CN2874396Y - 以低熔点金属及普通流体作流动工质的脉冲热管散热器 - Google Patents

Abstract

以低熔点金属及普通液体作流动工质的脉冲热管散热器，它涉及一种以低熔点流体金属及普通流体作为冷却流通工质的脉冲热管散热器。它包括作为受热面的热管基底(1)、作为散热面的热管封装盖板(5)、以及设置在热管基底(1)和热管封装盖板(5)之间的流通管阵列(4)，流通管阵列(4)由一个或者若干个脉冲热管(6)排列构成，内有流体循环通道的脉冲热管(6)内交替设置有普通流体(2)和低熔点金属流体(3)。它主要解决了已有的散器不能够达到理想的散热要求以及需要驱动泵来维持液体的循环流动的问题。

Description

以低熔点金属及普通流体作流动工质的脉冲热管散热器

技术领域

本实用新型涉及一种以低熔点流体金属及普通流体作为冷却流通工质的脉冲热管散热器，特别是一种可作为电子元器件或芯片的散热器。

背景技术

高集成度计算机芯片的正常工作温度，需维持在一定水平之下，因此高功率密度散热器件一直成为业界发展的重点。目前，计算机上主要采用受迫对流空气来冷却发热器件，但该方式的散热量有限，不能够达到理想的散热要求；为此，人们正逐步尝试采用水冷或其他有机液体实现散热，但这类方法存在蒸发，会导致器件老化、腐蚀，甚至出现泄露造成芯片烧毁等问题。中国专利ZL02257291.0于2003年9月24日公告了“一种芯片散热用散热装置”，该专利首次将熔点在室温附近的液体金属应用到芯片散热，为计算机热管理提供了新的散热模式。但这一技术仍需要设置相应的驱动泵来维持液体金属的循环流动。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本实用新型提供一种以低熔点金属及普通液体作流动工质的脉冲热管散热器。它主要解决了已有的散器不能够达到理想的散热要求以及需要驱动泵来维持液体的循环流动的问题。

本实用新型的以低熔点金属及普通液体作流动工质的脉冲热管散热器包括作为受热面的热管基底1、作为散热面的热管封装盖板5、以及设置在热管基底1和热管封装盖板5之间的流通管阵列4，流通管阵列4由一个或者若干个脉冲热管6排列构成，内有流体循环通道的脉冲热管6内交替设置有普通流体2和低熔点金属流体3。

进一步地，本实用新型的以低熔点金属及普通液体作流动工质的脉冲热管散热器，还可以具有如下的特点，构成流通管阵列4的每个脉冲热管6分别与热管基底1和热管封装盖板5相连接。

脉冲热管6内的普通流体2和低熔点金属流体3的质量比例为1∶(0.01～100)。

所述的低熔点金属流体3为镓或水银金属流体，或者为合金流体，所述的合金流体为镓、铟和锡合金流体。

所述的普通流体2为氨、R-134a或水。

所述的脉冲热管6的内径为10纳米～10厘米之间。

所述脉冲热管6的截面为正方形、三角形或圆形。

整个散热器受热面的热管基底1、作为散热面的热管封装盖板5的厚度为10微米～20厘米之间。

所述的热管基底1和热管封装盖板5为金属或半导体材料，热管基底1和热管封装盖板5的厚度为10微米～1厘米，热管封装盖板5上有肋片。

所述的热管基底1、流通管阵列4和热管封装盖板5是位于同一平面并相互连接在一起构成的平面结构。

本实用新型的基于以下的原理设计的，为使基于液体金属的芯片散热器的控制更方便，且耗能降到最低，而体积尽可能小，本实用新型提供一种紧凑型的以低熔点液体金属(包括其合金)及普通流体作为混合流通工质的新型散热器—脉冲热管散热器，其中的液体金属流动是通过普通流体受发热元件加热后蒸发产生的汽化过程来推动，由此可实现一种自给自足的运转。与传统脉冲热管不同的是，本技术采用了概念新颖的流动工质，即低熔点液体金属。众所周知，脉冲热管是一类不需要动力驱动的新型热管装置，它利用毛细管中自然形成的液塞和气塞原理，实现液柱的循环驱动(参见图1)。一个典型脉冲热管的基本结构包括一个多道弯曲成U型并连形状的无芯毛细管。其通常设计包括：开式、闭式和带控制阀的闭式结构三种。以闭式结构为例，气体与液体呈分段结构分布在管内，由于热端吸热导致液体蒸发产生气泡，而在冷端放热气泡湮灭，气段的压力激振变化导致整个管中气液柱的流动。由此可见脉冲热管与传统热管的运行机制完全不同，但同样保持了不需外加动力的优点。脉冲热管的先进性体现在其更高的传热性能和相对简便的制作工艺上。实验表明，脉动热管的传热性能远高于同直径具有最大传热能力的传统热管，其有效导热系数是相同直径铜棒的500倍，已远远超过碳纳米管(现今所知常温下具有最高导热系数的材料)的热导率。另一方面，传统热管对制作、封装工艺要求较高，而脉冲热管的制作则相对简单，只需要光管型的毛细管而无需加工管内的毛细结构。

脉冲热管内所采用的工质主要为非金属类有机液体，因导热率不高，散热性能仍然有限。因此，若将低熔点金属或其合金引入作为其中的一部分流动工质，则可充分利用金属材料具有远高于非金属类材料热导率的特性，并借助于该工质的流动，实现显著而快速的热量输运能力。正是基于上述考虑，本实用新型提出以低熔点液体金属及普通流体作为混合工质代替传统的流动工质，可以实现尺寸更小、性能更好的微型脉冲热管，而且，与前期提出的低熔点液体金属散热器相比，本实用新型提供的散热器属于一种无需动力的装置，因而在功耗要求极为严格的电子设备如笔记本电脑等的应用上有独特价值。

本实用新型的目的在于：从有别于现有的脉冲热管所采用的工质类别出发，提供一种以低熔点液体金属或其合金作为部分流通工质的新型散热器—脉冲热管。在此基础上可根据需要制成各类形式多样的芯片散热结构和装置。流通管阵列制作在热面基底上，之后将流体介质及低熔点金属液体交替填充到流通管中，最后予以封装，即形成高效散热机构，将其贴附于电子器件表面，可实现热量的高效传输。根据需要，流通管可由金属或非金属材料制成，整个散热结构的尺寸可根据需要加以调整。流通管结构的阵列可根据需要加以组装，并可实现多种形式的组合。流体介质可采用与管道材料及液体金属相容的工质，如氨、R-134a等；而低熔点金属除采用最常见的镓外，也可采用其它低熔点金属或低熔点合金(如比例在0.1～100％范围的铟化镓；若采用多元混合物，还可获得熔点更广泛的金属流体，如三元低共熔混合物：62.5％Ga，21.5％In，16％Sn的熔点为10.7℃等)；特别是，针对一些低温环境的使用，甚至可采用特殊液体金属如水银作流动工质，其熔点为-38℃，因而可用于制造出在寒冷环境下可以使用的散热器，如卫星、军用设备、野外长期布设的电子设备等，但此时应注意防止泄露而产生毒性。

本实用新型中的脉冲热管或槽可通过现有加工技术制作出。这些槽道可制作在硅、金属或其它合适材料的薄片上，每一薄片既可单独组成一个换热器，也可堆叠和焊接在一起形成阵列式换热器；流通管的形状也可多样化，如弯曲、非均匀等均可。管道内也可设计特殊的单向阀，以确保流体的流动是在单方向上进行。

除采用以上所述的纯粹基于普通液体汽化产生的动力来推动液体金属流动外，也可在流道内布置特定的微型泵来辅助驱动，以获得更大的推动力。此方面，如电磁泵、静电驱动、阵列式微电极电润湿驱动等方案均可考虑。另外，通过对流道作特殊设计，如采用微缝、微矩形、微三角形作为流道结构，还可借助于温度梯度及由这些微结构产生的表面张力来推动流体的流动，此方面不一而足。

本实用新型专利的关键之处在于在脉冲热管中首次引入了由液体金属及普通流体组成的混合型热传输工质，因而借助于其中普通流体的气化过程，可有效地推动流道内液体金属的流动，从而实现将电子元器件发热端热量迅速转移至本散热器冷端的目的。由于这种散热器的动力来自普通液体受热后蒸发所产生的汽化推动，因而液体金属可在没有外加泵的情况下在流通管道内循环流动，从而省去了外加驱动泵的设计及加工，并使得功耗更低，散热器体积更小。

借助于本实用新型提供的基本脉冲管结构，可以发展出更多组合形式的散热器结构。其适于各类发热电子元器件及芯片的热管理。

附图说明

图1为本实用新型实施例1提供的脉冲热管结构示意图，

图2为本实用新型实施例2的由脉冲热管单元组合而成的平面散热器的结构图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细的说明：

实施例1

由图1可知，本实用新型提供的以低熔点液体金属或其合金作为部分流通工质的脉冲热管，包括：热面基底1(可采用金属如铝、铜或半导体材料如硅等制成)、流通管阵列4、普通流体工质2、低熔点金属液体3及热管封装盖板5等。流通管阵列4由一个或者若干个脉冲热管6排列构成，内有流体循环通道的脉冲热管6内交替设置有普通流体2和低熔点金属流体3。整套机构可为平片型，也可为其他形状。流通管阵列4制作在热管基底1上，之后将普通流体介质2及低熔点金属液体3交替注入到流通管4中(图1)，最后予以封装，即形成高效散热机构(图1)，将其贴附于电子器件表面，即可实现热量的高效传输。根据需要，流通管4可由金属或非金属材料制成，整个散热结构的尺寸可根据需要加以调整。普通流体介质2可采用与管道材料及液体金属3相容的工质，如氨、R-134a等；而液体金属3除采用最常见的镓外，也可采用其它低熔点金属或低熔点合金(如比例在0～100％范围的铟化镓；如采用多元混合物，还可获得熔点更广泛的金属流体，如三元低共熔混合物：62.5％Ga，21.5％In，16％Sn的熔点为10.7℃等)；特别是针对一些低温环境的使用，甚至可采用特殊液体金属如水银，其熔点为-38℃，因而可用于发展出在寒冷环境下可以使用的散热器，如卫星、军用设备、野外电子设备等，但此时应注意防止泄露而产生毒性。本实用新型提供的脉冲热管散热器也可通过微加工技术直接制做在待散热件的表面上，比如流道甚至可在相应的基底上预先加工出，在将普通流体及金属流体交替填充于其间，这样做成的芯片散热器结构会更加紧凑。

本实用新型提供的散热器在实施上与传统脉冲热管类似，但在散热工质的选择上则有实质性差别。由此制成的一个典型的管式脉冲热管结构如图1所示。其管道内交替充有普通液态工质2(如水)及液金属工质3(如镓、水银等)，管道4中心空间则为普通流体工质2的液相及蒸汽通路。于是，当脉冲热管基底1连接热源时，热量将通过基底1的管壁传给管内所充满的流体2、3，于是温度升高后的液体2在管内的蒸发将得到加强，热管的这一部分称为加热段或蒸发端，此处蒸汽压力表示为P1。与此同时，热管的另一端(即封装盖板5处)与热沉连接或处于自然排热状态，称为排热段或凝结段，此段中的蒸汽饱和压力用P2表示。于是，在压差(P1-P2)的作用下，蒸汽由蒸发段流动到凝结段，并在那里凝结下来，放出汽化潜热。这样，热量即通过凝结液、管芯和管壁传到外界热沉中去。蒸汽放出潜热后凝结成液体，再通过其他部位蒸汽的驱动回流到蒸发段，由此，即完成一个流动循环。

本实用新型所提供的一种脉冲热管形式的具体制作方式如下：

1.管道加工：脉冲热管的流通管道可采用一些特殊加工技术如LIGA技术、激光打孔等在基底1(可为金属如铝或半导体硅等)上加工出一系列有一定深宽比的微型槽或孔道，如图1所示。若热管尺寸可以很大(如毫米到厘米量级)，则该孔道可用常规方法如电加工等即可作出。

2.液体工质的填充：将上述半封闭结构进行加热，尽量除去流通管道4内的空气，以提高热管工作效率。此后，将待填充的普通液体工质2如水及低熔点金属流体3如镓依此加入到该管道4内，根据需要，可调整每种工质加入到流道内的总量，则可实现不同的流速及传热能力。经此处理后，将热管封装盖板5与热管开口端对接，如图1、2所示，采用高温或扩散焊的办法即可将盖板与热管、基底乃至其间的工作液封装在一起，即制成一种脉冲热管。

3.热管内孔形状的选定：一般来说，由于本实用新型提出的热管中金属3流体流动的驱动力来自普通液体2的蒸发、管道内的表面张力等，在外界加热作用下可驱动流体在管内流动，从而实现脉冲式传热。

4.热管组装件形式：根据待散热表面的要求，本实用新型提供的热管组装件可作成多种形式。比如，整个热管散热片既可为一个整体；也可是若干个平片的组合，其间采用一定的连接件如金属线连接；也可呈弧状，由此即构成柔性脉冲热管，适合于多种表面的散热。而且，该散热热管平片上端还可与多种散热肋片配合使用，由此即将热量相当有效地散发出去。

为达到较好的散热效果，一般用作本实用新型的流体工质应满足如下要求：所选工质应不能造成对热管系统部件产生腐蚀和锈化等影响使用寿命的不利因素，此外，工质还应具有较大的汽化潜热和较小的粘性系数。

本实用新型具有很多优点，首先，基于液体金属制成的脉冲热管尺寸可以非常小，如在1mm以下，而传热能力则相当高；而且，由此制成的热管还易于弯曲，因而适用面更宽；整个热管内循环过程是封闭的，因而可供选择的工质流体种类受限制较少。而且，与前期采用驱动泵的液体金属散热技术相比，由于本技术借助的是普通流体的气化过程来有效地推动液体金属的流动，从而省去了外加驱动泵的设计及加工，这使得功耗更低，散热器体积更小。正是由于这些综合因素，本实用新型相比于以往的液体金属芯片散热器，结构更为紧凑。

本脉冲热管散热器可方便地用于将电子元器件产生的热量从其表面导走。以实施例1为例，使用本实用新型的方式如下：将本平片式脉冲热管散热器紧贴于发热器件表面，二者之间的接触面采用高导热油脂或与液体金属混合而成的油脂填充其间以增加传热效果；并且可根据待散热表面面积大小，选择不同大小的脉冲热管型散热器即可。于是，器件内产生的热量即可由热管传输到另一侧，从而维护器件的正常工作。

以上所述的以液体金属及普通流体组成的混合工质类脉冲热管散热器不仅局限于芯片散热用，还可应用到更多光电子设备行业。

实施例2

由图2可知，所述的热管基底1、流通管阵列4和热管封装盖板5是位于同一平面并相互连接在一起构成的平面结构。

Claims (10)

1、以低熔点金属及普通液体作流动工质的脉冲热管散热器，其特征在于，它包括作为受热面的热管基底(1)、作为散热面的热管封装盖板(5)、以及设置在热管基底(1)和热管封装盖板(5)之间的流通管阵列(4)，流通管阵列(4)由一个或者若干个脉冲热管(6)排列构成，内有流体循环通道的脉冲热管(6)内交替设置有普通流体(2)和低熔点金属流体(3)。

2、如权利要求1所述的以低熔点金属及普通液体作流动工质的脉冲热管散热器，其特征在于，构成流通管阵列(4)的每个脉冲热管(6)分别与热管基底(1)和热管封装盖板(5)相连接。

3、如权利要求1所述的以低熔点金属及普通液体作流动工质的脉冲热管散热器，其特征在于，脉冲热管(6)内的普通流体(2)和低熔点金属流体(3)的质量比例为1∶(0.01～100)。

4、如权利要求1所述的以低熔点金属及普通液体作流动工质的脉冲热管散热器，其特征在于，所述的低熔点金属流体(3)为镓或水银金属流体，或者为合金流体，所述的合金流体为镓、铟和锡合金流体。

5、如权利要求1所述的以低熔点金属及普通液体作流动工质的脉冲热管散热器，其特征在于，所述的普通流体(2)为氨、R-134a或水。

6、如权利要求1所述的以低熔点金属及普通液体作流动工质的脉冲热管散热器，其特征在于，所述的脉冲热管(6)的内径为10纳米～10厘米之间。

7、如权利要求1所述的以低熔点金属及普通液体作流动工质的脉冲热管散热器，其特征在于，所述脉冲热管(6)的截面为正方形、三角形或圆形。

8、如权利要求1所述的以低熔点金属及普通液体作流动工质的脉冲热管散热器，其特征在于，整个散热器受热面的热管基底(1)、作为散热面的热管封装盖板(5)的厚度为10微米～20厘米之间。

9、如权利要求1所述的以低熔点金属及普通液体作流动工质的脉冲热管散热器，其特征在于，所述的热管基底(1)和热管封装盖板(5)为金属或半导体材料，热管基底(1)和热管封装盖板(5)的厚度为10微米～1厘米，热管封装盖板(5)上有肋片。

10、如权利要求1、2、3、4、5、6、7、8或9所述的以低熔点金属及普通液体作流动工质的脉冲热管散热器，其特征在于，所述的热管基底(1)、流通管阵列(4)和热管封装盖板(5)是位于同一平面并相互连接在一起构成的平面结构。