易于气泡生成和逃逸的相变散热器

技术领域

本发明涉及一种相变散热器，具体涉及一种易于气泡生成和逃逸的相变散热器。

背景技术

大功率电力电子器件的散热技术中，流动沸腾是换热系数最高的形式之一，在现有的大功率电力电子器件的散热器中，采用流动沸腾技术的冷媒相变冷板效率较高。

中国专利CN201710961842.7公开了一种冷媒相变冷板，具体包括：冷板基板，其上布置有入口混合腔、出口混合腔，及用于连通入口混合腔和出口混合腔的流道；设置于冷板基板上，对流道进行封闭的盖板，发热元件设置在盖板和/或冷板基板上。流道包括彼此连通的正向流道和逆向流道，正向流道与逆向流道之间通过弯道连通，冷媒从入口混合腔进入，经过一级以上的正向流道及一级以上的逆向流道后，从出口混合腔流出。正向流道和逆向流道均包括彼此连通的突缩流道和扩张流道，每通过一次突缩流道和扩张流道，使冷媒在流道内每隔一段距离发生一次水力空化过程。

但是上述冷媒相变散热器依靠外部循环泵驱动工作，内部工作压力较大，容易发生形变及泄漏问题，且内部流道容易形成气泡堵塞，影响散热性能。而且现有技术的散热台面过于平整冷媒受热相变产生的气泡很容易依附在这些平面上，气泡大量堆积会产生局部绝热层，由于气泡的导热率低，因此会大大降低换热效率，此时需要外部加压的方式实现热输入和热输出的平衡，就需要额外浪费电能。

因此，亟待设计一种可无需外部循环泵驱动工作的同时具有良好的散热效果的相变散热器。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的上述问题，提供了一种易于气泡生成和逃逸的相变散热器。

为了实现上述发明目的，本发明采用了以下技术方案：易于气泡生成和逃逸的相变散热器包括散热冷板、散热台面盖板及水汽分离膜；所述散热冷板上设有交错排布的波纹弧形结构，每个所述波纹弧形结构包括波谷和波峰，冷却液进入波谷处在波谷处生成气泡，气泡沿波谷与波峰之间的波面到波峰处逃逸上升到水汽分离膜；所述散热台面盖板与散热冷板密封配合；所述水汽分离膜设于散热冷板的上出口与散热冷板的通道之间，并用于阻隔液体，使得气态冷却液能顺利流出；气态冷却液从散热冷板的上出口溢出，液态冷却液从散热冷板的下进口进入，上出口高度位置高于下进口。

工作原理：工作时，通过外部管路通入冷却液介质，冷却液介质在散热冷板与散热台面盖板之间形成容腔内进行热交换，当冷却液接触交错排布的波纹弧形结构的时候，可迅速产生气泡并通过顶部的水汽分离膜从出口排出，利用重力的作用，使得液态的冷却液可重新下降回落，而气态的冷却液上升排出。

有益效果：

1、相比现有技术，本方案可使用在无需外部循环泵的冷却系统，绿色节能，冷却安全裕度大，适应于各种散热工况，且避免了因内部压力大造成的冷却泄露的问题发生。

2、冷却液在凹凸不平的波纹弧形结构上更容易产生气泡，气化核心数目增多，极大的增强了换热能力。

3、相比现有技术，本方案的结构更为简单，无需设置复杂的内部流道，可显著减小散热器的体积，从而降低安装难度和加工成本。

4、利用重力作用使得冷却液在被气泡带动上升后会持续下降，从而与上升的气泡流向相反，形成气液循环流动，可显著提高换热效率，使得散热冷板与散热台面盖板之间形成容腔内热量分布更加均匀，进一步提高散热效果。

5、目前的，现有技术的散热台面过于平整冷媒受热相变产生的气泡很容易依附在这些平面上，气泡大量堆积会产生局部绝热层，由于气泡的导热率低，因此会大大降低换热效率，此时需要外部加压的方式实现热输入和热输出的平衡，而本方案波峰波谷的换热界面结构设计使得气泡极易逃逸到远离发生相变的位置，并在波峰处聚集后脱离，可显著减少气泡覆盖在换热表面的问题发生，气泡难以聚集，彻底避免局部绝热层的产生，显著提高换热效率，同时能够平衡热输入和热输出，因此也无需外部额外加压。

进一步地，所述散热冷板侧端底部设有进口管路接头，顶部设有出口管路接头。此结构，可方便与外部管路的连接，且非常契合本散热器中气态冷却液上升的设计思路。

进一步地，所述波纹弧形结构与散热冷板为一体式结构。此设置，在散热板上通过金属切削加工工艺如铣削、拉削等，又或者通过刻蚀制作的工艺加工出波纹弧形结构，无需加工复杂的流道，对于尺寸精度要求较低，可显著降低加工难度和加工成本。

进一步地，所述散热板上设有多个平行均匀间隔排列的加强筋。此设置，可有效地减少散热冷板在加工和使用过程中发生形变概率，增强散热冷板的整体强度。优选地，相邻两个加强筋之间的距离为30～50mm，可根据实际需求而定。

进一步地，每个所述波纹弧形结构的厚度为波谷深度的1～3倍，相邻两个波峰之间的波形夹角为90°～120°。通过多次试验得出上述尺寸要求的波纹弧形结构性价比最高，也就是在加工成本、难度、换热效果之间达到最佳的平衡。

进一步地，所述散热冷板与散热台面盖板通过真空钎焊或气体保护焊接工艺焊接。上述设置可确保本散热器的强度和气密性要求达到设计要求，避免形变或漏液的问题发生，优选地，焊接时，钎料层的厚度为0.05mm至1mm，焊接的温度为300℃到1200℃。

进一步地，所述相变散热器采用的冷却液介质为氟碳、氟化液或丙酮。此设置，其中氟碳也叫全氟碳，氟化液为目前应用最广泛的浸没式冷却液，丙酮也是一种较为常用的冷却液，三者相变蒸发时的吸热量约为单相水冷系统的15到20倍及以上，极大增强了本散热器的换热能力。本散热器可使用多种冷却液，使用范围广，兼容性好。

进一步地，每个所述波纹弧形结构与相邻侧壁之间至少设有足够供气泡上升的间隙。此设置，可保证气泡能够顺利上浮至顶部，可完全避免传统相变散热器的气泡堵塞问题。

进一步地，所述水汽分离膜为高分子多孔质膜。高分子多孔质膜表面布满30-40纳米微孔，具有极强的憎水性，液态氟化液无法通过微孔，气体则可以顺利通过。优选地，水汽分离膜通过机械连接或粘接等方式，固定于波纹弧形结构槽道顶部。

进一步地，所述散热冷板上设有用于将气泡引导向出口管路接头的倾斜面，所述倾斜面位于水汽分离膜上方。此设置，可更好地将气态冷却液引导向出口管路接头，无死角设计，可显著提升换热效率。

附图说明.

图1是本发明的内部结构示意图；

图2是本发明的工作原理示意图；

图3是气泡生成的示意图；

图4是波纹弧形结构一种实施例的示意图；

图5是本发明的立体图。

图中，1、散热冷板；2、散热台面盖；3、水汽分离膜；4、冷却容腔；5、波纹弧形结构；6、波谷；7、波峰；8、进口管路接头；9、出口管路接头；10、加强筋。

具体实施方式

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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本领域技术人员应理解的是，在本发明的披露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

如图1、2及5所示，本易于气泡生成和逃逸的相变散热器包括散热冷板1、散热台面盖2板及水汽分离膜3，散热冷板1两边通过散热台面盖2板盖住形成内部的冷却容腔4。

如图3所示，具体地，所述散热冷板1上设有交错排布的波纹弧形结构5，通过所述波纹弧形结构5加速气泡生成和逃逸，且所述散热冷板1侧端底部设有进口管路接头8，顶部设有出口管路接头9，其中每个所述波纹弧形结构5包括波谷6和波峰7，冷却液进入波谷6处在波谷6处生成气泡，气泡沿波谷6与波峰7之间的波面到波峰7处逃逸上升到水汽分离膜3。上述结构，波峰7波谷6的换热界面结构设计使得气泡极易逃逸到远离发生相变的位置，并在波峰7处聚集后脱离，可显著减少气泡覆盖在换热表面的问题发生，气泡难以聚集，彻底避免局部绝热层的产生，显著提高换热效率，同时能够平衡热输入和热输出，因此也无需外部额外加压。

优选地，所述散热冷板1上设有用于将气泡引导向出口管路接头9的倾斜面，所述倾斜面位于水汽分离膜3上方。此设置，可更好地将气态冷却液引导向出口管路接头9，无死角设计，可显著提升换热效率。

优选地，所述波纹弧形结构5与散热冷板1为一体式结构。此设置，在散热冷板1上通过金属切削加工工艺如铣削、拉削等，又或者通过刻蚀制作的工艺加工出波纹弧形结构5，无需加工复杂的流道，对于尺寸精度要求较低，可显著降低加工难度和加工成本。

为了散热冷板1的强度，所述散热板上设有多个平行均匀间隔排列的加强筋10。此设置，可有效地减少散热冷板1在加工和使用过程中发生形变概率，增强散热冷板1的整体强度。优选地，相邻两个加强筋10之间的距离为30～50mm，可根据实际需求而定。

如图4所示，在本实施例中，每个所述波纹弧形结构5的厚度D3为10～15mm，波谷6D2深度为5～10mm，相邻两个波峰7之间的间距D1为18～22mm，波形夹角α为90°～120°。通过多次试验得出上述尺寸范围内的波纹弧形结构5性价比最高，也就是在加工成本、难度、换热效果之间达到最佳的平衡。

在本实施例中，为了保证保证气泡能够顺利上浮至顶部，每个所述波纹弧形结构5与相邻侧壁之间至少设有2～6mm供气泡上升的间隙。其中相邻侧壁为散热台面盖2板与波纹弧形结构5相邻的一侧面。此设置，可完全避免传统相变散热器的气泡堵塞问题。

具体地，在本实施例中，所述散热冷板1与散热台面盖2板通过真空钎焊或气体保护焊接工艺焊接。上述设置可确保本散热器的强度和气密性要求达到设计要求，避免形变或漏液的问题发生，优选地，焊接时，钎料层的厚度为0.05mm至1mm，焊接的温度为300℃到1200℃。

具体地，所述水汽分离膜3设于出口管路接头9与散热冷板1的通道之间，并用于阻隔液体，使得气态冷却液能顺利流出，通过外部管路实现循环冷却。

在本实施例中，所述水汽分离膜3为高分子多孔质膜。高分子多孔质膜表面布满30-40纳米微孔，具有极强的憎水性，液态氟化液无法通过微孔，气体则可以顺利通过。优选地，水汽分离膜3通过机械连接或粘接等方式，如卡接，螺丝固定等，固定于波纹弧形结构5槽道顶部。

优选地，所述相变散热器采用的冷却液介质为氟碳、氟化液或丙酮。此设置，其中氟碳也叫全氟碳，氟化液为目前应用最广泛的浸没式冷却液，丙酮也是一种较为常用的冷却液，三者相变蒸发时的吸热量约为单相水冷系统的15到20倍及以上，极大增强了本散热器的换热能力。本散热器可使用多种冷却液，使用范围广，兼容性好。当然也可以采用其他的新型冷却液介质。

工作时，通过外部管路从进口管路接头8通入冷却液介质，冷却液介质在散热冷板1与散热台面盖2板之间形成容腔内进行热交换，当冷却液接触交错排布的波纹弧形结构5的时候，可迅速产生气泡并通过顶部的水汽分离膜3从出口管路接头9排出，利用重力的作用，使得液态的冷却液可重新下降回落，而气态的冷却液上升排出。

本发明未详述部分为现有技术，故本发明未对其进行详述。

可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。

尽管本文较多地使用了散热冷板1、散热台面盖2、水汽分离膜3、冷却容腔4、波纹弧形结构5、波谷6、波峰7、进口管路接头8、出口管路接头9、加强筋10等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。