CN110854088B - 采用微纳米超薄液膜相变传热的高效散热装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于散热技术领域的一种采用微纳米超薄液膜相变传热的高效散热装置，该高效散热装置主要包括高效散热装置主体、集气罩、分水槽、抽气管道、多个调节阀以及给水管道组成；其中，抽气管道固定在集气罩上面，高效散热装置主体底面设置分水槽，分水槽与给水管道连通；电子元器件集成块底面固定温度传感器或自带测温层；所述支撑层上设置电子元器件集成块元件座；在元件座的四周延伸出在边界内侧或外侧有许多微孔的翅片。本发明将传统翅片散热与新型薄液膜相变传热过程相结合，对产热的电子元器件进行高效散热。翅片表面会有极薄的液膜，受热后薄液膜会发生相变，这种相变冷却的散热方式，能够大大提高散热极限，散热效果极佳。

Description

采用微纳米超薄液膜相变传热的高效散热装置

技术领域

本发明属于散热技术领域，特别涉及一种采用微纳米超薄液膜相变传热的高效散热装置，可用于电子芯片等高热流密度电子元器件的冷却。

背景技术

近年来，电子器件以惊人的速度发展，逐渐趋向于大规模、高功率、微型化。随着电子器件和芯片性能的提高，其工作时产生的热流密度快速增加(传热专业中用“热流密度”，即单位面积的发热量，来定量表述散热量，对于体积和面积很小的电子器件，即使功率不大，热流密度也会很高，从而导致超温)。温度对于芯片等电子器件有至关重要的影响，过高的温度会降低器件的稳定性、可靠性及寿命，甚至烧坏关键部位。因此，高效稳定的散热对于高度集成的芯片和电子元器件的正常工作具有重要的意义。

针对现有的散热技术散热能力不足、无法满足高热流密度电子元器件散热需求的情况，提出一种采用微纳米超薄液膜相变传热、可实现超高热流密度的散热装置。

发明内容

本发明的目的是提出一种采用微纳米超薄液膜相变传热的高效散热装置，其特征在于，所述高效散热装置主要包括高效散热装置主体1、集气罩2、抽气管道3以及给水管道4组成,其中，抽气管道3固定在集气罩2上面，高效散热装置主体1底面设置分水槽5，分水槽5与给水管道4连通；电子元器件集成块6固定在高效散热装置主体1中部或侧面，电子元器件集成块6底面固定温度传感器10；并固定在支撑层7上；所述支撑层7上设置与产热电子元器件集成块6外形相同或相似的包括圆形或方形元件座；在元件座的四周延伸出翅片8，所述翅片的边界内侧或外侧有数量不等的微孔9，或单独由微孔排列成翅片形；微孔下部连接分水槽5；即形成为有翅片的区域。

所述高效散热装置主体的安装位置包括：其全部放在集气罩内或顶面放置集气罩时，电子元器件集成块6固定在高效散热装置主体1中部；其一部分放在集气罩内时、电子元器件集成块6固定在高效散热装置主体1侧面，处于集气罩外面。

所述电子元器件集成块的上表面及周边裸露区域进行绝缘处理，防止工质与电子元器件接触。

所述高效散热装置主体、翅片及微孔表面均进行亲水处理，涂覆亲水层11。

所述支撑层在没有翅片的区域占据了全部空间，同时支撑层顶部高度高于翅片上表面，同时在支撑层表面进行疏水处理，使孔内流出的工质水全部流至翅片表面；其中，支撑层由高强度的聚醚醚酮(PEEK)、透明聚苯脂(PHB)、高强度有机玻璃、聚对苯二酰对苯二胺或多孔阳极氧化铝制成。

所述微孔为圆孔、方孔、三角形孔或六边形蜂窝孔；孔径或等效孔径为5nm～900μm，孔间距为孔径的0.2～20倍。

所述支撑层上高效散热装置主体的形状为在圆形元件座的周边等距离辐射出三角形翅片及台阶形翅片，其中三角形翅片的个数为八、六、五、四、三或二个，台阶形翅片的个数为四个；或直接由微孔组成的上述形状翅片和由微孔组成的圆形散热体；在四方形元件座的每个边并列延伸出两个三角形翅片，或在一个边并列延伸出三个矩形翅片；并且三个矩形翅片伸入真空负压罩内。

所述支撑层上高效散热装置主体中的产热电子元器件集成块产生的热量首先会传导至翅片，翅片的一些区域表面会有极薄的液膜，受热后会发生相变过程，即薄液膜由液相变成汽相，这种相变过程热流密度极高，具有极佳的散热效果，由此实现超高热流密度的微米/纳米尺度超薄液膜相变传热过程。

所述电子元器件集成块的上表面及周边裸露区域进行绝缘处理，防止工质与电子元器件的接触；孔内壁与翅片上表面进行亲水处理，方便液态工质的流动及延展。

本发明的有益效果是将传统翅片散热与新型薄液膜相变传热过程相结合，对芯片等产热的电子元器件进行高效散热。元器件产生的热量首先会传导至翅片，翅片表面会有极薄的液膜，受热后薄液膜会发生相变过程，这种相变过程热流密度极高，具有极佳的散热效果，这种相变冷却的散热方式，能够大大提高散热极限。

附图说明

图1为电子元器件高效散热装置组成示意图；其中，(a)高效散热装置主体只有部分在集气罩内，电子元器件集成块位于集气罩外部；(b)高效散热装置主体全部在集气罩内，电子元器件集成块位于集气罩内部；(c)集气罩在高效散热装置主体的顶部，电子元器件集成块位于集气罩内部。

图2为高效散热装置的俯视图，高效散热装置主体中心为电子元器件集成块，电子元器件的元件座周边延伸出翅片，翅片边界内外侧有数量不等的微孔。

图3为高效散热装置主体的A-A剖面示意图。

图4为高效散热装置主体底部分水槽。

图5为温度传感器安装位置示意图。

图6为厚薄液膜相变换热比较示意图，其中，左侧外传统的厚液膜相变换热示意图，右侧为薄液膜相变示意图。

图7为传热工质闭式循环示意图。

图8为传热工质开放式循环示意图。

图9为高效散热装置主体附近结构与工质流动图。

图10(a)—图10(i)为高效散热装置主体结构形式示意图。

图11为分水槽示意图。

图12为在四方形散热装置上电子元器件布置集气罩外侧的示意图。

图13(a)-(e)为直接由微孔组成的各种形状翅片示意图。

具体实施方式

本发明提出一种采用微纳米超薄液膜相变传热的高效散热装置；下面结合附图和实施例对本发明予以进一步说明。

如图1所示，所述高效散热装置主要包括高效散热装置主体1、集气罩2、抽气管道3以及给水管道4组成,其中，抽气管道3固定在集气罩2上面，高效散热装置主体1底面设置分水槽5，分水槽5与给水管道4连通；产热电子元器件集成块6固定在高效散热装置主体1中部或侧面，产热电子元器件集成块6底面固定温度传感器10；并固定在支撑层7上；所述支撑层7上设置与产热电子元器件集成块6外形相同或相似的包括圆形或方形元件座；在元件座的四周延伸出翅片8，所述翅片的边界内侧或外侧有数量不等的微孔9，或单独由微孔排列成翅片形；微孔下部连接分水槽5；即形成为有翅片的区域。其中，支撑层由高强度的聚醚醚酮(PEEK)、透明聚苯脂(PHB)、高强度有机玻璃、聚对苯二酰对苯二胺或多孔阳极氧化铝制成。

所述高效散热装置主体的安装位置包括：其全部放在集气罩内或顶面放置集气罩，电子元器件集成块6固定在高效散热装置主体1中部(如图1中(b)、(c)所示)；其一部分放在集气罩内时、电子元器件集成块6固定在高效散热装置主体1侧面，处于集气罩外面(如图1中(a)所示)。

薄液膜相变发生时，工质(水)会由液态变为气态的相变过程，因此需要集气罩2和抽气管道3，对气态工质进行收集处理，同时需要给水管道4源源不断提供液态工质。电子元器件集成块6可以位于集气罩2外部，高效散热装置主体1的其余部分在集气罩2内部，这样的布置可以避免真空和液体工质对电子元器件集成块6可能造成的影响，如图1中(a)所示；若电子元器集成块6可以在真空或有绝缘液态工质的条件下工作，可以将高效散热装置主体全部放置于集气罩2内，如图1中(b)所示；或者只让高效散热装置主体上表面位于集气罩内，如图1中(c)所示。对于图1中(a)，散热元件与工质完全隔离，而图1中(b)、(c)的散热元件位于集气罩2内。

所述液态工质在高效散热装置主体1上表面形成薄液膜后，相变过程对应的温度就是工质在集气罩内部压力下对应的饱和温度，针对不同的工质，集气罩压力不同时相变温度也会不同，因此集气罩内有可能为加压、常压或负压状态，具体需要根据散热元件的工作要求及工质类型来决定。

以下以图2-图4为例，均分析高效散热装置主体全部放置于集气罩内(图1中(b))的情况。

图2为该高效散热装置的俯视图，散热器中心为电子元器件集成块6，电子元器件集成块6周边延伸出翅片8，翅片边界内侧有数量不等的微孔9(图2、图3中以圆孔为例，也可以是方孔、三角形孔、六边形蜂窝孔，或者以上形状的一部分，等各种形状的孔；孔径或等效孔径5nm～900μm，孔间距为孔径的0.2～20倍，具体根据所冷却的电子元器件集成块6的尺寸来确定，微孔9在翅片不同位置处的直径不变或距离电子元器件集成块由近及远直径逐渐降低)。在电子元器件集成块6、翅片8、微孔9以外的区域，为支撑层7。

图3为高效散热装置主体的A-A剖面示意图，中部放置电子元器件集成块，图3左侧为无翅片区域的示意图，图3右侧为有翅片区域的示意图。高效散热装置主体的中部放置需要散热的电子元器件集成块6，由上到下依次为电子元器件、温度传感器10、支撑层7。在安装电子元器件的元件座四周延伸出翅片8(如图3右侧所示)，翅片8下部为支撑层7，微孔9位于翅片边界的内侧或外侧，微孔下部为分水槽5。微孔及翅片表面均进行亲水处理，涂覆亲水层11，(这里的亲水处理指对于使用的液态工质)。在没有翅片的区域(如图3左侧所示)，支撑层占据了全部空间，同时支撑层顶部高度应当高于翅片上表面，同时表面进行疏水处理，使孔内流出的工质全部流至翅片表面。

对于产热的电子元器件集成块布置区域，支撑层可针对具体的电子元器件集成块的形状进行设计，或者设计为圆形、方形等通用的形状的元件座，供不同形状的一般电子元器件集成块使用。

温度传感器10用于测量电子元器件的温度(如图5所示)。若电子元器件具有测温模块，则可省去测温层，直接使用电子元器件产生的温度信号。

翅片8由高热导率材料制成，通过与电子元器件集成块直接接触，将电子元器件产生的热量导出并通过表面薄液膜相变换热的方式散热。图3中电子元器件与微孔之间有一部分翅片，是由于微孔并不与电子元器件直接接触，而是分布于翅片边附近。

电子元器件的上表面及周边裸露区域进行绝缘处理，防止工质与电子元器件的接触。孔内壁与翅片上表面进行亲水处理，方便液态工质的流动及延展。

高效散热装置主体底部分水槽如图4所示，该图所示的分水槽为圆环形，分水槽形状包括但不限于圆环形。每个分水槽的液体工质供给量由其相应的调节阀控制，调节阀受控制器控制。由于距离电子元器件远近不同，翅片上的换热效果不同，距离电子元器件越近，换热效果越强，所需液态工质量也越多。因此将分水槽分为若干区域，并对每个区域的供液量分别控制，可以更加精确地使翅片表面形成薄液膜，有效防止局部液膜过厚，局部蒸干情况的发生。除圆环形分水槽外，也可以采用对每个翅片或者几个翅片分别供液的分水槽(如图1所示)。

对于电子元器件不同位置发热强度不同或者有多个电子元器件的情况，可以在电子元器件底部加装多个温度传感器，温度传感器安装位置示意图如图5所示。同时分水槽并对相应位置的分水槽的供液量进行控制。如图11为5叶，图2为5叶。

图11的分水槽对应于图2中的散热装置。控制器采集不同温度传感器的温度信号，对相应位置分水槽的调节阀分别控制，使每个翅片表面均能形成薄液膜。

本发明在翅片表面实现薄液膜传热的高效相变传热方式。薄液膜相变示意图如图6右侧所示。作为对比，图6左侧给出了传统的厚液膜相变换热示意图(常见于池沸腾相变传热)。对于厚液膜换热，气泡会在固体表面不断增长，到达分离尺寸(mm量级)后才会分离，随后气泡在液层内不断上升，到达上表面后进入上部蒸气空间。对于薄液膜换热，由于该层液膜极薄(纳米到微米量级)，此时相变换热特点与常见池沸腾的厚液膜换热有明显区别，此时液膜厚度小于气泡的分离尺寸，随着气泡的增大，气泡顶部与液膜上表面不断接近，在气泡分离前气泡尺寸已达到液膜厚度，从而破裂进入集气罩内空间。由于气泡非常小，此时翅片表面可以达到很高的热流密度。相比于厚液膜，薄液膜相变有以下优势：1、液膜厚度降低，传热效果更好；2、气泡生长更快、气泡发生频率更高。

工质可以闭式循环也可开式循环，闭式循环如图7所示，工质可以回收；开式循环如图8所示。电子元器件工作前，工质箱内补充一定量的液态工质，电子元器件开始工作时，高效散热装置主体所在集气罩会稳定在一定的压力，具体压力由电子元器件工作温度要求及工质性质决定，电子元器件底部温度传感器或电子元器件自身的温度信号对调节阀进行控制，输出相应的流量，使翅片表面能够形成一层薄液膜用于换热。考虑到液态工质有可能从高效散热装置主体滴至集气罩底部，因此在集气罩底部安装废液泵，用来排出废液(如图7、图8所示)。

对于如图7所示的传热工质闭式循环，抽气泵抽出的气体会进入分离器，分离出的空气排入大气，而分离出的工质经净化器冷却净化后，返回工质箱。对于如图8所示的开式循环，抽气泵抽出的气体会直接排入大气，液态工质的补充全部由工质箱上的补液泵完成。

高效散热装置主体附近工质流动如图9所示。液态工质通过管道到高效散热装置主体底部的分水槽，再通过微孔到高效散热装置主体上表面，由于上表面的翅片具有亲水性而支撑层具有疏水性，液体会在翅片上表面铺展形成液膜。通过控制器对调节阀的控制，使供给的液态工质量与翅片表面相变的液态工质的量相同，并在翅片表面形成薄液膜。高效散热装置的液态工质通路在底部通道、分水槽及微孔内，气态工质通路在高效散热装置主体的上部空间，液态工质与气态工质通路不交叉，可有效防止相互造成干扰，同时有效减小阻力。图9所示的高效散热装置主体附近结构与工质流动图。

由于孔直径很小，若工质中含有不溶性杂质微颗粒或可溶性不挥发物质，将有可能会堵塞孔或者在装置表面形成沉积，影响散热。因此通常采用高纯工质。而由于电子元器件表面可能会和工质相接触，因此需要对电子元器件表面进行绝缘处理，防止工质对电子元器件工作造成影响。

所述翅片可以为变截面结构，孔可在翅片内侧、外侧、或两侧均分布。

如图10(a)—图10(i)列举了支撑层上高效散热装置主体的形状为在圆形元件座的周边等距离辐射出八、六、五、四、三和二个三角形翅片及四个台阶形翅片(如图10(b)所示)；或直接由微孔组成的上述形状翅片和由微孔组成的圆形散热体；在四方形元件座的每个边并列延伸出两个三角形翅片(如图10(a)所示)，或在一个边并列延伸出三个矩形翅片，并且三个矩形翅片伸入真空负压罩内等结构(如图12所示)。除上述图所列翅片与支撑层交错分布，翅片部分占据散热表面的情况，翅片还可以为圆环形，全部占据散热表面，如图13(a)-图13(e)所示，此时，孔可在圆环翅片表面均匀或不均匀分布。

图12为电子元器件布置在集气罩外侧时的一种布置方式。集气罩也可制作成圆环形状，在高效散热装置主体为圆形且芯片等产热的电子元器件在高效散热装置主体中央时，可采用此形状的集气罩罩住芯片等产热的电子元器件周边的散热区域，对工质进行隔离，而芯片等产热的电子元器件位于外部环境中。

通过理论计算，薄液膜换热最高热流密度可达约5000W/cm²。由于高效的散热能力，本发明可在激光等尖端领域实现广泛的应用。

Claims (9)

1.一种采用微纳米超薄液膜相变传热的高效散热装置，其特征在于，所述高效散热装置主要包括高效散热装置主体(1)、集气罩(2)、抽气管道(3)以及给水管道(4)、分水槽(5)和调节阀组成,其中，抽气管道(3)固定在集气罩(2)上面，高效散热装置主体(1)底面设置分水槽(5)，分水槽(5)与给水管道(4)连通；电子元器件集成块(6)固定在高效散热装置主体(1)中部或侧面，电子元器件集成块(6)底面固定温度传感器(10)；并固定在支撑层(7)上；所述支撑层(7)上设置与电子元器件集成块(6)外形相同的包括圆形或方形元件座；在元件座的四周延伸出翅片(8)，所述翅片的边界内侧或外侧或者两侧均有数量不等的微孔(9)，或单独由微孔排列成翅片形；微孔下部连接分水槽(5)；即形成为有翅片的区域。

2.根据权利要求1所述采用微纳米超薄液膜相变传热的高效散热装置，其特征在于，所述高效散热装置主体的安装位置包括：其全部放在集气罩内或顶面放置集气罩时，电子元器件集成块(6)固定在高效散热装置主体(1)中部；其一部分放在集气罩内时、电子元器件集成块(6)固定在高效散热装置主体(1)侧面，处于集气罩外面；或者集气罩将高效散热装置主体及电子元器件集成块顶面全部覆盖；其中，若集气罩呈圆环形状，仅将高效散热装置主体顶面覆盖，而电子元器件顶面未覆盖。

3.根据权利要求1所述采用微纳米超薄液膜相变传热的高效散热装置，其特征在于，所述电子元器件集成块的上表面及周边裸露区域进行绝缘处理，防止工质与电子元器件集成块接触；对于电子元件集成块不在集气罩内部的情况，电子元器件集成块的上表面及周边裸露区域不进行绝缘处理；所述工质为水、乙醇、丙醇或氟利昂；所述工质以闭式循环或以开式循环。

4.根据权利要求1所述采用微纳米超薄液膜相变传热的高效散热装置，其特征在于，所述高效散热装置主体、翅片及微孔表面均进行亲水处理，涂覆亲水层(11)。

5.根据权利要求1所述采用微纳米超薄液膜相变传热的高效散热装置，其特征在于，所述支撑层在没有翅片的区域占据了全部空间，同时支撑层顶部高度高于翅片上表面，同时在支撑层表面进行疏水处理，使孔内流出的工质水全部流至翅片表面。

6.根据权利要求1所述采用微纳米超薄液膜相变传热的高效散热装置，其特征在于，所述微孔为圆孔、方孔、三角形孔或六边形蜂窝孔；孔径或等效孔径为5nm～900μm，孔间距为孔径的0.2～20倍。

7.根据权利要求1所述采用微纳米超薄液膜相变传热的高效散热装置，其特征在于，所述支撑层上高效散热装置主体的形状为在圆形元件座的周边等距离辐射出三角形翅片及台阶形翅片，其中三角形翅片的个数为八、六、五、四、三或二个，台阶形翅片的个数为四个；或直接由微孔组成的上述形状翅片和由微孔组成的圆形散热体；或者翅片整个占据高效散热装置主体顶面，并在翅片表面分布微孔；在四方形元件座的每个边并列延伸出两个三角形翅片，或在一个边并列延伸出三个矩形翅片；并且三个矩形翅片伸入真空负压罩内。

8.根据权利要求1所述采用微纳米超薄液膜相变传热的高效散热装置，其特征在于，所述支撑层上高效散热装置主体中的电子元器件集成块产生的热量首先会传导至翅片，翅片的一些区域表面会有极薄的液膜，受热后会发生相变过程，即薄液膜由液相变成汽相，由此实现超高热流密度的微米/纳米尺度超薄液膜相变传热过程；对于电子元器件不同位置散热不同或者有多个电子元器件的情况，在相应位置设置温度传感器，对相应翅片分水槽给液量进行单独控制。

9.根据权利要求1所述采用微纳米超薄液膜相变传热的高效散热装置，其特征在于，电子元器件工作时温度升高，从而使翅片温度升高，且温度升高程度随着距电子元器件距离的增加而降低，根据距离电子元器件不同位置及散热强度不同的情况，分区设置分水槽，调节阀；通过调节阀的调节，使分水槽不同区域液体流量不同，同时在分水槽不同位置对应的高效散热装置主体顶面形成薄液膜，从而在各处均实现薄液膜相变传热，且分水槽宽度不相同，目的是通过调节阀的调节，在高效散热装置主体顶面不同位置均能够形成薄液膜。

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