CN106225539A - 一种带平板微通道蒸发器的三维脉动热管散热冷却装置 - Google Patents

一种带平板微通道蒸发器的三维脉动热管散热冷却装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种带平板微通道蒸发器的三维脉动热管散热冷却装置，包括内部设有微通道阵列的金属板蒸发器和毛细管，金属板蒸发器的底面用于与高功率微电子器件或LED灯连接，金属板蒸发器内的微通道设置在金属板蒸发器的上表面和底面之间，各微通道的端口分别设置在金属板蒸发器的左右两侧，其中一个毛细管的左端与金属板蒸发器左侧最后端的微通道端口密封连接、另一端与金属板蒸发器右侧最前端的微通道端口密封连接，其余毛细管的左端分别与金属板蒸发器左侧的前一个微通道端口密封连接、另一端则分别与金属板蒸发器右侧的后一个微通道端口密封连接，所述毛细管与微通道连通构成三维空间回路结构，所述微通道与毛细管内注有冷却工质。

Description

一种带平板微通道蒸发器的三维脉动热管散热冷却装置
技术领域
本发明涉及高功率微电子器件或LED灯的散热冷却技术领域，具体涉及到一种带平板微通道蒸发器的三维脉动热管散热冷却装置。
背景技术
近年来，随着微电子技术的迅猛发展，各种信息通讯产品正以前所未有的速度实现高度集成化和微小型化，直接导致其工作热负荷和单位面积发热量的显著增加，由于热对电子元器件的负面影响很大，散热问题日益突出，并成为制约其发展的重要瓶颈。散热问题同样影响着基于照明用途的大功率LED灯，大功率LED灯在使用过程中若不能及时改善散热条件、排除周围聚集的高热量，其温度将迅速上升，其使用寿命会严重缩短。
对于上述高功率的微电子器件和LED灯，传统的翅片加风扇冷却的方式已越来越难以满足其高强度的散热要求。为此，近年来有不少学者提出采用微通道或微槽道热沉的液体强制循环冷却方式来解决该问题。如公开号为CN101005753A、名称为“微通道散热装置”的发明专利中公开了一种利用微通道和与之相连的歧管的装置对电子器件进行散热，微通道当量直径一般只有数百微米，因此由微通道阵列构成的热沉整体尺寸较小，可以很好地满足目前微电子器件或LED灯对使用紧凑式散热器的要求；同时，微通道和常规通道相比其换热面积-体积比显著提高，具有更强的散热冷却能力（可达数十W/cm2到数百W/cm2）。但是，该装置中微通道受迫对流冷却需要外加动力装置或辅助设备，增大了系统的复杂度和成本，并且对外部冷却液和电源依赖较大，使其安全可靠性降低，一定程度上制约了其推广应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种带平板微通道蒸发器的三维脉动热管散热冷却装置，通过冷却工质在微通道内的相变循环运动实现对高功率微电子器件或LED灯的有效冷却，从而解决现有技术的微通道散热器需要外加动力装置或辅助设备的技术问题。
本发明采用如下技术方案：一种带平板微通道蒸发器的三维脉动热管散热冷却装置，其包括内部设有微通道阵列的金属板蒸发器和毛细管，金属板蒸发器的底面用于与高功率微电子器件或LED灯连接，金属板蒸发器内的微通道设置在金属板蒸发器的上表面和底面之间，各微通道的端口分别设置在金属板蒸发器的左右两侧，其中一个毛细管的左端与金属板蒸发器左侧最后端的微通道端口密封连接、另一端与金属板蒸发器右侧最前端的微通道端口密封连接，其余毛细管的左端分别与金属板蒸发器左侧的前一个微通道端口密封连接、另一端则分别与金属板蒸发器右侧的后一个微通道端口密封连接，所述毛细管与微通道连通构成三维空间回路结构，该三维空间回路结构内注有冷却工质。
所述金属板蒸发器上位于每个微通道的每个端口处都设有一个阶梯状突扩，该突扩直径与所述毛细管外径相等，所述微通道的内径与毛细管的内径相同，所述毛细管插拔连接在所述突扩上，所述突扩与毛细管采用胶接或银焊的方式密封固定在一起。
所述连接金属板蒸发器左侧最后端和右侧最前端微通道端口的毛细管上设有注液口。
所述微通道的横截面为圆形，微通道的直径在0.5~1.5mm之间。
所述微通道阵列中各微通道的直径相等。
所述微通道阵列中有两种不同直径的微通道，两种不同直径的微通道间隔设置在金属板蒸发器内。
所述微通道和毛细管构成的三维空间回路结构的截面是半圆形或矩形或梯形。
所述毛细管为铜毛细管。
所述冷却工质充注量占整个三维空间回路结构内部体积的40%-80%。
所述冷却工质为氟碳化合物电子冷却液FC-72或氟碳化合物电子冷却液FC-7100或制冷剂R141b等。
本发明的使用时，带有微通道阵列的金属板蒸发器底面与高功率微电子器件或LED灯发热模块平面紧密接触，热量通过金属板蒸发器的金属板块热沉传递至冷却工质，冷却工质汽塞吸热发生膨胀，推动液塞运动，冷却工质吸热温度上升到一定程度后也将发生沸腾相变产生气泡，气泡膨胀聚集长大又形成汽塞并进一步推动液塞运动，汽、液塞在金属板蒸发器微通道内反复来回振荡，冲刷微通道。随着热负荷的增大，汽、液塞的振荡幅度也会相应提高，并将完全跑出微通道热沉，进入直接与外侧空气接触的毛细管内，由于外侧毛细管的冷却散热面积远大于蒸发器微通道面积，因此能够通过自然对流或借助风扇强制对流的方式将吸收的热量充分散出。同时，本发明中微通道和毛细管构成的三维空间结构本身有利于增强流体工质在微通道内的运动不稳定性，因此在无外加辅助装置或设备的情况下，整个微通道回路内的冷却工质能够在金属板蒸发器内快速来回振荡运动。当加热负荷较大时甚至可实现单向循环运动（顺时针或逆时针），由此能够通过工质在微通道内的流动沸腾实现对发热模块的散热冷却目的。本发明结构紧凑，利用相变和工质振荡运动的方式实现热量的传递，对高功率发热器件具有很强的散热冷却效果，在发热器件和环境温差作用下能够不借助外力实现长期安全稳定运行。
本发明相对于现有技术，具有如下优点和效果：由于采用沸点较低的冷却工质，工质在经过金属板蒸发器微通道的过程中，通常处于流动沸腾状态，具有极强的冷却温控效果，可以有效保障高功率微电子器件或LED灯的使用温度维持在安全范围以内。因此，本发明在基本保留传统微通道高强度散热冷却特点的同时，有效克服了其使用过程需外加辅助装置或设备的不足，装置整体结构更加紧凑，可靠性增强，同时还具有长期使用无需维护和制作成本低等优点。
附图说明
图1是本发明一种实施例的结构示意图；
图2是图1的右视图；
图3是图1的俯视图；
图4是图1中毛细管与微通道连接的示意图；
图5是图1中具有相同内径微通道的金属板蒸发器的示意图；
图6是本发明另一种实施例中具有两种不同内径微通道的金属板蒸发器的示意图。
附图中， 1—毛细管，2—金属板蒸发器，3—微通道，4—突扩，6—注液口。
具体实施方式
下面结合具体实施方式及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
本发明带平板微通道蒸发器的三维脉动热管散热冷却装置的一种实施例如图1至图3所示，其包括内部设有微通道阵列的金属板蒸发器2和毛细管，金属板蒸发器2的底面用于与高功率微电子器件或LED灯连接，金属板蒸发器2内的微通道3设置在金属板蒸发器2的上表面和底面之间，各微通道3的端口分别设置在金属板蒸发器2的左右两侧，毛细管1和微通道3连接，本实施例中的毛细管1采用铜毛细管，其中一个毛细管1的左端与金属板蒸发器左侧最后端的微通道端口密封连接、另一端与金属板蒸发器右侧最前端的微通道端口密封连接，其余毛细管的左端分别与金属板蒸发器左侧的前一个微通道端口密封连接、另一端则分别与金属板蒸发器右侧的后一个微通道端口密封连接，本实施例中连接金属板蒸发器2左侧最后端和右侧最前端微通道端口的毛细管上设有注液口6，各毛细管1与微通道3连通构成三维空间回路结构，本实施例中微通道3和毛细管1构成的三维空间回路结构的截面是半圆形，该三维空间回路结构内注有冷却工质。为便于充注冷却工质液体，生产加工时，可将连接金属板蒸发器2左侧最后端和右侧最前端微通道端口的毛细管分割为两部分，在该毛细管上留出注液口6，并用三通主管道将该分割成两部分的毛细管连接，三通的分支管可与外部注液管连接。
如图3所示，本实施例中微通道3的截面为圆形，微通道阵列中各微通道3的直径相等，直径在0.5~1.5mm之间，在加工金属板蒸发器2时，先在金属板蒸发器2内加工圆形微通道，若干圆形微通道构成微通道阵列，金属板蒸发器2上位于每个微通道的每个端口处都设有一个阶梯状突扩4，该突扩4直径与微通道外部连接的毛细管1外径相等，所述微通道3的内径与毛细管1的内径相同，所述毛细管1插拔连接在所述突扩4上，所述突扩4与毛细管1采用胶接方式密封固定在一起。为提高胶合效果，首先需将毛细管1和金属板蒸发器2在丙酮溶液中进行超声清洗，去除其表面的油污等杂质。然后，将调制的高温胶均匀涂于铜毛细管1端头，插入金属板蒸发器上的突扩内后在其连接处添涂高温胶。最后，将涂有高温胶并接合的铜毛细管1和金属板蒸发器2放入烘箱内，在150℃温度下持续加热3小时后铜毛细管1和金属板蒸发器2微通道热沉将完全连接为一体，由此可避免该装置工作过程中冷却工质液体的泄漏问题。
为使冷却工质液体在微通道内能够大幅快速振荡运动，有效提高对微电子器件或LED灯的冷却温控效果，具体实施时可根据需要选择沸点较低和(dp/dT)sat值较高的液体工质，比如氟碳化合物电子冷却液FC-72、FC-7100或制冷剂R141b等。
在充注液体工质前，通过注液口对由金属板蒸发器的微通道阵列和毛细管构成的微通道回路进行抽真空处理，待内部空气充分排除后，方可充注一定量的工质液体，充注量可控制在整个三维空间回路结构内部体积的30%-70%，然后将注液口密封，即可得到带平板蒸发器的紧凑三维脉动热管道散热冷却装置。
使用时，在铜板蒸发器底面一侧，可与高功率发热器件，比如LED灯直接连接，当发热器件将热量传递给蒸发器微通道内的冷却工质后，冷却工质吸热发生相变产生气泡，推动周围的液塞进行不稳定振荡运动，热量通过汽、液塞的运动传递至热沉外与之连接的毛细管内，最终由毛细管通过自然对流或风扇强制对流的方式传递给周围环境，实现冷却的效果。本发明结构紧凑，利用相变和冷却工质振荡运动的方式实现热量的传递，对高功率发热器件具有很强的散热冷却效果，在发热器件和环境温差作用下能够不借助外力实现长期安全稳定运行。
本发明另一种实施例中具有两种不同内径微通道的金属板蒸发器的结构如图4所示，本实施例中，微通道阵列中有两种不同直径的微通道3，两种不同直径的微通道3间隔设置在金属板蒸发器2内，两种不同直径的微通道端口处分别设有不同大小的突扩4，因此与两种不同直径相连接的毛细管则分别应具有与所对应的突扩相匹配的外径。对于毛细管内径的选择，可与图4中较小内径微通道的直径一致，由此可保证毛细管在与蒸发器微通道连接过程中一端的内径能够直接吻合，但另一端则有所差别（较蒸发器微通道的直径小），为此可打磨该端的毛细管内径，使其与金属板蒸发器微通道直径相匹配，通过此方法能够有效减小微通道回路内工质运动因通道直径尺寸不同而造成的阻力增大问题，提高换热冷却效果。与带相同直径微通道的金属板蒸发器相比，本实施例的带有直径交替变化的微通道的蒸发器能够显著增强冷却工质在整个微通道回路内振荡运动的不稳定性，由此加快汽、液塞在热沉微通道内的运动冲刷速度，进而增强其对发热器件的冷却温控效果和自身承载热负荷的能力。
在本发明其它的实施例中，微通道和毛细管构成的三维空间回路结构的截面还可以矩形或梯形等其它形状。
在本发明其它的实施例中，冷却工质充注量可以是占三维空间回路结构内部体积的40%-80%。
在本发明其它的实施例中，突扩与毛细管还可以采用银焊的方式密封固定在一起；当然还可以省去微通道端口上的突扩，直接将毛细管固定连接在微通道端口上。
上例详细说明是针对本发明优选的实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (10)

1.一种带平板微通道蒸发器的三维脉动热管散热冷却装置，其特征在于：其包括内部设有微通道阵列的金属板蒸发器（2）和毛细管（1），金属板蒸发器（2）的底面用于与高功率微电子器件或LED灯连接，金属板蒸发器（2）内的微通道（3）设置在金属板蒸发器（2）的上表面和底面之间，各微通道（3）的端口分别设置在金属板蒸发器（2）的左右两侧，其中一个毛细管（1）的左端与金属板蒸发器（2）左侧最后端的微通道（3）端口密封连接、另一端与金属板蒸发器（2）右侧最前端的微通道（3）端口密封连接，其余毛细管（1）的左端分别与金属板蒸发器（2）左侧的前一个微通道（3）端口密封连接、另一端则分别与金属板蒸发器（2）右侧的后一个微通道端口密封连接，所述毛细管（1）与微通道（3）连通构成三维空间回路结构，该三维空间回路结构内注有冷却工质。
2.根据权利要求1所述的带平板微通道蒸发器的三维脉动热管散热冷却装置，其特征在于：所述金属板蒸发器（2）上位于每个微通道（3）的每个端口处都设有一个阶梯状突扩（4），该突扩（4）直径与所述毛细管（1）外径相等，所述微通道（3）的内径与毛细管（3）的内径相同，所述毛细管（3）插拔连接在所述突扩（4）上，所述突扩（4）与毛细管（3）采用胶接或银焊的方式密封固定在一起。
3.根据权利要求1所述的带平板微通道蒸发器的三维脉动热管散热冷却装置，其特征在于：所述连接金属板蒸发器（2）左侧最后端和右侧最前端微通道端口的毛细管（3）上设有注液口。
4.根据权利要求1所述的带平板微通道蒸发器的三维脉动热管散热冷却装置，其特征在于：所述微通道（3）的横截面为圆形，微通道（3）的直径在0.5~1.5mm之间。
5.根据权利要求1所述的带平板微通道蒸发器的三维脉动热管散热冷却装置，其特征在于：所述微通道阵列中各微通道（3）的直径相等。
6.根据权利要求1所述的带平板微通道蒸发器的三维脉动热管散热冷却装置，其特征在于：所述微通道阵列中有两种不同直径的微通道（3），两种不同直径的微通道（3）间隔设置在金属板蒸发器内。
7.根据权利要求1所述的带平板微通道蒸发器的三维脉动热管散热冷却装置，其特征在于：所述微通道（3）和毛细管（1）构成的三维空间回路结构的截面是半圆形或矩形或梯形。
8.根据权利要求1所述的带平板微通道蒸发器的三维脉动热管散热冷却装置，其特征在于：所述毛细管（1）为铜毛细管。
9.根据权利要求1所述的带平板微通道蒸发器的三维脉动热管散热冷却装置，其特征在于：所述冷却工质充注量占整个三维空间回路结构内部体积的40%-80%。
10.根据权利要求1所述的带平板微通道蒸发器的三维脉动热管散热冷却装置，其特征在于：所述冷却工质为氟碳化合物电子冷却液FC-72或氟碳化合物电子冷却液FC-7100或制冷剂R141b等。
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C06 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
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RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20161214

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