CN112492853B - 一种基于池沸腾散热的液体腔散热装置 - Google Patents

Abstract

一种基于池沸腾散热的液体腔散热装置，包括液体腔和外部散热装置。液体腔由液体腔底板、液体腔顶板和散热管构成，并充入相变工质。液体相变工质吸收沸腾区底部热量后发生沸腾换热并产生蒸汽，蒸汽通过液体腔顶板上的通孔上升至散热管内，借助风冷或水冷外部散热装置冷凝成液体回流至液体腔内。补偿室和液体输送区能够对沸腾区进行相变工质的有效补给。本发明采用池沸腾换热的方式，具有较强的散热能力。相比于现有均温板等基于蒸汽腔设计的散热器，无需毛细芯结构，加工方便，在具有较薄厚度的同时能够有效防止内部蒸干，适用于大功率发热设备的散热。

Description

一种基于池沸腾散热的液体腔散热装置

技术领域

本发明属于电子器件散热技术领域，涉及一种散热装置，特别涉及一种基于池沸腾散热的液体腔散热装置。

背景技术

随着电子器件的加工技术和工艺水平的不断提高，电子芯片朝着高度集成化、微型化和高频化方向发展，由此导致器件的单位面积上的发热量急剧增大，面临着日益严峻的散热问题。如果不能将这部分热量及时散发出去，导致器件温度不断上升，会显著降低器件的运行性能，甚至导致器件的永久性破坏。现如今，温度的急剧升高是电子器件失效的主要因素。针对中央处理器(CPU)等高发热功率的高度集成化器件，传统的方法是采用均温板(Vapor Chamber,VC)将集中的热量扩散至具有更大表面积的散热面，并在该表面安装具有扩展面积的翅片式散热器，最终借助风扇通过强制风冷散热的形式将热量带走。然而这种散热形式难以满足当前急剧增加的散热需求，且存在一些不足：首先，基于液体相变蒸发散热的均温板内部需填充毛细芯结构以提供腔体内液体循环的驱动力，内部结构复杂且加工困难。其次，由于腔内毛细芯的存在占据了很大一部分空间，腔内的充液量有限，在高散热量的情况下容易发生液体供应不足，导致散热面液体蒸干，散热能力有限。此外，虽然通过翅片散热器能够增大散热面积，但由于肋片效率以及空气强制对流换热系数的限制，其散热能力难以进一步提高。

因此，为了应对高散热功率的需求，亟需对传统的电子器件散热方法进行改进，以实现高效大功率散热，并简化散热器结构，适用于更为广泛的散热场景。

发明内容

为了解决现有技术中电子器件散热器内部结构复杂、散热能力不足等技术缺陷，本发明的目的是提出一种基于池沸腾散热的液体腔(Liquid Chamber,LC)散热装置散热器，该装置具有内部结构简单，方便加工，散热能力大等特点，可根据实际散热需求对结构的各项参数进行定制化设计。

为了实现上述目的，可采用以下技术方案实现：

一种基于池沸腾散热的液体腔散热装置，包括液体腔以及安装在液体腔上的外部散热装置；液体腔包括液体腔底板、液体腔顶板以及散热管；液体腔底板下表面设置有用于与发热器件发热面相贴合的凹槽，液体腔底板上表面由内向外依次设置有沸腾区、液体输送区和补偿室，液体腔顶板上表面设置有若干散热管，散热管底端开孔，液体腔顶板的下表面设置有与沸腾区、液体输送区和补偿室相连通的腔室，腔室的顶部设置有若干与散热管相连通的通孔；液体腔底板和液体腔顶板相连形成密闭真空腔。

本发明进一步的改进在于，沸腾区设置有微柱阵列，液体输送区设置有若干槽道，槽道深度与沸腾区表面微柱阵列高度相同，补偿室深度大于槽道的深度。

本发明进一步的改进在于，沸腾区的表面、液体输送区的槽道的两侧壁面和底面以及补偿室的内侧壁面覆盖一层多孔微纳米结构。

本发明进一步的改进在于，多孔微纳米结构的厚度为10～200μm。

本发明进一步的改进在于，微柱阵列包括若干微柱，微柱的截面是方形或圆形，微柱为方形时，宽度为0.1～0.5mm，微柱为圆形时，直径为0.1～0.5mm，相邻两个微柱之间的间隙为0.1～0.5mm，每个微柱高度为1～1.5mm。

本发明进一步的改进在于，槽道宽度为毫米级，真空腔内装有相变散热工质，液体腔底板，液体腔顶板以及散热管的材料为紫铜。

本发明进一步的改进在于，凹槽顶面面积大于发热器件发热面的面积，散热管顶部开设有充液口，腔室的面积与液体腔底板上表面的沸腾区、液体输送区和补偿室的总面积相同。

本发明进一步的改进在于，腔室的高度为1～5mm，通孔的直径为2～10mm，散热管高度为50～150mm。

本发明进一步的改进在于，外部散热装置包括若干套设在散热管上的散热鳍片，散热鳍片的两端安装有电扇。

本发明进一步的改进在于，外部散热装置包括设置在液体腔底板上的冷却腔，散热管均位于冷却腔内，冷却腔上开设有进口和出口。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明采用池沸腾换热的方式，借助具有一定充液率的液体腔。通过液体腔底板与发热器件直接接触，液体腔内的相变工质吸热发生沸腾相变产生蒸汽将热量从液体腔底板带走，在液体腔顶板上的散热管内壁进行冷却，冷凝成液体回流到液体腔底部，完成工质循环，达到稳定高效的散热效果，并实现更高的散热功率。本发明的关键散热部件液体腔相比于均温板其内部结构更加简单，无需使用毛细芯结构，从而增大液体腔内部有效空间，提高相变工质的充液量，防止液体腔底板蒸干，从而提高散热功率。在液体腔底板上表面的中心沸腾区加工有微柱阵列，能够显著增加换热面积从而进一步提高沸腾换热性能。在液体腔底板***设置有补偿室，在超高发热功率下当沸腾区液体发生蒸干时补偿室内的液体可以对沸腾区进行液体补给，从而维持较大的散热能力。在液体腔顶板上开有通孔并安装多根散热管，蒸汽在散热管内壁发生相变冷凝换热，相比于均温板仅靠上表面散热的方式，能够有效增加散热面积从而提高散热能力。

进一步的，液体腔仍然具备均温板超薄的特点，液体腔有效厚度小，内部相变工质液面低，能够降低传热热阻，有效提高沸腾换热性能。

进一步的，在底板中心沸腾区与***补偿室之间的液体输送区加工有若干槽道能够减小液体流动压降，并借助拉普拉斯压力差实现液体的无泵定向输运，从而提高液体输运能力增大液体供应速率，并维持沸腾区极高的散热能力。

进一步的，在液体腔底板上表面覆盖一层多孔微纳米结构，以进一步提高沸腾区的沸腾换热系数有效降低发热表面的温度。同时提高输运区的液体补给速率，进一步增大散热能力。

进一步的，借助风扇进行强制风冷散热时在散热管外部安装堆叠翅片，显著增大散热面积并进一步提高散热能力；在条件允许的情况下在散热管外部安装冷却腔利用强制液冷以增强散热能力。

附图说明

图1为本发明液体腔结构立体示意图；

图2为本发明液体腔结构剖面图；

图3为本发明的液体腔底板立体示意图；

图4为本发明的液体腔底板局部放大示意图；

图5为本发明实施例1的立体示意图；

图6为本发明实施例2的立体示意图；

图7为本发明实施例2的装配结构示意图。

图中，1为液体腔底板，2为液体腔顶板，3为散热管，4为凹槽，5为沸腾区，6为液体输送区，7为补偿室，8为腔室，9为通孔，10为散热鳍片，11为风扇，12为进口，13为冷却腔，14为出口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1和图2所示，本发明包括具有密闭真空环境的液体腔以及外部散热装置。所述液体腔包括液体腔底板1，液体腔顶板2以及散热管3，均采用紫铜材料制作加工而成。液体腔底板1和液体腔顶板2大小可根据实际散热条件进行设计，液体腔底板1和液体腔顶板2的形状可根据实际散热面的形状及要求设计成圆形或矩形，二者形状和面积相同。液体腔顶板2上开有圆形通孔9，所述散热管3为一端开口一端封闭的空心圆管，其开口端通过螺纹或焊接的方式安装在液体腔顶板2的圆形通孔9上并实现连通。液体腔底板1和液体腔顶板2可用螺栓连接并安装在发热器件基板上，二者之间可借助密封垫片形成一个密闭真空液体腔，从而构成填充相变工质的有效空间。所述外部散热装置安装在散热管3上。

在所述液体腔内充装有相变散热工质，液体腔底板1设置有用于与发热表面相贴合的凹槽4，凹槽4上表面为与发热表面相贴合的受热面，相变工质吸热后蒸发上升至所述散热管3内，所述外部散热装置对所述散热管3进行冷却降温，使所述散热管3内的蒸汽冷凝成液体并回流至液体腔内，完成散热工质的循环过程。

如图3所示，液体腔底板1的面积大于器件实际发热面积，可以增大散热面积，提高散热能力。液体腔底板1的下表面中心区域与发热器件接触，为受热面。液体腔底板1的上表面与相变工质接触，为散热面。在液体腔底板1上表面的中心与器件发热面积相等的区域为沸腾区5，相变工质在沸腾区5表面吸收发热器件通过液体腔底板1传导的热量后进行沸腾换热，发生相变并产生蒸汽。

如图4所示，沸腾区5表面通过铣床或线切割的方式加工有微柱阵列，微柱阵列包括若干微柱，微柱的截面可以是方形、圆形等形状，微柱为方形时，宽度为0.1～0.5mm，微柱为圆形时，直径为0.1～0.5mm，相邻两个微柱之间的间隙为0.1～0.5mm，每个微柱高度为1～1.5mm，能够增加换热面积和气化核心密度，从而提高散热器的散热能力。液体腔底板1上表面由内向外依次设置有沸腾区5、液体输送区6和补偿室7，具体的，在液体腔底板1上表面沸腾区5的四周为液体输送区6，该区域通过铣床加工有毫米级宽度的槽道，槽道深度与沸腾区5表面微柱高度相同，相变工质在槽道内流动从而对沸腾区5进行补给。液体输送区6的槽道可借鉴自然仿生、数学分形以及楔形梯度等思想设计成不同几何图案，优选的，槽道为分形分叉通道，并加工成楔形，楔形槽道的两侧壁面夹角为5～30°，即槽道为楔形梯度通道，从而降低液体工质在槽道内的流动阻力，同时实现工质在槽道内向沸腾区5进行定向输送，进而提高液体补给的能力。沸腾区5的微柱顶部和液体输送区6的槽道顶部处于同一水平面上。在液体腔底板1上表面液体输送区6的四周为补偿室7，补偿室7深度为2～4mm，即补偿室7的底面低于液体输送区6的底面，从而可以储存一部分相变工质，借助液体输送区6对沸腾区5进行不断的液体供应。在此基础上，利用阴极沉积、烧结、喷涂等方法在液体腔底板1上表面的沸腾区5的表面、液体输送区6的槽道的两侧壁面和底面以及补偿室7的内侧壁面覆盖一层10～200μm厚度的多孔微纳米结构，该多孔微纳米结构具有微纳米级空隙，从而提高工质在液体腔底板1上表面的扩散性，提高液体补给能力，同时增加气化核心密度，提高沸腾换热性能。为了降低导热热阻同时保证液体腔底板1的刚度，沸腾区5和液体输送区6的厚度均为2mm，补偿室7的下表面与液体腔底板1的下表面底面厚度为1mm。

液体腔顶板2的下表面加工一腔室8，腔室8的面积与液体腔底板1上表面的沸腾区5、液体输送区6和补偿室7的总面积相同，深度为1～5mm。为了降低导热热阻同时保证刚度，腔室8的上表面到液体腔顶板2的上表面的厚度为1～2mm。液体腔顶板2的腔室8与液体腔底板1的沸腾区5、液体输送区6和补偿室7共同构成液体腔的有效空间。在腔室8的上壁面可根据需要开设不同直径、数量以及排布方式的通孔9，其直径可为2～10mm。根据通孔的大小和数量焊接多根具有相同内径和数量的散热管3，散热管3高度可为50～150mm。散热管3底端开孔与液体腔顶板2的腔室8连通，顶端封闭，从而散热管3内部与液体腔形成密闭空间。散热管的内径、数量和排布方式与液体腔顶板通孔一致。在任意一根散热管3顶端设置一充液口，通过充液口向液体腔内充入相变工质并抽真空。充入的相变工质可以为水或全氟己烷等安全环保无毒低温制冷剂，工质的充液率为液体腔有效空间的10～90％。

当器件不发热时，沸腾区5、液体输送区6和补偿室7被相变工质完全覆盖，液体腔内部的工质液面高度相同。当器件工作开始发热时，沸腾区5首先受热升温，同时由于沸腾区5表面加工有微柱阵列并覆盖多孔微纳米结构，工质在沸腾区5发生相变并开始沸腾，吸收器件的热量产生蒸汽并沿着散热管3上升。蒸汽与散热管3内壁接触后发生冷凝产生液体，顺着散热管3内壁回流至液体腔中，实现相变工质的循环。当器件发热量极高时，沸腾区5和液体输送区6表面的液体工质由于吸收大量的热完全相变成蒸汽，导致表面发生蒸干。由于补偿室7底面位于沸腾区5和液体输送区6下方，仍存留有部分液体工质。此时液体工质在表面多孔微纳米结构的毛细芯吸作用以及液体输送区6表面楔形梯度通道的定向输运作用下向沸腾区5流动，从而进行液体供应，并维持较高的散热能力。

外部散热装置包括若干套设在散热管3上的散热鳍片10，散热鳍片10的两端安装有电扇11。

或者外部散热装置包括设置在液体腔底板1上的冷却腔13，散热管3均位于冷却腔13内，冷却腔13上设置有进口12和出口14。

实施例1

如图5所示，外部散热装置由散热鳍片和风扇组成。在液体腔结构上的散热管3外部安装有散热鳍片10和风扇11。风扇11的尺寸参数以及散热鳍片10的尺寸根据散热需求和使用环境进行定制。散热鳍片10上开有多个通孔，通孔的尺寸、数量和排布方式与散热管3的外径、数量和排布方式相匹配，使其能够穿过散热管3。多层散热鳍片10依次穿过散热管3并进行堆叠，采用焊接或者冲压的方式实现与散热管3之间的固定与导热。在散热鳍片10两侧各安装有一个风扇11，两个风扇11的安装方向一致，从而增大空气流经散热鳍片10的流速提高散热能力。通过散热鳍片10显著增加的散热面积以及风扇11产生的空气强制对流换热，能够有效将散热管3内的蒸汽冷凝成液体，使工质迅速回流至液体腔底部，实现工质的循环并维持较高的散热能力。

实施例2

如图6～图7所示，本实施例与实施例1不同之处在于散热管3外部安装有冷却腔13。冷却腔13一侧设置有进口12，另一侧设置有出口14，冷却腔13与液体腔顶板2的上表面形成冷却腔体，将散热管3完全包裹，冷却腔体内完全充满冷却液。根据不同使用需求，冷却液可以是水、乙二醇、硅油等工质。低温的冷却液从进口12流入冷却腔体内，与散热管3外壁面进行液体强制对流换热，并从出口14流出，经过外部的制冷机冷却后通过泵再次从进口流入，实现冷却液的循环。相比于实施例1对散热管3的散热能力进一步增强，相变工质回流速度更快，从而提高散热器的散热能力。

Claims (6)

1.一种基于池沸腾散热的液体腔散热装置，其特征在于，包括液体腔以及安装在液体腔上的外部散热装置；液体腔包括液体腔底板(1)、液体腔顶板(2)以及散热管(3)；液体腔底板(1)下表面设置有用于与发热器件发热面相贴合的凹槽(4)，液体腔底板(1)上表面由内向外依次设置有沸腾区(5)、液体输送区(6)和补偿室(7)，液体腔顶板(2)上表面设置有若干散热管(3)，散热管(3)底端开孔，液体腔顶板(2)的下表面设置有与沸腾区(5)、液体输送区(6)和补偿室(7)相连通的腔室(8)，腔室(8)的顶部设置有若干与散热管(3)相连通的通孔(9)；液体腔底板(1)和液体腔顶板(2)相连形成密闭真空腔；

沸腾区(5)设置有微柱阵列，液体输送区(6)设置有若干槽道，槽道深度与沸腾区(5)表面微柱阵列高度相同，补偿室(7)深度大于槽道的深度；

槽道宽度为毫米级，真空腔内装有相变散热工质；

沸腾区(5)的表面、液体输送区(6)的槽道的两侧壁面和底面以及补偿室(7)的内侧壁面覆盖一层多孔微纳米结构；

凹槽(4)顶面面积大于发热器件发热面的面积，散热管(3)顶部开设有充液口，腔室(8)的面积与液体腔底板(1)上表面的沸腾区(5)、液体输送区(6)和补偿室(7)的总面积相同；

外部散热装置包括若干套设在散热管(3)上的散热鳍片(10)，散热鳍片(10)的两端安装有电扇(11)。

2.根据权利要求1所述的一种基于池沸腾散热的液体腔散热装置，其特征在于，多孔微纳米结构的厚度为10～200μm。

3.根据权利要求1所述的一种基于池沸腾散热的液体腔散热装置，其特征在于，微柱阵列包括若干微柱，微柱的截面是方形或圆形，微柱为方形时，宽度为0.1～0.5mm，微柱为圆形时，直径为0.1～0.5mm，相邻两个微柱之间的间隙为0.1～0.5mm，每个微柱高度为1～1.5mm。

4.根据权利要求1所述的一种基于池沸腾散热的液体腔散热装置，其特征在于，液体腔底板(1)，液体腔顶板(2)以及散热管(3)的材料为紫铜。

5.根据权利要求1所述的一种基于池沸腾散热的液体腔散热装置，其特征在于，腔室(8)的高度为1～5mm，通孔(9)的直径为2～10mm，散热管(3)高度为50～150mm。

6.根据权利要求1所述的一种基于池沸腾散热的液体腔散热装置，其特征在于，外部散热装置包括设置在液体腔底板(1)上的冷却腔(13)，散热管(3)均位于冷却腔(13)内，冷却腔(13)上开设有进口(12)和出口(14)。

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