CN112113450A - 一种用于航天电子散热用的振荡复合式毛细芯均热板结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于航天电子散热的振荡复合式毛细芯均热板结构，其特征在于，包括管壳、振荡热管组和多孔泡沫金属吸液芯，所述管壳的两端口分别配置上盖板和下盖板；上盖板、下盖板和管壳围合形成封闭的蒸汽腔；所述管壳或上盖板上开设有向蒸汽腔注入自湿润流体的注液口；所述振荡热管组为闭式环状结构，布置在设于蒸汽腔内，振荡热管组的下端固定在下盖板上，振荡热管组的两侧部与管壳内壁紧贴，形成凹凸面；所述多孔泡沫金属吸液芯填充在振荡热管组的内部。本发明的有益效果为：气液流动阻力小，使气液两相具有最佳的分流运输路径，均温性能优越，避免液体局部干涸堵塞，不受重力影响，适用于太空失重环境下的航空电子器件散热。

Description

一种用于航天电子散热用的振荡复合式毛细芯均热板结构

技术领域

本发明涉及散热技术领域，具体涉及一种用于航天电子散热用的振荡复合式毛细芯均热板结构。

背景技术

近年来，随着航空电子技术及电力控制系统的迅猛发展，以微电子、智能信息为核心，光电产品如大功率发光二极管，高性能微处理器等光电子/微电子芯片（简称光电芯片）并向集成化和微型化发展，导致单位容积内的发热量急剧增大，其相应的散热技术却远远赶不上光电产品的发展速度，因此，如何解决重力影响下的集成散热问题已成为航空电子芯片设计和正常的关键问题之一。

大多数传统电子散热技术主要有：空气冷却、液体微通道冷却、喷射冷却、热管相变冷却等。在电子器件领域，由于芯片尺寸较小，不便于散热装置的安装；同时芯片与冷却装置之间存在较大的热阻，造成芯片整体表面温度不均，影响电子封装性能，故急需一种能将分散热源进行集中散热的方式来解决。

均热板作为目前前景良好的热扩散装置，其主要优势体现在，对离散的集中式热源热区温度控制能力较强，易于制造出平整光滑、几何适用性好的表面与电子器件直接配合，热流迅速通过蒸汽腔传递并扩散到更大的冷凝表面，有效地扩展了冷凝端面积，进而冷却效果得到有效提升。由于其优秀的等温性、超高的导热性、热流方向可逆性及密度可变性、环境的适应性等优势，被广泛用于大功率CPU芯片、LED固态硬盘等其它高热流密度设备的散热。

传统均热板通过改进吸液芯的结构和材料，包括壁面处烧结，沟槽吸液芯，支撑柱处采用泡沫金属或者铜丝网吸液芯，来改善均热板冷凝液回流速度，降低蒸汽和冷凝液的双向流动阻力和气液剪切力。但是，在高热流密度条件下，支撑柱的增加会极大地减小蒸发面积，同时造成均热板腔内流场的变化，不利于散热效率的提高。

振荡热管是一种结构简单、适应性好，形状灵活，传热性能突出的新型传热元件，其内部工质通过相变发生压力波动，气塞毛细驱动压力差有助于推动气塞与相邻液塞沿渐扩方向运动，其高效的显热与潜热交替传热，使得均热板定向传热循环的趋势增强，从而在高热流密度条件下，有利于均热板的传热性能的改善。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种不受重力影响、传热效率高的用于航天电子散热用的振荡复合式毛细芯均热板结构。

本发明采用的技术方案为：一种用于航天电子散热用的振荡复合式毛细芯均热板结构，其特征在于，包括管壳、振荡热管组和多孔泡沫金属吸液芯，所述管壳的两端口分别配置上盖板和下盖板，在上盖板的顶部均布多个散热片；上盖板、下盖板和管壳围合形成封闭的蒸汽腔；所述管壳或上盖板上开设有向蒸汽腔注入自湿润流体的注液口；所述振荡热管组为闭式环状结构，布置在设于蒸汽腔内；振荡热管组与蒸汽腔等高，振荡热管组的下端固定在下盖板上，振荡热管组的两侧部与管壳内壁紧贴，形成凹凸面；所述多孔泡沫金属吸液芯填充在振荡热管组的内部。

按上述方案，所述振荡热管组包括若干闭式环状的振荡热管，振荡热管以加热源为中心对称平行缠绕于蒸汽腔内。

按上述方案，所述振荡热管的外环与蒸汽腔等高；所述下盖板开设有与振荡热管下端适配的凹槽，振荡热管的下端固定于凹槽内。

按上述方案，所述振荡热管为铜制管；所述振荡热管内部在负压条件下充装低沸腾工质。

按上述方案，所述多孔泡沫金属吸液芯设于振荡热管组的中部，且与加热源位置适配；多孔泡沫金属吸液芯的上下两端分别与振荡热管组的内环紧贴.

按上述方案，所述多孔泡沫金属吸液芯为柱状，多孔泡沫金属吸液芯的外沿与加热源的边界重合或超出加热源的边界。

按上述方案，所述多孔泡沫金属吸液芯采用泡沫铜制成；所述多孔泡沫金属吸液芯孔隙率为90-98%。

按上述方案，所述上盖板、下盖板和管壳均分别采用脱氧的紫铜板制成；所述上盖板和下盖板均为圆台结构，且二者边缘分别设置有若干用于与管壳连接的螺栓孔；所述上盖板与管壳的连接处、下盖板与管壳的连接处均分别采用焊锡膏及密封胶密封。

按上述方案，在上盖板的顶部均布多个散热片。

按上述方案，蒸汽腔内的压力为0.0001-0.0074Mpa。

本发明的有益效果为：本发明在蒸发腔内设振荡热管组，并填充多孔泡沫金属吸液芯，多孔泡沫金属吸液芯具有较高的孔隙率，可产生较高毛细力，而振荡热管组无缝隙焊接在管壳内壁，其气液塞的显热/潜热传递显著促进均热板结构的最大换热能力，同时振荡热管组其蒸发端（下端）凹凸不齐的表面有助于强化薄膜沸腾换热性能，而与管壳内壁贴合形成的凹凸面有助于冷凝段液体回流，加快了均热板结构的热质循环散热能力，该均热板结构的气液流动阻力小，使气液两相具有最佳的分流运输路径，均温性能优越，避免液体局部干涸堵塞，不受重力影响，突出强化液体的回流和相变过程，适用于太空失重环境下的航空电子器件散热。多孔泡沫金属吸液芯和振荡热管组组装后与蒸汽腔等高，可有效防止抽真空造成蒸汽腔压扁，增强了蒸汽腔抗压能力。

附图说明

图1为本发明一个具体实施例的结构示意图。

图2为本实施例的组装示意图。

图3为本实施例中振荡热管组安装示意图。

图4为本实施例中多孔泡沫金属吸液芯的示意图。

图5为图3的A-A面内部截面示意图。

图6为本实施例中振荡热管组的工作示意图。

图7为模型一的计算温度分布图。

图8为模型二的计算温度分布图。

图9为模型一和模型二底部温度比较图。

图10为本发明的工作原理示意图。

其中：1-管壳，2-振荡热管组，3-下盖板，4-上盖板，5-多孔泡沫金属吸液芯，6-散热片。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地描述。

如图1和图2所示的用于航天电子散热用的振荡复合式毛细芯均热板结构，包括管壳1、振荡热管组2和多孔泡沫金属吸液芯5，所述管壳1的两端口分别配置上盖板4和下盖板3，上盖板4、下盖板3和管壳1内壁围合形成封闭的蒸汽腔；所述管壳1或上盖板4上开设有向蒸汽腔注入自湿润流体的注液口；所述振荡热管组2为闭式环状结构，布置在设于蒸汽腔内；振荡热管组2与蒸汽腔等高，振荡热管组2的下端（为蒸发端）固定在下盖板3上，振荡热管组2的两侧部与管壳1内壁紧贴，形成凹凸面；所述多孔泡沫金属吸液芯5填充于振荡热管组2的内部（也即振荡热管组2内环围成的空间）。

优选地，在上盖板4的顶部均布多个散热片6；散热片6与上盖板4一体成型，用于与散热风扇配合散热。

优选地，如图3所示，所述振荡热管组2包括若干闭式环状的振荡热管，振荡热管以加热源为中心对称平行缠绕于蒸汽腔内，使振荡热管紧贴在蒸汽腔内壁面处，振荡热管的外环与蒸汽腔等高；振荡热管的两侧与管壳1内壁面保持接触；下盖板3开设有与振荡热管下端适配的凹槽，振荡热管的下端固定于凹槽（可焊接）内。

优选地，所述振荡热管为铜制管，管外径为2mm，管内径为1mm；所述振荡热管内部在负压条件下充装低沸腾工质（可为60%体积比的丙酮），充装完毕后进行封死；本发明中，振荡热管的其他配置均为现有技术，这里不再赘述。随着振荡热管蒸发段热量的上升，工质相变使管内的压力波动，气泡与液塞在管内流动与振荡，从而实现振荡热管蒸发段与冷凝段之间高效传热。当蒸汽腔内部液体蒸发沸腾的同时，振荡热管组2也开始气液流动，进行高效的二次传热。

优选地，如图5所示，所述多孔泡沫金属吸液芯5设于振荡热管组2的中部，且与加热源位置适配；多孔泡沫金属吸液芯5的上下两端分别与振荡热管组2的内环紧贴；所述多孔泡沫金属吸液芯5为柱状（如图4所示），多孔泡沫金属吸液芯5的外沿与加热源的边界重合或超出加热源的边界。

优选地，所述多孔泡沫金属吸液芯5采用泡沫铜制成，孔径为0.1mm，目数为200；所述多孔泡沫金属吸液芯5孔隙率为90%~98%，较高的孔隙率能够产生较高毛细力，有利于液体自发汇集于热端位置。泡沫金属采用具有较高的孔隙率以及能够产生较高毛细力的多孔介质，四周为蒸汽腔，在毛细力差作用下，强化中心部位的蒸发换热性能；侧面管壳1处振荡热管组2形成的凹凸面，有利于引流冷凝液体回流，便于较大区域液体回流，同时气液流动阻力小，传热效率高，避免液体局部干涸堵塞。

优选地，所述上盖板4、下盖板3和管壳1均分别采用脱氧的紫铜板制成（蒸汽腔为脱氧的紫铜板制成的圆柱形的蒸汽腔）；所述上盖板4和下盖板3均为圆台结构，且二者边缘分别设置有若干用于与管壳1连接的螺栓孔；所述上盖板4与管壳1的连接处、下盖板3与管壳1的连接处均分别采用焊锡膏及密封胶密封，通过外置散热风扇辅助散热。

优选地，所述注液口采用橡皮管道制成，通过钢箍封闭；注液口既用于抽真空，又可用于将配置好的自湿润流体注入蒸汽腔中。橡皮管道制成的注液口具有一定的柔韧性，避免抽真空及注液产生漏气，方便封闭实现密封。

本实施例中，上盖板4和下盖板3的直径均为6cm，管壳1高度为2cm，注液口直径为2mm；散热片6采用铝制材料制成，其翅片高度为10mm，宽度为3mm，散热片6与上盖板4一体成型；多孔泡沫金属吸液芯5直径为与加热源直径相同的2cm，高度与振荡热管组2内部位置一致；蒸汽腔为圆柱形，多孔泡沫金属吸液芯5为圆柱体结构；振荡热管组2为闭式环状结构，两侧紧密贴近蒸汽腔内壁面，振荡热管组2包括10圈振荡热管，振荡热管的为铜制管，管外径为2mm，管内径为1mm；多孔泡沫金属吸液芯5稳定固定在振荡热管组2内部，既增强蒸汽腔抗压能力，防止抽真空造成压扁现象；同时防止振荡热管组2被上盖板4挤压扭曲变形。

安装时，先将振荡热管组2焊接在下盖板3（也即均热板蒸发端）的凹槽内，随后将多孔泡沫金属吸液芯5塞入振荡热管组2，再将管壳1套在振荡热管组2的外围，随之将上盖板4压入管壳1内，将整个需要密封的部位用磨砂纸打磨光滑后涂上焊锡膏，使用热风枪加热后等待凝固密封，再使用密封胶将均热板外围部分均匀涂满，同时在密封处进行螺丝处理，进一步加强所述均热板结构的密封性。密封完全后为保证电子器件维持在正常温度范围内，通过真空泵将蒸汽腔内抽气到0.0001~0.0074Mpa，以降低工质的饱和温度；在真空表的数值保持稳定8分钟后，将配制好的自湿润流体利用注射器注入至蒸汽腔中，本实施例采用50%的充液率（充入液体为整个蒸汽腔体积的50%），充液结束后将管壳1处的注液口用钢箍完全封死。

本发明中，所述自湿润流体为1 wt.% 的正丁醇水溶液，即将10g的正丁醇溶解在990g的纯水中并搅拌均匀10分钟，配制成质量分数为1 wt.%的自湿润流体。在高温条件下，自湿润流体气液截面产生温度梯度即热毛细作用，从而使流体表面张力变大，为多孔泡沫金属吸液芯5提供了强大的毛细力，液体会被“拉”向高温区域，湿润烧干部分，增强了沸腾换热强度；同时四周振荡热管构成的凹凸壁面，提供了引流回路，在失重条件下保证所述均热板结构能高效稳定地进行散热工作。所述多孔泡沫金属吸液芯5和振荡热管组2，两者组合与蒸汽腔内部等高，可防止抽真空造成蒸汽腔压扁现象，增强蒸汽腔抗压能力。

本发明充分利用振荡热管组2的特性，随着加热源（如芯片）的运行，热流密度上升导致下盖板3温度急剧增大，蒸发段液体开始薄膜蒸发，同时蒸汽腔内侧壁处的振荡热管组2在表面张力作用下，形成长度不等的液柱和汽塞（如图6所示），加热底部的热量推动气液两相流体在加热段和冷凝段之间脉动，从而实现能量的双回路传递。随着冷凝壁面的蒸汽开始凝结成液体，其自湿润工质的表面张力随温度的上升而增大的，从而产生推动力促使自湿润流体工质通过中间泡沫金属吸液芯，工质自发地从低温区域回流润湿高温区域，尤其在扁平的均热板结构下，强化了中心部位的蒸发换热性能。本发明所述均热板结构不受重力的影响，避免液体局部干涸堵塞，传热效率高，气液流动阻力小，均温性能优越，具有双回路能量输运结构，适用于太空失重环境下的高精尖航空电子器件散热。

本发明的工作原理如图10所示，加热源（电子器件）开始工作后，其热量导热到下盖板3，随后传递到振荡热管组2中，振荡热管组2内工质相变产生管内的压力波动，使得气泡与液塞在管内流动与振荡，从而实现脉动热管蒸发段与冷凝段之间的高效传热；同时蒸汽腔底部的自湿润流体开始蒸发沸腾，受热沸腾蒸发为气态，通过多孔泡沫金属吸液芯5外围的蒸汽腔扩散流动至冷端即上盖板4内表面，蒸汽冷凝为液体，将潜热传递给冷端，通过热沉散热到环境中；由于中心处的多孔泡沫金属吸液芯5具有较高的孔隙率及毛细压力，冷端的自湿润流体在毛细力和表面张力的双重作用下，向加热端回流，完成整个热质循环。

加热源开始工作后，热流首先到达振荡热管组2，其中点热源由于微热管内液塞与气塞的振荡行为，热量迅速扩散到四周位置，当底部进一步温度的提高，蒸汽腔底部工质开始相变蒸发。本发明通过数值计算对10W下的热源散热做出了比较，如图7所示为未安装振荡热管组2的均热板（模型一）计算温度分布图(图7中的各数字均表示温度)，观察发现均热板温度主要集中在中间部分，同时热量没有迅速扩散到四周位置，最高温度达到315K；如图8所示为安装振荡热管组2的均热板(模型二)计算温度分布图(图8中的各数字均表示温度)，观察发现温度迅速扩散到四周，同时管壳1内壁处的振荡热管也可以传递热量到冷端，计算发现底部热源温度较低，最高温度达到305K，有效降低了热点温度，同时下盖板3温度均匀性进一步提高，由于振荡热管组2的强大毛细力作用，所述均热板结构不受重力影响，有利于航空电子器件稳定运行。

如图9所示，在相同条件下，未安装振荡热管组2的均热板与安装振荡热管组2的均热板温度对比曲线图，计算发现模型一底部热点温度较高，均热板温度均匀性较弱，主要是由于高热流密度下,腔内的气液流动阻力较大，水平位置下，液体主要集中在底部中心部分蒸发散热，且受到角度的影响明显。模型二的热点温度得到有效降低，在振荡热管的双重散热下，均热板温度均匀性明显改善，说明目前的振荡复合式毛细芯均热板，能够适应于高热流密度下航天电子器件环境。

本发明通过在蒸汽腔内安装振荡热管组2，气液塞的显热/潜热传递能够显著提高蒸发段的温度均匀性，降低电子器件的损耗。在高热流运作下，所述振荡热管组2能有效促进下盖板3处薄膜蒸发换热过程，同时贴合管壳1内壁形成的凹凸面有助于冷凝段液体回流，加快了所述均热板结构热质循环散热能力。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，本文及附图中表示的冷凝液，均指的是自湿润流体的不同相变过程，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于航天电子散热的振荡复合式毛细芯均热板结构，其特征在于，包括管壳、振荡热管组和多孔泡沫金属吸液芯，所述管壳的两端口分别配置上盖板和下盖板；上盖板、下盖板和管壳围合形成封闭的蒸汽腔；所述管壳或上盖板上开设有向蒸汽腔注入自湿润流体的注液口；所述振荡热管组为闭式环状结构，布置在设于蒸汽腔内；振荡热管组与蒸汽腔等高，振荡热管组的下端固定在下盖板上，振荡热管组的两侧部与管壳内壁紧贴，形成凹凸面；所述多孔泡沫金属吸液芯填充在振荡热管组的内部。

2.如权利要求1所述的振荡复合式毛细芯均热板结构，其特征在于，所述振荡热管组包括若干闭式环状的振荡热管，振荡热管以加热源为中心对称平行缠绕于蒸汽腔内。

3.如权利要求1所述的振荡复合式毛细芯均热板结构，其特征在于，所述振荡热管的外环与蒸汽腔等高；所述下盖板开设有与振荡热管下端适配的凹槽，振荡热管的下端固定于凹槽内。

4.如权利要求1所述的振荡复合式毛细芯均热板结构，其特征在于，所述振荡热管为铜制管；所述振荡热管内部在负压条件下充装低沸腾工质。

5.如权利要求1所述的振荡复合式毛细芯均热板结构，其特征在于，所述多孔泡沫金属吸液芯设于振荡热管组的中部，且与加热源位置适配；多孔泡沫金属吸液芯的上下两端分别与振荡热管组的内环紧贴。

6.如权利要求1所述的振荡复合式毛细芯均热板结构，其特征在于，所述多孔泡沫金属吸液芯为柱状，多孔泡沫金属吸液芯的外沿与加热源的边界重合或超出加热源的边界。

7.如权利要求1所述的振荡复合式毛细芯均热板结构，其特征在于，所述多孔泡沫金属吸液芯采用泡沫铜制成；所述多孔泡沫金属吸液芯孔隙率为90%~ 98%。

8.如权利要求1所述的振荡复合式毛细芯均热板结构，其特征在于，所述上盖板、下盖板和管壳均分别采用脱氧的紫铜板制成；所述上盖板和下盖板均为圆台结构，且二者边缘分别设置有若干用于与管壳连接的螺栓孔；所述上盖板与管壳的连接处、下盖板与管壳的连接处均分别采用焊锡膏及密封胶密封。

9.如权利要求1所述的振荡复合式毛细芯均热板结构，其特征在于，在上盖板的顶部均布多个散热片。

10.如权利要求1所述的振荡复合式毛细芯均热板结构，其特征在于，蒸汽腔内的压力为0.0001~0.0074MPa。

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