多尺度毛細芯平板環(huán)路熱管式散熱裝置制造方法
【專利摘要】一種多尺度毛細芯平板環(huán)路熱管式散熱裝置,屬于相變散熱【技術領域】。該散熱裝置包括蒸發(fā)部、冷凝部、補償腔,以及連接蒸發(fā)部和冷凝部的氣相管道、連接冷凝部和補償腔的液相管道;蒸發(fā)部的底板呈平板狀,在底板的上表面用金屬粉末燒結有多尺度的兩層毛細芯,并在兩層毛細芯間構造有蒸汽槽道;在第二層毛細芯上緊緊覆蓋一層吸水棉作為第三層毛細芯,三層毛細芯形成多尺度結構。多層多尺度毛細芯以及構造的蒸汽槽道,解決了汽液流動阻力與毛細吸力間的矛盾性問題,降低了環(huán)路熱管的啟動溫度、提高了散熱器承載高熱流密度的能力,并減小了傳熱的不穩(wěn)定;具有冷卻能力強、承載熱流密度大、啟動溫度低、溫度波動小、反重力性能好、傳輸距離長的優(yōu)點。
【專利說明】多尺度毛細芯平板環(huán)路熱管式散熱裝置
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種多尺度毛細芯平板環(huán)路熱管式散熱裝置,屬于相變散熱【技術領域】,可用于高熱流密度電子和光學器件的冷卻。
【背景技術】
[0002]隨著科學技術的發(fā)展,大功率激光器、大功率LED、紅外探測陣列、大功率和高性能微處理器等光電子/微電子芯片(簡稱“光電芯片”)及其應用系統(tǒng)的微型化和高度集成化,導致單位容積內的發(fā)熱量急劇增大,出現(xiàn)局部熱流密度較大的現(xiàn)象,傳統(tǒng)的單純使用空氣強迫對流冷卻的散熱方式已經(jīng)達到其傳熱極限,散熱問題已成為制約高熱流密度光電芯片技術及產業(yè)發(fā)展的主要瓶頸。
[0003]環(huán)路熱管作為一種高效相變式換熱裝置,具有傳熱能力強、傳輸距離長、安全可靠且價格低廉等優(yōu)點,環(huán)路熱管技術已成為解決高熱流密度電子設備熱管理問題的有效手段之一。
[0004]目前困擾環(huán)路熱管技術在電子設備熱管理方面應用的關鍵問題主要集中于蒸發(fā)部的內部結構設計和毛細芯的設計。
[0005]在蒸發(fā)部內部結構設計上,傳統(tǒng)環(huán)路熱管通常采用機械加工的方式,在蒸發(fā)部底面切割出不同形式的蒸汽槽道,并在其上覆蓋一層毛細芯,盡管這種結構便以加工制作,但這樣的設計面臨一個無法解決的矛盾,一方面希望獲得較寬的槽道以降低蒸汽排出時的壓力損失,以及較大的毛細芯孔隙減小汽液流動阻力,另一方面希望獲得較大的毛細吸力,以增加工質循環(huán)的動力,這需要較小的毛細芯孔隙,但受限于空間大小,二者無法兼顧(對環(huán)路熱管而言,毛細芯大的孔隙對汽液的流動阻力小,有利于汽液的流通,但毛細吸力小,小的孔隙有具有較大的毛細吸力,可提供汽液循環(huán)的較大動力,二者是一個矛盾的統(tǒng)一體,傳統(tǒng)的回路熱管的毛細芯沒能夠很好的協(xié)調這一矛盾。因此,傳統(tǒng)環(huán)路熱管往往存在低溫啟動困難、溫度波動大、極限散熱能力低的問題。
[0006]另外,傳統(tǒng)環(huán)路熱管由于毛細芯的設計問題往往存在蒸發(fā)腔向補償腔的熱泄漏問題。一方面,毛細芯的導熱造成補償腔中溫度過高;另一方面,蒸發(fā)腔中的蒸汽會透過毛細芯進入補償腔,這兩種情況都會造成環(huán)路熱管啟動困難,甚至在某些情況下無法啟動;同時,當反向工作時(即蒸發(fā)部在上,冷凝部在下,液體由于重力作用主要存在于管路中,補償腔中液體較少,從而使環(huán)路熱管啟動時產生的蒸汽壓難于克服循環(huán)阻力而造成啟動失敗。
[0007]如何優(yōu)化蒸發(fā)腔內部結構設計和選取合適的毛細芯,提高環(huán)路熱管的散熱能力,解決啟動過溫和溫度波動等問題,已成為當今環(huán)路熱管技術研究的重要課題。
【發(fā)明內容】
[0008]本發(fā)明針對現(xiàn)有技術的不足,提供了一種多尺度毛細芯平板環(huán)路熱管式散熱裝置,通過優(yōu)化蒸發(fā)腔內部結構設計,并合理設計和選取多尺度毛細芯,較好的解決了汽液阻力和毛細吸力間的矛盾性的協(xié)調性問題,提升了環(huán)路熱管的散熱能力和抗重力性能,解決了啟動過溫和溫度波動等問題。
[0009]本發(fā)明采用的技術方案為:
[0010]該散熱裝置包括蒸發(fā)部、冷凝部、與蒸發(fā)部蓋板加工在一起的補償腔,以及連接蒸發(fā)部和冷凝部的氣相管道、連接冷凝部和補償腔的液相管道、與補償腔連接的抽真空及工質灌裝管路;
[0011]所述蒸發(fā)部底部的底板呈平板狀,底板的下底面為加熱面,在底板的上表面用金屬粉末燒結有多尺度的第一層毛細芯和第二層毛細芯,兩層毛細芯與底板一體化燒結,并在兩層毛細芯間構造有蒸汽槽道;在第二層毛細芯上緊緊覆蓋一層吸水棉作為第三層毛細芯,三層毛細芯形成多尺度結構。
[0012]所述蒸發(fā)部的底板為呈圓形或多邊形的平板狀結構;蒸發(fā)部及補償腔的材質選用包括銅和鋁在內的高導熱金屬。
[0013]所述第一層毛細芯和第二層毛細芯采用銅粉或者鎳粉,與蒸底板一體式燒結而成,燒結過程中通過金屬顆粒直徑和添加的造孔劑控制毛細芯中孔隙的大小,并形成孔隙的多尺度結構。
[0014]所述第一層毛細芯和第二層毛細芯之間的蒸汽槽道,開口形狀為矩形、梯形、三角形或圓形。
[0015]所述第二層毛細芯由兩種不同粗細的金屬粉末燒結而成,靠近蒸發(fā)部的一側采用較細的金屬粉末,孔穴較小,起到控制熱泄漏和提高較高的毛細壓力的作用;靠近補償腔的一側采用較粗的金屬粉末,孔穴較大,起到增大吸液率的作用,從而形成多尺度結構毛細芯。
[0016]所述第三層毛細芯為吸液棉,或采用包括海綿、纖維在內的具有毛細吸力、保液性以及低導熱性的材料。第三層毛細芯具有很強的吸液能力和保液性,使得環(huán)路熱管在反向放置時(即蒸發(fā)部在上、冷凝部在下放置),吸液棉能提供足夠的液體進行蒸發(fā),從而提供足夠的蒸汽壓來克服循環(huán)阻力。更為重要的是,吸液棉能夠大大降低毛細芯向補償室的熱泄漏,提高環(huán)路熱管的運行可靠性和極限散熱能力。
[0017]所述抽真空及工質灌裝管路中灌裝的工質為水、乙醇、丙酮、氨中的一種或多種。
[0018]所述冷凝部采用翅片式散熱器加裝風扇的結構,或采用自然對流冷卻或液冷的散熱方式,確保氣相工質在冷凝部冷卻為液相。
[0019]當環(huán)路熱管工作時,工質在蒸發(fā)部底板上的多尺度結構表面以及蒸汽槽道兩側凸起處發(fā)生汽化,并通過蒸汽槽道排出,在蒸汽壓力作用下,流向環(huán)路熱管的冷凝部,冷凝后的液體在毛細芯的毛細吸力下回流到補償腔,進一步通過毛細芯到達蒸發(fā)部進一步汽化,從而形成一個完整的循環(huán)。通過工質的循環(huán),把蒸發(fā)部的熱量傳遞到冷凝部,進而把熱量散失在環(huán)境中,達到冷凝蒸發(fā)部的目的。
[0020]與現(xiàn)有技術相比,本發(fā)明的突出優(yōu)勢在于:
[0021](I)利用粉末燒結技術,在蒸發(fā)部底板上直接燒結多尺度毛細芯,并構造蒸汽槽道,使得蒸汽的產生不僅發(fā)生于槽道凸起與毛細芯接觸處,還能夠產生于蒸發(fā)部底板上所燒結的多尺度毛細芯內部及表面,多尺度毛細芯有效解決了汽液流動阻力和毛細吸力間的矛盾關系,有利于提供足夠的蒸汽壓推動工質循環(huán),解決傳統(tǒng)環(huán)路熱管低溫啟動困難的問題,提高環(huán)路熱管的換熱性能;同時,多尺度毛細結構還能有效消除環(huán)路熱管運行時的溫度波動。
[0022](2)在第二層毛細芯上緊緊覆蓋一層吸液棉作為第三層毛細芯,由于吸液棉的低導熱性和良好的毛細吸力,解決了傳統(tǒng)環(huán)路熱管難于解決的熱泄漏問題,提高了環(huán)路熱管的極限散熱能力;另外,吸液棉兼有保液的能力,使得環(huán)路熱管在任何放置形式下,都能提供足夠的液體工質來補充蒸發(fā)腔的蒸發(fā),極大提高了環(huán)路熱管的抗重力性能,使得環(huán)路熱管能夠在反重力情況下穩(wěn)定運行。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]圖1為本發(fā)明所述的多尺度毛細芯平板環(huán)路熱管式散熱裝置的結構示意圖。
[0024]圖2為蒸發(fā)部的結構分解示意圖及三層毛細芯各自的截面示意圖。
[0025]圖3為本發(fā)明的蒸發(fā)模型示意圖。
[0026]附圖標記
[0027]1-蒸發(fā)部,2-氣相管道,3-冷凝部,4-液相管道,5-補償腔,6_抽真空和工質灌裝管路;7_蒸汽出口,8-底板,9-第一層毛細芯,10-第二層毛細芯,11-第三層毛細芯,12-蒸發(fā)部蓋板,13-冷凝液體入口。
【具體實施方式】
[0028]本發(fā)明提供了一種多尺度毛細芯平板環(huán)路熱管式散熱裝置,下面結合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明做進一步說明。
[0029]如圖1所示,該散熱裝置包括蒸發(fā)部1、冷凝部3、與蒸發(fā)部蓋板12加工在一起的補償腔5,以及連接蒸發(fā)部I和冷凝部3的氣相管道2、連接冷凝部3和補償腔5的液相管道4、與補償腔5連接的抽真空及工質灌裝管路6。
[0030]該環(huán)路熱管式散熱裝置的關鍵技術在于平板蒸發(fā)部內部設計和制作。如圖2所示,蒸發(fā)部I底部的底板8呈平板狀,底板8的下底面為加熱面,在底板8的上表面用金屬粉末燒結有多尺度的第一層毛細芯9和第二層毛細芯10,兩層毛細芯與底板8 —體化燒結,并在兩層毛細芯間構造有蒸汽槽道;兩層毛細芯可以分兩次燒結在一起,采用模具直接在底板上燒結第一層毛細芯9,同時構造出蒸汽槽道,并在槽道中撒造孔劑,然后鋪第二層金屬粉末并燒結出第二層毛細芯10。在第二層毛細芯10上緊緊覆蓋一層吸水棉作為第三層毛細芯11,起到降低熱泄漏和保液的作用,三層毛細芯形成多尺度結構。吸水棉也可用纖維、海綿等其他具有低導熱性、高吸液性、保液性的材料代替。孔隙的大小通過金屬顆粒直徑的大小和造孔劑在燒結過程中實現(xiàn)。
[0031]第一層毛細芯9和第二層毛細芯10與底板8 一體化燒結能夠大大提高環(huán)路熱管的換熱能力,降低啟動過溫問題。如圖3所示,傳統(tǒng)環(huán)路熱管的蒸汽主要產生于槽道凸起與上部毛細芯的接觸部位,蒸汽產生量??;而本發(fā)明的環(huán)路熱管,蒸汽不僅產生于槽道凸起與毛細芯接觸處,還能夠產生于蒸發(fā)部底板所燒結的多尺度毛細芯的內部和表面,在相同功率下,蒸汽量的產生遠大于常規(guī)環(huán)路熱管,極大的提高了換熱能力和啟動容易性。同時,多尺度毛細芯有效解決了汽液流動阻力和毛細吸力間的矛盾關系,顯著降低溫度波動作用,使得環(huán)路熱管運行更穩(wěn)定。
[0032]在環(huán)路熱管運行時,吸水棉的低導熱性,使得蒸發(fā)部I向補償腔5的熱泄漏顯著減小,并具有阻止蒸汽竄入補償腔的作用;同時,吸水棉的保液性,使得環(huán)路熱管反向工作時也能夠有充足的液體進入蒸發(fā)部蒸發(fā),提高了裝置的抗重力性能。
[0033]蒸發(fā)部I的底板8邊壁上加工有蒸汽出口 7,并與氣相管道2焊接相連。冷凝部3可設計為盤管散熱翅片并組裝風扇,但不限于此設計,冷凝部采用自然對流循環(huán)散熱也可以,只要能保證氣相工質能在此冷凝并滿足冷凝出口的溫度要求即可。
[0034]環(huán)路熱管制作完成后,需要對熱管進行抽真空并注入合適的工質(如水、丙酮、乙醇、氨水等一些工質),且選擇恰當?shù)某湟罕?。在熱管工作過程中,當蒸發(fā)部的底板8受熱時,隨著底板溫度升高到一定溫度,多尺度毛細芯內部的液體會發(fā)生汽化,且蒸汽沿著槽道通過蒸汽出口 7進入氣相管道2,蒸汽在冷凝部3冷凝成液體并將熱量釋放到空氣中,冷凝后的液體在蒸汽壓力和毛細吸液芯的毛細吸力作用下通過冷凝液體入口 13進入補償腔5,并進一步回流入蒸發(fā)部I再次汽化,即完成一次循環(huán)。環(huán)路熱管通過每一次的循環(huán),源源不斷的將熱量傳輸?shù)娇諝庵?。蒸發(fā)部的液體蒸發(fā)與液體補充的原理圖如圖3所示。
【權利要求】
1.一種多尺度毛細芯平板環(huán)路熱管式散熱裝置,包括蒸發(fā)部(I)、冷凝部(3)、與蒸發(fā)部蓋板(12)加工在一起的補償腔(5),以及連接蒸發(fā)部(I)和冷凝部(3)的氣相管道(2)、連接冷凝部(3)和補償腔(5)的液相管道(4)、與補償腔(5)連接的抽真空及工質灌裝管路(6),其特征在于, 所述蒸發(fā)部(I)底部的底板(8)呈平板狀,底板(8)的下底面為加熱面,在底板(8)的上表面用金屬粉末燒結有多尺度的第一層毛細芯(9)和第二層毛細芯(10),兩層毛細芯與底板(8)—體化燒結,并在兩層毛細芯間構造有蒸汽槽道;在第二層毛細芯(10)上緊緊覆蓋一層吸水棉作為第三層毛細芯(11),三層毛細芯形成多尺度結構。
2.根據(jù)權利要求1所述的多尺度毛細芯平板環(huán)路熱管式散熱裝置,其特征在于,所述蒸發(fā)部(I)的底板(8)為呈圓形或多邊形的平板狀結構;蒸發(fā)部(I)及補償腔(5)的材質選用包括銅和鋁在內的高導熱金屬。
3.根據(jù)權利要求1所述的多尺度毛細芯平板環(huán)路熱管式散熱裝置,其特征在于,所述第一層毛細芯(9)和第二層毛細芯(10)采用銅粉或者鎳粉,與蒸底板(8)—體式燒結而成,燒結過程中通過金屬顆粒直徑和添加的造孔劑控制毛細芯中孔隙的大小,并形成孔隙的多尺度結構。
4.根據(jù)權利要求1所述的多尺度毛細芯平板環(huán)路熱管式散熱裝置,其特征在于,所述第一層毛細芯(9)和第二層毛細芯(10)之間的蒸汽槽道,開口形狀為矩形、梯形、三角形或圓形。
5.根據(jù)權利要求1所述的多尺度毛細芯平板環(huán)路熱管式散熱裝置,其特征在于,所述第二層毛細芯(10)由兩種不同粗細的金屬粉末燒結而成,靠近蒸發(fā)部(I)的一側采用較細的金屬粉末,靠近補償腔(5)的一側采用較粗的金屬粉末,形成多尺度結構毛細芯。
6.根據(jù)權利要求1所述的多尺度毛細芯平板環(huán)路熱管式散熱裝置,其特征在于,所述第三層毛細芯(11)為吸液棉,或采用包括海綿、纖維在內的具有毛細吸力、保液性以及低導熱性的材料。
7.根據(jù)權利要求1所述的多尺度毛細芯平板環(huán)路熱管式散熱裝置,其特征在于,所述抽真空及工質灌裝管路(6)中灌裝的工質為水、乙醇、丙酮、氨中的一種或多種。
8.根據(jù)權利要求1所述的多尺度毛細芯平板環(huán)路熱管式散熱裝置,其特征在于,所述冷凝部(3)采用翅片式散熱器加裝風扇的結構,或采用自然對流冷卻或液冷的散熱方式,確保氣相工質在冷凝部冷卻為液相。
【文檔編號】F28D15/04GK103629963SQ201310689409
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年12月16日 優(yōu)先權日:2013年12月16日
【發(fā)明者】紀獻兵, 徐進良, 楊臥龍 申請人:華北電力大學