阅读说明：本技术 与铝基板复合的高深宽比泡沫金属微通道相变冷却装置 (High aspect ratio foam metal micro-channel phase change cooling device compounded with aluminum substrate ) 是由 张东辉 徐海洋 陈一 王雷青 曹薇 江卫玉 宋丹 雷淑雅 于 2019-08-13 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种与铝基板复合的高深宽比泡沫金属微通道相变冷却装置,包括热沉室、冷凝器、储液罐和微型泵,所述的热沉室、冷凝器、储液罐和微型泵通过管路依次连接形成闭合回路,所述的热沉室包括泡沫金属微通道,所述的泡沫金属微通道采用若干并列排布的槽道,槽道的一侧设有入口腔室,另一侧设有出口腔室,所述泡沫金属微通道的底部固定有铝基板,储液罐中的液体工质在微型泵的作用下进入热沉室,在热沉室中汽化后,经冷凝器流回储液罐。本发明将高深宽比微通道与泡沫金属结合起来,并与铝基板复合,泡沫金属可大大增加换热面积,增加汽化核心密度,并可在沸腾换热时通过其毛细力有效供液,而不致发生干涸,高深宽比微通道可以使气泡上排。(The invention discloses a high-aspect-ratio foam metal micro-channel phase change cooling device compounded with an aluminum substrate, which comprises a heat sink chamber, a condenser, a liquid storage tank and a micro pump, wherein the heat sink chamber, the condenser, the liquid storage tank and the micro pump are sequentially connected through a pipeline to form a closed loop, the heat sink chamber comprises a foam metal micro channel, the foam metal micro channel adopts a plurality of channels which are arranged in parallel, one side of each channel is provided with an inlet chamber, the other side of each channel is provided with an outlet chamber, the bottom of the foam metal micro channel is fixedly provided with the aluminum substrate, a liquid working medium in the liquid storage tank enters the heat sink chamber under the action of the micro pump, and the liquid working medium flows back to the liquid storage tank through. The invention combines the micro-channel with high aspect ratio with the foam metal and compounds the micro-channel with the aluminum substrate, the foam metal can greatly increase the heat exchange area and the vaporization core density, and can effectively supply liquid through the capillary force of the foam metal during boiling heat exchange, thereby avoiding drying, and the micro-channel with high aspect ratio can lead bubbles to be discharged upwards.)

与铝基板复合的高深宽比泡沫金属微通道相变冷却装置

技术领域

本发明涉及一种散热装置，尤其涉及一种与铝基板复合的高深宽比泡沫金属微通道相变冷却装置。

背景技术

近年来，对电子设备的散热和换热要求越来越高，从目前的研究看，电子芯片的散热目前主要是采用风冷、液冷、热管和微通道等方式。风冷散热方式难以应对高热流密度器件的挑战；热管散热模组受到携带极限和干涸极限等现象的限制；液冷散热，其换热性能难以满足未来大功率电子器件的要求，相变换热，因其可达到极高的换热系数，在应用中备受关注，大量研究已发现：一方面，高深宽比的微通道换热系数会比常规通道高出很多；另一方面，泡沫金属对沸腾换热的强化也得以证实，由于其中存在大量的微小孔隙，可以大大增加汽化核心密度，降低壁面过热度，而且微小孔隙所提供的毛细力，也可大大加强对受热面的供液，从而避免干涸现象的发生。这就为未来超高热流密度电子器件的散热提供了新的途径。

中国专利CN201210100441.X，一种基于泡沫金属强化沸腾换热的芯片冷却系通，该专利实际上提供了一种重力热管工作方式，在一封闭腔体内用锯齿状泡沫金属来强化工质的沸腾换热，可在一定程度上降低了底部受热面的表面温度，但是系统在工作时会受到重力热管的携带极限等限制，而且此专利所讨论的是池沸腾，换热性能受到局限，系统中所考虑的由内部腔体气流所驱动的外部风扇，难以解决真空密封问题，因而其可行性是受到质疑的。

中国专利CN201010019414.0提出了一种基于交错互通网状结构微通道的换热板，该专利的微通道是由上下两层微通道组成，通过特殊的机械加工方法，使得上通道与下通道垂直，最后形成互通微通道，下层微通道凹槽有利于成核和气泡溢出，具有优良的沸腾强化性能，但是这种双层微通道仍然难以解决气泡的有效排除，这是微通道沸腾换热中的难题，在CHF提升方面难以突破100W/cm²以上。

发明内容

发明目的：本发明目的是针对现有相变冷却系在的不足，提供一种与铝基板复合的高深宽比泡沫金属微通道相变冷却装置。

技术方案：本发明包括热沉室、冷凝器、储液罐和微型泵，所述的热沉室、冷凝器、储液罐和微型泵通过管路依次连接形成闭合回路，所述的热沉室包括泡沫金属微通道，所述的泡沫金属微通道采用若干并列排布的高深宽比槽道，槽道的一侧设有入口腔室，另一侧设有出口腔室，所述泡沫金属微通道的底部固定有铝基板，所述储液罐中的液体工质在微型泵的作用下进入热沉室，在热沉室中汽化后，经冷凝器流回储液罐。

所述的泡沫金属微通道采用具有高深宽比的矩形槽道，其高深宽比为5～10。

所述的泡沫金属微通道采用泡沫铝或泡沫铜，其孔隙率为0.7～0.9，孔密度为60～100PPI，微通道数量根据需冷却的区域而定。

所述的热沉室外壳采用铝合金型材，其入口腔室与预冷器连接，出口腔室与冷凝器连接。

所述的铝基板从上而下依次包括铝合金底板、电绝缘层和热源，所述的铝合金底板与泡沫金属微通道焊接固定。

所述储液罐的出口设有调节阀，储液罐通过过滤器与微型泵连接。

所述储液罐中的液态工质采用绝缘介电液。

所述微型泵为微型齿轮泵或蠕动泵。

所述的微型泵与热沉室之间设有预冷器。

所述的管路采用铜管或不锈钢管。

工作原理：储液罐中液态工质在微型泵的作用下进入热沉室，在泡沫金属微通道中受热沸腾转变为汽态工质，将铝基板底部的高热流密度热源的热量由汽液两相流带走，并在冷凝器中通过空冷的方式散发至外界环境中，同时，汽态工质重新转化为液态工质，流回储液罐，往复循环使用。

有益效果：本发明将高深宽比微通道与泡沫金属结合起来，并与铝合金基板复合，泡沫金属可大大增加换热面积，大大增加汽化核心密度，并可在沸腾换热时通过其毛细力有效供液，而不致于发生干涸，高深宽比微通道可以使气泡上排，这样在器件工作时，微通道下层可视为液态工质通道，上层可视为汽态工质通道，从而实现气液分离，而不会出现常规微通道中聚合而成的大汽泡因通道限制向上游膨胀的现象，从而极大提升了临界热流密度CHF极限。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的泡沫金属微通道示意图；

图3为本发明的热沉室布置图；

图4为本发明的铝基板示意图；

图5为本发明的储液罐示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1至图5所示，本发明包括热沉室1、冷凝器6、储液罐4、过滤器5、微型泵3和预冷器11，热沉室1、冷凝器6、储液罐4、过滤器5、微型泵3和预冷器11依次通过管路12焊接连接形成闭合回路，管路12采用铜管或不锈钢管。如图3所示，热沉室1采用矩形腔体结构，其中央设有泡沫金属微通道2，泡沫金属微通道2的一侧设有出口腔室14，另一侧设有入口腔室13。储液罐4中的液态工质7在微型泵3的作用下，进入热沉室1，在泡沫金属微通道2中受热沸腾转变为汽态工质，将铝基板8上端的高热流密度热源的热量由汽液两相流带走，并在冷凝器6中通过空冷的方式散发至外界环境中。

泡沫金属微通道2的结构如图2所示，采用具有高深宽比的矩形槽道，高深宽比的微通道通过机械加工方法制作而成，泡沫金属微通道2在加工后，需进行清洗去除氧化层。矩形槽道沿热沉室1的宽度方向并列均布排布，矩形槽道的一侧连接有入口腔室13，另一侧连接出口腔室14，微通道的深宽比为5～10，微通道宽度为0.2～0.4mm,微通道高度1～4mm，相邻微通道之间的肋柱宽度为0.2～0.4mm，微通道数量根据需冷却的区域而定。泡沫金属微通道2中的泡沫金属采用泡沫铝或泡沫铜等，孔隙率为0.7～0.9，孔密度为60～100PPI。泡沫金属微通道2的底部固定有铝基板8，铝基板8和泡沫金属微通道2之间采用真空钎焊方法连接，焊接温度为640℃。铝基板8的长度与热沉室1的长度相等，热沉室1的腔体外壳采用铝合金型材，热沉室1的设计需保证并列微通道分液的均匀性，热沉室顶部设有盖板15，盖板15的尺寸与热沉室1的外形尺寸相同。铝基板8与热沉室1采用焊接封装，通过焊接方式，与铝基板8的铝合金底板复合，减小界面热阻，并可获得极高的CHF临界热流密度。

如图4所示，铝基板8从上至下依次包括铝合金底板、电绝缘层和热源10，铝合金底板和电绝缘层之间通过环氧树脂胶粘结在一起，铝合金底板与热沉室1底部焊接，电绝缘层底部设有若干热源10。热沉室1的入口腔室13与预冷器11连接，预冷器11为板式换热器，通过冷却水保证热沉室1入口处液态工质7的温度；热沉室1的出口腔室14与冷凝器6连接，冷凝器6采用自冷对流空冷换热器，空冷式冷凝器应保证足够的紧凑性和高效散热，以节省出相应的空间，冷凝器6的出口连接储液罐4，如图5所示，储液罐4为储存液态工质7的罐状容器，由不锈钢焊接加工而成，侧面和底部布设进出口管路接头，并附有液位计，采用并联的方式连接于循环管路，内部的液态工质7为氟里昂或绝缘介电液，储液罐4的出口通过调节阀9连接过滤器5，其干燥过滤器目数为200～300目。过滤器5的出口连接微型泵3，微型泵3为微型齿轮泵或蠕动泵，其出口连接预冷器11，系统管路在注入工质前必须进行清洗、检漏、保压、抽真空等工序。

本发明储液罐4中液态工质7在微型泵3的作用下，进入热沉室1，在泡沫金属微通道2中受热沸腾转变为汽态工质，将铝基板8底部的高热流密度热源10的热量由汽液两相流带走，并在冷凝器6中通过空冷的方式，散发至外界环境中，汽态工质重新转化为液态工质7进入储液罐4中，往复循环。