阅读说明：本技术 一种增强冷凝的微型板式脉动热管散热器 (Miniature plate-type pulsating heat pipe radiator for enhancing condensation ) 是由 张东 徐宝睿 安周建 侯宏艺 张瑞 吴江波 南军虎 权辉 刘春阳 闫承涛 李金平 于 2021-08-19 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种增强冷凝的微型板式脉动热管散热器,属于无缘驱动的散热冷却技术领域,包括硅基或者铜基底板,其特征在于在硅基或者铜基板上蚀刻的微通道,和玻璃或铜盖板,板式脉动热管下部为蒸发段,中间为绝热段,上部为冷凝段,所述冷凝段分为若干处分叉结构,所述分叉结构之间有充液口。本发明在继承传统脉动热管优点的同时,将微通道蚀刻在硅基或者铜基底板上,平面更有利于其和电子芯片的贴合,减小接触热阻,且其通道尺寸更小,脉动强烈,更有利于热量从蒸发段传递到冷凝段,所以其更加适用于电子器件散热领域。(The invention discloses a micro plate type pulsating heat pipe radiator for enhancing condensation, which belongs to the technical field of passive driving heat dissipation and cooling and comprises a silicon-based or copper-based base plate and is characterized in that a micro-channel etched on the silicon-based or copper-based base plate and a glass or copper cover plate are arranged, the lower part of a plate type pulsating heat pipe is an evaporation section, the middle part of the plate type pulsating heat pipe is an insulation section, the upper part of the plate type pulsating heat pipe is a condensation section, the condensation section is divided into a plurality of branching structures, and a liquid filling port is arranged between the branching structures. The invention, while inheriting the advantages of the traditional pulsating heat pipe, etches the micro-channel on the silicon-based or copper-based base plate, the plane is more beneficial to the attachment of the micro-channel and the electronic chip, the contact thermal resistance is reduced, the channel size is smaller, the pulsation is strong, and the heat is more beneficial to being transferred from the evaporation section to the condensation section, so the invention is more suitable for the heat dissipation field of electronic devices.)

一种增强冷凝的微型板式脉动热管散热器

技术领域

本发明属于无缘驱动的散热冷却技术领域，具体涉及一种增强冷凝的微型板式脉动热管散热器。

背景技术

热管散热器是利用热管技术能对许多老式散热器或换热产品和系统作重大的改进而产生出的新产品。热管散热器有自然冷却和强迫风冷两大类。风冷热管散热器的热阻阻值能做得更小，常用于大功率电源中。热管散热器由密封管、吸液芯和蒸汽通道组成。吸液芯环绕在密封管的管壁上，浸有能挥发的饱和液体。这种液体可以是蒸馏水，也可以是氨、甲醇或丙酮等。充有氨、甲醇、丙酮等液体的热管散热器在低温时仍具有很好的散热能力。

经现有文献检索发现，中国专利公开号CN103411458B，公开日2016年5月4日的专利申请公开了一种脉动热管散热器，该专利文献包括大热管(1)，在所述的大热管(1)外壁上设有吸收大热管(1)散发热量的脉动热管(2)。脉动热管采用几种排列形式：所述的脉动热管(2)为若干根环形管圆形阵列在所述大热管(1)外壁上；所述的脉动热管(2)为一根螺旋形管且首尾相接环绕在所述的大热管(1)外壁上；所述的脉动热管(2)与所述大热管(1)外壁相切设置；所述的脉动热管(2)与所述的大热管(1)外壁接触为一整段；所述的脉动热管(2)沿所述大热管轴向设若干层；所述的脉动热管(2)焊接在所述大热管(1)外壁上。虽然该专利文献能够起到一定的散热效果，但是脉动不够强烈、换热面积小，其密封性能也较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种脉动强烈、换热面积大、密封性能高的增强冷凝的微型板式脉动热管散热器。

为了实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种增强冷凝的微型板式脉动热管散热器，包括硅基或者铜基底板，其特征在于在硅基或者铜基板上蚀刻的微通道，和玻璃或铜盖板，板式脉动热管下部为蒸发段，中间为绝热段，上部为冷凝段，所述冷凝段分为若干处分叉结构，所述分叉结构之间有充液口。

根据以上特征，所述冷凝段分布若干分叉结构，微型通道通过MEMS蚀刻加工而成，玻璃或铜盖板通过阳极键合与硅基底板密封。

在一些示例中，所述微型通道截面形状为方形、矩形、三角形或梯形的一种，由上至下通道截面积可由大到小或者保持不变。

根据以上特征，所述分叉结构的面积为10mm×10mm，内部有5条宽度为1.2mm、深度为2mm的微通道，通道之间间隔1mm。

在一些示例中，所述微型板式脉动热管内注入工质，所述工质包括纯水、乙醇溶液、纳米流体，其充液率范围为30％～70％。

根据以上特征，所述底板为硅或铜的一种，其厚度为4mm。

将平直的通路变成分叉结构，虽然会增加一部分流动阻力，但是增加程度有限，与高功率下蒸发段汽塞膨胀所引起的压力差相比可以忽略不计。

热阻是评价板式脉动热管换热能力的最准确直观的参数，其表达式为：R＝ΔT/Q。其中，ΔT为蒸发段与冷凝段温差，Q为稳定绝热状况下板式脉动热管所接受的热负荷。热阻越低说明相同冷热端温差下能够传输更多的热量。经过实验验证，如图6所示，以纯水为工质，在50％充液率且倾角90度情况下，加热功率为20W到70W(步进10W)，增强冷凝型微型板式脉动热管换热器的热阻数值分别为1.05、0.91、0.66、0.58、0.37及0.32；与之对应，传统型板式脉动热管热阻值分别为1.12、1.08、0.89、0.81、0.55及0.42。可见在宽广的加热功率范围内，增强冷凝型板式脉动热管换热器均能有效降低热阻值且在高功率下表现依然良好。

换热系数体现了板式脉动热管的换热能力，其数值越大，换热能力越强。其表达式为：h＝Q/(ΔT·A)，其中，ΔT为蒸发段与冷凝段温差，Q为稳定绝热状况下板式脉动热管所接受的热负荷，A为换热面积。经实验验证，如图7所示，以纯水为工质，在50％充液率且倾角90度情况下，加热功率为20W到70W(步进10W)，增强冷凝型板式脉动热管换热器换热系数值分别为：285.7、329.7、454.5、517.2、810.8、937.5，与之对应，传统型板式脉动热管换热系数值分别为：274.3、284.4、345.2、379.3、558.6、731.5。可见由于分叉结构的引入，在宽广的输入功率范围内，板式脉动热管的换热能力均有增强。且在高功率输入情况下，此发明依然能够拥有更高的换热系数，提高了板式脉动热管的适用范围，故亦适用于高功率输入条件。据此分析，此发明能够有效强化传热传质，性能更优。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明在继承传统脉动热管优点的同时，将微通道蚀刻在硅基或者铜基底板上，平面更有利于其和电子芯片的贴合，减小接触热阻，且其通道尺寸更小，脉动强烈，更有利于热量从蒸发段传递到冷凝段，所以其更加适用于电子器件散热领域。

2)本发明在冷凝段部位，将原来直路通道做成若干分叉结构，首先可以增强工质在冷凝段的不规则运动，分叉结构内的若干突起起到增强扰动的作用。

3)本发明将原本一路流体分成若干路，增大了工质和底板之间的换热面积，在冷却系统相同的情况下，换热面积的增加可以使换热量相同比例的增加，在相同时间内有更多的汽化工质冷凝，同时回到蒸发段完成热量传递，克服了高功率下，由于工质回流不及时导致的蒸发段烧干的现象，提高了板式脉动热管的应用范围。

4)本发明通过键合技术将盖板和底板结合成一体，免去在底板上开孔，用螺丝紧固的步骤，有利于减小板式脉动热管尺寸，增强密封性能，减小板式脉动热管重量。

附图说明

图1为本发明一种增强冷凝的微型板式脉动热管散热器的结构示意图，阴影部分为微通道流道。

图2为本发明的整体装配分解示意图。

图3为本发明的冷凝段分叉结构示意图，阴影部分为微通道流道。

图4为本发明的分叉结构横截面图，阴影部分为微通道流道。

图5为本发明的微通道内汽液塞分布示意图。

图6为本发明与不带分叉结构的板式脉动热管在50％充液率下的热阻对比图。

图7为本发明与不带分叉结构的板式脉动热管在50％充液率下的换热系数对比图。

图中所示：1-冷凝段，2-绝热段，3-蒸发段，4-分叉结构，5-充液口。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的实施例。虽然附图中显示了本发明的实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。本领域的技术人员可以在不偏离本发明精神和保护范围的基础上从下述描述得到替代技术方案。

实施例1

如图1和图2所示：一种可增强冷凝段换热的微型板式脉动热管散热器，它包括硅基或者铜基底板，在硅基或者铜板上蚀刻微通道，和玻璃或铜盖板。微型板式脉动热管下部为蒸发段，中间为绝热段，上部为冷凝段。冷凝段分为若干处分叉结构，可增加流体与底板之间的接触面积，增强换热。分叉结构之间有充液口。冷凝段分布若干分叉结构，微型通道通过MEMS蚀刻加工而成，玻璃盖板通过阳极键合与硅基底板密封。微型通道截面形状可以是方形、矩形、三角形、梯形，由上至下通道截面积可由大到小或者保持不变。如图3和图4所示，分叉结构面积为10mmX10mm，内部有5条宽度为1.2mm、深度为2mm的微通道，通道之间间隔1mm。板式脉动热管内充注纯水、乙醇溶液、纳米流体等工质，充液率在30％-70％。底板为硅或者铜，厚度4mm。

实施例2

如图1、图2和图3所示，本发明实例的一种增强冷凝的微型板式脉动热管主要由蚀刻有微通道的硅基或铜基底板和玻璃或铜键合而成，包括冷凝段1、绝热段2、蒸发段3、分叉结构4和充液口5。通过充液口5实现抽真空和工质注入。本实例中板式脉动热管内充注有50％体积分数的纯水。

图1中微型板式脉动热管整体尺寸为49mm×100mm，微通道深宽比为1：1，都是2mm，相邻通道之间间隔1mm，纵向共14条通道。冷凝段有两处分叉结构，如图3和图4所示，面积为10mm×10mm，该结构中横向有5条微通道，宽度为1.2mm，深度为2mm，深宽比为1.6：1。两处分叉结构中间位置，密封玻璃或铜板上开有直径2mm的充液口。板式脉动热管厚度为4mm，密封玻璃或铜板厚度为1mm。

要获得板式脉动热管，应先将真空泵通过连接装置与小孔5相连，将微通道抽成真空，通过针管计量，将板式脉动热管的充液率保持在50％，之后封闭充液口做好密封，即可得到充液率为50％的以水为工质的微型板式脉动热管。此发明特别适合电子器件散热，将芯片表面与板式脉动热管蒸发段贴合，当芯片发热时，如图5所示，蒸发段内间隔分布的液体受热升温，直到达到该压力下的沸点，瞬间汽化。膨胀的汽塞压力不断增大，在蒸发段和冷凝段之间形成压力差，此压力差推动蒸发段的受热工质流向冷凝段。液体工质在冷凝段以显热的方式将热量传递给冷却系统，气体工质以潜热方式冷凝，将热量传递给冷却系统，完成换热。在高功率情况下，冷凝段额外的换热面积可以加强冷却效果，使更多的汽液工质完成换热，促使工质回流，避免蒸发段烧干的情况发生，增大微型板式脉动热管的功率适用范围。

实施例3

如图1、图2、图3所示，同实施例1，所不同的是，蒸发段和绝热段微通道深度为3mm，宽度为2mm，深宽比为1.5：1，分叉结构微通道深度为3mm，宽度为1.2mm，深宽比为2.5：1。

实施例4

如图1、图2、图3所示，同实施例1，所不同的是，蒸发段和绝热段微通道尺寸为梯形，水力直径同为2mm。

如图1、图2、图3所示，同实施例1，所不同的是，蒸发段和绝热段微通道尺寸为三角形，水力直径同为2mm。

如图1、图2、图3所示，同实施例1，所不同的是，充注50％体积分数的乙醇溶液。

如图1、图2、图3所示，同实施例1，所不同的是，充注体积分数0.1％的CuO纳米流体溶液。

以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开实施例的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开实施例揭露的技术范围内或者在本公开实施例揭露的思想下，可轻易想到变化、替换或组合，都应涵盖在本公开实施例的保护范围之内。