CN106594691A - 一种用于高热流密度器件的散热及余热回收*** - Google Patents
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Abstract
一种用于高热流密度器件的散热及余热回收***，涉及高热流密度器件。设有散热模块和热电转换与储能模块；所述散热模块设有平板热管、散热风扇、散热翅片，所述平板热管设有上金属盖板和下金属盖板，所述平板热管蒸发面设有阵列排布的多孔凸起结构，所述多孔凸起结构顶端设有内凹槽；所述平板热管冷凝面设有与所述内凹槽配合的多孔凸台结构，所述多孔凸台结构与所述内凹槽组合成多孔吸液芯；所述热电转换与储能模块设有半导体热电转换器、稳压电路、储能电池，半导体热电转换器、稳压电路、储能电池依次连接，所述散热翅片设在半导体热电转换器或平板热管冷端，散热翅片作为辅助散热元件。
Description
技术领域
本发明涉及高热流密度器件，尤其是涉及一种用于高热流密度器件的散热及余热回收***。
背景技术
随着科技的日新月异，涌现出大量高热流密度器件。其中某些器件的热流密度甚至达到200W/cm2，而这导致集成电路和半导体器件的性能、可靠性和安全性均受到较大影响。如何运用良好的散热手段有效地解决散热问题已成为当前电子电器设备亟待解决的关键技术。
平板热管是一个内壁具有毛细结构的真空腔体，腔体抽成真空并充入工质，通过平板内壁吸液芯内的工质蒸发、冷凝相变实现热量的快速散失。由于平板热管具有良好的导热性、等温性、快速热启动性等特点，人们将其广泛应用于高热流密度器件的散热。目前，平板热管结构多为扁平状，抗压能力一般较差，容易因温度过高或外加压力而产生内陷或裂缝变形现象，一般不采用可以提升平板热管使用温度的氨作为工质，因为相对于水、酒精等低饱和蒸汽压力的工质，氨的饱和蒸汽压力提高了几十倍。因此平板热管的一项技术难点就是耐压性。另外，相比于传统热管的一维散热而言，平板热管的二维面散热对多热源器件的散热更有优势。且其金属基板可代替电子器件的内基板，便于与电子器件的一体化封装，降低器件整体热阻。
温差发电现象是在1821年由赛贝克发现,把两种不同的金属导体接成闭合电路时，若把它的两个接点分别置于温度不同的两个环境中，则电路中就会有电流产生，这一现象称为塞贝克(Seebeck)效应，这种情况下产生电流的电动势叫做温差电动势。塞贝克效应的实质在于两种金属接触时会产生接触电势差，该电势差取决于金属的电子逸出功和有效电子密度这两个基本因素。半导体的温差电势最明显,可用作热电转换器件。
公告号为CN 104748597 A的中国发明专利公开一种平板热管及其制作方法，该装置包括蒸发盖板、冷凝盖板、多孔毛细结构和若干个支撑柱；该发明虽然兼顾平板热管散热性能与机械强度，但由于其支撑柱需***毛细结构的通孔，导致其散热性能无法达到最优，且制造过程复杂。公告号为CN 104713395A的中国发明专利公开了一种高耐压性平板热管及其加工方法，其包括上金属盖板、下金属盖板、毛细腔和加强筋；该发明在上金属盖板直接加工出加强筋，虽然提高了热管的耐压性，但加强筋的存在会导致平板热管整体热阻增加，从而降低其传热效率。
公告号为CN 204534496 U的中国发明专利中所公开的一种可利用余热的LED散热装置，其采用微槽平板热管，且将其置于内基板和热电转换模块之间。内基板使得器件的整体热阻较大，而微槽平板热管的使用有局限性。
发明内容
为了克服现有技术的上述不足，本发明的目的在于提供可以应用于高热流密度器件的热控制及其余热回收，不仅可解决高热流密度器件的散热问题，而且还将余热用于发电，减少资源的消耗，具有很好应用潜力和推广前景的一种用于高热流密度器件的散热及余热回收***。
本发明设有散热模块和热电转换与储能模块；
所述散热模块设有平板热管、散热风扇、散热翅片，所述平板热管设有上金属盖板和下金属盖板，所述平板热管蒸发面设有阵列排布的多孔凸起结构，所述多孔凸起结构顶端设有内凹槽；所述平板热管冷凝面设有与所述内凹槽配合的多孔凸台结构，所述多孔凸台结构与所述内凹槽组合成多孔吸液芯；
所述热电转换与储能模块设有半导体热电转换器、稳压电路、储能电池，半导体热电转换器、稳压电路、储能电池依次连接，所述散热翅片设在半导体热电转换器或平板热管冷端，散热翅片作为辅助散热元件。
所述半导体热电转换器可采用半导体温差发电组件。
所述上金属盖板和下金属盖板可采用铜、铜合金、铝、铝合金及镍等中的一种材料制成的盖板。
所述多孔吸液芯、多孔凸起结构、多孔凸台结构均可采用金属粉末通过烧结形成，具有多孔隙结构，能够提供良好的毛细压力和工质液体回流路径。所述金属粉末可采用铜粉、镍粉、铝粉及碳纳米粉等中的一种。所述工质液体可采用水、乙醇、丙酮、甲醇、氨等中的一种，优选氨，工质液体的注入量可为多孔吸液芯、多孔凸起结构、多孔凸台结构内腔容积的10％～40％。
所述多孔凸起结构其外形可采用长方体，所述多孔凸台结构可采用倒置几何体，所述倒置几何体可采用倒梯形台等。
所述平板热管的制造方法，包括如下步骤：
1)通过电火花线切割设备和数控铣床等加工制造出相关模具；
2)选取两块经清洗除污、烘干的金属薄板分别作为平板热管的上金属盖板和下金属盖板，其中，一块经冲压制成内面具有凹腔的下金属盖板作为蒸发面，一块为平板状的上金属盖板作为冷凝面；
3)将金属粉末颗粒分别填充至两烧结模具，以及上金属盖板和下金属盖板组成的空腔内，并放入烧结炉中进行固相烧结；
4)脱模后，再将型芯部分横向移动一定距离后拔出，从而得到蒸发面上含内凹槽的多孔凸起结构与多孔结构相连的上吸液芯结构，以及冷凝面上的多孔凸台结构与多孔结构相连的下吸液芯结构；
5)将上金属盖板和下金属盖板通过移动一定距离后盖合，使得含内凹槽的多孔凸起结构与多孔凸台结构相互配合，再通过钎焊进行连接，对其内部进行抽真空与灌注工质，完成平板热管的制备。
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
1)组合式吸液芯结构大大提高了毛细压力，显著缩短了工质回流路径，可实现汽液两相的有效分离，显著地提高了平板热管传热效率。
2)两部分毛细结构通过装配而形成的柱状结构，使得无论是外界施加压力，还是真空腔体处于低压或高压的状态，都可以防止平板热管内陷或者裂缝变形现象的产生。具有较好的耐压性，可采用氨作为工质提升平板热管的使用温度。
3)由于工质可以通过壁面的多孔毛细薄层及组合式多孔吸液芯结构从冷凝面快速回流到蒸发面，所以提高了该平板热管的抗重力的性能，使得其处于微重力的环境中依然可以稳定工作。
4)可视具体应用情景，将平板热管的金属盖板代替高热流密度器件的内基板，便于一体化封装和降低热阻。
5)解决了高热流密度器件的散热问题，尤其适用于多热源高热流密度器件如LED灯。而且还将余热用于发电，减少了资源的消耗。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图。
图2为本发明的平板热管的***示意图。
图3为本发明的平板热管的剖面示意图。
图4为下金属盖板(蒸发面)示意图。
图5为制造冷凝面吸液芯所使用的模具示意图。
图6为制造蒸发面吸液芯所使用的模具示意图。
图7为模具结构剖面示意图。
图8为冷凝面吸液芯结构示意图。
图9为蒸发面吸液芯结构示意图。
图10为吸液芯结构剖面示意图。
图11为冷凝面吸液芯模具烧结成形示意图。
图12为蒸发面吸液芯模具烧结成形示意图。
图13为部分配合形成的吸液芯结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的发明目的作进一步详细地描述，本发明的实施方式并不因此限定于以下实施例。
参见图1～13。
实施例1
本发明实施例包括散热模块、热电转换与储能模块，其中散热模块包括上金属盖板1、下金属盖板2。上金属盖板1与下金属盖板2之间通过焊接密封形成密闭腔体，在腔体内部填充有液体工质。其上金属盖板内表面(即冷凝面)、下金属盖板内表面(即蒸发面)分别加工出上金属盖板多孔吸液芯结构3和下金属盖板多孔吸液芯结构4，在蒸发面设有阵列排布的带有内凹槽的多孔凸起结构41，冷凝面设有与该内凹槽相配合的多孔凸台结构31。多孔凸台结构31和多孔凸起结构41通过紧密配合后，在其组合多孔结构内形成工质回流通道。
所述上金属盖板1与下金属盖板2为铜或铝材料所制，优选为无氧铜材料。其下金属盖板2经冲压在其内面形成一个凹腔。在上金属盖板1与下金属盖板2的内表面均铺有上金属盖板多孔吸液芯结构3和下金属盖板多孔吸液芯结构4。下金属盖板上设有注液口21。在下金属盖板多孔吸液芯结构4上还设有垂直于蒸发面并与所述蒸发面薄层多孔吸液芯结构连为一体的多孔凸起结构41，该多孔凸起结构41顶端设有内凹槽411；而在上金属盖板多孔吸液芯结构3上，则设有与多孔凸起结构41相配合的多孔凸台结构31，从而形成组合式的液体回流通道。多孔凸台结构31根据需要可以为倒梯形台等结构，如图7所示。多孔凸起结构41可以为方形柱结构，如图8所示。
上金属盖板多孔吸液芯结构3和下金属盖板多孔吸液芯结构4采用铜粉或镍粉颗粒通过固相烧结方式制成，金属粉末的颗粒形状为球形或不规则形。
上述具有组合式吸液芯结构的平板热管的制造方法，包括如下步骤：
(1)通过电火花线切割设备和数控铣床等加工出烧结模具5和6。模具材质选用不锈钢，具体为：对不锈钢板进行电火花线切割，对于带有倒梯形状多孔凸台结构31的上金属盖板多孔吸液芯结构3，在不锈钢板加工出与倒梯形多孔凸台结构31相配的燕尾槽51；对于带有内凹槽411的下金属盖板多孔吸液芯结构4，在其中一块不锈钢板上加工出相应结构61与其相配；
(2)选取两块经清洗除污、烘干的金属薄板分别作为平板热管的上金属盖板1、下金属盖板2，其中，一块经冲压制成内面具有凹腔的下金属盖板2作为蒸发面，另一块平板状的上金属盖板1作为冷凝面；
(3)取合适粒径(如75～100μm)的金属粉末颗粒7分别填充两烧结模具5、6以及上金属盖板1与下金属盖板2组成的空腔内，如图11和图12所示，使金属粉末充分填满空腔为止。填充时适时振荡模具，使铜球粉充分填充。将填充完毕的空腔盖实，保证金属粉末上端的平齐。可以对模具进行表面处理，以减小模具在拔出时的拔出力，避免吸液芯结构遭到破坏或者模具拔不出。有效的表面处理方法为，模具表面涂一层抗高温的脱模剂，或者对芯棒表面进行高温渗氮。
(4)将填好铜粉的上金属盖板1与下金属盖板2放在支架上并固定，置于箱式气氛保护电阻炉中烧结，该烧结的升温程序为：以300～400℃/h的速度升温至400～500℃后保温20～40min，再以300～400℃/h的速度升温至850～1000℃后保温烧结30～90min；优选的升温程序为：以300～400℃/h的速度升温至400～450℃后保温25～35min，300～400℃/h的速度升温至900～1000℃后保温烧30～90min。
(5)烧结完成后，炉冷至室温，取出支架，先将模具脱出，再将型芯依次水平移动一定距离后拔出，从而得到蒸发面上含内凹槽的多孔凸起结构与薄层多孔结构相连的下金属盖板多孔吸液芯结构4，以及冷凝面上多孔凸台结构与薄层多孔结构相连的上金属盖板多孔吸液芯结构3；
(6)将上金属盖板与下金属盖板通过移动一定距离后盖合，使得含内凹槽的多孔凸起结构与多孔凸台结构相配合，再通过钎焊进行连接，焊接完成后利用真空设备对均热板进行抽真空,抽真空过程应保证环境洁净无尘。抽真空过程完成后，将工质进行除气，然后对其内部灌注工质，并封口，从而得到具有组合式吸液芯结构的平板热管。
以下将该***应用于大功率LED灯具上做更好的说明，如图2。为了保证LED灯在安全的温度范围内工作，首先是将聚集于LED阵列芯片8的热量通过平板热管9蒸发端的金属盖板传热，再经过平板热管内部相变传导的方式均匀分布传热。然后利用半导体热电转换器10将热量转换成电能并经过储能转化单元暂存和转化后输出为部分LED照明用电及散热风扇11供电。视具体情况也可以在半导体热电转换器或者平板热管冷端加散热翅片作辅助散热。热电转换及储能模块包括半导体温差发电组件、稳压电路模块、储能电池、储能转换单元、导线若干等构成。
实施例2
参见图13，本实施例与实施例1的区别在于：所述平板热管中的多孔凸起结构41为其它几何形体，而多孔凸台结构31为几何形体，其余部分与实施例1相同。
Claims (10)
1.一种用于高热流密度器件的散热及余热回收***，其特征在于设有散热模块和热电转换与储能模块；
所述散热模块设有平板热管、散热风扇、散热翅片，所述平板热管设有上金属盖板和下金属盖板，所述平板热管蒸发面设有阵列排布的多孔凸起结构，所述多孔凸起结构顶端设有内凹槽；所述平板热管冷凝面设有与所述内凹槽配合的多孔凸台结构，所述多孔凸台结构与所述内凹槽组合成多孔吸液芯；
所述热电转换与储能模块设有半导体热电转换器、稳压电路、储能电池，半导体热电转换器、稳压电路、储能电池依次连接，所述散热翅片设在半导体热电转换器或平板热管冷端，散热翅片作为辅助散热元件。
2.如权利要求1所述一种用于高热流密度器件的散热及余热回收***，其特征在于所述半导体热电转换器采用半导体温差发电组件。
3.如权利要求1所述一种用于高热流密度器件的散热及余热回收***，其特征在于所述上金属盖板和下金属盖板为铜、铜合金、铝、铝合金及镍中的一种材料制成的盖板。
4.如权利要求1所述一种用于高热流密度器件的散热及余热回收***，其特征在于所述多孔吸液芯、多孔凸起结构、多孔凸台结构均采用金属粉末通过烧结形成，具有多孔隙结构。
5.如权利要求1所述一种用于高热流密度器件的散热及余热回收***，其特征在于所述金属粉末采用铜粉、镍粉、铝粉及碳纳米粉中的一种。
6.如权利要求1所述一种用于高热流密度器件的散热及余热回收***，其特征在于所述工质液体采用水、乙醇、丙酮、甲醇、氨中的一种。
7.如权利要求6所述一种用于高热流密度器件的散热及余热回收***，其特征在于所述工质液体采用氨。
8.如权利要求1所述一种用于高热流密度器件的散热及余热回收***，其特征在于所述多孔凸起结构其外形采用长方体。
9.如权利要求1所述一种用于高热流密度器件的散热及余热回收***，其特征在于所述多孔凸台结构采用倒置几何体。
10.如权利要求9所述一种用于高热流密度器件的散热及余热回收***，其特征在于所述倒置几何体采用倒梯形台。
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