多尺度毛細(xì)芯平板環(huán)路熱管式散熱裝置制造方法
【專利摘要】一種多尺度毛細(xì)芯平板環(huán)路熱管式散熱裝置，屬于相變散熱【技術(shù)領(lǐng)域】。該散熱裝置包括蒸發(fā)部、冷凝部、補償腔，以及連接蒸發(fā)部和冷凝部的氣相管道、連接冷凝部和補償腔的液相管道；蒸發(fā)部的底板呈平板狀，在底板的上表面用金屬粉末燒結(jié)有多尺度的兩層毛細(xì)芯，并在兩層毛細(xì)芯間構(gòu)造有蒸汽槽道；在第二層毛細(xì)芯上緊緊覆蓋一層吸水棉作為第三層毛細(xì)芯，三層毛細(xì)芯形成多尺度結(jié)構(gòu)。多層多尺度毛細(xì)芯以及構(gòu)造的蒸汽槽道，解決了汽液流動阻力與毛細(xì)吸力間的矛盾性問題，降低了環(huán)路熱管的啟動溫度、提高了散熱器承載高熱流密度的能力，并減小了傳熱的不穩(wěn)定；具有冷卻能力強、承載熱流密度大、啟動溫度低、溫度波動小、反重力性能好、傳輸距離長的優(yōu)點。
【專利說明】多尺度毛細(xì)芯平板環(huán)路熱管式散熱裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種多尺度毛細(xì)芯平板環(huán)路熱管式散熱裝置，屬于相變散熱【技術(shù)領(lǐng)域】，可用于高熱流密度電子和光學(xué)器件的冷卻。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，大功率激光器、大功率LED、紅外探測陣列、大功率和高性能微處理器等光電子/微電子芯片(簡稱“光電芯片”)及其應(yīng)用系統(tǒng)的微型化和高度集成化，導(dǎo)致單位容積內(nèi)的發(fā)熱量急劇增大，出現(xiàn)局部熱流密度較大的現(xiàn)象，傳統(tǒng)的單純使用空氣強迫對流冷卻的散熱方式已經(jīng)達(dá)到其傳熱極限，散熱問題已成為制約高熱流密度光電芯片技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要瓶頸。
[0003]環(huán)路熱管作為一種高效相變式換熱裝置，具有傳熱能力強、傳輸距離長、安全可靠且價格低廉等優(yōu)點，環(huán)路熱管技術(shù)已成為解決高熱流密度電子設(shè)備熱管理問題的有效手段之一。
[0004]目前困擾環(huán)路熱管技術(shù)在電子設(shè)備熱管理方面應(yīng)用的關(guān)鍵問題主要集中于蒸發(fā)部的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計和毛細(xì)芯的設(shè)計。
[0005]在蒸發(fā)部內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計上，傳統(tǒng)環(huán)路熱管通常采用機(jī)械加工的方式，在蒸發(fā)部底面切割出不同形式的蒸汽槽道，并在其上覆蓋一層毛細(xì)芯，盡管這種結(jié)構(gòu)便以加工制作，但這樣的設(shè)計面臨一個無法解決的矛盾，一方面希望獲得較寬的槽道以降低蒸汽排出時的壓力損失，以及較大的毛細(xì)芯孔隙減小汽液流動阻力，另一方面希望獲得較大的毛細(xì)吸力，以增加工質(zhì)循環(huán)的動力，這需要較小的毛細(xì)芯孔隙，但受限于空間大小，二者無法兼顧(對環(huán)路熱管而言，毛細(xì)芯大的孔隙對汽液的流動阻力小，有利于汽液的流通，但毛細(xì)吸力小，小的孔隙有具有較大的毛細(xì)吸力，可提供汽液循環(huán)的較大動力，二者是一個矛盾的統(tǒng)一體，傳統(tǒng)的回路熱管的毛細(xì)芯沒能夠很好的協(xié)調(diào)這一矛盾。因此，傳統(tǒng)環(huán)路熱管往往存在低溫啟動困難、溫度波動大、極限散熱能力低的問題。
[0006]另外，傳統(tǒng)環(huán)路熱管由于毛細(xì)芯的設(shè)計問題往往存在蒸發(fā)腔向補償腔的熱泄漏問題。一方面，毛細(xì)芯的導(dǎo)熱造成補償腔中溫度過高；另一方面，蒸發(fā)腔中的蒸汽會透過毛細(xì)芯進(jìn)入補償腔，這兩種情況都會造成環(huán)路熱管啟動困難，甚至在某些情況下無法啟動；同時，當(dāng)反向工作時(即蒸發(fā)部在上，冷凝部在下，液體由于重力作用主要存在于管路中，補償腔中液體較少，從而使環(huán)路熱管啟動時產(chǎn)生的蒸汽壓難于克服循環(huán)阻力而造成啟動失敗。
[0007]如何優(yōu)化蒸發(fā)腔內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計和選取合適的毛細(xì)芯，提高環(huán)路熱管的散熱能力，解決啟動過溫和溫度波動等問題，已成為當(dāng)今環(huán)路熱管技術(shù)研究的重要課題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種多尺度毛細(xì)芯平板環(huán)路熱管式散熱裝置，通過優(yōu)化蒸發(fā)腔內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計，并合理設(shè)計和選取多尺度毛細(xì)芯，較好的解決了汽液阻力和毛細(xì)吸力間的矛盾性的協(xié)調(diào)性問題，提升了環(huán)路熱管的散熱能力和抗重力性能，解決了啟動過溫和溫度波動等問題。
[0009]本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0010]該散熱裝置包括蒸發(fā)部、冷凝部、與蒸發(fā)部蓋板加工在一起的補償腔，以及連接蒸發(fā)部和冷凝部的氣相管道、連接冷凝部和補償腔的液相管道、與補償腔連接的抽真空及工質(zhì)灌裝管路；
[0011]所述蒸發(fā)部底部的底板呈平板狀，底板的下底面為加熱面，在底板的上表面用金屬粉末燒結(jié)有多尺度的第一層毛細(xì)芯和第二層毛細(xì)芯，兩層毛細(xì)芯與底板一體化燒結(jié)，并在兩層毛細(xì)芯間構(gòu)造有蒸汽槽道；在第二層毛細(xì)芯上緊緊覆蓋一層吸水棉作為第三層毛細(xì)芯，三層毛細(xì)芯形成多尺度結(jié)構(gòu)。
[0012]所述蒸發(fā)部的底板為呈圓形或多邊形的平板狀結(jié)構(gòu)；蒸發(fā)部及補償腔的材質(zhì)選用包括銅和鋁在內(nèi)的高導(dǎo)熱金屬。
[0013]所述第一層毛細(xì)芯和第二層毛細(xì)芯采用銅粉或者鎳粉，與蒸底板一體式燒結(jié)而成，燒結(jié)過程中通過金屬顆粒直徑和添加的造孔劑控制毛細(xì)芯中孔隙的大小，并形成孔隙的多尺度結(jié)構(gòu)。
[0014]所述第一層毛細(xì)芯和第二層毛細(xì)芯之間的蒸汽槽道，開口形狀為矩形、梯形、三角形或圓形。
[0015]所述第二層毛細(xì)芯由兩種不同粗細(xì)的金屬粉末燒結(jié)而成，靠近蒸發(fā)部的一側(cè)采用較細(xì)的金屬粉末，孔穴較小，起到控制熱泄漏和提高較高的毛細(xì)壓力的作用；靠近補償腔的一側(cè)采用較粗的金屬粉末，孔穴較大，起到增大吸液率的作用，從而形成多尺度結(jié)構(gòu)毛細(xì)芯。
[0016]所述第三層毛細(xì)芯為吸液棉，或采用包括海綿、纖維在內(nèi)的具有毛細(xì)吸力、保液性以及低導(dǎo)熱性的材料。第三層毛細(xì)芯具有很強的吸液能力和保液性，使得環(huán)路熱管在反向放置時(即蒸發(fā)部在上、冷凝部在下放置)，吸液棉能提供足夠的液體進(jìn)行蒸發(fā)，從而提供足夠的蒸汽壓來克服循環(huán)阻力。更為重要的是，吸液棉能夠大大降低毛細(xì)芯向補償室的熱泄漏，提高環(huán)路熱管的運行可靠性和極限散熱能力。
[0017]所述抽真空及工質(zhì)灌裝管路中灌裝的工質(zhì)為水、乙醇、丙酮、氨中的一種或多種。
[0018]所述冷凝部采用翅片式散熱器加裝風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)，或采用自然對流冷卻或液冷的散熱方式，確保氣相工質(zhì)在冷凝部冷卻為液相。
[0019]當(dāng)環(huán)路熱管工作時，工質(zhì)在蒸發(fā)部底板上的多尺度結(jié)構(gòu)表面以及蒸汽槽道兩側(cè)凸起處發(fā)生汽化，并通過蒸汽槽道排出，在蒸汽壓力作用下，流向環(huán)路熱管的冷凝部，冷凝后的液體在毛細(xì)芯的毛細(xì)吸力下回流到補償腔，進(jìn)一步通過毛細(xì)芯到達(dá)蒸發(fā)部進(jìn)一步汽化，從而形成一個完整的循環(huán)。通過工質(zhì)的循環(huán)，把蒸發(fā)部的熱量傳遞到冷凝部，進(jìn)而把熱量散失在環(huán)境中，達(dá)到冷凝蒸發(fā)部的目的。
[0020]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的突出優(yōu)勢在于:
[0021](I)利用粉末燒結(jié)技術(shù)，在蒸發(fā)部底板上直接燒結(jié)多尺度毛細(xì)芯，并構(gòu)造蒸汽槽道，使得蒸汽的產(chǎn)生不僅發(fā)生于槽道凸起與毛細(xì)芯接觸處，還能夠產(chǎn)生于蒸發(fā)部底板上所燒結(jié)的多尺度毛細(xì)芯內(nèi)部及表面，多尺度毛細(xì)芯有效解決了汽液流動阻力和毛細(xì)吸力間的矛盾關(guān)系，有利于提供足夠的蒸汽壓推動工質(zhì)循環(huán)，解決傳統(tǒng)環(huán)路熱管低溫啟動困難的問題，提高環(huán)路熱管的換熱性能；同時，多尺度毛細(xì)結(jié)構(gòu)還能有效消除環(huán)路熱管運行時的溫度波動。
[0022](2)在第二層毛細(xì)芯上緊緊覆蓋一層吸液棉作為第三層毛細(xì)芯，由于吸液棉的低導(dǎo)熱性和良好的毛細(xì)吸力，解決了傳統(tǒng)環(huán)路熱管難于解決的熱泄漏問題，提高了環(huán)路熱管的極限散熱能力；另外，吸液棉兼有保液的能力，使得環(huán)路熱管在任何放置形式下，都能提供足夠的液體工質(zhì)來補充蒸發(fā)腔的蒸發(fā)，極大提高了環(huán)路熱管的抗重力性能，使得環(huán)路熱管能夠在反重力情況下穩(wěn)定運行。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1為本發(fā)明所述的多尺度毛細(xì)芯平板環(huán)路熱管式散熱裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖2為蒸發(fā)部的結(jié)構(gòu)分解示意圖及三層毛細(xì)芯各自的截面示意圖。
[0025]圖3為本發(fā)明的蒸發(fā)模型示意圖。
[0026]附圖標(biāo)記
[0027]1-蒸發(fā)部，2-氣相管道，3-冷凝部，4-液相管道，5-補償腔，6_抽真空和工質(zhì)灌裝管路；7_蒸汽出口，8-底板，9-第一層毛細(xì)芯，10-第二層毛細(xì)芯，11-第三層毛細(xì)芯，12-蒸發(fā)部蓋板，13-冷凝液體入口。
【具體實施方式】
[0028]本發(fā)明提供了一種多尺度毛細(xì)芯平板環(huán)路熱管式散熱裝置，下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0029]如圖1所示，該散熱裝置包括蒸發(fā)部1、冷凝部3、與蒸發(fā)部蓋板12加工在一起的補償腔5，以及連接蒸發(fā)部I和冷凝部3的氣相管道2、連接冷凝部3和補償腔5的液相管道4、與補償腔5連接的抽真空及工質(zhì)灌裝管路6。
[0030]該環(huán)路熱管式散熱裝置的關(guān)鍵技術(shù)在于平板蒸發(fā)部內(nèi)部設(shè)計和制作。如圖2所示，蒸發(fā)部I底部的底板8呈平板狀，底板8的下底面為加熱面，在底板8的上表面用金屬粉末燒結(jié)有多尺度的第一層毛細(xì)芯9和第二層毛細(xì)芯10,兩層毛細(xì)芯與底板8 —體化燒結(jié)，并在兩層毛細(xì)芯間構(gòu)造有蒸汽槽道；兩層毛細(xì)芯可以分兩次燒結(jié)在一起，采用模具直接在底板上燒結(jié)第一層毛細(xì)芯9，同時構(gòu)造出蒸汽槽道，并在槽道中撒造孔劑，然后鋪第二層金屬粉末并燒結(jié)出第二層毛細(xì)芯10。在第二層毛細(xì)芯10上緊緊覆蓋一層吸水棉作為第三層毛細(xì)芯11，起到降低熱泄漏和保液的作用，三層毛細(xì)芯形成多尺度結(jié)構(gòu)。吸水棉也可用纖維、海綿等其他具有低導(dǎo)熱性、高吸液性、保液性的材料代替。孔隙的大小通過金屬顆粒直徑的大小和造孔劑在燒結(jié)過程中實現(xiàn)。
[0031]第一層毛細(xì)芯9和第二層毛細(xì)芯10與底板8 一體化燒結(jié)能夠大大提高環(huán)路熱管的換熱能力，降低啟動過溫問題。如圖3所示，傳統(tǒng)環(huán)路熱管的蒸汽主要產(chǎn)生于槽道凸起與上部毛細(xì)芯的接觸部位，蒸汽產(chǎn)生量??；而本發(fā)明的環(huán)路熱管，蒸汽不僅產(chǎn)生于槽道凸起與毛細(xì)芯接觸處，還能夠產(chǎn)生于蒸發(fā)部底板所燒結(jié)的多尺度毛細(xì)芯的內(nèi)部和表面，在相同功率下，蒸汽量的產(chǎn)生遠(yuǎn)大于常規(guī)環(huán)路熱管，極大的提高了換熱能力和啟動容易性。同時，多尺度毛細(xì)芯有效解決了汽液流動阻力和毛細(xì)吸力間的矛盾關(guān)系，顯著降低溫度波動作用，使得環(huán)路熱管運行更穩(wěn)定。
[0032]在環(huán)路熱管運行時，吸水棉的低導(dǎo)熱性，使得蒸發(fā)部I向補償腔5的熱泄漏顯著減小，并具有阻止蒸汽竄入補償腔的作用；同時，吸水棉的保液性，使得環(huán)路熱管反向工作時也能夠有充足的液體進(jìn)入蒸發(fā)部蒸發(fā)，提高了裝置的抗重力性能。
[0033]蒸發(fā)部I的底板8邊壁上加工有蒸汽出口 7，并與氣相管道2焊接相連。冷凝部3可設(shè)計為盤管散熱翅片并組裝風(fēng)扇，但不限于此設(shè)計，冷凝部采用自然對流循環(huán)散熱也可以，只要能保證氣相工質(zhì)能在此冷凝并滿足冷凝出口的溫度要求即可。
[0034]環(huán)路熱管制作完成后，需要對熱管進(jìn)行抽真空并注入合適的工質(zhì)(如水、丙酮、乙醇、氨水等一些工質(zhì))，且選擇恰當(dāng)?shù)某湟罕?。在熱管工作過程中，當(dāng)蒸發(fā)部的底板8受熱時，隨著底板溫度升高到一定溫度，多尺度毛細(xì)芯內(nèi)部的液體會發(fā)生汽化，且蒸汽沿著槽道通過蒸汽出口 7進(jìn)入氣相管道2，蒸汽在冷凝部3冷凝成液體并將熱量釋放到空氣中，冷凝后的液體在蒸汽壓力和毛細(xì)吸液芯的毛細(xì)吸力作用下通過冷凝液體入口 13進(jìn)入補償腔5，并進(jìn)一步回流入蒸發(fā)部I再次汽化，即完成一次循環(huán)。環(huán)路熱管通過每一次的循環(huán)，源源不斷的將熱量傳輸?shù)娇諝庵?。蒸發(fā)部的液體蒸發(fā)與液體補充的原理圖如圖3所示。
【權(quán)利要求】
1.一種多尺度毛細(xì)芯平板環(huán)路熱管式散熱裝置，包括蒸發(fā)部(I)、冷凝部(3)、與蒸發(fā)部蓋板(12)加工在一起的補償腔(5)，以及連接蒸發(fā)部(I)和冷凝部(3)的氣相管道(2)、連接冷凝部(3)和補償腔(5)的液相管道(4)、與補償腔(5)連接的抽真空及工質(zhì)灌裝管路(6)，其特征在于， 所述蒸發(fā)部(I)底部的底板(8)呈平板狀，底板(8)的下底面為加熱面，在底板(8)的上表面用金屬粉末燒結(jié)有多尺度的第一層毛細(xì)芯(9)和第二層毛細(xì)芯(10)，兩層毛細(xì)芯與底板(8)—體化燒結(jié)，并在兩層毛細(xì)芯間構(gòu)造有蒸汽槽道；在第二層毛細(xì)芯(10)上緊緊覆蓋一層吸水棉作為第三層毛細(xì)芯(11)，三層毛細(xì)芯形成多尺度結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多尺度毛細(xì)芯平板環(huán)路熱管式散熱裝置，其特征在于，所述蒸發(fā)部(I)的底板(8)為呈圓形或多邊形的平板狀結(jié)構(gòu)；蒸發(fā)部(I)及補償腔(5)的材質(zhì)選用包括銅和鋁在內(nèi)的高導(dǎo)熱金屬。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多尺度毛細(xì)芯平板環(huán)路熱管式散熱裝置，其特征在于，所述第一層毛細(xì)芯(9)和第二層毛細(xì)芯(10)采用銅粉或者鎳粉，與蒸底板(8)—體式燒結(jié)而成，燒結(jié)過程中通過金屬顆粒直徑和添加的造孔劑控制毛細(xì)芯中孔隙的大小，并形成孔隙的多尺度結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多尺度毛細(xì)芯平板環(huán)路熱管式散熱裝置，其特征在于，所述第一層毛細(xì)芯(9)和第二層毛細(xì)芯(10)之間的蒸汽槽道，開口形狀為矩形、梯形、三角形或圓形。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多尺度毛細(xì)芯平板環(huán)路熱管式散熱裝置，其特征在于，所述第二層毛細(xì)芯(10)由兩種不同粗細(xì)的金屬粉末燒結(jié)而成，靠近蒸發(fā)部(I)的一側(cè)采用較細(xì)的金屬粉末，靠近補償腔(5)的一側(cè)采用較粗的金屬粉末，形成多尺度結(jié)構(gòu)毛細(xì)芯。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多尺度毛細(xì)芯平板環(huán)路熱管式散熱裝置，其特征在于，所述第三層毛細(xì)芯(11)為吸液棉，或采用包括海綿、纖維在內(nèi)的具有毛細(xì)吸力、保液性以及低導(dǎo)熱性的材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多尺度毛細(xì)芯平板環(huán)路熱管式散熱裝置，其特征在于，所述抽真空及工質(zhì)灌裝管路(6)中灌裝的工質(zhì)為水、乙醇、丙酮、氨中的一種或多種。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多尺度毛細(xì)芯平板環(huán)路熱管式散熱裝置，其特征在于，所述冷凝部(3)采用翅片式散熱器加裝風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)，或采用自然對流冷卻或液冷的散熱方式，確保氣相工質(zhì)在冷凝部冷卻為液相。
【文檔編號】F28D15/04GK103629963SQ201310689409
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年12月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月16日
【發(fā)明者】紀(jì)獻(xiàn)兵, 徐進(jìn)良, 楊臥龍 申請人:華北電力大學(xué)