CN114828551A - 一种被动式散热蒸发器及被动式散热系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种被动式散热蒸发器及被动式散热系统，包括由导热材料制成的板体，板体内沿冷却工质流向依次设置有蒸汽防回流流道，蒸发流道和出口流道，蒸发流道包括多层微米级毛细流道，微米级毛细流道的一端与汇流腔连通，汇流腔与蒸汽防回流流道连通，微米级毛细流道的另一端与出口流道连通，采用本发明的蒸发器散热效果好，且适用于狭小空间使用。

Description

一种被动式散热蒸发器及被动式散热系统

技术领域

本发明涉及电子元器件散热技术领域，具体涉及一种被动式散热蒸发器及被动式散热系统。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

随着微电子技术的飞速发展，电子器件工作时产生的高热流密度成为了影响设备的可靠性和使用寿命的关键因素。如何高效地将极高的单位面积产热量排散成为了制约微电子设备发展的关键问题之一。

按照有无外部循环动力装置，当前的散热技术可分为主动式和被动式两大类。泵驱微流道散热技术是当前电子设备主动式散热技术的重要研究方向之一，具有换热单元尺寸小、换热效率高、可直接集成在芯片上等优点。此外，高效的主动式散热技术还有射流冲击冷却、喷雾冷却等。当前的主动式散热技术都存在能耗高、系统结构复杂和运行稳定性差等共性缺点。

目前，环路热管技术是电子设备被动式热管理最为理想的技术之一。但发明人发现，由于渗透率低、毛细芯与蒸发器接触不紧密和沸腾极限低等缺点，导致环路热管的散热能力相较于主动式散热技术仍有明显差距，此外，毛细芯通常较厚，不利于狭小空间内布置。这些问题都限制了环路热管在微电子设备散热上的应用。

而且，发明人还发现，毛细压力和渗透率是依托毛细力驱动的换热设备的关键参数，决定了在高热流密度或反重力情况下的毛细极限和传热极限，被动式散热技术中，通常通过缩小毛细芯的孔径来实现，这极大降低了毛细芯的渗透率，进而降低了散热性能。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供了一种被动式散热蒸发器，散热性能好，且利于在狭小空间内布置。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案

第一方面，本发明的实施例提供了一种被动式散热蒸发器，包括由导热材料制成的板体，板体内沿冷却工质流向依次设置有蒸汽防回流流道，蒸发流道和出口流道，蒸发流道包括多层微米级毛细流道，微米级毛细流道的一端与汇流腔连通，汇流腔与蒸汽防回流流道连通，微米级毛细流道的另一端与出口流道连通。

可选的，所述蒸汽防回流流道包括多层弧形流道，两个相邻层的弧形流道中，其中，沿冷却工质流向，位于前一层的第一弧形流道的两个端部均连通一个第二弧形流道，多个第二弧形流道构成后一层的弧形流道，最末层的弧形流道与汇流腔连通。

可选的，沿冷却工质流向，位于最前方的弧形流道底面与垂直于板体的第一进口流道连通，第一进口流道与第二进口流道连通，第二进口流道延伸至板体外部。

可选的，所述出口流道采用渐缩腔体结构，其面积大的端部与多个微米级毛细流道连通。

可选的，所述渐缩腔体结构面积较小的端部与排出流道的一端连通，排出流道的另一端延伸至板体外部。

可选的，所述微米级毛细流道截面为正方形，边长为50微米-100微米。

可选的，所述板体包括第一板部和第二板部，第一板部的底面开设蒸汽防回流流道，蒸发流道和出口流道，第二板部贴合在第一板部底面并通过固定件与第一板部固定。

第二方面，本发明的实施例提供了一种被动式散热系统，包括第一方面所述的被动式散热蒸发器，被动式散热蒸发器的蒸汽防回流流道的进口通过液相管路与补偿室的出口连接，被动式散热蒸发器的出口流道的出口通过气相管路与冷凝器的进口连接，冷凝器的出口与补偿室的进口通过管路连接。

可选的，冷凝器的出口与补偿室进口之间的管路连接有冷却工质充注机构。

可选的，补偿室的安装高度高于被动式散热蒸发器，冷凝器的安装高度高于补偿室；

进一步的，冷凝器采用竖直设置的螺旋管式冷凝器。

本发明的有益效果：

1.本发明的被动式散热蒸发器，在板体内部设置有多个微米级毛细流道，将微米级毛细流道集成在一个平板上以代替毛细芯，可提供极高的毛细压力和渗透率，以克服密度差和重力，避免了毛细压力和渗透率的矛盾冲突，提高了蒸发器的沸腾极限和临界热流密度，提高了冷却工质的循环流量，而且，板体为平板结构，能够直接集成在电子设备或芯片上，接触紧密，换热面积大，提高了散热能力，而且由于毛细流道为微米级别，因此板体的厚度可制作成毫米级别，方便与设备集成安装，板体的尺寸小，有利于在狭小空间内布置。

2.本发明的被动式散热蒸发器，具有蒸汽防回流流道，蒸汽防回流流道为多层的弧形流道，将防止冷却工质在蒸发沸腾后回流，配合出口流道的渐缩腔体结构，保证了冷却工质在蒸发后气体可以顺利流出板体。

3.本发明的被动式散热系统，补偿室的安装高度高于被动式散热蒸发器，冷凝器的安装高度高于补偿室，因此整个系统中冷却工质的循环通过毛细力以及重力循环，避免了外部驱动装置的同时可以提供稳定的高效散热能力，并且可以将热量进行远距离输送，从设备内部电子器件的表面输送至设备外部，保证了电子设备的运行。

4.本发明的被动式散热系统，具有补偿室，用来收集冷凝器回流的冷凝工质，提高了整个系统的冷却工质容量，保证了蒸发器的冷却工质补给，提高了蒸发器的沸腾极限和散热极限。

5.本发明的被动式散热系统，冷凝器采用竖直设置的螺旋管式冷凝器，在保证冷凝效果的同时，减少了系统流道内的沿程损失，保证了工质的循环效果。将冷凝器垂直放置并与补偿室相连，加速了冷凝后工质的回流，提高了系统内的工质流量，提高了整个系统的散热效果。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1为本发明实施例1整体结构示意图；

图2为本发明实施例1第一板部整体结构示意图；

图3为本发明实施例1第一板部仰视图；

图4为本发明实施例2整体结构示意图；

图5为本发明实施例2补偿室主视图；

图6为本发明实施例2补偿室侧视图；

图7为本发明实施例2冷凝器结构示意图；

其中，1.第一板部，2.第二板部，3.冷却工质流入管，4.冷却工质流出管，5.固定螺栓，6.弧形流道，7.汇流腔，8.第一进口流道，9.微米级毛细通道，10.出口流道，11.第一流道部，12.液相管道，13.补偿室，14.冷凝器，14-1.外壳，14-2.螺旋管，14-3.冷却水进管，14-4.冷却水出管，14-5.蒸汽进管，14-6.液体出管，15.流量计，16.充注设备，17.压力计。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供了一种被动式散热蒸发器，如图1-3所示，包括板体，板体采用导热材料制成，本实施例中的板体采用铜制材料制成，提高了整个蒸发器的导热能力，而且采用平板状结构，方便直接安装在电子元器件或芯片表面。

板体由第一板部1和第二板部2组装构成，第一板部下表面贴合第二板部的上表面，第一板部和第二板部通过多个固定螺栓5连接成为一个整体构成整个板体。

第一板部1和第二板部2连接时，在第一板部1和第二板部2之间涂刷密封胶，防止冷却工质泄漏。

第一板部1的下表面开设有用于冷却工质流动的流道，沿冷却工质的流动方向，流道包括依次设置的蒸汽防回流流道、蒸发流道及出口流道。

蒸发流道用于冷却工质与电子元器件发生热交换，吸收电子元器件产生的热量后蒸发沸腾，蒸汽防回流流道用于防止冷却工质蒸发沸腾后产生的蒸汽回流，出口流道用于产生的蒸汽流出板体。

本实施例中，蒸汽防回流流道包括沿冷却工质流向分布的多层弧形流道6。弧形流道为朝向冷却工质进口方向弯曲的半圆形流道。

相邻两层弧形流道6中，位于前一层的第一弧形流道的两个端部均连通一个第二弧形流道，且与第二弧形流道的中部位置连通，所有的第二弧形流道共同构成后一层的弧形流道。

本实施例中，具有四层弧形流道6，其中最前一层具有一个弧形流道6，相应的第二层具有两个弧形流道6，第三层具有四个弧形流道6，第四层具有八个弧形流道6。

第一层弧形流道6的整体宽度为4000微米，第二层弧形流道6的单个弧形流道的宽度为2000微米，第三层弧形流道6的单个弧形流道的宽度为1000微米，第四层弧形流道6的单个弧形流道的宽度为500微米。

弧形流道6的截面形状为矩形。

最末层的弧形流道6，即第四层弧形流道与第一板部底面开设的汇流腔7连通，使得冷却工质在汇流腔7内汇合。

最前方的弧形流道的底面开设有第一进口流道8，第一进口流道8的轴线与板体相垂直，第一板部的进口端端面开设有第二进口流道，第二进口流道处设置有冷却工质流入管3，第二进口流道与第一进口流道相垂直且连通，冷却工质能够通过第二进口流道、第一进口流道8流入防蒸汽回流流道。

采用此种设置，冷却工质的流入端与防蒸汽回流流道具有一定的高度差，方便冷却工质利用自身重力流动。

蒸发流道的一端与汇流腔连通。

蒸发流道由开设在第一板部的多层微米级毛细通道9构成，微米级毛细通道9一端延伸至汇流腔7，并与汇流腔7连通，另一端延伸至出口流道10，并与出口流道10连通。

本实施例中，沿垂直于板体的方向，微米级毛细通道9设置三层，每层具有160条微米级毛细通道9，相邻微米级毛细通道9之间的距离为300微米，相邻层之间的微米级毛细通道9之间的间距为1000微米，微米级毛细通道9的截面为正方形，边长为50-100微米，本实施例的微米级毛细通道的截面边长为50微米。

通过采用微米级毛细通9道作为蒸发流道代替毛细芯，可提供极高的毛细压力和渗透率，以克服密度差和重力，避免了毛细压力和渗透率的矛盾冲突，提高了蒸发器的沸腾极限和临界热流密度，提高了冷却工质的循环流量，进而提高了整个蒸发器的散热效果。

同时毛细通道为微米级，进而使得板体的厚度能够制作为毫米级，减小了整个蒸发器的尺寸，适合于狭小空间的使用。

所述出口流道10为一个渐缩腔体结构，其面积较大的端部与蒸发流道连通，面积较小的端部连通与排出流道连通，用于将冷却工质排出至板体外部。

所述排出流道包括第一流道部11和第二流道部，第一流道部11与板体垂直设置，且开设在出口流道的底面，第二流道部与第一流道部11相互垂直，其一端与第一流道部11连通，另一端延伸至第一板部1的出口端侧面，第二流道部处设有冷却工质流出管4，出口流道内的冷却工质能够通过排出流道流出至板体外部。

出口流道的渐缩腔体结构与防蒸汽回流流道配合，能够保证冷却工质蒸发后的气体顺利排出板体，流入循环管路。

本实施例的蒸发器，采用微米级毛细通道集成在板体的结构，占用体积小，适合于狭小空间的使用。

实施例2

本实施例提供了一种被动式散热系统，如图4所示，设置有实施例1所述的被动式散热蒸发器。

具体的，被动式散热蒸发器的第二进口流道通过液相管道12与补偿室13的出口连接，补偿室13的进口通过管路与冷凝器14的出口连接，冷凝器14的进口通过气相管道15与被动式散热蒸发器的第二流道部连接。

补偿室13的安装高度高于被动式散热蒸发器的安装高度，冷凝器14的安装高度高于补偿室13的安装高度。

本实施例中，如图5-图6所示，补偿室13采用现有的环路热管中的补偿室结构即可，其具体结构在此不进行详细叙述，能够防止漏热，防止冷却工质回流，防止烧干，增加冷却工质储存量，当系统稳定运行时，用来储存冷凝器14中产生的过多的冷凝工质，在保证系统内的冷却工质容量的同时，保证了蒸发器的冷却工质补给，提高了蒸发器的沸腾极限和散热极限，防止蒸发器产生烧干现象。

冷凝器14采用竖直设置的螺旋管式冷凝器，在保证冷凝效果的同时，减少了系统通道内的沿程损失，保证了工质的循环效果。将冷凝器14垂直放置并与补偿室13相连，加速了冷凝后工质的回流，提高了系统内的工质流量，提高了整个系统的散热效果。

如图7所示，冷凝器包括外壳14-1，外壳14-1内部设置有竖向设置的螺旋管14-2，螺旋管一端。螺旋管14-2的底端设有冷却水进管14-3，用于通入冷却水，螺旋管的顶端设有冷却水出管14-4，外壳14-1的顶端设有蒸汽进管14-5，蒸汽进管与气相管道连接。外壳的底端设有液体出管14-6，用于排出冷凝后的冷却工质。

补偿室13与被动式散热蒸发器之间的液相管道安装有流量计15，用于实时检测冷却工质的流量。

补偿室13进口与冷凝器14出口之间的管路连接有冷却工质充注机构，用于向整个系统内充入冷却工质，包括充注设备16，充注设备16通过充注管路与冷凝器14出口与补偿室13进口之间的管路连接，充注设备16采用现有设备即可，其具体结构在此不进行详细叙述。

补偿室13进口与冷凝器14出口之间的管路还连接有压力计17，用于检测冷却工质的压力。

本实施例的系统中，由于补偿室13高度高于被动式散热蒸发器的高度，冷凝器14的高度高于补偿室13的高度，对冷却工质的循环起到辅助作用，因此，整个系统中工质的循环通过毛细力以及重力进行循环，避免了外部驱动装置的同时可以提供稳定的高效散热能力，并且可以将热量进行远距离输送，从设备内部的电子器件表面输送至设备外部，保证了电子设备的运行。

本实施例系统的工作方法为：

将被动式散热蒸发器固定在电子元器件的发热部位，首先将整个系统抽真空，通过冷却工质充注机构向系统内注入冷却工质，冷却工质在毛细力的作用下从补偿室13流入被动式散热蒸发器，当外部的热源(电子器件)对被动式散热蒸发器进行加热时，冷却工质吸收热量而蒸发，变成气态从气相管道输送至冷凝器，在冷凝器中高温气体被冷凝液化，流回补偿室13，从而在该过程中实现了电子器件的高效冷却。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种被动式散热蒸发器，其特征在于，包括由导热材料制成的板体，板体内沿冷却工质流向依次设置有蒸汽防回流流道，蒸发流道和出口流道，蒸发流道包括多层微米级毛细流道，微米级毛细流道的一端与汇流腔连通，汇流腔与蒸汽防回流流道连通，微米级毛细流道的另一端与出口流道连通。

2.如权利要求1所述的一种被动式散热蒸发器，其特征在于，所述蒸汽防回流流道包括多层弧形流道，两个相邻层的弧形流道中，其中，沿冷却工质流向，位于前一层的第一弧形流道的两个端部均连通一个第二弧形流道，多个第二弧形流道构成后一层的弧形流道，最末层的弧形流道与汇流腔连通。

3.如权利要求2所述的一种被动式散热蒸发器，其特征在于，沿冷却工质流向，位于最前方的弧形流道底面与垂直于板体的第一进口流道连通，第一进口流道与第二进口流道连通，第二进口流道延伸至板体外部。

4.如权利要求1所述的一种被动式散热蒸发器，其特征在于所述出口流道采用渐缩腔体结构，其面积大的端部与多个微米级毛细流道连通。

5.如权利要求4所述的一种被动式散热蒸发器，其特征在于，所述渐缩腔体结构面积较小的端部与排出流道的一端连通，排出流道的另一端延伸至板体外部。

6.如权利要求1所述的一种被动式散热蒸发器，其特征在于，所述微米级毛细流道截面为正方形，边长为50微米-100微米。

7.如权利要求1所述的一种被动式散热蒸发器，其特征在于，所述板体包括第一板部和第二板部，第一板部的底面开设蒸汽防回流流道，蒸发流道和出口流道，第二板部贴合在第一板部底面并通过固定件与第一板部固定。

8.一种被动式散热系统，其特征在于，包括权利要求1-7任一项所述的被动式散热蒸发器，被动式散热蒸发器的蒸汽防回流流道的进口通过液相管路与补偿室的出口连接，被动式散热蒸发器的出口流道的出口通过气相管路与冷凝器的进口连接，冷凝器的出口与补偿室的进口通过管路连接。

9.如权利要求8所述的一种被动式散热系统，其特征在于，冷凝器的出口与补偿室进口之间的管路连接有冷却工质充注机构。

10.如权利要求8所述的一种被动式散热系统，其特征在于，补偿室的安装高度高于被动式散热蒸发器，冷凝器的安装高度高于补偿室；

进一步的，冷凝器采用竖直设置的螺旋管式冷凝器。

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