一种微通道相变散热器

1.本发明涉及高热流密度芯片热管理领域，特别涉及一种微通道相变散热器。


背景技术：

2.进入21世纪后，大数据、云计算与人工智能技术飞速发展，芯片作为核心关键，其计算能力不断提高，运行过程中发热问题凸显，平均热流密度也超过了100w/cm2，局部热点能达到400w/cm2。微通道相变散热技术是目前解决超高热流密度芯片散热问题的最佳途径，然而，微通道相变散热过程中，液体在几十至几百微米的狭窄通道内形成汽核并逐渐生长为狭长汽泡，使微通道内形成汽液共存的两相流状态，极易导致汽液两相流不稳定现象，从而诱发管路振动和局部干烧，对散热系统稳定性和芯片造成巨大威胁。另一方面，由于微通道散热器出口为汽液两相流，会导致与微通道散热器配合的泵发生气蚀，或导致与微通道散热器配合压缩机带液运行损坏。


技术实现要素：

3.基于此，本发明的主要目的是提供一种能够在相变散热过程实现汽液分离的微通道相变散热器。
4.为实现上述目的，本发明提供一种微通道相变散热器，包括：
5.上盖，开设有间隔设置的液腔和汽腔，所述上盖还开设有与所述液腔连通的液体进口和液体出口，所述上盖还开设有与所述汽腔连通的汽体出口；
6.第一毛细芯，与所述上盖连接，且所述第一毛细芯遮盖住所述液腔，所述第一毛细芯远离所述上盖的一端具有间隔设置的多个多孔微柱，多个所述多孔微柱之间的间隙形成容汽空间，所述容汽空间与所述汽腔连通；
7.第二毛细芯，与所述多孔微柱连接，所述第一毛细芯和所述第二毛细芯均为多孔介质；及
8.下盖，盖设于所述液腔和所述汽腔，且所述下盖朝向所述上盖的一端与所述第二毛细芯连接，所述下盖远离所述上盖的一端用于贴合芯片，所述下盖由导热材质制成；
9.所述液腔用于容置液体工质，所述液体工质经所述液体进口流入所述液腔，再经所述液体出口流出至外部，所述液腔内的液体工质能够经所述第一毛细芯及所述第一毛细芯的所述多孔微柱流入所述第二毛细芯，所述芯片能够将热量经下盖扩散至所述第二毛细芯中，以使所述第二毛细芯内的液体工质蒸发相变形成蒸汽，进而所述蒸汽进入所述容汽空间，并经所述汽腔和所述汽体出口排出至外部。
10.优选地，多个所述多孔微柱间隔均匀设置于所述第一毛细芯上。
11.优选地，所述第一毛细芯和所述第二毛细芯一体成型。
12.优选地，所述第一毛细芯的平均孔径为10～50μm，所述第二毛细芯的平均孔径为1～5μm。
13.优选地，所述多孔微柱的形状为方柱形或圆柱形。
14.优选地，所述下盖开设有第一容置槽，所述第一容置槽用于容置所述第二毛细芯。
15.优选地，所述上盖开设有第二容置槽，所述第二容置槽用于容置所述第一毛细芯。
16.优选地，所述上盖开设有第三容置槽，所述第三容置槽用于容置所述下盖。
17.优选地，所述第一毛细芯和所述第二毛细芯均为由金属粉末制备得到的多孔介质。
18.优选地，所述金属粉末为铜粉、镍粉及铝粉中的一种或多种。
19.本发明技术方案的优点：当需要给芯片散热时，下盖与芯片贴合，芯片运行过程中放出的热量经下盖扩散至第二毛细芯中，以使第二毛细芯内的液体工质蒸发相变形成蒸汽，进而蒸汽进入容汽空间，并经汽腔和汽体出口排出至外部，从而实现了对芯片的散热，同时，外部液体工质经液体进口流入液腔，再经液体出口流出至外部，在此过程中液腔内的液体工质经第一毛细芯及第一毛细芯的多孔微柱流入第二毛细芯内，以给第二毛细芯补充液体工质，由于多孔介质吸液后具有汽体隔绝特性，从而扩散至容汽空间或汽腔内的蒸汽不会再次回流至容汽空间中，且由于第一毛细芯遮盖住液腔，从而将液腔与汽腔隔开，使得液腔内的液体工质不会流入汽腔内，汽腔内的蒸汽也无法穿过第一毛细芯进入液腔内，进而使得液体工质只能经液体出口排出至外部，蒸汽只能经汽体出口排出至外部，从而本技术实现了相变散热过程的汽液分离，消除了汽液两相流不稳定现象，提高了微通道相变散热器的稳定性；避免了与微通道散热器配合的泵气蚀或压缩机带液损坏。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的装置获得其他的附图。
21.图1为一实施例的微通道相变散热器的爆炸图；
22.图2为一实施例的上盖的结构示意图；
23.图3为一实施例的微通道相变散热器的俯视图；
24.图4为图3的a-a向剖视图；
25.图5为图3的b-b向剖视图；
26.图6为微通道相变散热器的工作原理图。
27.其中，100.上盖；110.液腔；120.汽腔；130.液体进口；140.液体出口；150.汽体出口；160.第二容置槽；170.第三容置槽；180.紧固螺孔；200.第一毛细芯；210.多孔微柱；220.容汽空间；300.第二毛细芯；400.下盖；410.第一容置槽。
28.1.液体工质流向；2.蒸汽流向。
29.本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
30.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其
他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中的“和/或”包括三个方案，以a和/或b为例，包括a技术方案、b技术方案，以及a和b同时满足的技术方案；另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
32.本发明一较佳实施方式的微通道相变散热器用于实现高热流密度芯片散热。
33.多孔介质具有液体透过特性和多孔介质吸液后的汽体隔绝特性，从而使得液体能够在多孔介质内流动，且多孔介质内吸液后，汽体无法从多孔介质外部进入多孔介质内部，但是汽体能够从多孔介质内部扩散至多孔介质外部。
34.如图1-5所示，一种微通道相变散热器包括上盖100、第一毛细芯200、第二毛细芯300及下盖400，上盖100开设有间隔设置的液腔110和汽腔120，上盖100还开设有与液腔110连通的液体进口130和液体出口140，上盖100还开设有与汽腔120连通的汽体出口150，第一毛细芯200与上盖100连接，且第一毛细芯200遮盖住液腔110，第一毛细芯200远离上盖100的一端具有间隔设置的多个多孔微柱210，第二毛细芯300与多孔微柱210连接，多个多孔微柱210之间的间隙形成容汽空间220，容汽空间220与汽腔120连通，第一毛细芯200和第二毛细芯300均为多孔介质，下盖400盖设于液腔110和汽腔120，且下盖400朝向上盖100的一端与第二毛细芯300连接，下盖400远离上盖100的一端用于贴合芯片，下盖400由导热材质制成，液腔110用于容置液体工质，液体工质经液体进口130流入液腔110，再经液体出口140流出至外部，液腔110内的液体工质能够经第一毛细芯200及第一毛细芯200的多孔微柱210流入第二毛细芯300内，芯片能够将热量经下盖400扩散至第二毛细芯300中，以使第二毛细芯300内的液体工质蒸发相变形成蒸汽，进而蒸汽进入容汽空间220，并经汽腔120和汽体出口150排出至外部。
35.当需要给芯片散热时，下盖400与芯片贴合，芯片运行过程中放出的热量经下盖400扩散至第二毛细芯300中，以使第二毛细芯300内的液体工质蒸发相变形成蒸汽，进而蒸汽进入容汽空间220，并经汽腔120和汽体出口150排出至外部，从而实现了对芯片的散热，同时，外部液体工质经液体进口130流入液腔110，再经液体出口140流出至外部，在此过程中液腔110内的液体工质经第一毛细芯200及第一毛细芯200的多孔微柱210流入第二毛细芯300内，以给第二毛细芯300补充液体工质，由于多孔介质吸液后具有汽体隔绝特性，从而扩散至容汽空间220或汽腔120内的蒸汽不会再次回流至容汽空间220中，且由于第一毛细芯200遮盖住液腔110，从而将液腔110与汽腔120隔开，使得液腔110内的液体工质不会流入汽腔120内，汽腔120内的蒸汽也无法穿过第一毛细芯200进入液腔110内，进而使得液体工质只能经液体出口140排出至外部，蒸汽只能经汽体出口150排出至外部，从而本技术实现了相变散热过程的汽液分离，消除了汽液两相流不稳定现象，提高了微通道相变散热器的稳定性；避免了与微通道散热器配合的泵气蚀或压缩机带液损坏。
36.在本实施例中，下盖400与芯片的封装外壳贴合，在其他实施例中，将芯片的封装外壳直接设置为下盖400，相当于省去了下盖，从而芯片运行过程中放出的热量经芯片的封装外壳直接扩散至第二毛细芯300中，进而有效减小热量传递过程中的界面热阻和接触热阻。
37.在本实施例中，液体进口130和液体出口140位于上盖100的相对两侧面，体出口150位于上盖100未开设液体进口130和液体出口140的一个侧面上。
38.在本实施例中，参考图6，多个多孔微柱210之间的间隙形成容汽空间220为蒸汽流通空间，蒸汽流向2为图6中的弯曲箭头所指方向，即第二毛细芯300内的液体工质蒸发相变形成的蒸汽先流动到容汽空间220中，然后再流动到汽腔120中，最后从汽腔120中流动至外部；第一毛细芯200和第二毛细芯300为液体工质流通空间，液体工质流向1为图6中的弯曲箭头所指方向，液腔110内的液体工质在毛细力的作用下经第一毛细芯200及第一毛细芯200的多孔微柱210流入第二毛细芯300内。
39.进一步地，参考图4，第一毛细芯200的形状为方形，液腔110为方形腔，在本实施例中，第一毛细芯200的长宽均大于液腔110的长宽，从而保证第一毛细芯200能够完全遮盖住液腔110。
40.进一步地，参考图1及图4，多个多孔微柱210间隔均匀设置于第一毛细芯200上，使得通过多个多孔微柱210对第二毛细芯300不同位置实现同时供液，从而使得第二毛细芯300内不同位置的液体温度相近，进而实现对芯片不同位置的均匀散热；避免液体工质相对第二毛细芯300左进右出时，沿液体工质流动方向第二毛细芯300温度逐渐升高，从而导致芯片从左至右温差大，并引发芯片翘曲或断裂。
41.具体地，在实际使用中，上盖100、第一毛细芯200、第二毛细芯300、下盖400及芯片是从上至下依次设置的，从而使得从正上方对第二毛细芯300不同位置实现同时供液，避免了微通道相变散热器存在表面温度均匀性差的问题，从而给芯片均匀散热，提高了芯片寿命和可靠性
42.进一步地，多孔微柱210的形状为方柱形或圆柱形。
43.进一步地，第一毛细芯200和第二毛细芯300一体成型，能够降低第一毛细芯200和第二毛细芯300之间的传热热阻，具体地，第一毛细芯200和第二毛细芯300通过烧结或3d打印一体成型，其中，烧结一体成型包括两步，即先采用冷压脱模的方式分别烧结出第一毛细芯200和第二毛细芯300，然后再进行二次烧结使二者结合。
44.在本实施例中，第一毛细芯200和第二毛细芯300的厚度可根据散热场所的尺寸按需选取。
45.进一步地，第一毛细芯200的平均孔径为10～50μm，第二毛细芯300的平均孔径为1～5μm，具体地，第一毛细芯200的平均孔径较大，从而有利于降低液体工质的流动阻力，第二毛细芯300的平均孔径较小，从而形成较大的毛细力，进而保证蒸发面的补液，防止干烧。
46.进一步地，参考图1，下盖400开设有第一容置槽410，第一容置槽410用于容置第二毛细芯300，具体地，第一容置槽410的设置，使得第二毛细芯300相对于第一容置槽410的定位更加可靠。
47.进一步地，第二毛细芯300的形状为方形，第一容置槽410为方形槽，在本实施例中，第二毛细芯300的长宽与第一容置槽410的长宽相适配，从而第二毛细芯300能够可靠的
容置于第一容置槽410内。
48.进一步地，参考图2及图4，上盖100开设有第二容置槽160，第二容置槽160用于容置第一毛细芯200，具体地，第二容置槽160位于液腔110的正下方，且第二容置槽160的长宽大于液腔110的长宽，第一毛细芯200设置于第二容置槽160内，以将液腔110完全遮盖住形成密封。
49.进一步地，第二容置槽160为方形槽，在本实施例中，第一毛细芯200的长宽与第二容置槽160的长宽相适配，从而第一毛细芯200能够可靠的容置于第二容置槽160内。
50.进一步地，参考图2及图4，上盖100开设有第三容置槽170，第三容置槽170用于容置下盖400，具体地，第三容置槽170位于液腔110和汽腔120的下方，下盖400设置于第三容置槽170内，以实现下盖400相对上盖100的盖设形成密封。
51.进一步地，下盖400的形状为方形，第三容置槽170为方形槽，在本实施例中，下盖400的长宽与第三容置槽170的长宽相适配，从而下盖400能够可靠的容置于第三容置槽170内。
52.进一步地，第一毛细芯200和第二毛细芯300均为由金属粉末制备得到的多孔介质。
53.进一步地，金属粉末为铜粉、镍粉及铝粉中的一种或多种。
54.进一步地，下盖400由金属材质制成，金属材质导热性较好，从而便于芯片放出的热量经下盖400扩散至第二毛细芯300中，进而便于实现对芯片的散热，在本实施例中，上盖100也由金属材质制成。
55.进一步地，金属材质为铜、铝、铝合金及不锈钢中的至少一种。
56.在本实施例中，芯片表面涂抹有高导热热界面材料，且芯片涂抹有高导热热界面材料的一面与下盖400贴合。
57.进一步地，参考图1-2，微通道相变散热器和芯片上均开设有紧固螺孔180，利用螺丝穿过紧固螺孔180将微通道相变散热器与芯片紧密固定贴合，在本实施例中，微通道相变散热器的紧固螺孔180位于上盖100上，再进一步地，上盖100上的紧固螺孔180的数量为多个，多个紧固螺孔180间隔分布于上盖100的四周，在本实施例中，上盖100上的紧固螺孔180的数量为四个。
58.参考图1-6，微通道相变散热器各机构之间的配合和动作过程如下：
59.在芯片表面涂抹高导热热界面材料，利用螺丝穿过紧固螺孔180将微通道相变散热器与芯片紧密固定贴合。芯片工作产生热量，热量经芯片壳体、下盖400传导至第二毛细芯300中，使第二毛细芯300内部的液体产生蒸发相变形成蒸汽，蒸汽进入容汽空间220，再经容汽空间220进入汽腔120内，然后经汽体出口150排出至外部，从而将芯片的热量带走，实现了对芯片的散热，同时，液体工质经液体进口130进入液腔110，部分液体工质在毛细力和液腔110-集汽腔120压差的协同作用下经第一毛细芯200和第一毛细芯200的多个多孔微柱210，向第二毛细芯300移动，完成对第二毛细芯300的均匀供液；多余的液体工质经液体出口140流出至外部，最终与蒸汽一起汇入到储液装置中。整个散热过程中，冷热工质分属不同的流通路径，杜绝了汽液两相流现象的出现，从而导致汽液两相流不稳定现象。
60.以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效装置变换，或直接/间接运用在其
他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。