蒸汽腔热管/微通道冷板复合结构均温装置

摘要

本发明公开了一种蒸汽腔热管/微通道冷板复合结构均温装置，包括金属壳体、蒸气腔热管层和微通道冷板层，微通道冷板层位于两个蒸气腔热管层之间，蒸气腔热管层和微通道冷板层均位于金属壳体内。本发明采用液体工质相变换热的方式以气化潜热的形式传递大量热量，显著提高了换热能力；现有的蒸汽腔热管仅一面为蒸发面并且面积较小，这样就导致整体的利用面积有限，本发明的复合结构均温装置的上下两面均为蒸发面，即在上下两面的整个表面均可以布置高热流密度电子器件，这样就明显提高了利用率，并且更适合电子工业领域中高热流密度电子器件的热控需求，本发明的高度更薄，现有技术单微通道冷板层的高度就有9mm，本发明的整体高度不大于9mm。

说明书

技术领域

本发明涉及电子器件散热领域，具体涉及一种蒸汽腔热管/微通道冷板复合结构均温装置，用于高热流密度电子器件的均温散热。

技术背景

在电子工业领域，目前电子器件的热流密度已突破100W/cm²。电子器件的温度每上升十摄氏度，可靠性就会降低50%，因此对高热流密度电子器件进行温度控制是极其迫切的需求。常见的散热方式有风冷、液冷以及相变冷却。文献1（液冷冷板的研究，徐德好，杨冬梅，电子机械工程，2006年第一期，4-6页）指出，当热流密度大于5W/cm²时，风冷的冷却方式就不能满足散热要求，就应该采用液冷的冷却方式。微通道冷板是目前使用较多的液冷冷却装置。微通道冷板具有较高的冷却效率，但也存在以下问题：1、尺寸限制较为明显。微通道冷板的尺寸不能过大，尤其是进出口之间的长度不宜过长，否则会导致布置在微通道冷板表面上的电子器件的温度差异过大，无法达到要求的整体均温性。2、微通道冷板主要以强迫对流的方式将热量带走，这仅适用于热流密度小于100W/cm²的情况。在高热流密度条件下，由于微通道冷板进口与出口的温差较大，因此导致布置在出口附近的电子器件温度明显高于布置在进口附近的电子器件的温度，这种情况在布置大量电子器件的情况下尤其明显，特别是难以将多个电子器件的均方根温差控制在理想的范围内，例如5℃，难以达到良好的均温效果。因此，在高热流密度条件下，应采用相变换热装置进行散热。

发明内容

本发明的目的在于提供一种蒸汽腔热管/微通道冷板复合结构均温装置，解决了高热流密度电子器件的散热问题，尤其是多个电子器件的均温性问题。由于蒸汽腔热管仅在其内部发生物理过程，并且无活动部件、无机械损耗、不消耗外部能源以及可靠性高，因此特别适合高热流密度电子器件的温度控制。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种蒸汽腔热管/微通道冷板复合结构均温装置，包括金属壳体、蒸气腔热管层和微通道冷板层，微通道冷板层位于两个蒸气腔热管层之间，蒸气腔热管层和微通道冷板层均位于金属壳体内。所述蒸气腔热管层包括毛细层和加强筋，毛细层包括蒸发面毛细层、冷凝面毛细层、四周侧壁毛细层和覆盖在加强筋表面的毛细层，加强筋一端固连在蒸发面毛细层内壁，另一端固连在冷凝面毛细层内壁。加强筋优选圆柱体，相邻的加强筋之间横向间距不大于40 mm。覆盖在加强筋表面的毛细层由烧结金属粉末制成。所述微通道冷板层采用S型总流道。蒸汽腔热管/微通道冷板复合结构均温装置的总高度不大于9mm。

与现有技术相比，本发明的蒸汽腔热管/微通道冷板复合结构均温装置的显著优点是：1、相变换热，采用液体工质相变换热的方式以气化潜热的形式传递大量热量，显著提高了换热能力；2、本发明的利用率更高，现有的蒸汽腔热管仅一面为蒸发面并且面积较小，这样就导致整体的利用面积有限，本发明的复合结构均温装置的上下两个表面均为蒸发面，即在上下两面的整个表面均可以布置高热流密度电子器件，这样就明显提高了利用率，并且更适合电子工业领域中高热流密度电子器件的热控需求；3、本发明的复合结构均温装置的上下两层均为蒸汽腔热管层。由于蒸汽腔热管层内部是连通的腔体，工作时内部始终充满温度相同的饱和蒸汽，因此在蒸发面表面能够形成良好的温度均匀特性。本发明的复合结构均温装置的上下蒸汽腔热管层内部优选地采用烧结金属粉末层作为毛细结构，并且蒸汽腔热管层内部蒸发面和冷凝面以及加强筋表面均优选覆盖有烧结金属粉末，以便减小冷凝液体工质的回流路径以及提高抗重力性能；4、本发明的高度更薄，现有技术单微通道冷板层的高度就有9mm，本发明的整体高度不大于9mm。

附图说明

图1是本发明的蒸汽腔热管/微通道冷板复合结构均温装置的原理示意图。

图2是本发明的蒸汽腔热管/微通道冷板复合结构均温装置的结构尺寸示意图，其中图（A）是所述复合结构均温装置的纵截面局部示意图，图（B）是所述复合结构均温装置的蒸汽腔热管层的横截面局部示意图。

图3是本发明的蒸汽腔热管/微通道冷板复合结构均温装置的毛细层局部放大示意图。

图4是本发明的蒸汽腔热管/微通道冷板复合结构均温装置的微通道冷板层的横截面示意图。

具体实施方式

下面结合附图，将对本发明的具体实施方式进行描述。

结合图1，布置在蒸汽腔热管层2表面上的高热流密度电子器件（图1中称为热源）通过热传导将大量热量传递至蒸汽腔热管层2的蒸发面毛细层6，由于蒸汽腔热管层2内部为汽液两相饱和状态，因此吸收热量的液体工质迅速汽化，伴随着压力的增大，气体工质向冷凝面毛细层7运动，当到达冷凝面毛细层7后受到中间微通道冷板层3的冷却，气体工质释放汽化潜热，再次转化为液体，并在压力的驱动下沿加强筋5的毛细层9以及四周侧壁的毛细层8回流进入蒸发面毛细层6，由此完成液体工质的循环，同时，微通道冷板层3将相变释放的汽化潜热带入外界环境，以便维持蒸汽腔热管层2内部的蒸发-冷凝循环。

本发明的蒸汽腔热管/微通道冷板复合结构均温装置利用蒸汽腔热管层2内部封装的液体工质的相变，以气化潜热的形式将布置在其表面的高热流密度电子器件的大量热量进行传递，由微通道冷板层3将蒸汽腔热管层2传递的大量汽化潜热传递至外界环境，以便对高热流密度电子器件进行温度控制。所述复合结构均温装置的蒸汽腔热管层2内部为连通的腔体，当工作时蒸汽腔热管层2的腔体内始终充满温度相同的饱和蒸汽，因此能够对布置在蒸汽腔热管层2表面的高热流密度电子器件进行有效的均温控制。

结合图2和图3，所述复合结构均温装置除去上下蒸汽腔热管层2的盖板后的总高度为8mm，其中两层蒸汽腔热管层2的盖板均为0.5mm（图2A中未示出蒸汽腔热管层2的盖板），两层蒸汽腔热管层2的腔体高度为2mm，微通道冷板层3的微通道流道高度为2mm，加强筋5的直径为5mm。蒸汽腔热管层2内部的毛细层4采用由烧结金属粉末构成，也可采用诸如丝网或槽道作为毛细层4。所述微通道冷板层3的微通道的流道宽度为0.5mm，并且微通道流道的高宽比高度与宽度的比值不小于4。应注意的是所述微通道流道的水力直径应不大于3mm。从图2B可以看出，所述蒸汽腔热管层2内部布置有加强筋5，该加强筋5为圆柱形，并且直径为5mm。在图2B中，加强筋5的横向布置间距为25mm，纵向为15mm。应注意的是，所述加强筋5的横向布置间距不大于40mm，纵向布置不小于两排，且在横向和纵向均等间距布置。

所述毛细层4采用多种粒径的金属粉末烧结制成，并且其厚度不小于烧结所采用的金属粉末的平均粒径的四倍。根据现有技术，较大粒径的金属粉末主要起结合作用，即通过融化大粒径的金属粉末增大熔融态金属粉末的接触面积，以便结合其他较小粒径的金属粉末。较小粒径的金属粉末填充在缝隙中，以便形成多孔结构，提供所需的毛细力。不同粒径金属粉末能够形成内部呈多种孔径的多孔介质，例如，烧结层靠近壳体的部分为大粒径粉末，其能够减小液体工质的流动阻力，远离壳体的部分为小粒径粉末，其能够提供较大的毛细力。此外，可根据抗重力性、渗透性等多种要求综合选择烧结粉末的粒径。

结合图4，本发明的复合结构均温装置的中间微通道冷板层3总共具有5组流道，其中每组流道均有55个微通道流道，并且连接每组流道的总流道为“S”形流道。由现有技术可知，由于微通道内的流动在雷诺数为几百时即可达到湍流状态，因此微通道冷板层3的换热能力大于常规流道冷板层。应注意的是，虽然微通道冷板层3的换热能力较强，但是微通道冷板层3的流动阻力也较大，因此应根据合理的流动阻力来选择微通道冷板层3的微通道流道的数量、间距以及高度。

本发明能够将40个高热流密度电子器件的均方根温差控制在5℃以内。