[發明專利]多尺度毛細芯平板環路熱管式散熱裝置

有效

• 申請號: 201310689409.4
• 申請日: 2013-12-16
• 公開（公告）號: CN103629963A
• 公開（公告）日: 2014-03-12
• 發明（設計）人: 紀獻兵;徐進良;楊臥龍
• 申請（專利權）人: 華北電力大學
• 主分類號: F28D15/04
• 分類號: F28D15/04;H01L23/427;H05K7/20
• 代理公司: 北京麟保德和知識產權代理事務所(普通合伙) 11428
• 代理人: 韓建功

技術領域

本發明涉及一種多尺度毛細芯平板環路熱管式散熱裝置，屬于相變散熱技術領域，可用于高熱流密度電子和光學器件的冷卻。

背景技術

隨著科學技術的發展，大功率激光器、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/微電子芯片（簡稱“光電芯片”）及其應用系統的微型化和高度集成化，導致單位容積內的發熱量急劇增大，出現局部熱流密度較大的現象，傳統的單純使用空氣強迫對流冷卻的散熱方式已經達到其傳熱極限，散熱問題已成為制約高熱流密度光電芯片技術及產業發展的主要瓶頸。

環路熱管作為一種高效相變式換熱裝置，具有傳熱能力強、傳輸距離長、安全可靠且價格低廉等優點，環路熱管技術已成為解決高熱流密度電子設備熱管理問題的有效手段之一。

目前困擾環路熱管技術在電子設備熱管理方面應用的關鍵問題主要集中于蒸發部的內部結構設計和毛細芯的設計。

在蒸發部內部結構設計上，傳統環路熱管通常采用機械加工的方式，在蒸發部底面切割出不同形式的蒸汽槽道，并在其上覆蓋一層毛細芯，盡管這種結構便以加工制作，但這樣的設計面臨一個無法解決的矛盾，一方面希望獲得較寬的槽道以降低蒸汽排出時的壓力損失，以及較大的毛細芯孔隙減小汽液流動阻力，另一方面希望獲得較大的毛細吸力，以增加工質循環的動力，這需要較小的毛細芯孔隙，但受限于空間大小，二者無法兼顧（對環路熱管而言，毛細芯大的孔隙對汽液的流動阻力小，有利于汽液的流通，但毛細吸力小，小的孔隙有具有較大的毛細吸力，可提供汽液循環的較大動力，二者是一個矛盾的統一體，傳統的回路熱管的毛細芯沒能夠很好的協調這一矛盾。因此，傳統環路熱管往往存在低溫啟動困難、溫度波動大、極限散熱能力低的問題。

另外，傳統環路熱管由于毛細芯的設計問題往往存在蒸發腔向補償腔的熱泄漏問題。一方面，毛細芯的導熱造成補償腔中溫度過高；另一方面，蒸發腔中的蒸汽會透過毛細芯進入補償腔，這兩種情況都會造成環路熱管啟動困難，甚至在某些情況下無法啟動；同時，當反向工作時（即蒸發部在上，冷凝部在下，液體由于重力作用主要存在于管路中，補償腔中液體較少，從而使環路熱管啟動時產生的蒸汽壓難于克服循環阻力而造成啟動失敗。

如何優化蒸發腔內部結構設計和選取合適的毛細芯，提高環路熱管的散熱能力，解決啟動過溫和溫度波動等問題，已成為當今環路熱管技術研究的重要課題。

發明內容

本發明針對現有技術的不足，提供了一種多尺度毛細芯平板環路熱管式散熱裝置，通過優化蒸發腔內部結構設計，并合理設計和選取多尺度毛細芯，較好的解決了汽液阻力和毛細吸力間的矛盾性的協調性問題，提升了環路熱管的散熱能力和抗重力性能，解決了啟動過溫和溫度波動等問題。

本發明采用的技術方案為：

該散熱裝置包括蒸發部、冷凝部、與蒸發部蓋板加工在一起的補償腔，以及連接蒸發部和冷凝部的氣相管道、連接冷凝部和補償腔的液相管道、與補償腔連接的抽真空及工質灌裝管路；

所述蒸發部底部的底板呈平板狀，底板的下底面為加熱面，在底板的上表面用金屬粉末燒結有多尺度的第一層毛細芯和第二層毛細芯，兩層毛細芯與底板一體化燒結，并在兩層毛細芯間構造有蒸汽槽道；在第二層毛細芯上緊緊覆蓋一層吸水棉作為第三層毛細芯，三層毛細芯形成多尺度結構。

所述蒸發部的底板為呈圓形或多邊形的平板狀結構；蒸發部及補償腔的材質選用包括銅和鋁在內的高導熱金屬。

所述第一層毛細芯和第二層毛細芯采用銅粉或者鎳粉，與蒸底板一體式燒結而成，燒結過程中通過金屬顆粒直徑和添加的造孔劑控制毛細芯中孔隙的大小，并形成孔隙的多尺度結構。

所述第一層毛細芯和第二層毛細芯之間的蒸汽槽道，開口形狀為矩形、梯形、三角形或圓形。

所述第二層毛細芯由兩種不同粗細的金屬粉末燒結而成，靠近蒸發部的一側采用較細的金屬粉末，孔穴較小，起到控制熱泄漏和提高較高的毛細壓力的作用；靠近補償腔的一側采用較粗的金屬粉末，孔穴較大，起到增大吸液率的作用，從而形成多尺度結構毛細芯。

所述第三層毛細芯為吸液棉，或采用包括海綿、纖維在內的具有毛細吸力、保液性以及低導熱性的材料。第三層毛細芯具有很強的吸液能力和保液性，使得環路熱管在反向放置時（即蒸發部在上、冷凝部在下放置），吸液棉能提供足夠的液體進行蒸發，從而提供足夠的蒸汽壓來克服循環阻力。更為重要的是，吸液棉能夠大大降低毛細芯向補償室的熱泄漏，提高環路熱管的運行可靠性和極限散熱能力。

所述抽真空及工質灌裝管路中灌裝的工質為水、乙醇、丙酮、氨中的一種或多種。