一种具有梯度孔隙结构毛细吸液芯的微型毛细泵环的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开一种具有梯度孔隙结构毛细吸液芯的微型毛细泵环。该微型毛细泵环结构包括蒸发器、冷凝器、蒸汽联管和液体联管等部件。蒸发器由蒸发室、吸液芯、液体补偿室和蒸发器壳体组成。蒸发室包括蒸汽槽道、蒸发器底板和蒸汽室，蒸汽槽道和蒸发器底板做成一体，蒸汽槽道采用线切割加工形成。蒸汽槽道上放置具有梯度孔隙结构的毛细吸液芯，提供毛细泵环的循环动力。液体补偿室中有纵横交错槽道，与吸液芯紧密相连，保证工质均匀分布在吸液芯上面。冷凝器由冷凝器上盖、散热翅片、强化冷凝结构、吸液芯组成。整个毛细泵环结构结构紧凑、利用具有梯度孔隙结构毛细吸液芯提供大毛细力、减小流动阻力小、加快工质回流速度，从而大大提高整个结构的传热能力，在大功率高热流密度的电子芯片散热领域具有广阔应用前景。
【专利说明】一种具有梯度孔隙结构毛细吸液芯的微型毛细泵环
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及到一种冷却技术，尤其是电子芯片的冷却技术，具体地是采用微型毛细泵环相变散热，应用于微电子芯片的散热。
【背景技术】
[0002]随着电子芯片集成度的不断提高，超大规模单个芯片上所容纳的原件数量越来越多，高达十万个以上。如此高的集成度，势必导致芯片的发热量急剧增加，目前处理器的热流密度以高达106W/m2，因此，散热成为制约芯片集成度进一步提高的技术关键。据有关调查显示，电子元器件的工作温度在70?80°C的基础上每增加1°C，其可靠性就会下降5%，有三分之二以上的芯片均由于高温而失效。如此高的热流密度，靠传统的风扇散热已经无法满足，通过增加风扇的转速和叶片直径，效果并不是很明显，而带来的负面效果如噪音、尺寸过大却十分明显。水冷散热效果较好，但是需要外力驱动，增加能耗，同时可靠性也难以保证，因为水一旦泄漏，就会发生短路现象，造成不可估量的后果。近年来，热管技术不断运用于芯片散热，取得了很大效果。但是，热管散热也有它的极限性，如蒸汽和液体在同一根管道中流动，会产生工质携带极限。又如，安装不方面，如果将热管弯曲，散热效果会大大降低。因此寻求一种新的芯片散热方式势在必行。
[0003]毛细泵环作为一种新的散热方式，具有许多优点，如系统采用相变传热，工质在蒸发时候吸收汽化潜热，散热量大。将蒸发器和冷凝器分离，使得蒸汽和液体分别在不同的管道中流动，互不干扰，因此避免了热管的携带极限，其散热效果可以比热管高I?2个数量级。另外，蒸发器和冷凝器用PU管连接，两者的位置和长度可以灵活变动，因此给安装带来极大的方便，还可以实现远距离散热，这是热管无法是实现的。整个毛细泵环的驱动力由相变力和毛细力提供，不需要外加动力，因此噪音低，节能，可靠性高。
[0004]尽管毛细泵环具有许多优点，但是也还有存在一些技术难点还没有攻破，比如吸液芯，一方面要求孔隙率尽量小，以提供足够的毛细力驱动系统工作；另外一方面又要求孔隙率尽量大，以减小工质的流动阻力，这两者是矛盾的，很难使两者都达到最优状态。此外，毛细泵环在启动以及低热流密度情况工作是容易产生温度以及压力波动，过大的波动会使毛细泵环难以启动，甚至启动失败。
[0005]2006.07.12公开的专利号为CN200510101322.6的中国发明专利说明书公开了一
种带有微沟槽翅结构的毛细泵吸冷却装置及其制造方法，该装置包括蒸发器、冷凝器、蒸汽联管和液体联管，蒸发器与冷凝器通过蒸汽联管与液体联管连接，构成一个液体工质在其内部循环的系统，蒸发器和冷凝器内设有由多块交错互通两面带有微沟槽翅结构的微沟槽翅沸腾强化板。该装置通过微沟槽翅结构提高毛细泵的冷却效率，但未能解决毛细泵冷却循环体系对吸液芯毛细孔率有不同要求的问题。
实用新型内容
[0006]本实用新型的提供了一种具有梯度孔隙结构毛细吸液芯的微型毛细泵环，以解决现有技术中存在的上述问题。
[0007]本实用新型提供的技术方案如下:
[0008]一种具有梯度孔隙结构毛细吸液芯的微型毛细泵环，包括蒸发器11、冷凝器21、蒸汽联管31和液体联管41，所述蒸发器11由蒸发器吸液芯100分割成蒸发室110和液体补偿室120，所述蒸发室110包括蒸汽槽道111、蒸发器底板112和蒸汽室113，所述蒸汽室113位于所述蒸汽槽道111的一端，所述蒸汽槽道111与蒸发器底板112是一体的，所述蒸汽槽道111是由经线切割加工成的一系列长方形深沟槽，所述蒸汽槽道111的顶部具有微齿114 ;所述蒸发器吸液芯100具有梯度孔隙结构，所述梯度孔隙结构在靠近所述蒸汽槽道111 一侧的孔隙率小，靠近所述液体补偿室120 —侧的孔隙率大；所述液体补偿室120具有与所述蒸发器吸液芯100紧密贴合的分液槽121 ;所述蒸发器11的壳体115上设有蒸汽导出孔116和工质回流孔122，所述蒸汽导出孔116位于所述壳体115的侧面，与所述蒸汽室113相连通，所述工质回流孔122位于所述壳体115的顶部；所述冷凝器21分为上下两部分:上部分由冷凝器上盖211、强化冷凝结构212、散热翅片213、蒸汽入口 214以及工质灌注口 215组成；下部由冷凝器吸液芯221、散热翅片213、冷凝器下盖223及工质出口 222组成；所述蒸发器11和所述冷凝器21通过所述蒸汽联管31和所述液体联管41形成一个闭合回路。
[0009]进一步的，所述分液槽121为纵横交错结构，所述分液槽121与所述蒸发器吸液芯100紧密贴合的面积与所述蒸发器吸液芯100的横截面积相同，所述分液槽121的深度为8謹，宽度为2謹。
[0010]进一步的，所述蒸发器底板112为紫铜板。
[0011]进一步的，所述蒸汽槽道111的深度为8?IOmm,宽度为I?2mm。
[0012]进一步的，所述蒸发器吸液芯100为金属纤维烧结毡或泡沫金属。
[0013]进一步的，所述金属纤维烧结毡中的金属纤维的当量直径为50?ΙΟΟμπι，长度为150 ?250mm。
[0014]进一步的，所述蒸发器吸液芯100具有双梯度孔隙率，第一梯度孔隙率为75%?85%，优选为80%，第二梯度孔隙率为85%?95%，优选为90%。
[0015]进一步的，所述蒸发器吸液芯100具有三梯度孔隙率，第一梯度孔隙率为65%?75%，优选为70%，第二梯度孔隙率为75%?85%，优选为80%，第三梯度孔隙率为85%?95%，优选为90%。
[0016]进一步的，所述冷凝器吸液芯221为单一孔隙结构。
[0017]为进一步是实现本实用新型的目的，所述蒸发器吸液芯100总厚度为6_，长和宽分别为70mm和40mm。在双梯度孔隙率结构中，具有第一梯度孔隙率的吸液芯1001厚度为2mm，具有第二梯度孔隙率的吸液芯1002厚度为4mm ;在三梯度孔隙率结构中，具有第一梯度孔隙率的吸液芯1003厚度为1mm，具有第二梯度孔隙率的吸液芯1004厚度为2mm，具有第三梯度孔隙率的吸液芯1005厚度为3mm。所述冷凝器吸液芯221采用90%单一孔隙率，其厚度为4mm。
[0018]本技术方案与【背景技术】相比，它具有如下优点:
[0019]1、本实用新型体积小、结构紧凑，无需机械动力，可以实现大热量的传递，特别适合在小面积区域高热流密度的场合。[0020]2、本实用新型提出带有梯度孔隙率的蒸发器吸液芯，在提高毛细力的同时减小系统的流动阻力，加快了液体工质的回流速度，极大的提高了系统的传热能力。
[0021]3、本实用新型将金属纤维烧结毡运用于冷凝器，可以避免系统在启动或者低热流密度工况下出现的温度或者压力波动情况。
[0022]4、本实用新的各个组成部分加工制作工艺简单，整个结构安装拆卸方便，易于维护保养。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1本实用新型具有梯度孔隙结构毛细吸液芯的微型毛细泵环结主视图
[0024]图2本实用新型蒸发器剖视图
[0025]图3本实用新型冷凝器剖视图
[0026]图4本实用新型双梯度孔隙率剖视图
[0027]图5本实用新型三梯度孔隙率剖视图
[0028]图6本实用新型分液槽俯视图
【具体实施方式】
[0029]以下通过实施例和附图对本实用新型作进一步说明，但本实用新型不仅限于此实施例。
[0030]如图1、图2和图3所示，毛细泵环工作时工质的循环路线。热量从蒸发器底板112传到蒸发室110，工质吸收热量在蒸汽槽道111里面沸腾汽化，吸收汽化潜热，生成的蒸汽沿着蒸汽槽道111在蒸汽室113聚集，随着蒸汽量的不断增加，蒸汽室113的压力不断上升，当压力超过系统总压力时，蒸汽从蒸汽导出孔116沿着蒸汽联管31进入冷凝器21。蒸汽进入冷凝器21后，由于冷凝器21温度低，蒸汽液化放出汽化潜热，液化后的工质从工质出口 222经液体联管41回到蒸发器11的液体补偿室120。在液体补偿室120分液槽121作用下，液体均勻地分布于蒸发器吸液芯100的表面,蒸发器吸液芯100产生一定的毛细力，将回流的液体工质吸回蒸发室110，完成一个工作循环。
[0031]如图2和图1所示，蒸发器11由蒸发器吸液芯100分隔为左右两个腔室。右端为蒸发室110，蒸发室110包括蒸汽槽道111、蒸发器底板112和蒸汽室113，蒸汽室113与蒸汽导出孔116相连通，在蒸汽槽道111的顶部设有微齿114，可保证各蒸汽槽道111的压力平衡。微齿114与蒸发器吸液芯100的底部压紧在一起。来自蒸发器吸液芯100的工质分布在蒸汽槽道111上，热量经过蒸发器底板112传到蒸汽槽道111，将上面的液体工质汽化，工质汽化后吸收汽化潜热后将热量带走。产生的蒸汽在蒸汽室113不断积聚，当压力超过系统阻力时，蒸汽从蒸汽导出孔116流出并经过蒸汽联管31到达冷凝器21。蒸发器吸液芯100左端为液体补偿室120，来自冷凝器21的液体工质通过工质回流孔122，然后经过液体补偿室120的分液槽121将工质均匀地分布在蒸发器吸液芯100表面。工质在蒸发器吸液芯100的毛细力作用下到达蒸发室110。蒸发器吸液芯100与分液槽121也是紧密结合在一起的。
[0032]如图3和图1所示，冷凝器21分为冷凝器上盖211，强化冷凝结构212，散热翅片213、蒸汽入口 214，冷凝器吸液芯221，冷凝器下盖223，工质出口 222，以及工质灌注口 215组成。来自蒸发器11的蒸汽经蒸汽联管通过蒸汽入口 214进入冷凝器21，在强化冷凝结构212的作用下，蒸汽冷凝为液体，液化释放的热量通过冷凝器上盖211的散热翅片213散发到空气中。液化后的工质流经冷凝器吸液芯221，然后通过工质出口 222经液体联管41流回蒸发器11。液体工质的灌注以及抽真空通过工质灌注口 215来实现。冷凝器吸液芯221还可以防止蒸汽压力波动，避免系统的温度波动。
[0033]图4和图5是蒸发器吸液芯100剖视图。图4是双梯度孔隙率吸液芯结构示意图，整个蒸发器吸液芯100厚度为6mm，孔隙率分别为80%、90%，80%孔隙率吸液芯1001厚度为2mm，靠近蒸发室110 —侧，90%孔隙率吸液芯1002厚度为4mm，靠近液体补偿室120 —侧，这样小孔隙率吸液芯主要起着提供毛细力的作用，而大孔隙率的吸液芯主要起着通道的作用。图5为三梯度孔隙率吸液芯结构示意图，整个蒸发器吸液芯100厚度为6_，孔隙率分别为70%、80%和90%。70%孔隙率吸液芯1003厚度为1mm，靠近蒸发室110 —侧，80%孔隙率吸液芯1004厚度为2mm，90%孔隙率吸液芯1005厚度为3mm，靠近液体补偿室120 —侧。
[0034]图6是分液槽121俯视图。分液槽121宽为2_，深8mm，分液槽121 —侧表面中间具有一个液体入口 1211，以便回流工质进入槽道内。分液槽121另一侧表面与蒸发器吸液芯100紧密贴合在一起，以便液体工质能够顺利达到蒸发器吸液芯100表面。
[0035]上述仅为本实用新型的一个具体实施例，但本实用新型的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本实用新型进行非实质性的改动，均应属于侵犯本实用新型保护范围的行为。
【权利要求】
1.具有梯度孔隙结构毛细吸液芯的微型毛细泵环，包括蒸发器、冷凝器、蒸汽联管和液体联管，其特征在于:所述蒸发器由蒸发器吸液芯分割成蒸发室和液体补偿室，所述蒸发室包括蒸汽槽道、蒸发器底板和蒸汽室，所述蒸汽室位于所述蒸汽槽道的一端，所述蒸汽槽道与蒸发器底板是一体的，所述蒸汽槽道是由经线切割加工成的一系列长方形深沟槽，所述蒸汽槽道的顶部具有微齿；所述蒸发器吸液芯具有梯度孔隙结构，所述梯度孔隙结构在靠近所述蒸汽槽道一侧的孔隙率小，靠近所述液体补偿室一侧的孔隙率大；所述液体补偿室具有与所述蒸发器吸液芯紧密贴合的分液槽；所述蒸发器的壳体上设有蒸汽导出孔和工质回流孔，所述蒸汽导出孔位于所述壳体的侧面，与所述蒸汽室相连通，所述工质回流孔位于所述壳体的顶部；所述冷凝器分为上下两部分:上部分由冷凝器上盖、强化冷凝结构、散热翅片、蒸汽入口以及工质灌注口组成；下部由冷凝器下盖、冷凝器吸液芯、散热翅片及工质出口组成；所述蒸发器和所述冷凝器通过所述蒸汽联管和所述液体联管形成一个闭合回路。
2.根据权利要求1所述具有梯度孔隙结构毛细吸液芯的微型毛细泵环，其特征在于，所述分液槽为纵横交错结构。
3.根据权利要求1或2所述具有梯度孔隙结构毛细吸液芯的微型毛细泵环，其特征在于，所述分液槽与所述蒸发器吸液芯紧密贴合的面积与所述蒸发器吸液芯的横截面积相同。
4.根据权利要求1所述具有梯度孔隙结构毛细吸液芯的微型毛细泵环，其特征在于，所述蒸发器底板为紫铜板。
5.根据权利要求1所述具有梯度孔隙结构毛细吸液芯的微型毛细泵环，其特征在于，所述蒸汽槽道的深度为8~IOmm,宽度为I~2mm。
6.根据权利要求1所述具有梯度孔隙结构毛细吸液芯的微型毛细泵环，其特征在于，所述分液槽的深度为8mm,宽度为2mm。
7.根据权利要求1所述具有梯度孔隙结构毛细吸液芯的微型毛细泵环，其特征在于，所述蒸发器吸液芯为金属纤维烧结毡或泡沫金属。
8.根据权利要求7所述具有梯度孔隙结构毛细吸液芯的微型毛细泵环，其特征在于，所述金属纤维烧结毡中的金属纤维的当量直径为50~100 μ m，长度为150~250mm。
9.根据权利要求1所述具有梯度孔隙结构毛细吸液芯的微型毛细泵环，其特征在于，所述蒸发器吸液芯具有双梯度孔隙率，第一梯度孔隙率为75%~85%，第二梯度孔隙率为85% ~95%。
10.根据权利要求9所述具有梯度孔隙结构毛细吸液芯的微型毛细泵环，其特征在于，所述蒸发器吸液芯具有双梯度孔隙率，第一梯度孔隙率为80%，第二梯度孔隙率为90%。
11.根据权利要求1所述具有梯度孔隙结构毛细吸液芯的微型毛细泵环，其特征在于，所述蒸发器吸液芯具有三梯度孔隙率，第一梯度孔隙率为65%~75%，第二梯度孔隙率为75%~85%，第三梯度孔隙率为85%~95%。
12.根据权利要求11所述具有梯度孔隙结构毛细吸液芯的微型毛细泵环，其特征在于，所述蒸发器吸液芯具有三梯度孔隙率，第一梯度孔隙率为70%，第二梯度孔隙率为80%，第三梯度孔隙率为90%。
13.根据权利要求1所述具有梯度孔隙结构毛细吸液芯的微型毛细泵环，其特征在于，所述冷凝器吸液芯为单一孔隙结构。
【文档编号】F28D15/04GK203672209SQ201420037335
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2014年1月21日 优先权日:2014年1月21日
【发明者】周伟, 凌伟淞, 秦利锋, 马盛林, 张军鹏, 邓大祥, 段炼, 杨旭, 张金惠, 夏雁鸣 申请人:厦门大学