相变散热装置的制作方法

本实用新型属于，尤其涉及一种电子器件的相变散热装置。

背景技术：

相变散热是一种高效地散热方式，其原理是利用相变换热介质在一定温度下沸腾气化吸热，然后气化的气体在其他位置冷凝液化放热，从而实现了热量的传递，其传热效果好、应用广泛。

目前，相变散热器普遍采用热管进行相变散热，相对于其他传统散热方式而言，热管散热的热量传递效率高，散热效果好。常见的热管散热器主要由三大部分组成，即热管、散热鳍片、导热基座。其中热管作为相变组件，通过相变的方式进行热量的传递，导热基座连接发热源与散热器，热源会通过导热基座将热量传递给热管，散热鳍片则是将热管和热管中相变换热介质的热量传递给外界。热管一端(蒸发部)嵌入或者焊接在导热基座上，一端(冷凝部)与散热鳍片相连接。

对于目前常见的相变散热器，其为了实现相变换热介质在合适的温度蒸发，大多数都是采用抽取真空的方式来降低其沸点。传统的热管采用去离子水或乙醇作为工质，必须维持一定的负压才能在工作点汽化。

由于热管本身为管状，且一个热管散热器适宜配置的热管数量非常有限，热管与热源直接接触面积不大，使得热量从热源处传递给相变组件(热管)时会有很大的障碍，传热效率不高，散热性能受到严重限制，还会导致基座的局部高温。另外，热管的散热方式是一维的，是以线性方式传导热量，热管本身的散热能力和散热效果不是最佳，加工热管散热器的成本也较高，对于多数的相变式散热器，多数是内部真空环境工作，这对内部相变换热介质的流动产生限制，不利于散热。

此外，目前的热管外壳材料多为紫铜，而基座材料多为铝合金，通常采用低温锡钎焊或胶结填充热管和基座成形之后的缝隙，这样就会产生一定的热阻，不利于传热，且低温锡铅焊的缺点包括：在焊前必须对散热器进行整体的镀镍或镀铜等表面处理，焊接和表面处理导致成本高，且对环境存在污染；锡焊很难保证热管和铝合金基座平面填充很好，不出现局部空隙，而因热管在功率器件下方，热流密度大，空隙会导致热源器件出现局部温升高，而导致器件损耗。热管散热器的加工成本高，且对环境存在污染。

因此，传统的相变散热器具有传热热阻大，传热不均匀、生产成本高以及换热效率低等问题。

技术实现要素：

为解决上述现有技术中的问题，本实用新型提供了一种电子器件相变散热装置，以提高热量传递效率，促进热量快速扩散。

为实现上述目的，本实用新型的电子器件相变散热装置的具体技术方案如下：

一种相变散热装置，包括内部设置有相变换热介质的相变组件，其中，相变组件中设置的相变换热介质配置为在相变散热装置工作状态时，所述相变组件内部的气压大于0.15mpa。

进一步，相变组件中设置的相变换热介质为r134a、r142b、r114、r124、r1233zd(e)、r1234ze(z)、r1234ze(e)、r600a、rc318、re245cb2、r22、r32、r407c、r410a中的任意一种或多种。

进一步，相变组件包括蒸发部和冷凝部，蒸发部的内部具有蒸发腔，冷凝部的内部具有冷凝腔，所述蒸发腔与所述冷凝腔连通，所述蒸发腔中的相变换热介质可吸收发热源的热量并向所述冷凝腔传递，冷凝腔向外散发热量以对发热源进行冷却。

进一步，所述蒸发腔为平面状或曲面状腔体。

进一步，所述冷凝部包括多个冷凝支板，所述冷凝腔为冷凝支板内部对应设置的平面状空腔；或者所述冷凝部包括多个冷凝支管，所述冷凝腔为冷凝支管内部对应设置的圆柱形空腔；或者所述冷凝部包括多个冷凝锥形管，所述冷凝腔为冷凝锥形管内部对应设置的圆锥形空腔。

进一步，所述冷凝部直接或通过管路连接在蒸发部上。

进一步，冷凝部的内壁设有冷凝强化结构，冷凝部的外壁设置有增加冷凝面积的翅片或肋片。

进一步，所述蒸发部和冷凝部内部设置有多个肋片、凸点或翅片，以提高承压能力。

进一步，所述蒸发部的外壁与发热源接触设置。

进一步，所述蒸发部的外表面具有接触吸热面，发热源具有热源面，蒸发部的所述接触吸热面与发热源的所述热源面接触，所述热源面和接触吸热面均为平面。

本实用新型的相变散热装置具有以下优点：

1)相变组件蒸发部与发热源为直接接触，蒸发部能够充分与发热源接触，传热面积大，传热效果好，当发热源的热流密度大时，和蒸发腔底部直接接触的相变介质温度气化，局部其它压力升高，蒸发腔和发热源接触热流密度最高的部位和其它部位形成压力差，可以实现相变组件蒸发部的热量快速扩散，蒸发部整体温差小。

2)相变组件为三维散热结构，相变换热介质汽化后，可以快速扩散到相变组件的任何低压部位，使得相变组件的温度均匀，传热效率高且传热均匀。

3)相变散热装置工作时，工作温度范围为30-80℃，内部压力远大于标准大气压，为正压非真空环境。发热源的热流密度大，相变装置蒸发部的绝对压力高，相变装置不同部位相同温差条件下的相对压差大，压差能驱动更多的相变介质，从而增强换热能力提高了了内部相变换热介质的流动性，提高传热的热流密度，更容易实现高效散热。

4)相变散热装置工作时，内部绝对压力大，蒸发部和冷凝部需要承受的压力大。蒸发部和冷凝部内部设置有多个肋片、凸点或翅片以提高承压能力。

5)相变组件内部钎焊或烧结有用于强化沸腾和蒸发换热的结构，相变换热介质能够更高效地进行沸腾换热，且热量扩展更为均匀、快速，热量的传递也会由于换热面积的增加而更高效。

此外，本实用新型的相变散热装置的制造不需要经过镀铜和镀镍等表面处理工艺，散热装置的相变结构和冷凝翅片直接采用高温钎焊焊接成一体，发热源(如功率器件cpu)和相变散热装置接触再通过低温锡焊填补缝隙，避免产生间隙，使得本实用新型的相变散热装置的传热极限显著提高(远大于200w)。

本实用新型可应用到芯片、电阻、电容、电感、贮存介质、光源、电池包等电力电子器件散热。

附图说明

图1a为本实用新型相变散热装置实施例一的透视图，其中多个冷凝支板不连通；

图1b为图1a中相变散热装置的剖面图，其中多个冷凝支板通过冷凝顶板相互连通；

图2为本实用新型相变散热装置实施例二的透视图；

图3a为本实用新型相变散热装置实施例三的透视图；

图3b为图3a中相变散热装置的剖面图；

图4a为本实用新型相变散热装置实施例四的透视图；

图4b为图4a中相变散热装置的剖面图；

图5a为本实用新型相变散热装置实施例五的透视图，其中蒸发部和冷凝部分离设置并通过管路连通，蒸发部具有空心矩形腔，冷凝部包括多个冷凝支板；

图5b为图5a中相变散热装置的剖面图；

图6a为本实用新型相变散热装置实施例六的透视图，其中蒸发部和冷凝部分离设置并通过管路连通，蒸发部为空心矩形腔，冷凝部包括多个冷凝支管，冷凝支管具有多个圆柱形空腔；

图6b为图6a中相变散热装置的剖面图；

图7-8示出了本实用新型相变换热介质在相变组件中流动的示意图；

图9示出了相变散热装置上的强化换热结构示意图。

具体实施方式

为了更好地了解本实用新型的目的、结构及功能，下面结合附图，对本实用新型的电子器件相变散热装置做进一步详细的描述。

本实用新型的相关术语定义如下：

沸腾换热，是指热量从壁面传给液体，使液体沸腾汽化的传热过程。

气化核心，汽化核心是启动液体沸腾的载体。

热导率，定义为在物体内部垂直于导热方向取两个相距1米，面积为1平方米的平行平面，若两个平面的温度相差1k，则在1秒内从一个平面传导至另一个平面的热量就规定为该物质的热导率，其单位为瓦特·米^-1·开^-1(w·m^-1·k^-1)。

热阻，定义为当有热量在物体上传输时，在物体两端温度差与热源的功率之间的比值，单位为开尔文每瓦特(k/w)或摄氏度每瓦特(℃/w)。

传热系数，是指在稳定传热的条件下，围护结构两侧空气温差为1度(k或℃)，单位时间通过单位面积传递的热量，单位是瓦/(平方米·度)(w/·k，此处k可用℃代替)，反映了传热过程的强弱。

热流密度，单位时间内通过单位面积传递的热量称热流密度，q＝q/(s*t)——q为热量，t为时间，s为截面面积，热流密度的单位为：j/(m²·s)过渡沸腾，当热流密度增大，由大量的汽化核心处喷出的蒸汽形成蒸汽柱，伴随蒸汽流对向传热面不给的液体产生了妨碍，短时间在传热面出现液体干涸，导致传热面的温度急剧上升。

正压，散热器和发热源接触部位的温度达到稳定时，散热器相变组件内部的压力为1.5倍标准大气压以上(大于0.15mpa)定义为正压。

微正压：散热器和发热源接触部位的温度达到稳定时，散热器相变组件内部的压力在0.1mpa至0.15mpa之间为微正压。例如采用乙醇等作为相变换热介质，工作时相变组件内部的气压为微正压。

负压：散热器和发热源接触部位的温度达到稳定时，散热器相变组件内部的压力小于0.1mpa为负压。例如：当采用水作为相变换热介质时，工作时相变组件内部的压力必须为负压，否则相变换热介质无法启动，散热器失效。

如图1a-6b所示，本实用新型的相变散热装置10包括蒸发部11、冷凝部12和设置在蒸发部11或冷凝部12内的相变换热介质20，蒸发部11、冷凝部12共同形成三维换热结构。相变散热装置10处于工作状态时，相变散热装置10内部的工作压力大于0.15mpa，处于正压状态。其中蒸发部11和冷凝部12可以直接连接在一起(图1a-图4b所示)，蒸发部11和冷凝部12也可以为通过管路连接在一起的分体式结构(如图5a-图6b所示)。

在图5a-图6b所示的实施例中，冷凝部12可以水平放置，也可以垂直放置，根据cpu板所在系统结构设计的需要，变换结构和放置方向。发热源30直接安装在相变部件的蒸发部11，热量通过蒸发部11的薄壁直接传递给相变换热介质20，相变换热介质20吸热发生相变使得相变散热装置10内部蒸发部11和冷凝部12之间产生压力差，从而驱动相变换热介质20向冷凝部12流动，相变介质在冷凝部12冷凝后，通过重力或毛细力返回蒸发部11，形成循环。

如图1a-1b所示，本实用新型的相变散热装置10包括相变组件，相变组件为内部具有空腔的封闭结构，相变组件内部装有相变换热介质20，相变组件的内部空腔为全连通结构，相变换热介质20可在相变组件的整个内部空腔中循环流动。

相变组件具有蒸发部11和冷凝部12，蒸发部11的内部具有蒸发腔，冷凝部12的内部具有冷凝腔，蒸发部11的蒸发腔与冷凝部12的冷凝腔连通，蒸发腔和冷凝腔组成相变组件的内部空腔，冷凝部12与冷凝翅片相连。蒸发腔中的相变换热介质20吸收发热源30的热量后汽化蒸发流动到冷凝腔中冷却液化，冷凝腔通过冷凝翅片向外散发热量。由此，相变散热装置10可将发热源30的热量传递到空气或其它气态的冷却介质中，以达到对热源进行散热冷却的效果。

上述相变组件的蒸发部11为内部具有空腔的平面板状体或曲面板状体，蒸发部11内部具有平面状蒸发腔或曲面状蒸发腔，蒸发部11内部的平面状空腔或曲面状空腔与冷凝部12内部的冷凝腔相连通。

冷凝部12包括多个内部具有空腔的冷凝支板，冷凝支板的内部为平面状冷凝腔，多个冷凝支板连接在蒸发部11上，冷凝支板内部的平面状冷凝腔与蒸发部11内部的平面状蒸发腔或曲面状蒸发腔相连通。上述多个冷凝支板优选成排平行设置，冷凝支板与蒸发部11垂直连接，冷凝支板的外侧连接有冷凝翅片，冷凝支板中的热量通过冷凝翅片向外界散发。蒸发部11不限为板状体结构，也可为其它柱体结构，只要下底面为平面即可。

进一步，冷凝部12的内壁设有冷凝强化结构，冷凝强化结构可以是冷凝部12内壁散布设置的毛细结构，所述毛细结构为腰形柱状或圆柱或圆锥结构，毛细结构具有毛细作用，能使汽化后的相变换热介质20更快速均匀地沿冷凝腔流动，也有利于冷凝后的相变换热介质20快速回流至蒸发腔。此外，这种毛细结构能增加冷凝腔本身的换热面积，使热量传递速度加快。

如图2所示，冷凝部12还包括冷凝顶板121，冷凝顶板121内部具有平面状冷凝腔或曲面状冷凝腔，冷凝顶板121内部的冷凝腔与冷凝支板内部的冷凝腔相连通，冷凝部12整体呈梳子形。相变换热介质20在蒸发部11的蒸发腔中吸热，通过冷凝部12的冷凝支板和冷凝顶板121进行散热，相变换热介质20在蒸发部11的蒸发腔与冷凝支板和冷凝顶板121中的冷凝腔进行循环流动，以对发热源30进行散热。冷凝顶板121可与冷凝支板一体成型。相变组件的蒸发部11和冷凝部12也优选为一体成型结构。

如图3a-3b所示，本实施例中，冷凝部12中的冷凝支板采用其他形式，也即所述冷凝部12包括多个圆柱形的冷凝支管，所述冷凝腔为冷凝支管内部对应设置的圆柱形空腔。如图4a-4b所示，所述冷凝部12还可以包括多个冷凝锥形管，所述冷凝腔为冷凝锥形管内部对应设置的圆锥形空腔。

如图5a、5b、6a、6b所示，所述冷凝部12的冷凝腔不直接与蒸发部11相连，冷凝部12的冷凝腔通过管路连接在蒸发部11上，以方便冷凝部12根据发热源30系统内部的结构进行合理布置。

由此，相变组件的蒸发部11和冷凝部12直接连通，相变组件一端的蒸发部11与相变组件另一端的冷凝部12直接连通，相变组件内部的相变换热介质20在蒸发和冷凝过程中，可实现热量从相变组件一端向相变组件另一端的水平向、竖向三维立体扩散，提升整个相变组件内部空腔，尤其是冷凝部12中冷凝腔的温度均匀性。

上述蒸发部11与发热源30直接接触，也即蒸发部11的表面(蒸发腔的外表面)与发热源30直接接触，蒸发部11的表面直接代替现有散热装置的基板，以提升发热源30与蒸发部11的热传递效率。蒸发部11优选为内部具有空腔的平面板状体，蒸发部11的一侧具有接触吸热面，发热源30具有平面状的热源面，蒸发部11的接触吸热面与发热源30的热源面接触设置。

上述发热源30的热源面的面积小于相变组件蒸发部11的接触吸热面的面积，内部相变换热介质20通过相变流动可将热量从发热源30沿二维方向快速传递到相变组件的蒸发部11，可确保相变组件蒸发腔中的温度均匀。汽化的相变换热介质20进入冷凝支板中沿第三方向流动，该第三方向垂直于平面板状体的蒸发部11，也即与蒸发部11内部的二维散热方向垂直。

所述蒸发部11和/或所述冷凝部12内部设置有多个肋片、凸点或翅片以提高承压能力。

上述相变组件和冷凝翅片可由铜、铝、铜合金、铝合金、镁合金、不锈钢材料制成，例如相变组件和冷凝翅片均由铜或者铝材料制成，相变组件和冷凝翅片优选采用钎焊方式连接，以降低相变组件和冷凝翅片的接触热阻，从而减少冷凝翅片和发热源30之间的温差。发热源30(如功率器件cpu)和相变散热装置10(如蒸发部11)接触连接设置后可通过低温锡焊填补缝隙，避免产生间隙。

冷却翅片和冷凝支板的外壁焊接在一起，增加了冷凝支板的承压能力，在散热器工作时，冷凝部12和蒸发部11的内部工作压力会增加，如增加到1mpa以上，冷却翅片和冷凝支板焊接形成的交织结构能保证冷凝部12承受工作所需的强度，冷凝部12不出现变形，保证散热器正常工作。

如图9所示，也可采用其他强化换热结构来替代冷凝翅片，强化换热结构可以是形成于冷凝部12或蒸发部11外表面的凸起或槽道(图9)，也可以是通过烧结方式在冷凝部12或蒸发部11表面形成的多孔结构。通过强化换热结构，相变换热介质20能够更高效地进行沸腾换热，且热量扩展更为均匀、快速，与外界热量的传递也会由于换热面积的增加而更高效，强化换热结构可根据发热源30的功率密度和加工制造成本选定。

如图7-8所示，图示出了相变换热介质20在相变组件中的循环流动情况，蒸发部11的相变换热介质20吸收发热源30的热量后在蒸发部11的内部蒸发腔中沿二维平面扩散，接着相变换热介质20汽化流动到垂直于蒸发部11的冷凝部12的冷凝支板中，并接着流动进入冷凝顶板121中，冷凝支板和冷凝顶板121的外表连接有冷凝翅片，冷凝支板和冷凝顶板121中相变换热介质20携带的热量通过冷凝翅片向外扩散，从而获得更有利的散热效果和性能。

本实用新型的相变散热装置中，蒸发部的蒸发腔为平面或曲面状薄壁空腔，蒸发部内设置有强化沸腾换热的毛细结构，冷凝部包括多个空心冷凝支板或冷凝支管或冷凝锥形管，空心支板、空心圆柱或空心圆锥内部设置有强化冷凝换热的结构，冷凝段的外部连接有可增加冷凝换热面积的翅片或肋片，具有良好换热性能。

在非工作状态时，散热器的环境温度低于相变介质的沸点，相变组件内部空腔各部位压力相同，内部压力可处于标准大气压或负压状态。相变组件在工作状态时，环境温度高于相变介质的沸点，相变组件内部各点温度不同，从而压力不同，相变组件内部的换热就是通过相变组件不同的温度不同，出现压力差，将蒸发部11的相变换热介质20输送到冷凝部12从而实现换热。相变换热介质20从蒸发部11到冷凝部12的输送动力来源于相变换热介质20在不同温度下的压力差。因此压差越大，输送介质的能力也会越大。相变组件的从蒸发部11到冷凝部12的传输能力主要由相变换热介质20在蒸发部11和冷凝部12的压力差、相变换热介质20的汽化潜热和相变换热介质20的密度决定。

现有技术中，常用的相变换热介质20包括水、甲醇、乙醇和丙酮，在工作状态下，这些现有相变换热介质20在处于负压或微正压状态。

采用上述相变换热介质20，工作压力均处于负压或微正压状态，也即气压小于0.15mpa。而目前电子器件的发热功率越来越大，通常的cpu或gpu的发热功率已经大于200w，功率密度大于60000j/m².s。在散热器表面温度60℃时，对于一根的铜水热管，冷凝部12温度的最大传输能力只有35w。常用尺寸为45mm×69mm的cpu的空间内只能布置4根，依靠铜水热管的最大传热能力只有约140w，剩余的热量需要靠散热器底部进行传导，采用乙醇、甲醇、丙酮作为相变换热介质20虽然会增加压力差，传输的体积流量增加，但因去离子水在等体积流量时其汽化潜热远高于乙醇、甲醇和丙酮等，所以在低热流密度时，在温差相同条件下，去离子水的传热能力强于乙醇、甲醇和丙酮等。但随着热流密度的增加和相变散热装置体积的限制，传统的铜水热管的传热能力已经不足以满足电子器件高功率散热的要求。

对于尺寸42mm×69mm的发热源30，发热源30功率采用变频调节，冷凝部12采用液冷，液体量由液冷试验装置提供，进液温度恒定在35℃，保证发热源30的温度控制在40℃，用不同相变换热介质20，测试相变组件内部的工作压力和发热功率，试验结果如表1所示：

不同相变换热介质20的热流密度测试结果如下：

表1：

在各换热介质中，r134a是四氟乙烷(cf3ch2f)，r114是二氯四氟乙烷(cclf2cclf2)，r124是四氟一氯乙烷(chclfcf3)，r125是五氟乙烷(chf2cf3)，r1233zd(e)或r1234ze(z)或r1234ze(e)均指反式一氯三氟丙烯(cf3ch＝chcl)，r600a是异丁烷(ch(ch3)3)，rc318是八氟环丁烷(cyclo-c4f8)，r245fa或r245ca均指五氟丙烷(chf2cf2ch2f)，r32是三氟甲烷(ch2f2)，r22是一氯二氟甲烷(chclf2)。

实施例1：

对于尺寸30mm×45mm的发热源30，发热源30功率采用变频调节，冷凝部12采用风冷，风量由试验风洞提供，进风温度25℃，出风温度50℃，保证发热源30的温度控制在60℃，用不同相变换热介质20，测试相变组件内部的工作压力和发热功率，试验结果如表2所示：

表2

从表2的数据可以看出，本实用新型采用标准大气压下沸点低于30℃的相变换热介质20，因相变组件中的压差增加，相变组件的传输能力大大增加，对于尺寸45mm×69mm的cpu，同体积的散热器，采用r134a、r142b、r114、r124、r1233zd(e)、r1234ze(z)、r1234ze(e)、r600a、rc318、re245cb2等相变换热介质20，传输能力均显著提高(远大于200w)。

由此，通过在相变组件中设置上述相变换热介质，即r134a、r142b、r114、r124、r1233zd(e)、r1234ze(z)、r1234ze(e)、r600a、rc318、re245cb2等或者它们的组合，相变散热装置处于工作状态时，使得相变组件内部的气压大于0.15mpa，以上相变换热介质可从市面上购买。

从试验数据可知，相变组件的传热能力与相变组件内部气压正相关，压力越大，换热功率越大。

本实用新型可应用到芯片、电阻、电容、电感、贮存介质、光源、电池包等电力电子器件散热。

可以理解，本实用新型是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本实用新型的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本实用新型的精神和范围。因此，本实用新型不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本实用新型所保护的范围内。