CN111477599A - 一种一体式微喷射均热板散热器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种一体式微喷射均热板散热器及其制造方法，包括入口管道、微喷射组件、均热板本体组件和出口管道；所述微喷射组件包括依次叠加设置的盖板、至少一块喷射板及冷凝板，所述均热板本体组件包括冷凝端吸液芯、铜粉环、蒸发端吸液芯、实心铜柱及蒸发板；本发明均热板本体组件的冷凝板和微喷射组件的喷射底板采用一体化设计，消除了均热板与微喷射组件热沉间因分体设计造成的接触热阻，提高了散热性能。

Description

一种一体式微喷射均热板散热器及其制造方法

技术领域

本发明涉及电子元器件高热流密度散热技术领域，具体涉及一种一体式微喷射均热板散热器及其制造方法。

背景技术

随着科技水平的提高，电子元器件正朝着微型化、高频、高功率密度及高度集成化的方向快速发展。该发展趋势使得电子设备的发热量增大，从而导致电子元器件性能下降。在电子元器件允许工作的温度范围内，温度每升高10℃，其可靠性降低50％。可见，高热流密度散热问题已成为制约电子设备性能及可靠性的关键因素。相比传统的风冷技术和液冷技术，基于相变散热的均热板技术是目前研究最为广泛的热控制技术之一，尤其是由均热板与其他散热方式组成的复合散热模组，可广泛应用于服务器、移动设备等高功耗散热领域。

目前常用的复合散热模组一般采用均热板与风冷或液冷热沉分开设计，两者间的接触热阻不可避免。由于液冷散热的换热系数高于风冷散热，在热流密度较高的情况下一般采用液冷散热与均热板相复合的方法。目前液冷散热与均热板相复合的方式一般在均热板的冷凝板外部复合液冷板，液冷板内设置微槽流道及微圆柱等来增大散热面积，从而提高散热性能。但这种方法仍存在以下不足：一方面由于直接在液冷板腔体通入冷却介质将冷凝板外部的热量带走，所需冷却介质量大；另一方面散热效率依旧跟不上持续增长的高热流密度电子元器件的热控需求。因此，为满足光电产品日益增长的热流密度，一种高效且实用的均热板复合散热技术亟待提出。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明的首要目的是提供一种一体式微喷射均热板散热器，将均热板与冲击射流相结合用于解决电子元器件持续增长的高热流密度散热问题。

本发明次要目的是提供一种一体式微喷射均热板散热器的制造方法。

本发明首要目的采用如下技术方案实现：

一种一体式微喷射均热板散热器，设置在发热芯片上，包括入口管道、微喷射组件、均热板本体组件和出口管道；

所述微喷射组件包括依次叠加设置的盖板、至少一块喷射板及冷凝板；

所述盖板设有冷却介质入口和冷却介质出口，所述冷却介质入口与入口管道连通，所述冷却介质出口与出口管道连通；

所述喷射板设有分流腔、平行微槽流道、喷射微孔阵列及喷射板冷却介质出口，冷却介质通过分流腔分流到平行微槽流道内，在压力作用下冷却介质穿过喷射微孔阵列形成射流；

所述冷凝板作为微喷射组件的喷射底板，其上表面设有喷射集流腔，所述喷射集流腔包括喷射腔和集流腔；

所述均热板本体组件包括冷凝端吸液芯、铜粉环、蒸发端吸液芯、实心铜柱及蒸发板；

所述冷凝板作为均热板本体组件的冷凝板，其下表面设有冷凝端吸液芯；

所述蒸发板设有凹腔，所述凹腔内设有实心铜柱和蒸发端吸液芯，所述铜粉环烧结在实心铜柱的四周侧壁上，构成均热本本体组件的支撑结构，与冷凝端吸液芯及蒸发端吸液芯形成一体，此时冷凝板与蒸发板之间形成空腔为真空腔。

优选的，喷射板为多块时，多块喷射板叠放设置，多块喷射板内的分流腔、平行微槽流道及喷射板冷却介质出口上下位置对应。

优选的，喷射板距离冷凝板越近，喷射微孔阵列的孔数越多。

优选的，还包括一块锥孔喷射板，设置在喷射板与冷凝板之间，所述锥孔喷射板设有喷射微锥孔阵列及锥孔喷射板冷却介质出口，锥孔喷射板冷却介质出口与喷射板冷却介质出口及盖板的冷却介质出口连通。

优选的，所述喷射微锥孔阵列的中心位置及孔数与喷射板的喷射微孔阵列的中心位置及孔数一致。

优选的，所述蒸发板还设有用于将真空腔抽取真空及注入相变工质的注液管。

优选的，所述喷射腔与集流腔互通。

优选的，冷凝端吸液芯及蒸发端吸液芯均为多孔状、网状、泡沫状或多种结构复合而成。

优选的，所述入口管道和出口管道相互平行。

本发明的次要目的是采用如下技术方案实现：

一种一体式微喷射均热板散热器的制造方法，包括：

通过冲压成型制造带冷却介质入口及冷却介质出口的盖板；

通过铣削和钻削加工出具有不同结构的喷射板；通过铣削加工出带喷射腔和集流腔的冷凝板；通过冲压、电火花或者铣削加工出带凹腔和实心铜柱结构的蒸发板；

通过冲压多孔金属材料或通过石墨模具进行铜粉颗粒烧结形成不同类型吸液芯，吸液芯上预留支撑结构孔位。

通过烧结技术使冷凝端吸液芯、蒸发端吸液芯分别烧结在冷凝板的下表面及蒸发板的凹腔内；

铜粉环烧结在实心铜柱圆周侧壁上，并摆放在蒸发端吸液芯预留的支撑结构孔位中；

采用钎焊焊接方法将盖板、喷射板、冷凝板以及蒸发板焊接成一体，形成具有除气口的壳体；

将注液管与壳体连接，采用钎焊方法对注液管进行焊接，注入液体工质并抽真空，进行二次除气后焊接密封注液管。

本发明的有益效果：

(1)本发明均热板本体组件的冷凝板和微喷射组件的喷射板采用一体化设计，消除了均热板与微喷射组件热沉间因分体设计造成的接触热阻，提高了散热性能。

(2)本发明微喷射流不直接与冷却元器件接触，增加了散热的安全性。

(3)本发明既利用了均热板的高效散热能力又利用了换热系数高的射流冲击冷却，极大的提高了散热器整体的散热能力，使其在高热流密度散热领域占有一定优势。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图；

图2是本发明实施例1的结构爆炸示意图；

图3是本发明实施例1的剖面结构示意图；

图4是本发明实施例2和实施例3的结构示意图；

图5是本发明实施例2的结构爆炸图；

图6是本发明实施例2的剖面结构示意图；

图7是本发明实施例3的结构爆炸图；

图8是本发明实施例3的剖面结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1、图2及图3所示，一种一体式微喷射均热板散热器，包括入口管道1、微喷射组件2、均热板本体组件3和出口管道4，所述均热板本体组件安装在发热芯片5的表面上，入口管道和出口管道平行且位于所述一体式微喷射均热板散热器的同一侧或不同侧。

所述微喷射组件设置在均热板本体组件的上方，所述微喷射组件从上至下依次包括盖板21、喷射板22、冷凝板23，所述盖板、喷射板及冷凝板叠加放置。

所述盖板设有冷却介质入口和冷却介质出口，所述冷却介质入口与入口管道连通，所述冷却介质出口与出口管道连通。

所述喷射板至少一块，也可以是结构相同的多块喷射板叠加放置，所述喷射板22设有分流腔221、平行微槽流道222、喷射微孔阵列223及喷射板冷却介质出口224，为了使得输入的冷却介质分流到平行微槽流道内，所述分流腔与平行微槽流道连通；冷却介质由入口管道1纵向流至喷射板22，变为横向流动，经分流腔221分流后流入喷射板22内的平行微槽流道222，在压力作用下气体或液体冷却工质穿过喷射板22的喷射微孔阵列223形成阵列射流。

本实施例中，分流腔设置在冷却介质入口的下方且为等腰三角形，等腰三角形底边的中垂线位于喷射板较短边的中垂面内，一方面可使分流更均匀，分流效果更好，另一方面，也便于散热器安装孔位的布置；喷射板冷却介质出口在冷却介质出口的下方且连通。

所述冷凝板23既作为微喷射组件2的喷射底板，用于收集微喷射的工质回流，同时也用作均热板本体组件3的冷凝板。这样设计，使该散热器整体结构更紧凑，也可消除均热板与微喷射组件因分体设计造成的接触热阻。

所述冷凝板作为微喷射组件的喷射底板，其上表面设有喷射集流腔，所述喷射集流腔包括喷射腔231和集流腔232，两者间无边界，相互连通，可使冷却介质从喷射腔无阻碍的流入集流腔；所述冷凝板23内的喷射集流腔的作用是使经过喷射微孔阵列223喷入的冷却介质聚集后通过出口管道4流出，进而实现快速带走冷凝板23上的热量。

所述冷凝板23上的集流腔232与喷射板22上的冷却介质出口224以及出口管道4相连通。

所述冷凝板23作为均热板本体组件的冷凝板，其下表面设有冷凝端吸液芯31。

所述均热板本体组件3包括冷凝端吸液芯31、铜粉环32、蒸发端吸液芯33、注液管34、实心铜柱35及蒸发板36。

所述蒸发板36设有凹腔，凹腔内设有蒸发端吸液芯33和实心铜柱35；本实施例中实心铜柱呈5*5阵列排布，所述蒸发端吸液芯33与冷凝端吸液芯31的孔数与实心铜柱35一一对应；所述冷凝板23和蒸发板36之间形成的空腔为真空腔37；所述铜粉环32烧结在实心铜柱35的圆周侧壁上，构成了均热板本体的支撑结构，与冷凝端吸液芯31及蒸发端吸液芯33连接成一体，既起到支撑冷凝板23和蒸发板36的作用，又可作为冷凝后液体由冷凝板23回流到蒸发板36的辅助流道。所述注液管34设置在蒸发板36的一侧，用于将真空腔37抽真空及注入相变工作介质的作用。

发热芯片5与蒸发板36的下端面通过硅脂紧密接触以减少两者间的热阻。

所述冷却介质为气体或液体。

本实施例采用的吸液芯可以呈多孔状、网状、泡沫状，也可以是由多种结构复合而成。

本实施例的一体式微喷射均热板散热器的制造方法，包括如下步骤：

通过冲压成型制造出带冷却介质入口及出口的盖板；通过铣削和钻削加工出带有分流腔、平行微槽流道、喷射微孔阵列及冷却介质出口的喷射板；通过铣削加工出带喷射腔和集流腔的冷凝板；通过冲压、电火花或者铣削加工出带凹腔和实心铜柱结构的蒸发板。

通过冲压多孔金属材料或通过石墨模具进行铜粉颗粒烧结形成不同类型吸液芯，吸液芯上预留支撑结构孔位。

通过烧结技术使吸液芯分别烧结在冷凝板的下表面、蒸发板的凹腔内。

铜粉环烧结在实心铜柱圆周侧壁上，并摆放在吸液芯预留的支撑结构孔位中。

采用钎焊焊接方法将盖板、喷射板、冷凝板以及蒸发板焊接成一体，形成具有除气口的壳体。

将注液管与壳体连接，采用焊接方法对注液管进行焊接，注入液体工质并抽真空，进行二次除气后焊接密封注液管。

本实施例的工作过程为：

蒸发板36受热后，热量传递至蒸发端吸液芯33，使得真空腔37内的液体工质在低真空状态下受热蒸发，并迅速充满整个真空腔37，汽化后的气体遇到温度较低的冷凝板23凝结成液态并释放热能；此时，冷却介质由入口管道1纵向流至喷射板22，变为横向流动，经分流腔221分流后流入喷射板22内的平行微槽流道222，在压力作用下，气体或液体冷却介质穿过喷射板22的喷射微孔阵列223，在冷凝板23的喷射腔231内形成强烈的阵列射流，实现冲击射流换热，换热后的工质在集流腔232汇合后流过喷射板22的冷却工质出口224，最后在出口管道4纵向流出。与此同时，冷凝板23的热量迅速被气体或液体工质吸收带走，其温度急剧下降，真空腔37内的受热的蒸汽在冷凝板23冷凝成液体并释放热能，冷凝后的液体经由支撑结构流回至蒸发板36，完成一个热交换过程，依此循环。

实施例2

如图4、图5及图6所示，本实施例与实施例1不同之处在于，在喷射板与冷凝板之间设置锥孔喷射板24，也就是本实施例中微喷射组件包括盖板、喷射板、锥孔喷射板及冷凝板。

所述锥孔喷射板24设有喷射微锥孔阵列241及冷却介质出口；喷射微锥孔阵列241的孔的中心位置及孔数与喷射板22上喷射微孔阵列223的孔的中心位置及孔数一致，其目的是增大通过喷射板22的阵列射流的喷射面积，提高散热器的散热效率；所述喷射板22上的分流腔221与入口管道1相连通，所述冷凝板23上的集流腔232依次与锥孔喷射板24、喷射板22上的冷却介质出口224以及出口管道4相连通。本实施例的制造方法与实施例1不同之处在于，在加工喷射板后，通过铣削和钻削工艺可以实现锥孔喷射板的加工，然后再加工冷凝板。最后采用钎焊焊接方法将盖板21、喷射板22、锥孔喷射板24、冷凝板23以及蒸发板36焊接成一体。

本实施例的工作过程为：

蒸发板36受热后，热量传递至蒸发端吸液芯33，使真空腔37内的液体工质在低真空状态下受热蒸发，并迅速充满整个真空腔37，汽化后的气体遇到温度较低的冷凝板23凝结成液态并释放热能；此时，冷却介质由入口管道1纵向流至喷射板22，变为横向流动，经分流腔221分流后流入喷射板22内的平行微槽流道222，在压力作用下，气体或液体冷却介质穿过喷射板22的喷射微孔阵列223，经由锥孔喷射板24的喷射微锥孔阵列241，在冷凝板23的喷射腔231内形成强烈的阵列射流，实现冲击射流换热，冷凝板23的热量迅速被气体或液体吸收，其温度急剧下降，换热后的工质在集流腔232汇合后依次流过锥孔喷射板24和喷射板22上的冷却介质出口224，最后经出口管道4纵向流出；与此同时，受热后的蒸汽能更快地在冷凝板23冷凝成液体并释放热能，冷凝后的液体经由支撑结构32和35流回至蒸发板36，完成一个热交换过程，依此循环。

实施例3

如图4、图7及图8所示，本实施例与实施例1的不同之处在于，在实施例1的喷射板22上增设冷却介质入口225，增加第二喷射板25在喷射板22与冷凝板23之间，所述第二喷射板与喷射板的结构大致相同，设有分流腔、平行微槽流道、喷射微孔阵列及冷却介质出口，其中，第二喷射板25内的分流腔及第二喷射板的平行微槽流道251的位置与喷射板22内的分流腔及平行微槽流道的位置一致并且对齐，第二喷射板的喷射微孔阵列252的孔数比喷射板的喷射微孔阵列的孔数多，其目的是增大在冷凝板23的喷射腔内形成阵列射流的密度及射流冲击的面积，从而提高散热器的散热效率；所述第二喷射板25上的分流腔与平行微槽流道连接，分流腔的作用是将输入的冷却介质分流到喷射板的平行微槽流道及第二喷射板的平行微槽流道内；所述喷射板、第二喷射板上的分流腔与入口管道相连通，所述冷凝板上的集流腔依次与第二喷射板、喷射板上的冷却介质出口以及出口管道相连通。

本实施例的制造方法与实施例1不同之处在于，在加工喷射板后，通过铣削和钻削工艺可以实现第二喷射板的加工，然后再加工冷凝板。最后采用钎焊焊接方法将盖板21、喷射板22、第二喷射板25、冷凝板23以及蒸发板36焊接成一体。

本实施例的工作过程为：：

蒸发板受热后，热量传递至蒸发端吸液芯，使得真空腔内的液体工质在低真空状态下受热蒸发，并迅速充满整个真空腔，汽化后的气体遇到温度较低的冷凝板凝结成液态并释放热能；此时，冷却介质由入口管道纵向流至喷射板，同时通过经喷射板上的冷却介质入口流入第二喷射板内，变为横向流动，经喷射板和第二喷射板上的分流腔分流后分别流入喷射板的平行微槽流道、第二喷射板的平行微槽流道，在压力作用下，气体或液体冷却介质穿过喷射板喷射微孔阵列、第二喷射板的喷射微孔阵列，在冷凝板的喷射腔内形成强烈的阵列射流，实现冲击射流换热，冷凝板的热量迅速被气体或液体吸收，其温度急剧下降，换热后的工质在集流腔汇合后依次经过第二喷射板、喷射板上的冷却介质出口，最后经出口管道纵向流出；与此同时，受热后的蒸汽能更快地在冷凝板冷凝成液体并释放热能，冷凝后的液体经由支撑结构流回至蒸发板，完成一个热交换过程，依此循环。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种一体式微喷射均热板散热器，设置在发热芯片上，其特征在于，包括入口管道、微喷射组件、均热板本体组件和出口管道；

所述微喷射组件包括依次叠加设置的盖板、至少一块喷射板及冷凝板；

所述盖板设有冷却介质入口和冷却介质出口，所述冷却介质入口与入口管道连通，所述冷却介质出口与出口管道连通；

所述喷射板设有分流腔、平行微槽流道、喷射微孔阵列及喷射板冷却介质出口，冷却介质通过分流腔分流平行微槽流道内，在压力作用下，冷却介质穿过喷射微孔阵列形成射流；

所述冷凝板作为微喷射组件的喷射底板，其上表面设有喷射集流腔，所述喷射集流腔包括喷射腔和集流腔；

所述均热板本体组件包括冷凝端吸液芯、铜粉环、蒸发端吸液芯、实心铜柱及蒸发板；

所述冷凝板作为均热板本体组件的冷凝板，其下表面设有冷凝端吸液芯；

所述蒸发板设有凹腔，所述凹腔内设有实心铜柱和蒸发端吸液芯，所述铜粉环烧结在实心铜柱的四周侧壁上，构成均热本本体组件的支撑结构，与冷凝端吸液芯及蒸发端吸液芯形成一体，此时冷凝板与蒸发板之间形成空腔为真空腔。

2.根据权利要求1所述的一种一体式微喷射均热板散热器，其特征在于，喷射板为多块时，多块喷射板叠放设置，多块喷射板内的分流腔、平行微槽流道及喷射板冷却介质出口上下位置对应。

3.根据权利要求2所述的一种一体式微喷射均热板散热器，其特征在于，喷射板距离冷凝板越近，喷射微孔阵列的孔数越多。

4.根据权利要求1所述的一种一体式微喷射均热板散热器，其特征在于，还包括一块锥孔喷射板，设置在喷射板与冷凝板之间，所述锥孔喷射板设有喷射微锥孔阵列及锥孔喷射板冷却介质出口，锥孔喷射板冷却介质出口与喷射板冷却介质出口及盖板的冷却介质出口连通。

5.根据权利要求4所述的一种一体式微喷射均热板散热器，其特征在于，所述喷射微锥孔阵列的中心位置及孔数与喷射板的喷射微孔阵列的中心位置及孔数一致。

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种一体式微喷射均热板散热器，其特征在于，所述蒸发板还设有用于将真空腔抽取真空及注入相变工质的注液管。

7.根据权利要求1所述的一种一体式微喷射均热板散热器，其特征在于，所述喷射腔与集流腔互通。

8.根据权利要求1所述的一种一体式微喷射均热板散热器，其特征在于，所述冷凝端吸液芯及蒸发端吸液芯均为多孔状、网状、泡沫状或多种结构复合而成。

9.根据权利要求1所述的一种一体式微喷射均热板散热器，其特征在于，所述入口管道和出口管道相互平行。

10.一种如权利要求1-9任一项所述的一体式微喷射均热板散热器的制造方法，其特征在于，包括：

通过冲压成型制造带冷却介质入口及冷却介质出口的盖板；

通过铣削和钻削加工出具有不同结构的喷射板；通过铣削加工出带喷射腔和集流腔的冷凝板；通过冲压、电火花或者铣削加工出带凹腔和实心铜柱结构的蒸发板；

通过冲压多孔金属材料或通过石墨模具进行铜粉颗粒烧结形成不同类型吸液芯，吸液芯上预留支撑结构孔位。

通过烧结技术使冷凝端吸液芯、蒸发端吸液芯分别烧结在冷凝板的下表面及蒸发板的凹腔内；

铜粉环烧结在实心铜柱圆周侧壁上，并摆放在蒸发端吸液芯预留的支撑结构孔位中；

采用钎焊焊接方法将盖板、喷射板、冷凝板以及蒸发板焊接成一体，形成具有除气口的壳体；

将注液管与壳体连接，采用钎焊方法对注液管进行焊接，注入液体工质并抽真空，进行二次除气后焊接密封注液管。

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