CN102853701B - 一种环路热管用蒸发器及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种环路热管用蒸发器，包含底板和上盖板，底板和上盖板焊接连接；所述的蒸发器为平板式蒸发器；所述的铜和镍双层烧结型吸液芯设置在底板上部；所述的吸液芯为铜和镍双层烧结型吸液芯，成品分为上下两层，上层为镍层。本发明的蒸发器具有设计制造简单、结构紧凑、成本低廉等特点，通过强化传热和控制热泄漏来提升环路热管的冷却能力，适用于高耗散功率的电子芯片的冷却。
Description
【技术领域】
本发明涉及蒸发器技术领域，具体地说，是一种环路热管用蒸发器及其应用。
【背景技术】
随着电于技术的发展，芯片的散热问题已经显得尤为突出。目前，传统电子芯片冷却中最为常用的是由肋片及风扇组成的强制对流风冷系统。这种冷却方式的能力极其有限，最大仅能提供1W/cm2的传热能力，而当前的近200W的耗散功率已达风冷散热的极限。为了保证芯片的工作稳定性、可靠性，减少计算出错率，使芯片工作在一个理想的温度范围内，一直是芯片热设计领域的研究热点和难题。环路热管具有结构紧凑简单、散热能力强、安全稳定且价格低廉等优点，它继承了传统热管利用吸液芯的抽吸力来实现冷却介质的自动循环这一优点，因此不需要额外加装泵来维持冷却介质循环。
目前困扰着环路热管发展的最大问题仍然集中在环路热管蒸发器内部结构设计和吸液芯材料的选取。
首先，蒸发区内部蒸汽排出凹槽与凸起部分的分布设计问题。设计时，希望获得较宽的蒸汽排出凹槽以降低蒸汽排出时的阻力损失，同时也希望凸起部分面积较大以快速将底板热量传导至吸液芯表面。但是实际应用中，受制于空间的大小，两者不可兼顾。为了解决该问题，蒸发区的蒸汽排出凹槽与凸起部分两者之间的分布设计必须获得一个最优的投影面积匹配，从而获 得较优的热量从底板传导至吸液芯表面的速度和蒸汽排出的效率。
其次，吸液芯材料的选取存在着极大的矛盾。采用导热系数高的材料制造吸液芯可以获得较低的热阻提升蒸发区的传热性能，但却增加了储液区的热泄露，降低了启动速度和极限热功率。反之，采用导热系数低的材料制造吸液芯可以抑制储液区的热泄露，使吸液芯两侧获得较高的温差，实现快速启动，但是却增加了蒸发区的热阻，降低了蒸发区的传热性能。因此如何在导热系数高和低的材料中选择适宜材料制造吸液芯一直困扰着设计者。为了解决该问题，提出了各自厚度可控的铜和镍双层烧结型吸液芯来解决这一矛盾，将铜吸液芯层放置在蒸发器一侧，镍吸液芯层放置在储液区一侧，既可以获得高效的蒸发且强化了传热，又可以抑制热泄漏。至于两层吸液芯之间的合适厚度比，可以通过实验来获得一个理想的结果。
此外，吸液芯与蒸发器配合也对散热性能有很大的影响。吸液芯与蒸发器底板要实现一体化烧结，尽可能降低两者之间的接触热阻，同时吸液芯与蒸发器上盖板之间要紧密配合，防止出现高压蒸汽通过两者之间的配合间隙直接回流到储液槽内部。
本蒸发器通过上述提出的三项新设计，可以明显强化蒸发区的传热性能，同时大幅度地抑制热泄漏，使整个环路热管散热器性能有了显著地提升。
【发明内容】
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种环路热管用蒸发器及其制备方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种环路热管用蒸发器，包含底板和上盖板，底板和上盖板焊接连接； 其特征在于，所述的蒸发器为平板式蒸发器；所述的铜和镍双层烧结型吸液芯设置在底板上部。
所述的加热底板的材料采用导热能力较高的紫铜，以减小热阻，使底板的热量快速传导至吸液芯表面；
所述的上盖板的材料采用黄铜，以减小蒸发器壁面的热泄漏，同时又能够使底板和上盖板焊接连接；
所述的底板上切割出蒸汽排出凹槽，使蒸汽排出凹槽的总面积和凸起部分的总面积比为1∶1时，可以保证热量及时传递到吸液芯底部，又具有足够的空间方便蒸汽排出；
所述的铜和镍双层烧结型吸液芯设置在底板上部，与底板采用一体式烧结，起到降低热阻提高蒸发区传热效率的作用，铜和镍双层烧结型吸液芯在不锈钢模具中烧结而成，为了方便脱模，模具边上设有1度的拔模斜度，因此吸液芯侧边同样也具有1度的斜度。上盖板与吸液芯配合处做出斜度为1度的倾斜面来配合所制造的吸液芯，以防止高压蒸汽回流的现象的出现。
吸液芯为铜和镍双层烧结型吸液芯，成品分为上下两层，且各自的厚度可以分别控制，上层为镍层，孔穴较小(5～10μm)，起到控制热泄漏和提供较高的毛细压力极限的作用，下层为铜层，孔穴较大(18～20μm)，整个吸液芯的孔隙率约为60％。演示实验证实，当铜层和镍层的厚度比为2∶3时，蒸发器能够达到最优的启动速度和最高的极限功率。
一种环路热管用蒸发器通过蒸汽排出管道以及液体回流管道与翅片式冷凝器形成一个环路。
与现有技术相比，本发明的积极效果是：
本发明涉及一种环路热管用蒸发器，本蒸发器具有设计制造简单、结构 紧凑、成本低廉等特点，通过强化传热和控制热泄漏来提升环路热管的冷却能力，适用于高耗散功率的电子芯片的冷却。
【附图说明】
图1为环路热管用蒸发器的结构示意图；
图2A为加热底板的俯视图；
图2B为加热底板的侧视图；
图3为蒸发器装配图；
图4为整个环路热管系统图。
其中，1加热底板，2蒸汽排出槽，3铜和镍双层烧结型吸液芯，4蒸发器蒸汽出口，5上盖板，6蒸发器冷凝液体入口，7小O型圈，8蒸汽排出管道，9液体回流管道，10翅片式冷凝器。
【具体实施方式】
以下提供本发明环路热管用蒸发器及其应用的具体实施方式。
实施例1
将安装焊接完毕的环路热管用蒸发器通过蒸汽排出管道以及液体回流管道与翅片式冷凝器形成一个环路。
即形成了环路热管散热系统进行性能测试。
该蒸发器加热底板采用紫铜，具体实施前制造出5个凹槽的总面积和凸起部分总面积比分别为1∶1、2∶1、1∶2、3∶1和1∶3的加热底板。进行试验并发现，当凹槽总面积大于凸起总面积的情况下，加热底板的温度明显较另外三 种情况高(相同加热功率的前提下)，这是由于热量大量堆积在加热表面形成的。反之，当凸起总面积大于凹槽总面积的情况下，在较高的加热功率下，加热表面的温度出现较大幅度的波动，尤其是当面积比为3∶1时，这说明高功率下蒸发器中的局部阻力损失过大，造成蒸汽排出不畅，导致温度大幅度波动。综合上述5种情况，得出凹槽的总面积和凸起部分总面积比分别为1∶1时，温度波动最小，冷却能力最强。
另外，还制造了5个不同的烧结型吸液芯(吸液芯总厚度为5毫米)，分别是镍层厚度为5毫米、4毫米、3毫米、2毫米和1毫米。相应地，铜层厚度为0毫米、1毫米、2毫米、3毫米和4毫米。进行试验并发现，镍层厚度分别为4毫米和3毫米的情况下，他们的底板温度均低于镍层厚度为5毫米的吸液芯，这是因为铜层强化了蒸发区的传热性能，而镍层为2毫米和1毫米的情况下，热泄漏依旧比较严重，极限加热功率均低于其他三种情况。此外，镍层厚度为3毫米综合性能最好。因此，当铜和镍层的厚度比例为2∶3时，蒸发器散热效率达到最高。
实际应用中，整个环路热管散热系统的大小可以根据电子芯片的实际尺寸进行修改。结合附图给出本发明发明的实施例子，以详细说明本发明的技术方案。
如图1环路热管用蒸发器所示，蒸发器主要由加热底板1、铜镍双层吸液芯3和上盖板5三部分组成。在蒸发器内部设置了蒸汽排出凹槽，方便从蒸发器蒸汽出口4排出，还放置了铜与镍厚度比例为2∶3的双层烧结型吸液芯，此外吸液芯与加热底板进行了一体化烧结以获得更低的热阻。
如图2A，2B蒸发器加热底板所示，为了方便形成的蒸汽后排出，加热底 板上线切割多条平行蒸汽凹槽2，突出的部分支撑吸液芯并将热量传导至吸液芯铜表面，而凹槽则为蒸汽的排出提供了通道。底板下方内部设置了一个阶梯的台阶，这是为了减小蒸发器底部的壁厚，使电子芯片更加贴近蒸发区。在上盖板的上端蒸发器冷凝液体入口6。
如图3蒸发器装配图所示，吸液芯被固定在上盖板和加热底板之间(吸液芯铜一侧面向加热底板并一体式烧结，镍一侧面向储液区放置)。为了防止蒸发区高压的蒸汽通过吸液芯和上盖板之间的间隙回流到储液区中，上盖板与吸液芯配合处都具有1度的斜度，保证两者间隙达到最小，再者吸液芯上方设置了小O型圈7，它可以成功阻隔蒸发区和储液区。此外，加热底板上的蒸汽凹槽的高度和蒸发器蒸汽出口相互平齐，使高压蒸汽可以快速地排出。
如图4所示，环路热管散热系统主要由蒸发器、翅片冷凝器10和连接这两部分的蒸汽排出管道8与液体回流管道9组成。而核心部件蒸发器主要由加热底板和上盖板焊接而成。
环路热管散热系统投入运行前，先要将整个装置抽成高正空(6.6×10-5Pa)，随后灌入已去除不凝性气体的去离子水，灌装液体的体积可以由量筒来控制。即整个环路热管散热系统完成了所有的准备工作。之后，将散热系统的加热底板固定在电子芯片上。开启电子芯片的电源，即可对散热系统的散热能力进行测试。
实际测试中，以水为冷却液时，该蒸发器启动时间仅为40秒，冷却功率可达230W，此时最大热流密度超过20W/cm2，而芯片表面温度维持在85℃。这一冷却能力能够满足中端的酷睿TM i5-750的最大200W耗散功率。况且本系统结构紧凑、尺寸小、重量轻，既满足空间限制要求，又不消耗额外的功 率。本蒸发器可以成功地解决吸液芯材料选材上的矛盾，一方面保证了蒸发区的高效传热和工作介质的蒸发，另一方面也减小了储液区的热泄漏。此举同时提高了环路热管散热系统的启动速度和极限加热功率，使其具有很强的冷却能力。此外，蒸发器与吸液芯的配合设计保证了环路热管散热系统在高功率下的稳定运行，避免出现高压蒸汽回流的现象。该蒸发器中的冷却介质还可以采用各种液体，包括甲醇、乙醇和氨水等。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.一种环路热管用蒸发器，包含底板和上盖板，底板和上盖板焊接连接；其特征在于，所述的蒸发器为平板式蒸发器；铜和镍双层烧结型吸液芯设置在底板上部；
所述的吸液芯为铜和镍双层烧结型吸液芯，成品分为上下两层，上层为镍层，孔穴为5～10μm，下层为铜层，孔穴为18～20μm；
所述的铜层和镍层的厚度比为2:3。
2.如权利要求1所述的一种环路热管用蒸发器，其特征在于，所述的底板的材料采用导热能力较高的紫铜。
3.如权利要求1所述的一种环路热管用蒸发器，其特征在于，所述的上盖板的材料采用黄铜。
4.如权利要求1所述的一种环路热管用蒸发器，其特征在于，所述的底板上切割出蒸汽排出凹槽，使蒸汽排出凹槽的总面积和凸起部分的总面积比为1:1。
5.如权利要求1所述的一种环路热管用蒸发器，其特征在于，所述的铜和镍双层烧结型吸液芯设置在底板上部，与底板采用一体式烧结。
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