CN111412776A - 一种汽液分流的毛细芯均热板换热器及制备方法 - Google Patents

一种汽液分流的毛细芯均热板换热器及制备方法 Download PDF

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Abstract

一种汽液分流的毛细芯均热板换热器及制备方法，属于电子器件散热技术领域，由蒸汽腔、肋片和散热风扇组成；本发明结构简单，蒸汽腔内填充有整体烧结的毛细芯，毛细芯分为上层毛细芯和下层毛细芯，其中上层毛细芯内加工有树状蒸汽通道；蒸汽腔内充注的相变工质吸热后沸腾蒸发，在蒸汽腔内树状蒸汽通道内流向蒸汽腔侧壁面及上壁面并冷凝换热；除蒸汽流道外的其他毛细芯结构用于抽吸冷凝液回流至受热区域，形成工作循环，蒸汽腔内的气相工质和液相工质分别在蒸汽通道和毛细芯内流动，减少两相工质流动过程中的相互影响，有利于蒸汽快速扩散到冷凝表面换热，及冷凝液及时回流至换热器热端。可以有效提高均热板换热器的换热性能。

Description

一种汽液分流的毛细芯均热板换热器及制备方法
技术领域
本发明属于电子器件散热技术领域，涉及一种毛细芯均热板换热器及制备方法，具体的说是涉及一种具有汽液分流功能，具有提升换热效果的气液两相流散热器及制备方法。
背景技术
随着科学技术的不断进步，电子器件的功率密度越来越大，为保证器件的可靠性，对电子器件的散热提出越来越高的要求，针对电子器件的散热问题，目前散热器的形式多种多样，如肋片式及热管式等，由于散热器内部传热方式的差别，肋片式散热器性能弱于热管式散热器。在热管式散热器中，毛细芯蒸汽腔散热器由于其换热性能强、均温性好的优点，广泛应用于电气器件散热。但是电子器件功率密度越来越大的背景下，蒸汽腔散热器也面临着换热性能提升的难题。由蒸汽腔工作原理可知，能否保住蒸汽快速分散至冷凝换面，及冷凝液快速顺畅回流至蒸发端，是决定蒸汽腔散热器换热性能的重要关键因素。对于毛细芯均热板换热器，工作过程中，工质受热蒸发/沸腾，蒸汽沿毛细芯内孔隙流动至冷凝换面，而凝结后的冷凝液在毛细抽吸作用下沿孔隙回流至受热面。这样蒸汽与冷凝液存在相互干扰的现象，影响了二者的有效分配及流动，进而制约毛细芯均热板的工作性能。为了将蒸汽分配与冷凝液回流相互独立，减少相互干扰，提升毛细芯均热板的换热器性能，设计出一种可满足上述性能的毛细芯均热板换热器显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的是针对现有毛细芯均热板换热器工作过程中，工质受热蒸发沸腾，蒸汽沿毛细芯内孔隙流动至冷凝换面，凝结后的冷凝液在毛细抽吸作用下沿孔隙回流至受热面，蒸汽与冷凝液存在相互干扰的现象，影响二者的有效分配及流动，制约毛细芯均热板的工作性能等不足，提出一种汽液分流的毛细芯均热板换热器及制备方法，通过改进蒸汽腔内的毛细芯结构，可有效改善蒸汽-液体工作液体的循环，提升换热能力。
本发明的技术方案：一种汽液分流的毛细芯均热板换热器，其特征在于：所述毛细芯均热板换热器由散热风扇、盖板肋片和蒸汽腔组成；所述蒸汽腔由蒸汽腔侧壁及侧壁肋、蒸汽腔上盖板、蒸汽腔毛细芯和蒸汽腔下盖板组成，所述蒸汽腔毛细芯由上层毛细芯和下层毛细芯组成，所述上层毛细芯内加工有蒸汽通道，所述上层毛细芯与所述蒸汽腔的侧壁面和上壁面间设有用于蒸汽冷凝的间隙，所述下层毛细芯与蒸汽腔的下壁面紧密贴合，所述蒸汽腔内充注有相变工质，所述毛细芯换热器在工作过程中，所述蒸汽腔内的蒸汽和冷凝液分别在所述蒸汽通道和毛细芯内流动，减小两相工质流动阻力，使蒸汽更顺畅流向冷凝壁面，同时冷凝液更快回流，以提高换热器工作性能。
所述上层毛细芯与蒸汽腔侧壁面和上壁面见有0.2～0.5mm空隙。
所述蒸汽腔毛细芯由金属粉末松装烧结而成，金属粉末根据换热性能要求选择不同粒径，粒径范围在50～200微米。
所述蒸汽通道呈多级分叉的树状结构，蒸汽通道由蒸汽通道主枝和蒸汽通道分枝组成，蒸汽通道主枝由蒸汽腔中心向四周分布，分枝蒸汽通道分布在蒸汽通道主枝两侧，各级蒸汽通道主枝的长度及深度相同，各级主枝蒸汽通道的宽度与上级蒸汽通道主枝宽度满足Murray定律，各级蒸汽通道主枝与蒸汽通道分枝截面尺寸相同，蒸汽通道分枝的长度一直延伸至毛细芯边缘。
所述蒸汽腔侧壁及侧壁肋为整体加工结构，蒸汽腔侧壁及侧壁肋分别与蒸汽腔上盖板及蒸汽腔下盖板焊接连接，形成密闭空间，散热风扇与盖板肋片及侧壁肋通过螺钉紧固连接。
所述蒸汽腔内充注并封装有受热后可发生相变的液体工作介质。
所述蒸汽腔侧壁及上壁面做疏水改性处理，以强化蒸汽冷凝换热；底面及毛细芯做亲水改性处理，以强化工质沸腾传热，及强化冷凝液抽吸回流效果。
所述蒸汽腔以及树状蒸汽通道形状为矩形或圆形，以增加其适用性。
一种汽液分流的毛细芯均热板换热器的制备方法如下：
(1)采用挤压成型方法制备蒸汽腔侧壁及侧壁肋及盖板肋片；
(2)分别将蒸汽腔侧壁及侧壁肋和盖板肋片切割成长所需长度的小段备用；
(3)将切割的蒸汽腔侧壁及侧壁肋的侧壁的两端铣削1～3mm，然后先后将蒸汽腔下盖板及蒸汽腔上盖板与侧壁焊接，并使上、下盖板与侧壁肋平齐；
(4)在焊接蒸汽腔上盖板前，采用粉末烧结法利用金属粉末在侧壁与下盖板围成的空间内加工出烧结毛细芯，所用金属粉末粒径为50～200微米；
(5)利用激光雕铣、电火花加工等工艺在毛细芯内加工出树状蒸汽通道；保留贴合蒸汽腔下盖板的毛细芯不加工，作为底层毛细芯，其余为上层毛细芯，底层毛细芯的厚度为0.5～2mm；
(6)利用激光雕铣、电火花加工等工艺在上层毛细芯与蒸汽腔侧壁及上盖板件加工宽为0.2～1mm空隙；
(7)在焊接上蒸汽腔上盖板前，对蒸汽腔侧壁及上盖板做疏水改性处理，对毛细芯及下盖板做亲水改性处理；
(8)在焊接蒸汽腔侧壁与上盖板后，将蒸汽腔内压强抽至10-3Pa以下，并向蒸汽腔内冲入相变工质，充注完成后将蒸汽腔密封，以保证气密性；
(9)充液完成后，将盖板肋片与上盖板焊接，并保证盖板肋片与侧壁肋位置相对。
本发明的有益效果为：本发明提出的一种汽液分流的毛细芯均热板换热器及制备方法，结构简单紧凑，毛细芯散热器由蒸汽腔、肋片和散热风扇组成；蒸汽腔内填充有整体烧结的毛细芯，并按功能分为上层毛细芯和下层毛细芯，其中上层毛细芯内加工有树状蒸汽通道；蒸汽腔外侧焊接有散热肋片，并与散热风扇固定安装在一起。蒸汽腔下壁与电子芯片相接触，带走其产生的热量；蒸汽腔内充注的相变工质吸热后沸腾蒸发，在蒸汽腔内树状蒸汽通道内流向蒸汽腔侧壁面及上壁面并冷凝换热；除蒸汽流道外的其他毛细芯结构用于抽吸冷凝液回流至受热区域，形成工作循环。均热板换热器工作过程中，蒸汽腔内的气相工质和液相工质分别在蒸汽通道和毛细芯内流动，减少两相工质流动过程中的相互影响，有利于蒸汽快速扩散到冷凝表面换热，及冷凝液及时回流至换热器热端。同时，蒸汽腔侧壁及上壁做疏水改性处理，底面及毛细芯做亲水改性处理，有利于强化蒸汽冷凝和冷凝液沸腾换热，以及冷凝液快速回流。这样可以有效提高均热板换热器的换热性能。
附图说明
图1 为本发明的整体结构示意图。
图2 为本发明的整体***结构示意图。
图3 为本发明的工作原理示意图。
图4 为本发明中均热板蒸汽腔的剖视结构图。
图5 为本发明中毛细芯结构示意图。
图6 为本发明中蒸汽腔侧壁及侧壁肋结构示意图。
图7 为本发明中盖板肋结构示意图。
图中：散热风扇1、盖板肋2、蒸汽腔侧壁及侧壁肋3、蒸汽腔上盖板4、蒸汽腔毛细芯5、上层毛细芯501、底层毛细芯502、蒸汽腔下盖板6、热量传递路径7、蒸汽流动方向8、冷凝液回流方向9、冷却空气10、蒸汽通道11、蒸汽通道主枝1101、蒸汽通道分枝1102。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1-2所示，一种汽液分流的毛细芯均热板换热器由散热风扇1、盖板肋片2、蒸汽腔侧壁及侧壁肋3、蒸汽腔上盖板4、蒸汽腔毛细芯5及蒸汽腔下盖板6组成，为保证散热器良好的工作性能，蒸汽腔壳体及肋片可采用导热性能较好的金属材料，尤其是为降低散热器重量，可采用密度较低、导热系数较高的铝合金材料加工。蒸汽腔内填充有烧结毛细芯，且毛细芯中加工有蒸汽通道。蒸汽腔内充注有受热发生相变的水、丙酮、酒精、氨、制冷剂等液体工质，且工质体积占蒸汽腔有效容积的40%～60%。
如图3所示，一种汽液分流的毛细芯均热板换热器工作过程及原理如下：电子芯片工作过程中产生的热量通过蒸汽腔下盖板6按照热量传递路径7传递至分散在毛细芯内的工质；工质受热蒸发/沸腾，产生的蒸汽通过蒸汽通道11输运至蒸汽腔侧壁3及蒸汽腔上盖板4的内壁面(冷壁面)，并在将携带的电子芯片热量释放后凝结成液态冷凝液；冷凝液在毛细芯的毛细抽吸作用下，沿冷凝液回流方向9回流至于电子芯片接触的高温区域继续受热蒸发/沸腾，如此循环，将电子芯片产生的热量带走。蒸汽凝结释放的热量通过蒸汽腔侧壁和上盖板传递给侧壁肋3及盖板肋2，再通过与冷却空气10对流换热释放到外界环境中。
如图4-5所示，本发明所涉及的适用于电子芯片散热的一种汽液分流的毛细芯均热板换热器，蒸汽腔内的布置有烧结毛细芯，采用粉末松装烧结在蒸汽腔内烧结毛细芯5，按照功能区划分，毛细芯分为上层毛细芯501和底层毛细芯502。上层毛细芯501内加工有多级分叉树状分布的蒸汽通道11，包含了蒸汽通道主枝1101和蒸汽通道分枝1102；蒸汽通道主枝1101由蒸汽腔中心向四周分布，分枝蒸汽通道1102分布在蒸汽通道主枝1101两侧；各级蒸汽通道主枝1101的长度及深度相同，但是各级主枝蒸汽通道1101的宽度与上级蒸汽通道主枝1101宽度满足Murray定律；各级蒸汽通道主枝1101与蒸汽通道分枝1102截面尺寸相同，但是蒸汽通道分枝1102长度一直延伸至毛细芯边缘。上层毛细芯501与蒸汽腔侧壁及上盖板间加工有宽度为0.2～1mm的缝隙。底层毛细芯502未被加工且铺满整个蒸汽腔底部，厚度为0.5～2mm。由于上层毛细芯501被蒸汽通道11划分为不连通的多个区域，冷凝液不能直接通过上层毛细芯1101抽吸会靠近电子芯片的热端。但是冷凝液可通过上层毛细芯1101抽吸至底层毛细芯502，再沿底层毛细芯502抽吸至蒸汽腔热端，既贴合电子芯片处。
如图6-7所示，本发明所涉及的适用于电子芯片散热的一种汽液分流的毛细芯均热板换热器，其蒸汽腔侧壁及侧壁肋3及盖板肋2为整体结构，除蒸汽腔体外，侧壁肋3与盖板肋2是相对的，以利于冷区空气10的流动。本发明所涉及的适用于电子芯片散热的一种汽液分流的毛细芯均热板换热器，其散热风扇与盖板肋通过螺钉紧固连接。

Claims (9)

1.一种汽液分流的毛细芯均热板换热器，其特征在于：所述毛细芯均热板换热器由散热风扇(1)、盖板肋片(2)和蒸汽腔组成；所述蒸汽腔由蒸汽腔侧壁及侧壁肋(3)、蒸汽腔上盖板(4)、蒸汽腔毛细芯(5)和蒸汽腔下盖板(6)组成，所述蒸汽腔毛细芯(5)由上层毛细芯(501)和下层毛细芯(502)组成，所述上层毛细芯(501)内加工有蒸汽通道(11)，所述上层毛细芯(501)与所述蒸汽腔的侧壁面和上壁面间设有用于蒸汽冷凝的间隙，所述下层毛细芯(502)与蒸汽腔的下壁面紧密贴合，所述蒸汽腔内充注有相变工质，所述毛细芯换热器在工作过程中，所述蒸汽腔内的蒸汽和冷凝液分别在所述蒸汽通道(11)和毛细芯(5)内流动，减小两相工质流动阻力，使蒸汽更顺畅流向冷凝壁面，同时冷凝液更快回流，以提高换热器工作性能。
2.根据权利要求1所述的一种汽液分流的毛细芯均热板换热器，其特征在于：所述上层毛细芯(501)与蒸汽腔侧壁面和上壁面见有0.2～0.5mm空隙。
3.根据权利要求1所述的一种汽液分流的毛细芯均热板换热器，其特征在于：所述蒸汽腔毛细芯(5)由金属粉末松装烧结而成，金属粉末根据换热线性能要求选择不同粒径，粒径范围在50～200微米。
4.根据权利要求1所述的一种汽液分流的毛细芯均热板换热器，其特征在于：所述蒸汽通道(11)呈多级分叉的树状结构，蒸汽通道(11)由蒸汽通道主枝(1101)和蒸汽通道分枝(1102)组成，蒸汽通道主枝(1101)由蒸汽腔中心向四周分布，分枝蒸汽通道(1102)分布在蒸汽通道主枝(1101)两侧，各级蒸汽通道主枝(1101)的长度及深度相同，各级主枝蒸汽通道(1101)的宽度与上级蒸汽通道主枝(1101)宽度满足Murray定律，各级蒸汽通道主枝(1101)与蒸汽通道分枝(1102)截面尺寸相同，蒸汽通道分枝(1102)的长度一直延伸至毛细芯边缘。
5.根据权利要求1所述的一种汽液分流的毛细芯均热板换热器，其特征在于：所述蒸汽腔侧壁及侧壁肋(3)为整体加工结构，蒸汽腔侧壁及侧壁肋(3)分别与蒸汽腔上盖板(4)及蒸汽腔下盖板(6)焊接连接，形成密闭空间，散热风扇(1)与盖板肋片(2)及侧壁肋通过螺钉紧固连接。
6.根据权利要求1所述的一种汽液分流的毛细芯均热板换热器，其特征在于：所述蒸汽腔内充注并封装有受热后可发生相变的液体工作介质。
7.根据权利要求1所述的一种汽液分流的毛细芯均热板换热器，其特征在于：所述蒸汽腔侧壁及上壁面做疏水改性处理，以强化蒸汽冷凝换热，底面及毛细芯做亲水改性处理，以强化工质沸腾传热，及强化冷凝液抽吸回流效果。
8.根据权利要求1所述的一种汽液分流的毛细芯均热板换热器，其特征在于：所述蒸汽腔以及树状蒸汽通道形状为矩形或圆形，以增加其适用性。
9.一种汽液分流的毛细芯均热板换热器的制备方法，其特征在于，制备权利要求1-8任一项所述的一种汽液分流的毛细芯均热板换热器，方法如下：
(1)采用挤压成型方法制备蒸汽腔侧壁及侧壁肋(3)及盖板肋片(2)；
(2)分别将蒸汽腔侧壁及侧壁肋(3)和盖板肋片(2)切割成长所需长度的小段备用；
(3)将切割的蒸汽腔侧壁及侧壁肋(3)的侧壁的两端铣削1～3mm，然后先后将蒸汽腔下盖板(6)及蒸汽腔上盖板(4)与侧壁焊接，并使上、下盖板与侧壁肋平齐；
(4)在焊接蒸汽腔上盖板(4)前，采用粉末烧结法利用金属粉末在侧壁与下盖板围成的空间内加工出烧结毛细芯，所用金属粉末粒径为50～200微米；
(5)利用激光雕铣、电火花加工等工艺在毛细芯内加工出树状蒸汽通道；保留贴合蒸汽腔下盖板(6)的毛细芯不加工，作为底层毛细芯(502)，其余为上层毛细芯(501)；底层毛细芯(502)的厚度为0.5～2mm；
(6)利用激光雕铣、电火花加工等工艺在上层毛细芯(501)与蒸汽腔侧壁及上盖板件加工宽为0.2～1mm空隙；
(7)在焊接上蒸汽腔上盖板(4)前，对蒸汽腔侧壁(3)及上盖板(4)做疏水改性处理，对毛细芯(5)及下盖板(6)做亲水改性处理；
(8)在焊接蒸汽腔侧壁与上盖板后，将蒸汽腔内压强抽至10-3Pa以下，并向蒸汽腔内冲入相变工质，充注完成后将蒸汽腔密封，以保证气密性；
(9)充液完成后，将盖板肋片(2)与上盖板(4)焊接，并保证盖板肋片(2)与侧壁肋位置相对。
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