CN110530185A - 一种带支路的微结构液体自驱动平板式环路热管 - Google Patents

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Abstract

一种带支路的微结构液体自驱动平板式环路热管，包括蒸发器；蒸发器内底部设置有蒸汽槽道，蒸汽槽道上方设置有毛细芯；蒸汽槽道一侧设置有集气槽，集气槽经连接管路与沸腾池相连；沸腾池与冷凝器相连，冷凝器出口分为两路，一路通过支路与连接管路相连，另一路通过液体管路与补偿腔相连；补偿腔位于蒸发器上方或者补偿腔与蒸发器位于同一水平面上。本发明通过加入支路，在启动时差过大时部分液体从蒸发器出口沿支路流入补偿腔，消除温度过冲；启动时差较小时部分液体从冷凝器出口沿支路直接进入沸腾池，提高其最大功率。沸腾池内底部设置带尺度梯度的柱状微结构，工质在润湿梯度表面实现自驱动，阻止局部干涸的发生。

Description

一种带支路的微结构液体自驱动平板式环路热管
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，特别涉及一种带支路的微结构液体自驱动平板式环路热管。
背景技术
随着信息化的快速发展，高功率电子元器件被广泛应用于多个领域。但是，电子设备因小型化、高功率化所带来的散热问题日渐凸显。因此，研究开发结构紧凑、性能可靠、散热效率高的电子元器件散热装置具有十分重要的意义。环路热管作为一种高效的被动式相变导热装置，能够在小温差下实现长距离的高热流输送，成为高热流器件热控领域的研究热点。
尽管环路热管具有许多优点，但其最高热流密度仍远小于池沸腾换热临界热流密度。为满足高热流密度电子元器件的散热需求，需要对系统结构不断改进，甚至开发新的环路热管。如中国专利201310089745.5充分利用了池沸腾体积小，换热效率高的特性，设计了一种有池沸腾的环路热管散热装置。其中蒸发器内放置毛细芯产生毛细力以驱动工质循环并实现向沸腾池供液，其加载的功率较小；而沸腾池内部进行着高效的沸腾过程，是主要散热的部件。
虽然有池沸腾的环路热管散热装置能大幅度提高热流密度，但是启动过程中蒸发器与沸腾池的受热需要一定的启动时差，即需要先加热蒸发器，一段时间后再对沸腾池加载功率。启动时差过短，热管无法启动成功；启动时差过长，会导致从蒸发器向补偿腔的漏热增加，从而形成较大的温度过冲。因此，为了使热管成功启动且温度过冲不超过允许值，启动时差需要在特定的范围内，这增加了热管启动的复杂性。此外，该热管的沸腾池内工质分布不均匀，在高功率下远离工质入口侧易发生局部干涸，限制了其在更高功率电子元器件散热领域的应用。
发明内容
本发明的目的在于克服目前有池沸腾的环路热管散热装置启动复杂和存在温度过冲的不足，同时解决高功率下沸腾池局部干涸的问题，提出一种带支路的微结构液体自驱动平板式环路热管。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种带支路的微结构液体自驱动平板式环路热管，包括蒸发器、沸腾池、冷凝器、支路和补偿腔；蒸发器内底部设置有蒸汽槽道，蒸汽槽道上方设置有毛细芯；蒸汽槽道一侧设置有集气槽，集气槽经连接管路与沸腾池相连；沸腾池与冷凝器相连，冷凝器出口分为两路，一路通过支路与连接管路相连，另一路通过液体管路与补偿腔相连；补偿腔位于蒸发器上方或者补偿腔与蒸发器位于同一水平面上。
本发明进一步的改进在于，冷凝器出口处设置有第二三通，支路通过第二三通与连接管路相连。
本发明进一步的改进在于，沸腾池内底部设置有带尺度梯度的柱状微结构。
本发明进一步的改进在于，带尺度梯度的柱状微结构包括沿工质流动方向设置的若干行微柱；从工质入口处至最远端，微柱间距逐渐增加，并且微柱表面粗糙度从4.1逐渐减小至1.3，形成递增的润湿梯度粗糙表面。
本发明进一步的改进在于，微柱的高度为60μm；微柱为直径为15μm的圆柱或等效直径为15μm的方柱。
本发明进一步的改进在于，毛细芯为镍-铜复合结构的毛细芯，包括设置在烧结铜粉上的烧结镍粉。
本发明进一步的改进在于，镍-铜复合结构的毛细芯通过以下过程制得：将平均粒径粒径为20μm的铜粉填入石墨模具底部并铺平，随后在铜粉上铺平均粒径为80μm的镍粉，对镍粉施加压力后，在氩气或者氮气保护下，在800℃下保温60min后冷却，得到镍-铜复合结构的毛细芯。
本发明进一步的改进在于，以5℃/min的速率自室温升温至800℃。
本发明进一步的改进在于，冷却是以5℃/min的速率冷却至室温。
本发明进一步的改进在于，蒸发器和沸腾池位于冷凝器下方。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明通过增加支路，实现了对沸腾池的及时供液，同时削弱了漏热的影响，使热管在不同启动时差下均能保持较高的功率，且削弱了温度过冲。本发明中通过在冷凝器出口和连接管路之间增加一条支路，使启动时差较小时，部分冷凝后的工质在重力作用下通过支路直接进入沸腾池进行供液；而在启动时差过大时，部分连接管路中的液体工质在毛细力的作用下从蒸发器出口沿支路流入补偿腔，平衡部分漏热，有利于消除温度过冲。
进一步的，沸腾池内底部设置带尺度梯度的柱状微结构，当沸腾池功率较低时，柱状微结构不仅大大增加了换热面积，还提供了更多的汽化核心，因而能极大提高沸腾换热的效率，以实现低功率启动。而当沸腾池功率较大时，池内工质减少，柱状微结构的顶面露出液面，特殊的尺度梯度，即离沸腾池入口越远，相邻微柱的间距越大，构成了不断减小的表面粗糙度和递增的润湿梯度。工质在润湿梯度的驱动下自发地向远离工质入口的方向移动，促使沸腾池内工质均匀分布，能有效阻止局部干涸的发生；同时粗糙结构能够在液膜层形成毛细效应，大大提高汽化区补液能力，从而进一步提高沸腾池最大功率。
进一步的，烧结镍粉的较大的孔径有利于减小毛细芯中的流动阻力，同时烧结铜粉较小的孔径可以产生大的毛细力，因此镍-铜复合结构的毛细芯能有效驱动热管回路中工质循环。烧结铜粉与蒸汽槽道紧密贴合，较强的导热性能有效降低接触热阻，同时使毛细芯温度分布更均匀。
附图说明
图1为本发明的环路热管中蒸发器和补偿腔垂直布置的主体剖视图。
图2为本发明的环路热管中蒸发器和补偿腔水平布置的主体剖视图。
图3为带尺度梯度的方柱微结构俯视示意图。
图4为带尺度梯度的方柱微结构侧视示意图。
图5为本发明中毛细芯的结构示意图。
图6为增加支路前后不同启动时差下运行范围的比较图。
图7为无支路的启动性能图。
图8为本发明的启动性能图。
其中：1为蒸发器；2为蒸汽槽道；3为集气槽；4为连接管路；5为第一三通；6为沸腾池；7为蒸汽管路；8为阀门；9为冷凝器；10为支路；11为第二三通；12为液体管路；13为补偿腔；14为毛细芯，14.1为烧结镍粉，14.2为烧结铜粉。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
参见图1和图2，本发明的一种带支路的微结构液体自驱动平板式环路热管，主要包括蒸发器1、沸腾池6、冷凝器9、支路10和补偿腔13。蒸发器1为平板式，包括上下两部分，并且上下两部分焊接密封，蒸发器1内底部设置有蒸汽槽道2，蒸汽槽道2上方设置有毛细芯14，毛细芯14为镍-铜复合结构的毛细芯。镍-铜复合结构的毛细芯包括设置在烧结铜粉14.2上的烧结镍粉14.1。
蒸汽槽道2一侧设置有集气槽3，并且蒸汽槽道2与集气槽3相连通，集气槽3经连接管路4与沸腾池6相连，连接管路4上设置有第一三通5；沸腾池6内底部设置有带尺度梯度的柱状微结构，沸腾发生在一个小方柱或圆柱形腔体中；沸腾池6与冷凝器9通过蒸汽管路7相连，并且蒸汽管路7上设置有阀门8；冷凝器9为套管式换热器，冷凝器9出口通过第二三通11分为两条管路，一条通过支路10与第一三通5相连，另一条通过液体管路12与补偿腔13相连；补偿腔13位于蒸发器1上方或者补偿腔13位于蒸发器1水平放置，即位于同一水平面上；蒸发器1和沸腾池6位于冷凝器9下方。本发明中有蒸发器1和补偿腔13有垂直布置和水平布置两种结构。
参见图3和图4，沸腾池6内底部用激光刻蚀技术在铜表面加工了带尺度梯度的柱状微结构，带尺度梯度的柱状微结构包括沿工质流动方向设置的若干行微柱，微柱为等效直径为15μm的方柱或直径为15μm的圆柱，每个微柱高度为60μm。从工质入口处至最远端，微柱间距不断增大，并且微柱表面粗糙度从4.1逐渐减小至1.3，构建了递增的润湿梯度粗糙表面。
参见图5，以蒸发器和补偿腔垂直布置时使用的毛细芯为例说明镍-铜复合结构的毛细芯的结构和制作方法。
镍-铜复合结构的毛细芯包括烧结镍粉14.1与烧结铜粉14.2，烧结镍粉14.1由平均粒径为80μm的镍粉高温烧结而成。烧结铜粉14.2由平均粒径为20μm的铜粉高温烧结而成。由于镍粉的粒径远大于铜粉，烧结后的平均孔径较大。烧结镍粉较大的孔径有利于减小毛细芯中的流动阻力，同时烧结铜粉较小的孔径可以产生大的毛细力，因此镍-铜复合结构的毛细芯能有效驱动热管回路中工质循环。此外，烧结铜粉14.1与蒸汽槽道2紧密贴合，较强的导热性能有效降低接触热阻，同时使毛细芯温度分布更均匀。
烧结过程如下：首先使用不同目数的标准筛分别对镍粉和铜粉进行筛分，以获得准确的平均粒径，烧结毛细芯所需镍粉与铜粉的体积比约为4:1。将筛分后的铜粉填入预制的石墨模具底部，铺平，随后在铜粉上方填入镍粉并铺平。对粉末施加一定的压力后，连同石墨模具一起放入管式炉中。向管式炉注入氩气或者氮气作为保护气。然后以5℃/min的速率自室温升温至800℃，并在800℃下保温60min，随后以5℃/min的速率冷却至室温。待温度降至室温后停止注入保护气，从石墨模具中取出毛细芯，完成烧结工作，得到镍-铜复合结构的毛细芯。
本发明的工作原理如下：
蒸发器1加载功率后，热量通过蒸发器1的金属外壁传导至毛细芯14，液体工质在毛细芯14表面受热汽化，产生蒸汽推动连接管路4内的液体进入沸腾池6，使沸腾池6内液位逐渐升高。沸腾池6启动后，当达到沸腾所需的过热度时产生蒸汽流向冷凝器9。冷凝器9出口的液体工质一部分在毛细力和重力的作用下流入补偿腔13，另一部分在重力的作用下流入支路10。补偿腔13中的液体工质不断流向弯月面蒸发，产生的蒸汽和支路10流入的液体混合后通过连接管路4流入沸腾池6。增加支路10后，沸腾池6的工质回流的路径大大缩短，能有效阻止沸腾池6烧干，提高了其功率。此外，当启动时差足够大时，部分液体工质在毛细力作用下从蒸发器1出口沿支路10逆重力流入补偿腔13，平衡部分背向漏热，从而减小温度过冲，实现热管快速、平稳地启动。
参见图3和图4，沸腾池6内底部设置带尺度梯度的柱状微结构，不仅有效增加了换热系数，而且当池内工质较少，柱状微结构的顶面露出液面时，特殊的尺度梯度，即离沸腾池6入口越远，相邻微柱的间距越大，构成了不断减小的表面粗糙度和递增的润湿梯度。工质在润湿梯度的驱动下自发地向远离工质入口的方向运行，促使工质的均匀分布。
图6比较了增加支路前后，蒸发器功率为20W，不同启动时差下沸腾池能运行的功率范围。如图6所示，无支路的情况下，启动时差为0s时沸腾池只能在20W-30W之间运行，只有启动时差足够大时沸腾池才能在较宽的功率范围内运行。增加支路后各个启动时差下，沸腾池的工作范围都扩大了，尤其是在启动时差较小时，沸腾池的能承受的最大功率大幅度提高，其中启动时差为0s时沸腾池的最高功率提高到了130W，提升幅度达4.3倍。这相比与有池沸腾的环路热管散热装置是一大进步，意味着带支路的微结构液体自驱动平板式环路热管大大减小了对启动时差的依赖，简化了启动过程。
图7和图8以40W-50W-250s(蒸发器功率-沸腾池功率-启动时差)为例，比较了增加支路前后环路热管的启动性能。其中，图7为无支路的启动特性曲线，可以看出其温度过冲达到了23.2℃，启动过程中最高温度远远超过了电子元器件正常工作温度上限85℃。而增加支路后如图8所示，温度过冲基本被消除，整个过程温度均控制在85℃以下。由此可见，增加支路后环路热管启动过程更加平稳，同时显著缩短了启动时间。
与专利201910185636.0相比，本发明提出的带支路的微结构液体自驱动平板式环路热管，由于不含汽液两相流喷射升压装置，大大降低了制造成本。同时在启动时差足够大时，本装置连接管路中液态工质能从蒸发器出口沿支路进入补偿腔，从而消除温度过冲，而汽液两相流喷射升压装置不具备这一优势。本发明是利用重力使部分冷凝后的工质通过支路进入沸腾池，因而只适用于冷凝器位于蒸发器和沸腾池上方的场合。

Claims (10)

1.一种带支路的微结构液体自驱动平板式环路热管，其特征在于，包括蒸发器(1)、沸腾池(6)、冷凝器(9)、支路(10)和补偿腔(13)；蒸发器(1)内底部设置有蒸汽槽道(2)，蒸汽槽道(2)上方设置有毛细芯(14)；蒸汽槽道(2)一侧设置有集气槽(3)，集气槽(3)经连接管路(4)与沸腾池(6)相连；沸腾池(6)与冷凝器(9)相连，冷凝器(9)出口分为两路，一路通过支路(10)与连接管路(4)相连，另一路通过液体管路(12)与补偿腔(13)相连；补偿腔(13)位于蒸发器(1)上方或者补偿腔(13)与蒸发器(1)位于同一水平面上。
2.根据权利要求1所述的一种带支路的微结构液体自驱动平板式环路热管，其特征在于，冷凝器(9)出口处设置有第二三通(11)，支路(10)通过第二三通(11)与连接管路(4)相连。
3.根据权利要求1所述的一种带支路的微结构液体自驱动平板式环路热管，其特征在于，沸腾池(6)内底部设置有带尺度梯度的柱状微结构。
4.根据权利要求3所述的一种带支路的微结构液体自驱动平板式环路热管，其特征在于，带尺度梯度的柱状微结构包括沿工质流动方向设置的若干行微柱；从工质入口处至最远端，微柱间距逐渐增加，并且微柱表面粗糙度从4.1逐渐减小至1.3，形成递增的润湿梯度粗糙表面。
5.根据权利要求4所述的一种带支路的微结构液体自驱动平板式环路热管，其特征在于，微柱的高度为60μm；微柱为直径为15μm的圆柱或等效直径为15μm的方柱。
6.根据权利要求1所述的一种带支路的微结构液体自驱动平板式环路热管，其特征在于，毛细芯(14)为镍-铜复合结构的毛细芯，包括设置在烧结铜粉(14.2)上的烧结镍粉(14.1)。
7.根据权利要求6所述的一种带支路的微结构液体自驱动平板式环路热管，其特征在于，镍-铜复合结构的毛细芯通过以下过程制得：将平均粒径粒径为20μm的铜粉填入石墨模具底部并铺平，随后在铜粉上铺平均粒径为80μm的镍粉，对镍粉施加压力后，在氩气或者氮气保护下，在800℃下保温60min后冷却，得到镍-铜复合结构的毛细芯。
8.根据权利要求7所述的一种带支路的微结构液体自驱动平板式环路热管，其特征在于，以5℃/min的速率自室温升温至800℃。
9.根据权利要求7所述的一种带支路的微结构液体自驱动平板式环路热管，其特征在于，冷却是以5℃/min的速率冷却至室温。
10.根据权利要求1所述的一种带支路的微结构液体自驱动平板式环路热管，其特征在于，蒸发器(1)和沸腾池(6)位于冷凝器(9)下方。
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