CN112954970B - 一种低热阻相变冷板及散热器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低热阻相变冷板及散热器，该方案包括冷板主体、气相工质出口接头、液相工质进口接头及相变容腔，相变容腔包括设于相变容腔顶部并与气相工质出口接头连通的气相集聚区、设于相变容腔底部并与液相工质进口接头连通的液相区及设于气相集聚区和液相区之间的相变区；相变区通过多个分流筋条划分为多个独立相变区，相邻的两个独立相变区之间设有非发热区；非发热区宽度均小于独立相变区，且每个非发热区均对应一独立相变区；实现每个独立相变区的液相单独导流至相变区和气相工质单独逃逸出相变区。本发明具有减小上部相变区热阻，增强整体换热能力的优点。

Description

一种低热阻相变冷板及散热器

技术领域

本发明涉及相变散热器技术领域，具体涉及一种低热阻相变冷板及散热器。

背景技术

目前的相变冷板散热器通常采用平行直流道，流道内冷媒工质吸热气化后，气体的气相工质沿流道上浮，在相变发生区上部气相区积聚，通过气相工质出口逸出散热器，通过外管路循环液化放热降温后，返回相变散热器，从而实现制冷循环。相变冷板散热器无需外部循环泵驱动，依靠重力作用进行气液循环流动，其冷却工质及相变后生成气泡的流动方向与重力方向相反，且汽泡液化后，液化区压力减小，气相区压力较大，在压力差及重力的驱动下实现气液循环流动。

相变冷板散热器相变区上下部同时受热，液相工质同时汽化，相变区下部汽化后的气相工质因重力上浮与相变区上部汽化的气相工质集聚，使得相变区上部含气率远高于下部。气相工质能够带走的热量远小于液态工质汽化带走的热量，使得相变区上部积聚更多的热量，温度更高。冷板整体的均温性较差。当相变冷板散热器中汽泡生成速度超过脱离受热面的速度而形成气膜，液态工质与受热面被一层气膜隔开，尤其是发热源安装位置所在的流道，产生的气膜会更进一步地影响散热。

而且现有的相变冷板均未实现发热源安装位置所在的流道内的气相工质的转移，导致传热系数降低，壁面温度升高。现有的相变冷板对于高功率元器件存在功率过大的瓶颈问题。当热功率过高时，现有相变散热器内部气相工质生成速率大于转移速率，液相工质全部转为气相工质，会使传热恶化，散热器台面温度急剧升高。

综上，亟待需要一种可解决上述问题、减少热阻及提高散热效率的低热阻相变冷板及散热器。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的上述问题，提供了一种低热阻相变冷板及散热器。

为了实现上述发明目的，本发明采用了以下技术方案：一种低热阻相变冷板包括冷板主体、气相工质出口接头、液相工质进口接头及相变容腔，所述相变容腔包括设于相变容腔顶部并与气相工质出口接头连通的气相集聚区、设于相变容腔底部并与液相工质进口接头连通的液相区及设于气相集聚区和液相区之间的相变区；

所述相变区通过多个分流筋条划分为多个独立相变区，相邻的两个独立相变区之间设有非发热区；

所述非发热区宽度均小于所述独立相变区，且每个所述非发热区均对应一独立相变区，实现每个所述独立相变区的液相单独导流至所述相变区和所述气相工质单独逃逸出所述相变区。

工作原理及有益效果：1、通过实现每个独立相变区的液相单独导流至相变区和气相工质单独逃逸出相变区，可实现下部发热源安装位置所在的流道内气相工质的顺利转移，减小相变区上部含气率，弥补了原相变区上下气相工质全部集聚一起的缺陷，从而减小上部相变区热阻，增强整体换热能力，其中相变区为发热区；

2、相比现有结构，减少了主体筋条的单个体积，分成了数量更多更细的分流筋条，因此扩大了相变区筋条间隔距离，减小气相工质受到壁面的影响，使气相工质快速逃逸到气相工质集聚区，减少汽泡积聚在换热表面和流道表面形成气膜，增大热阻影响散热；

3、相比现有技术只有多个竖直相变区的结构，本结构可更好地解决相变区冷板台面上下温差大的问题，实现冷板台面更好的均温性；

4、本方案的结构很好地解决了因液相工质全部转变为气相工质所存在的发热功率的瓶颈问题，提升了相变散热器装配功率密度，使相同尺寸规格的相变冷板散热器能够装配更大功率的发热元器件。

进一步地，所述分流筋条包括隔断筋条和竖直筋条，所述隔断筋条呈折线设置，相邻两个所述隔断筋条形成供气液工质流通的第一流道，所述隔断筋条与相变容腔侧边形成气液工质流通的第二流道，每个所述第二流道内设有一独立相变区，每个第一流道内设有一独立相变区和一非发热区，所述竖直筋条分别位于第一流道和第二流道内。采用上述结构，通过隔断筋条折线设置，可有效地将第一流道和第二流道从竖直设置改为折线设置，可将第二流道内的独立相变区和非发热区倾斜成两部分，因此当独立相变区内发生相变时，产生的气泡并不会像原先一样积聚在相变区上部位置形成气膜，导致热阻增大影响散热，而且是由于缩短了单个相变区内气泡上升的距离，显著提高了气泡的逃逸能力，从而避免气膜产生，极大地减少了热阻，提高了散热能力，使得冷板整体的散热更加均匀，而且由于相变区的面积变小，但是数量增加，可更好地利用冷板内有限的相变区，提高空间利用率，提高换热效率。

进一步地，所述独立相变区与非发热区交错设置。此设置，使得独立相变区并不是统一设于上部或下部，而是上部的独立相变区和非发热区交错设置，下部的独立相变区和非发热区也交错设置，如此可最大程度地利用冷板内有限的相变区，也最大程度地减少了由于气泡积聚产生的热阻，同时相邻的流道之间的影响更小，独立相变区左右两边均为非发热区或相变容腔内壁，非发热区左右两边也是独立相变区或相变容腔内壁，因此相邻的流道影响更小。

进一步地，所述非发热区位于第二流道窄端，所述独立相变区分别位于第二流道宽端和第一流道宽端。此设置，可尽可能地在保证气液工质流通顺畅的前提下，拓宽每个独立相变区，增大空间利用率，因此可显著增强气泡的逃逸能力，减少气泡积聚的现象产生，也就减少了热阻，提高了散热效率，而且还减小气相工质受到壁面影响，使气相工质快速上浮，逃逸至所述气相工质集聚区。

进一步地，所述液相区与相变区之间还设有液相流道，所述液相流道至少包括与液相工质进口接头的顶部段、与液相区一端连通的底部段及设于顶部段与底部段之间的流通段，所述流通段中间位置与靠近流通段中间位置的独立相变区底部连通。此设置，可很好地满足每个独立相变区的液相工质的供应，尤其是靠近相变容腔内壁的独立相变区，提高冷板整体的换热能力，使得冷板整体换热更加均匀。

进一步地，当同一所述第一流道内的非发热区位于独立相变区上方时，所述独立相变区的顶部与所述非发热区底部之间设有第一倾斜流道。此设置，通过第一倾斜流道可更好地将相变时产生的气泡引导到非发热区快速上升。

进一步地，当同一所述第一流道内的非发热区位于独立相变区下方时，所述非发热区的顶部与所述独立相变区底部之间设有第二倾斜流道。此设置，可更好地配合第一倾斜流道的空间设置。

进一步地，所述竖直筋条分别将独立相变区和非发热区隔成多个流道。此设置，在增大换热面积的同时，更好地分隔开气液工质，尤其是减少相变时气相工质也就是气泡的积聚，使其可更加均匀且快速地上升到顶部的气相集聚区进行排出。

一种低热阻相变散热器包括上述的一种低热阻相变冷板，还包括与冷板通过真空钎焊或气体保护焊焊接的散热台面盖板。通过上述冷板制成的相变散热器，相比现有同体积的散热器，散热能力更好，提升了相变散热器装配功率密度，能够装配更大功率的发热元器件。

进一步地，所述冷板与散热台面盖板之间设有0.05~1mm的钎料层。此设置，保证了冷板与散热台面盖板之间的密封性，确保整个散热器的强度。

附图说明

图1是现有技术的结构示意图；

图2是本发明的结构示意图；

图3是图2中液相工质和气相工质的流通方向示意图；

图4是低热阻相变散热器的外观示意图；

图5是相变冷板相变区上下部温差对比；

图6是图5的趋势图；

图7是相变冷板台面温度对比图；

图8是图7的趋势图；

图9是独立相变区的一种较佳实施例的示意图；

图10是非发热区的一种较佳实施例的示意图。

图中，1、冷板主体；2、气相工质出口接头；3、液相工质进口接头；4、相变容腔；5、气相集聚区；6、液相区；7、相变区；8、独立相变区；9、非发热区；10、隔断筋条；11、竖直筋条；12、第二流道；13、第一流道；14、液相流道；141、顶部段；142、底部段；143、流通段；15、散热台面盖板。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本领域技术人员应理解的是，在本发明的披露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

请参阅图1，此图为现有技术的直流道结构的相变冷板，其结构如图所示，这种结构相变区上下部同时受热，液相工质同时汽化，相变区下部汽化后的气相工质因重力上浮与相变区上部汽化的气相工质集聚，使得相变区上部含气率远高于下部。气相工质能够带走的热量远小于液态工质汽化带走的热量，使得相变区上部积聚更多的热量，温度更高。冷板整体的均温性较差。当相变冷板散热器中汽泡生成速度超过脱离受热面的速度而形成气膜，液态工质与受热面被一层气膜隔开，尤其是发热源安装位置所在的流道，产生的气膜会更进一步地影响散热。

因此本方案的改进请参阅图2，本低热阻相变冷板包括冷板主体1、气相工质出口接头2、液相工质进口接头3及相变容腔4，相变容腔4包括设于相变容腔4顶部并与气相工质出口接头2连通的气相集聚区5、设于相变容腔4底部并与液相工质进口接头3连通的液相区6及设于气相集聚区5和液相区6之间的相变区7，其中冷板除了内部相变容腔4以及液相流道14的结构，其他结构与现有技术基本一致。

请参阅图3，具体地，相变区7通过多个分流筋条划分为多个独立相变区8，相邻的两个独立相变区8之间设有非发热区9，分流筋条包括隔断筋条10和竖直筋条11，隔断筋条10呈折线设置，相邻两个隔断筋条10形成供气液工质流通的第一流道13，隔断筋条10与相变容腔4侧边形成气液工质流通的第二流道12，每个第二流道12内设有一独立相变区8，每个第一流道13内设有一独立相变区8和非发热区9，竖直筋条11分别位于第一流道13和第二流道12内。采用上述结构，通过隔断筋条10折线设置，可有效地将第一流道13和第二流道12从竖直设置改为折线设置，可将第二流道12内的独立相变区8和非发热区9倾斜成两部分，因此当独立相变区8内发生相变时，产生的气泡并不会像原先一样积聚在相变区7上部位置形成气膜，导致热阻增大影响散热，而且是由于缩短了单个相变区7内气泡上升的距离，显著提高了气泡的逃逸能力，从而避免气膜产生，极大地减少了热阻，提高了散热能力，使得冷板整体的散热更加均匀，而且由于相变区7的面积变小，但是数量增加，可更好地利用冷板内有限的相变区7，提高空间利用率，提高换热效率。

图3中清晰地展示了液相工质和气相工质的流通方向。

具体地，非发热区9宽度均小于独立相变区8，且每个非发热区9均对应一独立相变区8，实现每个独立相变区8的液相单独导流至相变区7和气相工质单独逃逸出相变区7，独立相变区8与非发热区9交错设置，非发热区9位于第二流道12窄端，独立相变区8分别位于第二流道12宽端和第一流道13宽端，此设置，使得独立相变区8并不是统一设于上部或下部，而是上部的独立相变区8和非发热区9交错设置，下部的独立相变区8和非发热区9也交错设置，如此可最大程度地利用冷板内有限的相变区7，也最大程度地减少了由于气泡积聚产生的热阻，同时相邻的流道之间的影响更小，独立相变区8左右两边均为非发热区9或相变容腔4内壁，非发热区9左右两边也是独立相变区8或相变容腔4内壁，因此相邻的流道影响更小，且在可尽可能地在保证气液工质流通顺畅的前提下，拓宽每个独立相变区8，增大空间利用率，因此可显著增强气泡的逃逸能力，减少气泡积聚的现象产生，也就减少了热阻，提高了散热效率，而且还减小气相工质受到壁面影响，使气相工质快速上浮，逃逸至气相工质集聚区。

具体地，当同一第一流道13内的非发热区9位于独立相变区8上方时，独立相变区8的顶部与非发热区9底部之间设有第一倾斜流道。

具体地，当同一第一流道13内的非发热区9位于独立相变区8下方时，非发热区9的顶部与独立相变区8底部之间设有第二倾斜流道。

具体地，竖直筋条11分别将独立相变区8和非发热区9隔成多个流道。此设置，在增大换热面积的同时，更好地分隔开气液工质，尤其是减少相变时气相工质也就是气泡的积聚，使其可更加均匀且快速地上升到顶部的气相集聚区5进行排出。

优选地，液相区6与相变区8之间还设有液相流道14，液相流道14至少包括与液相工质进口接头3的顶部段141、与液相区6一端连通的底部段142及设于顶部段141与底部段142之间的流通段143，流通段143中间位置与靠近流通段143中间位置的一独立相变区8底部连通。此设置，可很好地满足每个独立相变区8的液相工质的供应，尤其是靠近相变容腔4内壁的独立相变区8，提高冷板整体的换热能力，使得冷板整体换热更加均匀。

优选地，整个冷板主体1采用一体式加工方式，如铣削、拉削等，可保证冷板在加工及使用过程中不会发生形变，厚度约为30到50mm左右。

为了更清晰直观地展示本方案中独立相变区8和非发热区9，请参阅图9和图10，可见非发热区9代替了图1中的主体筋条位置，显著增加了流量。

请参阅图4，一种低热阻相变散热器包括上述的一种低热阻相变冷板，还包括与冷板主体1通过真空钎焊或气体保护焊焊接的散热台面盖板15。通过上述冷板制成的相变散热器，相比现有同体积的散热器，散热能力更好，提升了相变散热器装配功率密度，能够装配更大功率的发热元器件。

具体地，冷板与散热台面盖板15之间设有0.05~1mm的钎料层，焊接温度为300~1200℃。此设置，保证了冷板与散热台面盖板15之间的密封性，确保整个散热器的强度和密封性能。其中液相工质也就是冷却液介质采用氟碳、氟化液或丙酮等工质。常温常压下，沸点为-20℃到80℃，汽化热为50到500J/g。其相变蒸发时的吸热量约为单相水冷***的15到20倍，极大增强了散热器的换热能力。

在本实施例中，为了更好地展示本方案的效果，经过与现有技术的散热器进行对比试验，在搭配不同负载设备的前提下得出如图5-8的结果，可见在不同热功率负载下，本方案的低热阻相变散热器的散热效果均明显好于现有技术的散热器，其中原相变散热器就是现有技术的散热器。

其中图5是相变冷板相变区7上下部温差对比，图6是图5的趋势图，图7是相变冷板台面温度对比图，图8是图7的趋势图。

本发明未详述部分为现有技术，故本发明未对其进行详述。

可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。

尽管本文较多地使用了冷板主体1、气相工质出口接头2、液相工质进口接头3、相变容腔4、气相集聚区5、液相区6、相变区7、独立相变区8、非发热区9、隔断筋条10、竖直筋条11、第二流道12、第一流道13、液相流道14、顶部段141、底部段142、流通段143、散热台面盖板15等术语，但并不排除使用其他术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上做任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种低热阻相变冷板，包括冷板主体、气相工质出口接头、液相工质进口接头及相变容腔，其特征在于，所述相变容腔包括设于相变容腔顶部并与气相工质出口接头连通的气相集聚区、设于相变容腔底部并与液相工质进口接头连通的液相区及设于气相集聚区和液相区之间的相变区；

所述相变区通过多个分流筋条划分为多个独立相变区，相邻的两个独立相变区之间设有非发热区；

所述非发热区宽度均小于所述独立相变区，且每个所述非发热区均对应一独立相变区，实现每个所述独立相变区的液相单独导流至所述相变区和所述气相工质单独逃逸出所述相变区；

所述分流筋条包括隔断筋条和竖直筋条，所述隔断筋条呈折线设置，相邻两个所述隔断筋条形成供气液工质流通的第一流道，所述隔断筋条与相变容腔侧边形成气液工质流通的第二流道，每个所述第二流道内设有一独立相变区，每个所述第一流道内设有一独立相变区和一非发热区，所述竖直筋条分别位于第一流道和第二流道内；

位于所述第一流道内的独立相变区和非发热区形成折线状。

2.根据权利要求1所述的一种低热阻相变冷板，其特征在于，所述独立相变区与非发热区交错设置。

3.根据权利要求1所述的一种低热阻相变冷板，其特征在于，所述非发热区位于第二流道窄端，所述独立相变区分别位于第二流道宽端和第一流道宽端。

4.根据权利要求1所述的一种低热阻相变冷板，其特征在于，所述液相区与相变区之间还设有液相流道，所述液相流道至少包括与液相工质进口接头的顶部段、与液相区一端连通的底部段及设于顶部段与底部段之间的流通段，所述流通段中间位置与靠近流通段中间位置的所述独立相变区底部连通。

5.根据权利要求1所述的一种低热阻相变冷板，其特征在于，当同一所述第一流道内的非发热区位于独立相变区上方时，所述独立相变区的顶部与所述非发热区底部之间设有第一倾斜流道。

6.根据权利要求1所述的一种低热阻相变冷板，其特征在于，当同一所述第一流道内的非发热区位于独立相变区下方时，所述非发热区的顶部与所述独立相变区底部之间设有第二倾斜流道。

7.根据权利要求1所述的一种低热阻相变冷板，其特征在于，所述竖直筋条分别将独立相变区和非发热区隔成多个流道。

8.一种低热阻相变散热器，其特征在于，包括权利要求1-7任意一项所述的一种低热阻相变冷板，还包括与冷板通过真空钎焊或气体保护焊焊接的散热台面盖板。

9.根据权利要求8所述的一种低热阻相变散热器，其特征在于，所述冷板与散热台面盖板之间设有0.05~1mm的钎料层。

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