專利名稱：直肋熱擴展強化結構微細尺度復合相變取熱方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種散熱冷卻方法，特別是應用于大功率電子、電力及 光電子器件的冷卻方法及其裝置。
背景技術：
目前對大功率電子、電力及光電子器件的冷卻主要采用兩種方式 一種是采用散熱片結合風扇進行空冷，這種技術通過在發熱體表面加貼 散熱肋片并在兩者的接觸面上涂抹導熱硅膠(硅脂)以減小導熱熱阻， 風扇安置在散熱肋片端面上利用對流換熱原理將熱量通過肋片表面散失 到環境中去，從而保證器件在正常工作溫度范圍內工作。這種技術的主 要缺陷是隨著電子、電力及光電子器件功率的提高，器件維持正常的 工作溫度時所需散失的熱量增加，風扇的功耗和肋片所需的散熱面積越 來越大，而散熱面積的增大又會降低肋片的效率，散熱總能力無法大幅 提高。另一種方法是采用水泵進行強制水冷，水流過發熱體的表面帶走 發熱體產生的熱量，隨著電子、電力及光電子器件功率的增加，散熱器
所需的換熱面積就會越大，散熱總能力同樣無法大幅提高。
發明內容
本發明的目的是解決現有風冷及水冷散熱技術需要較大散熱面積、散熱能力不足的技術缺陷，公開一種直肋熱擴展強化結構微細尺度復合相變取熱方法及裝置，該方法及裝置無外加功耗、散熱面積小、散熱熱流密度高及散熱總能力大。
為達到上述目的，本發明的技術解決方案是
一種直肋熱擴展強化結構微細尺度復合相變取熱方法，其包括步驟
a) 直接在發熱體表面上或在緊貼發熱體表面的導熱材料外表面上設置
多個直肋，形成直肋群，直肋群增加了發熱體表面或導熱材料外表面的換熱面積和剛性強度；
b) 在直肋表面和肋間壁面上設置多個毛細微槽道，形成毛細微槽群；
c) 將a)、 b)步得到的直肋群和毛細微槽群的一部分部浸入到液體工質中，液體工質在毛細力的作用下被吸入到多個毛細微槽道內，在微槽道內形成微細尺度蒸發和沸騰復合相變換熱的連續液膜分布；
d) 發熱體的一部分熱量通過直肋進入到毛細微槽道中，另一部分直接通過肋間壁面上的換熱表面進入毛細微槽道，毛細微槽道中的液體工質受熱后通過微細尺度蒸發和沸騰復合相變換熱方式帶走發熱體的熱量，從而使發熱體冷卻。
一種所述的方法使用的裝置，其包括一取熱器，所述取熱器為抽真空的密封體且其內灌注有液體工質；取熱器的一側壁為受熱壁，受熱壁由導熱材料制成，在受熱壁內表面設有多個直肋，形成直肋群；在直肋外表面和肋間壁面上設有多個毛細微槽道，形成微槽群，毛細微槽道形成毛細力，以將毛細微槽道邊的液體工質吸入到微槽道內，并在微槽道內形成能進行相變換熱的薄液膜區域；
取熱器殼體上設置有使蒸汽流向冷凝器的蒸汽出口和使凝結液從冷
凝器流回的凝結液入口；
使用時，受熱壁的外表面與發熱體外表面緊密貼連在一起。
所述的裝置，其所述直肋為矩形直肋，高度在1 100mm之間，厚度在0.4 30mm之間，長度在l~100mm之間，直肋的間距在0.5 30mm之間；毛細微槽道的橫截面為矩形，寬度在0.05~2mm之間，深度在0.05 2mm之間，毛細微槽道的間距在0.05 5mm之間。
所述的裝置，其所述多個直肋縱向密布排列，多個毛細微槽道縱向密布排列。
所述的裝置，其所述多個毛細微槽道縱向密布排列，縱向密布排列的多個毛細微槽道上交叉橫向排列有多個毛細微槽道，橫向毛細微槽道的寬度和深度在0. 05~2mm之間，間距在0.1 10mm之間。
所述的裝置，其所述多個毛細微槽道，其橫截面為梯形，梯形的上底邊長度為0.05~2mm，下底邊長度為0.07~4mm，槽深為0. 05~8mm，間距為0. 05 5mm。
所述的裝置，其所述多個毛細微槽道，其橫截面為三角形，三角形的槽底頂角為5°~120。，槽深為0.05 8mm，間距為0.05~5mm。
所述的裝置，其所述受熱壁的外表面與發熱體外表面緊密貼連在一起，是通過導熱硅膠緊密貼連在一起。
所述的裝置，其所述取熱器的受熱壁即為發熱體的外表發熱面，兩者做成一體。
所述的裝置，其所述液體工質為無水乙醇、甲醇或蒸餾水；發熱體 為電子、電力及光電子器件。
技術效果
本發明通過直接在發熱體表面上或在緊貼發熱體表面的導熱材料外 表面上設置多個直肋，形成直肋群。直肋群增加了發熱體表面或導熱材 料外表面的擴展換熱面積，并且增加發熱體表面或導熱材料表面的剛性 強度；在直肋外表面和肋間壁面上加工許多毛細微槽道，毛細力將液體 工質吸入到微槽道內。發熱體的一部分熱量通過直肋進入到微槽道中， 另一部分直接通過肋間壁面上的換熱表面進入微槽道，微槽道中的液體 工質受熱后通過高強度的微細尺度蒸發和沸騰復合相變換熱方式帶走發 熱體的熱量，使發熱體降溫。本發明通過直肋群的導熱和液體工質的相 變換熱兩種方式進行，實現了無功耗的取熱。研究表明，發熱體表面加 肋可以有效的增加換熱表面積，提高換熱量；同時，毛細微槽內工質的
微細尺度蒸發和沸騰復合相變換熱有著極高的強度，其蒸發和沸騰熱流 密度的理論極限值比目前高性能芯片的最高熱流密度還要高出約兩個數 量級。利用直肋的導熱及外表面上毛細微槽群中液體工質的相變換熱， 這兩種傳熱過程的組合可以獲得非常好的取熱效果。這種高效率的直肋 熱擴展強化結構微細尺度復合相變取熱方法可以減小換熱面尺寸，因而 采用本發明能很好地解決目前及今后的大功率電子、電力及光電子器件 的散熱問題，降低和控制大功率電子、電力及光電子器件的工作溫度，保證并提高器件的工作性能。
圖1是本發明的直肋熱擴展強化結構微細尺度復合相變取熱器的第 一種結構示意圖2是本發明的局部示意圖3是本發明的直肋熱擴展強化結構微細尺度復合相變取熱器的第
二種結構示意圖4是本發明的直肋熱擴展強化結構微細尺度復合相變取熱器的第 三種結構示意圖5采用本發明方法的直肋熱擴展強化結構微細尺度復合相變取熱 裝置的一種實施例。
具體實施方式
實施例1:
見圖5，本發明方法的直肋熱擴展強化結構微細尺度復合相變取熱裝 置的結構示意圖。它包括一取熱器5，取熱器5為抽真空的密封體且其內 灌注有液體工質，取熱器5的一側壁為受熱壁，受熱壁由導熱材料制成， 受熱壁的外表面通過導熱硅膠(硅脂)與發熱體8外表面緊密貼連在一 起，受熱壁的內表面設有多個直肋1，多個直肋l縱向平行排列，形成直 肋群。所述直肋群增加了受熱壁內表面的擴展換熱面積，并且增加了受 熱壁面的剛性強度。在直肋1外表面和肋間壁面上設有多個毛細微槽道2，毛細微槽道2也是縱向密布排列，多個毛細微槽道2形成微槽群。毛 細微槽道2大小適合形成毛細力，對多種工質如無水乙醇或蒸餾水都有
毛細力作用，以將毛細微槽道2所接觸的液體工質吸入到毛細微槽道2 內，并在毛細微槽道2內形成能進行高強度相變換熱的薄液膜區域。
直肋1為矩形直肋，其高度為30mm，厚度為6mm，長度為40mm， 兩直肋1的間距為8mm。毛細微槽道2的寬度為0.4mm、深度為0. 9mm，兩 毛細微槽之間的間距為0.4mm。取熱器5殼體上還設置有可使蒸汽流向 冷凝器的蒸汽出口 6和使凝結液從冷凝器流回的凝結液入口 7。取熱器5 內的液體工質如無水乙醇或蒸餾水具有較高的汽化潛熱，在毛細力的作 用下，液體工質在微槽道2中通過高強度的微細尺度蒸發和沸騰復合相 變換熱方式帶走發熱體8的全部熱量，從而使發熱體8冷卻。發熱體8 可以是電子、電力及光電子器件或其他發熱體。
本發明的直肋熱擴展強化結構微細尺度復合相變取熱裝置，其操作 包括步驟
a) 直接在發熱體表面上或在緊貼發熱體表面的導熱材料外表面上設置 多個直肋，形成直肋群，直肋群增加了發熱體表面或導熱材料外表面的 換熱面積和剛性強度；
b) 在直肋表面和肋間壁面上設置多個毛細微槽道，形成毛細微槽群；
c) 將a)、 b)步得到的直肋群和毛細微槽群，浸入液體工質，液體工質 在毛細力的作用下被吸入到多個毛細微槽道內，在微槽道內形成微細尺 度蒸發和沸騰復合相變換熱的連續液膜分布；
d) 發熱體的一部分熱量通過直肋進入到毛細微槽道中，另一部分直接通過肋間壁面上的換熱表面進入毛細微槽道，毛細微槽道中的液體工 質受熱后通過微細尺度蒸發和沸騰復合相變換熱方式帶走發熱體的熱 量，從而使發熱體冷卻。
實施例2:
見圖1，直接在發熱體8表面上或在緊貼發熱體8表面的導熱材料外 表面上設置多個直肋l，形成直肋群，在直肋l外表面和肋間壁面上加工
出多個毛細微槽道2，形成微槽群，這種帶有直肋群和微槽群結構的熱沉
稱為直肋熱擴展強化結構微細尺度復合相變熱沉。圖1中直肋1縱向密
布排列；圖2為圖1中圓圈部分的放大圖，可見毛細微槽道2也是縱向密 布排列。毛細微槽2對多種工質如無水乙醇或蒸餾水都有毛細力作用。 發熱體8的熱量部分進入到直肋1中，同時，毛細力將液體工質吸到直 肋上的毛細微槽道2內，液體工質在毛細微槽道2的受熱區域內蒸發和 沸騰帶走發熱體8的熱量，從而實現對發熱體8的冷卻。
實施例3:
本實施例取熱器5的多個毛細微槽道2縱向密布排列，縱向密布排 列的毛細微槽道2上交叉排列有多個橫向毛細微槽道2。設置橫向排列毛 細微槽道2可保證超高熱負荷下液體工質沿縱向毛細微槽道2流動的毛 細驅動力.，使受熱區蒸發掉的液體工質得到及時地補充，從而進一步提 高取熱能力。本實施例縱向毛細微槽道2的槽寬0.2mm、槽深0.5mm、 槽間距0.2mm，橫向毛細微槽道的槽寬0.4mm、槽深0.8mm、槽間距5mm。實施例4:
見圖3，本實施例熱沉的多個毛細微槽道3縱向密布排列，且毛細微
槽道3的橫截面為梯形，梯形的上底邊長度為0.2mm，下底邊長度為0.4mm, 槽深為0.8mm，間距為0. 2mm。
實施例5，
見圖4，本實施例熱沉的多個毛細微槽道4縱向密布排列，且毛細微 槽道4的橫截面為三角形，三角形的槽底頂角為30°，槽深為0.6mm，間 距為0. 2mm。
實施例6:
本實施例取熱器5的受熱壁為芯片的外表發熱面。即直接將發熱體8 外表面與取熱器5做成一體，作為取熱器5的受熱壁，并在受熱壁內表 面設置多個直肋1，形成直肋群，在直肋1外表面和兩直肋1之間的導熱 材料表面加工多個毛細微槽道2，形成微槽群。本實施例的其他部分同實 施例1 。
1權利要求
1、一種直肋熱擴展強化結構微細尺度復合相變取熱方法，其特征在于，包括步驟a)直接在發熱體表面上或在緊貼發熱體表面的導熱材料外表面上設置多個直肋，形成直肋群，直肋群增加了發熱體表面或導熱材料外表面的換熱面積和剛性強度；b)在直肋表面和肋間壁面上設置多個毛細微槽道，形成毛細微槽群；c)將a)、b)步得到的直肋群和毛細微槽群的一部分部浸入到液體工質中，液體工質在毛細力的作用下被吸入到多個毛細微槽道內，在微槽道內形成微細尺度蒸發和沸騰復合相變換熱的連續液膜分布；d)發熱體的一部分熱量通過直肋進入到毛細微槽道中，另一部分直接通過肋間壁面上的換熱表面進入毛細微槽道，毛細微槽道中的液體工質受熱后通過微細尺度蒸發和沸騰復合相變換熱方式帶走發熱體的熱量，從而使發熱體冷卻。
2、 一種根據權利要求1所述的方法使用的裝置，其特征在于，包括 一取熱器，所述取熱器為抽真空的密封體且其內灌注有液體工質；取熱 器的一側壁為受熱壁，受熱壁由導熱材料制成，在受熱壁內表面設有多 個直肋，形成直肋群；在直肋外表面和肋間壁面上設有多個毛細微槽道， 形成微槽群，毛細微槽道形成毛細力，以將毛細微槽道邊的液體工質吸 入到微槽道內，并在微槽道內形成能進行相變換熱的薄液膜區域；取熱器殼體上設置有使蒸汽流向冷凝器的蒸汽出口和使凝結液從冷凝器流回的凝結液入口；使用時，受熱壁的外表面與發熱體外表面緊密貼連在一起。
3、 根據權利要求2所述的裝置，其特征在于，所述直肋為矩形直肋， 高度在1 100mm之間，厚度在0.4 30mm之間，長度在l~100mm之間， 直肋的間距在0.5~30mm之間；毛細微槽道的橫截面為矩形，寬度在 0.05 2mm之間，深度在0.05~2mm之間，毛細微槽道的間距在0. 05~5mm 之間。
4、 根據權利要求2所述的裝置，其特征在于，所述多個直肋縱向密 布排列，多個毛細微槽道縱向密布排列。
5、 根據權利要求2或4所述的裝置，其特征在于，所述多個毛細微 槽道縱向密布排列，縱向密布排列的多個毛細微槽道上交叉橫向排列有 多個毛細微槽道，橫向毛細微槽道的寬度和深度在0. 05 2rnrn之間，間 距在0.1 10mm之間。
6、 根據權利要求2或4所述的裝置，其特征在于，所述多個毛細微 槽道，其橫截面為梯形，縱向密布排列，梯形的上底邊長度為0.05~2mm， 下底邊長度為0.07~4mm,槽深為0. 05~8mm，間距為0. 05~5mm。
7、 根據權利要求2或4所述的裝置，其特征在于，所述多個毛細微 槽道，其橫截面為三角形，縱向密布排列，三角形的槽底頂角為5°~120°， 槽深為0.05~8mm，間距為0.05~5mm。
8、 根據權利要求2所述的裝置，其特征在于，所述受熱壁的外表面 與發熱體外表面緊密貼連在一起，是通過導熱硅膠緊密貼連在一起。
9、 根據權利要求2所述的裝置，其特征在于，所述取熱器的受熱壁即為發熱體的外表發熱面，兩者做成一體。
10、根據權利要求l、 2或9所述的裝置，其特征在于，所述液體工質為無水乙醇、甲醇或蒸餾水；發熱體為電子、電力及光電子器件。
全文摘要
本發明一種直肋熱擴展強化結構微細尺度復合相變取熱方法及裝置，涉及散熱冷卻技術。其方法是在發熱體表面或在緊貼發熱體表面的導熱材料外表設多個直肋，成直肋群；在直肋外表面和肋間壁面上設多個毛細微槽，成毛細微槽群，毛細力將液體工質吸入到微槽道內，使發熱體的熱量進入微槽道。微槽道中的液體工質受熱后通過高強度的微細尺度蒸發和沸騰復合相變換熱方式帶走發熱體的熱量，使發熱體降溫。本發明方法的裝置包括一受熱面設置有直肋群和毛細微槽群并抽真空的取熱器，取熱器中有液體工質。本發明通過直肋群的導熱和液體工質的微細尺度復合相變換熱兩種方式，實現了無功耗的取熱。
文檔編號H05K7/20GK101500394SQ20081005718
公開日2009年8月5日 申請日期2008年1月30日 優先權日2008年1月30日
發明者唐大偉, 濤 王, 肖送連, 胡學功 申請人:中國科學院工程熱物理研究所