本實(shí)用新型屬于電子元器件冷卻散熱領(lǐng)域，涉及一種熱管散熱裝置，特別涉及一種帶沸騰池的一體式環(huán)路熱管散熱裝置。

背景技術(shù)：

隨著MEMS(Micro-Electro-Mechanical-Systems)技術(shù)的發(fā)展，電子器件規(guī)模化、集成化程度越來越高，其發(fā)熱量也急劇增大，如何高效地將這部分熱量散出成為制約電子器件發(fā)展的重大問題。傳統(tǒng)的風(fēng)冷、水冷等方式已經(jīng)不能滿足這一高熱流密度下的散熱需求。

相變傳熱技術(shù)成為這一研究的主要方向，其利用了液態(tài)工質(zhì)的汽化潛熱，傳熱系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單相傳熱技術(shù)。尤其是將電子器件直接浸沒在不導(dǎo)電液體中，利用池沸騰裝置進(jìn)行沸騰換熱。為了強(qiáng)化沸騰換熱效果，在電子器件表面加工了各種微結(jié)構(gòu)，如中國專利第200810236502.9便設(shè)計(jì)了一種柱狀微結(jié)構(gòu)并提出加工方法，顯著提高了臨界熱流密度。但是，這種加工有表面微結(jié)構(gòu)的池沸騰裝置仍存在若干缺點(diǎn)：

1、電子器件在靜止環(huán)境中進(jìn)行換熱，能夠達(dá)到的熱流密度較低，須在較大過冷度下才能達(dá)到較高臨界熱流密度；

2、系統(tǒng)沒有動力來源，芯片熱量擴(kuò)散至環(huán)境液體后無法有效導(dǎo)出，導(dǎo)致控制液體溫度困難；

3、需要通過在池中布置冷卻水管路并連接冷水機(jī)來控制液體溫度，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。

由此可見，上述池沸騰裝置存在諸多不足，仍有待進(jìn)一步改進(jìn)。

環(huán)路熱管是一種高效的兩相換熱技術(shù)，其利用內(nèi)部布置的毛細(xì)芯產(chǎn)生的毛細(xì)力作為動力驅(qū)動系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)，具有傳熱系數(shù)大、傳輸距離遠(yuǎn)、布置靈活、結(jié)構(gòu)簡單等顯著優(yōu)點(diǎn)，在電子器件高效散熱、空間冷卻等領(lǐng)域有著巨大的研究發(fā)展和應(yīng)用前景。

早期的環(huán)路熱管結(jié)構(gòu)呈圓柱形，不利于與電子器件等平板型結(jié)構(gòu)的配合使用，因此發(fā)展出一類平板式環(huán)路熱管，與被散熱物體貼合緊密，熱阻小，效率高，在一些場合已經(jīng)得到了實(shí)際應(yīng)用。

但平板式環(huán)路熱管也存在一定問題，主要表現(xiàn)在傳熱系數(shù)較小、背向漏熱嚴(yán)重、溫度波動大、運(yùn)行穩(wěn)定性較低等，此外其結(jié)構(gòu)不夠簡單緊湊，限制了在小空間內(nèi)的應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于解決現(xiàn)有環(huán)路熱管散熱器換熱系數(shù)小、運(yùn)行穩(wěn)定性低、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題，提出一種帶沸騰池的一體式環(huán)路熱管散熱裝置，該裝置換熱系數(shù)大、結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行穩(wěn)定，能夠進(jìn)行高熱流密度下的電子器件高效散熱。

為了達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型采取的技術(shù)方案為：

一種帶沸騰池的一體化環(huán)路熱管散熱裝置，包括蒸發(fā)器、沸騰池和冷凝器，蒸發(fā)器包括補(bǔ)償室，補(bǔ)償室下方設(shè)置有用于提供動力的毛細(xì)芯，毛細(xì)芯下方設(shè)置有蒸汽槽道，補(bǔ)償室與沸騰池之間有與蒸汽槽道相連通的集氣槽，集氣槽與沸騰池相連通；補(bǔ)償室與冷凝器的出口相連通，沸騰池與冷凝器的入口相連通。

所述補(bǔ)償室橫截面為矩形。

所述蒸汽槽道水平設(shè)置，集氣槽豎直設(shè)置。

所述補(bǔ)償室的側(cè)壁上還開設(shè)有液體管路接口，液體管路接口與液體管路相連通，液體管路與冷凝器的出口相連通。

所述毛細(xì)芯采用雙層不銹鋼絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)，上層為300目，下層為500目。

所述沸騰池為方柱型空腔，沸騰池底部設(shè)置有用于強(qiáng)化沸騰換熱的柱狀微結(jié)構(gòu)。

所述沸騰池的側(cè)壁上開設(shè)有蒸汽管路接口，蒸汽管路接口與蒸汽管路相連通，蒸汽管路與冷凝器的入口相連通。

所述蒸發(fā)器和沸騰池的上部設(shè)置有頂板，下部設(shè)置有底板，頂板和底板通過螺栓連接，并使用O型密封圈進(jìn)行密封。

所述沸騰池側(cè)壁上設(shè)置有與集氣槽相連通的連接孔洞，補(bǔ)償室底部產(chǎn)生的蒸汽進(jìn)入集氣槽，再通過連接孔洞進(jìn)入沸騰池；蒸發(fā)器和沸騰池之間通過擋板隔開，連接孔洞設(shè)置在擋板上。

所述蒸發(fā)器和沸騰池底部設(shè)有用于安裝模擬熱源的模擬熱源滑軌，模擬熱源滑軌外側(cè)設(shè)置有刻度尺。

所述冷凝器包括管路和用于提供強(qiáng)制空氣對流的風(fēng)扇，管路的入口與蒸汽管路相連通，管路的出口與液體管路相連通，管路上設(shè)置兩段翅片管，風(fēng)扇設(shè)置在翅片管上方；管路中段通過三通連接有用于抽真空和充注工質(zhì)液體的充注液閥門，充注液閥門還連接有充注液管；冷凝器入口、出口處設(shè)置有變徑接頭。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有如下有益效果：本實(shí)用新型通過設(shè)置沸騰池以及補(bǔ)償室，當(dāng)對電子元件降溫時(shí)，將電子元件與蒸發(fā)器、沸騰池底面相貼合，從沸騰池出來的過熱蒸汽進(jìn)入冷凝器中，經(jīng)過冷凝后回流到補(bǔ)償室中，完成工作循環(huán)，同時(shí)達(dá)到對電子元件持續(xù)散熱的目的。本實(shí)用新型中由于將提供動力的蒸發(fā)器和主要散熱部件沸騰池一體化設(shè)計(jì)，整體尺寸較小，結(jié)構(gòu)緊湊，適應(yīng)于空間狹小的電子器件散熱場景使用，蒸發(fā)器和沸騰池緊湊的一體化設(shè)計(jì)，使得系統(tǒng)只需要被散熱器件一個熱源，無需外加熱源或動力裝置，節(jié)省能源；減少連接管路，使結(jié)構(gòu)更為簡單；本實(shí)用新型結(jié)合沸騰換熱技術(shù)與環(huán)路熱管技術(shù)二者的優(yōu)點(diǎn)，利用前者傳熱系數(shù)大、效率高的特點(diǎn)，并由后者提供動力，保障系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。本實(shí)用新型充分結(jié)合了環(huán)路熱管結(jié)構(gòu)簡單、傳輸距離遠(yuǎn)，以毛細(xì)芯為系統(tǒng)提供動力和帶柱狀微結(jié)構(gòu)的沸騰池傳熱效率高、溫度波動小、占用空間小的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對電子器件的持續(xù)高效散熱。

進(jìn)一步的，本實(shí)用新型中由于沸騰池底部表面添加了柱狀微結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)化沸騰換熱，增 加了氣化核心數(shù)，提高臨界熱流密度，同時(shí)防止初始時(shí)溫度過高，使電子器件能在較低功率下啟動。柱狀微結(jié)構(gòu)還具有熱毛細(xì)對流作用，可以保證穩(wěn)定的核態(tài)沸騰狀態(tài)，使得溫度波動較小，穩(wěn)定性強(qiáng)，且?guī)缀醪浑S熱流密度的增加而變化。

進(jìn)一步的，蒸發(fā)器和沸騰池的上部設(shè)置有頂板，下部設(shè)置有底板，頂板和底板通過螺栓連接，并使用O型密封圈進(jìn)行密封；使得結(jié)構(gòu)緊湊，便于拆卸。由于采用O型密封圈進(jìn)行密封，使得裝置密封性強(qiáng)，并且注入液體工質(zhì)前先進(jìn)行抽真空操作，方便液體注入，同時(shí)相對其他熱管裝置，工質(zhì)沸點(diǎn)被降低，更容易沸騰，使得整體溫度降低。

進(jìn)一步的，由于設(shè)置了模擬熱源滑動導(dǎo)軌，在啟動時(shí)可以先對蒸發(fā)器部分進(jìn)行預(yù)熱，之后通過滑動模擬熱源對整個散熱裝置進(jìn)行加熱，滿足了系統(tǒng)啟動特性的要求；模擬熱源滑軌外側(cè)布置的刻度尺，可以更加方便而精確地控制模擬熱源位置，以根據(jù)加熱功率靈活控制蒸發(fā)器和沸騰池的受熱量。

進(jìn)一步的，冷凝器布置靈活，可以將熱量傳到遠(yuǎn)距離外進(jìn)行散熱，擴(kuò)大散熱面積；

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型的散熱器主體剖視圖。

圖2為本實(shí)用新型的散熱器主體底板結(jié)構(gòu)圖。

圖3為本實(shí)用新型總體結(jié)構(gòu)圖。

其中：1為模擬熱源滑軌，2為底板，3為蒸汽槽道，4為集氣槽，5為柱狀微結(jié)構(gòu)，6為O型密封圈，7為蒸汽管路接口，8為沸騰池，9為擋板，10為連接孔洞，11為頂板，12為毛細(xì)芯，13為補(bǔ)償室，14為液體管路接口，15為螺栓，16為蒸汽管路，17為變徑接頭，18為三通，19為充注液管，20為充注液閥門，21為冷凝器，22為液體管路。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說明。

參照圖1和圖2，本實(shí)用新型帶沸騰池的一體化環(huán)路熱管散熱裝置包括蒸發(fā)器、沸騰池8和冷凝器21，蒸發(fā)器包括毛細(xì)芯12、蒸汽槽道13以及補(bǔ)償室13，補(bǔ)償室13下方設(shè)置有用于提供動力的毛細(xì)芯12，毛細(xì)芯12下方設(shè)置有蒸汽槽道3，補(bǔ)償室13橫截面一般為矩形，補(bǔ)償室13與沸騰池8之間有與蒸汽槽道3相連通的集氣槽4，蒸汽槽道3水平設(shè)置，集氣槽4豎直設(shè)置。沸騰池8側(cè)壁上設(shè)置有與集氣槽4相連通的連接孔洞10，蒸汽槽道3底部產(chǎn)生的蒸汽進(jìn)入集氣槽4，通過連接孔洞10進(jìn)入沸騰池8；補(bǔ)償室13的側(cè)壁上還開設(shè)有液體管路接口14，液體管路接口14與液體管路22相連通。液體管路22與冷凝器21的出口相連通。

本實(shí)用新型中采用的工質(zhì)為甲醇，毛細(xì)芯12采用雙層不銹鋼絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)，上層為300目，下層為500目。在毛細(xì)芯12上布置了一層(孔隙很大、相對較厚、剛度較大的)粗網(wǎng)隔板，用于提高剛度，支撐絲網(wǎng)毛細(xì)芯結(jié)構(gòu)，即由于本實(shí)用新型中設(shè)置底板2和頂板11，底板2和頂板11形成補(bǔ)償室13和沸騰池8，補(bǔ)償室13下方為毛細(xì)芯12，粗網(wǎng)隔板和蒸汽槽道13將毛細(xì)芯12進(jìn)行固定。

沸騰池8為方柱型空腔，底面為矩形，沸騰池8底部設(shè)置有用于強(qiáng)化沸騰換熱的柱狀微結(jié)構(gòu)5，增加汽化核心數(shù)，沸騰池8的側(cè)壁上開設(shè)有蒸汽管路接口7，蒸汽管路接口7與蒸汽管路16相連通。蒸汽管路16與冷凝器21的入口相連通。

從沸騰池8出來的蒸汽通過蒸汽管路16進(jìn)入冷凝器21，經(jīng)過冷凝后回流到補(bǔ)償室13中，完成工作循環(huán)。

為了對電子元件散熱，蒸發(fā)器和沸騰池底部設(shè)有用于安裝模擬熱源的模擬熱源滑軌1，模擬熱源在模擬熱源滑軌1上能夠進(jìn)行前后滑動。模擬熱源滑軌1外側(cè)設(shè)置有刻度尺，方便控制模擬熱源位移量，控制加熱量分配比例。模擬熱源導(dǎo)軌1貫穿整個蒸發(fā)器和沸騰池8的底部(即底板底部設(shè)有模擬熱源導(dǎo)軌)，用于模擬熱源在蒸發(fā)器和沸騰池8下滑動，對兩部分加熱。本實(shí)用新型中模擬熱源包括加熱棒和紫銅塊，加熱棒內(nèi)嵌到紫銅塊中。根據(jù)需要進(jìn)行 滑動以分別控制蒸發(fā)器和沸騰池的受熱量。

為了拆裝方便，蒸發(fā)器和沸騰池的上部設(shè)置有頂板11，下部設(shè)置有底板2，頂板11和底板2通過螺栓15連接，并使用O型密封圈6進(jìn)行嚴(yán)格密封。本實(shí)用新型中補(bǔ)償室13和沸騰池8之間通過薄金屬擋板9隔開，連接孔洞10設(shè)置在擋板9上。

參照圖3，冷凝器21包括風(fēng)扇和管路，管路的入口與蒸汽管路相連通，管路的出口與液體管路相連通，管路上設(shè)置兩段翅片管，風(fēng)扇設(shè)置在翅片管上方，用于提供強(qiáng)制空氣對流。管路中段通過三通18連接了充注液閥門20，用于抽真空和工質(zhì)液體充注，充注液閥門20還連接有充注液管19。本實(shí)用新型中冷凝器入口、出口處設(shè)置有變徑接頭17。

沸騰池側(cè)壁至蒸發(fā)器側(cè)壁之間裝有冷凝器，采用外加翅片的強(qiáng)制空氣對流方式，并在上方伴有風(fēng)扇，條件和環(huán)境允許時(shí)，也可以采用水冷方式。

散熱器裝置主體(底板2和頂板22)、連接管道部分(蒸汽管路16和液體管路22)采用銅制材料，外加翅片的冷凝器考慮到加工的難度與可行性，采用304不銹鋼材質(zhì)，環(huán)路管徑如果由于加工工藝或材料限制出現(xiàn)不同管徑時(shí)，采用焊接式變徑接頭連接；

工作介質(zhì)可以選用對裝置無腐蝕、沸點(diǎn)較低的液體，如甲醇、乙醇、FC-72等。

本實(shí)用新型的工作原理可以概括為：散熱器底面(即蒸發(fā)器和沸騰池底面，其中主要是沸騰池部分在散熱，蒸發(fā)器提供動力)與一額外發(fā)熱器模擬熱源面緊密貼合，熱量通過銅質(zhì)外壁傳導(dǎo)至蒸汽槽道，蒸汽槽道內(nèi)的液態(tài)工質(zhì)受熱汽化，在毛細(xì)芯下表面形成很多曲率半徑較小的彎月面，產(chǎn)生毛細(xì)力。產(chǎn)生的蒸汽進(jìn)入集氣槽，通過連接孔洞后進(jìn)入沸騰池。模擬熱源熱量傳導(dǎo)至沸騰池底部柱狀微結(jié)構(gòu)表面，進(jìn)入沸騰池的液態(tài)工質(zhì)受熱氣化，氣態(tài)工質(zhì)被加熱到過熱狀態(tài)。過熱蒸汽通過壁面的蒸汽管路接口7進(jìn)入蒸汽管路16流入冷凝器21，在其中放出熱量，被冷卻至液態(tài)后經(jīng)管路回流到補(bǔ)償室13中。

在本實(shí)用新型工作過程中，形成了蒸發(fā)—蒸發(fā)/過熱—冷凝的閉合循環(huán)。其中蒸發(fā)過程利 用了毛細(xì)芯產(chǎn)生的毛細(xì)力為系統(tǒng)提供動力，沸騰池內(nèi)發(fā)生的蒸發(fā)/過熱過程利用了柱狀微結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化換熱性能，實(shí)現(xiàn)對電子器件高效散熱。

在系統(tǒng)運(yùn)行前需通過充注液閥門19進(jìn)行抽真空操作，使內(nèi)部產(chǎn)生負(fù)壓，方便工質(zhì)注入，并降低工質(zhì)沸點(diǎn)，使系統(tǒng)能在更低溫度下運(yùn)行。

本實(shí)用新型主體分為蒸發(fā)器和沸騰池兩部，蒸發(fā)器底板加工有蒸汽槽道，上方布置毛細(xì)芯，為系統(tǒng)提供動力，毛細(xì)芯上方為補(bǔ)償室。蒸發(fā)器通過連接孔洞與沸騰池相連，沸騰池底加工有柱狀微結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)化換熱。沸騰池外管路經(jīng)過冷凝器與補(bǔ)償室相連，過熱蒸汽冷凝為液態(tài)后回流到補(bǔ)償室。系統(tǒng)中工質(zhì)經(jīng)過蒸發(fā)—蒸發(fā)/過熱—冷凝過程，構(gòu)成工作循環(huán)，實(shí)現(xiàn)對電子器件的持續(xù)散熱。本實(shí)用新型充分結(jié)合了環(huán)路熱管結(jié)構(gòu)簡單、傳輸距離遠(yuǎn)，以毛細(xì)芯為系統(tǒng)提供動力和帶柱狀微結(jié)構(gòu)的沸騰池傳熱效率高、溫度波動小、占用空間小的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對電子器件的持續(xù)高效散熱。