CN111083911B - 一种复合液冷式热管散热器 - Google Patents

Abstract

本发明属于传热技术领域，具体涉及一种复合液冷式热管散热器，包括平板热管，发热元器件产生的热量传递给平板热管的底板，平板热管的顶板设有与平板热管底板垂直的凸起，凸起构成管式热管，平板热管内腔与管式热管的内腔连通；还包括壳体，平板热管与管式热管均位于壳体内，平板热管底板与壳体底面密封贴合；平板热管外表面、管式热管外表面以及壳体内壁围成的区域构成冷却液通道；壳体设有冷却液入口与冷却液出口。本发明的散热器通过管式热管与平板热管相结合，不仅能够与发热元器件平面贴合，并且具有较好的散热效果；同时利用液体冷却将冷凝段制冷剂放出的热量带走，与空气对流散热相比，提高了复合热管与外界的换热能力。

Description

一种复合液冷式热管散热器

技术领域

本发明属于传热技术领域，具体涉及一种新型的复合液冷式热管散热器。

背景技术

随着半导体行业的发展，电子元器件的集成度越来越大，这也导致其功率密度逐步增大。功率密度的增大造成元器件的热流密度大幅增加。在目前的研究中发现工作温度过高往往是导致元器件损坏的主要原因之一。因此，为保证元器件的工作寿命，必须保证元器件的结点温度在一定范围内，这对散热手段提出了更高的要求。热管作为一种高效的散热器，易于小型化，目前受到广泛的关注。

传统热管的外壳通常为圆柱型(这里称为管式热管)，内壁有毛细芯结构或者微槽道结构。加工完成后需进行抽真空并充注入部分工作流体。当管式热管的蒸发段输入热流，蒸发段内工作流体受热蒸发，蒸汽向冷凝段运动，在冷凝段冷凝放热，冷凝的液体在毛细力的作用下通过毛细芯回流到蒸发端，完成热量的传递。管式热管具有较好的传热性能，但在实际应用中，由于其圆柱型外壳无法与平面的发热元器件很好地贴合，且单根管式热管的受热面积较小，这限制其在元器件散热方面的使用。

平板热管的出现很好地解决了与元器件贴合的问题。但相比管式热管，平板热管由于蒸发侧与元器件直接贴合，受热面积较大，易出现局部温度过高的问题，导致局部热点的出现。同时平板热管的扁平结构，限制了其传热的距离，这也为其冷凝段的散热带来了困难。因此，提高平板热管蒸发侧表面温度的均匀性对于其实际应用非常重要。

此外，虽然热管的热阻较小，但是在实际应用中，若热管冷凝端外侧的换热性能较差，将会导致热管冷凝端的温度较高，导致热管内部上升蒸汽的冷凝换热较差，不利于热管内部工作液体的回流，将导致热管换热性能的恶化以及极限散热能力的降低。而在传热系统中，针对热阻较大的一侧进行优化是提高传热系统的性能的关键，因此针对热管冷端的换热的优化对于热管散热能力的提高也至关重要。

资料显示，为改善管式热管和平板式热管的传热性能和提高两者的实际应用价值，也有一部分专利将两者结合起来强化换热。例如公开号CN201093903的专利公布了一种平板式多通道组合式热管，将平板热管与管式热管腔体进行连通，以增大平板热管冷端散热面积，以强化传热，但是由于其冷端裸露在空气中，只能采用风冷，限制了该散热器的散热能力，此外未能针对传热过程中热阻较大的环节进行优化，散热器的散热性能还具有较大的提升空间。公开号为CN201344753Y专利公布了一种复合内腔的组合式平板热管散热装置，将两个平板热管进行交叉连接，两个平板热管的腔体相连通以增大冷凝侧换热面积，但热管散热器冷凝端也裸露在空气中，只能采用风冷，限制了其散热能力，且该平板热管和翅片的交叉结构使气体对流无法形成通路，不利于该散热器冷端的散热效果。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中管式热管与发热元器件平面不能很好贴合、平板热管蒸发侧容易出现局部热点以及组合式热管只能采用风冷且散热效果不佳的问题，提出了一种新型复合液冷式热管散热器。

为实现以上技术目的，本发明采用以下技术方案：

一种复合液冷式热管散热器，包括平板热管，发热元器件产生的热量传递给平板热管的底板，平板热管的顶板设有与平板热管底板垂直的凸起，凸起构成管式热管，平板热管内腔与管式热管的内腔连通；还包括壳体，平板热管与管式热管均位于壳体内，平板热管底板与壳体底面密封贴合；平板热管外表面、管式热管外表面以及壳体内壁围成的区域构成冷却液通道；壳体设有冷却液入口与冷却液出口；管式热管内腔与平板热管内腔的制冷剂吸收发热元器件产生的热量，液体状的冷却液从冷却液通道流过，带走制冷剂冷凝释放的热量。

进一步地，管式热管的数量为多个，多个管式热管沿冷却液流动方向排列为数排；相邻两排管式热管对齐设置或错位设置；沿冷却液流动方向，相邻两排管式热管之间的距离渐小。

进一步地，管式热管为变径管，轴向截面尺寸随距平板热管距离的增加而增大。

进一步地，管式热管的轴向截面为水滴状，水滴的尖端指向水流方向。

进一步地，平板热管的顶板为曲面结构，由平板热管顶板边缘向顶板中心凹陷，平板热管顶板中心距平板热管底板的距离最近。

进一步地，平板热管的底板与顶板之间设有支撑柱与多孔状的毛细芯柱。

进一步地，管式热管外表面生长有碳纳米管；平板热管内表面与管式热管内表面均采用毛细结构，毛细结构为烧结金属粉末芯，微槽道、丝网屏芯当中的一种。

进一步地，平板热管底板内表面设有亲水涂层，平板热管顶板内表面与管式热管内表面均设有疏水涂层。

进一步地，壳体底端设有石墨烯薄膜，壳体通过石墨烯薄膜与发热元器件贴合。

进一步地，还包括冷却液分液器与冷却液集液器，冷却液分液器与冷却液入口相连通，冷却液集液器与冷却液出口相连通。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果为：

(1)本发明的散热器通过管式热管与平板热管相结合，不仅能够与发热元器件平面贴合，并且具有较好的散热效果；管式热管的内腔与平板热管的内腔相连通，增大了散热器冷凝段的散热面积，结合管式热管优异的轴向传热强化了散热器的散热性能；散热器的冷端增加冷却液通道，利用液体冷却将冷凝段制冷剂放出的热量带走，与空气对流散热相比，提高了复合热管与外界的换热能力；

(2)沿着冷却液流动方向，管式热管阵列由疏变密，增大冷却液流动方向后侧的换热面积，使得散热器冷端的散热更加地均匀，进而提高该散热器散热面温度场的均匀性；

(3)管式热管为变径管，增大了上部冷凝腔的换热面积，且减小了气体和液体由于逆流产生的流动阻力；

(4)管式热管水滴状的截面，减小了尾部涡脱落造成的阻力损耗，有利于减小冷却液流动时受到的阻力；

(5)平板热管的顶板设计为曲面结构，可使制冷剂冷凝后在重力辅助下更好地回流到底端蒸发段的中心受热区域，避免在元器件散热时出现蒸发段中心处液体回流困难导致温度过高的情况；

(6)支撑柱能够强化散热器的结构强度；毛细芯柱减小了制冷剂的冷凝液体回流路径，使冷凝液能够更快速地回流到蒸发段的受热区域，使平板热管在工作时蒸发侧不易出现局部热点，减小温度不均匀性；

(7)利用碳纳米管极高的导热系数以及其拓展的换热面积，提高该散热器冷端与外侧的传热性能，且利用碳纳米管的疏水特性，减小管式热管外侧流体流道在长久运行后产生的结垢；制冷剂的冷凝液体能够沿着管式热管内壁面的毛细结构在毛细力的作用下向下回流；

(8)散热器的热端，即平板热管的底板内表面涂有亲水涂层，该散热器的冷端，即管式热管内表面和平板热管的顶板内表面涂有疏水涂层，通过散热器内表面的修饰，提高该复合热管内冷凝液从冷端回流到热端的速率，强化散热器的传热性能，有利于提高散热器的传热极限；

(9)石墨烯薄膜具有优异的导热性能，提高平板热管底部的温度均匀性，避免局部热点的出现。

附图说明

图1为本实施例一种复合液冷式热管散热器俯视结构图；

图2为图中A-A剖面图；

图3为管式热管轴向截面图；

图4为管式热管径向截面图；

图5为本实施例一种复合液冷式热管散热器采用冷却塔时的闭式冷却水回路连接结构图；

图6为本实施例一种复合液冷式热管散热器利用自然水源开式冷却水回路示意图；

图7为本实施例一种复合液冷式热管散热器传热等效网络图。

图中，1冷却液入口、2壳体、3平板热管、31毛细芯柱、4发热元器件、5支撑柱、6石墨烯薄膜、7冷却液出口、8冷却液通道、9管式热管、91毛细结构、92碳纳米管、10冷却液分液器、11冷却液集液器、12水泵、13冷却塔、14过滤器、15自然水源。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步地描述，但本发明的保护范围并不仅仅限于此。

如图1-6所示，本实施例一种复合液冷式热管散热器，包括平板热管3，发热元器件4产生的热量传递给平板热管3的底板，平板热管3的顶板设有与平板热管3底板垂直的凸起，凸起构成管式热管9，平板热管3内腔与管式热管9的内腔连通。还包括壳体2，平板热管3与管式热管9均位于壳体2内，平板热管3底板与壳体2底面密封贴合。壳体2设有冷却液入口1与冷却液出口7。平板热管3外表面、管式热管9外表面以及壳体2内壁围成的区域构成冷却液通道8。管式热管9内腔与平板热管3内腔的制冷剂吸收发热元器件4产生的热量，液体状的冷却液从冷却液通道8流过，带走制冷剂冷凝释放的热量。平板热管3与发热元器件4靠近的的下半段为散热器的蒸发段，平板热管3的上半段与管式热管9构成散热器的冷凝段，平板热管3底板构成散热器的热端，同时为平板热管3的蒸发侧。平板热管3顶板与管式热管9构成散热器的冷端。发热元器件4产生的热量通过壳体2传递给平板热管3的底板，本实施例通过平板热管3能够与发热元器件4的平面贴合。管式热管9的内腔与平板热管3的内腔相连通，增大了散热器冷凝段的散热面积，结合管式热管9优异的轴向传热强化了散热器的散热性能。散热器的冷端增加冷却液通道8，利用液体状的冷却液将冷凝段内制冷剂释放出热量带走，与空气对流散热相比，大大提高了复合热管与外界的换热能力。因此，本实施例的散热器通过管式热管9与平板热管3相结合，不仅能够与发热元器件4平面贴合，并且具有较好的散热效果。

管式热管9的数量为多个，多个管式热管9沿冷却液流动方向排列为数排。相邻两排管式热管9对齐设置或错位设置。沿冷却液流动方向，相邻两排管式热管9之间的距离渐小。现有技术中，冷却液流动过程中后侧换热温差变小，导致换热效果下降。本实施例对管式热管9的布置方式进行了改进，使冷却液流动后侧的管式热管9布置较密集，增大冷却液流动方向后侧的换热面积，使得散热器冷端散热更加地均匀，进而提高散热器散热面温度场均匀性。管式热管9为变径管，轴向截面尺寸随距平板热管3距离的增加而增大，具体为，将管式热管9径向截面设计为上大下小的梯形，相比等宽的矩形，增大了上部冷凝腔的换热面积，且减小了气体和液体由于逆流产生的流动阻力。

管式热管9的轴向截面为水滴状，水滴的尖端指向水流方向，相比圆形截面，减小了尾部涡脱落造成的阻力损耗，有利于减小冷却液流动时受到的阻力。平板热管3的顶板为曲面结构，由平板热管3顶板的边缘向中心凹陷，平板热管3顶板中心处距平板热管3底板的距离最近，可使制冷剂放热后形成的冷凝液在重力辅助下更好地回流到下表面蒸发段的中心受热区域，避免在发热元器件4散热时出现蒸发段中心处液体回流困难导致温度过高的情况。

平板热管3的底板与顶板之间设有支撑柱5与多孔状的毛细芯柱31。支撑柱5能够强化散热器的结构强度。毛细芯柱31减小了冷凝液体回流的路径，使冷凝液体能够更快速地回流到蒸发段的受热区域，使平板热管3在工作时蒸发侧不易出现局部热点，减小温度不均匀性。管式热管9外表面生长有碳纳米管92，通过碳纳米管92极高的导热系数以及其拓展的换热面积，提高该散热器冷端与外侧的传热性能，且利用碳纳米管92的疏水特性，减小管式热管外侧流体流道在长久运行后产生的结垢。平板热管3内表面与管式热管9内表面均采用毛细结构91，冷凝液沿着管式热管9内壁面的毛细结构91在毛细力的作用下向下回流。当冷凝液回流到平板热管3中，将受到毛细力和重力的作用，沿着毛细芯柱31和壁面毛细结构91回流到蒸发侧。毛细结构91为烧结金属粉末芯，微槽道、丝网屏芯当中的一种。

平板热管3底板内表面设有亲水涂层，平板热管3顶板内表面与管式热管9内表面均设有疏水涂层，通过散热器内表面的修饰，提高冷凝液从冷端回流到热端的速率，强化散热器的传热性能，提高散热器的传热极限。壳体2底面设有石墨烯薄膜6，壳体2底面通过石墨烯薄膜6与发热元器件4贴合，利用石墨烯薄膜6优异的导热性能，提高平板热管3底部的温度均匀性，避免局部热点的出现。本实施例还包括冷却液分液器10与冷却液集液器11，冷却液分液器10与冷却液入口1相连通，冷却液集液器11与冷却液出口7相连通。

本实施例的工作原理为：发热元器件4与壳体2底面的石墨烯薄膜6贴合，发热元器件4在工作过程中产生热量使平板热管3底板温度升高，内部制冷剂受热蒸发，吸收热量。产生的蒸汽向上运动到达冷凝段，在管式热管9内冷凝放热变成冷凝液。管式热管9外侧生长有碳纳米管92，并采用冷却水与管式热管阵列的外表面进行强迫对流换热，将传递到复合热管冷端的热量带走。冷凝液体沿着管式热管9内壁面的毛细结构91在毛细力的作用下向下回流。当冷凝液体回流到平板热管3中，将受到毛细力和重力的作用，沿着毛细芯柱31和壁面的毛细结构91回流到蒸发侧。同时，由于平板热管3的顶板存在一定的曲率，在重力的辅助下，冷凝液体能够更好地回流到平板热管3中心位置，避免底板中心位置由于回流困难烧干导致发热元器件4的局部温度过高。

如图5所示，本实施例的散热器可结合冷却塔采用闭式冷却液循环的实施方式，具体为冷却液通过水泵12由冷却塔13流入散热器中，与散热器冷端进行换热后回到冷却塔13，通过冷却塔13将回流的冷却液降温，再进入下一次冷却液循环中。如图6所示，本实施例的散热器可结合自然水源15的开式流动的实施方式，具体为散热器在运行过程中可以采用自然水源15进行散热，例如湖水、河水、地下水以及海水等，可以达到节能的效果，为防止杂物进入装置中堵塞流道，在水泵12入口管道处设置过滤器14，自然水源15经过滤器14过滤杂质后，经过水泵12进入散热装置中，与散热器冷端进行换热后排出。

平板热管3、管式热管9以及壳体2的材质可以采用铜，铝，碳钢，不锈钢以及其他金属。平板热管3腔体与管式热管9腔体内的制冷剂可以采用水、甲醇、乙醇、氟利昂、各种纳米流体、磁流体或者自湿润流体等。本实施例优选自湿润流体，如高碳醇水溶液，包括正丁醇、庚醇、戊醇等水溶液等，利用自湿润流体在一定温度范围内表面张力随着温度增大而增大的特性，在散热器热端和冷端之间形成表面张力梯度，产生马拉尼龙效应，增强冷凝液体的回流，强化传热能力。

为说明本实施例的实用性，本实施例进行了计算说明。本实施例的模型图如附图1所示，初始的计算参数设置为：平板热管的尺寸为200×200×17.5mm，材料为铝，制冷剂为丙酮。管式热管底部的外径为15mm，高为17.5mm。冷却液为水，冷却水的流量为0.48kg/s，冷却水入口水温为20℃。如附图7所示，本实施例的总热阻主要为壳体2的导热热阻、复合热管的热阻以及冷端与冷却水的对流换热热阻之和。

根据文献“一种铝基平板热管特性的研究实验”，当平板热管材料采用铝，内部工质为丙酮，在底部发热量为200W时，平板热管的热阻Rf为0.1℃/W。

管式热管阵列的热阻为各个管式热管热阻并联的结果，根据相关文献中热管的热阻数据范围，当加热功率为200W，管式热管阵列Rp的热阻为0.005℃/W。

管式热管外侧冷却水与管式热管的换热系数，根据相关文献采用经验关联式计算得到对流换热系数为5671.7W/((m2*℃),对流换热热阻Rcw＝1/hA＝0.000476℃/W。

复合热管冷热端温差为：ΔT＝21.1℃。目前对于大多数电子器件来说，其温度控制在与环境温度差值小于40℃时均能正常工作。计算说明在未考虑石墨烯薄膜、碳纳米管表面修饰和亲疏水涂层等对该散热器传热能力强化的情况下，所计算的温度差值小于40℃，说明该散热器工作时具有优良的传热性能。

在未考虑石墨烯薄膜、碳纳米管表面修饰、亲疏水涂层以及管道截面形状面改进等对散热器传热能力强化的情况下，将本实施例计算结果与普通风冷式热管对比，若采用空气强迫对流，假设流速的4m/s，根据经验关联式计算得到换热系数为85.7W/m2*℃，冷端传热热阻为0.032℃/W。与本实施例采用液体冷却的冷端传热热阻0.000476℃/W相比增大了65.3倍。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种复合液冷式热管散热器，包括平板热管(3)，发热元器件(4)产生的热量传递给平板热管(3)的底板，其特征在：

平板热管(3)的顶板设有与平板热管(3)底板垂直的凸起，凸起构成管式热管(9)，平板热管(3)内腔与管式热管(9)的内腔连通；

还包括壳体(2)，平板热管(3)与管式热管(9)均位于壳体(2)内，平板热管(3)底板与壳体(2)底面密封贴合；平板热管(3)内表面与管式热管(9)内表面均采用毛细结构(91)；平板热管(3)外表面、管式热管(9)外表面以及壳体(2)内壁围成的区域构成冷却液通道(8)；壳体(2)设有冷却液入口(1)与冷却液出口(7)；管式热管(9)内腔与平板热管(3)内腔的制冷剂吸收发热元器件(4)产生的热量，液体状的冷却液从冷却液通道(8)流过，带走制冷剂冷凝释放的热量；

管式热管(9)的轴向截面为水滴状，水滴的尖端指向水流方向。

2.根据权利要求1所述的复合液冷式热管散热器，其特征在于：管式热管(9)的数量为多个，多个管式热管(9)沿冷却液流动方向排列为数排；相邻两排管式热管(9)对齐设置或错位设置；沿冷却液流动方向，相邻两排管式热管(9)之间的距离渐小。

3.根据权利要求2所述的复合液冷式热管散热器，其特征在于：管式热管(9)为变径管，轴向截面尺寸随距平板热管(3)距离的增加而增大。

4.根据权利要求1所述的复合液冷式热管散热器，其特征在于：平板热管(3)的顶板为曲面结构，由平板热管(3)顶板边缘向顶板中心凹陷，平板热管(3)顶板中心距平板热管(3)底板的距离最近。

5.根据权利要求1或4所述的复合液冷式热管散热器，其特征在于：平板热管(3)的底板与顶板之间设有支撑柱(5)与多孔状的毛细芯柱(31)。

6.根据权利要求1所述的复合液冷式热管散热器，其特征在于：管式热管(9)外表面生长有碳纳米管(92)；毛细结构(91)为烧结金属粉末芯，微槽道、丝网屏芯当中的一种。

7.根据权利要求1所述的复合液冷式热管散热器，其特征在于：平板热管(3)底板内表面设有亲水涂层，平板热管(3)顶板内表面与管式热管(9)内表面均设有疏水涂层。

8.根据权利要求1所述的复合液冷式热管散热器，其特征在于：壳体(2)底端设有石墨烯薄膜(6)，壳体(2)通过石墨烯薄膜(6)与发热元器件(4)贴合。

9.根据权利要求1所述的复合液冷式热管散热器，其特征在于：还包括冷却液分液器(10)与冷却液集液器(11)，冷却液分液器(10)与冷却液入口(1)相连通，冷却液集液器(11)与冷却液出口(7)相连通。

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