CN112351642A - 一种集成泡沫金属吸液芯和翅片的散热器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种集成泡沫金属吸液芯和翅片的散热器，包括真空均热板和设于均热板上的泡沫金属翅片散热体。所述真空均热板，包括上板、下板、工质以及孔密度较高的泡沫金属吸液芯。所述泡沫金属翅片散热体具有稍低孔密度，用以降低流阻，可以为竖直阵列式也可以为一体式，并用电镀或钎焊的方式与真空均热板上表面连接在一起。热源产生的热量先通过真空均热板快速传递并扩展到上面板，然后借助外置的泡沫金属翅片散热体增大散热面积，使流体易在通孔泡沫金属内部形成漩涡和紊流，增大流固耦合换热效率。本发明充分利用了开孔泡沫金属的高比表面积，高孔隙率的优势，结合真空均热板超高的传热速度，大大提高了散热器的散热效率。

Description

一种集成泡沫金属吸液芯和翅片的散热器

技术领域

本发明属于传热学工程技术领域，尤其涉及一种轻质高效的结构型散热器，将均热板散热与泡沫金属翅片散热集成在一起，可用于大功率电子器件的散热。

背景技术

高性能、高可靠的电子系统是现代化武器装备和国民经济各行业高性能装备安全、可靠工作的基础。现代电子系统向高速、高集成方向发展，多功能和小型化使单位容积内电子器件的发热量快速增大，电子系统的温控(散热)日益成为高性能电子系统发展的瓶颈。已有研究表明：电子器件的性能随温度升高而降低，元器件的失效率与其温度成指数关系。高热流密度导致电子产品中的温控成本急剧上升，产品的热失效越来越严重。电子系统的温控已经成为关乎电子设备的可靠性、寿命和成本的重要因素。设计精良的散热器组件需要高导热系数的材料和结构把热量从电子元器件传到到散热器上。

目前的散热材料在结构上多为实体金属，而泡沫金属具有质轻、表面积大、孔隙率高、导热性能好、结构连续等特点，我们预测多孔泡沫金属将会成为新型轻质高性能散热器的优选材料。在散热的方式上，风冷散热是最简单的散热方式，采用先进风扇和优化大面积热沉，风冷技术的冷却能力可达50W/cm^2，，加强该方式的散热效率常采用三种方式：采用导热性良好的材料作散热器，增大散热器的散热面积，及强迫风冷。而相变传热的效率是风冷与水冷都无法比拟的。与风冷和相变传热相比传统的液冷一般需要液体循环装置，由额外的泵提供液体循环的动力。这类液冷的特点在于，散热效率较风冷高，由于循环系统体积较大，多用于大型电子设备的散热。

随着散热技术的发展，以液体的蒸发冷凝为散热途径的热管类散热器越来越多的被应用。平板热管是一种传热效率极高的换热元件，冷、热流体间的热量传递是靠热管内工作介质蒸发和冷凝的相变过程耦合在一起的，它的当量热导率可达金属的1000倍。与传统液冷技术相比，平板热管具有无需消耗动力、空间尺寸小、冷却能力高、单位面积传热量高等优势。吸液芯作为热管的核心元件，是热管循环系统毛细力的提供者。常见的吸液芯主要有沟槽式、烧结金属粉末式、丝网式、纤维式。不同吸液芯各有其优缺点及应用范围。泡沫金属吸液芯可克服丝网吸液芯热阻大、烧结金属粉末吸液芯流动阻力大、槽道吸液芯方向性强、干道吸液芯制造困难等缺点，显示出很大的优越性。目前对多孔泡沫金属中的导热、辐射及单相对流已经进行了较为广泛的研究。

韩国Kim等人将泡沫铝翅片散热器与传统铝基翅片进行对比，结果表明泡沫铝的高孔隙率有利于强烈的气流通过，并可产生局部涡流与紊流，从而使散热器的热阻降低，提高散热效率。传统的散热器多采用翅片与热管的结合，平板热管的导热系数高，传热迅速热阻小，可以将热源处的热量迅速传递出去，再通过翅片散入空气中去。目前的平板热管的吸液芯多采用粉末烧结的方法，但这种吸液芯不能有效克服毛细力不足以及流阻过大而产生的干化现象。

专利CN1523300A公布了一种能够散发半导体温差电器件高热流密度大功率热量的散热翅片、热管、母板金属一体化散热器，其特征是将散热翅片、热管、母板相互焊接形成的。虽然部件一体化的散热器能够更好地均热、减小各部件之间的温差，但其受翅片比表面积的限制，散热性能较为一般且风阻较大，最终的散热速率仍不够优越。

专利CN2720631Y公布了一种翅片热管散热器，为了提高翅片的散热效果，将散热翅片做成空心，形成空心翅片热管散热器。该发明使热量从热管体向散热翅片传播的速度与热管的传热速度相当，翅片温度与周围环境温度差相对提高，允许的翅片面积相对增大。但受传热工质的及翅片有效散热面积的限制，热量最终向空气中耗散的速率较慢，限制了散热器的使用温度。

专利CN1869575A公布了一种散热芯式散热器，包括一体成型的基座和数片肋片，其基板上留有空腔并填入工质进行密封，上端采用散热翅片，虽然耗材及制作成本少，但其工质无法进行相变传热，在加热过程中其基座的热阻较大。

专利CN101578029公布了一种集成热管和泡沫金属芯体的相变温控装置，其第二散热体为普通的实体翅片，第一散热体为平板式热管，泡沫金属填充满整个平板热管的腔体。泡沫金属填充满整个腔体对相变过程的阻力过大，会导致上部干涸，亦或导致上部的冷凝工质无法正常回流，而且第二散热体采用的是实体翅片，与泡沫金属翅片相比，比表面积较小。

综上所述，将泡沫金属吸液芯与泡沫金属翅片散热体组合的散热器，未来应用前景极为广阔。

发明内容

为了解决现有技术中的技术难题，本发明旨在提出一种具有较好散热性能，满足对散热器的体积和重量的严格要求，并能够通用于风冷或液冷的工况下的散热装置及其制备方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种集成泡沫金属吸液芯和翅片的散热器，其特征在于，包括真空均热板和设置真空均热板顶部，数量至少一个的泡沫金属翅片散热体；

其中，所述真空均热板自上而下依次包括有：顶部设置有与所述泡沫金属翅片散热体形状相对应凹槽的上板、顶部设置有空腔的泡沫金属吸液芯以及内部设置有焊粉的下板；

所述凹槽的数量与所述泡沫金属翅片散热体的数量一致，所述泡沫金属翅片散热体插接在上板上的凹槽内；

所述上板、下板以及泡沫金属吸液芯之间相互固定连接。

进一步的，所述泡沫金属翅片散热体与上板上的凹槽之间相互固定连接方式，为电镀连接、粉末烧结或钎焊中的一种。

进一步的，所述泡沫金属吸液芯的空腔通过局部压溃成型；所述泡沫金属吸液芯底部通过钎焊的方式焊接在下板上。

进一步的，所述上板与下板通过氩弧焊焊接或钎焊的方式连接为一个整体。

进一步的，所述泡沫金属吸液芯的孔密度PPI为0～0，上表面采用00～00 目的金属粉或者钎焊剂进行烧结。增大蒸发和冷凝端的接触面积。

进一步的，所述真空均热板的内部使用的工质是低温沸腾传热工质，为纯水、乙醇、甲醇或丙酮中的一种。

进一步的，所述真空预热板的材质为铜、不锈钢、铝中的一种。

进一步的，所述泡沫金属翅片散热体，材质为泡沫铜或泡沫铝，孔密度为～ 0PPI。

进一步的，所述泡沫金属翅片散热体数量为多个或一个；当数量为多个时，多个泡沫金属翅片散热体竖直排布组成的翅片阵列均匀设置在所述上板上方；当数量为单个时，单个泡沫金属翅片散热体均匀设置在所述上板上方。

一种集成泡沫金属吸液芯和翅片的散热器，其特征在于，制备方法如下：

步骤一：真空均热板的预处理；

先将真空均热板所用泡沫金属吸液芯通过液压机液压出空腔；

然后将液压好的泡沫金属吸液芯与下板通过钎焊的方式焊接连接，完成真空真空均热板的预处理；

步骤二：泡沫金属翅片散热体的连接；

先将上板顶部开设凹槽；凹槽内填充钎料，将泡沫金属翅片散热体固定在上板的凹槽内，通过电镀连接、粉末烧结或钎焊的方法，使得泡沫金属翅片散热体与上板成为一个整体；

步骤三：集成泡沫金属吸液芯和上板组装；

将连接有泡沫金属翅片散热体的上板与下板氩弧焊焊接或钎焊的方式连接在一起，集成为一个整体的散热器；

步骤四：工质输入；

真空均热板在焊接之前侧面留有一小孔，连接一个三通管，在步骤四上板和下板焊接成整体后，连接真空泵和工质输入端，先关闭工质输入阀，用真空泵将均热板腔体内抽到-0.0MPa左右的真空度，然后关闭真空泵连接阀，打开工质输入阀填充一定体积的工质，最后完成真空均热板的封装处理，即可。

与现有技术局相比，本专利的有益效果为：

(1)特别设置凹槽结构，上板上的凹槽便于所述泡沫金属翅片散热体的安装及一体化连接；泡沫金属与金属基板表面的连接通过采用电镀、钎焊或粉末烧结的一体化连接的方式，在保证材料同质过渡的前提下，提高工艺可行性，增大有效传热面积，减少热阻。

(2)泡沫金属翅片散热体的散热介质为流体，可以是气体，也可以是液体。针对于不同的工作环境，需要根据翅片散热体的流阻特性合理布局风机或散热液循环系统，使流体易在通孔泡沫金属内部形成漩涡和紊流，带走大量的热，以达到理想的散热性能。

(3)泡沫金属吸液芯采用高孔密度泡沫金属，通过简单的局部压溃形成蒸汽室空腔，并通过钎焊的方式焊接在下板上，由此形成了泡沫金属和焊粉的复合吸液芯，提供工质循环所需的毛细力。在使用时，热量通过真空均热板进行有效快速的热扩散，在此过程中利用泡沫金属吸液芯与焊粉复合的毛细作用，可迅速将蒸发面扩展到泡沫金属与液气界面结合处，提高了真空均热板的瞬时反应速率。随后热量再传导至泡沫金属翅片散热体上，通过流体的对流换热将热量交换。此过程利用泡沫金属大的比表面积和良好的三维通透结构，使流体容易在泡沫金属内形成紊和扰流以提高散热效率，该散热装置结构紧凑，可靠性高，装置的重量轻、体积小，可满足电子元器件高散热需求。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图

图2为本发明实施例2的结构示意图

图3为散热器在自冷却时的红外测试图b

图4为散热器在自冷却时的红外测试图c

图5泡沫铜板在液体介质中的沸腾传热测试结果图

具体实施方式

以下通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述，但不构成对本发明的限定。

实施例1

本实施例实验了基于真空均热板与泡沫铜翅片阵列式散热体的集成散热器，制备方法如下。

步骤(1)：真空均热板中的制备。真空均热板所用泡沫金属吸液芯为80PPI 的泡沫铜与下板的连接采用铜磷钎料，该泡沫铜由电化学沉积制备，并用液压机压制成“回”字形结构，该凹槽可以作为工质蒸发冷凝时循环的回路，同时，冲压工艺也增加泡沫金属与均热板底板的接触面积，该设计利于工质在泡沫金属毛细结构内的流动，并且增加了蒸发面积，使得真空均热板的均温性能更好，工质在毛细力和压差的作用下较好的相变循环，并可有效降低真空均热板中界面连接的热阻。其钎料焊接温度700℃，在还原性气氛中自行焊接在一起。

步骤(2)：阵列式泡沫金属翅片散热体的连接。在上板开若干平行槽后，凹槽内填充钎料，将30PPI的泡沫铜固定在上板凹槽上，通过还原气体保护钎焊的方法与真空均热板上板焊接成一个整体。

步骤(3)：集成泡沫金属吸液芯和上板组装。将连接有泡沫金属翅片的上板与下板用氩弧焊焊接在一起，集成为一个整体的散热器，使得散热装置的结构紧凑。

步骤(4)：工质输入。真空均热板在焊接之前侧面留有一小孔，连接一个三通管，上下板焊接成整体后连接真空泵和工质输入端，先关闭工质输入阀，用真空泵将均热板腔体内抽到-0.07MPa左右的真空度，然后关闭真空泵连接阀，打开工质输入阀填充一定体积的工质，最后完成真空均热板的封装处理。在本实施例中，抽真空后封装的工质为去离子水。

实施例2

本实施例与实施例1的结构不同之处在于，采用了一体式的泡沫金属翅片散热体，

本实施例的一种集成泡沫金属吸液芯和翅片的散热器，制备方法如下。

步骤(1)：真空均热板中的制备。与实施例1中相同。

步骤(2)：一体式泡沫金属翅片散热体的连接。将50PPI的泡沫铜固定在上板凹槽上，在焦磷酸铜溶液中以常规电镀工艺，连接成一个整体。

步骤(3)：集成泡沫金属吸液芯和上板组装。电镀之后，将上下板合上，在缝隙之间填充铜磷钎料，通过还原气体保护下钎焊的方法焊接成一个整体。

步骤(4)：工质输入。真空均热板在钎焊之前侧面留有一小孔，连接一个三通管，上下板钎焊成整体后连接真空泵和工质输入端，先关闭工质输入阀，用真空泵将均热板腔体内抽到-0.07MPa左右的真空度，然后关闭真空泵连接阀，打开工质输入阀填充一定体积的工质，最后完成真空均热板的封装处理。在该实施例中，抽真空后封装的工质为去离子水。

为了准确得到本发明专利的技术效果参数，发明人将本发明一种集成泡沫金属吸液芯和翅片的散热器进行了多组实验测试。

一、自冷却特性实验。

在没有外部强迫对流情况下，散热器铜基座底部贴有加热功率为80W的加热片模拟实际热源，利用Fluke Ti25热像仪对散热器的温度场分布情况进行测量。

图3和图4展示了实施例1的集成泡沫金属吸液芯和翅片的散热器，在无外部强迫对流情况下自冷却时的红外温度场分布。可以看出，热量被均热板从底端热源快速带到上板，利用泡沫金属的翅片与空气进行对流换热，泡沫金属翅片及吸液芯的引入强化了基板的均温性，在基板温度50℃左右的均热板启动温度下起到较好的散热效果。

因此，泡沫铜不仅可以在强迫空气对流的工况下进行快速有效地散热，其自冷却也具有一定的可行性，原因在于铜的导热性能相比其它常用的金属更好，而泡沫铜的三维骨架结构又为散热提供了较大的接触面。金属“泡沫”内的过热区域，其空气会比外部区域加热得更快。而空气膨胀又会产生一定的对流，从而创建出其自身的一个“微循环”，空气可以自由地穿梭于其间，悄无声息地将热量带走。这种基于泡沫铜的散热器，在适当的结构设计下，比如可整块泡沫铜取代现有的翅片，人们甚至不用再为其配备散热风扇便可实现高效安静的散热目标。

二、在液体介质中的沸腾传热测试实验

发明人采用可视化热管装置，系统研究泡沫金属表面池沸腾现象，模拟泡沫金属吸液芯对工质蒸发与冷凝的影响，具体包括：

(a)吸液芯的毛细力取决于有效毛细半径，通过实验，较准确地得出合适孔径的泡沫金属吸液芯的有效毛细半径和毛细力；

(b)多孔泡沫金属孔隙特征参数如孔隙率和渗透率对吸液芯池沸腾传热性能的影响，着重研究泡沫金属骨架加热工质过程中的气泡机制；

(c)泡沫金属吸液芯内不同工质相变传热性能比较，设计具有不同使用温度区间的系列化热管产品。

实验数据如图5所示，在同样的热流密度下，泡沫金属表面气泡比光滑铜表面池沸腾现象要明显剧烈，说明了泡沫铜有增强界面沸腾传热的效果；而在不同热流密度下的泡沫铜表面，可以看到气泡由单一的小体积快速的成长而离开泡沫金属骨架表面，继而联合成大块泡沫的成泡演变机制，而且泡沫金属骨架表面气泡成核沸腾的强度随着加热功率的增加而增大。由于泡沫铜的三维孔隙结构，其与光滑的平面相比，液体工质的沸腾起始温度可以减小7-9K，传热系数可以达到5.9W/cm²k，大约2倍于光滑的表面。

因此，泡沫铜作为真空均热板的吸液芯时，能够结合液态传热工质，具有更好的相变传热效率；作为翅片散热体时，不仅能够拥有更明显的自冷却散热效应，而且在流体的强迫对流散热工况下，无论是气体还是液体，都能够显著提升散热器的散热效率。本发明的一种集成泡沫金属吸液芯和翅片的散热器，相较于传统散热器，能够更快更有效地散热。

附图标记说明

泡沫金属翅片散热体1；

上板2；

凹槽3；

泡沫金属吸液芯4；

下板5；

焊粉6；

真空均热板7；

空腔8。

Claims (10)

1.一种集成泡沫金属吸液芯和翅片的散热器，其特征在于，包括真空均热板(7)和设置真空均热板(7)顶部，数量至少一个的泡沫金属翅片散热体(1)；

其中，所述真空均热板(7)自上而下依次包括有：顶部设置有与所述泡沫金属翅片散热体(1)形状相对应凹槽(3)的上板(2)、顶部设置有空腔(8)的泡沫金属吸液芯(4)以及内部设置有焊粉(6)的下板(5)；

所述凹槽(3)的数量与所述泡沫金属翅片散热体(1)的数量一致，所述泡沫金属翅片散热体(1)插接在上板(2)上的凹槽内；

所述上板(2)、下板(5)以及泡沫金属吸液芯(4)之间相互固定连接。

2.如权利要求1所述的一种集成泡沫金属吸液芯和翅片的散热器，其特征在于，所述泡沫金属翅片散热体(1)与上板(2)上的凹槽之间相互固定连接方式，为电镀连接、粉末烧结或钎焊中的一种。

3.如权利要求1所述的一种集成泡沫金属吸液芯和翅片的散热器，其特征在于，所述泡沫金属吸液芯(4)的空腔(8)通过局部压溃成型；所述泡沫金属吸液芯(4)底部通过钎焊的方式焊接在下板(5)上。

4.如权利要求1所述的一种集成泡沫金属吸液芯和翅片的散热器，其特征在于，所述上板(2)与下板(5)通过氩弧焊焊接或钎焊的方式连接为一个整体。

5.如权利要求1所述的一种集成泡沫金属吸液芯和翅片的散热器，其特征在于，所述泡沫金属吸液芯(4)的孔密度PPI为40～110，上表面采用100～400目的金属粉或者钎焊剂进行烧结。

6.如权利要求1所述的一种集成泡沫金属吸液芯和翅片的散热器，其特征在于，所述真空均热板(7)的内部使用的工质是低温沸腾传热工质，为纯水、乙醇、甲醇或丙酮中的一种。

7.如权利要求1所述的一种集成泡沫金属吸液芯和翅片的散热器，其特征在于，所述真空预热板(7)的材质为铜、不锈钢、铝中的一种。

8.如权利要求1所述的一种集成泡沫金属吸液芯和翅片的散热器，其特征在于，所述泡沫金属翅片散热体(1)，材质为泡沫铜或泡沫铝，孔密度为5～40PPI。

9.如权利要求1所述的一种集成泡沫金属吸液芯和翅片的散热器，其特征在于，所述泡沫金属翅片散热体(1)数量为多个或一个；当数量为多个时，多个泡沫金属翅片散热体(1)竖直排布组成的翅片阵列均匀设置在所述上板(2)上方；当数量为单个时，单个泡沫金属翅片散热体(1)均匀设置在所述上板(2)上方。

10.一种集成泡沫金属吸液芯和翅片的散热器，其特征在于，制备方法如下：

步骤一：真空均热板(7)的预处理；

先将真空均热板(7)所用泡沫金属吸液芯(4)通过液压机液压出空腔(8)；

然后将液压好的泡沫金属吸液芯(4)与下板(5)通过钎焊的方式焊接连接，完成真空真空均热板(7)的预处理；

步骤二：泡沫金属翅片散热体(1)的连接；

先将上板(2)顶部开设凹槽(3)；凹槽内填充钎料，将泡沫金属翅片散热体(1)固定在上板(2)的凹槽(3)内，通过电镀连接、粉末烧结或钎焊的方法，使得泡沫金属翅片散热体(1)与上板(2)成为一个整体；

步骤三：集成泡沫金属吸液芯(4)和上板(2)组装；

将连接有泡沫金属翅片散热体(1)的上板(2)与下板(5)氩弧焊焊接或钎焊的方式连接在一起，集成为一个整体的散热器；

步骤四：工质输入；

真空均热板(7)在焊接之前侧面留有一小孔，连接一个三通管，在步骤四上板(2)和下板(5)焊接成整体后，连接真空泵和工质输入端，先关闭工质输入阀，用真空泵将均热板腔体内抽到-0.07MPa左右的真空度，然后关闭真空泵连接阀，打开工质输入阀填充一定体积的工质，最后完成真空均热板的封装处理，即可。

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