一种变径串、并联槽道板式脉动热管的制作方法

本发明公开了一种变径串、并联槽道板式脉动热管，属于强化传热技术领域。

技术背景

当今，集成、高效、微型化的电子、微电子、光电子元器件已广泛应用于各种日常生产、生活设备，极大提升了人们的生产效率与生活品质，进程一发而不可止。然而，这类器件在集成、高效、微型化演进的同时都面临着同样的障碍——高热流密度，据调查目前这类元器件的热流密度普遍接近或超过100w/cm²，个别甚至超过200w/cm²。

高热流密度一般情况下将导致元器件工作温度过高。

众所周知，电子、微电子、光电子器件的工作性能与温度关系密切，温度越高性能越低。据统计此类元器件温度每升1℃其工作性能将下降0.4～0.5％，且电子产品故障率的55％来自超温。因此，各元器件都有其规定的允许工作温度，例如，ic芯片为85℃，t/r组件结温为125℃，led结温为130℃，超温轻则影响性能，重则导致烧毁。

另外，由于各元器件结构及产热点分布的差异性，实际中元器件表面温度分布一般也不均，因此在某些情况下，即使元器件平均温度符合允许工作温度的要求，也会由于温度不均局部出现高温而导致损坏。

为保证元器件的稳定高效工作，就必须保证其始终满足允许工作温度及均温的条件，这意味着必须对其进行良好而有效的散热。

受安装场所、允许工作温度及均温性等限制，元器件散热必须满足：平面传热、传热性能优异、均温性好、占地面积小、散热面积大、简单可靠的原则。

脉动热管由当量内径满足bo数(邦德数)的脉动槽道形成，工质在槽道中以气、液塞形式随机存在，工作时在压差推动下工质出现一种复杂运动：热端汽化工质流向冷端，放热冷凝后在重力及毛细力作用下回流冷端，往复循环，循环路径上伴随着气、液塞的随机产生与湮灭，形成强烈扰动从而强化了传热。这种工作特性使得脉动热管的传热能力远胜于同直径的传统热管。板式脉动热管是一种内含系列脉动槽道的平板热管，既具有天然的吸热平面又具有脉动热管的强传热能力。根据内部的槽道结构，板式脉动热管可分为单回路板式脉动热管和并联槽道板式脉动热管。研究表明并联槽道具有槽道短、工质同性的特点，工质运动阻力更小，通道间工质的热力状态及流动方向的一致性更好，使其在热管启动、传热热阻及均温性上都比单回路更为优越，故并联槽道板式脉动热管更适合于高热流密度元器件的散热冷却。

近年来，科研人员为解决高热流密度元器件的散热冷却问题，研发了多种具有并联槽道的板式脉动热管。但从研究与应用的情况看，所研发的并联槽道板式脉动热管表现并不佳，还存在一些不足，因此如何科学有效的解决元器件散热仍是一个难题，该问题解决不好必将严重影响上述领域的发展，故对该问题的研发就显得非常必要与急迫。

现将目前已申请的相关专利及学术研究情况总结如下。

中国专利201010279816.4提出了一种多通道并联回路脉动热管，该热管由两根平行等长的集连管和与之垂直的若干连通管焊接而成，其管径符合脉动要求，形成一种并联槽道板式脉动热管，具有很强的脉动传热能力。文献1《倾角及冷却工况对多通路并联回路板式脉动热管传热性能的影响》(化工学报，第65卷第2期，532～537页)显示，紫铜材质热管在热端温度控制在80℃的情况下，其最大热流密度为54.3w/cm²，小于高热流密度元器件的热流密度基本值，不能满足高热流密度元器件散热的需要。另外，该文献表明在冷却水流量为9.0g/s、加热功率149w、丙酮工质条件下，在热端径向两个偏离中轴四分之一板宽的测点上测得温差约为5℃，需要指出的是此温差并不能代表温差最高值，反映该热管均温性并不佳。中国专利201110074375.9提出了一种具有并联槽道的双面槽道板式脉动热管，该热管由板式中空壳体插装周期性折板封闭而成，其折板折棱与壳体内壁形成多条脉动槽道。运行时工质在槽道内呈随机高频冲击流动强化了传热，且外形为平板便于与散热对象接触，较强的散热能力使其适于电子元器件的散热冷却。但文献2《平板脉动热管传热性能的实验研究》(广东化工，第41卷第272期，第145～146、165页)的实验研究发现，当热端温度控制在80℃附近时，其可承受的热流密度只有40w/cm²，离100w/cm²的热流密度有很大差距。中国专利201110074384.8提出了一种用于电子元器件冷却的具有并联槽道的单面波浪板式脉动热管，该热管长方形的底板和波浪板贴合形成系列脉动槽道，然后再通过联通腔闭合两端形成板式脉动热管。波浪板既加大了与空气的接触面积，又能使空气产生扰动，从而强化空气侧的对流换热。热管内部工质的运动与传热行为与前述zl201110074375.9相似，管内也有很强的传热能力。文献3《基于空调能量回收的平板热管传热性能》(中南大学学报，第46卷第1期，第317～323页)对单面波浪板脉动热管进行的实验研究表明，当热端温度控制在80℃及强制风冷下，该热管传输的热流密度大约为62.64w/cm²，热端最大温差为5.7℃，与100w/cm²仍有相当的差距，显然也不能很好地解决元器件的散热问题，同时该文献还表明，热管在较低加热功率下冷端会出现冷凝液堵塞不回流的问题，导致热端温度大幅上升冷端温度大幅下降，从而大幅降低热管性能。

上述情况表明，即使采用散热效果好的并联槽道脉动热管，实际的散热成效仍然不彰。可以预期的是，未来随着元器件性能的快速提高，其散热需求将愈发严苛，由此可知，要想实现对高热流密度元器件的良好散热，必须在结构及工作原理上对现行并联槽道脉动热管予以较为综合较为彻底的改进才能实现突破。

为此，发明人对现行并联槽道脉动热管从工作原理及结构上进行了深入研究与分析，发现存在如下问题与不足。1、脉动通道当量直径保持不变，在此情况下冷端具有更强的毛细作用工质流动性变差，在启动及低加热功率时工质尤其容易发生堵塞，造成：①热管不能顺利启动、②工质回流困难无法建立良好循环，从而导致热管工作异常及传热能力下降。2、每条脉动通道皆为封闭独立通道，通道中的工质不能根据工况差异与变化进行通道间的物质交流，使得：①通道间的径向温差消除困难，导致热端均温性不佳；②通道间无有效的横向联通，弱化了管内对流换热能力。3、传统并联槽道板式脉动热管为单片型热管，受散热面积限制其散热能力不可能很大，难以满足大功率元器件的冷却。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术之不足，提出了一种具有“平面传热、传热性能优异、均温性好、占地面积小、散热面积大、简单可靠”的变径串、并联槽道板式脉动热管，用于高热流密度元器件的散热冷却，为电子、微电子、光电子领域技术的进一步发展提供助力。

本发明提出的一种变径串、并联槽道板式脉动热管，是通过下述方案来实现的：

一种变径串、并联槽道板式脉动热管，所述变径串、并联槽道板式脉动热管包括热端1、冷端2、中间体3、封头4，其特征在于：所述热端1为内部均布等径热端通道5的矩形平板；所述冷端2为内部均布等径冷端通道6的矩形平板；所述冷端通道6的当量直径是热端通道5当量直径的1-10倍；所述热端1的一端与冷端2的一端连接；或所述热端1与冷端2通过中间体3连接，在中间体3上设有一个混合腔10。

本发明一种变径串、并联槽道板式脉动热管，热端1中相邻热端通道5的间壁上设有平衡孔8和/或冷端2中相邻冷端通道6的间壁上设有平衡孔9。

本发明一种变径串、并联槽道板式脉动热管，所述中间体3一端设有一个与热端连接的连接口；另一端设有至少一个与冷端连接的连接口，中间体3的中部设有空腔，该空腔构成混合腔10。

本发明一种变径串、并联槽道板式脉动热管，热端1一端与中间体3相连，另一端设有封头4，使热端1中均布的热端通道5形成并联结构；至少一个冷端2的一端与中间体3连通，冷端2的另一端设有封头4，使冷端2中均布的冷端通道6形成并联结构。中间体3上可以连接的冷端2的数量为1-5个。

本发明一种变径串、并联槽道板式脉动热管，所述热端1的长宽可参考冷却对象大小确定，但必须能充分覆盖冷却对象；所述热端1与所述冷端2的宽度相等，所述热端长度与所述冷端2的总长度的之比为0.1～1.0，优选0.2～0.67。

本发明一种变径串、并联槽道板式脉动热管，所述热端通道5的当量直径为0.5～5mm，所述冷端通道6的当量直径为1～6mm，符合bo数要求，工质能在通道内形成强烈的脉动传热效应。

本发明一种变径串、并联槽道板式脉动热管，热端1中相邻热端通道5的间壁上按节距a设置平衡孔8，节距a的范围是：5mm≤a≤100mm；冷端2中相邻冷端通道6的间壁上按节距d设置平衡孔9，节距d的范围是：5mm≤d≤200mm；平衡孔8、9用于通道间物质的交换。

本发明一种变径串、并联槽道板式脉动热管，热端平衡孔8的当量直径为0.5～3.0mm；冷端平衡孔9的当量直径为0.8～4.5mm。

本发明一种变径串、并联槽道板式脉动热管，在热端通道5、冷端通道6的相邻间壁上设置的平衡孔的轴线重合或错位。

本发明一种变径串、并联槽道板式脉动热管，所述中间体3设置的混合腔10的长度为f：3mm≤f≤100mm。

一种变径串、并联槽道板式脉动热管，所述冷端2的矩形平板的至少一个表面设有散热翅片7。

所述热端1及所述冷端2的横截面形状为平行四边形。

所述热端通道5及冷端通道6的横截面形状为平行四边形、三角形、圆、椭圆、梯形、多边形的一种。

所述热端1须确保安装在所述冷端2在之上。

所述一种变径串、并联槽道板式脉动热管所用金属材料选自碳钢、不锈钢、铝合金、铜合金中的一种。

所述一种变径串、并联槽道板式脉动热管的工质选自去离子蒸馏水、乙醇、丙酮、氨水、甲醇、r141b中的一种或其混合体。

本发明的技术效果

本发明提出的一种变径串、并联槽道板式脉动热管应用于高热流密度电子、微电子、光电子元器件的散热冷却，具有以下优点及效果。

所述一种变径串、并联槽道板式脉动热管由热端、冷端、中间体、封头及工质5部分组成，其中：①热端和冷端为内设均布等径脉动槽道，槽道径向间壁按节距开有平衡孔的平板；②中间体为设有无障碍净空混合腔的冷、热端连接件；③封头为具有一定空间的热管端部封闭件。由上述5部分组成的热管其工质运动情况较现有技术将有很大变化，同时对热管内部的传热过程产生了积极影响，能显著提高热管的传热性能及均温性能，基本情况如下所述：①冷、热端变径及其作用，变径具体讲就是适当加大冷端的当量直径，改变冷热端当量直径比。要让工质在槽道中出现传热能力很强的脉动状态，根据表面张力及毛细原理，槽道管径必须符合bo数的要求范围，这使得实际中的管径都比较小，如冷热端管径不能改变，则较低温度的冷端可能会因毛细作用的增强而影响工质流动性。这种情况在启动或低加热功率阶段表现更为突出，此时冷端温度很低，受毛细接触角滞后影响工质流动阻力明显增加，从而导致冷端出现工质滞留与堵塞，严重影响到热管的启动和传热冷却能力。同样根据毛细作用原理，适当加大冷端槽道当量直径可有效减小冷端毛细阻力，利于工质方便及时的回流，对建立工质良好循环及提高热管传热能力都有非常积极的作用。②中间体带来的好处，一是利用混合腔，使工质形成二次并联，即热端并联和冷端并联，有助于热管内物质与热量与热力状态的均衡，既提高冷端的均温性和散热能力，又能均匀冷端的工质回流，对建立稳定工况有帮助促进作用。二是可以实现多冷端连接，为散热面积的增加与调整提供了有力方法。三是中间体给传统并联槽道板式热管带来了多种改变，如，一体冷热端可分离，连续槽道可断开，单一热端可配置多冷端，为改善提高并联槽道板式脉动热管的性能提供了充分的可能。③平衡孔的几点作用，一是当槽道某处的温度、压力偏高时，工质可通过平衡孔以脉冲或喷射的方式进入相邻槽道，并形成横向串联结构，使得相邻槽道间的物质、温度更为平衡，特别有利于解决与消除热端径向的温度不均，二是径向发生的工质随机冲击使管内传热传质由二维热质交换变为了三维，极大强化了管内换热，三是相邻槽道平衡孔可错位设置，改变错位情况可对槽内流动换热进行优化与调节；

综上所述。本发明内容从结构与传热机制上看有明显的创新变化，有实效且合符物理学理论。本发明从高热流密度元器件散热原则要求上看做到了全方位满足。其在高热流密度元器件上的应用必将有助于这些器件的散热冷却，对促进电子、微电子、光电子元器件及其相应领域的发展进步有积极的推动作用。

附图说明

附图1实施例1单冷端一种变径串、并联槽道板式脉动热管主视图。

附图2附图1的剖视图。

附图3附图1的热端剖视图。

附图4附图1的冷端剖视图。

附图5附图1的ⅰ型中间体结构图。

附图6附图1的封头结构图。

附图7实施例2双冷端一种变径串、并联槽道板式脉动热管主视图。

附图8附图7的ⅱ型中间体结构图。

附图9实施例3三冷端一种变径串、并联槽道板式脉动热管主视图。

附图10附图9的ⅲ型中间体结构图。

图中：1-热端、2-冷端、3-中间体、4-封头、5-热端通道、6-冷端通道、7-散热翅片、8-热端平衡孔、9-冷端平衡孔、10-混合腔。

以下结合附图对各具体实施例进行说明。实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。阅读本发明内容后本领域技术人员对本发明所作的各种修改，同样属于本发明所附权利要求书的限定范围。

实施例一

参见附图1、2、3、4、5、6，所述一种变径串、并联槽道板式脉动热管包括1个所述热端1、1个所述冷端2、1个所述ⅰ型中间体3、2个所述封头4，其特征在于：所述热端1为内部均布等径热端通道5的矩形平板；所述冷端2为内部均布等径冷端通道6的矩形平板；所述冷端通道6的当量直径是热端通道5当量直径的2.67倍；所述热端1与冷端2通过所述中间体3连接。

所述热端1中相邻热端通道5的间壁上设有平衡孔8，所述冷端2中相邻冷端通道6的间壁上设有平衡孔9。

所述热端1一端与中间体3相连，另一端设有封头4，使热端1中均布的热端通道5形成并联结构；所述冷端2的一端与中间体3连通，冷端2的另一端设有封头4，使冷端2中均布的冷端通道6形成并联结构。

连接在热端1与冷端2之间的中间体3上设有一个混合腔10。

所述热端1与所述冷端2的宽度相等，所述热端长度与所述冷端2的总长度的之比为0.67。

所述热端通道5的当量直径为1.5mm，所述冷端通道6的当量直径为4mm，符合bo数要求，工质能在通道内形成强烈的脉动传热效应。

所述热端1中相邻热端通道5的间壁上按节距a设置平衡孔8，节距a＝10mm；冷端2中相邻冷端通道6的间壁上按节距d设置平衡孔9，节距d＝10mm；平衡孔8、9用于通道间物质的交换。

所述热端平衡孔8的当量直径为1.7mm；冷端平衡孔9的当量直径为1.7mm。

在热端通道5和冷端通道6的相邻间壁上设置的平衡孔的轴线重合。

所述中间体3设置的混合腔10的长度f＝5mm。

所述冷端2的矩形平板的两个表面设有散热翅片7。

所述热端1及所述冷端2的横截面形状为矩形。

所述热端通道5及冷端通道6的横截面形状为矩形。

所述热端1须确保安装在所述冷端2在之上，以保证工质回流。

所述一种变径串、并联槽道板式脉动热管所用金属材料为不锈钢。

所述一种变径串、并联槽道板式脉动热管的工质为去离子蒸馏水。

实施例一为一种变径串、并联槽道板式脉动热管的最简形式，运行可靠也便于安装加工，适于发热功率稍小的高热流密度元器件。

实施例二

参见附图3、4、6、7、8，所述一种变径串、并联槽道板式脉动热管包括1个所述热端1、2个所述冷端2、1个所述ⅱ型中间体3、3个所述封头4，其特征在于：所述热端1为内部均布等径热端通道5的矩形平板；所述冷端2为内部均布等径冷端通道6的矩形平板；所述冷端通道6的当量直径是热端通道5当量直径的1.67倍；所述热端1与冷端2通过所述中间体3连接。

所述热端1中相邻热端通道5的间壁上设有平衡孔8，所述冷端2中相邻冷端通道6的间壁上设有平衡孔9。

所述热端1一端与中间体3相连，另一端设有封头4，使热端1中均布的热端通道5形成并联结构；所述冷端2的一端与中间体3连通，冷端2的另一端设有封头4，使冷端2中均布的冷端通道6形成并联结构。

连接在热端1与冷端2之间的中间体3上设有一个混合腔10。

所述热端1与所述冷端2的宽度相等，所述热端长度与所述冷端2的总长度的之比为0.6。

所述热端通道5的当量直径为2.1mm，所述冷端通道6的当量直径为3.7mm，符合bo数要求，工质能在通道内形成强烈的脉动传热效应。

所述热端1中相邻热端通道5的间壁上按节距a设置平衡孔8，节距a＝15mm；冷端2中相邻冷端通道6的间壁上按节距d设置平衡孔9，节距d＝20mm；平衡孔8、9用于通道间物质的交换。

所述热端平衡孔8的当量直径为2mm；冷端平衡孔9的当量直径为2.3mm。

在热端通道5和冷端通道6的相邻间壁上设置的平衡孔的轴线有距离b、e的错位，其中b＝7.5mm、e＝10mm。

所述中间体3设置的混合腔10的长度f＝7mm。

所述冷端2的矩形平板的两个表面设有散热翅片7。

所述热端1及所述冷端2的横截面形状为矩形。

所述热端通道5及冷端通道6的横截面形状为矩形。

所述热端1须确保安装在所述冷端2在之上，以保证工质回流。

所述一种变径串、并联槽道板式脉动热管所用金属材料为铜合金。

所述一种变径串、并联槽道板式脉动热管的工质为丙酮。

实施例二为一种变径串、并联槽道板式脉动热管的两冷端形式，制造难度适中，可用于发热功率较大的高热流密度元器件。

实施例三

参见附图3、4、6、9、10，所述一种变径串、并联槽道板式脉动热管包括1个所述热端1、3个所述冷端2、1个所述ⅲ型中间体3、4个所述封头4，其特征在于：所述热端1为内部均布等径热端通道5的矩形平板；所述冷端2为内部均布等径冷端通道6的矩形平板；所述冷端通道6的当量直径是热端通道5当量直径的1.13倍；所述热端1与冷端2通过所述中间体3连接。

所述热端1中相邻热端通道5的间壁上设有平衡孔8，所述冷端2中相邻冷端通道6的间壁上设有平衡孔9。

所述热端1一端与中间体3相连，另一端设有封头4，使热端1中均布的热端通道5形成并联结构；所述冷端2的一端与中间体3连通，冷端2的另一端设有封头4，使冷端2中均布的冷端通道6形成并联结构。

连接在热端1与冷端2之间的中间体3上设有一个混合腔10。

所述热端1与所述冷端2的宽度相等，所述热端长度与所述冷端2的总长度的之比为0.5。

所述热端通道5的当量直径为3.1mm，所述冷端通道6的当量直径为3.5mm，符合bo数要求，工质能在通道内形成强烈的脉动传热效应。

所述热端1中相邻热端通道5的间壁上按节距a设置平衡孔8，节距a＝20mm；冷端2中相邻冷端通道6的间壁上按节距d设置平衡孔9，节距d＝30mm；平衡孔8、9用于通道间物质的交换。

所述热端平衡孔8的当量直径为1.8mm；冷端平衡孔9的当量直径为2.5mm。

在热端通道5和冷端通道6的相邻间壁上设置的平衡孔的轴线有距离b、e的错位，其中b＝7.5mm、e＝15mm。

所述中间体3设置的混合腔10的长度f＝20mm。

所述冷端2的矩形平板的两个表面设有散热翅片7。

所述热端1及所述冷端2的横截面形状为矩形。

所述热端通道5及冷端通道6的横截面形状为矩形。

所述热端1须确保安装在所述冷端2在之上，以保证工质回流。

所述一种变径串、并联槽道板式脉动热管所用金属材料为铝合金。

所述一种变径串、并联槽道板式脉动热管的工质为乙醇。

实施例三为一种变径串、并联槽道板式脉动热管的三冷端形式，制造难度稍大，但可用于发热功率大的高热流密度元器件。

为检验本方案热管的散热效果，发明人设计制作了一个简易试验件：

将实施例1的热管对一平面发热体的冷却情况进行试验，热管采用的材质为不锈钢、且只在热端开有平衡孔，在控温为85℃、自然风冷条件下，测得该热管试件能承受的最大热流密度为62.7w/cm²，热端温度偏差为3.2℃，取得了比传统并联槽道更好的冷却效果。

将实施例2的热管对一平面发热体的冷却情况进行试验，热管采用的材质铝，冷却方式改为水冷，在控温为85℃，测得该热管试件能承受的最大热流密度为150w/cm²，热端温度偏差为2.3℃，取得了比传统并联槽道好得多的冷却效果。