一种微槽道沸腾-直接接触凝结式冷板的制作方法

本发明涉及高效散热和节能领域，尤其涉及一种蒸汽沸腾和直接接触凝结共同作用的复合相变冷板。

背景技术：

电子元器件等各类型发热设备广泛应用于航空、航天、汽车、空调、数据中心等国民经济诸多领域。随着电子元器件功率密度的提升，能否有效散热成为制约其可靠性的主要瓶颈问题之一。相变冷板是一种常用的散热器件，具有较高的传热效率。

现有相变冷板主要利用固液相变或者液体沸腾和蒸汽在壁面冷凝的方式进行散热，对于热耗较大且温降速率要求较高的电子元器件的散热效果不佳。因此，亟需发展具备新型相变散热模式的冷板，以大幅提高散热效率，解决上述问题。

技术实现要素：

针对现有冷板技术中存在的缺点和不足之处，本发明提供了一种微槽道沸腾-直接接触凝结式冷板，以复合相变的方式实现电子元器件特别是高热流密度电子元器件的高效散热。该类型相变冷板具有很高的传热效率、易于加工、结构紧凑的特点。

为解决上述问题，本发明提出的技术方案为：

一种微槽道沸腾-直接接触凝结式冷板，包括基板和盖板，所述基板中设置有微槽道阵列、集液池和液体流道，所述微槽道阵列两端分别与集液池和液体流道相通，所述集液池设置有集液池入口，所述液体流道设置有液体流道入口和液体流道出口，所基板和所述盖板二者密封结合。

进一步，所述基板和盖板的材质为铝或铝合金或铜。

进一步，所述基板和所述盖板二者通过钎焊或者电子束焊的方式进行密封结合。

进一步，所述基板的微槽道阵列通过线切割、激光加工、铣或刻蚀加工而成。

进一步，所述微槽道阵列截面为矩形。

进一步，所述集液池和液体流道中的液体工质选自蒸馏水、乙醇、丙酮和环戊烷。

进一步，所述微槽道阵列中单个微槽道尺寸为槽深0.1mm～2mm、槽宽0.1mm～2mm、微槽道长度为5mm～400mm。

进一步，还包括与所述集液池入口和所述液体流道入口连通的循环泵。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供的用于电子元器件特别是高热流密度电子元器件的微槽道凝结冷板，未采用现有固液相变或者液体沸腾和蒸汽在壁面冷凝的方式进行散热，而是提出了利用液体首先在微槽道阵列中沸腾，继而与同种工质液体直接接触凝结的复合相散热模式。该复合相变散热模式基于直接接触凝结换热系数远高于间接凝结的物理实际，且能够实现蒸汽和冷水在微槽道中高频交替出现，即利用蒸汽直接接触液体产生的水锤现象实现了自激励自振荡。降温速度快，所提出的微槽道沸腾-直接接触凝结式冷板具有很高的传热系数、易于加工、结构紧凑的特点。

附图说明

图1为根据本发明实施方案的微槽道沸腾-直接接触凝结式冷板的基板结构视图；

图2为根据本发明实施方案的微槽道沸腾-直接接触凝结式冷板的盖板结构视图；

图3为根据本发明实施方案的微槽道沸腾-直接接触凝结式冷板的基板和盖板密封后结构视图；

图4为根据本发明实施方案的微槽道沸腾-直接接触凝结式冷板运行结构视图；

图5为根据本发明的微槽道沸腾-直接接触凝结式冷板用于电子元器件10的散热的示意图。

集液池1、基板2、液体流道3、盖板4、集液池液体入口5、液体流道入口7、液体流道出口8、循环泵9、电子元器件10

具体实施方式

以下结合附图和实施实例对本发明做进一步的说明，所提及内容并不用于限制本发发明。

如图1～3所示，本发明提出的一种微槽道沸腾-直接接触凝结式冷板，包括基板2和盖板4，该二者通过钎焊或者电子束焊接的方式焊接组对，其中基板2和盖板4的材质可以为铝或铝合金或铜。

基板内侧设置集液池1、液体流道3和微槽道阵列6，基板内侧的集液池1设置液体入口5、液体流道3设置液体入口7和出口8。微槽道阵列6设置在集液池1和液体流道3中间，微槽道阵列6横断面可以为矩形，其槽深和槽宽均控制在2mm以内，以实现毛细力对液体的抽吸作用，基板和盖板结合在一起，微槽道阵列、集液池和液体流道就形成为上端面封闭的腔室或通道。

如图4所示为本发明的实验效果，实验过程以单一微槽道中的蒸汽与冷水流道中的液态冷水进行直接接触进行验证，实验所用的微槽道竖直管内径为0.7mm，水平管内径1.4mm，利用高速摄影系统进行可视化拍摄，拍摄帧率为2000帧/秒。图4(a)～(f)分别描述了蒸汽柱冲向冷水、射入冷水形成汽羽、蒸汽汽羽在冷水流道中凝结完毕、流道中冷水被抽吸入竖直管、蒸汽柱再次冲向冷水、蒸汽柱入射至冷水形成汽羽。实验一方面验证了微槽道内蒸汽与冷水直接接触凝结导致汽水在竖直管内的往复运动，即水锤现象；另一方面通过定量分析，以蒸汽汽羽再次出现为一个计量周期，水锤频率约为62.5hz，表明利用该现象进行热量传递具有很高的取热和散热能力。

如图5所示，本发明的微槽道冷板用于电子元器件10的散热。电子元器件在启动之前，利用循环泵9将液体工质送入集液池1中，其中的液体工质在毛细力抽吸作用下进入微槽道阵列6，同时启动循环泵11将液体工质送入液体流道3中，随后启动电子元器件继而元件产生热量，液体工质在微槽道中快速沸腾形成多个蒸汽柱进入液体流道3中，与其中的液体工质直接接触凝结，产生高频的水锤现象，即液体流道中的液体工质周期性的进出微槽道阵列6，从而实现了利用微槽道中的液体工质快速沸腾吸热，并利用沸腾后产生的蒸汽与液体流道3中的液体直接接触凝结快速放热，来降低电子元器件温度，使得电子元器件温度保持在正常的工作温度下，例如20-30℃。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述实施方式，任何熟悉本领域的专业技术人员，在不脱离本发明的宗旨下，利用上述揭示的技术内容做出些许变更或修饰，均属本发明的保护之内。

技术特征：

1.一种微槽道沸腾-直接接触凝结式冷板，其特征在于，包括基板和盖板，所述基板中设置有微槽道阵列、集液池和液体流道，所述微槽道阵列两端分别与集液池和液体流道相通，所述集液池设置有集液池入口，所述液体流道设置有液体流道入口和液体流道出口，所基板和所述盖板二者密封结合。

2.根据权利要求1所述的微槽道沸腾-直接接触凝结式冷板，其特征在于：所述基板和盖板的材质为铝或铝合金或铜。

3.根据权利要求1所述的微槽道沸腾-直接接触凝结式冷板，其特征在于：所基板和所述盖板二者通过钎焊或者电子束焊的方式进行密封结合。

4.根据权利要求1所述的微槽道沸腾-直接接触凝结式冷板，其特征在于：所述基板的微槽道阵列通过线切割、激光加工、铣或刻蚀加工而成。

5.根据权利要求1所述的微槽道沸腾-直接接触凝结式冷板，其特征在于：所述微槽道阵列截面为矩形。

6.根据权利要求1所述的微槽道沸腾-直接接触凝结式冷板，其特征在于：所述集液池和液体流道中的液体工质选自蒸馏水、乙醇、丙酮和环戊烷。

7.根据权利要求1所述的微槽道沸腾-直接接触凝结式冷板，其特征在于：所述微槽道阵列中单个微槽道尺寸为槽深0.1mm～2mm、槽宽0.1mm～2mm、微槽道长度为5mm～400mm。

8.根据权利要求1所述的微槽道沸腾-直接接触凝结式冷板，其特征在于：还包括与所述集液池入口和所述液体流道入口连通的循环泵。

技术总结
本发明提供一种微槽道沸腾‑直接接触凝结式冷板，通过毛细力抽吸作用将集液池中的液体分配至微槽道阵列结构中，当冷板与热耗模块接触时，微槽道阵列中的液体快速沸腾并形成多束蒸汽柱入射到液体流道中，蒸汽与其同种工质的液体直接接触凝结产生高频的自激励自振荡现象，即流道中的液体周期性的进入微槽道阵列，随后微槽道阵列中产生的蒸汽周期性进入液体流道，周而复始。与既往冷板单一的相变模式或蒸汽在壁面间接凝结模式显著不同，本发明利用快速沸腾和蒸汽直接接触凝结这种复合相变模式，具有很高的综合传热系数，能够实现微小和宏观热耗模块的快速散热，且具有结构紧凑、加工简单、加工尺度弹性大、成本低、换热效率高的特点。

技术研发人员：李树谦;李桐栋;周晴晴;吴鹏飞
受保护的技术使用者：河北水利电力学院
技术研发日：2020.01.19
技术公布日：2020.05.22