翅片內置多通道熱管的一體化相變散熱裝置製造方法
2023-07-26 13:06:31 3
翅片內置多通道熱管的一體化相變散熱裝置製造方法
【專利摘要】本實用新型屬於利用相變散熱的【技術領域】，特別涉及一種翅片內置多通道熱管的一體化相變散熱裝置。在散熱主體的各散熱翅片內部構造了若干條通道，在各個通道內分別設置毛細吸液芯；散熱主體安裝在蓋板上，並在散熱主體與蓋板之間設置多孔材料層或機刻微槽道；所述毛細吸液芯的底端與多孔材料層或機刻微槽道連通；作為冷凝段的散熱翅片、翅片中的通道和毛細吸液芯以及作為蒸發段的多孔材料層或機刻微槽道共同組成了熱管。當蓋板受熱時，液體汽化吸熱，產生的蒸汽在眾多通道內自由分配，並在通道內冷凝放熱。該裝置不僅擴大了蒸汽冷凝面積，實現了整個散熱翅片的均溫化，而且消除了熱管和散熱翅片間的接觸熱阻，使散熱裝置具有較高的散熱效率。
【專利說明】翅片內置多通道熱管的一體化相變散熱裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型屬於利用相變散熱的【技術領域】，特別涉及一種翅片內置多通道熱管的一體化相變散熱裝置，實現散熱翅片和眾多熱管的一體化設計。
【背景技術】
[0002]隨著科學技術的發展，大功率雷射器、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/微電子晶片(簡稱「光電晶片」)及其應用系統的微型化和高度集成化，單位容積內的發熱量急劇增大，導致電子設備局部溫度過高，熱流密度值飆升等問題。這些問題已成為制約光電晶片產業發展的重要瓶頸。
[0003]熱管作為一種利用工質相變傳遞熱量的裝置，具有傳熱溫差小、導熱性高、以及優良等溫性等優點，是電子設備冷卻的理想裝置。但目前熱管與傳統散熱翅片的結合方式存在很大問題，大大限制了熱管優越性能的發揮，而且成本較高。目前熱管與散熱翅片的連接一般有兩種，一種通過在接觸面塗抹導熱矽脂的方式，直接把散熱翅片粘附在熱管上；另一種把散熱片直接穿插在熱管上，或者通過焊接的方式把散熱翅片接在熱管的表面。這些連接方式會產生較大的接觸熱阻，極大影響了其散熱效率。另外，散熱器的熱量最終通過散熱翅片將其傳遞到環境中的，因翅片末端與周圍空氣的接觸最為充分，因此具有最大的散熱潛能，而傳統的裝配方式使散熱翅片基部溫度較高，末端溫度較低，兩者間存在較大的溫度差，因此一定程度上降低了散熱翅片末端的散熱優勢，進而降低了散熱效率。為保證較好的散熱效率，翅片的高度受到了嚴格的控制(當翅片高時，翅片末端的溫度與環境溫度相差不大，散熱較差，而且還浪費了金屬材料)。
【發明內容】
[0004]本實用新型旨在提供一種翅片內置多通道熱管的一體化相變散熱裝置，以解決現有散熱翅片和熱管間的接觸熱阻較大、散熱翅片末端和基部溫差較大、散熱翅片的熱效率不高以及翅片高度受到限制致使散熱面積不能得到充分擴展等問題。
[0005]本實用新型採用的技術方案為:
[0006]在散熱主體的各散熱翅片內部構造了若干條通道，在各個通道內分別設置毛細吸液芯；散熱主體安裝在蓋板上，並在散熱主體與蓋板之間設置多孔材料層或機刻微槽道；所述毛細吸液芯的底端與多孔材料層或機刻微槽道連通；作為冷凝段的散熱翅片、翅片中的通道和毛細吸液芯以及作為蒸發段的多孔材料層或機刻微槽道共同組成了熱管。
[0007]所述散熱翅片靠近基部的位置設置若干個通風孔。
[0008]所述散熱主體與蓋板通過焊接或金屬密封的方式連接，散熱主體與蓋板組成密封的殼體，在蓋板的側邊設置與多孔材料層或機刻微槽道連通的充液管。
[0009]所述散熱翅片內部的通道，其截面形狀為圓形、矩形或者梯形；每條通道配置的翅片採用單向、雙向或者多個方向的對稱、非對稱布置；一條通道配置一個翅片或多個翅片。
[0010]所述毛細吸液芯的具體形式為設置在通道中間的毛細吸芯、或者是設置在通道邊壁刻有微結構的溝槽、或者是前面二種形式的組合。
[0011]所述多孔材料層或機刻微槽道上通過燒結或機刻工藝製備成帶有矩形、三角形或者梯形截面形狀的槽道。
[0012]所述散熱主體內通道中填充工作介質，工作介質為水、丙酮、酒精、氨水或者上述幾種介質的混合物。
[0013]所述散熱翅片基部的通風孔為單個或連續布置的若干個。
[0014]本實用新型的有益效果為:
[0015](I)在散熱翅片內部構造了許多通道，相當於許多並行的微型熱管，實現了散熱片與熱管的一體化設計，消除了傳統熱管與散熱翅片間的接觸熱阻。
[0016](2)多個冷凝通道的存在，一方面擴展了熱管冷凝面積，另一方面在於熱量是通過蒸汽從蒸發段到達冷凝段的，這種傳熱方式比熱傳導高效而迅速，因此減小了對散熱翅片高度的限制，提高了散熱翅片末端的溫度，翅片高度越大，其內置熱管的冷凝段越長，與外界交換熱量的冷凝面積越大，充分發揮了散熱翅片末端與外界環境接觸比較充分的優勢，同時使整個散熱片均處於均溫狀態，與傳統的均溫板相比，實現了立體的均溫，從而大大提高了散熱器的散熱效率，減小了風扇等被動散熱的功耗率。
[0017](3)冷凝通道內的毛細吸液結構可為冷凝液體的回流提供毛細力及通道，即使反重力條件下也能正常運行。
[0018](4)內置熱管的布置較為靈活，熱管配置的翅片在方向、數量、對稱性等方面可根據實際情況進行改變，在實際生產中可根據加工條件、發熱源布置等靈活變換。
[0019](5)散熱翅片與熱管通過模具一次成型，消除了熱管與散熱翅片間的接觸熱阻，同時實現了散熱翅片的均溫性，顯著提高了散熱裝置的散熱效率。
[0020](6)由於實現了整個散熱的均溫化，減小了對翅片高度的限制要求，可以通過加大翅片高度來增加冷凝段的換熱面積，同時翅片基部可設計許多通風孔，起到「煙囪作用」，強化了自然對流換熱。
[0021](7)散熱翅片傳熱效率高、加工過程簡單，可以成批量生產，成本較低，具有廣闊的應用前景。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖1為翅片內置多通道熱管的一體化相變散熱裝置示意圖。
[0023]圖2 (a)和圖2 (b)分別為翅片內置多通道熱管的一體化相變散熱裝置的部分翅片的縱剖面和橫剖面示意圖。
[0024]圖3為未封裝蓋板的一體化相變散熱裝置的底部結構示意圖。
[0025]圖4為具有「煙囪效應」的通風孔強化翅片散熱原理示意圖。
[0026]附圖標記
[0027]1、散熱主體，2、通風孔，3、毛細吸液芯，4、多孔材料層或機刻微槽道，5、蓋板，6、充液管，1-1、通道,1-2、散熱翅片,7、封裝底板，8、底板封裝凸臺。
【具體實施方式】
[0028]本實用新型提供了一種翅片內置多通道熱管的一體化相變散熱裝置，下結合附圖和據圖實施方式對本實用新型做進一步的闡述。
[0029]圖1為本實用新型翅片內置多通道熱管一體化相變散熱裝置的結構示意圖。該裝置由散熱主體1、通風孔2、毛細吸液芯3、多孔材料層或機刻微槽道4、用於抽真空和注液的充液管6和蓋板5組成。此散熱裝置既可以利用自然對流散熱方式，也可以和低壓交流或直流風扇組裝在一起，把發熱元件產生的熱量散發到環境中。
[0030]本實用新型的熱管構造於散熱主體I內部，包含了蒸發段和冷凝段，其剖面圖如圖2所示。在散熱主體I的各個散熱翅片1-2上分別構造翅片內部通道1-1，在其內部插有一根毛細吸液芯3，毛細吸液芯3緊密與散熱主體I底部的多孔材料層或機刻微槽道4相連接，所傳遞的熱量最終通過散熱翅片1-2散失到空氣中。多孔材料層或者機刻微槽道4如果是多孔材料層則直接燒結在蓋板5的上面，如果是機刻微槽道則使用機械加工的方式直接在蓋板5上加工而成。圖3是沒有封裝蓋板的一體化相變散熱裝置的底部結構示意圖，散熱主體I通過封裝底板7與蓋板5形成蒸發腔，蓋板5和封裝底板7的密封是通過底板封裝凸臺8進行焊接實現，整個散熱裝置的抽真空和工質的注入通過充液管6實現。
[0031]熱管的蒸發段是作為工質蒸發的場所的多孔材料層或機刻微槽道4 ;凹槽或者微槽結構擴大了汽、液界面，加大了相變發生面積，有利於相變傳熱的進行。
[0032]熱管的冷凝段主要包括散熱翅片1-2、翅片中的通道1-1及毛細吸液芯3，當蒸發段內的液體受熱汽化時，蒸汽在微小壓力下從相變表面溢出，進入蒸發腔，然後在各個通道入口自由分配並流向冷凝段。蒸汽在冷凝通道內冷凝放熱，由於通道1-1較小，冷凝後的液體會因為表面張力作用停留在孔內，毛細吸液芯3的作用就是提供毛細吸力，使液體能夠從冷凝段向蒸發段及時回流，同時可使散熱器能夠在反重力下工作。散熱翅片內的條形通道，不僅擴大了冷凝有效面積，而且使整個散熱翅片處於均溫狀態，因此不同通道截面、通道數量、通道布置以及選取置於其中毛細吸液結構，都會有助於調控熱管的工作與運行。因此可以通過調控槽道的特徵如截面形狀、間距、尺寸、數量等滿足運行工況的多樣化需求。
[0033]在散熱翅片1-2的基部構造了多個通風孔2，主要用於強化較高散熱翅片的自然對流換熱，有助於新鮮的冷空氣沿著通風孔進入翅片間隔，並沿著翅片高度方向快速擴散，最終排出散熱裝置，形成一種自抽風現象，即「煙囪效應」，如圖4所示，氣流從翅片底部向頂部流動過程中，增加了外部冷空氣從底部吸入，並從翅片末端排出，產生了強化對流的效果，有助於散熱翅片中內置熱管冷凝部分的自然對流換熱，較大程度的提高了散熱器的傳熱係數，改善了其散熱性能。
[0034]本實用新型的毛細吸液芯3可採用多孔材料切成的長條，其結構呈細長形，長度為散熱片內的通道長度，其橫截面可以做成各種形狀，如圓形、矩形、梯形等。毛細吸液芯3也可以是在翅片通道製備過程中直接在通道管壁上直接構造微溝槽結構。合理調控通道的孔徑、毛細吸液芯的截面面積及結構有助於調控液體的蒸發與冷凝回流。
[0035]蓋板5 —般由銅或者鋁材製成，其邊壁與充液管道6相連。
[0036]本實用新型的工作原理如下:
[0037]對散熱裝置首先進行抽真空並注入合適的工質和恰當的充液比。在熱管工作過程中，當蓋板5受到加熱時，作為蒸發段的蓋板5和多孔材料層或者機刻微槽道4的溫度會升高，當其達到一定溫度時，所填充的液體會發生汽化，汽化後的蒸汽在壓差作用下，從多孔材料層或者機刻微槽道4內部溢出進入蒸發腔，並在眾多通道熱管1-1間進行分配，進入通道熱管1-1內的氣體沿著通道運動，在通道內部的邊壁上冷凝，冷凝後的液體被吸附到毛細吸液芯3內部，這些液體在毛細吸力的作用下沿著毛細吸液芯3到達多孔材料層或者機刻微槽道4，並在其內部進行分配，流向相變發生區域，滿足液體蒸發所需要的液體供應，從而形成完整的循環，由於毛細芯的存在，液體的循環是被動的，不需要外界的動力，並且理想情況下能夠在反重力的環境下工作。
[0038]上述詳細說明了本實用新型的具體可行實施例、基本原理和主要特徵。該內置熱管式一體化散熱裝置可滿足高熱密度散熱要求，具有體積小、重量輕、散熱效率高等特徵。本實用新型同時使散熱器的散熱過程實現了高效、低成本和低能耗的操作運行，為解決制約大功率光電晶片散熱提供了一種較好的途徑。
[0039]本實用新型並不受上述實施例的限制，上述實施例、說明書中描述僅是為了說明本實用新型的原理，本實用新型還可根據實際情況對材料、加工方式、散熱翅片結構有各種變化與改進。
【權利要求】
1.一種翅片內置多通道熱管的一體化相變散熱裝置，其特徵在於，在散熱主體(I)的各散熱翅片內部構造了若干條通道，在各個通道內分別設置毛細吸液芯(3);散熱主體(I)安裝在蓋板(5)上，並在散熱主體(I)與蓋板(5)之間設置多孔材料層或機刻微槽道(4);所述毛細吸液芯(3)的底端與多孔材料層或機刻微槽道(4)連通；作為冷凝段的散熱翅片、翅片中的通道和毛細吸液芯(3)以及作為蒸發段的多孔材料層或機刻微槽道(4)共同組成了熱管。
2.根據權利要求1所述的翅片內置多通道熱管的一體化相變散熱裝置，其特徵在於，所述散熱翅片靠近基部的位置設置若干個通風孔(2 )。
3.根據權利要求1所述的翅片內置多通道熱管的一體化相變散熱裝置，其特徵在於，所述散熱主體(I)與蓋板(5 )通過焊接或金屬密封的方式連接，散熱主體(I)與蓋板(5 )組成密封的殼體，在蓋板(5)的側邊設置與多孔材料層或機刻微槽道(4)連通的充液管(6)。
4.根據權利要求1所述的翅片內置多通道熱管的一體化相變散熱裝置，其特徵在於，所述散熱翅片內部的通道，其截面形狀為圓形、矩形或者梯形；每條通道配置的翅片採用單向、雙向或者多個方向的對稱、非對稱布置；一條通道配置一個翅片或多個翅片。
5.根據權利要求1所述的翅片內置多通道熱管的一體化相變散熱裝置，其特徵在於，所述毛細吸液芯(3)的具體形式為設置在通道中間的毛細吸芯、或者是設置在通道邊壁刻有微結構的溝槽、或者是前面二種形式的組合。
6.根據權利要求1所述的翅片內置多通道熱管的一體化相變散熱裝置，其特徵在於，所述多孔材料層或機刻微槽道(4)上通過燒結或機刻工藝製備成帶有矩形、三角形或者梯形截面形狀的槽道。
7.根據權利要求1所述的翅片內置多通道熱管的一體化相變散熱裝置，其特徵在於，所述散熱主體(I)內通道中填充工作介質。
8.根據權利要求2所述的翅片內置多通道熱管的一體化相變散熱裝置，其特徵在於，所述散熱翅片基部的通風孔(2)為單個或連續布置的若干個。
【文檔編號】H01L23/427GK203563290SQ201320708398
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2013年11月11日 優先權日:2013年11月11日
【發明者】紀獻兵, 徐進良, 趙紫薇 申請人:華北電力大學