CN107706165A - 一种液态金属恒温散热装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种液态金属恒温散热装置，包括热沉、液态金属循环管路、液态金属驱动装置和相变工质循环管路，热沉分为相隔绝的两个腔室，其中一个是用于与电子元器件发热面连接的液态金属腔室，液态金属循环管路两端与液态金属腔室连通形成封闭管路，另一个是相变工质腔室，相变工质循环管路两端与相变工质腔室连通形成封闭管路，液态金属循环管路沿着相变工质循环管路延伸并与相变工质循环管路紧密贴合，液态金属循环管路横截面小于相变工质循环管路横截面。本发明通过液态金属高效传热，散热效果好，适用于高热流密度的电子元器件的散热；两封闭管路紧密贴合，通过相变工质保持液态金属温度恒定，维持电子元器件均温性，提高其使用性能及寿命。

Description

一种液态金属恒温散热装置
技术领域
本发明涉及一种高热流密度的散热装置，尤其涉及一种液态金属恒温散热装置。
背景技术
目前，随着电子及通讯技术的迅猛发展，功率器件迅速朝着高性能、集成化的方向发展，功率器件的功率不断增大，体积却逐渐减小。更多的功率器件运行时发热量大，瞬间升温快，对其性能及可靠性会产生极大影响。例如单个高功率IGBT具有较大的发热量和较高的热流密度，多颗高功率IGBT密集排列将导热严重的“热量堆叠”效应，造成电子元器件处的温度过高，而远离发热处的散热器的散热效率低下，降低电子元器件的使用寿命。
大功率电子元器件的散热方式有多种，通常是采用常规的铝/铜散热器或者在铜/铝基板中嵌入热管来进行传热，但是这些散热方式的散热能力有限，成本较高且难以满足传热需求。
中国授权实用新型专利(专利号201320006719.7)公开了一种基于液态金属的散热装置，包括液态金属管路，是装有液态金属的循环封闭管路，其与热源导热连接；驱动泵，用来驱动所述液态金属管路中的液态金属循环流动；热管阵列，其吸热端与所述液态金属管路导热连接；散热器，与所述热管阵列的放热段导热连接。
上述散热装置虽然可以解决高热流密度电子器件的快速传热问题，但是还存在着以下缺点：
⑴由于液态金属具有较宽的液态温度范围，因此在传热过程中，液态金属温度无法保持恒定，非均温的工作环境会对电子元器件的使用性能及寿命产生较大影响。
⑵液态金属的流动传热需要泵进行驱动，但是泵属于易损部件，这将影响散热器的整体寿命。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单、制造成本低、散热效果好、能够提高电子元器件的使用性能及寿命的液态金属恒温散热装置。
本发明的目的通过以下的技术措施来实现：一种液态金属恒温散热装置，它包括热沉、液态金属循环管路和液态金属驱动装置，热沉以外的管路为散热端，其特征在于：所述液态金属恒温散热装置还包括相变工质循环管路，所述热沉具有空腔，所述空腔分为相隔绝的两个腔室，其中一个腔室是液态金属腔室，所述液态金属腔室用于与电子元器件的发热面连接，所述液态金属循环管路的两端与液态金属腔室连通形成一封闭管路，另一个腔室是相变工质腔室，所述相变工质循环管路的两端与相变工质腔室连通形成另一封闭管路，所述液态金属循环管路沿着相变工质循环管路延伸并与相变工质循环管路紧密贴合，且所述液态金属循环管路的横截面小于相变工质循环管路的横截面；电子元器件产生的热量传递至热沉内部的液态金属，液态金属驱动装置驱动液态金属流动，液态金属吸收的热量传给相变工质，相变工质吸热发生相变，与此同时，液态金属放热，温度降低，相变工质相变时温度保持恒定，使得液态金属恒温，相变工质在散热端发生相变进行散热，放热后的液态金属和相变工质返回热沉，从而完成一个循环过程。
本发明通过液态金属的高效传热，可将电子元器件产生的热量迅速导出至散热端(热沉以外的管路即为散热端)，因此适用于高热流密度的电子元器件的散热，散热效果好，液态金属循环管路与相变工质循环管路紧密贴合，通过相变工质保持液态金属的温度较为恒定，从而维持电子元器件的均温性，提高电子元器件的使用性能及寿命。
本发明液态金属的作用是：从热沉处吸收热量并流动带走。相变工质的作用是：吸收液态金属的热量，发生相变散热，维持液态金属的温度。
作为本发明的一种改进，在散热端上增设有散热器，所述相变工质循环管路的一端与相变工质腔室连通，另一端与散热器接通后返回至相变工质腔室；电子元器件产生的热量传递至散热端后通过散热器进行散热。
本发明的工作原理是：当大功率电子元器件工作时，电子元器件产生的热量通过热沉传递到其内部的液态金属中，由于液态金属的导热效果好，并且保持高速流动状态，因此可以将热量迅速导出至散热端；液态金属循环管路与相变工质循环管路紧密相连，循环过程中，液态金属吸收的热量传给相变工质，相变工质吸热发生相变，与此同时，液态金属放热，温度降低，与相变工质的温度接近，而相变工质相变时温度保持恒定，使得液态金属恒温，相变工质在散热端发生相变进行散热，同时热量传递至散热端后通过散热器进行散热，放热后的液态金属和相变工质返回热沉，从而完成一个循环过程。如此，循环往复。
作为本发明的一种优选实施方式，所述热沉是金属板状体，且在热沉的空腔中设有与热沉的板面相平行的隔板以便将空腔分隔成两个腔室，所述热沉与液态金属腔室相对应的那个板面与电子元器件的发热面相连。
作为本发明的一种实施方式，所述液态金属循环管路和相变工质循环管路的管壁的一部分是共用的。
进一步地，所述液态金属循环管路和相变工质循环管路共用的那部分管壁是平面。
作为本发明的另一种实施方式，所述液态金属循环管路和相变工质循环管路独立设置，所述液态金属循环管路和相变工质循环管路紧密贴合的那部分管壁是平面。
作为本发明的推荐方式，所述电子元器件是180～300w/cm2的高热流密度电子元器件。
作为本发明的进一步改进，所述液态金属驱动装置采用永磁体，所述永磁体设置在液态金属循环管路的外部，通过磁场驱动液态金属流动。可以省去驱动泵的使用，提高了本发明的稳定性和使用寿命。
作为本发明的一种实施方式，液态金属驱动装置采用驱动泵，驱动泵设置在液态金属循环管路上。
作为本发明的一种优选实施方式，所述液态金属循环管路的横截面轮廓线和相变工质循环管路的横截面轮廓线均为弓形，所述液态金属循环管路的横截面和相变工质循环管路的横截面组合成一完整圆形面。
与现有技术相比，本发明具有如下显著的效果：
⑴本发明通过液态金属的高效传热，可以将高热流密度的电子元器件产生的热量迅速导出，可以适用于180～300w/cm2的高热流密度器件的散热。
⑵本发明的液态金属循环管路与相变工质循环管路紧密贴合，通过相变工质保持液态金属的温度较为恒定，从而维持电子元器件的均温性，提高电子元器件的使用性能及寿命。
⑶本发明的液态金属驱动装置可以采用永磁体驱动，省去驱动泵的使用，提高了散热器的稳定性和使用寿命。
⑷本发明结构简单、成本低，易于实现工业化量产，适于广泛推广和适用。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
图1是本发明实施例1的主视示意图；
图2是本发明沿图1中A-A线剖视图；
图3是本发明沿图1中B-B线剖视图；
图4是本发明实施例2的立体结构示意图。
具体实施方式
实施例1
如图1～3所示，是本发明一种液态金属恒温散热装置，它包括热沉1、液态金属循环管路2、液态金属驱动装置3、相变工质循环管路5和散热器4，热沉1以外的管路为散热端，热沉1是具有空腔的金属板状体，在热沉1的空腔中设有与热沉1的板面相平行的隔板8从而将空腔分为相隔绝的两个腔室，其中一个腔室是液态金属腔室6，热沉1与液态金属腔室6相对应的那个板面与电子元器件的发热面相连，电子元器件是180～300w/cm2的高热流密度电子元器件。另一个腔室是相变工质腔室7，相变工质循环管路5的一端与相变工质腔室7相连，另一端与散热器4连通后返回至相变工质腔7室形成一封闭管路，相变工质可以在封闭管路内循环流动；液态金属循环管路2的一端与液态金属腔室6连接，另一端沿着相变工质循环管路5延伸，并与相变工质循环管路5紧密贴合，再返回至液态金属腔室6形成另一封闭管路，液态金属可以在封闭管路内循环流动；液态金属循环管路2的横截面小于相变工质循环管路5的横截面；电子元器件产生的热量传递至热沉1内部的液态金属，液态金属驱动装置3驱动液态金属流动，液态金属吸收的热量传给相变工质，相变工质吸热发生相变，与此同时，液态金属放热，温度降低，相变工质相变时温度保持恒定，使得液态金属恒温，相变工质在散热端发生相变进行散热，同时热量传递至散热端后通过散热器4进行散热，具体地，散热器4主要由铜管9和套固在铜管9上的翅片10组成，相变工质循环管路5的连接散热器4的管段变截面，形成横截面较大的矩形体，铜管9连接在变截面管段11上。放热后的液态金属和相变工质返回热沉1，从而完成一个循环过程。如此，循环往复。
在本实施例中，液态金属循环管路2和相变工质循环管路5的管壁的一部分是共用的，且共用的那部分管壁是平面。液态金属循环管路2的横截面轮廓线和相变工质循环管路5的横截面轮廓线均为弓形，液态金属循环管路2的横截面和相变工质循环管路5的横截面组合成一完整圆形面。即液态金属循环管路2和相变工质循环管路5相当于是中间设有隔层12的金属管。
液态金属循环管路2的横截面小于相变工质循环管路5的横截面，是为了使相变工质能够吸收掉液态金属降到需要温度时散发的热量，相变工质吸收的热量是发生相变吸收的热量。
在本实施例中，液态金属驱动装置3采用永磁体，永磁体设置在液态金属循环管路2的外部，通过磁场驱动液态金属流动。可省去驱动泵的使用，提高了本发明的稳定性和使用寿命。
本发明的工作原理是：当大功率电子元器件工作时，电子元器件产生的热量通过热沉传递到其内部的液态金属中，由于液态金属的导热效果好，并且保持高速流动状态，因此可以将热量迅速导出至散热端；液态金属循环管路与相变工质循环管路紧密相连，循环过程中，液态金属吸收的热量传给相变工质，相变工质吸热发生相变，与此同时，液态金属放热，温度降低，与相变工质的温度接近，而相变工质相变时温度保持恒定，使得液态金属恒温，相变工质在散热端发生相变进行散热，同时热量传递至散热端后通过散热器进行散热，放热后的液态金属和相变工质返回热沉，从而完成一个循环过程。如此，循环往复。
热量的传递方向：热沉→液态金属(相变工质吸收热沉的热量吸收的很少)→相变工质→空气中。
实施例2
如图4所示，本实施例与实施例1的不同之处在于省去了散热器，相变工质循环管路5的两端直接与相变工质腔室连通形成封闭管路，相变工质在散热端发生相变进行散热。
在本实施例中，液态金属循环管路2和相变工质循环管路5独立设置，液态金属循环管路2和相变工质循环管路5紧密贴合的那部分管壁是平面。液态金属驱动装置采用驱动泵，驱动泵设置在液态金属循环管路上用于驱动液态金属流动。
本发明的实施方式不限于此，根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (10)

1.一种液态金属恒温散热装置，它包括热沉、液态金属循环管路和液态金属驱动装置，热沉以外的管路为散热端，其特征在于：所述液态金属恒温散热装置还包括相变工质循环管路，所述热沉具有空腔，所述空腔分为相隔绝的两个腔室，其中一个腔室是液态金属腔室，所述液态金属腔室用于与电子元器件的发热面连接，所述液态金属循环管路的两端与液态金属腔室连通形成一封闭管路，另一个腔室是相变工质腔室，所述相变工质循环管路的两端与相变工质腔室连通形成另一封闭管路，所述液态金属循环管路沿着相变工质循环管路延伸并与相变工质循环管路紧密贴合，且所述液态金属循环管路的横截面小于相变工质循环管路的横截面；电子元器件产生的热量传递至热沉内部的液态金属，液态金属驱动装置驱动液态金属流动，液态金属吸收的热量传给相变工质，相变工质吸热发生相变，与此同时，液态金属放热，温度降低，相变工质相变时温度保持恒定，使得液态金属恒温，相变工质在散热端发生相变进行散热，放热后的液态金属和相变工质返回热沉，从而完成一个循环过程。
2.根据权利要求1所述的液态金属恒温散热装置，其特征在于：在散热端上增设有散热器，所述相变工质循环管路的一端与相变工质腔室连通，另一端与散热器接通后返回至相变工质腔室；电子元器件产生的热量传递至散热端后通过散热器进行散热。
3.根据权利要求2所述的液态金属恒温散热装置，其特征在于：所述热沉是金属板状体，且在热沉的空腔中设有与热沉的板面相平行的隔板以便将空腔分隔成两个腔室，所述热沉与液态金属腔室相对应的那个板面与电子元器件的发热面相连。
4.根据权利要求3所述的液态金属恒温散热装置，其特征在于：所述液态金属循环管路和相变工质循环管路的管壁的一部分是共用的。
5.根据权利要求4所述的液态金属恒温散热装置，其特征在于：所述液态金属循环管路和相变工质循环管路共用的那部分管壁是平面。
6.根据权利要求3所述的液态金属恒温散热装置，其特征在于：所述液态金属循环管路和相变工质循环管路独立设置，所述液态金属循环管路和相变工质循环管路紧密贴合的那部分管壁是平面。
7.根据权利要求5或6所述的液态金属恒温散热装置，其特征在于：所述电子元器件是180～300w/cm2的高热流密度电子元器件。
8.根据权利要求7所述的液态金属恒温散热装置，其特征在于：所述液态金属驱动装置采用永磁体，所述永磁体设置在液态金属循环管路的外部，通过磁场驱动液态金属流动。
9.根据权利要求7所述的液态金属恒温散热装置，其特征在于：液态金属驱动装置采用驱动泵，驱动泵设置在液态金属循环管路上。
10.根据权利要求8所述的液态金属恒温散热装置，其特征在于：所述液态金属循环管路的横截面轮廓线和相变工质循环管路的横截面轮廓线均为弓形，所述液态金属循环管路的横截面和相变工质循环管路的横截面组合成一完整圆形面。
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