CN203785500U - 低熔点金属复合相变散热装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及的低熔点金属复合相变散热装置，其特征在于，其由真空铜管、相变工质、低熔点金属液滴、铜粉烧结层（真空铜管内壁）以及翅片组成。真空铜管内填充相变工质与低熔点金属液滴，真空铜管内壁附有一层铜粉烧结层，外侧为翅片。低熔点金属液滴增大了真空铜管底面的沸腾传热面积，同时金属液滴在气泡冲击下的脉动可进一步强化对流换热。铜粉烧结层的微细结构可降低低熔点金属在壁面的粘附能力，使低熔点金属液滴在脉动时不因易粘附在真空铜管内壁上而降低效果。同时，铜粉烧结层可增强相变工质的液体回流，增强热传输能力。本实用新型充分结合了相变工质的沸腾传热与低熔点金属液滴优异的脉动传热性能，使得其换热效果较传统装置有较大的提高。
Description
技术领域
本发明涉及一种低熔点金属复合相变散热装置，该装置充分结合了相变工质的沸腾传热与低熔点金属液滴优异的传热性能，使得其换热效果较传统装置有较大的提高；并且，真空铜管内壁附着的铜粉烧结层的微细结构可降低低熔点金属在壁面的粘附能力，使低熔点金属液滴在脉动时不因易粘附在真空铜管内壁上而降低效果。同时，铜粉烧结层可增强相变工质的液体回流，增强热传输能力。本发明提供的低熔点金属复合相变散热装置可实现CPU、LED以及激光器的有效散热。
背景技术
热管可广泛应用于宇航、军工以及散热器制造行业。传统的热管由管壳、吸液芯和端盖组成，内充有适量工作液体。工作时，在加热热管的蒸发段，管芯内的工作液体受热蒸发，并带走热量，该热量为工作液体的蒸发潜热，蒸汽从中心通道流向热管的冷凝段，凝结成液体，同时放出潜热，在毛细力的作用下，液体回流到蒸发段。完成一个闭合循环，从而将大量的热量从加热段传到散热段。然而，传统的热管受到其体积以及工作液体相变潜热的限制，其传热能力极为有限。随着芯片等电子产品集成度的不断提高，其功率密度不断增大，传统的热管已经不能满足要求。
为此，本发明提出一种低熔点金属复合相变散热装置。通过将低熔点金属液滴填充于真空铜管均温板的底部，来达到增加换热面积、提升换热系数的效果；同时，利用现有烧结工艺，往真空铜管内壁上附着一层铜粉烧结层，其铜粉烧结层的微细结构可降低低熔点金属在壁面的粘附能力，使低熔点金属液滴在脉动时不因易粘附在真空铜管内壁上而降低效果。同时，铜粉烧结层可增强相变工质的液体回流，增强热传输能力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低熔点金属复合相变散热装置，该装置充分结合了相变工质的沸腾传热与低熔点金属液滴优异的传热性能，使得其换热效果较传统装置有较大的提高；同时，真空铜管内壁附着的铜粉烧结层的微细结构可降低低熔点金属在壁面的粘附能力，使低熔点金属液滴在脉动时不因易粘附在真空铜管内壁上而降低效果。同时，铜粉烧结层可增强相变工质的液体回流，增强热传输能力。本发明提供的低熔点金属复合相变散热装置可实现CPU、LED、以及激光器的有效散热。
本发明的技术方案如下：
本发明提供的一种低熔点金属复合相变散热装置，如图1所示，其组成如下：
一真空铜管1，所述真空铜管内填充相变工质与低熔点金属液滴，真空铜管外侧与翅片相连；
一相变工质2，所述相变工质填充于真空铜管内，工质通过相变实现快速传热；
一低熔点金属液滴3，所述低熔点金属液滴填充于真空铜管内底部，用以增大传热面积及强化对流传热效果；
一铜粉烧结层4，所述铜粉烧结层附于真空铜管内壁，铜粉烧结层的微细结构可降低低熔点金属在壁面的粘附能力，使低熔点金属液滴在脉动时不因易粘附在真空铜管内壁上而降低效果。同时，铜粉烧结层可增强相变工质的液体回流，增强热传输能力；
一翅片5，所述翅片位于真空铜管外侧，将真空铜管内的热量传递至周围环境。
所述铜粉烧结层4的制作方法为：选取99.5％纯度的铜粉，铜粉单体粒径在75～150μm之间。首先使用工具将所述真空铜管内部清除干净，去除毛刺，倒入适量稀硫酸使用超声波清洗。清洗干净后得到内壁光滑、无氧化物的真空铜管。将一根钢管置于真空铜管中，将真空铜管一侧用铜片封闭。然后，将纯铜粉倒入真空铜管与钢铁的缝隙中。装填完毕之后放入烧结炉进行烧结。在烧结过程中，烧结炉峰值温度控制在800～850度。烧结完成之后使用一个辅助工具把真空铜管夹紧，使用工具把钢管拉出即可。
所述真空铜管1形状为圆筒形。
所述相变工质2为氨、水、丙酮、己烷、氟利昂或乙醇。
所述低熔点金属液滴3主要包括镓基二元合金、镓基多元合金、铟基合金或铋基合金。
所述镓基二元合金为镓铟合金，镓铋合金或镓锡合金。
所述镓基多元合金为镓铟锡合金或镓铟锡锌合金。
工作时，热源6处的热量传递至真空铜管1底部并加热相变工质2与低熔点金属液滴3，相变工质2受热蒸发，其蒸气运动至整个真空铜管实现传热，当蒸气与真空铜管1温度较低的壁面接触时，凝结为液体并落回真空铜管1底部参与下一次循环；与此同时，受热的低熔点金属液滴3一方面与相变工质2进行热交换；另一方面，低熔点金属液滴3被蒸发的蒸气携带脉动，达到强化传热的效果；铜粉烧结层4的微细结构可降低低熔点金属在壁面的粘附能力，使低熔点金属液滴在脉动时不因易粘附在真空铜管内壁上而降低效果。同时，铜粉烧结层可增强相变工质的液体回流，增强热传输能力。
本发明所述的一种低熔点金属复合相变散热装置具有如下优点：
（1）真空铜管内壁附着的铜粉烧结层的微细结构可降低低熔点金属在壁面的粘附能力，使低熔点金属液滴在脉动时不因易粘附在真空铜管内壁上而降低效果。同时，铜粉烧结层可增强相变工质的液体回流，增强热传输能力。
（1）低熔点金属液滴的填充可增大真空铜管均温板底部的换热面积，使真空铜管与相变工质的接触更加充分。
（2）低熔点金属液滴随着相变工质的蒸发凝结而上下脉动，起到强化对流换热的作用。
（3）低熔点金属液滴导热性能优异，可显著降低真空铜管均温板与相变工质的接触热阻。
（4）低熔点金属液滴性质稳定，无毒无害，因而系统稳定可靠。
附图说明
图1为实施例1中一种低熔点金属复合相变散热装置结构示意图。
其中：1为真空铜管，2为相变工质，3为低熔点金属液滴，4为铜粉烧结层，5为翅片，6为热源。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例进一步描述本发明。
实施例1
实施例1展示了本发明的低熔点金属复合相变散热装置的一种典型应用。图1为低熔点金属复合相变散热装置结构示意图。
如图1所示，本实施例的低熔点金属复合相变散热装置由真空铜管1、相变工质2、低熔点金属液滴3、铜粉烧结层4及翅片5组成。
本实施例中，真空铜管外径10cm，壁厚1cm，其内真空度为1.2×10-2Pa。
相变工质为去离子水，在真空铜管内的体积填充率为10%。
低熔点金属液滴为镓铟锡锌合金（质量分数：61% Ga，25% In，13% Sn，1%Zn），其安全无毒，熔点为8oC，在真空铜管内的体积填充率为5%。
翅片材质为铝，总散热面积为1.2m2。
工作时，热源6处的热量传递至真空铜管1底部并加热相变工质2与低熔点金属液滴3，相变工质2受热蒸发，其蒸气运动至整个真空铜管实现传热，当蒸气与真空铜管1温度较低的壁面接触时，凝结为液体并落回真空铜管1底部参与下一次循环；与此同时，受热的低熔点金属液滴3一方面与相变工质2进行热交换；另一方面，低熔点金属液滴3被蒸发的蒸气携带脉动，达到强化传热的效果；铜粉烧结层4可防止低熔点金属液滴3因粘附于真空铜管1内壁而降低效果。
下面通过典型案例来评估本发明所涉及的低熔点金属复合相变散热装置的传热效果。
实验表明，低熔点金属液滴的使用可使得真空铜管底部的散热面积增加10%，而低熔点金属液滴的扰流作用可使沸腾对流换热系数提高30%~50%，在热源热流密度不变的情况下，由传热公式(1)可知：
(1)
可知
(2)
其中，Q为热源处的热量，h为对流换热系数，A为对流换热面积，为对流换热温差。下标1代表传统真空铜管散热器，下标2代表本发明的低熔点金属复合相变散热装置。
若传统真空铜管散热器真空铜管底板处的沸腾传热温差为10℃，根据公式（2），本发明中的真空铜管沸腾温差仅为7℃，相较于传统真空铜管散热器有3℃的温降，强化传热效果显著。
最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (7)
1.一种低熔点金属复合相变散热装置，其特征在于，其组成如下：
一真空铜管，所述真空铜管内填充相变工质与低熔点金属液滴，真空铜管外侧与翅片相连；
一相变工质，所述相变工质填充于真空铜管内，工质通过相变实现快速传热；
一低熔点金属液滴，所述低熔点金属液滴填充于真空铜管内底部，用以增大传热面积及强化对流传热效果；
一铜粉烧结层，所述铜粉烧结层附于真空铜管内壁，所述铜粉烧结层的微细结构可降低低熔点金属在壁面的粘附能力，使低熔点金属液滴在脉动时不因易粘附在真空铜管内壁上而降低效果；同时，所述铜粉烧结层可增强相变工质的液体回流，增强热传输能力；
一翅片，所述翅片位于真空铜管外侧，将真空铜管内的热量传递至周围环境。
2.按权利要求1所述的低熔点金属复合相变散热装置，其特征在于，所述铜粉烧结层的铜粉单体粒径为75～150μm。
3.按权利要求1所述的一种低熔点金属复合相变散热装置，其特征在于，所述真空铜管形状为圆筒形。
4.按权利要求1所述的一种低熔点金属复合相变散热装置，其特征在于，所述相变工质为氨、水、丙酮、己烷、氟利昂或乙醇。
5.按权利要求1所述的一种低熔点金属复合相变散热装置，其特征在于，所述低熔点金属液滴为镓基二元合金、镓基多元合金、铟基合金或铋基合金。
6.按权利要求5所述的一种低熔点金属复合相变散热装置，其特征在于，所述镓基二元合金为镓铟合金，镓铋合金或镓锡合金。
7.按权利要求5所述的一种低熔点金属复合相变散热装置，其特征在于，所述镓基多元合金为镓铟锡合金或镓铟锡锌合金。
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