一种基于固体吸附驱动和热管强化传热的电子器件散热器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于固体吸附驱动和热管强化传热的电子器件散热器，包含蒸发器、吸附床、冷凝器、膨胀阀、热水系统和冷却水系统；热水系统包含热水箱和换热器；冷却水系统包含冷却水箱、冷凝器和冷却塔；蒸发器底部为蒸发面板，能够将其下表面扣置在电子器件发热件上，蒸发器内部设有热管群，蒸发器分别与吸附床和膨胀阀连接，膨胀阀的另一端与冷凝器连接；吸附床通过管路分别与冷却水箱、热水箱、冷却塔、换热器、冷凝器连接，吸附床与热水箱之间的管路上设有热水泵，吸附床与冷却水箱之间的管路上设有冷却水泵。本发明提供的基于固体吸附驱动和热管强化传热的电子器件散热器，具有能量利用率高、对驱动热源温度要求低、易控制等优点。
【专利说明】一种基于固体吸附驱动和热管强化传热的电子器件散热器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种低品位热源利用技术和电子器件散热装置，具体地，涉及一种基于固体吸附驱动和热管强化传热的电子器件散热器。
【背景技术】
[0002]目前，在我国电子工业发展迅速，随着电子器件的高频、高速以及集成电路技术的进步，电子器件的性能越来越高，使得单位容积电子器件的发热量和热流密度大幅度增加，就拿电子芯片来说，目前电子芯片的最大发热功率已经超过了 lOOw/cm2，而且还在快速增力口，电子散热装置的布置和设计遇到的约束越来越多。
[0003]常用传统的散热方式如风冷(强制对流)，由于其冷却效率与风扇的速度成正比，当热流密度达到一定的数值时，这种冷却方式显得力不从心。流行的散热方式还有水冷散热、半导体制冷和热管技术。
[0004]热管是上世纪六十年代发展起来的具有特别高的导热性能的传热元件，结构比较简单，图1为热管的工作原理简图，管壳采用金属管，其内壁贴附丝网状吸液芯，以利用毛细力使工作液体在吸液芯内不受热管位置的限制而移动。管壳两端封死，管内抽真空，灌入适量的工作液。工作时，蒸发段18的工作液体被热管外的热流体加热，吸取潜热蒸发，其蒸汽经绝热段17流向冷凝段16，工作液蒸汽放出潜热，凝结为液体。蒸汽液化释放出来的潜热通过管壁传递给热管外面的冷流体。积聚在冷凝段吸液芯中的凝结液借助吸液芯毛细力的作用回到加热段再吸热蒸发。工作液的这种循环就把热量从加热段传递到冷凝段。在由热管束组成的热管传热器中，通过热管这个中间媒介，热流体的热量就可以传给冷流体，实现传热过程。
[0005]我国现有的溶液除湿技术是以提高浓缩比为研究目标，而多级闪蒸海水淡化是以提高造水比为研究方向，虽然两者目的不同，但其核心本质完全一致，即通过热能驱动与真空度控制，尽可能快速、高效地分离溶液中的水分。而水分不断分离的根本动力是溶液的初始闪蒸温度与冷却水温度之差，即在一定真空度条件下，冷却水间接凝结水蒸汽的速度决定溶液中水分的蒸发速度，而凝结速度又主要取决于冷却水温度。
[0006]就凝结过程而言，存在两点不足:(I)凝结过程靠冷却水的显热“中和”水蒸汽的凝结潜热，效率很低，且凝结过程水蒸汽准平衡压力偏高，接近8?50kPa，降低了溶液入口的过热度，制约了蒸发端蒸发效率；(2)缘于常用冷却水的温度基准(海水淡化系统冷却水主要采用海水，一般25°C左右，除湿溶液再生则采用冷却塔冷却水，一般32°C上下)，可利用低品位热源范围受到限制，比如采用60°C溶液多级闪蒸再生时，两者温差只有28°C，可设置级数受到限制。
[0007]就溶液闪蒸过程而言，存在两点不足:(1)这是一个面蒸发，蒸发面积有限；(2)随着水分蒸发的持续，主体溶液温度快速降低，即过热度减小甚至消失，其蒸发强度也随之减寻層。
[0008]很显然，为处于蒸发过程的溶液提供足够的热量成为保持其蒸发强度的关键因素，同时凝结端与之匹配的凝结能力也是这一过程能持续进行的重要环节。当前无论多级闪蒸还是低温多效蒸馏的海水淡化技术，均采用逐级变压以适应海水或沸点温度阶梯变化的需求，该设计虽然是基于热量的多级利用，但却是单级蒸发量有限的无奈之举，因此提高单级蒸发量和热能利用率则可优化整个系统设计。
【发明内容】
[0009]本发明的目的是提供一种用于电子器件散热的新的传热效率高的装置，将热管强化传热、固体吸附驱动、电子器件冷却这三种技术结合，具有能量利用率高、对驱动热源温度要求低、易控制等优点。
[0010]为了达到上述目的，本发明提供了一种基于固体吸附驱动和热管强化传热的电子器件散热器，其中，该电子器件散热器包含蒸发器、吸附床、冷凝器、膨胀阀、热水系统和冷却水系统；所述热水系统包含通过管路连接的热水箱和换热器；所述冷却水系统包含通过管路连接的冷却水箱、冷凝器和冷却塔；所述的蒸发器底部为蒸发面板，所述蒸发面板能够将其下表面紧密扣置在电子器件发热件上，构成主要传热部分；所述的蒸发器内部设有与所述蒸发面板垂直的热管群，所述热管群的底部与所述蒸发面板固定；所述的蒸发器设有管路分别与吸附床和膨胀阀连接，所述膨胀阀的另一端与冷凝器连接；所述的蒸发器与吸附床之间的管路上设有阀门；所述的吸附床通过管路分别与冷却水箱、热水箱、冷却塔、换热器、冷凝器连接，该管路上分别设有阀门；所述的吸附床与热水箱之间的管路上设有热水泵，能够将热水箱中的热水泵出，通过阀门流入吸附床，再通过阀门流出回到换热器中，完成循环；所述的吸附床与冷却水箱之间的管路上设有冷却水泵，能够将冷却水箱中的冷水泵出，通过阀门进入吸附床进行吸附，吸附后通过阀门流出进入到冷却塔冷却再重新回到冷却水箱，完成循环。
[0011]上述的基于固体吸附驱动和热管强化传热的电子器件散热器，其中，所述的膨胀阀能够将制冷剂节流雾化、向蒸发器内部喷射并充满整个蒸发器内部。制冷剂优选为无毒无污染且不可燃的制冷工质的替代物HFC-123 (二氯三氟乙烷)、HFC134a (四氟乙烷)、R290(丙烷)、HFC-152 (二氟乙烷)、HFC-22 (二氟一氯甲烷)等工质中的一种或者是由其中的两种或两种以上混合而成。
[0012]上述的基于固体吸附驱动和热管强化传热的电子器件散热器，其中，所述的蒸发器内部的所述热管群的热管直径范围为4-16mm,长度范围为150_200mm ;所述的热管采用
圆管或扁管。
[0013]上述的基于固体吸附驱动和热管强化传热的电子器件散热器，其中，所述的热管群的热管底部通过相关工业加工程序如冲孔等替代传统的焊接工艺与蒸发面板的上表面固定形成一个平面，同时蒸发面板的下表面能够扣在电子器件发热件上面。
[0014]上述的基于固体吸附驱动和热管强化传热的电子器件散热器，其中，所述的热管在蒸发器内部采用叉排的方式排列，沿制冷剂的流动方向的热管间距为管径长度的一半，垂直制冷剂流动方向上的每两排热管的间距和管径长度相等。
[0015]上述的基于固体吸附驱动和热管强化传热的电子器件散热器，其中，所述的热管内设有吸液芯，其结构为丝网结构、纤维结构、沟槽结构、烧结芯结构中的任意一种。依据工质不同，管内按需求可抽成负压。[0016]上述的基于固体吸附驱动和热管强化传热的电子器件散热器，其中，所述的吸附床内部设有能够吸附水蒸汽的固体吸附剂，比如硅胶、沸石等，其表面吸附压力能够达到IkPa ~2kPa。
[0017]上述的基于固体吸附驱动和热管强化传热的电子器件散热器，其中，所述的吸附床采用两台为一组，每组包含第一吸附床和第二吸附床；所述的第一吸附床和第二吸附床之间设有循环流体泵。在两床切换期间，循环流体流动，实现两床间的回热。[0018]上述的基于固体吸附驱动和热管强化传热的电子器件散热器，其中，所述的第一吸附床和第二吸附床内部分别设有第一吸附床内部管路和第二吸附床内部管路，并通过其分别都与连接冷却塔、换热器，以及冷却水箱、热水箱管路连通。
[0019]上述的基于固体吸附驱动和热管强化传热的电子器件散热器，其中，所述的电子器件散热器中的连接管路上包覆有绝热材料如泡沫类制作的保温层。
[0020]上述的基于固体吸附驱动和热管强化传热的电子器件散热器，其中，所述的电子器件散热器的热管导热系数是105W/m.s数量级。
[0021]上述的基于固体吸附驱动和热管强化传热的电子器件散热器，其中，所述的电子器件散热器采用的驱动热源来自于55-90°C的低品位热源，包括太阳能和工业余热、废热
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[0022]上述的基于固体吸附驱动和热管强化传热的电子器件散热器，其中，所述的电子器件散热器在开启后，制冷剂水经膨胀阀雾化、喷射并充满整个蒸发器，冲刷叉排的热管群，在蒸发面板和热管表面吸热蒸发，带走电子器件的散热量。两个吸附床替代了压缩机的作用吸入水蒸汽，填充在吸附床中的固体吸附剂，比如硅胶、沸石等利用对水蒸汽具有强烈吸附作用快速捕捉水蒸汽。水蒸汽被吸附时，会放出大量吸附热，通过给两个吸附床通冷却水来保持吸附能力，直至吸附饱和。这时可以通过55-90°C的低品位热水对固体吸附剂进行脱附。通过阀门的切换，使两个吸附床交替吸附脱附，可以保证水分离过程的持续进行。其中冷却水和热水由冷却水系统和热水系统提供，且形成封闭的内循环。
[0023]本发明提供的基于固体吸附驱动和热管强化传热的电子器件散热器具有以下优点。1.膨胀阀能将制冷剂雾化、喷射并充满整个蒸发器，增加了制冷剂的传热面积，强化了传热过程。
[0024]2.热管的导热系数是105W/m.s数量级，为铜的IO3~IO4倍，能将热量迅速传递，热管群等效于增加了蒸发面板的传热面积，具有更高的蒸发速率。
[0025]3.热管内可填充不同工质或抽成负压，能适应不同的工作温度需求。
[0026]4.叉排的方式使得制冷剂流体横向冲刷热管表面，增加了制冷剂的扰动，强化了传热。
[0027]5.采用多吸附床切换，且采取回热措施，能保证系统运行的持续性和提高热效率。
[0028]6.驱动热源来自于55_90°C的低品位热源，包括太阳能和工业余热、废热等，具有极好的节能效果。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]图1为现有的热管的工作原理示意图。[0030]图2为本发明的基于固体吸附驱动和热管强化传热的电子器件散热器的结构示意图。
[0031]图3为本发明的基于固体吸附驱动和热管强化传热的电子器件散热器的吸附床局部示意图。
【具体实施方式】
[0032]以下结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步地说明。
[0033]如图2所示，本发明提供的基于固体吸附驱动和热管强化传热的电子器件散热器，包含蒸发器13、吸附床15、冷凝器2、膨胀阀1、热水系统和冷却水系统。
[0034]热水系统包含通过管路连接的热水箱6和换热器5。
[0035]冷却水系统包含通过管路连接的冷却水箱4、冷凝器2和冷却塔3。
[0036]蒸发器13底部为蒸发面板12，蒸发面板12能够将其下表面紧密扣置在电子器件发热件11上，构成主要传热部分；蒸发器13内部设有与蒸发面板12垂直的热管群14，热管群14的底部与蒸发面板12固定。
[0037]蒸发器13设有 管路分别与吸附床15和膨胀阀I连接，膨胀阀I的另一端与冷凝器2连接。膨胀阀I能够将制冷剂节流雾化、向蒸发器13内部喷射并充满整个蒸发器13内部。制冷剂优选为无毒无污染且不可燃的制冷工质的替代物HFC-123 (二氯三氟乙烷)、HFC134a (四氟乙烷)、R290 (丙烷)、HFC-152 (二氟乙烷)、HFC-22 (二氟一氯甲烷)等工质中的一种或者是由其中的两种或两种以上混合而成。
[0038]蒸发器13内部的热管群14的热管直径范围为4-16mm，长度范围为150_200mm ;热管采用圆管或扁管。热管群14的热管底部通过相关工业加工程序如冲孔等替代传统的焊接工艺与蒸发面板12的上表面固定形成一个平面，同时蒸发面板12的下表面能够扣在电子器件发热件上11面。热管在蒸发器13内部采用叉排的方式排列，沿制冷剂的流动方向的热管间距为管径长度的一半，垂直制冷剂流动方向上的每两排热管的间距和管径长度相等。热管内设有吸液芯，其结构为丝网结构、纤维结构、沟槽结构、烧结芯结构中的任意一种。依据工质不同，热管管内按需求可抽成负压。电子器件散热器的热管导热系数是105W/m--s数量级。
[0039]吸附床15内部设有能够吸附水蒸汽的固体吸附剂，比如硅胶、沸石等，其表面吸附压力能够达到IkPa~2kPa。
[0040]吸附床15采用两台为一组，每组包含第一吸附床7和第二吸附床8 ;第一吸附床7和第二吸附床8之间设有循环流体泵b-3。在两床切换期间，循环流体流动，实现两床间的回热。
[0041]第一吸附床7和第二吸附床8内部分别设有第一吸附床内部管路9和第二吸附床内部管路10，并通过其分别都与连接冷却塔3、换热器5，以及冷却水箱4、热水箱6管路连通。即，第一吸附床7和第二吸附床8通过管路分别与冷却水箱4、热水箱6、冷却塔3、换热器4、冷凝器2连接，该管路上分别设有阀门v-11和v-13、v-12和v-10、v_2和v_9、v_3和v-8,v-4和v-7。蒸发器与第一吸附床7和第二吸附床8之间的管路上设有阀门v-l、v-5。参见图3所示。
[0042]吸附床15与热水箱6之间的管路上设有热水泵b-2，能够将热水箱6中的热水泵出，通过阀门v-12、v-10流入吸附床15，再通过阀门v-3、v-8流出回到换热器5中，完成循环。
[0043]吸附床15与冷却水箱4之间的管路上设有冷却水泵b-Ι，能够将冷却水箱4中的冷水泵出，通过阀门v-11、v-13进入吸附床15进行吸附，吸附后通过阀门v-2、v-9流出进入到冷却塔3冷却再重新回到冷却水箱4，完成循环。
[0044]电子器件散热器中的连接管路上包覆有绝热材料如泡沫类制作的保温层。
[0045]电子器件散热器采用的驱动热源来自于55_90°C的低品位热源，包括太阳能和工业余热、废热等。
[0046]本发明提供的基于固体吸附驱动和热管强化传热的电子器件散热器，其工作过程如下:该散热器在开启后，制冷剂水经膨胀阀I雾化、喷射并充满整个蒸发器13，冲刷叉排的热管群14，在蒸发面板12和热管表面吸热蒸发，带走电子器件的散热量。两个吸附床替代了压缩机的作用吸入水蒸汽，填充在吸附床15中的固体吸附剂，比如硅胶、沸石等利用对水蒸汽具有强烈吸附作用快速捕捉水蒸汽。水蒸汽被吸附时，会放出大量吸附热，通过给两个吸附床通冷却水来保持吸附能力，直至吸附饱和。这时可以通过55_90°C的低品位热水对固体吸附剂进行脱附。通过阀门的切换，使两个吸附床交替吸附脱附，可以保证水分离过程的持续进行。其中冷却水和热水由冷却水系统和热水系统提供，且形成封闭的内循环。
[0047]本发明提供的基于固体吸附驱动和热管强化传热的电子器件散热器，首先对于现有的蒸发器进行改造:
第一步:蒸发面板12 (铜板薄片)上冲孔构成热管的端盖(即热管蒸发段18)，热管群14的端盖整体在同一平面。
[0048]第二步:机械加工把热管的壳管(即热管绝热段17)连接到端盖上。
[0049]第三步:使热管内壁贴附丝网状吸液芯，并灌入适量的工作液。
[0050]第四步:依据需要将管内抽真空，封死壳管的封头端(即热管冷凝段16)，热管与热管之间采用叉排的方式排列。
[0051]第五步:将以上改装后的蒸发面板12紧扣在电子器件11上。
[0052]本发明提供的基于固体吸附驱动和热管强化传热的电子器件散热器，在运行时，制冷剂通过膨胀阀I降压降温，被雾化后喷至蒸发器13。热管蒸发段18中的工作液体被电子器件散发的热量加热蒸发，其蒸汽经绝热段17流向冷凝段16冷凝，放出的潜热被管外横向冲刷的制冷剂雾化液滴吸收。积聚在冷凝段16吸液芯中的凝结液借助吸液芯毛细力的作用回到蒸发段18再吸热蒸发，实现循环，把电子器件散发的热量不断从蒸发段18传递到冷凝段16。制冷剂吸热后变成水蒸汽，并通过管道与吸附床连接，两台吸附床15交替通有冷却水或热水，以实现同时吸附和脱附，保证过程的连续进行。冷凝器2通过管道与吸附床15相连，在冷凝器2冷凝形成冷凝液通过膨胀阀I降压降温后再次进入蒸发器13形成制冷循环；循环热水通过换热器5被低温热源加热后进入热水箱6，再被热水泵b-2泵送至吸附床15实现循环。循环冷却水被冷却塔3冷却后进入冷却水箱4，在被冷却水泵b-Ι分别泵送至冷凝器2和吸附床15实现循环。
[0053]本发明提供的基于固体吸附驱动和热管强化传热的电子器件散热器，将热管强化传热、固体吸附驱动、电子器件冷却这三种技术结合，具有能量利用率高、对驱动热源温度要求低、易控制等优点。[0054]尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
【权利要求】
1.一种基于固体吸附驱动和热管强化传热的电子器件散热器，其特征在于，该电子器件散热器包含蒸发器(13)、吸附床(15)、冷凝器(2)、膨胀阀(I)、热水系统和冷却水系统； 所述热水系统包含通过管路连接的热水箱(6)和换热器(5)； 所述冷却水系统包含通过管路连接的冷却水箱(4)、冷凝器(2)和冷却塔(3)； 所述的蒸发器(13)底部为蒸发面板(12)，所述蒸发面板(12)能够将其下表面紧密扣置在电子器件发热件(11)上；所述的蒸发器(13)内部设有与所述蒸发面板(12)垂直的热管群(14)，所述热管群(14)的底部与所述蒸发面板(12)固定； 所述的蒸发器(13)设有管路分别与吸附床(15)和膨胀阀(I)连接，所述膨胀阀(I)的另一端与冷凝器(2)连接；所述的蒸发器(13)与吸附床(15)之间的管路上设有阀门； 所述的吸附床(15)通过管路分别与冷却水箱(4)、热水箱(6)、冷却塔(3)、换热器(5)、冷凝器(2)连接，该管路上分别设有阀门； 所述的吸附床(15)与热水箱(6)之间的管路上设有热水泵(b-2)，能够将热水箱(6)中的热水泵出，通过阀门流入吸附床(15)，再通过阀门流出回到换热器(5)中，完成循环； 所述的吸附床(15)与冷却水箱(4)之间的管路上设有冷却水泵(b-Ι)，能够将冷却水箱(4)中的冷水泵出，通过阀门进入吸附床(15)进行吸附，吸附后通过阀门流出进入到冷却塔(3)冷却再重新回到冷却水箱(4)，完成循环。
2.如权利要求1所述的基于固体吸附驱动和热管强化传热的电子器件散热器，其特征在于，所述的膨胀阀(I)能够将制冷剂节流雾化、向蒸发器(13)内部喷射并充满蒸发器(13)内部。
3.如权利要求2所述的基于固体吸附驱动和热管强化传热的电子器件散热器，其特征在于，所述的蒸发器(13)内部的所述热管群(14)的热管直径范围为4-16mm，长度范围为150-200mm ;所述的热管采用圆管或扁管。
4.如权利要求3所述的基于固体吸附驱动和热管强化传热的电子器件散热器，其特征在于，所述的热管群(14)的热管底部通过冲孔工序与蒸发面板(12)的上表面固定。
5.如权利要求4所述的基于固体吸附驱动和热管强化传热的电子器件散热器，其特征在于，所述的热管在蒸发器(13)内部采用叉排的方式排列，沿制冷剂的流动方向的热管间距为管径长度的一半，垂直制冷剂流动方向上的每两排热管的间距和管径长度相等。
6.如权利要求5所述的基于固体吸附驱动和热管强化传热的电子器件散热器，其特征在于，所述的热管内设有吸液芯，其结构为丝网结构、纤维结构、沟槽结构、烧结芯结构中的任意一种。
7.如权利要求1所述的基于固体吸附驱动和热管强化传热的电子器件散热器，其特征在于，所述的吸附床(15)内部设有能够吸附水蒸汽的固体吸附剂，其表面吸附压力能够达到 IkPa ~2kPa。
8.如权利要求7所述的基于固体吸附驱动和热管强化传热的电子器件散热器，其特征在于，所述的吸附床(15)采用两台为一组，每组包含第一吸附床(7)和第二吸附床(8);所述的第一吸附床(7)和第二吸附床(8)之间设有循环流体泵。
9.如权利要求8所述的基于固体吸附驱动和热管强化传热的电子器件散热器，其特征在于，所述的第一吸附床(7)和第二吸附床(8)内部分别设有第一吸附床内部管路(9)和第二吸附床内部管路(10)，并通过其分别都与连接冷却塔(3)、换热器(5)，以及冷却水箱(4)、热水箱(6)的管路连通。
10.如权利要求1所述的基于固体吸附驱动和热管强化传热的电子器件散热器，其特征在于，所述的电子器件散热器中的连接管路上包覆有绝热材料制作的保温层。
【文档编号】H05K7/20GK103987237SQ201410249378
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年6月6日 优先权日:2014年6月6日
【发明者】高文忠, 李长松, 刘婷, 徐畅达 申请人:上海海事大学