CN108120333A - 一种平板热管微通道复合散热器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种平板热管微通道复合散热器，其从下到上依次包括平板热管、微通道、上层密封盖板。所述平板热管包括下层蒸发端和上层冷凝端，以及两端面之间密封形成的密闭容腔，容腔内部填充液体工质，容腔内表面分别制备一层蒸发面吸液芯和冷凝面吸液芯结构。在上层冷凝端上表面直接加工出微通道结构，下表面则制备一层冷凝面多孔吸液芯，所述微通道与上层密封盖板密封后形成微流道，通冷却液进行散热。本发明还提供了上述平板热管微通道复合散热器的制造方法。上述平板热管微通道复合散热器制造工艺简单、生产成本低，结构紧凑，体积小，减少了一层热管到翅片之间的接触界面，显著减小传热热阻，同时利用微通道液冷方式大大提高了散热效率。

Description

一种平板热管微通道复合散热器及其制造方法
技术领域
本发明涉及热管、微通道、散热器等结构技术和散热技术领域，特别涉及平板热管复合散热器。
背景技术
随着电子技术的高速发展，电子元器件功率不断增大而结构尺寸逐渐减小，电子元器件上的热流密度持续提高，由高热流度导致的元器件使用性能下降与失效等散热问题越来越严重。
平板热管和微通道散热器是两种典型的高效散热装置，具有比传统铜/铝散热器高数十倍甚至上百倍的传热性能，已经在电子元器件散热中得到应用。平板热管主要由蒸发端、冷凝端、吸液芯和工质组成，利用相变传热技术，依靠工质的蒸发和冷凝来实现热量的快速转移，同时具有良好的等温性。而微通道散热器主要包括微通道基体、密封盖板和冷却液，热量通过连接层传递到微通道结构，被微通道内流动的冷却液快速带走，具有换热面积大、微尺度效应传热强化、等温性好等显著优点。
在具体的平板热管散热器应用中，通常是将平板热管和散热器翅片分开设计制造后，利用导热硅胶将二者连接，这一方面使得散热器接触热阻增加，另一方面散热翅片的散热效率有限，从而制约了平板热管散热器散热性能的提升。
在中国专利201110280435.2中，提出了在金属散热翅片内部制造平板热管、构成冷凝端拓展型一体化平板热管散热器，有效减小接触热阻，使散热更高效。但是，无论传统平板热管散热器还是上述改进后的一体化散热器，都是利用翅片风冷散热形式将热量传导散发到电子元器件外，相比较液冷散热方式，风冷散热方式换热系数不高，冷却效果有限。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种平板热管微通道复合散热器及其制造方法，通过减小散热器热阻和提升换热系数来提升散热性能，满足功率型电子元器件散热。
为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种平板热管微通道复合散热器，该平板热管微通道复合散热器从下到上依次包括层叠设置的平板热管、微通道(21)、上层密封盖板(22)；
所述平板热管进一步包括层叠设置的下层蒸发端(111)和上层冷凝端(121)；所述下层蒸发端(111)和上层冷凝端(121)密封连接，使其二者相对的两端面之间形成一密闭容腔，所述密闭容腔内部填充液体工质；
所述密闭容腔内的下表面和上表面分别制备一层蒸发面吸液芯(112)和冷凝面吸液芯(122)结构；所述蒸发面吸液芯(112)朝向冷凝面吸液芯(122)的一面均匀布置支撑柱(113)；所述微通道(21)设置在上层冷凝端(121)背向下层蒸发端(111)的一面；所述微通道(21)与上层密封盖板(22)密封后形成流体通道。
在一较佳实施例中：所述蒸发面吸液芯(112)、冷凝面吸液芯(122)分别为烧结粉末多孔结构，所述粉末为铜粉或镍粉，其粒径为25～150μm。。
在一较佳实施例中：所述微通道(21)平行排布，相邻两微通道(21)之间的间距为0.5mm-1mm。
在一较佳实施例中：所述微通道(21)的横截面为矩形、梯形、V形、圆弧形中的一种。
在一较佳实施例中：所述微通道(21)截面当量直径为0.5mm-1mm，单条微通道宽度为0.4mm-1mm，深度为0.5mm-1.5mm。
本发明还提供了一种上述的平板热管微通道复合散热器的制造方法，包括如下步骤：
1)取三块不同厚度的金属薄板，微铣削加工获得平板热管下层蒸发端(111)、上层冷凝端(121)和上层密封盖板(22)的基体，并对加工后的三块基体进行超声波清洗、风干；
2)在平板热管下层蒸发端(111)的上表面加工出支撑柱(113)，并在下层蒸发端(111)的上表面和上层冷凝端(121)下表面分别烧结制备蒸发面吸液芯(112)和冷凝面吸液芯(122)；
3)在上层冷凝端(121)的上表面通过机械加工或放电加工或刻蚀加工制作出微通道(21)，同时在上层冷凝端(121)的侧壁预留抽真空充液口(123)，然后对微通道(21)进行清洗干燥；
4)对下层蒸发端(111)和上层冷凝端(121)及上层密封盖板(22)进行整体真空扩散焊封装；使得下层蒸发端(111)和上层冷凝端(121)之间形成封密闭容腔，微通道(21)与上层密封盖板(22)之间形成流体通道；
5)通过真空充液口(123)对密闭容腔进行抽真空，并冲入适量的工质，最后对充液口(123)进行冷压焊密封，完成平板热管微通道复合散热器的制备。
在一较佳实施例中：所述微通道(21)平行排布。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1.该平板热管微通道复合散热器相对于传统平板热管散热器，减少了一层热管到翅片之间的接触界面，大大减小了界面传热热阻，从而极大地提升了散热效率。
2.相对于翅片风冷散热方式，本发明采用的微通道液冷方式换热系数高，与外界泵连接形成强制循环回路，换热方式更高效，散热性能更强。
3.通过平板热管冷凝面与微通道复合一体化设计，使得本发明结构设计紧凑，体积小，适应电子元器件的微小化发展方向。
4.制作工艺上，平板热管的冷凝端和微通道一体化设计制造，减少制备耗材和时间，极大提高加工效率，具有制造工艺简单、无污染、效率高、成本低廉、精度高等优势。
附图说明
图1为本发明优选实施例中平板热管微通道复合散热器结构爆炸图；
图2为本发明优选实施例中平板热管微通道复合散热器垂直平行微通道方向的半剖视图；
图3为本发明优选实施例中平板热管冷凝端剖视图
图4为本发明优选实施例中平板热管冷凝端多孔吸液芯结构制备填粉示意图；
图5为本发明优选实施例中平板热管蒸发端多孔吸液芯结构制备填粉示意图；
附图标记说明：
111—平板热管蒸发端；112—平板热管蒸发面吸液芯；121—平板热管冷凝端；122—平板热管冷凝面吸液芯；21—微通道；22—上层密封盖板；23—进液口；24—出液口；3—第一模具上模具；4—第一模具下模具；5—第二模具上模具；6—第二模具下模具。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的目的作进一步地详细描述，本发明的实施方式并不因此限定于以下实施例。
参考图1-3，一种平板热管微通道复合散热器，该平板热管微通道复合散热器从下到上依次包括层叠设置的平板热管、微通道21、上层密封盖板22。
所述平板热管进一步包括层叠设置的下层蒸发端111和上层冷凝端121，所述下层蒸发端111和上层冷凝端121密封连接，使其二者相对的两端面之间形成一密闭容腔，所述密闭容腔内部填充液体工质；
所述密闭容腔内的下表面和上表面分别制备一层蒸发面吸液芯112和冷凝面吸液芯122结构；所述蒸发面吸液芯112朝向冷凝面吸液芯122的一面均匀布置支撑柱113；所述微通道21设置在上层冷凝端121背向下层蒸发端111的一面；所述微通道21与上层密封盖板22密封后形成流体通道。
上述的平板热管微通道复合散热器的工作原理如下所述：
利用平板热管，将热源热从下层蒸发端111利用相变原理传导至上层冷凝端121，而上层冷凝端121的上表面直接与微通道21直接，使得热流直接传导至微通道21表面，然后与冷却液在微通道21内进行热交换，微通道21进出液口与外界泵连接，形成强制循环回路，冷却液从散热器入水口流入，最后携带微通道21内交换后的热量从出水口流出，带走热量，实现高效散热。
该平板热管微通道复合散热器相对于传统平板热管散热器，减少了一层热管到翅片之间的接触界面，大大减小了界面传热热阻，从而极大地提升了散热效率。
相对于翅片风冷散热方式，微通道液冷方式换热系数高，与外界泵连接形成强制循环回路，换热方式更高效，散热性能更强。此外，通过平板热管冷凝面与微通道复合一体化设计，使得本发明结构设计紧凑，体积小，适应电子元器件的微小化发展方向。
作为本发明的优选设计，所述蒸发面吸液芯112朝向冷凝面吸液芯122的一面均匀布置多条圆柱体支撑柱113，所述圆柱体支撑柱113为蒸发面吸液芯112朝向冷凝面吸液芯122的密封连接提供支撑结构，使得蒸发面吸液芯112与冷凝面吸液芯122之间形成密闭腔体，所述密闭腔体灌注的适量工质为乙醇。所述圆柱体支撑柱113也可以设置为其他形状的支撑柱，工质也可以为其他液体，属于本实施例的简单替换，不再赘述。
所述蒸发面吸液芯112、冷凝面吸液芯122的结构为烧结粉末多孔结构，所述粉末为铜粉或镍粉，其粒径为25～150μm。
此外，本实施例中，所述微通道21沿着垂直冷却液流动方向平行排列，相邻两微通道之间的间距为0.5-1mm。所述微通道21横截面形状为矩形，单条微通道宽度为0.5mm，深度为1mm，其当量直径为0.67mm。作为本实施里的变型，微通道21也可以不采用平行排列，微通道21的横截面形状也可以为其他形状，例如梯形、V形、圆弧形等，都属于本实施例的简单替换，不再赘述。
上述平板热管微通道复合散热器的制造方法，包括如下步骤：
1)取三块不同厚度的紫铜薄板，依次通过微铣削加工获得平板热管下层蒸发端111、上层冷凝端121和上层密封盖板22的基体。如图1所示，下层蒸发端111为圆形，直径为60mm，厚度为0.5mm，上层冷凝端121和上层密封盖板22形状由圆形板和设置在圆形板外周沿着径向外凸两个凸缘构成，两个凸缘间隔180°；上层冷凝端121厚度为3mm，上层密封盖板22厚度为1.5mm，并在凸缘处加工出进水口23和出水口24，用于连接外部冷却循环系统。
2)将加工后的三块基体，放在稀释了10倍的HF-223金属清洗剂中进行超声波清洗4～6min，洗去表面油污及边缘毛刺，再用清水冲洗去基体表面残余的清洗剂，最后吹风干燥。
3)如图4、5选取加工好的模具制备蒸发面吸液芯112、冷凝面吸液芯122，选取的模具为石墨材质。取粒径为20μm～150μm的球状紫铜粉末填充至第一模具的上模具3和上层冷凝端121组成的凹腔，填满空腔为止，填充过程中适时振荡模具，使铜粉均匀充分填充，填充满后，最后盖上第一模具的下模具4，完成冷凝面吸液芯122烧结材料填充。同理利用第二模具上模具5和第二模具下模具6、以及下层蒸发端111共同完成蒸发面吸液芯112和支撑柱113烧结材料填充。为了减小脱模时的阻力，可以在模具内表面涂覆一层脱模剂。
4)将填好的后的模具放在支架上并固定，置入箱式气氛保护电阻炉中烧结。烧结步骤依次为：抽真空，通氮气保护，升温，恒温烧结，冷却。烧结好后取出模具脱模获得带有蒸发面吸液芯112和支撑柱113的下层蒸发端111、以及带有冷凝面吸液芯122的上层冷凝端121。
5)选择微铣削机械加工方法在上层冷凝端121的上表面加工出微通道21，将上层冷凝端121定位夹紧在加工中心，选择直径为0.5mm的平底铣刀，先铣削直径为50mm的圆凸台，然后再在圆凸台上铣削加工出平行的微通道21，保证平行槽道中心间距为1mm，横截面形状为矩形，单条微通道宽度为0.5mm，深度为1mm。然后将工作台倾斜90度，在冷凝端121的侧壁加工出抽真空充液口123。并对加工后的冷凝端微通道21进行超声波清洗、风干。
6)对下层蒸发端111和上层冷凝端121及上层密封盖板22进行整体真空扩散焊封装。真空加压扩散焊接的真空度要求达到104pa，加压范围在0～20Mpa，气密性要求达到1010pa*m3/s漏率水平。
7)通过上层冷凝端121预留的充液口123对密封腔体进行抽真空并充入乙醇工质，最后对充液口123进行冷压焊密封，完成一种平板热管微通道复合散热器的制备。
上述的制造方法使得平板热管的上层冷凝端121和微通道21一体化设计制造，减少制备耗材和时间，极大提高加工效率，具有制造工艺简单、无污染、效率高、成本低廉、精度高等优势。
上述实例结合附图对本发明进行了详尽描述，显然本发明的实现不受上述方式的限制。凡在不脱离本发明的构思和技术方案进行的均等变化与修饰，都为本发明权利要求保护的范围所涵盖。

Claims (7)

1.一种平板热管微通道复合散热器，该平板热管微通道复合散热器从下到上依次包括层叠设置的平板热管、微通道(21)、上层密封盖板(22)；
所述平板热管进一步包括层叠设置的下层蒸发端(111)和上层冷凝端(121)；所述下层蒸发端(111)和上层冷凝端(121)密封连接，使其二者相对的两端面之间形成一密闭容腔，所述密闭容腔内部填充液体工质；
所述密闭容腔内的下表面和上表面分别制备一层蒸发面吸液芯(112)和冷凝面吸液芯(122)结构；所述蒸发面吸液芯(112)朝向冷凝面吸液芯(122)的一面均匀布置支撑柱(113)；所述微通道(21)设置在上层冷凝端(121)背向下层蒸发端(111)的一面；所述微通道(21)与上层密封盖板(22)密封后形成流体通道。
2.根据权利要求1所述的一种平板热管微通道复合散热器，其特征在于：所述蒸发面吸液芯(112)、冷凝面吸液芯(122)分别为烧结粉末多孔结构，所述粉末为铜粉或镍粉，其粒径为25～150μm。
3.根据权利要求1所述的一种平板热管微通道复合散热器，其特征在于：所述微通道(21)平行排布，相邻两微通道(21)之间的间距为0.5mm-1mm。
4.根据权利要求1所述的一种平板热管微通道复合散热器，其特征在于：所述微通道(21)的横截面为矩形、梯形、V形、圆弧形中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种平板热管微通道复合散热器，其特征在于：所述微通道(21)截面当量直径为0.5mm-1mm，单条微通道宽度为0.4mm-1mm，深度为0.5mm-1.5mm。
6.一种权利要求1至5中任一项所述的平板热管微通道复合散热器的制造方法，其特征在于包括如下步骤：
1)取三块不同厚度的金属薄板，微铣削加工获得平板热管下层蒸发端(111)、上层冷凝端(121)和复合散热器上层密封盖板(22)的基体，并对加工后的三块基体进行超声波清洗、风干；
2)在平板热管下层蒸发端(111)的上表面加工出支撑柱(113)，并在下层蒸发端(111)的上表面和上层冷凝端(121)下表面分别烧结制备蒸发面吸液芯(112)和冷凝面吸液芯(122)；
3)在上层冷凝端(121)的上表面通过机械加工或放电加工或刻蚀加工制作出微通道(21)，同时在上层冷凝端(121)的侧壁预留抽真空充液口(123)，然后对微通道(21)进行清洗干燥；
4)对下层蒸发端(111)和上层冷凝端(121)及上层密封盖板(22)进行整体真空扩散焊封装；使得下层蒸发端(111)和上层冷凝端(121)之间形成封密闭容腔，微通道(21)与上层密封盖板(22)之间形成流体通道；
5)通过真空充液口(123)对密闭容腔进行抽真空，并冲入适量的工质，最后对充液口(123)进行冷压焊密封，完成平板热管微通道复合散热器的制备。
7.根据权利要求6所述的平板热管微通道复合散热器的制造方法，其特征在于：所述微通道(21)平行排布。
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