CN209766407U - 空气冷却的大功率高热流散热装置 - Google Patents

Abstract

一种空气冷却的大功率高热流散热装置，包括：封闭壳体以及设置于封闭壳体内部的气液隔板，该气液隔板将封闭壳体内部划分出由至少一个蒸汽的上升通道和至少一个用于液体形成窄缝射流的回流通道组成的矩形腔，上升通道和回流通道相互连通，矩形腔内充有相变工质。在密封腔内嵌入导流结构实现气液两相流动的分离来强化加热面的沸腾以及沿程冷却流动蒸汽来强化冷凝传热。

Description

空气冷却的大功率高热流散热装置

技术领域

本实用新型涉及的是一种半导体散热领域的技术，具体是一种空气冷却的大功率高热流散热装置。

背景技术

平板热管是目前市场上较为成熟、性能优异的一种散热装置，现有的平板热管为一密封腔，其内侧管壁上覆盖一层吸液芯。热源在密封腔底部，底部液体快速吸热蒸发，蒸发后的气相扩散充满整个密封腔，在上方冷凝重新形成液相，被吸液芯吸收，重新补充至热源附近，形成蒸发—冷凝的闭式循环。这种平板热管受到吸液芯吸液能力的限制，无法应对大面积大功率的热源。

现有技术的平板热管的肋片一般有针肋、直肋和环肋等变体形式。这些平面上实心肋片的散热效率有限，若热源的功率高，冷凝能力不够，就会造成热阻上升，加热面温度无法满足要求。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术存在的上述不足，提出一种空气冷却的大功率高热流散热装置，在密封腔内嵌入导流结构实现气液两相流动的分离来强化加热面的沸腾以及沿程冷却流动蒸汽来强化冷凝传热。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

本实用新型包括：封闭壳体以及设置于封闭壳体内部的气液隔板，该气液隔板将封闭壳体内部划分出由至少一个蒸汽的上升通道和至少一个用于液体形成窄缝射流的回流通道组成的矩形腔，上升通道和回流通道相互连通，矩形腔内充有相变工质。

所述的相变工质在装置内部可以形成定向循环。所述的回流通道产生的窄缝射流能够有效冲击加热面。

所述的相变工质在上升通道和回流通道内沿程流动的同时可以向外散热。沿程流动冷却的对流换热系数较高，即便采用最普通的冷源(即室温空气)，也能满足高热元件对高效冷却的要求。

附图说明

图1和图2为实施例1结构示意图；

图3和图4为实施例2结构示意图；

图中：封闭壳体1、气液隔板2、回流格栅3、蒸汽格栅4、上升通道5、回流通道6、冷却翅片7、倾斜板8、加热面9、液面10、射流冲击11、热量12。

具体实施方式

实施例1

如图1和图2所示，本实施例包括封闭壳体1以及设置于封闭壳体1内部的气液隔板2，该气液隔板2将封闭壳体1内部划分出若干由蒸汽的上升通道4和用于液体形成窄缝射流的回流通道5组成的矩形腔，上升通道4和回流通道5相互连通，矩形腔内充有相变工质。

所述的封闭壳体1的底面为用于接触热源的平面，底面与热源之间加导热硅脂、导热垫片等优化热源与本实施例之间的热传导。

所述的封闭壳体1的顶面和侧面均为冷却面。

所述的气液隔板2与加热面9和顶面冷却面均不接触。

所述的封闭壳体1为多个阵列排布设置，相邻封闭壳体1之间以及封闭壳体1的外侧密布冷却翅片7。

所述的上升通道5的截面面积大于回流通道6的截面面积。

所述的上升通道5内设有蒸汽格栅4，该蒸汽格栅4与加热面9和顶面冷却面均不接触，将蒸汽上升通道5均匀分割成大小一致的小通道。

所述的蒸汽格栅4为正方形、矩形和圆形等，优选为圆形。

所述的上升通道5的底部入口处设有倾斜板8；所述的回流通道的底部出口处近液体回流通道的一侧设有竖直平面，相对另一个矩形腔的蒸汽上升通道侧设有倾斜板，这种设计是为了引导工质的流动，倾斜板的角度根据实际情况具有很大的可调范围。

所述的阵列排布可以在水平方向上无限重复，完美匹配热源的面积大小。如图2所示可以无限重复矩形阵列，即翅片-蒸汽上升通道-液体回流通道交替出现；每个封闭壳体内可以重复叠加蒸汽格栅数量和回流格栅数量，或增加蒸汽格栅数量和相应拉长液体回流通道的在竖直方向上的长度，不影响装置内的工质流动。

本实施例工质选择应以元器件的散热特点为准，本实施方式中以水为例，具体也可以为其他制冷剂等。已知水在100℃时的毛细长度为2.5mm，本实施例的系统压力为负压，操作温度均低于100℃，所以操作温度对应的毛细长度均大于2.5mm。根据工质和操作温度设计蒸汽格栅，在本实施例中，蒸汽格栅的水力直径为5mm，小于两倍的毛细长度，有助于形成气柱和液塞相间分布的柱塞流。液体回流通道的宽度定为1mm，长度与蒸汽格栅总长度相同，即与蒸汽格栅的正方形数量有关。蒸汽格栅和气液隔板一体成型，高度相同。气液隔板的高度选定为170mm，液位低于气液隔板5mm，在实际应用中高度极具可调行。气液隔板下端距离加热面10mm，气液隔板上端距离顶部冷却面5mm，即顶部冷却面与加热面之间的距离为185mm。倾斜板的角度为45°。

实施例2

如图3和图4所示，本实施例中一个封闭壳体中含有中心蒸汽上升通道5和外侧回流通道6，壳体外侧密布冷却翅片7。相邻的两个回流通道的末端有倾斜板，引导两股射流在此合并为一股，对加热面9形成射流冲击。加热面的气泡也会在倾斜板的引导下流向蒸汽上升通道。

本实施例中蒸汽上升通道的水力直径为5mm，液体回流通道的宽度为1mm，即每个矩形腔的边长为7mm。气液隔板的高度选定为170mm，液位低于气液隔板5mm，在实际应用中高度极具可调行。气液隔板下端距离加热面10mm，气液隔板上端距离顶部冷却面5mm，即冷却面与加热面之间的距离为185mm。倾斜板的角度为45°。

本实用新型装置正常运行时，工质液位略低于气液隔板上端，紧贴热源的底部加热面吸收外部热量，壁温升高，加热面的成核点被激活，气泡成核并长大，相邻气泡相互团聚，从上升通道逸出。蒸汽上升通道的水力直径一般小于工质在工作温度下的两倍毛细长度，有利于形成气柱-液塞相间分布的柱塞流。柱塞流是气泡泵输运效率最高的流型，此时气柱截面积几乎充满整个蒸汽格栅，气柱头部为弹状弧形，尾部较为扁平。上升的气柱会将其上方的液塞提升，甚至泵送出蒸汽格栅。由于蒸汽在上升过程中沿程都会通过翅片向外散发热量，因此，气柱在高度方向上会逐渐缩短，甚至缩小为截面积远小于蒸汽格栅的气泡。残余的蒸汽在逸出液体空间后会进一步被密封腔的顶部冷却面冷却，凝结成液相。泵出的液相和凝结的液相进入回流通道，在较为狭窄的通道内下行。由于回流通道截面积较小，液体速度较高，通过对流换热和翅片导热能够继续向外散发热量，单相液体的温度逐步降低，获得一定的过冷度。当这部分过冷液体高速冲击加热面后，在射流下方形成滞止区，有利于提高沸腾极限。射流冲击在滞止区外形成的壁面射流在通往上升通道对应的加热面区域时，温度上升，逐步达到饱和温度。同时加热面的气泡脱离频率上升、气泡脱离直径变小，提高加热面的蒸发传热能力。已经恢复饱和温度的液体进一步过热，在加热面上再次成核沸腾，在倾斜板的引导和蒸汽上升通道的烟囱抽吸作用下再次进入蒸汽上升通道，开启下一轮循环流动。

本实用新型装置可以同时强化蒸发和冷凝，显著提高散热装置的效率。首先，本实施例利用气液通道分离的原理将相变空间分割成蒸汽上升通道和液体回流通道，避免传统平板热管发生的气液逆行。气液逆行使得工质流动受阻，上升蒸汽会裹挟原本应该回流的液体继续上行，停留在上部的冷凝空间，引发夹带极限和烧干极限，极大威胁平板热管的正常工作。本实施例的上升通道为一起向上运动的气柱和液塞，回流液体沿着回流通道下行，方向相反的工质分隔在不同的物理空间，避免气液逆行，改善加热面的补液，延缓密封腔的烧干，对于提高散热装置性能具有重大意义。其次，回流通达较为狭窄，根据质量守恒定律，回流液体的速度很高，不仅能够提高沿程的对流换热系数，还能对加热面形成射流冲击。研究表明，对加热面的射流冲击不仅能够提高加热面的传热系数还能提高加热面的临界热流密度。再次，本实施例的冷却面积大，在蒸汽上升和液体回流的沿程也创造了对外散热的条件。与静止流体的冷却相比，流动沿程冷却的对流换热系数更高，即便采用最普通的冷源(即室温空气)，也能满足高热元件对高效冷却的要求。最后，整个工质的定向循环是由气泡泵驱动的，气泡泵的能量来源与加热面产生的气泡，节约能源，且无需机械运转部件驱动，提高装置耐用性和寿命。另外，本实施例中的加热表面可以为各种强化表面，如针肋、微通道、烧结以及复合表面等。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本实用新型原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本实用新型的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本实用新型之约束。

Claims (8)

1.一种空气冷却的大功率高热流散热装置，其特征在于，包括：封闭壳体以及设置于封闭壳体内部的气液隔板，该气液隔板将封闭壳体内部划分出由至少一个蒸汽的上升通道和至少一个用于液体形成窄缝射流的回流通道组成的矩形腔，上升通道和回流通道相互连通，矩形腔内充有相变工质。

2.根据权利要求1所述的空气冷却的大功率高热流散热装置，其特征是，所述的封闭壳体的底面为用于接触热源的平面，底面与热源之间加导热硅脂或导热垫片以优化热源与所述散热装置的热传导；

所述的封闭壳体的顶面及侧面为冷却面。

3.根据权利要求1所述的空气冷却的大功率高热流散热装置，其特征是，所述的气液隔板与加热面和顶面冷却面均不接触。

4.根据权利要求1所述的空气冷却的大功率高热流散热装置，其特征是，所述的封闭壳体为多个阵列排布设置，相邻封闭壳体之间以及封闭壳体的外侧密布冷却翅片。

5.根据权利要求1所述的空气冷却的大功率高热流散热装置，其特征是，所述的上升通道的截面面积大于回流通道的截面面积。

6.根据权利要求1所述的空气冷却的大功率高热流散热装置，其特征是，所述的上升通道内设有蒸汽格栅，该蒸汽格栅与加热面和顶面冷却面均不接触，将蒸汽上升通道均匀分割成大小一致的小通道。

7.根据权利要求6所述的空气冷却的大功率高热流散热装置，其特征是，所述的蒸汽格栅为正方形、矩形和圆形。

8.根据权利要求1或5或6所述的空气冷却的大功率高热流散热装置，其特征是，所述的上升通道的底部入口处的截面面积随高度升高逐渐变小；所述的回流通道的底部出口处的截面积随高度升高逐渐变大，从而产生正对底面的窄缝射流。