CN105222629B - 一种自激励式相变热控散热*** - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自激励式相变热控散热***，包括取热蒸发模块和冷凝散热模块，二者之间形成用于灌充填充工质的封闭空腔，所述取热蒸发模块位于封闭空腔的一端部，并由取热底板和蒸发端面微结构组成，该蒸发端面微结构设在取热底板的内端面，且包括毛细微直槽和蓄液供液槽环；所述冷凝散热模块包括冷凝侧部与冷凝顶板，所述冷凝侧部位于封闭空腔的侧边，所述冷凝顶板位于封闭空腔的另一端部，且所述冷凝侧部与冷凝顶板的内端面为带有膜液区和滴液区的组合表面。本发明通过引入微细尺度下具备高强度相变取热的毛细微直槽，提升临界热流密度和换热系数而强化了热端的换热能力，同时在冷凝端构建滴状冷凝，能及时有效脱落并更新液滴，从而强化并提升冷凝换热效果。

Description

一种自激励式相变热控散热***

技术领域

本发明涉及一种自激励式相变热控散热***。

背景技术

对于每平方厘米数十瓦甚至百瓦级以上高热流密度下的热管理，传统的风冷技术需搭配大面积的散热翅片，散热模块庞大笨重；液冷技术虽然一定程度上可以满足要求，但必须用到抽运泵等有源技术，且对管路搭建设置等有着特定的要求。因此，必须寻求适宜尺寸的高效传热技术。

相变热控技术是一类高效的传热技术，利用的是相变原理，通过热端吸热驱使热端侧工质蒸发，产生液汽相变吸取热端热量，进而通过蒸汽压差驱使其运动，到达散热冷凝端后，发生汽液相变进而释放热量。这类技术的关键在于蒸发热端的换热能力、冷凝端的换热能力及填充工质于冷热端之间的有效循环。但目前蒸发热端的换热能力、冷凝端的换热能力及冷凝液回流方式还有待改善。

发明内容

本发明要解决的技术问题，在于提供一种自激励式相变热控散热***，. 通过引入微细尺度下具备高强度相变取热的毛细微直槽，实现微尺度(一般指小于1mm以下)下的相变传热，微尺度结构通过形成耦合有核态沸腾和蒸发的相变热控体系，同时提升临界热流密度和换热系数，进而强化了热端的换热能力，同时在冷凝端构建滴状冷凝，能及时有效脱落并更新液滴，从而强化并提升冷凝换热效果。

本发明是这样实现的：一种自激励式相变热控散热***，包括取热蒸发模块和冷凝散热模块，所述取热蒸发模块与冷凝散热模块之间形成用于灌充填充工质的封闭空腔，其特征在于：所述取热蒸发模块位于封闭空腔的一端部，并由取热底板和蒸发端面微结构组成，该蒸发端面微结构设在取热底板的内端面，且包括毛细微直槽和蓄液供液槽环；所述冷凝散热模块包括冷凝侧部与冷凝顶板，所述冷凝侧部位于封闭空腔的侧边，所述冷凝顶板位于封闭空腔的另一端部，且所述冷凝侧部与冷凝顶板的内端面为膜液区和滴液区间隔交替排列组合而成的表面。

其中，所述毛细微直槽数量为多个，并平行均匀分布；所述蓄液供液槽环为环形结构，设在毛细微直槽的周围。

其中，所述毛细微直槽的表面为糙化表面。所述毛细微直槽从两端槽口到槽中段为渐宽模式。 所述毛细微直槽的槽口宽度为槽中间宽度的50%-90%。毛细微直槽剖截面为四边形或三边形。

其中，所述蓄液供液槽环的环径不小于1mm。

其中，所述膜液区和滴液区间隔交替排列。所述膜液区的宽度不大于2mm，面积占比5-50%。所述冷凝顶板内端面沿径向倾斜，水平倾斜角为5~20°。所述冷凝侧部与冷凝顶板外侧带有一体化的发射状散热翅片。

其中，所述组合表面为下述任一种：

第1种：组合表面中滴液区为疏水区，膜液区为亲水区；

第2种：组合表面中滴液区为亲水区，膜液区为超亲水区；

第3种：组合表面中滴液区为超疏水区，膜液区为亲水区；

第4种：组合表面中滴液区为超疏水区，膜液区为超亲水区。

其中，所述填充工质为单一组分的液体物质，或为两种及两种以上的多组分的液体物质。所述液体物质在0~0.1MPa气压环境下，其沸点在30-95℃。

本发明具有如下优点：

1、取热蒸发模块引入毛细微直槽，实现微尺度下的相变传热，微尺度结构通过形成耦合有核态沸腾和蒸发的相变热控体系，同时提升临界热流密度和换热系数，进而强化了热端的换热能力。糙化毛细微直槽，进一步提升沸腾换热系数，降低热端的过热度。引入蓄液供液槽环，实现冷凝回流液滴的蓄积，并对毛细微直槽形成持续供液能力，避免液膜干涸；

2、冷凝散热模块通过调整设计冷凝表面汽液的冷凝模式，构建冷凝表面的滴状冷凝，可以强化冷凝换热系数，提升冷凝效率、改善冷凝效果。同时具备膜液区和滴液区的混杂表面或组合表面可以实现对冷凝液滴的液核量化生成与液滴的及时有效脱落更新，从而强化并提升冷凝换热效果。

附图说明

下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。

图1为本发明自激励式相变热控散热***的轴向剖面结构示意图。

图2为本发明中取热蒸发模块的蒸发端微结构的结构示意图。

图2a和图2b分别为本发明中毛细微直槽的一种断面结构示意图。

图3为本发明中冷凝散热模块的冷凝顶板内端面的结构示意图。

图4为本发明中冷凝散热模块的冷凝侧部内端面展开状态结构示意图。

图5为本发明中冷凝散热模块一实施例的外部结构示意图。

具体实施方式

请参阅图1至图4，本发明的自激励式相变热控散热***，包括取热蒸发模块1和冷凝散热模块2，所述取热蒸发模块1与冷凝散热模块2之间形成用于灌充填充工质的封闭空腔3，所述取热蒸发模块1位于封闭空腔3的一端部，并由取热底板11和蒸发端面微结构12组成，该蒸发端面微结构12设在取热底板11的内端面，且包括毛细微直槽121和蓄液供液槽环122。

主要如图2所示，所述毛细微直槽121数量为多个，并平行均匀分布，两相邻毛细微直槽121通过槽道间壁123隔开；所述蓄液供液槽环122为环形结构，设在毛细微直槽121的周围。

所述毛细微直槽121的表面为糙化表面。所述毛细微直槽121从两端槽口到槽中段为渐宽模式。 所述毛细微直槽的两端槽口的宽度为槽中间宽度的50%-90%。如图2a和图2b所示，毛细微直槽121剖截面为四边形或三边形。所述蓄液供液槽环122的环径D不小于1mm。

所述冷凝散热模块2包括冷凝侧部21与冷凝顶板22，所述冷凝侧部21位于封闭空腔3的侧边，所述冷凝顶板22位于封闭空腔3的另一端部，且所述冷凝侧部21与冷凝顶板22的内端面为带有膜液区A和滴液区B的组合表面C。

其中，所述膜液区A和滴液区B间隔交替排列。所述膜液区A的宽度不大于2mm，面积占比5-50%，即膜液区A的面积为膜液区A和滴液区B总面积的5-50%。所述冷凝顶板22内端面沿径向倾斜，水平倾斜角θ为5~20°。

所述组合表面为下述任一种：

第1种：组合表面C中滴液区A为疏水区，膜液区B为亲水区；

第2种：组合表面C中滴液区A为亲水区，膜液区B为超亲水区；

第3种：组合表面C中滴液区A为超疏水区，膜液区B为亲水区；

第4种：组合表面C中滴液区A为超疏水区，膜液区B为超亲水区。

如图5所示，所述冷凝侧部21与冷凝顶板22外侧带有一体化的发射状散热翅片23。

所述填充工质可以为单一组分的液体物质，或为两种及两种以上的多组分的液体物质。所述液体物质在0~0.1MPa气压环境下，其沸点在30-95℃。

取热蒸发模块-原理及效果：

通过物理尺度上的微细化(一般指小于1mm以下)，微细尺度下的传热具备了“反常”的超强传热特性，可以很好地满足高密度热流下的热管理需求。微槽式结构的微尺度于高密度热流下突出的传热特性源于蒸发端内所形成的工质弯月面中薄液膜区的蒸发与本征厚膜区的核态沸腾共同作用所致，并非单纯是薄液膜区中的纯蒸发模式。在相变热控体系中，强化蒸发端的核态沸腾可以大幅提升蒸发热端的取热换热能力。因此：

1.在取热蒸发模块引入微细尺度下具备高强度相变取热的毛细微直槽，可以实现微尺度下的相变传热，微尺度结构通过形成耦合有核态沸腾和蒸发的相变热控体系，同时提升临界热流密度和换热系数，进而强化了热端的换热能力；

2.糙化毛细微直槽，可进一步提升沸腾换热系数，降低热端的过热度；

3.引入蓄液供液槽环，可实现冷凝回流液滴的蓄积，并对毛细微直槽形成持续供液能力，避免液膜干涸。

冷凝散热模块-原理及效果：

热蒸汽接触到过冷的金属表面时，将发生汽液相变冷凝。在表面上的汽液冷凝通常通过两种冷凝模式机理进行，分别是膜状冷凝和滴状冷凝。就冷凝换热效率或系数而言，滴状冷凝要显著高于膜状冷凝，一般高出1-2个数量级。因此，通过调整设计冷凝表面汽液的冷凝模式，构建冷凝表面的滴状冷凝，可以强化冷凝换热系数，提升冷凝效率、改善冷凝效果。

滴状冷凝一般涉及液核生成、长大兼并及液滴脱落等关键过程。通常来讲，膜液区（由膜状冷凝形成的液滴区）更利于液核的大量生成与液滴间的合并兼并；滴液区（由滴状冷凝形成的液滴区）更利于小液滴的形成与液滴的脱落更新。但是，单纯的膜液表面存在明显的液膜阻隔层，而单纯的滴液表面存在偏少的生成液核，二者的冷凝表面的换热系数均相对较差。因此，同时具备膜液区和滴液区的混杂表面或组合表面可以实现对冷凝液滴的液核量化生成与液滴的及时有效脱落更新，从而强化并提升冷凝换热效果。本发明的冷凝散热模块基于表界面张力梯度效应，通过设计冷凝表面的界面特性，构建膜液区、滴液区并存的组合表面。滴液区形成小液滴、并控制液滴脱落更新临界尺寸大小，膜液区形成梯度界面基础、并吸取滴液区临界液滴形成排液通道。组合表面实现了冷凝液滴的液核量化生成与液滴的及时有效脱落更新，强化了冷凝换热。

本发明自激励式相变热控散热***的加工过程如下：

1.取热蒸发模块

1.1蒸发端面微结构

通过激光切割或线切割等微结构加工手段，在取热底板上加工出毛细微直槽、蓄液供液槽环，得到初步的蒸发端面微结构；

1.2糙化处理

进一步通过湿法糙化技术，继而通过清洗、烘干等，最终形成在取热底板上带有蒸发端面微结构的取热蒸发模块；

2.冷凝散热模块

2.1冷凝顶板内端面、冷凝侧部内端面的组合表面（组合表面的制作包含了4种情形）：

第1种组合表面：在冷凝顶板内端面上制作疏水区，同内端面上未形成疏水区的亲水区，共同构成亲/疏水区间隔分布的组合表面，即此组合表面中滴液区由疏水区形成，膜液区由亲水区形成；同理可制得冷凝侧部内端面的组合表面；

第2种组合表面：在冷凝顶板内端面上制作超亲水区，同内端面上未形成超亲水区的亲水区，共同构成亲/超亲水区间隔分布的组合表面，即此组合表面中滴液区由亲水区形成，膜液区由超亲水区形成；同理可制得冷凝侧部内端面的组合表面；

第3种组合表面：在冷凝顶板内端面上制作超疏水区，同内端面上未形成超疏水区的亲水区，共同构成亲/超疏水区间隔分布的组合表面，即此组合表面中滴液区由超疏水区形成，膜液区由亲水区形成；同理可制得冷凝侧部内端面的组合表面；

第4种组合表面：在冷凝顶板内端面上制作超疏水区，同内端面上未形成超疏水区的超亲水区，共同构成超亲/超疏水区间隔分布的组合表面，即此组合表面中滴液区由超疏水区形成，膜液区由超亲水区形成；同理可制得冷凝侧部内端面的组合表面；

3.焊接密封

利用焊接技术将取热蒸发模块、冷凝散热模块进行焊接密封；

4.抽空灌注填充工质

利用抽真空设备抽排气，灌注填充工质，进行热端加热、随后抽真空，循环加热与抽真空过程，直至上述制作的散热装置可以正常启动运行为止。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。

Claims (13)

1.一种自激励式相变热控散热***，包括取热蒸发模块和冷凝散热模块，所述取热蒸发模块与冷凝散热模块之间形成用于灌充填充工质的封闭空腔，其特征在于：所述取热蒸发模块位于封闭空腔的一端部，并由取热底板和蒸发端面微结构组成，该蒸发端面微结构设在取热底板的内端面，且包括毛细微直槽和蓄液供液槽环；所述冷凝散热模块包括冷凝侧部与冷凝顶板，所述冷凝侧部位于封闭空腔的侧边，所述冷凝顶板位于封闭空腔的另一端部，且所述冷凝侧部与冷凝顶板的内端面为膜液区和滴液区间隔交替排列组合而成的表面。

2.根据权利要求1所述的自激励式相变热控散热***，其特征在于：所述毛细微直槽数量为多个，并平行均匀分布；所述蓄液供液槽环为环形结构，设在毛细微直槽的周围。

3.根据权利要求1所述的自激励式相变热控散热***，其特征在于：所述毛细微直槽的表面为糙化表面。

4.根据权利要求1至3任一项所述的自激励式相变热控散热***，其特征在于：所述毛细微直槽从两端槽口到槽中段为渐宽模式。

5.根据权利要求4所述的自激励式相变热控散热***，其特征在于：所述毛细微直槽的槽口宽度为槽中间宽度的50%-90%。

6.根据权利要求1至3任一项所述的自激励式相变热控散热***，其特征在于：毛细微直槽剖截面为四边形或三边形。

7.根据权利要求1或2所述的自激励式相变热控散热***，其特征在于：所述蓄液供液槽环的环径不小于1mm。

8.根据权利要求1所述的自激励式相变热控散热***，其特征在于：所述膜液区的宽度不大于2mm，面积占比5-50%。

9.根据权利要求1所述的自激励式相变热控散热***，其特征在于：所述冷凝顶板内端面沿径向倾斜，水平倾斜角为5~20°。

10.根据权利要求1所述的自激励式相变热控散热***，其特征在于：所述冷凝侧部与冷凝顶板外侧带有一体化的发射状散热翅片。

11.根据权利要求1所述的自激励式相变热控散热***，其特征在于：所述组合表面为下述任一种：

第1种：组合表面中滴液区为疏水区，膜液区为亲水区；

第2种：组合表面中滴液区为亲水区，膜液区为超亲水区；

第3种：组合表面中滴液区为超疏水区，膜液区为亲水区；

第4种：组合表面中滴液区为超疏水区，膜液区为超亲水区。

12.根据权利要求1所述的自激励式相变热控散热***，其特征在于：所述填充工质为单一组分的液体物质，或为两种及两种以上的多组分的液体物质。

13.根据权利要求12所述的自激励式相变热控散热***，其特征在于：所述液体物质在0~0.1 MPa气压环境下，其沸点在30-95℃。