去离子水、乙醇或氟里昂，蒸发器内液体工质的高度低于发热体的下边沿，高于蒸发肋片的下边沿。
一种上述的带多孔内肋片的相变散热系统的制备方法，包括以下步骤：
(1)多孔肋片群烧结工序：采用设计加工的石墨模具，将铜粉填入紫铜板下方，在烧结炉内烧结后一体化成形，烧结温度为950度左右，烧结过程采用氢气还原处理，；
(2)清洗工序：对蒸发器板材、冷凝器板材以及相关管路进行清洗，首先采用乙醇或三氯乙烯在超声波清洗装置中除油，然后用清水进行冲洗，然后采用一定浓度一定温度的碱液在超声波清洗装中除去氧化层，碱液处理后立即采用60～80℃的热水进行漂洗；
(3)蒸发器和冷凝器焊接工序：采用真空钎焊或扩散焊将蒸发器和冷凝器焊接成形；
(4)蒸汽管路、回流管路和充注管焊接工序：采用高频感应焊机或高温真空钎焊方法，选择融化温度600～700℃的银铜焊片，将蒸汽管路、回流管路、充注管与蒸发器、冷凝器相接合，充注管路可置于蒸汽管路或回流管路上；
(5)工质制备工序：对液体工质进行预处理；
(6)充注工质抽真空工序：采用扩散泵抽取所需的真空度，当真空度达到10-3～10-2Pa时，进行工质充注，工质的充注量应保证蒸发器液面在热源区的下方；
(7)封尾工序：当蒸发器真空度达到要求时，立即采用高频感应焊机对充注管封焊，完成蒸发器的制作流程；
(8)真空检漏工序：采用氦质谱检漏仪对整个装置进行高真孔检漏。
作为优选，所述步骤(3)中如采用高温真空钎焊方法，选择融化温度700～800℃的银铜焊片，其融化温度低于多孔肋片群的烧结温度。
作为优选，所述步骤(5)中液体工质为水，先加热后冷凝的方法对水进行脱气处理，然后去离子纯净处理。
在本发明中，所述蒸发器为长方体结构，材料选用紫铜。可将五块紫铜板与带多孔内肋片群的紫铜板拼接成长方体，同样在真空钎焊炉内焊接成形，所选焊料的融化温度低于前述铜粉烧结温度，所述蒸发器的右外表面为受热面，与发热体连接。所述冷凝器，在薄紫铜板焊接而成的腔体外焊接翅片，采用自然对流散热方式，将冷凝换热释放的热量散失到外界自然环境中。也可采用强迫风冷方式，较为简易的方法可采用管翅式或板翅式散热器；如采用水冷方式，可选用板式换热器，蒸汽工质与外界冷却水换热，变为液态工质。
在本发明中，所述蒸发器在靠近发热面的一侧焊接有多孔内肋片群，利用多孔内肋片微孔隙产生的毛细力，将蒸发器底部液体工质抽吸到热源附近的多孔区，液态工质受热沸腾蒸发变成蒸汽，蒸汽通过蒸汽管路进入到风冷或水冷冷凝器中，在其中蒸汽冷凝放热后重新变为液态工质，热量则散到周围大气环境(风冷)或被冷却水带走。而冷凝器内的液态工质则在重力位差的作用下通过回流管路重新回到蒸发器中，循环进行。该相变散热系统具有散热性能高、布置灵活等优点。
有益效果：本发明的带多孔内肋片的相变散热系统，将多孔内肋片群直接贴合于热源附近的蒸发器壁面上，系统工作时，利用多孔材料微孔隙产生的毛细力，将蒸发器底部的液态工质源源不断抽吸至热源区附近，工质受热后通过薄液膜沸腾过程变为蒸汽，然后在冷凝器中将热量释放至周围环境中。根据近年来国内外的研究，微尺度系统往往具有超常的强化传热行为，当供液液面低于多孔材料厚度时，发生在多孔孔隙内的沸腾模式，不再是池沸腾机制，而是薄液膜沸腾机制，微米数量级厚度的薄液膜沸腾，较通常的池内沸腾传热系数高出一个数量级，这是一种超常的微尺度沸腾现象。相比于传统的微槽群结构，本发明应用多孔泡沫铜作为薄液膜沸腾的载体，不仅可提供更大的毛细动力(通过孔径的调整)，而且极大提高了受热区的换热面积。另外，系统制作成本较低。从而在性价比方面优于传统的微槽群相变散热系统。系统通过本地冷却元件(蒸发器)、热量及流体输运管路、远程散热元件(冷凝器)三者的组合，可以将狭窄空间里尺寸微小的功率器件所产生的发热量及时地释放到外部环境中去，从而可以大幅度地节省电子电气设备系统的功能空间，实现整个散热系统的远程的、静音的、无功耗的、高强度的散热冷却目的。
附图说明
图1是本发明的系统示意图。
图2是泡沫铜肋片的结构示意图。
图3是本发明蒸发器中的泡沫铜肋片石墨模具设计示意图。
图4是自然对流式冷凝器的结构示意图。
图5是本发明蒸发器的示意图。
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5所示，本发明的带多孔内肋片的相变散热系统，包括蒸发器9、自然对流式冷凝器4、蒸汽管路11和回流管路6，所述蒸发器9设有长方体的真空腔体，真空腔体设有蒸汽出口3和液体回流口8，真空腔体内设有易蒸发的液体工质，液体工质优选为无水乙醇或蒸馏水，具有较高的汽化潜热，蒸发器9的一面为受热面，受热面的外侧与发热体1连接，发热体1优选镍铬片电加热材料制成，发热体1外表面通过导热硅胶(硅脂)与受热面紧贴在一起，受热面的内侧与若干个蒸发肋片2连接，蒸发肋片2为长方形状的片状结构，蒸发肋片2的高度和宽度均在1-100mm之间，厚度在0.4-30mm之间，蒸发肋片2的间距为0.5---30mm之间，在蒸发肋片2的两侧均设有泡沫金属铜；所述自然对流式冷凝器4设有密封腔体，密封腔体设有蒸汽入口7和液体出口5，密封腔体由导热好的金属制成，例如金属铝或铜，在密封腔体的两侧均设有用于散热的肋片群10，蒸汽管路11与蒸汽入口7和蒸汽出口3连接，回流管路6与液体出口5和液体回流口8连接；所述蒸发器9的顶部通过蒸汽管路11与自然对流式冷凝器4的顶部连通，自然对流式冷凝器4的底部通过回流管路与蒸发器9的底部连通；蒸发器9通过蒸发肋片2将液体工质蒸发吸热变成蒸汽，蒸汽通过蒸汽管路11将蒸汽送入到自然对流式冷凝器4中，通过蒸汽变成冷凝水放热，将热量通过肋片群10散发到空气中。
在本发明中，所述泡沫金属铜的孔隙率范围为60％-90％，孔密度范围取60PPI-200PPI。所述蒸汽管路11由铜管或其他与工质相容的金属管制成，管径为6-10mm；所述回流管路6也由铜管或其他与工质相容的金属管制成，所述回流管路6的管径较蒸汽管路11的管径大。所述液体工质为除气的去离子水、乙醇或氟里昂，蒸发器9内液体工质的高度低于发热体1的下边沿，高于蒸发肋片的下边沿。
一种上述的带多孔内肋片的相变散热系统的制备方法，包括以下步骤：
(1)多孔肋片2群烧结工序：采用设计加工的石墨模具，将铜粉填入紫铜板下方，在烧结炉内烧结后一体化成形，烧结温度为950度左右，烧结过程采用氢气还原处理，如图3所示；
(2)清洗工序：对蒸发器9板材、冷凝器4板材以及相关管路进行清洗，首先采用乙醇或三氯乙烯在超声波清洗装置中除油，然后用清水进行冲洗，然后采用一定浓度一定温度的碱液在超声波清洗装中除去氧化层，碱液处理后立即采用60～80℃的热水进行漂洗；
(3)蒸发器9和冷凝器4焊接工序：采用采用高温真空钎焊方法，选择融化温度700～800℃的银铜焊片，其融化温度低于多孔肋片2群的烧结温度，将蒸发器9和冷凝器4焊接成形；
(4)蒸汽管路11、回流管路6和充注管焊接工序：采用高频感应焊机或高温真空钎焊方法，选择融化温度600～700℃的银铜焊片，将蒸汽管路11、回流管路6、充注管与蒸发器9、冷凝器4相接合，充注管路可置于蒸汽管路11或回流管路6上，如图1所示；
(5)工质制备工序：先加热后冷凝的方法对水进行脱气处理，然后去离子纯净处理；
(6)充注工质抽真空工序：采用扩散泵抽取所需的真空度，当真空度达到10-3～10-2Pa时，进行工质充注，工质的充注量应保证蒸发器9液面在热源区的下方；
(7)封尾工序：当蒸发器9真空度达到要求时，立即采用高频感应焊机对充注管封焊，完成蒸发器9的制作流程；
(8)真空检漏工序：采用氦质谱检漏仪对整个装置进行高真孔检漏。
本发明在使用时，该自然对流式冷凝器4竖直放置在电子电气的机箱或机柜的外部，或者镶嵌在机箱或机柜壁面中。蒸汽主要在自然对流式冷凝器4的长方形密封腔体内上壁面凝结放热，在表面张力的作用下，凝结液则沿着壁面自上而下的流至自然对流式冷凝器4底部，自然对流式冷凝器4的底部布置有用以迅速收集凝结液的斜坡面，可以利用重力的作用迅速汇集凝结液。蒸汽凝结所释放的热量由自然对流式冷凝器4内壁传导到自然对流式冷凝器4外壁的肋片群10上，通过空气的自然对流换热最终散失到外界环境中去。通过将蒸发吸热和冷凝散热分布在不同的区域，在狭小的电子元器件散热区域，只有蒸发器9蒸发吸热，变成蒸汽，带走大量的热量，在外部环境中通过肋片群10进行自热对流散热，散热效果好，这样，即实现在狭小空间内降温的目的，又达到了在另一个区域实现很好散热的目的，实现整个散热系统远程的、静音的、无功耗的、高强度的散热冷却目的。
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 (8)

1.一种带多孔内肋片的相变散热系统，其特征在于：包括蒸发器、自然对流式冷凝器、蒸汽管路和回流管路，所述蒸发器设有长方体的真空腔体，真空腔体内设有易蒸发的液体工质，蒸发器的一面为受热面，受热面的外侧与发热体连接，受热面的内侧与若干个蒸发肋片连接，蒸发肋片为长方形状的片状结构，在蒸发肋片的两侧均设有泡沫金属铜；所述自然对流式冷凝器设有密封腔体，密封腔体由导热好的金属制成，在密封腔体的两侧均设有用于散热的肋片群；所述蒸发器的顶部通过蒸汽管路与自然对流式冷凝器的顶部连通，自然对流式冷凝器的底部通过回流管路与蒸发器的底部连通，在回流管路上设有抽真空充注接口；蒸发器通过蒸发肋片将液体工质蒸发吸热变成蒸汽，蒸汽通过蒸汽管路将蒸汽送入到自然对流式冷凝器中，通过蒸汽变成冷凝水放热，将热量通过肋片群散发到空气中。
2.根据权利要求1所述的带多孔内肋片的相变散热系统，其特征在于：所述泡沫金属铜的孔隙率范围为60％-90％，孔密度范围取60PPI-200PPI。
3.根据权利要求1所述的带多孔内肋片的相变散热系统，其特征在于：所述蒸汽管路由铜管或其他与工质相容的金属管制成，管径为6-10mm；所述回流管路也由铜管或其他与工质相容的金属管制成。
4.根据权利要求3所述的带多孔内肋片的相变散热系统，其特征在于：所述回流管路的管径较蒸汽管路的管径大。
5.根据权利要求1所述的带多孔内肋片的相变散热系统，其特征在于：所述液体工质为除气的去离子水、乙醇或氟里昂，蒸发器内液体工质的高度低于发热体的下边沿，高于蒸发肋片的下边沿。
6.一种如权利要求1至5任一项所述的带多孔内肋片的相变散热系统的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)多孔肋片群烧结工序：采用设计加工的石墨模具，将铜粉填入紫铜板下方，在烧结炉内烧结后一体化成形，烧结温度为950度，烧结过程采用氢气还原处理；
(2)清洗工序：对蒸发器板材、冷凝器板材以及相关管路进行清洗，首先采用乙醇或三氯乙烯在超声波清洗装置中除油，然后用清水进行冲洗，然后采用碱液在超声波清洗装中除去氧化层，碱液处理后立即采用60～80℃的热水进行漂洗；
(3)蒸发器和冷凝器焊接工序：采用真空钎焊或扩散焊将蒸发器和冷凝器焊接成形；
(4)蒸汽管路、回流管路和充注管焊接工序：采用高频感应焊机或高温真空钎焊方法，选择融化温度600～700℃的银铜焊片，将蒸汽管路、回流管路、充注管与蒸发器、冷凝器相接合，充注管路可置于蒸汽管路或回流管路上；
(5)工质制备工序：对液体工质进行预处理；
(6)充注工质抽真空工序：采用扩散泵抽取所需的真空度，当真空度达到10-3～10-2Pa时，进行工质充注，工质的充注量应保证蒸发器液面在热源区的下方；
(7)封尾工序：当蒸发器真空度达到要求时，立即采用高频感应焊机对充注管封焊，完成蒸发器的制作流程；
(8)真空检漏工序：采用氦质谱检漏仪对整个装置进行高真孔检漏。
7.根据权利要求6所述的带多孔内肋片的相变散热系统的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中如采用高温真空钎焊方法，选择融化温度700～800℃的银铜焊片，其融化温度低于多孔肋片群的烧结温度。
8.根据权利要求6所述的带多孔内肋片的相变散热系统的制备方法，其特征在于：所述步骤(5)中液体工质为水，先加热后冷凝的方法对水进行脱气处理，然后去离子纯净处理。
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