一种带有气体控水单元的散热装置的制作方法

本发明涉及一种散热装置。

背景技术：

散热无处不到的应用，被人们认识和接受。以电力电子器件为例，由于功率器件的自身损耗，产生大量的热，而且功率损耗与功率增加成正比。目前散热方法主要有：自然冷却、强制排风冷、水循环冷却。其冷却效果、成本、复杂性、能量损耗依次由低到高，可靠性依次由高到低，尤其在高达225℃结温的宽禁带半导体器件，水循环冷却的温度限制则无法发挥宽禁带半导体器件耐高温特性。因此，散热是影响功率电子器件性能、质量的关键要素之一。功率器件的功率密度即单位体积的输出功率，单位体积的输出功率越大，器件的性能越好。器件的自然冷却是首选，自然冷却在无自然风情况下是利用散热器热源对周边空气加热，产生冷暖对流自然循环散热，自然冷却简单、可靠、成本低等优点。但是当散热器结构、体积、环境条件不变，而器件功率增加，散热器发热量增大，使散热器在水平和垂直方向温度分布的热空气对流发生方向及速度改变，形成乱流直接影响散热性能，此时自然冷却的热对流空气换热，不能满足散热要求，必须采取主动排风锁定热气流动方向和加快空气热对流速度，才能降低散热器温度。

随着宽禁带半导体器件快速的发展，宽禁带半导体器件突出优点之一是耐高温特性，使传统硅半导体的环境55℃温度要求提升到100℃以上，由于气体蒸发可达到100℃以上的高温气体，蒸发散热是宽禁带半导体器件非常好的散热方法。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有自然冷却功率器件散热方法的不足，提出一种带有气体控水单元的散热装置。本发明集自然冷却、强迫风冷和水冷的优点，基于理想气体状态方程，在容积不变时，压强与热力学温度成正比原理，充分利用功率器件自身热源升高容器内气体温度，使容器内部压强增大，当容器内的大气压强大于空气压力时，利用跳跃膜片的失稳特性，控制阀门，在容器出口瞬间排出高压气流，使散热器周边气流加速方向被锁定，达到在自然冷却条件下提高散热器效率目的。

本发明带有气体控水单元的散热装置由散热器、器件固定平台、气压控水单元和呼吸单元组成。气压控水单元安装在所述散热器的一侧，器件固定平台位于散热器上部，呼吸单元嵌入散热器中。

所述的气压控水单元安装在散热器一侧，气压控水单元与散热器通过隔热材料隔离，气压控水单元通过导水管与呼吸单元连接，向呼吸单元提供蒸发散热用水。

所述的器件固定平台固定功率器件。

所述的呼吸单元与散热器紧配合。

所述的呼吸单元由膨胀室、具有毛细管功能的导热材料、进气孔、进气端密封盖、逆止阀、球缺形跳跃膜片和罩式曲面阀门组成。

所述的膨胀室为管状,用导热良好的材料制作。球缺形跳跃膜片覆盖于膨胀室的一端，与膨胀室连接处密封。球缺形跳跃膜片的中心有排气孔，排气孔上安装有罩式曲面阀门，罩式曲面阀门贴于球缺形跳跃膜片的内表面。进气端密封盖覆盖于膨胀室的另一端，与膨胀室密封连接。进气端密封盖为绝热材料制作。进气端密封盖上安装有逆止阀，开有进气孔，进气孔与逆止阀进口端连接。球缺形跳跃膜片面向膨胀室内的一面为内表面，背向膨胀室的另一面为外表面。

对球缺形跳跃膜片施加大于跳跃失稳点的压力，加载或卸载到一定程度时球缺形跳跃膜片发生位移突变，当球缺形跳跃膜片向膨胀室内跳跃时，罩式曲面阀门和逆止阀关闭，压缩膨胀室内的气体，球缺形跳跃膜片向膨胀室外跳跃时，罩式曲面阀门和逆止阀开启，产生气流，吸进空气或水，排出膨胀室内的气体。进气孔和逆止阀配合，将混合水气吸入膨胀室内，进入膨胀室内的水气在高温的作用下瞬间膨胀，膨胀室内的压力大于膨胀室外的压力，逆止阀关闭，使膨胀气体不能回流。而通过用绝热材料制作的进气端密封盖，隔离膨胀室与外界环境，有利于膨胀室快速升温使气体蒸发。蒸发气体的分子吸收散热器热量，使气体快速膨胀，驱动球缺形跳跃膜片弹跳，同时带走散热器热量。

所述的具有毛细管功能的导热材料为中空圆柱形状，安装在膨胀室内，导热材料中空圆柱外缘与膨胀室内壁接触，导热材料中空圆柱体的一端连接于进气端密封盖的内侧，逆止阀置于导热材料中空圆柱体的中心位置，当水和空气经逆止阀进入到膨胀室内，水经具有毛细管功能的导热材料快速散开成小的微粒，使得水快速蒸发。

由于球缺形跳跃膜片球缺形的结构特点，当对球缺形跳跃膜片施加大于跳跃失稳点压力时，球缺形跳跃膜片失去稳定性，突然改变形状，在球缺形跳跃膜片中心产生较大的挠度，使球缺形跳跃膜片上凸或下凹，罩式曲面阀门同步打开或关闭。

所述的进气端密封盖上安装有逆止阀，控制混合水气单向流入膨胀室内。

所述的罩式曲面阀门由位于球缺形跳跃膜片中心的排气孔和星形阀片组成；星形阀片中心为圆形阀片，阀片的半径大于排气孔的半径，阀片与球缺形跳跃膜片上的排气孔同心。阀片边缘连接有若干根等长的软绳，软绳的另一端沿排气孔圆周均布，粘贴在球缺形跳跃膜片的内表面。软绳用于限制阀片移动距离，在球缺形跳跃膜片内表面向下凹处于稳态时，由于阀片受到软绳长度的限制，阀片将排气孔罩住，排气孔被关闭；当球缺形跳跃膜片内表面向上凸并处于稳态时，阀片开启，将排气孔打开。罩式曲面阀门同步打开或关闭。

当球缺形跳跃膜片向膨胀室内跳跃时，球缺形跳跃膜片下凹，罩式曲面阀门和逆止阀关闭，压缩膨胀室内的气体；球缺形跳跃膜片向膨胀室外跳跃时，球缺形跳跃膜片上凸，罩式曲面阀门和逆止阀开启，产生气流，吸进空气或水，排出膨胀室内的气体。

所述的气压控水单元由储水室、蒸汽室、导水管、注水逆止阀及进气通道组成。其中蒸汽室位于气压控水单元的上部，储水室位于气压控水单元的下部，注水逆止阀位于气压控水单元的顶部，气压控水单元的底部连接有导水管，导水管与气压控水单元连通，导水管的另一端通过进气通道与进气端密封盖上的逆止阀和进气孔连通。

当气压控水单元内压力大于大气压时，所述的注水逆止阀关闭，当气压控水单元内压力小于大气压时，注水逆止阀打开进入空气，当气压控水单元无水时可利用空气膨胀吸热。

所述的气压控水单元提供膨胀室供水，满足水吸热蒸发带走热量。

所述的气压控水单元吸收一定的散热器热量，使在气压控水单元上部蒸汽室内产生水蒸汽，气压控水单元内压力增加，加大进入膨胀室内水的流量，加速水蒸发散热速度，同时提高膨胀室内的初始压力；所述的气压控水单元内的水温随散热器温度升高或降低，气压控水单元可以控制进入膨胀室内的水量。

本发明带有气体控水单元的散热装置工作原理和工作过程如下：

当功率器件工作时，散热器吸收功率器件发散的大量热量。散热器中的多组呼吸单元将温度快速传导到膨胀室和具有毛细管功能的导热材料中。气压控水单元排出的液体水及携带的气体，经逆止阀在具有毛细管功能的导热材料中快速扩散并吸收热量，水和气由于吸收膨胀室热量而蒸发膨胀，使膨胀室内压力增大，由于PV＝Rt在等容条件下压力增加温度增加，加速气体快速膨胀，其中P为压力，V为体积，R导热系数，t为温度。当压强大于球缺形跳跃膜片跳跃失稳点时，球缺形跳跃膜片由凹形向凸形翻转跳跃，同时罩式曲面阀门打开，球缺形跳跃膜片跳跃时产生的气流携带膨胀室的热气流向同一方向快速排出，热气流又使散热器局部气体膨胀，气体密度和气压降低，使散热器及周边气体定向流动，形成“冷热空气对流”，由于空气在静止时是非常好的绝热体，只有空气流动时才能实现散热，空气流动速度与散热量成正比，流速越快散热越好。

由于球缺形跳跃膜片由凹形向凸形跳跃翻转时，膨胀室内压大于外部压力，压力使阀片同步位移，保持罩式曲面阀门关闭状态，此时球缺形跳跃膜片外表面作用于空气，产生一定流速的气体，使膨胀室排气孔处大气压力进一步降低，当球缺形跳跃膜片由凹形向凸形处于稳态时，阀片刚好将排气孔打开，膨胀室内的气流快速排出，也使膨胀室内的压力快速降低，造成膨胀室内压强小于外面压强，此时逆止阀打开，气体和少量的水吸入膨胀室内。

由球缺形跳跃膜片结构决定，当球缺形跳跃膜片由凹形向凸形翻转变化到极限程度时，球缺形跳跃膜片自动由凸形向凹形回跳翻转。当球缺形跳跃膜片由凸形向凹形跳跃翻转过程中，阀片将排气孔罩住，排气孔被关闭，球缺形跳跃膜片内表面作用于膨胀室内气体反向压缩，逆止阀关闭。膨胀室内气体压强大于膨胀室外大气压强，上述过程也称为呼吸单元吸气过程。此时膨胀室内压强为：环境大气压+球缺形跳跃膜片回跳对膨胀室气体压缩压强＝膨胀室压强。

当吸进到膨胀室内的水和气吸收热量蒸发膨胀，使膨胀室内压强增大。此时膨胀室内压强为：环境大气压+水蒸发膨胀压力+球缺形跳跃膜片回跳对膨胀室气体压缩压力＝膨胀室内压力；

当球缺形跳跃膜片达到跳跃失稳点压力时，膨胀室内的水蒸发膨胀压力为：水蒸发膨胀压力＝球缺形跳跃膜片跳跃失稳点压力-环境大气压-球缺形跳跃膜片回跳对膨胀室气体压缩压力；

球缺形跳跃膜片跳跃失稳点压力＝膨胀室内压力。

置于散热器一侧的气压控水单元，由于蒸汽室内部压强与散热器温度成正比，散热器温度越高，蒸发气越多压强越大，由此气压控水单元输出水的流量在蒸汽室压力传递下，向膨胀室提供的水量越多，膨胀室内的蒸汽密度越大，吸收散热器温度越多，排出的气体流量越大，散热效果越好。反之散热器温度越低，气压控水单元的蒸汽室内压力越小，向膨胀室输出水量同步减少，当散热器温度降低气压控水单元的蒸汽室内压力与环境压力相等，供水停止，散热器进入自然散热，此时进入膨胀室内只有空气。由此大大的减少散热用水，同时通过合理设计气压控水单元中的蒸汽室容量大小，也能达到节约用水的目的。

为了保证散热装置效率减少用水量，本发明散热装置通过四个过程散热：

1.散热器低温时，散热装置进入自然冷却过程；

2.散热器温度逐步升高，气压控水单元水温度同步升高，但气压控水单元蒸汽室内压力不大于环境压力时，膨胀室只吸入空气，散热器通过热膨胀室对空气加热膨胀散热过程；

3.散热器温度升高气压控水单元蒸汽室内气体膨胀压力增大，膨胀室吸入空气和水，散热器通过热膨胀室对水和空气加热，水和气体吸热蒸发膨胀，当膨胀室内部压力达到球缺形跳跃膜片跳跃失稳点压力时，膨胀室内吸热气体排出散热。由于气压控水单元通过散热器温度改变气压控水单元内的压力，实现控制水的流量，所以气压控水单元向膨胀室的给水量与散热器温度成正比，散热器温度越高气压控水单元向膨胀室给水量越大，反之散热器温度越低气压控水单元向膨胀室给水量越少；

4.散热器温度降低，气压控水单元水的温度同步降低给水停止，散热器进入对空气加，空气热膨胀散热，逐步到散热器自然冷却过程；

由于散热量与用水量、散热温度、膨胀室容量、排气量和气体流速有关，而气体流速u与膨胀室的压力pm和罩式曲面阀门排气孔面积s有关，膨胀室体积Vg大小与气体流速u无关，与流量有关，体积越大排气流量越大，用时越长。膨胀室容量越小排气流量越小，加热用时越短，呼吸单元完成一次呼和吸过程的频率越高；

由于气压控水、罩式曲面阀、气体膨胀膜片跳跃式散热装置是一种集机械运动、空气动力及热动力相结合的装置，体现出水冷、强制风冷、自然冷却各自优点。由于散热量WR与膨胀室排气频率F、散热器温度Tc、时间长度ts、水量Lw、膨胀室体积Vg及球缺形跳跃膜片失稳点压力pm有关,所以有散热量WR：

WR＝f(ts，Vg，Tc，Lw，p1，F)；由于膨胀室的压力p1在球缺形跳跃膜片失稳点释放，所以膨胀室的压力等于球缺形跳跃膜片失稳点压力。

本发明具有以下特点：

●集水、强制风、自然散热：当膨胀室吸入水时，进行的是水蒸发冷却，此过程同水冷散热、当膨胀室蒸发排出气体过程时，同强制风冷散热、散热器置于自然环境散热同自然冷却，集各自优点散热；

●在自然冷却时，散热器温度低于控温临界点，本发明散热装置采用空气加热膨胀散热，只有散热器温度高于控温临界点时，才启动水蒸发散热，由此用水量少；

●与同体积自然风冷比较，不消耗额外功率，提高散热能力，由此提高功率输出密度；

●散热面积大；

●采用简单机械结构，可靠性高，成本低；

附图说明

图1本发明散热装置结构图；

图2球缺形跳跃膜片结构示意图；

图3球缺形跳跃膜片罩式曲面阀门开关结构原理示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，本发明带有气体控水单元的散热装置由散热器7、器件固定平台18、气压控水单元14和呼吸单元组成。所述的气压控水单元14安装在所述散热器7的一侧，器件固定平台18位于散热器7的上部，呼吸单元嵌入散热器7中。需要散热的功率器件固定于器件固定平台18上。

所述的气压控水单元14安装在所述散热器7的一侧，通过安装在气压控水单元14与散热器7中间的隔热材料与散热器7隔离。气压控水单元14通过导水管与呼吸单元连通，向呼吸单元提供蒸发散热用水；

所述的器件固定平台18位于散热器7上部，功率器件固定在器件固定平台18上。

所述的呼吸单元嵌入散热器7内，与散热器7紧配合。

所述的呼吸单元由膨胀室4、具有毛细管功能的导热材料17、进气孔13、进气端密封盖1、逆止阀2、球缺形跳跃膜片5和罩式曲面阀门组成。

如图2所示，所述的膨胀室4为管状，用导热良好的材料制作。球缺形跳跃膜片5覆盖在膨胀室4的一端，与膨胀室4的连接处密封。球缺形跳跃膜片5的中心有排气孔15，排气孔15上安装有罩式曲面阀门，罩式曲面阀门贴于球缺形跳跃膜片5的内表面。进气端密封盖1覆盖于膨胀室4的另一端，与膨胀室4密封连接。进气端密封盖1为绝热材料制作。进气端密封盖1上安装有逆止阀2和进气孔13。进气孔13与逆止阀2进口端连接。球缺形跳跃膜片5面向膨胀室4内侧的一面为内表面，背向膨胀室4内侧的另一面为外表面。进气端密封盖1上安装有逆止阀2，开有进气孔13。进气孔13与逆止阀2进口端连接。对球缺形跳跃膜片施加大于跳跃失稳点压力，球缺形跳跃膜片5加载或卸载到一定程度时能够发生位移突变，当球缺形跳跃膜片5向膨胀室4内跳跃时，压缩膨胀室4内的气体，球缺形跳跃膜片5向膨胀室4外跳跃时，产生气流，吸进空气或水，排出膨胀室4内的气体。进气端密封盖1覆盖于膨胀室4的另一端，与膨胀室4密封连接。进气端密封盖1为绝热材料制作。进气孔13和逆止阀2将混合水气吸入膨胀室4内，进入膨胀室4内的水气在高温的作用下瞬间膨胀，膨胀室4内的压力大于膨胀室4外的压力，逆止阀2关闭，使膨胀气体不能回流。而进气端密封盖1的绝热材料可将膨胀室4的温度与外界环境温度隔离，有利于膨胀室4快速升温气体蒸发。蒸发气体分子吸收散热器7的热量，使气体快速膨胀，驱动球缺形跳跃膜片5弹跳，同时带走散热器7的热量。所述的具有毛细管功能的导热材料17为中空圆柱形状，安装在膨胀室4内，导热材料17的中空圆柱外缘与膨胀室4内壁接触，中空圆柱体一端与进气端密封盖1内侧连接，逆止阀置2于导热材料17中空圆柱体的中心位置，当水和空气经逆止阀2进入到膨胀室4内，水经具有毛细管功能的导热材料17快速散开成小的微粒，使水快速蒸发。

由于球缺形跳跃膜片5球缺形独特的结构，当对球缺形跳跃膜片5施加大于跳跃失稳点压力时，球缺形跳跃膜片5失去稳定性，突然改变形状，在球缺形跳跃膜片5中心产生较大的挠度，使球缺形跳跃膜片5上凸或下凹，罩式曲面阀门同步打开或关闭。

球缺形跳跃膜片5向膨胀室4内跳跃时，球缺形跳跃膜片5下凹，罩式曲面阀门和逆止阀2关闭，压缩膨胀室4内的气体；球缺形跳跃膜片5向膨胀室4外跳跃时，球缺形跳跃膜片5上凸，罩式曲面阀门和逆止阀2开启，产生气流，吸进空气或水，排出膨胀室4内的气体。

所述的进气端密封盖1上安装有逆止阀2，控制混合水气单向流入膨胀室4内。

如图3所示，所述的罩式曲面阀门由位于球缺形跳跃膜片5中心的排气孔15和星形阀片组成。星形阀片中心为圆形状阀片6，阀片6的半径大于排气孔15半径，阀片6与球缺形跳跃膜片5上的排气孔15同心，阀片6边缘连接有若干根等长的软绳16，软绳16的另一端沿排气孔15圆周均匀的粘贴在球缺形跳跃膜片5的内表面。软绳16用于是限制阀片移动的距离，球缺形跳跃膜片5内表面向下凹，处于稳态时，阀片6受到软绳16长度的限制，将排气孔15罩住，排气孔被关闭；球缺形跳跃膜片5内表面向上凸处于稳态时，阀片6打开，排气孔15开启。罩式曲面阀门同步打开或关闭。

当球缺形跳跃膜片5向膨胀室4内跳跃时，球缺形跳跃膜片5下凹，罩式曲面阀门和逆止阀2关闭，压缩膨胀室4内的气体；球缺形跳跃膜片5向膨胀室4外跳跃时，球缺形跳跃膜片5上凸，罩式曲面阀门和逆止阀2开启，产生气流，吸进空气或水，排出膨胀室4内的气体。

所述的气压控水单元14由储水室9、蒸汽室10、导水管12、注水逆止阀11及进气通道8组成，其中蒸汽室10位于气压控水单元14的上部，储水室9位于气压控水单元14的下部，注水逆止阀11位于气压控水单元14的顶部，气压控水单元14的底部连接有导水管12，与气压控水单元14连通，导水管12的另一端经进气通道8与进气端密封盖1上的逆止阀2和进气孔13连接。

当气压控水单元14内压力大于大气压时，所述的注水逆止阀11关闭，当气压控水单元14内压力小于大气压时，注水逆止阀11打开，进入空气，当气压控水单元14无水时可利用空气膨胀吸热。