[发明专利]一种基于泡沫材料的脉动热管式换热器

说明书

技术领域

本发明涉及一种脉动热管式换热器，尤其涉及一种基于泡沫材料的脉动热管式换热器。

背景技术

随着电子元器件集成度的提高，半导体制作工艺的完善，电子设备体积越来越小，而电子设备的功能和复杂性日益增长，在有限的体积范围内，电子设备的功耗不断增加，散热量急剧上升，热流密度也越来越大，能否很好的解决这些元器件的散热问题直接影响了电子设备的可靠性和使用寿命。

目前电子散热的方法主要有自然冷却、空气冷却、液体冷却等。但这些传统的冷却手段已不能够满足目前高热流密度电子设备和未来先进电子(如大功率的FR，星载电子器件等)设备的散热要求。微型液体冷却系统和半导体冷却也被用作电子散热，微型液体冷却系统由微泵、微阀、微型冷却通道组成，工作时会产生噪音，且性能的可靠性相对较差、工艺加工难度大；半导体制冷虽然无噪声、体积小、易于控制，但是其制冷量小、能效比低的特点不利于大规模应用。作为一种新型散热冷却技术，脉动热管因其尺寸小、重量轻、传热效果好等特点已经在电子散热领域显示出了优势。然而，虽然脉动热管的导热系数很高，但是它的传热机理很复杂，理论分析难度大，工作不稳定。设计起来较困难，在蒸发端和冷凝端的换热可能不均匀，这就在一定程度上限制了脉动热管的大规模使用。

目前，美国等许多国家已经对泡沫材料的实用化进行了大量研究。早期的泡沫材料的基体大多为橡胶、塑料等高分子材料，再后来，又增加了铝、铝合金等轻金属材料。随着技术工艺的巨大进步，这一家族目前更加壮大，材质更是包含了陶瓷、石墨、钛等。泡沫材料是由刚性骨架和内部孔洞组成的，自20世纪40年代问世以来，由于具有诸多优异的性能，如：能量吸收性能好、密度小、耐高温、耐腐蚀、重量轻、比表面积大，导热系数高，热稳定性好，防噪效果好等优点。在金属电极、吸附材料、能量储存于吸收领域获得了广泛的应用。泡沫材料的优良传热性能可以用泡沫金属为例来进行说明：由于大多数的金属材料本身就具有非常高的导热系数，因此以高孔隙率的泡沫金属味骨架，在其中填充相应的复合相变材料，在密度和单位体积的相变潜热都改变很小的情况下，可以使复合材料的等效导热系数大大提高。如根据文献“程文龙，韦文静.高孔隙率泡沫金属相变材料储能传热特性.太阳能学报.2007年7月.739-744”把水充入孔隙率为94.6％的泡沫铝中，其等效导热系数由0.6W/(m·K)提高8倍，达到5.4W/(m·K)。它具有很大的比表面积和良好的流通性能，使得流体从泡沫材料中通过时有极大的热交换面积，而且材料良好的导热性使得热量更能均匀的分布，因此，泡沫材料是一种优良的传热材料，可以有效增大换热管的换热面积。

由于脉动热管能够传递很高的热流密度，经调查发现已有散热器考虑用脉动热管，这样一来散热器的传热热流密度会有所增加，但是由于各种原因，还是存在着很多不足。专利号(申请号200610032490.9)公布了一种用于电子冷却的脉动热管散热器，特点是脉动热管被弯折成蛇形回路，并在中间对折，上半部分与翅片焊接，通过底座与发热元件紧贴在一起，但是由于方案中采用离开翅片，提高翅片的数量和高度并不能明显的提高传热量，同时在电子器件散热时，翅片也不可能做的太大，本方案还有一个不足之处是不可能实现远距离的传热，众所周知，CPU等重要的发热元件并不靠近电脑的边缘，这样该方案在使用时就会受限。专利(申请号200710074565.4)公布了一种L型的CPU散热器，该专利把热管弯折成L型，其两端仍然为蒸发端和冷凝端，但是在蒸发段并没有采取任何的强化措施，冷凝段也只是采用翅片强化，因此换热效果仍然不是很理想，实质上与目前常见的强制空气对流方式有很多相似之处。

资料显示，泡沫材料优良的传热特性也引起了学者们的注意，也有一部分专利把泡沫和脉动热管结合起来强化换热。例如专利(申请号200910097729.4)公布了一种带泡沫的脉动热管散热器，该专利在脉动热管的外部装有泡沫材料，用以强化换热，但是由于脉动热管是嵌入在泡沫材料中的，因此加工起来不方便，工艺要求很高，同时由于泡沫材料内部空隙很大，使得它与脉动热管的接触面积较小，接触热阻将会很大，因此传热强化的效果并不好。专利(申请号200820180252.7)公布了一种开孔泡沫金属热管针翅组合式CPU散热器，虽然其蒸发段也采用了泡沫金属进行强化换热，但是在冷凝段却用翅片，因此还具有一定的提升潜力。