具有叠层结构的相变型自然对流散热装置

摘要

本发明公开了一种具有叠层结构的相变型自然对流散热装置，其特征在于，包括蒸发板、多个并排设置的冷凝板、储液器、肋片、管路；所述蒸发板的液体入口通过管路与储液器的出口相连，所述蒸发板的出口通过管路与冷凝板的上端入口相连；所述冷凝板的下端出口通过管路与储液器的入口相连，构成整个系统的循环回路；多个冷凝板相对的内侧表面均间隔设置有相互平行肋片。

权利要求

1.一种具有叠层结构的相变型自然对流散热装置，其特征在于，包括蒸发板(1)、多个并排设置的冷凝板(2)、储液器(3)、肋片(4)、管路；

所述蒸发板(1)的液体入口通过管路与储液器(3)的出口相连，所述蒸发板(1)的出口通过管路与冷凝板(2)的上端入口相连；所述冷凝板(2)的下端出口通过管路与储液器(3)的入口相连，构成整个系统的循环回路；多个冷凝板(2)相对的内侧表面均间隔设置有相互平行肋片(4)；

所述蒸发板(1)内设有多个平行的蒸发微通道；所述冷凝板(2)进口设有渐缩的横向流道(21)和m个平行的竖向冷凝流道(22)，m≥2；所述蒸发板(1)、冷凝板(2)的进出口分别位于蒸发板(1)、冷凝板(2)的对角两端；

所述横向流道(21)渐缩角度α满足：

其中S1为横向流道(21)入口段横截面积，Si为横向流道(21)在第i根竖向冷凝流道(22)处的横截面积；m为竖向冷凝流道(22)总数目，dg为冷凝流道(22)宽度，dj为相邻冷凝流道(22)的间距，dh为横向流道(21)在第m根冷凝流道(22)处的宽度。

2.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于，所述肋片(4)的长度方向平行于竖向冷凝流道(22)流向的方向。

3.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于，相邻的冷凝板(2)的肋片(4)之间设有间隙。

4.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于，所述冷凝板(2)外侧表面也间隔设置有相互平行的肋片(4)。

5.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于，所述蒸发板(1)内部分布有多个呈阵列的加强柱。

6.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于，所述蒸发板(1)为多个，多个蒸发板(1)与水平面呈倾斜角度进行阵列排布。

说明书

具有叠层结构的相变型自然对流散热装置

技术领域

[0001] 本发明属于电子设备散热装置，特别是一种具有叠层结构的相变型自然对流散热装置。

背景技术

[0002] 对于大功率电力设备中存在着分散布置的电子器件，各器件产生的热量不同会造成设备温度分布不均匀，不均匀的温度分布会造成设备各器件之间电性能的不同，极大地影响设备的工作性能和效率。针对特殊条件下电子设备对于电负荷及外部输入动力的严格要求，散热装置需尽量减小电负荷及外部输入动力。针对分散布置的电子器件，散热装置需要对各部分器件进行散热。散热装置要求散热量大，结构简单，无外部动力从而对大功率电力设备进行有效散热。而在散热系统表面安装肋片这种方法极大地增加了其表面对流换热面积，从而有效提升其换热能力，但是一味地增加散热面积会造成散热系统的体积、重量和成本的大大增加，同时也会导致散热效率的降低。

[0003] 传统的带肋片的自然对流散热系统与热源的尺寸相差太大，热源处的废热只能通过系统本身固体导热传递至系统各处，因而效率不高，而考虑到工质在发生相变时温度均匀一致且具有很高的换热系数，从而可以利用相变换热的高导热性和良好的均温性满足大功率电力设备的散热需求。热管能通过很小的截面积传送大量的热量，是目前所知的最有效的传热元件之一。由于热管技术具有高导热率、控制灵活、可靠以及无需维修等优点，使得利用热管技术的蒸汽腔，环路热管等高效换热元件得到了广泛的研究与应用，热管技术的拓展和应用对于电子设备的研究和生产有着重要的现实意义。当应用到大功率电力设备时，自然对流条件下传统热管技术同样不能达到散热需求，会使得设备温度过高，甚至超出其温度承受范围，从而导致内部电子器件的烧毁，若增大热管的尺寸以满足散热需求，会大大增加散热装置所需空间。

[0004] 针对大功率电力设备，其换热量非常大，只依靠自然对流显然不能对其进行有效的散热，必须增加散热装置的表面积，因而装置尺寸会大大增加。文献Reyes M,Alonso D,Arias J R,et al.Experimental and theoretical study of a vapour chamber based heat spreader for avionics applications,Applied Thermal Engineering,(37)2012,51-59.对垂直放置的均温蒸汽腔在强迫对流和自然对流条件下的热性能进行了研究，结果表明，对于80℃-100℃范围内的组件表面温度，装置在强迫对流条件下最大散热功率在
95W-145W之间变化，在自然对流条件下最大散热功率在33W-38W之间变化；上述文献中的热源尺寸为35mm×35mm×1mm，而散热装置尺寸为190mm×140mm×15mm，对于更大功率的热源，利用上述文献中的装置进行散热难度大大增加，所需尺寸也会随之增大，大大增加所占空间，内部毛细结构的存在也会增大加工难度。、

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种具有叠层结构的相变型自然对流散热装置，以实现无需外部动力就可以将热量从蒸发板传递至冷凝板，减小散热装置体积。

[0006] 实现本发明目的的技术解决方案为：

[0007] 一种具有叠层结构的相变型自然对流散热装置，其特征在于，包括蒸发板、多个并排设置的冷凝板、储液器、肋片、管路；

[0008] 所述蒸发板的液体入口通过管路与储液器的出口相连，所述蒸发板的出口通过管路与冷凝板的上端入口相连；所述冷凝板的下端出口通过管路与储液器的入口相连，构成整个系统的循环回路；多个冷凝板相对的内侧表面均间隔设置有相互平行肋片。

[0009] 本发明与现有技术相比，其显著优点是：

[0010] (1)安装有翅片的冷凝板和蒸发板相结合，内部的蒸发微通道和冷凝流道22形成的循环回路可对大功率电力设备进行有效散热，利用重力驱动工作流体在回路中循环，无需外部动力就可以将热量从蒸发板传递至冷凝板，散热装置体积小。

[0011] (2)蒸发板内部微通道可将热量更有效地传递给工作流体，从而增强蒸发板的换热性能。

[0012] (3)蒸发板具有多块相互平行结构尺寸相同的冷板，可以使得不同层次的热源能够与蒸发板有效接触。

[0013] (4)冷凝板入口横向流道21呈渐缩状，可使得进入冷凝板的工作流体均匀分配到每根竖向冷凝流道22中。

附图说明

[0014] 图1是本发明的具有叠层结构的相变型自然对流散热装置结构示意图。

[0015] 图2是冷凝板内部流道结构示意图。

[0016] 图3是蒸发板结构剖面图。

[0017] 图4是实施例散热装置结构示意图。

[0018] 图5是冷凝板内部流道不均匀度随角度变化图。

具体实施方式

[0019] 下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。

[0020] 结合图1-图3，本发明的一种具有叠层结构的相变型自然对流散热装置，包括蒸发板1、多个并排设置的冷凝板2、储液器3、肋片4、管路；

[0021] 所述蒸发板1的液体入口通过管路与储液器3的出口相连，所述蒸发板1的出口通过管路与冷凝板2的上端入口相连；所述冷凝板2的下端出口通过管路与储液器3的入口相连，构成整个系统的循环回路。多个冷凝板2相对的内侧表面均间隔设置有相互平行肋片4，使得装置的散热表面积大大增加，肋片4的数量可根据基板的尺寸进行设置。

[0022] 所述蒸发板1内设有多个平行的蒸发微通道；所述冷凝板2进口设有渐缩的横向流道21和m(m≥2)个平行的竖向冷凝流道22，通过渐缩横向流道21将工质分布至各个冷凝流道22；保证工质从入口到每根竖向冷凝流道22的流动阻力损失尽量接近。所述蒸发板1、冷凝板2的进出口分别位于蒸发板1、冷凝板2的对角两端；使得工质在冷凝流道22或蒸发微通道内的流动距离一致，流动阻力一致，换热更加均匀充分。

[0023] 阻力损失计算公式为：

[0024]

[0025] 式中，Δpi为工质从入口到第i根竖向管路的流动阻力损失，ζi为局部损失系数，ρ为工质密度，u为工质流动速度。

[0026] 局部损失系数可通过下式计算：

[0027]

[0028] 式中，k为与横向流道21渐缩角度α有关的系数，如表1所示。

[0029] 表1.k与角度α的关系

[0030]α° 5 10 20 30 40 50 60
k 0.40 0.25 0.20 0.20 0.30 0.40 0.60

[0031] 所述横向流道21渐缩角度α满足：

[0032]

[0033] 其中S1为横向流道21入口段横截面积，Si为横向流道21在第i根竖向冷凝流道22处的横截面积；m为竖向冷凝流道22总数目，dg为冷凝流道22宽度，dj为相邻冷凝流道22的间距，dh为横向流道21在第m根冷凝流道22处的宽度。

[0034] 对于横向流道21，通过改变管路渐缩角度α，可以改变系数k以及横向流道21出入口段的横截面积之比，从而改变流动阻力损失，通过优化渐缩角度α，使得工质从入口到每根竖向冷凝流道22的流动阻力损失尽量接近，工质从入口到每根竖向冷凝流道22的流动阻力损失越接近，竖向冷凝流道22不均匀度越小。

[0035] 所述冷凝板2竖向冷凝流道22不均匀度可用下式计算：

[0036]

[0037] 式中，Qi为第i根冷凝流道工质流量， 为m根冷凝流道平均工质流量。

[0038] 进一步的，所述蒸发板1内部分布有多个呈阵列的加强柱，极大地增强蒸发板1的结构强度。

[0039] 优选的，所述肋片4的长度方向平行于竖向冷凝流道22流道的方向。

[0040] 进一步的，相邻的冷凝板2的肋片4之间设有间隙，便于肋片4之间的通风。

[0041] 在一些实施方式中，所述冷凝板2外侧表面也间隔设置有相互平行的肋片4，可以使得整个装置的散热表面积进一步增大。

[0042] 在一些实施方式中，所述蒸发板1为多个，多个蒸发板1与水平面以一定的倾斜角度进行阵列排布。

[0043] 所述冷凝流道22或蒸发微通道由相互平行的槽道构成。所述蒸发板1位于冷凝板2底部，使用时，蒸发板1和电子器件直接接触，电子器件产生的热量可通过蒸发板1直接传至冷凝板2，无需外部输入动力，具有倾斜角度的蒸发板1使得受热蒸发的工作流体在浮升力作用下进入冷凝板2，冷凝后的工作流体在重力驱动下在装置中循环流动。

[0044] 实施例

[0045] 结合图4，为本发明的具有两块蒸发板、30根冷凝流道22和200根蒸发微通道时的具有叠层结构的相变型自然对流散热装置，包括第一蒸发板1-1和第二蒸发板1-2、第一冷凝板2-1和第二冷凝板2-2、储液器3、肋片4、管路；所述蒸发板1包括200个蒸发微通道；所述冷凝板2包括30个冷凝流道22；

[0046] 所述储液器3的出口与第一蒸发板1-1和第二蒸发板1-2的液体入口相连，第一蒸发板1-1和第二蒸发板1-2的气体出口通过管路与第一冷凝板2-1和第二冷凝板2-2的入口相连，第一冷凝板2-1和第二冷凝板2-2的出口与储液器3的入口相连，构成整个装置的循环回路。

[0047] 冷凝流道22或蒸发微通道由相互平行的槽道构成，槽道设置在蒸发板或冷凝板内，流体在槽道内部流动；单个基板内的槽道的流向一致。

[0048] 所述第一蒸发板1-1和第二蒸发板1-2的槽道数量均为200个，第一冷凝板2-1和第二冷凝板2-2的槽道数量均为30个，每根槽道都构成矩形结构，管路对称设置在蒸发板或冷凝板的对角两端，使得流体在冷凝流道22或蒸发流道内的流动距离一致，流体在每个槽道内的流动阻力一致，使得换热更加均匀充分。

[0049] 所述冷凝板2入口横向流道21呈渐缩状，保证工质从入口到每根竖向冷凝流道22的流动阻力损失尽量接近。

[0050] 所述第一蒸发板、第二蒸发板内部分布有阵列的加强柱，使得蒸发板的结构强度大大增加。

[0051] 进一步的，所述第一冷凝板2-1与第二冷凝板2-2相对的内侧表面均间隔设置有相互平行肋片4，使得装置的散热表面积大大增加，肋片4均垂直于基板的表面，且肋片4的长度方向平行于冷凝流道22的方向，单侧的肋片4的数量都为50个，冷凝板2-1的肋片4与冷凝板2-2的肋片4之间具有间隙，便于肋片4之间的通风。

[0052] 蒸发板L1长度为200-400mm，宽度W1为200-400mm，厚度H1为3-10mm，冷板内部蒸发微通道长度L2为180-380mm，宽度W2为0.1-0.5mm，深度H2为0.1-2mm，冷凝板长度L3为1500-2500mm，宽度W3为500-1000mm，厚度H3为5-15mm，冷凝板内部竖向冷凝流道22长度L4为1400-
2400mm，宽度W4为5-15mm，深度H4为1-14mm，冷凝板入口横向流道21渐缩角度为1°-10°。

[0053] 本发明的具有叠层结构的相变型自然对流散热装置的工作过程为：

[0054] 工作流体在具有倾斜角度的蒸发板内受热蒸发形成蒸汽，蒸汽在浮升力作用下通过管路均匀分配到两个冷凝板中，受热蒸汽通过横向渐缩管道均匀分配到每根竖向冷凝流道22中，受热蒸汽在冷凝流道22中释放热量进行冷凝，冷凝液体在重力驱动下向下流动，流经储液器3再进入两个蒸发板中，从而完成了装置内部的循环流动过程。在循环流动过程中，热源处的热量由工作流体从蒸发板传递至冷凝板，然后通过冷凝板表面的自然对流与周围环境进行热交换，自然对流-相变耦合的装置具有优良的传热及散热性能，热源处的温度也得到了很好的控制。

[0055] 例如：在工质为R245fa，充液率40％，总的加热功率3600W，操作环境温度40℃，对于每块蒸发板上非均匀分布的热源，热流密度从31.7W/cm2-156.6W/cm2的工况下，装置最高温度为77℃，蒸发板传热热阻为5.95×10-3℃/W，装置传热热阻为6.97×10-4℃/W，对于大功率的电力设备，该装置在自然对流条件下具有很好的传热及散热性能。

[0056] 例如：工质为R245fa，充液率40％，总的加热功率3200W，操作环境温度40℃，如图5所示，渐缩形管路角度为5°时不均匀度达到最小值，表明在此角度下竖向流道中工质流量分配更均匀。对于每块蒸发板上非均匀分布的热源，热流密度从31.7W/cm2-156.6W/cm2的工况下，装置最高温度为72.1℃，蒸发板传热热阻为5.53×10-3℃/W，装置传热热阻为3.56×10-4℃/W，对于大功率的电力设备，该装置在自然对流条件下具有很好的传热及散热性能。