CN109411431A - 一种换热结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种换热结构，包括金属基板和基板上的平行排列的肋板阵列群。本发明还公开制备上述换热结构的方法，包括步骤：在金属基板上加工出平行排列的肋板阵列群；通过数控铣削的方法，用微铣刀在肋板的顶面边缘内侧向下加工，在侧面上加工出内凹槽，得到换热结构。本发明可增加有效换热面积和汽化核心，促进工质在换热结构表面形成薄液膜，控制换热结构在工质中的浸没量，强化核态沸腾和薄膜蒸发过程，制备方法简单高效，原理可靠，可在多种两相散热器中实现低成本大规模应用。

Description

一种换热结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及超高热流密度强化沸腾换热技术领域，特别涉及一种适用于高功率密度电子器件的肋板复合内凹槽道强化沸腾换热结构及其制备方法。

背景技术

随着微电子技术的发展，电子元件的尺寸在不断减小，工作频率越来越高，导致电子器件的热流密度不断增大，传统的金属翅片散热器已不能满足电子器件的散热需求，散热问题成为制约电子器件进一步集成发展的关键问题。因此，解决电子器件的散热问题成为当前电子器件制造的关键技术。

目前，在国内外学者的共同努力下，相变传热技术被广泛应用在电子散热领域，主要产品有热管、均温板等，具有承载功率大、等温性好、性能稳定、低成本和寿命长等优点，可基本满足部分大功率电子产品的散热需求，但仍然难以解决高功率密度电子产品的热控制问题。为了进一步增强相变散热器件的传热能力，研究学者和相关企业将目标聚焦于全腔体式相变散热器，将传热和散热集成一体，但研究表明：全腔体式相变散热器中最优工质灌注量相对热管和均热板更大，换热结构均浸没在液体工质中，同时，在大功率且高功率密度的热流下，热源与内部蒸汽的温差普遍较大，成为影响散热器性能的主要因素。因此，针对全腔体式相变散热器的换热结构进行优化设计，如何低成本增加有效换热面积和汽化核心以及维持液体工质在换热结构表面的均匀分布，是增强全腔体式相变散热器性能的核心问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种换热结构及其制备方法，此结构及方法可实现核态沸腾换热性能及临界热流密度的显著提升，具有换热性能好，制备方法简单高效等优点。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种换热结构，包括金属基板和基板上的平行排列的肋板阵列群，增大有效换热面积，高度上也可控制换热结构在工质中的浸没量。

优选的，所述肋板侧面均匀排布有若干竖直的内凹槽，使得整个换热结构的汽化核心数目显著增加，且内凹槽的毛细力可促进工质的肋板侧面上的扩散分布。

更进一步的，所述内凹槽的截面形状为“Ω”形，当量直径为0.3-0.5mm，相邻两内凹槽的中心距为0.8-1mm。

优选的，所述基板为金属材料；所述肋板阵列群为与基板一体成型的金属实体，或者所述肋板阵列群为金属粉末烧结结构。

更进一步的，所述肋板阵列群为与基板一体成型的金属实体，材料为紫铜或铝或不锈钢。

更进一步的，所述肋板阵列群为金属粉末烧结结构，材料为紫铜。

优选的，所述肋板厚度为1-2mm，肋板高度为3-10mm，板间距为0.8-1mm。

一种换热结构制备方法，包括如下步骤：

S1、在金属基板上加工出平行排列的肋板阵列群；

S2、通过数控铣削的方法，用微铣刀在肋板的顶面边缘内侧向下加工，在侧面上加工出内凹槽，得到换热结构。

优选的，所述步骤S1中通过数控铣削的方法直接在金属基板上加工出肋板阵列群。

优选的，所述步骤S1中将金属粉末填充至具有肋板阵列群形状内腔的模具中，金属粉末充分填满空腔，盖上金属基板，通过夹具夹紧使金属粉末与基板充分接触；将上述模具置于烧结炉中烧结，并通入氢气作为气体保护，在800-900℃下，保温30-90min；炉冷至室温，然后拔模则可在金属基板上得到粉末烧结的肋板阵列群。

更进一步的，所述金属粉末的当量直径在50-100μm之间，金属粉末为球形或枝形。

优选的，所述加工后的工件均置于超声波清洗机中用酒精进行超声清洗，取出冲洗并烘干。

优选的，所述微铣刀中心与肋板边缘的水平距离为微铣刀直径的0.4倍。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明的平行排布肋板阵列群设计，不仅可增大有效换热面积，高度上也可控制换热结构在工质中的浸没量，缩短高温气泡的运动路径，同时也进一步增强元件安装面的抗弯强度，保证大蒸汽压下热源安装面的平面度要求。

2、本发明在肋板的侧面设置的内凹沟槽使得整个换热结构的汽化核心数目显著增加，同时可促进液体工质在肋板表面上的竖直扩散，在肋板表面形成均匀液膜，增强核态沸腾和薄膜蒸发作用。

3、本发明换热结构的制备方法简单高效，原理可靠，可在多种两相散热器中实现低成本大规模应用。

附图说明

图1为本发明一种换热结构的结构示意图。

图2为本发明实施例2中石墨模具装夹完成的剖示图。

图3为本发明实施例初步加工肋板阵列群的示意图。

图4为本发明实施例中加工内凹槽结构的示意图。

图5为本发明内凹槽结构的横截面形状示意图。

其中：1-金属基板；2-肋板阵列群；3-内凹槽；4-微铣刀；5-金属粉末；6-石墨模具；7-夹具。

具体实施方式

为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图详细描述本发明提供的实施例，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1所示，一种肋板复合内凹槽道强化沸腾换热结构，包括金属基板1，金属基板上平行排列的肋板阵列群2，肋板侧面上均匀排布的若干竖直内凹槽3。肋板阵列群的肋板厚度为1.2mm，肋板高度为5mm，板间距为0.8mm。肋板为金属实体结构，基板和肋板的材料为铝金属。内凹槽的截面形状为“Ω”形，当量直径为0.35mm，相邻两内凹槽的中心距为1mm。

上述肋板复合内凹槽道强化沸腾换热结构的制备方法，包括如下步骤：

S1、选用厚度7mm的金属基板，通过数控铣削的方法在金属基板上加工出平行排列的肋板阵列群；

S2、通过数控铣削的方法，用直径0.35mm微铣刀4在肋板的顶面边缘内侧向下加工，在侧面上加工出内凹槽,微铣刀中心与肋板边缘的水平距离为0.14mm；

S3、将加工后的工件置于超声波清洗机中用酒精进行超声清洗，取出冲洗并烘干，得到肋板复合内凹槽道强化沸腾换热结构。

实施例2

如图2所示，一种肋板复合内凹槽道强化沸腾换热结构，包括金属基板，金属基板上平行排列的肋板阵列群，肋板侧面上均匀排布的若干竖直内凹槽。肋板阵列群的肋板厚度为1mm，肋板高度为4mm，板间距为1mm。基板和肋板的材料为紫铜金属，肋板为金属粉末烧结结构，金属粉末5为球形。内凹槽的截面形状为“Ω”形，当量直径为0.3mm，相邻两内凹槽的中心距为0.8mm。

上述肋板复合内凹槽道强化沸腾换热结构的制备方法，包括如下步骤：

S1、选用厚度2mm的金属基板和当量直径在50-100μm之间的金属粉末，将金属粉末填充至具有肋板阵列群形状内腔的石墨模具6中，金属粉末充分填满空腔，盖上金属基板，通过夹具7夹紧使金属粉末与基板充分接触；

S2、将上述石墨模具置于烧结炉中烧结，并通入氢气作为气体保护，在800-900℃下，保温30-90min；

S3、炉冷至室温，然后拔模则可在金属基板上得到粉末烧结的肋板阵列群，通过数控铣削的方法，用直径0.3mm微铣刀在肋板的顶面边缘上向下加工，在侧面上加工出内凹槽,微铣刀中心与肋板边缘的水平距离为0.12mm；

S4、将加工后的工件置于超声波清洗机中用酒精进行超声清洗，取出冲洗并烘干，得到肋板复合内凹槽道强化沸腾换热结构。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种换热结构，其特征在于，包括金属基板和基板上的平行排列的肋板阵列群。

2.根据权利要求1所述的换热结构，其特征在于，所述肋板侧面均匀排布有若干竖直的内凹槽。

3.根据权利要求1所述的换热结构，其特征在于，所述基板为金属材料；所述肋板阵列群为与基板一体成型的紫铜或铝或不锈钢实体，或所述肋板阵列群为紫铜粉末烧结结构。

4.根据权利要求1所述的换热结构，其特征在于，所述肋板厚度为1-2mm，肋板高度为3-10mm，板间距为0.8-1mm；所述内凹槽的截面形状为“Ω”形，当量直径为0.3-0.5mm，相邻两内凹槽的中心距为0.8-1mm。

5.一种换热结构制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、在金属基板上加工出平行排列的肋板阵列群；

S2、通过数控铣削的方法，用微铣刀在肋板的顶面边缘内侧向下加工，在侧面上加工出内凹槽，得到换热结构。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中通过数控铣削的方法直接在金属基板上加工出肋板阵列群。

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中将金属粉末填充至具有肋板阵列群形状内腔的模具中，金属粉末充分填满空腔，盖上金属基板，通过夹具夹紧使金属粉末与基板充分接触；将上述模具置于烧结炉中烧结，并通入氢气作为气体保护，在800-900℃下，保温30-90min；炉冷至室温，然后拔模则可在金属基板上得到粉末烧结的肋板阵列群。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述金属粉末的当量直径在50-100μm之间，金属粉末为球形或枝形。

9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述加工后的工件均置于超声波清洗机中用酒精进行超声清洗，取出冲洗并烘干。

10.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述微铣刀中心与肋板边缘的水平距离为微铣刀直径的0.4倍。