CN113819782A - 一种相变散热装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种相变散热装置，包括：下底座、上顶座、毛细芯及导向结构，下底座的底部用于与热源接触；上顶座设置于下底座的顶部，并与下底座围合形成有蒸汽腔；毛细芯设置于下底座的顶部，并位于蒸汽腔内；导向结构设置于蒸汽腔的内壁上，导向结构用于引导毛细芯中的冷却液吸热蒸发后形成的蒸汽在流入蒸汽腔后沿蒸汽腔的内壁流动，以及引导蒸汽腔内的蒸汽在接触蒸汽腔的内壁预冷后形成的冷却液沿蒸汽腔的内壁的流动。该相变散热装置通过导向结构的设置，有效地解决了现有的蒸汽腔存在蒸汽在蒸汽腔的部分区域过度聚集而导致的蒸汽腔的整体均温性差的问题，同时实现冷却液相对毛细芯的回流，有效防止毛细芯在高热负荷作用下发生局部蒸干。

Description

一种相变散热装置
技术领域
本发明涉及电子元器件的散热技术领域，特别涉及一种相变散热装置。
背景技术
传统的单相冷却技术已经难以满足当前高热流密度电子元器件的散热要求。近年来，以热管为代表的高效相变冷却技术进入大规模商业应用中。基于热管原理开发的蒸汽腔散热技术是具有内部空腔的平板式结构，消除了加热面积和冷却面积对热管应用的局限性，将热量传递的维度从传统热管的“一维”拓展到“二维”，大大扩展了散热面积，提高了散热能力，在高热流密度电子元器件的冷却领域应用前景广阔。
现有的相变散热装置的蒸汽腔一般为等截面结构，该等截面结构的蒸汽腔主要存在两个问题：(1)蒸汽在蒸汽腔内的均匀扩散问题，蒸汽从毛细芯溢出后最容易到达蒸汽腔与电子元器件在相变散热装置的高度方向上相对应的区域，使得蒸汽易过度聚集在蒸汽腔的该区域，而难以扩散至蒸汽腔与电子元器件在相变散热装置的高度方向上偏离程度较远的区域，从而影响蒸汽腔的整体均温性；(2)冷却液的回流问题，蒸汽在接触蒸汽腔的内壁预冷后形成的冷却液在钉扎效应作用下不易掉落至毛细芯，需要在蒸汽腔的内壁上额外设置用于实现冷却液相对毛细芯回流的毛细结构才能解决上述冷却液的回流问题，但是毛细结构的设置，一方面增加蒸汽腔的制备难度和成本，同时还会增加蒸汽与外界环境之间的热阻，因此，提供一种能够解决现有的等截面结构的蒸汽腔存在的上述问题的相变散热装置成为一个亟待解决的问题。
发明内容
基于此，有必要提供一种能够提高蒸汽在蒸汽腔内的扩散均匀性以及有效实现冷却液相对毛细芯的回流的相变散热装置。
一种相变散热装置，包括：
下底座，所述下底座的底部用于与热源接触；
上顶座，所述上顶座设置于所述下底座的顶部，并与所述下底座围合形成有蒸汽腔；
毛细芯，用于依靠毛细力作用供冷却液的渗透，所述毛细芯设置于所述下底座的顶部，并位于所述蒸汽腔内；以及
导向结构，设置于所述蒸汽腔的内壁上，所述导向结构用于引导所述毛细芯中的冷却液吸热蒸发后形成的蒸汽在流入所述蒸汽腔后沿所述蒸汽腔的内壁流动，以及引导所述蒸汽腔内的蒸汽在接触蒸汽腔的内壁预冷后形成的冷却液沿所述蒸汽腔的内壁的流动。
在其中一个实施例中，所述蒸汽腔呈穹顶状，所述导向结构为设置于所述蒸汽腔的内壁上的圆弧结构。
在其中一个实施例中，所述毛细芯包括毛细芯本体和多个毛细芯柱，多个所述毛细芯柱间隔设置于所述毛细芯本体的顶部。
在其中一个实施例中，所述毛细芯柱相对所述毛细芯本体的第一部位密集排布，且所述毛细芯柱相对所述毛细芯本体的第二部位稀疏排布，所述毛细芯本体的第一部位为所述毛细芯本体与所述热源在所述相变散热装置的高度方向上的位置相对应的部位，所述毛细芯本体的第二部位为所述毛细芯本体与所述热源在所述相变散热装置的高度方向上的位置相偏离的部位。
在其中一个实施例中，所述热源用于与所述下底座的底部中央接触，所述毛细芯本体的第一部位为所述毛细芯本体的顶部中央，所述毛细芯本体的第二部位为所述毛细芯本体的顶部四周。
在其中一个实施例中，所述相变散热装置还包括热源接触件，所述热源接触件设置于所述下底座的底部，所述热源接触件用于与所述热源接触。
在其中一个实施例中，所述相变散热装置还包括固定件，所述上顶座上设置有第一固定孔，所述下底座上设置有所述第二固定孔，所述固定件用于依次穿设于所述第一固定孔及所述第二固定孔并与所述热源相配合，以使所述下底座与所述热源紧密接触。
在其中一个实施例中，所述上顶座包括基座和设置于所述基座的顶部的多个散热翅片，所述基座设置于所述下底座的顶部，且所述基座和所述下底座围合形成所述蒸汽腔。
在其中一个实施例中，所述基座包括由上至下依次连接的第一连接座和第二连接座，所述第一连接座包括交叉设置的第一挡板和第二挡板，所述第一挡板和所述第二挡板交叉形成多个容纳槽，所述散热翅片分布于各个所述容纳槽内，所述第二连接座和所述下底座围合形成所述蒸汽腔。
在其中一个实施例中，所述下底座的顶部设置有定位槽，所述毛细芯嵌设于所述定位槽内。
本申请提供的相变散热装置，工作时，热源产生的热量能够经下底座传导至毛细芯，毛细芯中的冷却液吸热后能够蒸发并产生蒸汽，蒸汽从毛细芯溢出后能够流向上顶座的蒸汽腔，由于蒸汽腔与热源在相变散热装置的高度方向上相对应的区域的蒸汽量相对较大，使得蒸汽腔的该对应区域的蒸汽浓度和蒸汽气压相对较高，而蒸汽腔与热源在相变散热装置的高度方向上相偏离的区域的蒸汽量相对较少，使得蒸汽腔的该对应区域的蒸汽浓度和蒸汽气压相对较低，因此，蒸汽腔内的蒸汽在浓度差和气压差的作用下将会在蒸汽腔内自由扩散，由于蒸汽腔的内壁上设置有导向结构，该导向结构能够引导毛细芯中的冷却液吸热蒸发后形成的蒸汽在流入蒸汽腔后沿蒸汽腔的内壁流动，使得该蒸汽能够有效扩散至蒸汽腔与热源在相变散热装置的高度方向上偏离程度较远的区域，从而使得蒸汽在蒸汽腔内的分布更加均匀，提高了蒸汽腔的整体均温性，有效地解决了现有的蒸汽腔存在蒸汽在蒸汽腔的部分区域过度聚集而导致的蒸汽腔的整体均温性差的问题，而流入蒸汽腔的蒸汽在接触蒸汽腔的内壁预冷后会凝结为冷却液，并将蒸汽冷却释放的热量通过上顶座的侧壁传递到外界环境中，以实现对热源的散热；
另一方面，该导向结构还能够引导蒸汽腔内的蒸汽在接触蒸汽腔的内壁预冷后形成的冷却液沿蒸汽腔的内壁流动，使得该蒸汽腔的内壁上形成的冷却液在自身重力作用下即可克服蒸汽腔的内壁的钉扎效应作用与蒸汽腔的内壁脱离并掉落在毛细芯的周边，而该掉落在毛细芯的周边的冷却液最终将会在毛细力作用下重新浸入到毛细芯中，从而形成闭环冷却，实现冷却液相对毛细芯的回流，有效防止毛细芯在高热负荷作用下发生局部蒸干，并且省去了在蒸汽腔的内壁上设置用于实现冷却液相对毛细芯回流的毛细结构，简化了相变散热装置的结构，并降低了相变散热装置的制备难度和成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为一实施例中的相变散热装置的结构分解图；
图2为一实施例中的相变散热装置的上顶座的剖视图；
图3为一实施例中的相变散热装置的毛细芯的剖视图；
图4为一实施例中的相变散热装置的毛细芯的俯视图；
图5为一实施例中的相变散热装置的另一视角的结构分解图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中的“和/或”包括三个方案，以A和/或B为例，包括A技术方案、B技术方案，以及A和B同时满足的技术方案；另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
如图1及图2所示，本申请提供了一种相变散热装置10，该相变散热装置10包括下底座100、上顶座200、毛细芯300以及导向结构400，下底座100的底部用于与热源接触，在一实施例中，热源可以为电子元器件，具体地，热源可以为高热流密度电子元器件。
上顶座200设置于下底座100的顶部，并与下底座100围合形成有蒸汽腔500；毛细芯300用于依靠毛细力作用供冷却液的渗透，毛细芯300设置于下底座100的顶部，并位于蒸汽腔500内。导向结构400设置于蒸汽腔500的内壁上，导向结构400用于引导毛细芯300中的冷却液吸热蒸发后形成的蒸汽在流入蒸汽腔500后沿蒸汽腔500的内壁流动，以及引导蒸汽腔500内的蒸汽在接触蒸汽腔500的内壁预冷后形成的冷却液沿蒸汽腔500的内壁的流动。
本申请提供的相变散热装置10，工作时，热源产生的热量能够经下底座100传导至毛细芯300，毛细芯300中的冷却液吸热后能够蒸发并产生蒸汽，蒸汽从毛细芯300溢出后能够流向上顶座200的蒸汽腔500，由于蒸汽腔500与热源在相变散热装置10的高度方向上相对应的区域的蒸汽量相对较大，使得蒸汽腔500的该对应区域的蒸汽浓度和蒸汽气压相对较高，而蒸汽腔500与热源在相变散热装置10的高度方向上相偏离的区域的蒸汽量相对较少，使得蒸汽腔500的该对应区域的蒸汽浓度和蒸汽气压相对较低，因此，蒸汽腔500内的蒸汽在浓度差和气压差的作用下将会在蒸汽腔500内自由扩散，由于蒸汽腔500的内壁上设置有导向结构400，该导向结构400能够引导毛细芯300中的冷却液吸热蒸发后形成的蒸汽在流入蒸汽腔500后沿蒸汽腔500的内壁流动，使得该蒸汽能够有效扩散至蒸汽腔500与热源在相变散热装置10的高度方向上偏离程度较远的区域，从而使得蒸汽在蒸汽腔500内的分布更加均匀，提高了蒸汽腔500的整体均温性，有效地解决了现有的蒸汽腔500存在蒸汽在蒸汽腔500的部分区域过度聚集而导致的蒸汽腔500的整体均温性差的问题，而流入蒸汽腔500的蒸汽在接触蒸汽腔500的内壁预冷后会凝结为冷却液，并将蒸汽冷却释放的热量通过上顶座200的侧壁传递到外界环境中，以实现对热源的散热；
另一方面，该导向结构400还能够引导蒸汽腔500内的蒸汽在接触蒸汽腔500的内壁预冷后形成的冷却液沿蒸汽腔500的内壁流动，使得该蒸汽腔500的内壁上形成的冷却液在自身重力作用下即可克服蒸汽腔500的内壁的钉扎效应作用与蒸汽腔500的内壁脱离并掉落在毛细芯300的周边，而该掉落在毛细芯300的周边的冷却液最终将会在毛细力作用下重新浸入到毛细芯300中，从而形成闭环冷却，实现冷却液相对毛细芯300的回流，有效防止毛细芯300在高热负荷作用下发生局部蒸干，并且省去了在蒸汽腔500的内壁上设置用于实现冷却液相对毛细芯300回流的毛细结构，简化了相变散热装置10的结构，并降低了相变散热装置10的制备难度和成本。
综上可知，本申请的相变散热装置10的主要工作原理为：热源产生的热量经下底座100传导至毛细芯300，毛细芯300中的冷却液受热后蒸发并产生蒸汽(即液相朝气相的转变)，蒸汽从毛细芯300溢出后能够流向上顶座200的蒸汽腔500，而流入蒸汽腔500的蒸汽在接触蒸汽腔500的内壁预冷后会凝结为冷却液(即气相朝液相的转变)，并将蒸汽冷却释放的热量通过上顶座200的侧壁传递到外界环境中，以实现对热源的散热。
如图2所示，在一实施例中，蒸汽腔500呈穹顶状，导向结构400为设置于蒸汽腔500的内壁上的圆弧结构410。进一步地，为增强蒸汽腔500的抗压强度，防止蒸汽腔500在抽真空和受压时塌陷，设置于蒸汽腔500的内壁上的圆弧结构410的设计可参考GB/T 25198-2010的球冠型封头的设计标准，具体地，蒸汽腔500的内径Di等于蒸汽腔500的球面部分的半径Ri，且圆弧结构410的厚度δn≥1.2％Dn，其中Dn为蒸汽腔500的外径。
如图1及图3所示，在一实施例中，毛细芯300包括毛细芯本体310和多个毛细芯柱320，多个毛细芯柱320间隔设置于毛细芯本体310的顶部，以增大毛细芯300中的冷却液的蒸发面积，进而提高蒸汽腔500的散热效率。
如图4所示，在一实施例中，毛细芯柱320相对毛细芯本体310的第一部位312密集排布，且毛细芯柱320相对毛细芯本体310的第二部位314稀疏排布，毛细芯本体310的第一部位312为毛细芯本体310与热源在相变散热装置10的高度方向上的位置相对应的部位(即毛细芯本体310的高热流密度区)，毛细芯本体310的第二部位314为毛细芯本体310与热源在相变散热装置10的高度方向上的位置相偏离的部位(即毛细芯本体310的低热流密度区)，这样使得毛细芯本体310的高热流密度区的毛细作用力得到提高，有利于冷却液向毛细芯本体310的高热流密度区的补给，提高了蒸汽腔500的极限散热能力。
如图4所示，在一具体实施例中，热源用于与下底座100的底部中央接触，毛细芯本体310的第一部位312为毛细芯本体310的顶部中央，毛细芯本体310的第二部位314为毛细芯本体310的顶部四周，即毛细芯柱320相对毛细芯本体310的顶部中央密集排布，且毛细芯柱320相对毛细芯本体310的顶部四周稀疏排布。
如图5所示，在一实施例中，相变散热装置10还包括热源接触件600，热源接触件600设置于下底座100的底部，热源接触件600用于与热源接触，具体地，热源接触件600设置于下底座100的底部中央，热源产生的热量能够依次经热源接触件600、下底座100传导至毛细芯300。
如图1所示，在一实施例中，相变散热装置10还包括固定件，上顶座200上设置有第一固定孔210，下底座100上设置有第二固定孔110，固定件用于依次穿设于第一固定孔210及第二固定孔110并与热源相配合，以使下底座100与热源紧密接触，具体地，固定件用于依次穿设于第一固定孔210及第二固定孔110并与热源相配合，以使热源接触件600与热源紧密接触。
进一步地，固定件为螺纹紧固件，第一固定孔210和第二固定孔110分别为第一螺纹孔和第二螺纹孔，通过螺纹紧固件依次穿设于第一螺纹孔和第二螺纹孔并与热源相配合，以使热源接触件600与热源紧密接触。
在一实施例中，固定件、第一固定孔210及第二固定孔110的数量均为多个，多个第一固定孔210间隔设置于上顶座200上，多个第二固定孔110间隔设置于下底座100上，多个固定件分别与多个第一固定孔210及多个第二固定孔110一一对应，以增强热源接触件600与热源之间的接触稳固性。
如图1所示，具体在本实施例中，固定件、第一固定孔210及第二固定孔110的数量均为四个，四个第一固定孔210分别设置于上顶座200的四周，四个第二固定孔110分别设置于下底座100的四周，四个固定件分别与四个第一固定孔210及四个第二固定孔110一一对应，可以理解的是，在其他实施例中，固定件、第一固定孔210及第二固定孔110的数量可以为一个、两个、三个或五个以上，具体设置方式可以根据实际情况进行合理选择，在此不作唯一限定。
如图1所示，在一实施例中，上顶座200包括基座220和设置于基座220的顶部的多个散热翅片230，基座220设置于下底座100的顶部，且基座220和下底座100围合形成蒸汽腔500，蒸汽腔500内的蒸汽冷却释放的热量能够通过散热翅片230传递到外界环境中。具体地，多个散热翅片230排布在基座220的顶部四周，第一固定孔210设置于基座220上。
进一步地，基座220包括由上至下依次连接的第一连接座240和第二连接座250，第一连接座240包括交叉设置的第一挡板242和第二挡板244，第一挡板242和第二挡板244交叉形成多个容纳槽246，散热翅片230分布于各个容纳槽246内，第二连接座250为穹顶状，第二连接座250和下底座100围合形成蒸汽腔500。
进一步地，在本实施例中，第一挡板242和第二挡板244交叉形成第一容纳槽、第二容纳槽、第三容纳槽以及第四容纳槽，第一容纳槽与第二容纳槽相对设置，第三容纳槽与第四容纳槽相对设置，散热翅片230分布于第一容纳槽、第二容纳槽、第三容纳槽以及第四容纳槽内，多个第一固定孔210设置于第一挡板242的两端和/或第二挡板244的两端，具体地，第一挡板242的两端和第二挡板244的两端分别设置有一个第一固定孔210。
在一实施例中，下底座100的顶部设置有定位槽120，毛细芯300嵌设于定位槽120内，以便于毛细芯300相对于下底座100的安装定位，同时还可以节省毛细芯300的安装空间。
如图1及图5所示，在一实施例中，下底座100包括座体130和设置于座体130外侧壁上的连接臂140，座体130的顶部设置有定位槽120，座体130的底部设置有热源接触件600，连接臂140上设置有第二固定孔110。进一步地，连接臂140的数量为多个，多个连接臂140间隔设置于座体130的外侧壁上，具体在本实施例中，连接臂140与座体130一体成型设置，第二固定孔110设置于连接臂140远离座体130的一端，连接臂140的数量为四个，四个连接臂140分布于座体130的四周。
进一步地，在一实施例中，上顶座200和/或下底座100的材质优选为金属，具体地，上顶座200和/或下底座100的材质可以为铜、铝、铝合金或不锈钢，以提升上顶座200和/或下底座100的散热性能和结构强度。
在一实施例中，毛细芯本体310和毛细芯柱320可通过金属粉末(具体如铜粉、镍粉或不锈钢粉末)在模具中冷压脱模烧结而一体成型。进一步地，上顶座200和/或下底座100可通过冲压、激光切割或机械加工的方式成型制得。在一实施例中，毛细芯300和下底座100通过加压烧结为一体，以减小毛细芯300和下底座100之间的接触热阻。在一实施例中，上顶座200和下底座100可通过冲压或焊接工艺实现密封连接。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种相变散热装置，其特征在于，包括：
下底座，所述下底座的底部用于与热源接触；
上顶座，所述上顶座设置于所述下底座的顶部，并与所述下底座围合形成有蒸汽腔；
毛细芯，用于依靠毛细力作用供冷却液的渗透，所述毛细芯设置于所述下底座的顶部，并位于所述蒸汽腔内；以及
导向结构，设置于所述蒸汽腔的内壁上，所述导向结构用于引导所述毛细芯中的冷却液吸热蒸发后形成的蒸汽在流入所述蒸汽腔后沿所述蒸汽腔的内壁流动，以及引导所述蒸汽腔内的蒸汽在接触蒸汽腔的内壁预冷后形成的冷却液沿所述蒸汽腔的内壁的流动。
2.根据权利要求1所述的相变散热装置，其特征在于，所述蒸汽腔呈穹顶状，所述导向结构为设置于所述蒸汽腔的内壁上的圆弧结构。
3.根据权利要求1所述的相变散热装置，其特征在于，所述毛细芯包括毛细芯本体和多个毛细芯柱，多个所述毛细芯柱间隔设置于所述毛细芯本体的顶部。
4.根据权利要求3所述的相变散热装置，其特征在于，所述毛细芯柱相对所述毛细芯本体的第一部位密集排布，且所述毛细芯柱相对所述毛细芯本体的第二部位稀疏排布，所述毛细芯本体的第一部位为所述毛细芯本体与所述热源在所述相变散热装置的高度方向上的位置相对应的部位，所述毛细芯本体的第二部位为所述毛细芯本体与所述热源在所述相变散热装置的高度方向上的位置相偏离的部位。
5.根据权利要求4所述的相变散热装置，其特征在于，所述热源用于与所述下底座的底部中央接触，所述毛细芯本体的第一部位为所述毛细芯本体的顶部中央，所述毛细芯本体的第二部位为所述毛细芯本体的顶部四周。
6.根据权利要求1所述的相变散热装置，其特征在于，所述相变散热装置还包括热源接触件，所述热源接触件设置于所述下底座的底部，所述热源接触件用于与所述热源接触。
7.根据权利要求1所述的相变散热装置，其特征在于，所述相变散热装置还包括固定件，所述上顶座上设置有第一固定孔，所述下底座上设置有所述第二固定孔，所述固定件用于依次穿设于所述第一固定孔及所述第二固定孔并与所述热源相配合，以使所述下底座与所述热源紧密接触。
8.根据权利要求1所述的相变散热装置，其特征在于，所述上顶座包括基座和设置于所述基座的顶部的多个散热翅片，所述基座设置于所述下底座的顶部，且所述基座和所述下底座围合形成所述蒸汽腔。
9.根据权利要求8所述的相变散热装置，其特征在于，所述基座包括由上至下依次连接的第一连接座和第二连接座，所述第一连接座包括交叉设置的第一挡板和第二挡板，所述第一挡板和所述第二挡板交叉形成多个容纳槽，所述散热翅片分布于各个所述容纳槽内，所述第二连接座和所述下底座围合形成所述蒸汽腔。
10.根据权利要求1所述的相变散热装置，其特征在于，所述下底座的顶部设置有定位槽，所述毛细芯嵌设于所述定位槽内。
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