一种适用于两垂直热源的平板式环路热管

摘要

一种适用于两垂直热源的平板式环路热管，包括蒸发器、喷射泵、射流换热腔和冷却器；蒸发器底面为水平换热面，射流换热的侧面为竖直换热面，其中，蒸发器的液体出口与喷射泵相连，蒸发器的气体出口与喷射泵相连，喷射泵与射流换热腔相连，射流换热腔经冷却器与蒸发器的液体入口相连。本发明将射流冲击强化换热技术与环路热管耦合，既实现了对两垂直热源进行散热，又保留了环路热管可靠性高和射流冲击换热系数高和优点。

说明书

技术领域

本发明属于电子元器件冷却散热领域，涉及一种热管散热装置，特别涉及一种适用于两垂直热源的平板式环路热管。

背景技术

随着电子元器件集成化和高频化程度不断提高，发热量不断增加，热致失效已经成为微电子器件失效的主要形式。以计算机主机为例，目前其常见的散热方式是风冷，散热装置包括翅片式散热器和风扇。为了将热量及时导出，CPU和显卡上方翅片式散热器体积不断增大，风扇的数量和转速也不断增加，导致散热装置体积大而厚重。且风冷受限于其固有的散热能力的限制，气体强制对流的最大换热系数不超过100W/(m

但是现有的平板式环路热管，主要适用于单个热源的散热系统。少数能用于双热源散热的环路热管对散热面的布置有严格要求。如中国专利CN201310089745.5、CN201910769614.9和CN201910185636，虽能实现对双热源的散热，但其要求两散热面处于同一水平面上或平行布置。而需要对两个相互垂直的发热面进行散热的场合很多，比如目前主流的ATX2.0架构机箱中，主板和显卡垂直安装导致CPU和GPU的散热面互相垂直。现有的平板式环路热管无法满足其散热需求。

发明内容

本发明的目的在于克服目前平板式环路热管无法对两垂直热源进行散热，提出一种适用于两垂直热源的平板式环路热管。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种适用于两垂直热源的平板式环路热管，包括蒸发器、喷射泵、射流换热腔和冷却器；蒸发器底面为水平换热面，射流换热的侧面为竖直换热面，其中，蒸发器的液体出口与喷射泵相连，蒸发器的气体出口与喷射泵相连，喷射泵与射流换热腔相连，射流换热腔经冷却器与蒸发器的液体入口相连。

本发明进一步的改进在于，喷射泵包括蒸汽喷嘴、液体喷嘴和混合腔；蒸汽喷嘴和液体喷嘴均与混合腔相连通，混合腔出口与射流换热腔相连；蒸汽喷嘴与液体喷嘴之间的壁面上喷涂有特氟龙涂层。

本发明进一步的改进在于，特氟龙涂层的厚度为0.3-0.5mm。

本发明进一步的改进在于，水平换热面一侧用于与水平热源贴合，另一侧加工有若干蒸汽槽道，蒸汽槽道上方为毛细芯，毛细芯上方为补偿腔，若干蒸汽槽道出口经集汽槽、蒸汽管路与喷射泵的蒸汽喷嘴相连通。

本发明进一步的改进在于，液体入口设置在补偿腔的一端壁面上，液体出口设置在另一端壁面上；液体入口与冷却器相连，液体出口与喷射泵相连；

射流换热腔的竖直换热面外壁用于与竖直热源贴合，内壁上设置有若干规则排列的柱状微结构；射流换热腔的顶部内壁设置有半导体制冷片，半导体制冷片上设置有若干排翅片。

本发明进一步的改进在于，翅片为椭圆形，风的来流方向与椭圆的长轴平行，且沿风来流方向相邻的两排翅片交错布置；

竖直换热面上柱状微结构覆盖的区域不小于竖直热源的换热面；柱状微结构为正方形，正方形的边长为30-60μm，柱间距为30-60μm，柱高为80-100μm；喷射泵水平放置，喷射泵出口与竖直换热面的水平距离为4-6mm。

本发明进一步的改进在于，蒸发器通过第三液体管路与喷射泵相连，蒸汽管路和第三液体管路为氟树脂管或硅胶管，第三液体管路两端均采用焊接-快拧接头进行连接，蒸汽管路与蒸发器通过焊接-快拧接头相连，蒸汽管路与喷射泵通过螺纹-快拧接头相连，冷却器采用退火处理后的软态铜管，冷却器与蒸发器和射流换热腔通过焊接相连。

本发明进一步的改进在于，补偿腔内液体为FC-72、甲醇或乙醇；冷却器采用翅片管式风冷冷却器；

毛细芯通过以下过程制得：将金属粉末填入模具中，铺平并压实，升温至800-1000℃，烧结40-60min，将若干层紫铜丝网平铺于烧结后的金属粉末上，并对紫铜丝网压实，升温至400-500℃，保温80-100min后冷却至室温，形成毛细芯，取出毛细芯。

本发明进一步的改进在于，金属粉末为枝状的不锈钢、镍或者钛，金属粉末的筛分直径为30-60μm，烧结后金属粉末总厚度为3-5mm，紫铜丝网为250-500目，压实后多层紫铜丝网的总厚度为0.3-1mm。

本发明进一步的改进在于，对金属粉末压实时，采用的压力为80-150MPa，对紫铜丝网压实时，采用的压力为0.5-1MPa；烧结和保温均在氩气保护下进行。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明通过设置水平换热面和竖直换热面，实现了对两个相互垂直热源的散热。同时，将射流冲击强化换热技术与环路热管耦合，既实现了对两个相互垂直热源的散热，又保留了射流冲击换热系数高和环路热管可靠性高的优点。射流冲击换热系数和临界热流密度都远高于气体强制对流换热和池沸腾换热，是一种极其有效的传热方法。但是传统的射流冲击换热需要使用含有运动部件的泵驱动工质流动，降低了散热装置可靠性。在本发明利用毛细芯产生的毛细力和不含运动部件的喷射泵驱动工质循环，不含运动部件，保证了装置的可靠性。

进一步的，将柱状微结构与低表面张力的换热工质结合，利用毛细力克服重力和柱间的流动阻力，促进液体铺展，解决了竖直换热面边缘区域局部干涸的问题。由于喷射泵出口为圆形且面积较小，而竖直换热面通常为矩形且面积较大，若射流换热腔的换热面采用光滑表面则仅在冲击区域传热系数较高，而边缘区域会出现干涸，造成温度分布极其不均匀甚至器件的损毁。

进一步的，本发明通过在竖直发热面上加工柱状微结构，且采用FC-72、甲醇或乙醇等润湿性能优异的低表面张力工质，确保其能渗透进入微柱内部。由于微柱距离小，表面张力的作用明显，利用表面张力实现将射流冲击处的液体送至整个发热面，解决了喷射泵出口面积和形状与竖直发热面不匹配的问题，避免了局部干涸。

进一步的，毛细芯为烧结金属粉末-紫铜丝网复合结构，降低了毛细芯和蒸汽槽道间的接触热阻。由于烧结金属粉末与蒸汽槽道均为刚性材料，若两粗糙刚性材料表面直接接触，离散的点接触使两者之间存在较大的接触间隙，进而导致大的接触热阻，使水平热源的热量难以传导至毛细芯进行蒸发换热，热量在热源和蒸发器底板累积，严重影响散热效果。本发明在刚性的烧结金属粉末与蒸汽槽道之间设置多层柔性的紫铜丝网以填充接触间隙，同时刚性的烧结金属粉末可以为紫铜丝网提供支撑。将紫铜丝网与金属粉末烧结，一方面降低了紫铜丝网与金属粉末之间的接触热阻，另一方面由于烧结温度较低，保留了紫铜丝网的柔性。当毛细芯与蒸汽槽道在一定的压力下紧密贴合后，紫铜丝网发生弯曲变形并填充接触间隙，结合紫铜优秀的导热性，接触热阻大大降低。

进一步的，蒸汽喷嘴与液体喷嘴之间的壁面上喷涂低导热系数的特氟龙涂层，以削弱蒸汽喷嘴与液体喷嘴之间的热交换，避免蒸汽在蒸汽喷嘴内凝结而引起的喷射泵运行不稳定等问题。在装配过程中，蒸汽喷嘴通过螺纹与喷射泵和蒸汽管路连接，不仅可以避免焊接时高温对特氟龙涂层的破坏，而且可以通过改变螺纹旋进长度调整液体喷嘴的通流截面积。

附图说明

图1为本发明的一种适用于两垂直热源的平板式环路热管剖视图。

图2为本发明的一种适用于两垂直热源的平板式环路热管俯视图。

图3为本发明的蒸发器剖视图。

图4为本发明的射流换热腔剖视图。

其中：1为蒸发器；1-1为水平换热面；1-2为蒸汽槽道；1-3为集汽槽；1-4为补偿腔；1-5为毛细芯；1-6金属粉末层；1-7紫铜丝网层；2为蒸汽管路；3为喷射泵；3-1为蒸汽喷嘴，3-2为特氟龙涂层；3-3为液体喷嘴；3-4为混合腔；4为射流换热腔；4-1为翅片；4-2为半导体制冷片；4-3为竖直换热面；4-4为柱状微结构，5为第一液体管路；6为冷却器；7为第二液体管路；8为第三液体管路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

参见图1和图2，一种适用于两垂直热源的平板式环路热管，主要包括蒸发器1、喷射泵3、射流换热腔4和冷却器6。蒸发器底面为水平换热面1-1，与水平热源贴合，射流换热腔4的侧面为竖直换热面4-3，与竖直热源贴合。冷却器5采用翅片管式风冷冷却器。其中，蒸发器1的液体出口经第三液体管路8与喷射泵3相连，蒸发器1的气体出口经蒸汽管路2与喷射泵3相连，喷射泵3与射流换热腔4相连，射流换热腔4经第一液体管路5、冷却器6以及第二液体管路7与蒸发器1的液体入口相连。

参见图1，喷射泵3由蒸汽喷嘴3-1、液体喷嘴3-3和混合腔3-4组成。蒸汽喷嘴3-1和液体喷嘴3-3均与混合腔3-4相连通。蒸汽喷嘴3-1与蒸发器1的气体出口相连，液体喷嘴3-3和蒸发器1的液体出口相连。蒸汽喷嘴3-1与液体喷嘴3-3之间的壁面上喷涂有特氟龙涂层3-2，厚度为0.3-0.5mm。蒸汽喷嘴3-1通过螺纹与喷射泵3和蒸汽管路2连接，液体喷嘴3-3通过第三液体管路8与补偿腔1-4连接，混合腔3-4出口与射流换热腔4相连。

参见图1和图3，蒸发器1的水平换热面1-1一侧与水平热源贴合，另一侧加工有蒸汽槽道1-2，蒸汽槽道1-2上方为毛细芯1-5和补偿腔1-4，蒸发器1一侧设置有集汽槽1-3，蒸汽槽道1-2出口与集汽槽1-3相连通。集汽槽1-3通过蒸汽管路2与喷射泵3的蒸汽喷嘴3-1相通。毛细芯1-5包括金属粉末层1-6和紫铜丝网层1-7，金属粉末层1-6的上方为补偿腔1-4，紫铜丝网层1-7位于金属粉末层1-6和蒸汽槽道1-2之间。补偿腔1-4的一端壁面上设置有液体入口，另一端壁面上设置有液体出口；补偿腔1-4的液体入口通过第二液体管路7与冷却器6相连，补偿腔1-4的液体出口通过第三液体管路8与喷射泵的液体喷嘴3-3相连。补偿腔1-4的液体出入口均位于液面以下。

参见图4，射流换热腔4包括翅片4-1，半导体制冷片4-2、竖直换热面4-3和柱状微结构4-4。翅片4-1为椭圆形，风的来流方向与椭圆的长轴平行，且沿风来流方向相邻的两排肋片交错布置。射流换热腔4上壁面内加工方形空腔以放置半导体制冷片4-2，半导体制冷片4-2的冷面靠近射流换热腔4的腔体，半导体制冷片4-2上设置有若干排翅片4-1，半导体制冷片4-2的热面与翅片4-1底部贴合。竖直换热面4-3一侧与竖直热源贴合，另一侧用飞秒激光加工规则排列的柱状微结构4-4，柱状微结构4-4覆盖的区域不小于竖直热源的换热面。柱状微结构4-4的边长为30-60μm，柱间距为30-60μm，柱高为80-100μm。喷射泵3出口与竖直换热面4-3的水平距离为4-6mm。射流换热腔4底部通过第一液体管路5、冷却器6和第二液体管路7与补偿腔1-4相连。

喷射泵3由蒸发器1产生的蒸汽驱动，并抽吸补偿腔1-4内的液体，喷射泵3出口与射流换热腔4相连。喷射泵3水平放置，通过调整集汽槽1-3的高度和蒸汽管路2使喷射泵3出口正对竖直换热面4-3的上半部分。

蒸汽管路2和第三液体管路8为氟树脂管或硅胶管等耐高温非金属软管，以减小装配应力。第三液体管路8两端均采用焊接-快拧接头进行连接，蒸汽管路2与蒸发器1相连的一端采用焊接-快拧接头，而与喷射泵3相连的一端采用螺纹-快拧接头以避免焊接时高温对特氟龙涂层3-2的破坏。冷却器6使用退火处理后的软态铜管，并与蒸发器1和射流换热腔4采用焊接的方法连接。

环路热管内充灌FC-72、甲醇或乙醇等润湿性能优异的低表面张力工质。喷射泵3出口位于射流换热腔4和补偿腔1-4的液面以上，而第一液体管路5、冷却器6和第二液体管路7位于射流换热腔4和补偿腔1-4的液面以下。环路热管启动前，柱状微结构4-4覆盖的区域底部浸入液体工质中且浸入高度不超过2mm。

毛细芯1-5为烧结金属粉末-紫铜丝网复合结构，烧结的金属粉末为枝状的不锈钢、镍或者钛，烧结后金属粉末总厚度为3-5mm，紫铜丝网为250-500目，多层堆叠并压紧后的紫铜丝网总厚度为0.3-1mm。烧结金属粉末-紫铜丝网复合结构的毛细芯通过以下过程制得：在不锈钢模具底板上垫一层石墨纸，防止烧结后毛细芯与模具底板粘结。将筛分直径为30-60μm的金属粉末填入模具中并铺平，在金属粉末顶面平铺一层石墨纸，对金属粉末施加80-150MPa的压力压实后，连模具一起放入烧结炉。升温至800-1000℃，保温40-60min后冷却至室温，完成金属粉末的烧结。打开模具，取出金属粉末顶面的石墨纸，将250-500目的紫铜丝网平铺于烧结后的金属粉末上，并在紫铜丝网上方平铺一层石墨纸，施加0.5-1MPa的压力压实后，连同模具一起放入烧结炉。升温至400-500℃，保温80-100min(优选100min)后冷却至室温，形成毛细芯，取出毛细芯。烧结过程中烧结炉中通入氩气作为保护气，以防止样品发生氧化。

在烧结紫铜丝网的过程中使用较低的温度以维持紫铜丝网的柔性。

紫铜丝网多层堆叠并压紧后总厚度为0.3-1mm。

本发明的工作原理如下：

蒸发器的水平换热面1-1与水平热源贴合，热量传导至紫铜丝网层1-7，一定温度后紫铜丝网层1-7内的液态工质开始蒸发，蒸汽通过蒸汽槽道1-2、集汽槽1-3和蒸汽管路2进入喷射泵3的蒸汽喷嘴3-1，在其内部加速降压，并在蒸汽喷嘴3-1出口形成低压区，抽吸补偿腔1-4内的工质经过第三液体管路8进入喷射泵3。来自蒸汽管路2和液体管路8的工质在混合腔3-4内混合后以较快的速度进入射流换热腔4，并垂直喷射到竖直换热面4-3的上半部分。

由于喷射泵3的抽吸特性，喷射到竖直换热面4-3的工质质量流量远大于蒸发器1气体出口的质量流量。因此，仅小部分液态工质用于射流冲击区域的蒸发/沸腾换热，绝大部分工质在重力作用下沿着竖直换热面4-3向下方流动，同时在柱状微结构4-4产生的毛细力作用下向竖直换热面4-3边缘区域流动，将射流冲击区域的液态工质送至整个竖直换热面4-3进行蒸发/沸腾换热，以实现对竖直热源均匀高效的冷却。竖直换热面4-3上受热汽化的工质一部分被液态工质携带着向下流动至冷却器6，另一部分汽化的工质逸出液体并向上运动，到达被半导体制冷片4-2冷却的上壁面后凝结成液滴，并在重力作用下进入冷却器6，从而维持射流换热腔4内部压力稳定。经冷却器6冷却后的液态工质流回补偿腔1-4，一部分在毛细芯1-5的毛细力下到达紫铜丝网层1-7进行蒸发换热，另一部分在喷射泵3的抽吸作用下达到射流换热腔4进行蒸发/沸腾换热，从而实现对两垂直热源的高效散热。

本发明中喷射泵3由蒸发器1产生的蒸汽驱动，抽吸补偿腔1-4内的液体并垂直喷射到竖直换热面4-3上。竖直换热面4-3加工规则排列的柱状微结构4-4，利用表面张力将射流冲击处的液体送至整个换热面。射流换热腔4内放置半导体制冷片4-2，将汽化的工质凝结成液滴并在重力作用下进入冷却器6，从而维持射流换热腔4内压力稳定。