一种相变液冷头及应用其的重力热管散热系统的制作方法

1.本实用新型涉及散热设备技术领域，尤其涉及一种相变液冷头及应用其的重力热管散热系统。


背景技术：

2.由于电子技术的发展，电子产品热密度也在提高，相变液冷由于其具有较高的传热密度与散热效率，也逐渐多地应用到电子散热中。相变液冷头内换热表面是否会发生缺少液态工质干枯，换热表面发生膜态沸腾的程度，气态工质从冷头内流出所产生的压力降的大小，都会对冷头的传热稳定性与散热效率产生较大的影响。本专利的方案，就是从解决上述问题所做的设计。
3.在现有技术中，与本技术较为相似的技术方案有：
4.方案1，由中车株洲电力机车研究所有限公司申请，申请号：201710961842.7 的专利《一种冷媒相变冷板》。此专利提出了一种带有连续突缩流道和扩张流道的正、逆向流道的相变冷板。此专利中，通过利用在扩张流道内水力空化效应或气液分离效应，能够减小正向流道与逆向流道之间两相流流型的差异，减小气液两相的流动阻力，改善换热表面上气相与液相的分布，提高换热表面温度分布的均匀性和稳定性；通过水力空化效应能够有效解决流动沸腾不稳定性问题，利用水力空化效应，可使沸腾起始提前，降低过热度，空化气泡爆裂可破碎大气泡，可降低沸腾不稳定性问题；通过多尺度流道，能够实现气液两相的分离；分离后的蒸汽通过喷射孔成为高速蒸汽流，可进一步破碎液体通道中沸腾生成的大气泡，有助于减小流阻，也有利于润湿热流密度。
5.方案2，由北京计算机技术及应用研究所申请，申请号：202011071272.2 的专利《一种气液相分离型微通道相变冷却器》。此专利提出了一种具有由入口微通道阵列、周期性轴向渐扩通道阵列、周期性径向渐扩汇聚联箱以及两侧的分相通道组成微通道阵列的相变冷却器。此专利设计，不仅在于抑制了并联通道产生的流动和传热不稳性，还可延缓下游蒸汽膜覆盖加热面产生传热恶化现象，可同时实现减小压降、强化传热、抑制流动不稳定性和提高临界热流密度的多重功能。
6.以上两种技术方案，都是以解决本技术所要解决的技术问题。这两技术方案，都是从改变与热源件接触平面平行的二维平面内改变微通道部分的形状与尺寸来达到实现流道腔内体积与形状的改变，以达到专利的技术目标。
7.按方案1的技术思路，在多个突缩流道与扩张流道里，工质的静压是渐减的过程。静压的差别越大，在流道内工质的汽化温度差别越大，冷头局部温差越大。同时，由多个曲型结构的流道，当冷头不是水平放置时，冷头内的气态工质难于从冷头内部排出。
8.按方案2的技术思路，改变微通道的分布平面分布，具有较高换热效率的微通道与热源件不能对应，使热源件的部分位置所对应的冷头内部没有微通道结构，散热效果较差，从而降低了冷头整体的散热效果。


技术实现要素：

9.针对背景技术提出的问题，本实用新型的目的在于提出一种相变液冷头，不仅降低了微流道结构内工质的流阻，减少了工质膜态沸腾的程度，提高了散热效率；并且贴合区域与微流道结构正对，保证了相变液冷头对热源件各局部的散热性能具有一致性。
10.本实用新型的另一目的，在于一种重力热管散热系统，应用于上述的一种相变液冷头，实现了换热循环，从而节约成本。
11.为达此目的，本实用新型采用以下技术方案：
12.一种相变液冷头，包括冷头底座和冷头盖；所述前侧的中部设有用于与热源件安装的贴合区域；所述冷头底座的后侧的中部设有微流道结构；所述冷头盖包括安装腔、流入口和流出口；所述安装腔的后侧设有集气腔，所述流出口与所述集气腔的后侧连通；所述微流道结构填充于所述安装腔内，所述微流道结构后侧的中部与所述集气腔连通；所述微流道结构的流入部与所述流入口连通。
13.优选地，所述集气腔与所述贴合区域正对设置。
14.优选地，所述微流道结构的周边与所述安装腔的内壁之间设有分流腔；所述分流腔将所述微流道结构和所述流入口连通。
15.优选地，所述微流道结构横向设置；所述分流腔呈u字形形状，所述分流腔包括横向流段和两条竖直流段；两条所述竖直流段正对设置于所述冷头盖，且两条所述竖直流段与所述微流道结构连通；所述横向流段的两端均与所述竖直流段的连通，且所述横向流段的中部与所述流入口连通。
16.优选地，所述流入口和所述流出口为一体设置的连接口，且所述连接口位于集腔的上侧。
17.优选地，所述微流道结构采用多孔泡沫结构和/或微肋状阵列结构。
18.优选地，所述液冷头本体为一体成型，所述液冷头本体采用陶瓷或金属材料制成；或由所述冷头底座与所述冷头盖连接组成的分体结构。
19.优选地，所述冷头盖采用紫铜或铝材质制成。
20.一种重力热管散热系统，包括冷凝器、连接管和上述中任意一项所述的相变液冷头；所述连接管的一端与所述冷凝器连通，其另一端与所述连接口连通。
21.一种重力热管散热系统，包括冷凝器、气导管、液导管和上述中任意一项所述的相变液冷头；所述气导管的一端与所述冷凝器连通，其另一端与所述流出口连通；所述液导管的一端与所述冷凝器连通，其另一端与所述流入口连通。
22.与现有技术相比，上述技术方案中的一个技术方案具有以下有益效果：
23.在本技术中，所述微流道结构与所述集气腔中较大面积的连通，使得所述气态工质能够及时从所述微流道结构排出至集气腔中，加快了微流道结构中液气两相工质的分离，使得微流道结构内的工质排出气泡后，其与微流道结构的换热面积增大，加快了微流道结构的换热速度。此外，气态工质排出后，集气腔内部中的分离得到液态工质会回流至微流道结构中，增大了液态工质的换热利用率，从而提高了换热效率。
附图说明
24.附图对本实用新型做进一步说明，但附图中的内容不构成对本实用新型的任何限
制。
25.图1是本实用新型一个实施例的液冷头本体的截面示意图；
26.图2是图2中a-a方向中的剖面图；
27.图3是本实用新型一个实施例的冷头底座的结构示意图；
28.图4是本实用新型一个实施例的冷头盖的结构示意图；
29.图5是本实用新型一个实施例的具有多孔泡沫结构微流道结构的液冷头本体示意图；
30.图6是本实用新型一个实施例的吸热区域和连通区域的示意图；
31.图7是本实用新型一个实施例的流入口与流出口一体成型的连接口示意图；
32.图8是图1中气液两相工质的流动示意图；
33.图9是图2中气液两相工质的流动示意图。
具体实施方式
34.下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
35.此外，术语“第一”、“第二”和“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示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”和“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
36.本技术中的优选的实施例，如图1和图2所示，一种相变液冷头，包括冷头底座2和冷头盖1；所述冷头底座2前侧的中部设有用于与热源件安装的贴合区域h；所述冷头底座2的后侧的中部设有微流道结构21；所述冷头盖1包括安装腔15、流入口13和流出口12；所述安装腔15的后侧设有集气腔11，所述流出口12与所述集气腔11的后侧连通；所述微流道结构21填充于所述安装腔 15内，所述微流道结构21后侧的中部与所述集气腔11连通；所述微流道结构 21的流入部与所述流入口13连通。
37.参照图7和图8对本实施例进行解释，图中的实线和虚线表示工质在相变液冷头的流动途径，其中实线表示的是工质中液态工质占重比多、气态工质比较少；而虚线表示的是工质中液态工质占重比少、气态工质比较多。具体地，在本实施例中，所述相变液冷头在工作时，需要把所述贴合区域h贴合安装于热源件上，所述热源件上的热量从所述贴合区域h传递至微流道结构21中，使得所述微流道结构21发热。在所述相变液冷头贴合安装于所述热源件的同时，液态工质从所述流入口流进相变液冷头，然后再从所述流入部流进所述微流道结构21。所述液态工质流进所述微流道结构21后，发生换热，即从热源件传递至微流道结构21上的热量被所述液态工质吸收，所述液态工质吸收热量后，产生气态工质。在微流道结构21产生的气态工质，会及时从所述微流道结构21 的后侧排放至集气腔11中，然后再从所述流出口12排出所述相变液冷头外。进一步地，所述气态工质从所述微流道结构21流出后，填充于相变液冷头内部而位于所述微流道结构21外部的液态工质，其迅速进入到微流道结构21中，代替已经排出气态工质的位置，确保了液态工质在微流道结构21中占比，从而确保了微流道结构21内部的换热面积。值得注意的，所述气态工质从所述微流道结构21流
入集气腔11时，会携带少部分液态工作，进入到集气腔11中气态工质和液态工质，因为重力的作用，液态工质会停留于集气腔11的底部，气态工质则从流出口12排出。分离出来的液态工质也会从所述微流道结构21的后侧流进微流道结构21。所述微流通结构的流入部是指工质从流入口13流进所述冷头后进入所述微流道结构21的位置，其可以根据流入口的具体设置位置而变化，比如可以是微流道结构21的周边侧面也可以是在未流通道的后侧。更进一步地，所述相变液冷头在使用时，可以水平放置，也可以竖直放置；当所述相变液冷头水平放置时，所述流出口12与所述集气腔11的后侧连通；当所述相变液冷头竖直放置时，所述液态工质在重力作用下集气腔11的下部，所以流出口12设置顶部。
38.优选地，所述集气腔11与所述贴合区域h正对设置。如图6所示，因为所述贴合区域h与热源件贴合安装，所以热源件上的热量都集中于所述贴合区域h，从而与贴合区域h对应的微流道结构21中发生换热过程最激烈，从而产生的气态工质最多。因此，所述集气腔11与所述贴合区域h正对设置，可以让气态工质减少流动路程，能够及时的从所述微流道结结构流出至集气腔11中国，然后在从流出口12排出。这样的设置，确保了液态工质与微流道结构21的换热面积，提高换热效率。
39.进一步地，所述微流道结构21的周边与所述安装腔15的内壁之间设有分流腔14；所述分流腔14将所述微流道结构21和所述流入口13连通。所述液态工质可以更均匀的流进所述微流道结构21中，确保微流道结构21充满所述液态工质，从而保证了微流道结构21的换热面积。
40.所述相变液冷头在实际生产中，所述分流腔14的形状可采用多种结构，在本实施例中，所述分流腔14呈u字形形状，所述分流腔14包括横向流段141 和两条竖直流段142；两条所述竖直流段142正对设置于所述冷头盖1，且两条所述竖直流段142与所述微流道结构21连通；所述横向流段141的两端均与所述竖直流段142的连通，且所述横向流段141的中部与所述流入口连通。具体地，液态工质从所述流入口13进入到分流腔14中，然后往左右两侧分流两条竖向流段，然后再从竖向流段流进微流道结构21中。因此，为了可以让液态工质从竖向流段流进微流道结构21中，所述微流道结构21在本实施例中为横向设置。
41.进一步地，所述相变液冷头根据实际应用情况可以水平放置，也可以竖直放置；当水平放置时，所述流出口只要位于所述集气腔的顶部并与所述集气腔连通即可；当所述相变液冷竖直设置时，为了让集气腔内的工质在重力作用下实现气液快速分离，并保证气态工质从所述流出口排出，因此所述流出口必须位于所述集气腔的上侧；所述流入口13与所述流出口12可以为分开设置于也可以是一体设置的连接口10。当因为所述液态工质与气态工质处于同一连接管时，液态工质与所述气态工质的密度不同，所述气态工质和所述液态工质处于同一水平时，液态工质处于底部，气态工质处于顶部，所以所述流入口13和所述流出口12可为一体设置的连接口10。当所述流入口13和所述流出口12为一体设置的连接口10时，液态工质从与连接口10连接的连接管底部连接相变液冷头。而相变液冷头的气态工质则从连接管的顶部流回工件。因此，当所述流入口13和所述流出口12可一体设置的连接口10时，所述连接口10要处于集气腔11的上侧。
42.所述微流道结构21在实际生产中，其结构种繁多，而在本实施例中，具体地可以为多孔泡沫结构、微肋状阵列结构或微肋状阵列结构和多孔泡沫结构的混合结构。因为以上三种微流道结构21能够有效地增大换热面积，从而提高散热效果。
43.进一步地，在本实施例中，所述液冷头本体可以为一体成型结构，也可以为冷头底座2和冷头盖1连接组成。当所述液冷头本体为一体成型时，所述液冷头本体采用陶瓷粉末或金属粉末烧制而成；而在烧制前，通过加工工艺在液冷头本体的内部制作车冷头底座2结构和冷头底座2结构。
44.当所述液冷头本体为冷头底座2和冷头盖1连接组成，在本实施中，优选地采用焊接方式把两者连接成液冷头本体。在其他实施例中，可以为其他实施例，比如通过密封圈，把所述冷头底座2和冷头盖1密封连接组成所述液冷头本体。进一步地，所述冷头底座2优选地采用紫铜或铝材质制成。这样目的在于热源件能够更好地把热量传递至微流道结构21中，从而提高散热效果。
45.因而，无论是采用陶瓷粉末或金属粉末烧制而成，还是通过冷头底座2和冷头盖1连接组成，目的在于方便所述液冷头本体的生产过程，从而节约生产时间，提高生产效率。
46.在本实施例中，所述液冷头本体优先地与重力热管散热系统搭配使用，所述重力热管散热系统根据所述流入口13与所述流出是否一体成型，所选用的结构也有区别：
47.当所述流出口12与流入口13为一体成型的连接口10时，所述重力热管散热系统包括冷凝器、连接管和所述相变液冷头，所述连接管的一端与所述冷凝器连通，其另一端与所述连接口10连通。
48.当所述流出口12与所述流入口13分开设置时，力热管散热系统包括冷凝器、气导管、液导管和相变液冷头；所述气导管的一端与所述冷凝器连通，其另一端与所述流出口连通；所述液导管的一端与所述冷凝器连通，其另一端与所述流入口连通。
49.以上结合具体实施例描述了本实用新型的技术原理。这些描述只是为了解释本实用新型的原理，而不能以任何方式解释为对本实用新型保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本实用新型的其它具体实施方式，这些方式都将落入本实用新型的保护范围之内。