[发明专利]利用液体沸腾的低成本沸腾冷却器

说明书

背景信息

发明领域

本发明涉及用于多种冷却应用的利用泡核沸腾传热(nucleate boilingheat transfer)的低成本沸腾冷却器(boiling cooler)的设计和制造。

发明背景

来自电子器件的不断增加的热通量已经促使人们寻求更有效且便宜的冷却技术。液体沸腾，而不是单相传热或基于蒸发的两相冷却(例如热管中的热虹吸)，正成为有吸引力的选择，因为其能产生非常高的传热系数，且可以获得穿过器件和/或器件阵列表面的更均匀的温度分布。另外，发展了许多沸腾增强方案，以克服用于冷却电子器件的某些最适当的绝缘冷却液(dielectric liquid coolant)的差的性能，例如强润湿性、低接触角以及低比热。一种有前景的沸腾增强方法是使用微孔涂层(microporouscoating)，所述微孔涂层提供显著增强的泡核沸腾传热和临界热通量，同时减少初期的滞后现象。利用这些技术的冷却模件(cooling module)使得液体的沸腾至蒸发成为散热的主要方式，而不是常规散热装置中使用的传导或对流。这可导致至少部分地替代或甚至完全消除必需使用金属材料作为冷却器主体框架，或者简化模件设计，而没有复杂的散热器(radiator)，从而极大地减少其制造成本。

一种目前的电子冷却装置利用空气调节集合管(air-conditioningmanifold)，以通过该装置外壳内的多个孔口或涡流管将冷空气分布到加热电子组件。然而，动力消耗空气循环系统(power consuming air circulatingsystem)及其复杂的结构使得这种装置昂贵、笨重且不易适应各种各样的电子系统设计。另一种用于电子装置的冷却装置利用了液体冷却和对流的结合。但是液体冷却局限于使用非常低效的泵传动液体循环(pump-drivenliquid circulating)，且可能需要电扇的帮助来强制空气对流以满足热负荷的需要。本发明描述的沸腾冷却器在零功率消耗、高传热效率、低成本、物理形状适应性和小型化能力方面克服了那些常规电子冷却装置的许多缺点，使其非常适合于包括电子部件/系统冷却的多种冷却应用。

发明概述

依照本发明的利用沸腾两相冷却的沸腾冷却器提供了用于多种冷却应用的具有非常好的结构和材料适应性的低成本解决方案。在本发明的一个方面中，沸腾冷却器包括部分地填充有冷却液并由主体壳(body-shell)封闭的容器，主体壳主要由非金属材料制成，其中在容器内具有用于液体蒸汽向周围扩散热的额外的开放空间以及用于通过自然对流或者，如果必要，通过强制空气对流额外冷却的延伸的表面区域。主体壳的一部分是导热的，并用来连接发热部件，以便将热通量传递到液体，且在应用多种沸腾增强处理(例如机械糙化(mechanical roughening)或微孔涂层)的表面上诱发泡核沸腾。该导热面可以是发热器件部件的主体表面本身的一部分，从而构成集成的器件冷却器。在本发明另一个实施方案中，容器的塑料主体壳可以容易地被模压，以形成多种希望的复杂或不对称形状，相反地，这对于用金属制造将是不可能的或太昂贵的。在本发明又一个实施方案中，对于具有较大热负荷的某些器件/系统，冷却器可具有由烘烤的铜粉模压的模压容器，具有挤压形状或翅片(fin)，这提供了比使用全塑材料的那些模件好得多的导热率，但还比使用全加工金属的那些模件花费少。冷却器的可选择结构可具有用于具有金属机体外壳的容器的塑料端盖或顶部/底部。在本发明的另一个实施方案中，可使用例如水的低成本冷却液。

附图简述

图1A说明了作为本发明优选实施方案的连接到沸腾冷却器容器内的导热面的上表面的微孔沸腾增强涂层的剖视图。

图1B是包括尺寸为30-50μm的颗粒的涂层结构的SEM图像。

图2说明了作为封闭容器的沸腾冷却器的剖视图，所述封闭容器包括底部室(base chamber)以及具有延伸板和挤压翅片的一个(或多个)上部室(upper chamber)，并在底部室的底部处结合有沸腾增强涂层，且冷却液部分地填充该室。

图3是依据本发明另一个实施方案的示意地显示具有包括相对复杂的不对称的壳形状和延伸表面区域的容器的沸腾冷却器的剖视图。

图4是示意地显示了具有部分地包裹在加热电子部件周围的容器的沸腾冷却器的剖视图，加热电子部件的导热主体壳的一部分也是冷却器容器的主体壳的一部分。微孔涂层被应用到所述导热面上，其至少部分地浸在容器内的液体中，以增强泡核沸腾传热。

优选实施方案的详细描述