CN109287104B - 一种仿生蒸腾冷却自适应散热器 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种仿生蒸腾冷却自适应散热器，包括蒸发室、储液室、蒸汽循环管路、连接管和工作液体，所述蒸发室两侧对称的连接有蒸汽循环管路，所述蒸汽循环管路对称的与储液室两侧相连，所述储液室通过连接管与蒸发室底部相连，所述蒸发室内从下到上依次填充有填充纤维和仿生多孔材料，所述工作液体在蒸发室、储液室、蒸汽循环管路和连接管内循环流动，所述蒸发室顶端与散热元器件相贴合，通过所述工作液体的循环流动对所述散热元器件进行散热。本公开器基于植物的蒸腾冷却原理制造，具备无需泵功高散热性能和自适应的特点，可以解决高热流密度面的散热要求，特别适用于高散热功率的电子元器件的散热。

Description

一种仿生蒸腾冷却自适应散热器

技术领域

本公开涉及散热技术领域，尤其涉及一种仿生蒸腾冷却自适应散热器。

背景技术

自进入信息化社会以来，电子及通信技术高速发展。为应对现实需求，电子芯片朝着高集成度、微型化、高主频的方向发展。电子芯片的集成度越高，单位面积上的晶体管数目越多运算处理速度也就越快。但是也随之带来了发热功率高、热流密度大的问题，导致电子元件温度升高。对于电子元件，随着温度的升高，当温度超过一定的限额时，失效率会极大提升，使用寿命和稳定性会大大降低。因此为保证电子器件的高效长期稳定运行，需要对电子器件进行必要的散热设计。

传统的自然冷却散热已不能满足散热需求，越来越多散热装置被设计应用到实际需要中。目前主要应用的散热装置有风冷散热器、液冷散热器和热管散热器。风冷散热器原理即为通过空气对流来冷却电子器件，一般可以通过添加肋片，增大电子器件散热面和添加强制冷却风扇等方式来达到冷却需求。但是这种方式需要改善加工散热面，风扇有噪音，对于某些特殊器件和场合不适用。而且受制于冷却方式，不适用于高热流密度的散热面冷却。液冷即通过水泵推动液体在循环管路内流动，经过散热面带走电子器件的热量然后在散热室冷却放出热量的方式来达到冷却的目的。液冷散热器散热性能卓越，散热能力是风冷散热器的数十倍，且降噪效果明显。但是液冷散热器其***复杂，造价成本高，占据空间大，其运行工作过程必须依赖与水泵一类驱动装置，一般适用于大型计算机、工作基站等场合。热管散热器利用了介质的相变潜热能力，介质在密闭空间内实现蒸发和冷凝过程的耦合，实现热量传递，其导热能力是纯铜的百倍以上。介质在密闭空间中循环的动力来自于重力和毛细管对流体的抽吸力。因此，该散热***具有噪声低、尺寸小且导热能力高等特点。热管技术主要应用在计算机、移动通信终端等领域。

蒸腾作用是自然界植物自有的散热方式。自然界植物在受到烈日阳光照射或者高温环境加热时，可以通过蒸腾作用将水分输送到树干顶端的叶片。水分在植物叶片中吸热蒸发，通过气孔逸散到环境中带走热量。植物体内的蒸腾作用是一个复杂的生理过程，不仅受到外部环境的影响还受到植物自身的调节控制。对于植物而言，蒸腾作用不仅可以帮助植物散热，更重要的是为植物提供了将根系吸收的水分输运到数十米高的树冠的动力，为树木的生长提供了基本保障。

植物的蒸腾作用是一种高效的散热方式，散热能力强，这种散热方式无需额外泵功。植物蒸腾作用中最重要的部分是位于树干中起输运水分的的木质部导管，和位于叶片起蒸发和提供毛细力作用的多孔结构。基于这些研究，制造了仿生蒸发散热器，并且在研究中发现基于这种原理制造的蒸发散热器具备自适应的特点。在运行过程中能够自动调节蒸发量维持散热面在一定的温度不变。因此设计了这种新型仿生蒸腾冷却散热器，这种散热器能够引用到电子器件散热等散热需求中，适应多样化的散热需求和工作条件。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本公开提供了一种仿生蒸腾冷却自适应散热器，这种散热器可以解决高热流密度面的散热要求，特别适用于高散热功率的电子元器件的散热，这种散热器基于植物的蒸腾冷却原理制造，具备无需泵功高散热性能和自适应的特点。

为了实现上述目的，本公开的技术方案如下：

一种仿生蒸腾冷却自适应散热器，包括蒸发室、储液室、蒸汽循环管路、连接管和工作液体，所述蒸发室两侧对称的连接有蒸汽循环管路，所述蒸汽循环管路对称的与储液室两侧相连，所述储液室通过连接管与蒸发室底部相连，所述蒸发室内从下到上依次填充有填充纤维和仿生多孔材料，所述工作液体在蒸发室、储液室、蒸汽循环管路和连接管内循环流动，所述蒸发室顶端与散热元器件相贴合，通过所述工作液体的循环流动对所述散热元器件进行散热。

进一步的，所述蒸发室包括蒸发室上盖板和蒸发室外壳，所述蒸发室上盖板和蒸发室外壳间紧密贴合，所述蒸发室上盖板底面上开设有均匀分布的蒸汽通道。

进一步的，所述蒸发室上盖板底面左右两侧对称的设有阶梯结构，所述阶梯结构与仿生多孔材料对应位置处设置的阶梯结构一起构成蒸汽腔，所述蒸汽腔用于汇集从所述蒸汽通道出来的蒸汽。

进一步的，所述蒸汽循环管路与蒸汽腔相连，所述蒸汽循环管路为螺旋管圈结构，所述蒸汽循环管路上加装有散热翅片。

进一步的，所述连接管为连接毛细管，所述连接毛细管多根单列均匀布置。

进一步的，所述仿生多孔材料由金属粉末烧结而成，具备多孔结构，所述仿生多孔材料用于提供供整个装置工作的毛细力。

进一步的，所述仿生多孔材料内设有蒸汽通道。

进一步的，所述蒸汽循环管路为直管道结构，所述蒸汽循环管路上安装有散热翅片。

一种仿生蒸腾冷却自适应散热器，包括一蒸发室，所述蒸发室内从下到上依次填充有填充纤维和仿生多孔材料，所述仿生多孔材料内沿径向均匀开设有若干蒸汽通道，每个所述蒸汽通道均与一布设于蒸发室外的循环蒸汽管冷却管相连，所述循环蒸汽管冷却管与储液管相连，所述储液管与循环蒸汽管连接管相连，所述循环蒸汽管连接管与蒸发室底部相连，所述蒸发室顶端与散热元器件相贴合。

进一步的，所述散热器还包括连接段，所述连接段用于连接两个相邻的储液管。

进一步的，所述仿生多孔材料由金属粉末烧结而成，具备多孔结构，所述仿生多孔材料用于提供供整个装置工作的毛细力。

进一步的，所述蒸汽循环管路为直管道结构，所述蒸汽循环管路上可加装散热翅片。

与现有技术相比，本公开的有益效果是：

1)本公开装置的工作原理利用了液体相变传热，其导热系数远高于单相传热，散热效率极高，能够很好解决高热流密度的散热问题。

2)本公开基于植物蒸腾作用设计，设计有仿木质部导管和仿植物蒸发气孔结构，可以通过不断完善这两个部分的结构，选取更好的材料，提高散热器工作性能，具备较大的提升空间。

3)本公开装置无需外加工作动力，没有风扇或泵等装置，没有工作噪音，自身可以不断完成工作循环。

4)本公开具备自适应的特性，在不同的热流密度下，可以自身调节蒸腾速率，维持散热面在一个相对恒定的温度，有利于温度控制，保证电子器件的长期高效稳定运行。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本公开实施例一的装置结构示意图；

图2为本公开实施例一的蒸发室上盖板结构示意图；

图3为本公开实施例二的装置结构俯视示意图；

图4为本公开实施例二的装置结构剖面示意图；

图5为本公开实施例三的装置结构俯视示意图；

图6为本公开实施例三的装置结构正视图；

图中：1、蒸发室上盖板；2、蒸汽循环管路；3、蒸汽通道；4、仿生多孔材料；5、填充纤维；6、蒸发室外壳；7、连接毛细管；8、储液室；9、工作液体；10、蒸发室；11、蒸汽循环管路；12、辅助散热翅片；13、储液室；14、连接管；15、仿生多孔材料；16、蒸汽通道；17、填充纤维；18、循环蒸汽管冷却管；19、储液管；20、循环蒸汽管连接管；21、蒸汽通道；22、蒸发室；23、连接段。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施例对本公开做进一步的说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。

本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。

实施案例一：

如图1和图2所示，本公开的循环工作回路由蒸发室(包括蒸发室上盖板1和蒸发室外壳6)、蒸汽循环管路2、储液室8和连接储液室与蒸发室的连接毛细管7组成，在循环工作回路中还装有仿生多孔材料4、填充纤维5以及工作液体9。

蒸发室上盖板1可由导热性能良好的铜板制成，以减少传热热阻。铜板厚度约为6mm，铜板尺寸根据实际需要的散热面积选取。上盖板1与需要散热的电子器件直接贴合，电子器件产生的热量直接通过上盖板1向下传递。同时在上盖板1的下底面开有蒸汽通道3，蒸汽通道3截面可以是矩形、梯形或者半圆形。矩形蒸汽通道尺寸为6mm×4mm，蒸汽通道3的数量根据上盖板的面积选取，相邻蒸汽通道3的间隔约为10mm。同时在上盖板1左右两侧设有阶梯，用于与仿生多孔材料4相应位置处的阶梯结构一起组成蒸汽腔，蒸汽从蒸汽通道出来在蒸汽腔汇集。上盖板1与蒸汽室外壳6间必须严密贴合，没有间隙。具体实施中，上盖板1与蒸汽室外壳6可通过焊接无缝连接在一起。

蒸汽循环管路2采用铜管制造，铜管直径在6mm～12mm之间选择，循环蒸汽管路2为左右对称布置，散热器的尺寸较大散热功率较大时，循环蒸汽管路2可以选择数根并联设置。循环蒸汽管路2与蒸汽腔相连，循环蒸汽管路2为螺旋管圈结构，蒸汽腔汇集的蒸汽进入循环蒸汽管路2进入冷却段冷却，冷凝液体工质自然顺着螺旋管回流至储液室8。循环蒸汽管路2与蒸发室焊接连接，必须保证此处的密封性。循环蒸汽管路2上加装有散热翅片，装有散热翅片的部分为冷却段，蒸汽在此段冷却散热，由气态冷却成液态，回流至储液室8。

储液室8用于储存冷却回流的工作液体，为一长方体空间。储液室8与蒸发室之间用小尺寸连接毛细管7连接，连接毛细管7为多根单列均匀布置，保证工作液体能够均匀湿润整个蒸发室空间，避免蒸发室单方向尺寸过大时局部蒸干。

在蒸发室室内有填充纤维5和仿生多孔材料4。本公开基于植物蒸腾作用设计制造，对于植物而言木质部导管与叶片为最重要的两个部分，木质部导管用于输运水分叶片多孔结构是主要蒸发空间。填充纤维5直径为毫米级别，与工作液体9具有良好的亲和力，能够很好的提供工作液体9的输运空间。在工作液体9为水时，填充纤维5可以选取硅铝酸盐纤维。填充纤维5的纤维直径在微米级别。仿生多孔材料4是最重要的液体蒸发部件，同时工作液体9在多孔材料4中蒸发时提供了供整个装置工作的毛细力，在毛细力的作用下工作液体可以被吸到距储液室数十厘米高的蒸发室空间。可以通过不断改善多孔材料4的结构选取更好的材料提升散热器的工作性能。仿生多孔材料4可以采用镍粉烧结而成，需要与蒸发室上盖板1紧密贴合，可以在蒸发室的侧壁面上涂上贴合剂或者其他安装措施，以减少传热热阻，保证传热面积。

工作液体9的选择可以是水、液氨、丙烷和有机制冷剂等。

上述新型仿生蒸腾冷却自适应散热器基于植物蒸腾作用原理制作而成，储液室8、蒸发室、蒸汽循环管路2组成一个循环回路。蒸发室上盖板1与散热面相贴合，热量自散热面向蒸发室传递，工作液体在蒸发室受热蒸发，经蒸汽循环管路2冷却段冷却成液态回流到储液室8，在毛细力和扩散作用下输运到蒸发室完成一个工作循环。这个工作循环能够在无需外界动力持续运行，不断的工作循环能够源源不断的将电子器件的热量带走。

实施案例二：

实施案例二与实施案例一结构原理相同，不同之处在于实施案例一为竖直安置，考虑到具体应用竖直空间可能不足，设计实施案例二水平安置。

如图3和图4所示，本案例包括蒸发室10、蒸汽循环管路11、辅助散热翅片12、储液室13、连接管14、仿生多孔材料15、填充纤维17和蒸汽通道16。

本实施例中蒸发室10结构与实施例一的区别在于上盖板不再开有蒸汽通道，蒸汽通道16在仿生多孔材料15上，在烧结仿生多孔材料15的时候制作完成。

循环蒸汽管路11为直管道设计，安装辅助散热翅片12，蒸汽在安装翅片部分散热，冷却液化回流至储液室13。

储液室13连接的蒸汽循环管路11回流管与连接管14有一微小高差。当散热面积较大散热功率较大时，连接管14同样可以采取多根并联设计。

本实施例的工作原理与实施例一完全相同，工作液体也可以选取相同液体。

实施案例三：

本实施例运行原理和内部结构与实施例一、二完全相同就不再赘述，不同之处在于本实施例为三通道独立设计。

如图5和图6所示。本实施例包括循环蒸汽管冷却管18、储液管19、循环蒸汽管连接管20、蒸汽通道21、蒸发室22和连接段23。

蒸汽通道21、循环蒸汽管冷却管18、储液管19和循环蒸汽管连接管20组成了一个独立的蒸汽循环回路，本实施例包含三个独立对称分布的冷却循环，每个循环能够单独工作。

蒸发室22为圆柱形，内部同样有填充纤维和仿生多孔材料，在仿生多孔材料上开有三个径向均匀分布的蒸汽通道21。蒸汽通道21内产生的蒸汽流经冷却管18冷却成液态，当冷却管18散热能力不足时同样可以加装翅片辅助散热。储液管19为一圆弧状管道，用于储存冷却回流液体。连接管20连接储液管19和蒸发室22底部，工作液体经此管进入蒸发室22蒸发。连接段23用于连接相邻两个工作回路，强化了整个装置的结构稳定性，不承担散热器具体运行功能。

上述三个实施案例中整个装置的连接部位必须保证严密密封，任何间隙的存在都将导致散热器工作性能的下降甚至停止工作。整个装置的封装需要在真空室内进行，装置组装完成后通过预留的开口将整个装置抽成真空状态，然后再注入工作液体封口。真空封装有利于散热器的运行，保证散热器的持续稳定工作，提高散热器的工作性能。

基于植物蒸腾作用制造的散热器有效的模仿了植物蒸腾作用原理，设计了仿生结构，最大的优点是具备自适应的特性，能够根据不同的热流密度调整蒸发速率，保证蒸发室内不会出现局部过热蒸干的可能，提高散热器工作的稳定形，保证接触面在一定的温度范围不变，能够长期稳定有效保护电子器件。

需要强调的是当改变蒸汽管道材质、蒸汽管道数目、蒸汽管道布置方式，当蒸汽管道散热方式如外加风扇强迫冷却或者加竖直微肋，当改变连接管道的设计方案，当改变多孔材料的结构材质、改变填充材料、改变工作液体时均属于本散热器的另外具体实施方式，因为以上改变其实质上还是运行了本公开的工作原理和设计方案，应当属于本散热器的囊括范围之内。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (5)

1.一种仿生蒸腾冷却自适应散热器，其特征在于：包括蒸发室、储液室、蒸汽循环管路、连接管和工作液体，所述蒸发室两侧对称的连接有蒸汽循环管路，所述蒸汽循环管路对称的与储液室两侧相连，所述储液室通过连接管与蒸发室底部相连，所述连接管为连接毛细管，所述连接毛细管多根单列均匀布置，所述蒸发室内从下到上依次填充有填充纤维和仿生多孔材料，所述工作液体在蒸发室、储液室、蒸汽循环管路和连接管内循环流动，所述蒸发室顶端与散热元器件相贴合，通过所述工作液体的循环流动对所述散热元器件进行散热；热量自散热面向蒸发室传递，工作液体在蒸发室受热蒸发，经蒸汽循环管路冷却段冷却成液态回流到储液室，在毛细力和扩散作用下输运到蒸发室完成一个工作循环。

2.如权利要求1所述的一种仿生蒸腾冷却自适应散热器，其特征在于，所述蒸发室包括蒸发室上盖板和蒸发室外壳，所述蒸发室上盖板和蒸发室外壳间紧密贴合，所述蒸发室上盖板底面上开设有均匀分布的蒸汽通道。

3.如权利要求2所述的一种仿生蒸腾冷却自适应散热器，其特征在于，所述蒸发室上盖板底面左右两侧对称的设有阶梯结构，所述阶梯结构与仿生多孔材料对应位置处设置的阶梯结构一起构成蒸汽腔，所述蒸汽腔用于汇集从所述蒸汽通道出来的蒸汽。

4.如权利要求3所述的一种仿生蒸腾冷却自适应散热器，其特征在于，所述蒸汽循环管路与蒸汽腔相连，所述蒸汽循环管路为螺旋管圈结构，所述蒸汽循环管路上加装有散热翅片。

5.如权利要求1所述的一种仿生蒸腾冷却自适应散热器，其特征在于，所述仿生多孔材料内设有蒸汽通道。