CN219761747U - 结合vc和脉动热管的大功率散热器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种结合VC和脉动热管的大功率散热器，是针对解决现有同类散热器产品中VC真空腔与脉动热管结合较少，较难实现逆重力、大功率运行要求，气液相变和循环效果较差，导致散热换热效果较差、较慢的技术问题而设计。该大功率散热器的均温板中间两侧分别设有空气入口和空气出口，均温板内设有VC真空腔；其要点是所述均温板的热源接触面位于均温板的中间上部一侧，或均温板的热源接触面位于均温板的中间下部一侧，蒸发芯设置于热源接触面对应的均温板内中间一侧，冷凝液回流通道设置于蒸发芯对称的均温板内中间另一侧，冷凝通道对称设置于蒸发芯和冷凝液回流通道均温板内两侧，蒸发芯和冷凝液回流通道的高度大于两侧冷凝通道的高度。
Description
技术领域
本实用新型涉及板式的散热装置，是一种结合VC和脉动热管的大功率散热器。
背景技术
散热装置是指机械设备、金属机柜、电路板等设备部件中用来将热量快速散出，从而保证设备部件正常工作的装置，包括散热风扇、散热板、冷却塔、冷凝液管、均温板等部件装置。随着电子器件的集成度增加，局部大功率的发热现象成为电子器件寿命减短和失效的主要原因之一，电子行业亟需稳定高效、经济有效的大功率散热方式。现有VC液冷散热技术是一种采用VC(Vapor Chamber)真空腔的均热板技术，原理上类似于热管，热管为一维线性热传导，而真空腔均热板中的热量则是在一个二维的面上传导，因此效率更高。VC(VaporChamber)真空腔均热板，又称为真空腔均温板，利用真空腔内的工质蒸发冷凝实现热端和冷端的高效换热；所以VC的效率取决于热端的蒸发效率、冷端的冷凝效率以及工质的循环效率。如中国专利文献中披露的申请号202220956432.X，授权公告日2022.09.27，实用新型名称“一种基于热压转换效应的传热方法及传热系统”；该系统揭露了一种逆重力均温板，借助微米级通道的毛细力从较低冷端将液体传输到较高的蒸发端，其问题在于微米级通道的毛细传输能力有限，限制了最大传热量。
现有一些大功率散热器的脉动热管由金属毛细管弯曲成蛇形结构，弯头一端为加热端，另一端为冷却端，在中间可根据需要布置绝热段；内部抽成真空，充注一部分工作液体，工作液体在表面张力的作用下在管内形成长度不一的液柱和气塞。其优势在于作为一种被动散热方式，能够一定程度上抵抗重力，实现高处蒸发低处冷凝。如中国专利文献中披露的申请号202221095118.3，授权公告日2022.08.23，实用新型名称“大功率脉动热管导热结构”；该结构揭露了一种大功率脉动热管导热结构，其原理为通过优化外翅片结构来实现较大功率的换热，但仍受限于脉动热管本身的蒸发极限，当局部热流量达到临界热流密度时便会发生干烧。再如中国专利文献中披露的申请号202210467749.1，授权公告日2022.07.15，实用新型名称“一种基于脉动热管组的芯片冷却结构及装置”；该装置揭露了一种通过多根脉动热管交汇的方式实现大功率换热的散热器结构，其问题在于复杂的盘管结构增加了散热器的失效风险和工艺难度，而且受限于电子器件的面积，能够叠加的脉动热管数量有限。
发明内容
为克服上述不足，本实用新型的目的是向本领域提供一种结合VC和脉动热管的大功率散热器，使其解决现有同类散热器产品中VC真空腔与脉动热管两种技术结合较少，较难实现逆重力、大功率运行要求，气液相变和循环效果较差，导致散热换热效果较差、较慢，以及存在生产装配较为不便，生产成本较高，重量体积较大，生产工艺难度较大的技术问题。其目的是通过如下技术方案实现的。
一种结合VC和脉动热管的大功率散热器，该大功率散热器包括均温板，及设置于均温板外径一侧的外部翅片，均温板的中间两侧分别设有空气入口和空气出口，均温板内设有VC真空腔，均温板的VC真空腔内设有蒸发冷凝的工质，及设置于真空腔内的蒸发芯、冷凝通道、和冷凝液回流通道，均温板的外径另一侧设有热源接触面；其结构设计要点是所述均温板的热源接触面位于均温板的中间上部一侧，或均温板的热源接触面位于均温板的中间下部一侧，蒸发芯设置于热源接触面对应的均温板内中间一侧，冷凝液回流通道设置于蒸发芯对称的均温板内中间另一侧，冷凝通道对称设置于蒸发芯和冷凝液回流通道均温板内两侧，蒸发芯和冷凝液回流通道的高度大于两侧冷凝通道的高度。从而该大功率散热器的热端采用VC真空腔结构，绝热段和冷端采用脉动热管结构；在正常运行时，热量从热源接触面进入均温板通过均温板内工质的蒸发冷凝实现高效扩散，然后进入外部翅片，以强迫对流换热方式，或者自然对流换热方式将热量排到空气中。上述该大功率散热器通过卡扣件或螺丝等安装于电路板或机箱内的热源件，利用工质和VC真空腔实现逆重力、大功率运行。
所述均温板内蒸发芯的一端与均温板的内壁之间设有蒸汽腔，蒸发芯的另一端与冷凝液回流通道的一端之间设有中间间隙，冷凝液回流通道的另一端与均温板的内壁之间设有端部间隙，两侧冷凝通道的端部与均温板的内壁之间设有边侧间隙，所述端部间隙的距离大于所述边侧间隙的距离，所述均温板内的端部间隙处设有等距分布的限位柱，蒸发芯的所述内壁贴合端高出两侧的冷凝通道。上述对应的间隙设置和内部的限位柱设置，提高了工质的稳定性，以及相变效果和流动效果，VC真空腔作为蒸汽腔。
所述冷凝液回流通道一侧的冷凝通道由一个个隔开的微小通道组成，微小通道的水力直径应小于脉动热管的临界直径，微小通道四周布置设有微齿阵列。
所述冷凝通道的微齿阵列对称设置于微小通道的上下内壁。
所述冷凝液回流通道包括所述微齿阵列和所述微小通道。
所述蒸发芯为多组压紧内翅片得到的毛细芯，内翅片中毛细芯处通道的水力直径为几十微米到几百微米之间，毛细芯的通道顶部分别设有开口，蒸发芯的毛细芯或采用粉末烧结芯、多孔陶瓷芯、丝网烧结芯、多孔石墨芯的任一种代替。
所述蒸发芯、冷凝通道、冷凝液回流通道与均温板内VC真空腔处内壁，及蒸发芯、冷凝通道、冷凝液回流通道之间通过焊接固定连接为一体。
所述工质为去离子水、有机工质、纳米流体、氟化液、乳化液、氟利昂，其中一种或者混合组合，工质浸没蒸发芯的底部。
所述外部翅片为扣合翅片、折合翅片、插齿、挤压方式成型的翅片组件。
本实用新型结构设计合理，利用散热器的VC真空腔与脉动热管两种技术结合，换热和散热效率更高、更快、更好，重力、大功率运行效果好；其适合作为大功率散热器或均温板的主体使用，及同类产品的进一步改进。
附图说明
图1是本实用新型的实施例结构示意图，图中标识有重力G的方向。
图2是图1的均温板内部结构示意图，图中A部和B部作了框定。
图3是图2的A部放大图。
图4是图2的B部放大图。
附图序号及名称：1、均温板，101、热源接触面，102、蒸发芯，1021、毛细芯，103、VC真空腔，104、冷凝通道，1401、微齿阵列，1042、微小通道，105、冷凝液回流通道，106、限位柱，2、外部翅片。
具体实施方式
现结合附图，对本实用新型结构和使用作进一步描述。如图1-图4所示，该大功率散热器包括均温板1，及设置于均温板外径一侧的外部翅片2，均温板的中间两侧分别设有空气入口和空气出口，均温板内设有VC真空腔103，均温板的VC真空腔内设有蒸发冷凝的工质，及设置于真空腔内的蒸发芯102、冷凝通道104、和冷凝液回流通道105，均温板的外径另一侧设有热源接触面101。其具体结构如下：均温板的热源接触面位于均温板的中间上部一侧，或均温板的热源接触面位于均温板的中间下部一侧，蒸发芯设置于热源接触面对应的均温板内中间一侧，冷凝液回流通道设置于蒸发芯对称的均温板内中间另一侧，冷凝通道对称设置于蒸发芯和冷凝液回流通道均温板内两侧，蒸发芯和冷凝液回流通道的高度大于两侧冷凝通道的高度。均温板内蒸发芯的一端与均温板的内壁之间设有蒸汽腔，蒸发芯的另一端与冷凝液回流通道的一端之间设有中间间隙，冷凝液回流通道的另一端与均温板的内壁之间设有端部间隙，两侧冷凝通道的端部与均温板的内壁之间设有边侧间隙，所述端部间隙的距离大于所述边侧间隙的距离，所述均温板内的端部间隙处设有等距分布的限位柱106，蒸发芯的所述内壁贴合端高出两侧的冷凝通道。
该大功率散热器的具体结构特点如下：
a、该大功率散热器的热端采用VC真空腔结构，绝热段和冷端采用脉动热管结构。
b、如图1所示，该大功率散热器由均温板1和外部翅片2组成，热源接触面101位于均温板1的中间上部一侧。该大功率散热器在正常运行时，热量从热源接触面101进入均温板1通过蒸发冷凝实现高效扩散，然后进入外部翅片2，以强迫对流换热方式，或者自然对流换热方式将热量排到空气中。
c、进一步地，外部翅片2为扣合翅片、折合翅片、插齿、挤压方式成型的翅片组件。
d、进一步地，外部翅片2或采用水冷板、TEC、喷雾冷却等二级散热器结构代替。
e、均温板1的内部结构(如图2所示)，主要由对应热源接触面101的蒸发芯102、冷凝通道104、冷凝液回流通道105组成；冷凝通道104的截面(如图3所示)，由一个个隔开的微小通道1042组成，微小通道1042的水力直径应小于脉动热管的临界直径，微小通道1042四周布置设有微齿阵列1041，以增加冷凝通道104的毛细力和冷凝能力。
f、脉动热管的临界直径为其中，σ是工质的表面张力，g是重力常数，ρl是液态工质的密度，ρv是气态工质的密度。
g、进一步地，冷凝通道104采用挤压工艺成型，具有成本低廉，量产方便的特点，并以焊接的方式与均温腔体固定连接，需保证两者良好的热接触，以减少界面热阻。
h、进一步地，冷凝回流通道105包括所述微齿阵列1041和所述微小通道1042，或者选用其他满足临界直径的截面形状。
i、进一步地，蒸发芯102、冷凝通道104、冷凝液回流通道105与均温板1内VC真空腔103处内壁，及蒸发芯、冷凝通道、冷凝液回流通道之间通过焊接固定连接为一体，具体为采用压铸、机加工、电火花、激光等工艺直接加工在底板上的结构。
j、进一步地，蒸发芯102为多组压紧内翅片得到的毛细芯1021，内翅片中毛细芯处通道的水力直径为几十微米到几百微米之间，毛细芯的通道顶部分别设有开口，对液态工质有极强的吸附作用和较大的工质传输量；保证了散热器在大功率运行时的安全性。蒸发芯102以焊接的方式固定在VC真空腔103的热源接触面101处，需保证良好的热接触以减少界面热阻。
k、进一步地，蒸发芯102的毛细芯1021或采用粉末烧结芯、多孔陶瓷芯、丝网烧结芯、多孔石墨芯等具有良好导热性能和较强毛细性能的结构代替。
l、该大功率散热器在工作前，需要对腔体抽真空，然后充注工质；工质的充注量取决于散热器结构，以浸没蒸发芯底部为佳，既能保证较大的蒸汽腔空间，还能保证液态工质浸润蒸发芯；工质为去离子水、有机工质、纳米流体、氟化液、乳化液、氟利昂，其中一种或者混合组合。
该大功率散热器在正常运行时，工质在蒸发芯102处发生相变蒸发，在重力和相变压力作用下，工质的蒸汽进入VC真空腔103发生初步冷凝，产生工质的气液两相流进入冷凝通道104进行充分冷凝；由于冷凝通道直径小于脉动热管的临界直径，气液两相流在冷凝通道中以塞状流的形式存在；随着冷凝的进行，冷凝通道中的塞状流气相含量逐渐减少，液相含量增加，并最终通过冷凝液回流通道105回到蒸发芯的位置，完成循环。
该大功率散热器的蒸发端采用VC真空腔的结构，相比于一般脉动热管具有更大的临界热流密度和蒸发效率；冷凝端采用脉动热管的结构，气液两相流以塞状流存在于冷凝通道内，以蒸发端的压力驱动，相比于一般VC真空腔技术实现了逆重力、大功率运行。
综上所述，该大功率散热器和现有的VC散热器相比优势在于实现了逆重力传热，和现有的脉动热管相比优势在于突破了热管的蒸发极限，实现更大功率的散热。该大功率散热器的结构较为简单，有利于实现量产，功能稳定性强。
Claims (9)
1.一种结合VC和脉动热管的大功率散热器，该大功率散热器包括均温板（1），及设置于均温板外径一侧的外部翅片（2），均温板的中间两侧分别设有空气入口和空气出口，均温板内设有VC真空腔（103），均温板的VC真空腔内设有蒸发冷凝的工质，及设置于真空腔内的蒸发芯（102）、冷凝通道（104）、和冷凝液回流通道（105），均温板的外径另一侧设有热源接触面（101）；其特征在于所述均温板（1）的热源接触面（101）位于均温板的中间上部一侧，或均温板的热源接触面位于均温板的中间下部一侧，蒸发芯（102）设置于热源接触面对应的均温板内中间一侧，冷凝液回流通道（105）设置于蒸发芯对称的均温板内中间另一侧，冷凝通道（104）对称设置于蒸发芯和冷凝液回流通道均温板内两侧，蒸发芯和冷凝液回流通道的高度大于两侧冷凝通道的高度。
2.根据权利要求1所述的结合VC和脉动热管的大功率散热器，其特征在于所述均温板（1）内蒸发芯（102）的一端与均温板内壁之间设有蒸汽腔，蒸发芯的另一端与冷凝液回流通道（105）的一端之间设有中间间隙，冷凝液回流通道的另一端与均温板的内壁之间设有端部间隙，两侧冷凝通道（104）的端部与均温板的内壁之间设有边侧间隙，所述端部间隙的距离大于所述边侧间隙的距离，所述均温板内的端部间隙处设有等距分布的限位柱（106），蒸发芯的所述内壁贴合端高出两侧的冷凝通道。
3.根据权利要求2所述的结合VC和脉动热管的大功率散热器，其特征在于所述冷凝液回流通道（105）一侧的冷凝通道（104）由一个个隔开的微小通道（1042）组成，微小通道的水力直径应小于脉动热管的临界直径，微小通道四周布置设有微齿阵列（1041）。
4.根据权利要求3所述的结合VC和脉动热管的大功率散热器，其特征在于所述冷凝通道（104）的微齿阵列（1041）对称设置于微小通道（1042）的上下内壁。
5.根据权利要求3所述的结合VC和脉动热管的大功率散热器，其特征在于所述冷凝液回流通道（105）包括所述微齿阵列（1041）和所述微小通道（1042）。
6.根据权利要求1所述的结合VC和脉动热管的大功率散热器，其特征在于所述蒸发芯（102）为多组压紧内翅片得到的毛细芯（1021），内翅片中毛细芯处通道的水力直径为几十微米到几百微米之间，毛细芯的通道顶部分别设有开口，蒸发芯的毛细芯或采用粉末烧结芯、多孔陶瓷芯、丝网烧结芯、多孔石墨芯的任一种代替。
7.根据权利要求1所述的结合VC和脉动热管的大功率散热器，其特征在于所述蒸发芯（102）、冷凝通道（104）、冷凝液回流通道（105）与均温板（1）内VC真空腔（103）处内壁，及蒸发芯、冷凝通道、冷凝液回流通道之间通过焊接固定连接为一体。
8.根据权利要求1所述的结合VC和脉动热管的大功率散热器，其特征在于所述工质浸没蒸发芯（102）的底部。
9.根据权利要求1所述的结合VC和脉动热管的大功率散热器，其特征在于所述外部翅片（2）为扣合翅片、折合翅片、插齿、挤压方式成型的翅片组件。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |