本發(fā)明屬于換熱器領(lǐng)域，尤其涉及平板式微型環(huán)路熱管系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著微電子和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，器件與電路的高度集成化和小型化成為重要的發(fā)展趨勢(shì)，但集成度提高所帶來的芯片單位面積發(fā)熱強(qiáng)度攀升和溫度升高將嚴(yán)重威脅裝置和設(shè)備的可靠性。已有研究發(fā)現(xiàn)微電子芯片具有表面發(fā)熱分布不均勻的特點(diǎn)，某些局部熱點(diǎn)處的熱流強(qiáng)度甚至可高達(dá)1000w/cm2，其被認(rèn)為是造成芯片失效乃至損壞的關(guān)鍵原因。為此，開發(fā)直接給芯片降溫并提高其整體均溫性的微型冷卻器已成為近年來熱控制研究關(guān)注的熱點(diǎn)。

微型環(huán)路熱管就是近年來為了適應(yīng)這種需要而開發(fā)的一種重要的微型冷卻器。作為氣液兩相相變換熱器件，微型熱管具有結(jié)構(gòu)小巧和在較小的溫度梯度內(nèi)可以進(jìn)行較大熱量傳輸?shù)奶攸c(diǎn)。

目前現(xiàn)有技術(shù)的微型平板熱管，在蒸發(fā)端設(shè)置毛細(xì)芯多孔介質(zhì)后，毛細(xì)芯多孔介質(zhì)中工作液遇熱蒸發(fā)的蒸汽快速溢出，大量蒸汽滯留在毛細(xì)芯處，從而阻塞整個(gè)多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致毛細(xì)芯蒸干，使整個(gè)微型環(huán)路熱管系統(tǒng)陷入癱瘓。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在提供一種高效且結(jié)構(gòu)微小的平板式微型環(huán)路熱管系統(tǒng)，提高對(duì)微型芯片的散熱能力。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種平板式微型環(huán)路熱管，包括主板和上蓋板，所述上蓋板與主板封裝在一起，所述主板包括蒸發(fā)室、冷凝室，蒸發(fā)室和冷凝室之間連接蒸汽管道和液體管道，所述蒸發(fā)室內(nèi)設(shè)置多孔介質(zhì)薄片，上蓋板上設(shè)置空腔，所述空腔與蒸汽管道連通，所述空腔設(shè)置在與多孔介質(zhì)薄片相對(duì)的位置。

作為優(yōu)選，薄片厚度與主板蒸發(fā)室槽道厚度相同，多孔介質(zhì)薄片上表面不能超過主板上表面。

作為優(yōu)選，液體管道和蒸發(fā)室之間連接毛細(xì)力管道。

作為優(yōu)選，所述的多孔介質(zhì)薄片的孔隙率為k，多孔介質(zhì)的厚度為h1，所述空腔的厚度為h2，則滿足如下條件：h2＝a*ln(k*h1)-b，其中200<a<210，760<b<770；

140μm<h2<240μm；80μm<k*h1<130μm。

作為優(yōu)選，60％<k<80％，100μm<h1<200μm。

作為優(yōu)選，h1＝c*h2，0.7<c<0.8。

作為優(yōu)選，蒸汽管道寬度為液體管道寬度的2－5倍。

作為優(yōu)選，蒸汽管道寬度為液體管道寬度的3倍。

作為優(yōu)選，還包括液體補(bǔ)償室，所述液體補(bǔ)償室與蒸發(fā)室和液體管道接合處連通。

與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明具有如下的優(yōu)點(diǎn)：

1)通過在上蓋板上設(shè)置空腔，便于毛細(xì)芯多孔介質(zhì)中工作液遇熱蒸發(fā)的蒸汽快速溢出，避免蒸汽滯留在毛細(xì)芯處，從而阻塞整個(gè)多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致毛細(xì)芯蒸干，使整個(gè)微型環(huán)路熱管系統(tǒng)陷入癱瘓。同時(shí)蒸汽的快速排出可以加快整個(gè)裝置內(nèi)部的循環(huán)，提高傳熱散熱效率。

2)通過設(shè)置隔熱通道，將氣液分開傳輸，避免了汽液流動(dòng)過程中的換熱現(xiàn)象發(fā)生，從而影響氣體和液體的傳輸，減少流動(dòng)阻力，避免通道的阻塞，增大熱流傳輸距離。

3)將環(huán)路熱管結(jié)構(gòu)小型化，能夠直接貼合到微型芯片表面，將熱量直接帶走，散熱效率高。

4)毛細(xì)芯采用鎳基多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)，能夠提供較大的毛細(xì)力，能夠維持整個(gè)裝置的快速運(yùn)轉(zhuǎn)，并利用工作液的潛熱帶走大量的熱量。

5)本發(fā)明通過多次試驗(yàn)，得到一個(gè)最優(yōu)的平板型微型環(huán)路熱管優(yōu)化結(jié)果，并且通過試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，從而證明了結(jié)果的準(zhǔn)確性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明平板型微型環(huán)路熱管主板的示意圖；

圖2是本發(fā)明平板型微型環(huán)路熱管蓋板示意圖；

圖3是本發(fā)明平板型微型環(huán)路熱管蒸發(fā)室a-a截面示意圖；

圖4是本發(fā)明平板型微型環(huán)路熱管氣液管道c-c截面示意圖；

圖5是本發(fā)明平板型微型環(huán)路熱管b-b截面示意圖；

圖6是本發(fā)明平板型微型環(huán)路熱管多孔介質(zhì)毛細(xì)芯示意圖；

圖7是本發(fā)明平板型微型環(huán)路熱管三維示意圖。

附圖標(biāo)記如下：

附圖標(biāo)記如下：1主板，2蒸發(fā)室，3液體補(bǔ)償室，4注液排氣小孔，5隔熱通孔，6液體管道，7蒸汽管道，8冷凝室，9上蓋板淺腔位置，10上蓋板，11薄片型多孔介質(zhì)毛細(xì)芯

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式做詳細(xì)的說明。

一種平板式微型環(huán)路熱管，包括主板1和上蓋板10，所述上蓋板10與主板1封裝在一起，所述主板1包括蒸發(fā)室2、冷凝室8，蒸發(fā)室2和冷凝室8之間連接蒸汽管道7和液體管道6，所述蒸汽管道7和液體管道6之間通過隔熱通孔5分開。

本發(fā)明的環(huán)路熱管，將蒸汽管道7和液體管道6全部設(shè)置在一塊主板1上，使得結(jié)構(gòu)小型化，能夠直接貼合到微型芯片表面，將熱量直接帶走，散熱效率高，可以廣泛應(yīng)用于電子芯片等微小部件的散熱。

本發(fā)明通過設(shè)置隔熱通孔5，將氣液分開傳輸，可以有效地將熱量聚集在蒸發(fā)器處，從而將熱量高效的通過氣液管道轉(zhuǎn)移到冷凝室進(jìn)行散熱。避免熱量擴(kuò)散到液體管道，使液體管道中的液體蒸發(fā)形成氣泡，從而阻礙整個(gè)循環(huán)的流暢運(yùn)行，從而不能實(shí)現(xiàn)氣液相分開這一最初的原則。

作為優(yōu)選，所述的隔熱通孔5是主板1上設(shè)置的通道槽。

作為優(yōu)選，所述的通道槽在厚度方向上貫穿整個(gè)主板1。即如圖4所示。通過在主板厚度上貫通整個(gè)主板，可以使得蒸汽管道7和液體管道6之間徹底隔開，進(jìn)一步增加了蒸汽管道7和液體管道6之間的隔熱性能。

作為優(yōu)選，所述的上蓋板10上設(shè)置與主板1上通道槽相對(duì)應(yīng)的通道槽。

作為優(yōu)選，在隔熱通孔5內(nèi)設(shè)置絕熱材料，進(jìn)一步阻礙熱量在蒸汽管道7和液體管道6之間傳遞。

作為優(yōu)選，隔熱通孔5的寬度是0.5mm。

作為優(yōu)選，所述蒸發(fā)室2位于隔熱通孔5的蒸汽管道的一側(cè)。通過如此設(shè)置，可以保證蒸汽的蒸發(fā)后直接進(jìn)入蒸汽管道，保證了氣體的輸送，減少流動(dòng)阻力，避免通道的阻塞，增大熱流傳輸距離。

作為優(yōu)選，所述蒸發(fā)室2內(nèi)設(shè)置多孔介質(zhì)薄片11，將薄片11通過過盈配合安裝到微型環(huán)路熱管主板1的蒸發(fā)室2處。

作為優(yōu)選，薄片11厚度與主板蒸發(fā)室2槽道厚度相同，多孔介質(zhì)薄片11上表面不能超過主板1上表面。通過如此設(shè)置，避免因上蓋板與主板不能緊密結(jié)合而產(chǎn)生縫隙，使整個(gè)裝置失效。

所述多孔介質(zhì)薄片11通過多孔介質(zhì)毛細(xì)芯產(chǎn)生毛細(xì)力。

蒸發(fā)室2吸收微型芯片的熱量，加熱多孔介質(zhì)毛細(xì)芯部位使表面工作液蒸發(fā)，蒸汽經(jīng)過蒸汽管道進(jìn)入微型環(huán)路熱管的冷凝室，在冷凝室進(jìn)行放熱并液化為工作液，在冷凝室放熱完成后的工作液再通過液體管道循環(huán)進(jìn)入微型環(huán)路熱管的蒸發(fā)器進(jìn)行加熱蒸發(fā)，從而完成一個(gè)循環(huán)。整個(gè)裝置由多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)毛細(xì)芯產(chǎn)生的毛細(xì)力提供一部分動(dòng)力，達(dá)成循環(huán)。毛細(xì)芯設(shè)置在蒸發(fā)器內(nèi)，蒸發(fā)器既與蒸汽管道相接又與液體管道相接，液體管道、毛細(xì)芯以及液體補(bǔ)償室均通過一個(gè)小的腔室相連，具體的見圖1。

液體管道6和蒸發(fā)室2之間連接管道，如圖1所示，所述管道也具有毛細(xì)力，將蒸汽管道7內(nèi)的液體吸到蒸發(fā)室2內(nèi)。在蒸發(fā)室2內(nèi)依靠多孔介質(zhì)薄片毛細(xì)芯的毛細(xì)力將液體沿著多孔介質(zhì)薄片長度方向(即圖1的上下方向)將液體吸到蒸發(fā)室2的不同位置，然后再進(jìn)入蒸汽管道7，從而形成一個(gè)循環(huán)。

在研究中發(fā)現(xiàn)，沿著蒸發(fā)室2的上下方向，蒸汽管道內(nèi)的流體分布不均勻，其中下部分布流體多，上部分布流體少，因此造成局部換熱不均勻，同時(shí)造成不同位置蒸汽管道7的流體分布不均勻和溫度分布不均勻，從而造成局部溫度過高或者過低，容易造成熱管的損壞。針對(duì)上述的情況，本發(fā)明進(jìn)行了改進(jìn)，使其達(dá)到流體分布均勻，溫度分布均勻。

沿著多孔介質(zhì)毛細(xì)芯毛細(xì)力的方向(即圖1的下部到上部)，不同位置的所述多孔介質(zhì)毛細(xì)芯的毛細(xì)力逐漸增強(qiáng)。通過沿著下部到上部，毛細(xì)芯的毛細(xì)力逐漸增強(qiáng)，使得上部能夠快速的將液體吸上去，增加上部的流體的數(shù)量，從而在上部蒸發(fā)后進(jìn)入上部的蒸汽管道7，從而達(dá)到流體分布均勻，溫度分布均勻的目的。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，上述的設(shè)置取得了很好的技術(shù)效果。

進(jìn)一步優(yōu)選，沿著多孔介質(zhì)毛細(xì)芯毛細(xì)力的方向，毛細(xì)芯的毛細(xì)力逐漸增強(qiáng)的幅度越來越大。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，上述的設(shè)置能夠更好的達(dá)到流體分布均勻、溫度分布均勻的目的。

作為優(yōu)選，可以將多孔介質(zhì)毛細(xì)芯沿著上下方向分為多塊，每塊的毛細(xì)力不同，其中沿著多孔介質(zhì)毛細(xì)芯毛細(xì)力的方向(即圖1的下部到上部)，不同塊的毛細(xì)力逐漸增強(qiáng)。進(jìn)一步優(yōu)選，不同塊的毛細(xì)力增強(qiáng)的幅度越來越大。

但是上部毛細(xì)芯的毛細(xì)力過大的話，又會(huì)造成下部流體流量過小，從而造成新的不均勻，因此本發(fā)明通過大量的實(shí)驗(yàn)獲得了最佳的毛細(xì)芯的毛細(xì)力的關(guān)系。

作為優(yōu)選，多孔介質(zhì)薄片11的長度(即圖1上下方向)為l總，在多孔介質(zhì)薄片11最上方的毛細(xì)力是f上，則多孔介質(zhì)薄片11的毛細(xì)力分布如下：f＝f上*(l/l總)^a，其中a是系數(shù)，1.24<a<1.33。l是多孔介質(zhì)薄片11中的位置距離多孔介質(zhì)薄片11最下端的距離。

上述的關(guān)系是通過大量的數(shù)值模擬及其實(shí)驗(yàn)獲得的，通過大量的實(shí)驗(yàn)得到了驗(yàn)證。通過上述的關(guān)系進(jìn)行毛細(xì)力分配，能夠使得流體分布達(dá)到最均勻。

作為優(yōu)選，1.27<a<1.29。

作為優(yōu)選，隨著l/l總增加，a逐漸增加。

作為優(yōu)選，多孔介質(zhì)薄片11以鎳粉為基，經(jīng)過沖壓燒結(jié)形成。

作為優(yōu)選，鎳基多孔介質(zhì)薄片11的尺寸為，長度5.15mm，寬度為3.8mm，厚度為150μm，所述的長度沿著垂至于蒸汽管道7和液體管道的方向。

作為優(yōu)選，上蓋板10上設(shè)置空腔9，所述空腔9設(shè)置在多孔介質(zhì)薄片11相對(duì)的位置，所述空腔10與蒸汽管道7連通。

制造此空腔的目的為便于毛細(xì)芯多孔介質(zhì)中工作液遇熱蒸發(fā)的蒸汽快速溢出，避免蒸汽滯留在毛細(xì)芯處，從而阻塞整個(gè)多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致毛細(xì)芯蒸干，使整個(gè)微型環(huán)路熱管系統(tǒng)陷入癱瘓。同時(shí)蒸汽的快速排出可以加快整個(gè)裝置內(nèi)部的循環(huán)，提高傳熱散熱效率。

作為優(yōu)選，毛細(xì)芯不與蒸汽管道直接連通，毛細(xì)芯與蒸汽管道之間通過空腔9連通。主要有以下原因：毛細(xì)芯內(nèi)工作液受熱蒸發(fā)，蒸汽一般會(huì)向上走進(jìn)入到上蓋板淺腔內(nèi)，由淺腔再進(jìn)入到蒸汽管道內(nèi)，此方式蒸汽收到的阻力較小，有利于提高效率。直接連通并不能提高整個(gè)裝置的效率，而且會(huì)干涉毛細(xì)芯內(nèi)部液體的流動(dòng)。

通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值分析發(fā)現(xiàn)，空腔和蒸發(fā)室相比，不能過大，過大導(dǎo)致大量的蒸汽會(huì)積聚在空腔內(nèi)，無法及時(shí)傳送到冷凝室進(jìn)行換熱，同樣空腔和蒸發(fā)室相比，不能過小，過小也會(huì)導(dǎo)致蒸汽滯留在毛細(xì)芯處，從而阻塞整個(gè)多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)，因此通過大量的數(shù)值分析及其大量的實(shí)驗(yàn)，總結(jié)出來空腔10和蒸發(fā)室的最佳尺寸關(guān)系。

作為優(yōu)選，所述的多孔介質(zhì)薄片11的孔隙率為k，多孔介質(zhì)薄片11的厚度為h1，所述空腔10的深度為h2，則滿足如下條件：h2＝a*ln(k*h1)-b，其中200<a<210，760<b<770；

140μm<h2<240μm；80μm<k*h1<130μm。

作為優(yōu)選，60％<k<80％，100μm<h1<200μm。

作為優(yōu)選，h1＝c*h2，0.7<c<0.8。

作為優(yōu)選，所述環(huán)路熱管還包括液體補(bǔ)償室3，所述液體補(bǔ)償室3與蒸發(fā)室2和液體管道6接合處連通。液體補(bǔ)償室主要有以下兩種作用：1.通過液體補(bǔ)償室的小孔我們可以實(shí)現(xiàn)排氣和注液兩大關(guān)鍵的步驟。2.存儲(chǔ)在液體補(bǔ)償室的工作液可以有效地補(bǔ)給毛細(xì)芯中因過熱而迅速蒸發(fā)工作液，防止液體被完全蒸干二導(dǎo)致毛細(xì)芯失效使整個(gè)裝置癱瘓。

作為優(yōu)選如圖5所示的薄片型鎳基多孔介質(zhì)毛細(xì)芯的尺寸為，長度5.15mm，寬度為3.8mm，厚度為150μm。其中鎳基多孔介質(zhì)孔隙率為60％～80％時(shí)毛細(xì)力較大，裝置運(yùn)轉(zhuǎn)效率較高。

作為優(yōu)選，蒸汽管道7寬度為400－500μm，作為優(yōu)選為450μm，優(yōu)選為有10條。優(yōu)選蒸汽管道7互相之間的間隔為200μm，長度為43mm，深度為150μm。通過在主板上加工矩形槽道，并將上蓋板與主板接合形成管道。

作為優(yōu)選，蒸汽管道7寬度為液體管道寬度的2－5倍，優(yōu)選為3倍。通過增加蒸汽管道的數(shù)量較多，目的在于減少蒸汽的壓降，增大蒸汽的傳輸距離，提高裝置的運(yùn)行效率。

作為優(yōu)選，液體管道6寬度為150μm，長度為43mm，深度為150μm，一共設(shè)計(jì)四條液體管道，中間的間隔為75μm。

將液體管道設(shè)計(jì)的如此窄是因?yàn)椋?.狹窄通道會(huì)提供很大的毛細(xì)力，將液體從冷凝室中吸回蒸發(fā)端，成為整個(gè)裝置的輔助動(dòng)力，并對(duì)液體的流動(dòng)產(chǎn)生導(dǎo)向作用。2.狹窄的通道可以承受更大的壓力。

作為優(yōu)選，冷凝室8的尺寸為長寬均為8.9mm，深度為150μm的淺腔。如此選擇的目的為增大散熱面積，提高散熱效率。冷凝室冷卻方式也可以設(shè)置很多種，例如設(shè)置風(fēng)冷或水冷設(shè)備，我們這里使用電子半導(dǎo)體降溫元件來實(shí)現(xiàn)冷凝室的降溫。

對(duì)平板式微型環(huán)路熱管來說，保證蒸發(fā)室多孔介質(zhì)毛細(xì)芯不被蒸干，不被所生成的蒸汽阻塞，液體管道不被氣泡阻塞是維持整個(gè)裝置順利運(yùn)行的關(guān)鍵。我們知道空氣中含有許多非可凝氣體，當(dāng)平板式微型環(huán)路熱管里工作液蒸發(fā)時(shí)，非可凝氣體會(huì)與蒸汽結(jié)合產(chǎn)生大量的氣泡，進(jìn)而阻塞多孔介質(zhì)毛細(xì)芯的孔道以及阻塞液體管道，從而整個(gè)裝置啟動(dòng)不了或者啟動(dòng)后裝置癱瘓。所以排出整個(gè)裝置的非可凝氣體是整個(gè)裝置運(yùn)行的前提。

作為優(yōu)選，在液體補(bǔ)償室設(shè)置注液和排氣孔4，分別用于注液和排氣，注液和排氣孔4可和外界的微細(xì)銅管相接，銅管上裝有控制閥，控制氣液流動(dòng)來完成排氣注液。注液完成后我們將小孔密封，從而形成一套密封的平板式微型環(huán)路熱管系統(tǒng)。系統(tǒng)內(nèi)部采取內(nèi)循環(huán)。

當(dāng)然，可以選擇的是，為了增加測(cè)量溫度的準(zhǔn)確性，我們可以在排氣小孔處設(shè)置溫度氣壓監(jiān)測(cè)裝置，來監(jiān)測(cè)裝置的溫度以及運(yùn)行情況，并通過氣體的氣壓和溫度算出裝置內(nèi)氣體的體積，進(jìn)而控制裝置的排氣注液。

對(duì)平板型微型環(huán)路熱管來說，將熱量集中在蒸發(fā)室處吸收，通過工作液的兩相變化即液體的潛熱來將熱量帶走。所以保證熱量集中作用于蒸發(fā)端也是裝置高效運(yùn)行的關(guān)鍵。

作為優(yōu)選，工作液我們有多種選擇，主要的工作液有以下幾種：水、氨、丙酮、甲醇、甲苯、氟里昂。選擇何種工作液主要與所需的工作溫度有關(guān)，不同液體在不同的工作溫度上表現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)各不相同，所以選擇工作液還需要依實(shí)際情況來定。

雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例披露如上，但本發(fā)明并非限定于此。任何本領(lǐng)域技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，均可作各種更動(dòng)與修改，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)以權(quán)利要求所限定的范圍為準(zhǔn)。