本發(fā)明涉及一種帶多孔內(nèi)肋片的相變散熱系統(tǒng)，屬于散熱領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

電子元器件的散熱問題已成為當(dāng)前電子元器件和電子設(shè)備制造的關(guān)鍵困難。近些年來，電子技術(shù)的快速發(fā)展。電子器件的高頻、高速以及集成電路的密集和小型化，使得單位容積電子器件的總功率密度和發(fā)熱量大幅度地增長，從而使電子器件的冷卻問題變得越來越突出。如:大型計(jì)算機(jī)的芯片熱流量已達(dá)到了60W/cm²，到2000年已經(jīng)超過了100W/cm²，目前最高已達(dá)到200W/cm²。特別是由于MEMS(Micro Electro-Mechanical System)技術(shù)突飛猛進(jìn)，使得電子元器件的尺寸越來越小，已經(jīng)從微米量級(jí)進(jìn)入到了亞微米量級(jí)。對(duì)于熱流密度較高的應(yīng)用場合，比如筆記本電腦等，熱管冷卻方式得以廣泛的應(yīng)用。熱管的研究在過去三十年取得極大的進(jìn)展，2007年左右，中科院的唐大偉、趙耀華等提出了微槽群相變冷卻系統(tǒng)，并成功應(yīng)用于激光冷卻、LED散熱等領(lǐng)域，并提出了相關(guān)專利如下：

中國專利號(hào)[200510098733.4]，公開(公告)日2007.03.14,胡學(xué)功和趙耀華提出了微槽群相變換熱系統(tǒng)，這實(shí)際上是一種分離式熱管，主要是靠近熱源的蒸發(fā)面上開設(shè)平行的微槽群，利用微槽產(chǎn)生的毛細(xì)力將液態(tài)工質(zhì)抽吸至受熱區(qū)域，通過薄液膜蒸發(fā)效應(yīng)，達(dá)到高強(qiáng)度散熱冷卻的效能；然后通過自然對(duì)流冷凝器散熱至大氣環(huán)境中。

中國專利號(hào)[200810057185.4]，公開(公告)日2009.08.05,胡學(xué)功和肖送連等提出了帶內(nèi)肋片的微槽群相變換熱系統(tǒng)，主要是在專利[200510098733.4]基礎(chǔ)上，對(duì)靠近熱源的蒸發(fā)面布設(shè)內(nèi)肋片，并在每個(gè)內(nèi)肋片上加工平行的微槽群，這樣就增加了薄液膜蒸發(fā)面積，進(jìn)一步提高了蒸發(fā)器的冷卻性能。

從上述已有的專利看，主要存在的不足如下：在銅材上加工平行的微槽群，為保證加工精度，主要采用線切割或CNC雕刻機(jī)，加工成本不菲。而且通過設(shè)置帶微槽的內(nèi)肋片方法提高薄液膜蒸發(fā)面積，這種方式對(duì)換熱面積的提高畢竟還是有限的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提出一種帶多孔內(nèi)肋片的相變散熱系統(tǒng)，通過將吸熱和散熱分布在不同區(qū)域，可以大大的減小裝置的空間要求，利用帶多空肋片進(jìn)行蒸發(fā)吸熱，吸熱效果好，從而散熱效果好。

技術(shù)方案：為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的帶多孔內(nèi)肋片的相變散熱系統(tǒng)，包括蒸發(fā)器、自然對(duì)流式冷凝器、蒸汽管路和回流管路，所述蒸發(fā)器設(shè)有長方體的真空腔體，真空腔體內(nèi)設(shè)有易蒸發(fā)的液體工質(zhì)，蒸發(fā)器的一面為受熱面，受熱面的外側(cè)與發(fā)熱體連接，受熱面的內(nèi)側(cè)與若干個(gè)蒸發(fā)肋片連接，蒸發(fā)肋片為長方形狀的片狀結(jié)構(gòu)，在蒸發(fā)肋片的兩側(cè)均設(shè)有泡沫金屬銅；所述自然對(duì)流式冷凝器設(shè)有密封腔體，密封腔體由導(dǎo)熱好的金屬制成，在密封腔體的兩側(cè)均設(shè)有用于散熱的肋片群；所述蒸發(fā)器的頂部通過蒸汽管路與自然對(duì)流式冷凝器的頂部連通，自然對(duì)流式冷凝器的底部通過回流管路與蒸發(fā)器的底部連通，在回流管路上設(shè)有抽真空充注接口；蒸發(fā)器通過蒸發(fā)肋片將液體工質(zhì)蒸發(fā)吸熱變成蒸汽，蒸汽通過蒸汽管路將蒸汽送入到自然對(duì)流式冷凝器中，通過蒸汽變成冷凝水放熱，將熱量通過肋片群散發(fā)到空氣中。

作為優(yōu)選，所述泡沫金屬銅的孔隙率范圍為60％-90％，孔密度范圍取60PPI-200PPI。

作為優(yōu)選，所述蒸汽管路由銅管或其他與工質(zhì)相容的金屬管制成，管徑為6-10mm；所述回流管路也由銅管或其他與工質(zhì)相容的金屬管制成。

作為優(yōu)選，所述回流管路的管徑較蒸汽管路的管徑大。

作為優(yōu)選，所述液體工質(zhì)為除氣的去離子水、乙醇或氟里昂，蒸發(fā)器內(nèi)液體工質(zhì)的高度低于發(fā)熱體的下邊沿，高于蒸發(fā)肋片的下邊沿。

在本發(fā)明中，所述蒸發(fā)器為長方體結(jié)構(gòu)，材料選用紫銅?？蓪⑽鍓K紫銅板與帶多孔內(nèi)肋片群的紫銅板拼接成長方體，同樣在真空釬焊爐內(nèi)焊接成形，所選焊料的融化溫度低于前述銅粉燒結(jié)溫度，所述蒸發(fā)器的右外表面為受熱面，與發(fā)熱體連接。所述冷凝器，在薄紫銅板焊接而成的腔體外焊接翅片，采用自然對(duì)流散熱方式，將冷凝換熱釋放的熱量散失到外界自然環(huán)境中。也可采用強(qiáng)迫風(fēng)冷方式，較為簡易的方法可采用管翅式或板翅式散熱器；如采用水冷方式，可選用板式換熱器，蒸汽工質(zhì)與外界冷卻水換熱，變?yōu)橐簯B(tài)工質(zhì)。

在本發(fā)明中，所述蒸發(fā)器在靠近發(fā)熱面的一側(cè)焊接有多孔內(nèi)肋片群，利用多孔內(nèi)肋片微孔隙產(chǎn)生的毛細(xì)力，將蒸發(fā)器底部液體工質(zhì)抽吸到熱源附近的多孔區(qū)，液態(tài)工質(zhì)受熱沸騰蒸發(fā)變成蒸汽，蒸汽通過蒸汽管路進(jìn)入到風(fēng)冷或水冷冷凝器中，在其中蒸汽冷凝放熱后重新變?yōu)橐簯B(tài)工質(zhì)，熱量則散到周圍大氣環(huán)境(風(fēng)冷)或被冷卻水帶走。而冷凝器內(nèi)的液態(tài)工質(zhì)則在重力位差的作用下通過回流管路重新回到蒸發(fā)器中，循環(huán)進(jìn)行。該相變散熱系統(tǒng)具有散熱性能高、布置靈活等優(yōu)點(diǎn)。

有益效果：本發(fā)明的帶多孔內(nèi)肋片的相變散熱系統(tǒng)，將多孔內(nèi)肋片群直接貼合于熱源附近的蒸發(fā)器壁面上，系統(tǒng)工作時(shí)，利用多孔材料微孔隙產(chǎn)生的毛細(xì)力，將蒸發(fā)器底部的液態(tài)工質(zhì)源源不斷抽吸至熱源區(qū)附近，工質(zhì)受熱后通過薄液膜沸騰過程變?yōu)檎羝缓笤诶淠髦袑崃酷尫胖林車h(huán)境中。根據(jù)近年來國內(nèi)外的研究，微尺度系統(tǒng)往往具有超常的強(qiáng)化傳熱行為，當(dāng)供液液面低于多孔材料厚度時(shí)，發(fā)生在多孔孔隙內(nèi)的沸騰模式，不再是池沸騰機(jī)制，而是薄液膜沸騰機(jī)制，微米數(shù)量級(jí)厚度的薄液膜沸騰，較通常的池內(nèi)沸騰傳熱系數(shù)高出一個(gè)數(shù)量級(jí)，這是一種超常的微尺度沸騰現(xiàn)象。相比于傳統(tǒng)的微槽群結(jié)構(gòu)，本發(fā)明應(yīng)用多孔泡沫銅作為薄液膜沸騰的載體，不僅可提供更大的毛細(xì)動(dòng)力(通過孔徑的調(diào)整)，而且極大提高了受熱區(qū)的換熱面積。另外，系統(tǒng)制作成本較低。從而在性價(jià)比方面優(yōu)于傳統(tǒng)的微槽群相變散熱系統(tǒng)。系統(tǒng)通過本地冷卻元件(蒸發(fā)器)、熱量及流體輸運(yùn)管路、遠(yuǎn)程散熱元件(冷凝器)三者的組合，可以將狹窄空間里尺寸微小的功率器件所產(chǎn)生的發(fā)熱量及時(shí)地釋放到外部環(huán)境中去，從而可以大幅度地節(jié)省電子電氣設(shè)備系統(tǒng)的功能空間，實(shí)現(xiàn)整個(gè)散熱系統(tǒng)的遠(yuǎn)程的、靜音的、無功耗的、高強(qiáng)度的散熱冷卻目的。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)示意圖。

圖2是泡沫銅肋片的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明蒸發(fā)器中的泡沫銅肋片石墨模具設(shè)計(jì)示意圖。

圖4是自然對(duì)流式冷凝器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5是本發(fā)明蒸發(fā)器的示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。

如圖1至圖5所示，本發(fā)明的帶多孔內(nèi)肋片的相變散熱系統(tǒng)，包括蒸發(fā)器9、自然對(duì)流式冷凝器4、蒸汽管路11和回流管路6，所述蒸發(fā)器9設(shè)有長方體的真空腔體，真空腔體設(shè)有蒸汽出口3和液體回流口8，真空腔體內(nèi)設(shè)有易蒸發(fā)的液體工質(zhì)，液體工質(zhì)優(yōu)選為無水乙醇或蒸餾水，具有較高的汽化潛熱，蒸發(fā)器9的一面為受熱面，受熱面的外側(cè)與發(fā)熱體1連接，發(fā)熱體1優(yōu)選鎳鉻片電加熱材料制成，發(fā)熱體1外表面通過導(dǎo)熱硅膠(硅脂)與受熱面緊貼在一起，受熱面的內(nèi)側(cè)與若干個(gè)蒸發(fā)肋片2連接，蒸發(fā)肋片2為長方形狀的片狀結(jié)構(gòu)，蒸發(fā)肋片2的高度和寬度均在1-100mm之間，厚度在0.4-30mm之間，蒸發(fā)肋片2的間距為0.5---30mm之間，在蒸發(fā)肋片2的兩側(cè)均設(shè)有泡沫金屬銅；所述自然對(duì)流式冷凝器4設(shè)有密封腔體，密封腔體設(shè)有蒸汽入口7和液體出口5，密封腔體由導(dǎo)熱好的金屬制成，例如金屬鋁或銅，在密封腔體的兩側(cè)均設(shè)有用于散熱的肋片群10，蒸汽管路11與蒸汽入口7和蒸汽出口3連接，回流管路6與液體出口5和液體回流口8連接；所述蒸發(fā)器9的頂部通過蒸汽管路11與自然對(duì)流式冷凝器4的頂部連通，自然對(duì)流式冷凝器4的底部通過回流管路與蒸發(fā)器9的底部連通；蒸發(fā)器9通過蒸發(fā)肋片2將液體工質(zhì)蒸發(fā)吸熱變成蒸汽，蒸汽通過蒸汽管路11將蒸汽送入到自然對(duì)流式冷凝器4中，通過蒸汽變成冷凝水放熱，將熱量通過肋片群10散發(fā)到空氣中。

在本發(fā)明中，所述泡沫金屬銅的孔隙率范圍為60％-90％，孔密度范圍取60PPI-200PPI。所述蒸汽管路11由銅管或其他與工質(zhì)相容的金屬管制成，管徑為6-10mm；所述回流管路6也由銅管或其他與工質(zhì)相容的金屬管制成，所述回流管路6的管徑較蒸汽管路11的管徑大。所述液體工質(zhì)為除氣的去離子水、乙醇或氟里昂，蒸發(fā)器9內(nèi)液體工質(zhì)的高度低于發(fā)熱體1的下邊沿，高于蒸發(fā)肋片的下邊沿。

一種上述的帶多孔內(nèi)肋片的相變散熱系統(tǒng)的制備方法，包括以下步驟：

(1)多孔肋片2群燒結(jié)工序：采用設(shè)計(jì)加工的石墨模具，將銅粉填入紫銅板下方，在燒結(jié)爐內(nèi)燒結(jié)后一體化成形，燒結(jié)溫度為950度左右，燒結(jié)過程采用氫氣還原處理，如圖3所示；

(2)清洗工序：對(duì)蒸發(fā)器9板材、冷凝器4板材以及相關(guān)管路進(jìn)行清洗，首先采用乙醇或三氯乙烯在超聲波清洗裝置中除油，然后用清水進(jìn)行沖洗，然后采用一定濃度一定溫度的堿液在超聲波清洗裝中除去氧化層，堿液處理后立即采用60～80℃的熱水進(jìn)行漂洗；

(3)蒸發(fā)器9和冷凝器4焊接工序：采用采用高溫真空釬焊方法，選擇融化溫度700～800℃的銀銅焊片，其融化溫度低于多孔肋片2群的燒結(jié)溫度，將蒸發(fā)器9和冷凝器4焊接成形；

(4)蒸汽管路11、回流管路6和充注管焊接工序：采用高頻感應(yīng)焊機(jī)或高溫真空釬焊方法，選擇融化溫度600～700℃的銀銅焊片，將蒸汽管路11、回流管路6、充注管與蒸發(fā)器9、冷凝器4相接合，充注管路可置于蒸汽管路11或回流管路6上，如圖1所示；

(5)工質(zhì)制備工序：先加熱后冷凝的方法對(duì)水進(jìn)行脫氣處理，然后去離子純凈處理；

(6)充注工質(zhì)抽真空工序：采用擴(kuò)散泵抽取所需的真空度，當(dāng)真空度達(dá)到10^-3～10^-2Pa時(shí)，進(jìn)行工質(zhì)充注，工質(zhì)的充注量應(yīng)保證蒸發(fā)器9液面在熱源區(qū)的下方；

(7)封尾工序：當(dāng)蒸發(fā)器9真空度達(dá)到要求時(shí)，立即采用高頻感應(yīng)焊機(jī)對(duì)充注管封焊，完成蒸發(fā)器9的制作流程；

(8)真空檢漏工序：采用氦質(zhì)譜檢漏儀對(duì)整個(gè)裝置進(jìn)行高真孔檢漏。

本發(fā)明在使用時(shí)，該自然對(duì)流式冷凝器4豎直放置在電子電氣的機(jī)箱或機(jī)柜的外部，或者鑲嵌在機(jī)箱或機(jī)柜壁面中。蒸汽主要在自然對(duì)流式冷凝器4的長方形密封腔體內(nèi)上壁面凝結(jié)放熱，在表面張力的作用下，凝結(jié)液則沿著壁面自上而下的流至自然對(duì)流式冷凝器4底部，自然對(duì)流式冷凝器4的底部布置有用以迅速收集凝結(jié)液的斜坡面，可以利用重力的作用迅速匯集凝結(jié)液。蒸汽凝結(jié)所釋放的熱量由自然對(duì)流式冷凝器4內(nèi)壁傳導(dǎo)到自然對(duì)流式冷凝器4外壁的肋片群10上，通過空氣的自然對(duì)流換熱最終散失到外界環(huán)境中去。通過將蒸發(fā)吸熱和冷凝散熱分布在不同的區(qū)域，在狹小的電子元器件散熱區(qū)域，只有蒸發(fā)器9蒸發(fā)吸熱，變成蒸汽，帶走大量的熱量，在外部環(huán)境中通過肋片群10進(jìn)行自熱對(duì)流散熱，散熱效果好，這樣，即實(shí)現(xiàn)在狹小空間內(nèi)降溫的目的，又達(dá)到了在另一個(gè)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)很好散熱的目的，實(shí)現(xiàn)整個(gè)散熱系統(tǒng)遠(yuǎn)程的、靜音的、無功耗的、高強(qiáng)度的散熱冷卻目的。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。