CN220039204U - 一种高效换热器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种TLVC高效换热器，包括上盖、固定于上盖的下盖、多个U型金属管和多个固定于U型金属管的散热鳍片，上盖和下盖之间设置有密封设置的蒸发室，U型金属管的具有分别固定于上盖的换热管和内壁烧结固定有毛细结构壁的管口插装有一个毛细铜粉柱毛细结构管，蒸发室内存储有工作流体，在工作时工作流体在由蒸发室‑换热管‑弯部‑毛细结构管‑毛细铜粉柱‑蒸发室所组成的循环通道中无限定向循环，结构简单，易于工业化量产，量产成本低，TLVC蒸发器实现内部工作流体做定向流动并无限循环，被动式散传热效果达到1000W，本实用新型的散传热效果相对较传统VC和热管组合的传统技术提升20％至40％。

Description

一种高效换热器

技术领域

本实用新型涉及高效散热器技术领域，尤其是涉及一种高效换热器。

背景技术

用于各种电子产品的散热器，主要通过用于接触热源的导热部、嵌装于导热部的铜管、固定于铜管的散热鳍片以及安装于散热鳍片的风扇，但传统散热器内部没有循环冷媒等，这种散热器因热传导功率相对较小而只能使用于小功率产品的散热。

传统VC(Vapor Chamber，又名真空腔均热板技术，)采用真空设计，是一种高效率传递热量的方式，其工作原理是：VC的均热板底座受热，热源加热铜网微状蒸发器——吸热；冷却液(纯净水)在真空超低压环境下受热快速蒸发为热空气(<104Tor或更少)——吸热。热空气在铜网微状环境流通更迅速—导热；热空气受热上升，遇散热板上部冷源后散热，并重新凝结成液体—散热；凝结后的冷却液通过铜微状结构毛细管道回流入均热板底部蒸发源处—回流，回流的冷却液通过蒸发器受热后再次气化并通过铜网微管吸热、导热、散热，如此反复作用。

传统VC(Vapor Chamber)本身基本不具备散热能力，其主要作用为传导热量，与热源接触，热源热量通过TIM传递至传统VC，再将热量传递至散热鳍片，散热鳍片再通过自然/强制对流方式将热量散发至空气中，以此重复运作。可理解为将热源表面积进行放大，即增加与散热鳍片的接触面积，传统VCR的厚度不超过12mm，存在高度限制，致现大部分大功率散热器需在传统VC上另外焊接热管，以实现将VC的热量传递至更高更远的散热区域，但焊接面过多，导致热阻相对增大，不利于模组散热，因此有必要予以改进。

实用新型内容

针对现有技术存在的不足，本实用新型的目的是提供一种被动式散传热效果高达1000W的TLVC高效换热器，它结构简单，成本低，

为了实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：一种高效换热器，包括上盖、下盖、多个U型金属管和多个固定于U型金属管的散热鳍片，上盖焊接固定于下盖上部，上盖和下盖之间设置有密封设置的蒸发室，每一个U型金属管均包括一位于中部的弯部、一体连结在弯部的第一侧的毛细结构管以及一体连结在弯部的第二侧的换热管，U型金属管具有从换热管的管口延伸到毛细结构管的管口的通道，

毛细结构管的内壁固定有一层毛细结构壁，毛细结构壁的内部具有多个相互连通的毛细孔隙，

每一个U型金属管的换热管的管口和毛细结构管的管口分别焊接固定在上盖的对应的焊接孔，蒸发室分别连通换热管的管口和毛细结构管的管口，

蒸发室内焊接固定毛细铜粉柱，毛细铜粉柱的内部具有多个相互连通的毛细孔隙，每一个U型金属管的毛细结构管的管口对应插装有一个毛细铜粉柱的上部，毛细铜粉柱封闭毛细结构管的管口，蒸发室内存储有工作流体，在工作时工作流体在由蒸发室-换热管-弯部-毛细结构管-毛细铜粉柱-蒸发室所组成的循环通道中无限定向循环。

所述下盖的底面的中部区域冲压成型有导热接触部，导热接触部相对下盖的四周底面向下凸出设置，导热接触部位于在所述蒸发室的中心区域的下方，蒸发室的中部区域的高度大于蒸发室的四周的高度，蒸发室的中心区域形成一蒸腾型腔，蒸发室的四周形成回流区，

在工作时工作流体的循环路径为由蒸发室的蒸腾型腔、换热管、弯部、毛细结构管、毛细铜粉柱、蒸发室的回流区和蒸发室的蒸腾型腔。

所述上盖是由铜板冲压成型得到的厚度为0.5-2mm的铜上盖；

所述下盖是由铜板冲压成型得到的厚度为0.5-2mm的铜下盖；

所述U型金属管选用纯铜制成的铜管，铜管的内径为6-10mm。

所述毛细结构壁是通过微融烧结工艺将目数为100～150目的铜粉烧结固定在所述毛细结构管的内壁的圆环体形状的厚度为0.2～1mm的毛细壁体，毛细结构壁的孔隙率占比为30％～40％，所述毛细铜粉柱是通过微融烧结工艺将目数为100～150目的铜粉烧结成型的、且中心部烧结固定有圆柱体形状的实心铜柱的毛细结构体，毛细结构体的孔隙率占比为30％～40％。

所述毛细结构体包括底台以及一体成型在底台的上部的柱塞，柱塞的截面形状为圆形，底台的横向截面大于柱塞的横向截面，柱塞插塞于所述毛细结构管的端部中，柱塞密封毛细结构管的管口，底台的顶面压贴所述上盖的底面，底台的底面压贴下盖的顶面。

所述下盖的内部的表面焊接固定有由多个网格连结而成的网格的目数为100～200目的薄型的金属网。

所述金属网选用纯铜制成的厚度为0.1～0.2mm的铜网，所述金属网设置有供毛细铜粉柱置入的预留位置，金属网的网格形状为渔网形状，金属网的网格线径为0.05～0.2mm。

所述散热鳍片相对所述蒸发室平行设置或相对所述上盖平行设置，各散热鳍片分别间隔固定于对应的所述U型金属管的所述换热管和所述毛细结构管，U型金属管的换热管和毛细结构管分别垂直于上盖。

每一个所述U型金属管的所述换热管的管口设置在所述蒸发室的所述蒸腾型腔的上方、所述毛细结构管的管口设置在蒸发室的所述回流区的上方。

本实用新型和现有技术相比所具有的优点是：本实用新型结构简单，易于工业化量产，量产成本低，TLVC蒸发器实现内部工作流体做定向流动并无限循环，被动式散传热效果达到1000W，本实用新型的散传热效果相对较传统VC和热管组合的传统技术提升20％至40％。

附图说明

图1是本实用新型的TLVC蒸发器的结构示意图。

图2是本实用新型的毛细铜粉柱的结构示意图。

图3是本实用新型的TLVC蒸发器的定向循环的示意图。

图4是现有的传统VC与热管组合的外热循环示意图。

图中标记。

上盖1

下盖2

U型金属管3

毛细结构壁31

换热管32

毛细结构管33

散热鳍片4

蒸发室5

基部主体6

毛细铜粉柱7

实心金属柱71

毛细结构体72

金属网8

工作流体9。

具体实施方式

对比例1

传统VC与热管组合，图4所示，生产方法包括，

传统热管填粉，选用100～150目的铜粉，使用钟罩炉烧结到980℃后恒温3小时，使铜粉通过高温烧结并形成毛细结构，流通性比较均匀，填充液体为纯水。传统热管受到使用方位和长度的限制在重力场中，当蒸发段位于冷凝段上方会对热管运行产生不利影响，因为毛细芯可能无法提供足够的毛细压力去克服重力而使冷凝液体回流至蒸发段，即传统热管的反重力能力非常差，由于热管内蒸气和液体直接接触且流向相反，导致蒸气对毛细芯内的回流液体施加剪切力。当蒸气流速较高时，可能将气液界面的液体以微滴形式携带回冷凝段，同时液体回流受阻。导致所需的液体循环量增大，当液体回流不能满足循环量增加时，蒸发段就会烧干，携带现象是限制传统热管传热能力的，单支热管所解功率只能达到50W。

实施例1

一种高效换热器，图1至3所示，包括上盖1、下盖2、多个U型金属管3和多个固定于U型金属管3的散热鳍片4，上盖1焊接固定于下盖2上部，上盖1和下盖2焊接固定并形成一基部主体6，上盖1和下盖2之间设置有密封设置的蒸发室5，上盖1是由铜板冲压成型得到的厚度为0.5-2mm的铜上盖1；下盖2是由铜板冲压成型得到的厚度为0.5-2mm的铜下盖2；U型金属管3选用纯铜制成的铜管，铜管的内径为6-10mm。

散热鳍片4相对蒸发室5平行设置或相对上盖1平行设置，各散热鳍片4分别间隔固定于对应的U型金属管3的换热管32和毛细结构管33，U型金属管3的换热管32和毛细结构管33分别垂直于上盖1。

下盖2的内部的表面焊接固定有由多个网格连结而成的网格的目数为100～200目的薄型的金属网8。金属网8选用纯铜制成的厚度为0.1～0.2mm的铜网，金属网8设置有供毛细铜粉柱7置入的预留位置，金属网8的网格形状为渔网形状，金属网8的网格线径为0.05～0.2mm。

每一个U型金属管3均包括一位于中部的弯部、一体连结在弯部的第一侧的毛细结构管33以及一体连结在弯部的第二侧的换热管32，换热管32的管腔形成一蒸发通道，毛细结构管33的管腔形成一回流通道，U型金属管3具有从换热管32的管口延伸到毛细结构管33的管口的通道。

毛细结构管33的内壁固定有一层毛细结构壁31，毛细结构壁31的内部具有多个相互连通的毛细孔隙，毛细结构壁31是通过微融烧结工艺将目数为100～150目的铜粉烧结固定在毛细结构管33的内壁的圆环体形状的厚度为0.2～1mm的毛细壁体，毛细结构壁31的孔隙率占比为30％～40％，每一个U型金属管3的换热管32的管口和毛细结构管33的管口分别焊接固定在上盖1的对应的焊接孔，蒸发室5分别连通换热管32的管口和毛细结构管33的管口，

蒸发室5内焊接固定毛细铜粉柱7，毛细铜粉柱7的内部具有多个相互连通的毛细孔隙，毛细铜粉柱7是通过微融烧结工艺将目数为100～150目的铜粉烧结成型的、且中心部烧结固定有圆柱体形状的实心铜柱71的毛细结构体72，毛细结构体72的孔隙率占比为30％～40％。

每一个U型金属管3的毛细结构管33的管口对应插装有一个毛细铜粉柱7的上部，毛细铜粉柱7封闭毛细结构管33的管口，具体的，毛细结构体72包括底台以及一体成型在底台的上部的柱塞，柱塞的截面形状为圆形，底台的横向截面大于柱塞的横向截面，柱塞插塞于毛细结构管33的端部中，柱塞密封毛细结构管33的管口，底台的顶面压贴上盖1的底面，底台的底面压贴下盖2的顶面。

蒸发室5内存储有工作流体9，在工作时工作流体9在由蒸发室5-换热管32-弯部-毛细结构管33-毛细铜粉柱7-蒸发室5所组成的循环通道中无限定向循环。

下盖2的底面的中部区域冲压成型有导热接触部，导热接触部相对下盖2的四周底面向下凸出设置，导热接触部位于在蒸发室5的中心区域的下方，蒸发室5的中部区域的高度大于蒸发室5的四周的高度，蒸发室5的中心区域形成一蒸腾型腔，每一个U型金属管3的换热管32的管口设置在蒸发室5的蒸腾型腔的上方、毛细结构管33的管口设置在蒸发室5的回流区的上方。蒸发室5的四周形成回流区，在工作时工作流体9的循环路径为由蒸发室5的蒸腾型腔、换热管32、弯部、毛细结构管33、毛细铜粉柱7、蒸发室5的回流区和蒸发室5的蒸腾型腔。

本实用新型的TLVC蒸发器的内部由蒸发器、工作流体9、蒸发通道和回流通道构成，工作原理为TLVC蒸发器施加热载荷，工作流体9在蒸腾型腔蒸发，内部的工作流体9选用纯水或冷媒R134a(四氟乙烷(1，1，1，2-tetrafluoroethane)，工作流体9在真空状态下沸点低，驱动快热流密度高，遇热蒸气饱和均温性强，环保，蒸发的工作流体9从蒸发器流向TLVC蒸发的蒸发通道，携带热量的工作流体9经过与U型金属管3的蒸发通道的铜管壁接触，将热量传递至U型金属管3的换热管32，换热管32将热量传递至散热鳍片4，通过风扇强制对流方式冷却，导起散热鳍片4的热量；当蒸发通道内的工作流体9温度降低达到液化温度时，工作流体9液化，液化的工作流体9被回流通道内具有毛细力的毛细结构壁31吸附，被吸附的工作流体9在重力和毛细力等综合作用下回流至TLVC蒸发器的蒸发室内，以此无限循环，单本实用新型的TLVC蒸发器的功率可达1000W以上。

与传统VC(均热板)+热管的传统组合(对比例1)对比，本实用新型的TLVC蒸发器的气流通道面积增加，铜管将热源处受热蒸发的工作流体9通过换热管的蒸发通道传递至散热区域，工作流体9冷却液化后通过含毛细结构管33回流至加热端无限循环。

其中，本实用新型的毛细铜粉柱7使TLVC蒸发器内的工作流体9实现定向循环,工作过程如下：

步骤1)、蒸发气化，发热源与下盖2的导热接触部(heat in)的底面接触，热量通过下盖2的导热接触部的传递至蒸发室5内，蒸发室5内的工作流体9受热后在蒸腾型腔气化，蒸发室5内温度升高、气压同步增高，使A点与B点形成压力差，即A点的气压大于B点的气压，A点形成高压区域，B点形成低压区域，气体从高压区域A点流向低压区域B点，然后气体在压力差的作用下从蒸发室5通过A点流入到换热管32内；

步骤2)、冷却液体，蒸发后的气体由A点流向B点过程中，气体分子与U型金属管3内的换热管32接触，气体分子携带的热量传导至换热管32，热量经过换热管32传导到散热鳍片4，散热鳍片4通过风扇强制对流将散热鳍片4内热量扩散至环境中；

当气体由A点流向B点的过程中，因散热鳍片4被动持续散热，到达B点位置的气体分子的温度已降低到液化温度，此时气体分子液化为液体(或两相流)；

步骤3)、液化回流，到达B点的液化的工作流体9会被毛细结构管33的毛细结构壁31的毛细力作用快速吸收，毛细结构壁31吸收液体后使BC段气压降低，对AB段形成虹吸作用和蒸腾拉力作用，当B点到C点内的毛细结构壁31以及C点的毛细铜粉柱7内的液体达到饱和状态后，BC段具有持续的毛细力作用，BC段还会对AB段具有持续的虹吸力和蒸腾拉力，随着热载荷的温度增加，工作流体9的蒸发气化速度随之加快，虹吸力和蒸腾拉力随之增加，换热速度随之加快。

液体通过C点后流向蒸发室5内，流向蒸发室5内的液体受热后又蒸发气化成气体，气体再次从A点流向B点，由此持续循环，实现TLVC内工作流体9做定向流动，提高散热效率或者说提高换热效率。

其中，毛细铜粉柱7的作用是阻止蒸发室5内的工作流体9受热蒸发后的气体因压强差流向C点，毛细铜粉柱7阻止气体通过C点进入毛细结构管33，但是，通过B点后进入毛细结构管33的液体受到重力作用、毛细结构壁31的毛细力作用和毛细铜粉柱7的毛细力作用综合作用下向下流动，液体通过C点及毛细铜粉柱7并最终回流到蒸发室5内。

其中，A点在换热管32的下端部，B点在U型金属管3的弯部的中心位置(最高位)，C点在毛细结构管33的下端部，通过毛细铜粉柱7密闭蒸发室5与毛细结构管33的回流端口(C点)的设计，将换热管32的下部管口设置在蒸发室5的中心部的上方，换热管32直接连通蒸发室5且无阻挡，气体进入换热管32的通行截面面积相对极大且阻力极小，而气体通过毛细铜粉柱7的通行截面面积相对极小且阻力极大，增加使A点与B点形成压力差，使得在蒸发室5内的气压升高以后，气体通过A点进入换热管32的阻力远小于气体通过毛细铜粉柱7及B点的阻力，即毛细铜粉柱7是使A点与B点形成压力差的关键所在。

本实用新型将传统VC与热管进行优势结合以得到TLVC高效换热器，TLVC高效换热器又称蒸腾回路模组VC，又称为蒸腾回路VC，或者称为TLVC蒸发器，TLVC高效换热器实现内部工作流体9做定向流动并无限循环，用于解决功率800W以上的更大功率的电子产品的散热需求，是新型的高效换热器，例如，制作蒸腾回路模组，将外形尺寸设定在152×80.5×124.7mm。

将对比例1与本实用新型的TLVC蒸发器分别锁附至测试治具后装入风洞设备进行测试，工作流体9选择纯水，测试参数：

1.Chip dimension:26x33mm。

2.Power:1000W。

3.Air flow:70 CFM。

4.Resistance:0.06W/m·K。

5.Ambient Temp:25℃。

热模拟测试结果如表1所示。

表1热模拟测试表。

Claims (9)

1.一种高效换热器，包括上盖、下盖、多个U型金属管和多个固定于U型金属管的散热鳍片，上盖焊接固定于下盖上部，上盖和下盖之间设置有密封设置的蒸发室，其特征在于：

每一个U型金属管均包括一位于中部的弯部、一体连结在弯部的第一侧的毛细结构管以及一体连结在弯部的第二侧的换热管，U型金属管具有从换热管的管口延伸到毛细结构管的管口的通道，

毛细结构管的内壁固定有一层毛细结构壁，毛细结构壁的内部具有多个相互连通的毛细孔隙，

每一个U型金属管的换热管的管口和毛细结构管的管口分别焊接固定在上盖的对应的焊接孔，蒸发室分别连通换热管的管口和毛细结构管的管口，

蒸发室内焊接固定毛细铜粉柱，毛细铜粉柱的内部具有多个相互连通的毛细孔隙，

每一个U型金属管的毛细结构管的管口对应插装有一个毛细铜粉柱的上部，毛细铜粉柱封闭毛细结构管的管口，

蒸发室内存储有工作流体，在工作时工作流体在由蒸发室-换热管-弯部-毛细结构管-毛细铜粉柱-蒸发室所组成的循环通道中无限定向循环。

2.根据权利要求1所述的一种高效换热器，其特征在于：所述下盖的底面的中部区域冲压成型有导热接触部，导热接触部相对下盖的四周底面向下凸出设置，导热接触部位于在所述蒸发室的中心区域的下方，蒸发室的中部区域的高度大于蒸发室的四周的高度，蒸发室的中心区域形成一蒸腾型腔，蒸发室的四周形成回流区，

在工作时工作流体的循环路径为由蒸发室的蒸腾型腔、换热管、弯部、毛细结构管、毛细铜粉柱、蒸发室的回流区和蒸发室的蒸腾型腔。

3.根据权利要求2所述的一种高效换热器，其特征在于：所述上盖是由铜板冲压成型得到的厚度为0.5-2mm的铜上盖；

所述下盖是由铜板冲压成型得到的厚度为0.5-2mm的铜下盖；

所述U型金属管选用纯铜制成的铜管，铜管的内径为6-10mm。

4.根据权利要求2所述的一种高效换热器，其特征在于：所述毛细结构壁是通过微融烧结工艺将目数为100～150目的铜粉烧结固定在所述毛细结构管的内壁的圆环体形状的厚度为0.2～1mm的毛细壁体，毛细结构壁的孔隙率占比为30％～40％，

所述毛细铜粉柱是通过微融烧结工艺将目数为100～150目铜粉烧结成型的、且中心部烧结固定有圆柱体形状的实心铜柱的毛细结构体，毛细结构体的孔隙率占比为30％～40％。

5.根据权利要求4所述的一种高效换热器，其特征在于：所述毛细结构体包括底台以及一体成型在底台的上部的柱塞，柱塞的截面形状为圆形，底台的横向截面大于柱塞的横向截面，柱塞插塞于所述毛细结构管的端部中，柱塞密封毛细结构管的管口，底台的顶面压贴所述上盖的底面，底台的底面压贴下盖的顶面。

6.根据权利要求2所述的一种高效换热器，其特征在于：所述下盖的内部的表面焊接固定有由多个网格连结而成的网格的目数为100～200目的薄型的金属网。

7.根据权利要求6所述的一种高效换热器，其特征在于：所述金属网选用纯铜制成的厚度为0.1～0.2mm的铜网，所述金属网设置有供毛细铜粉柱置入的预留位置，金属网的网格形状为渔网形状，金属网的网格线径为0.05～0.2mm。

8.根据权利要求1所述的一种高效换热器，其特征在于：所述散热鳍片相对所述蒸发室平行设置或相对所述上盖平行设置，各散热鳍片分别间隔固定于对应的所述U型金属管的所述换热管和所述毛细结构管，U型金属管的换热管和毛细结构管分别垂直于上盖。

9.根据权利要求2至7任意一项所述的一种高效换热器，其特征在于：每一个所述U型金属管的所述换热管的管口设置在所述蒸发室的所述蒸腾型腔的上方、所述毛细结构管的管口设置在蒸发室的所述回流区的上方。