基于冲击射流的高孔密度通孔金属泡沫电子器件散热装置.pdf

1、(10)申请公布号 CN 103117258 A(43)申请公布日 2013.05.22CN103117258A*CN103117258A*(21)申请号 201310027366.3(22)申请日 2013.01.24H01L 23/473(2006.01)G06F 1/20(2006.01)(71)申请人上海交通大学地址 200240 上海市闵行区东川路800号(72)发明人徐治国 赵长颖 王美琴(74)专利代理机构上海交达专利事务所 31201代理人王毓理 王锡麟(54) 发明名称基于冲击射流的高孔密度通孔金属泡沫电子器件散热装置(57) 摘要一种基于冲击射流的通孔金属泡沫电子器件换热装

2、置，包括：换热基板、烧结于换热基板上的通孔金属泡沫、冷却进水管和排水管，其中：冷却进水管和排水管的主体为竖直间隔设置，位于两种水管底部的热量交换部设置有通孔金属泡沫，该通孔金属泡沫在与排水管相接的位置开有换热结构。本发明的通孔金属泡沫把补充液体的流通路径和气泡的逃逸路径分离，大大减小了气泡逃逸时遇到的阻力。换热装置换热效率高，可以广泛应用在电子器件换热领域。(51)Int.Cl.权利要求书1页 说明书3页 附图2页(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书1页 说明书3页 附图2页(10)申请公布号 CN 103117258 ACN 103117258 A1/1页21.

3、一种基于冲击射流的高孔密度通孔金属泡沫电子器件换热装置，其特征在于，包括：换热基板、烧结于换热基板上的通孔金属泡沫、冷却进水管和排水管，其中：冷却进水管和排水管的主体为竖直间隔设置，位于两种水管底部的热量交换部设置有通孔金属泡沫，该通孔金属泡沫在与排水管相接的位置开有换热结构；所述的通孔金属泡沫的内部通孔为稠密程度逐渐变化的结构，具体是指：孔隙率相同，孔密度沿壁面垂直方向增大或减小；或者孔密度相同，孔隙率增大或减小；或者孔密度和孔隙率都相同，构成通孔金属泡沫的材质不同。2.根据权利要求1所述的换热装置，其特征是，所述的换热基板的材质为纯铜。3.根据权利要求1所述的换热装置，其特征是，所述的换热

4、结构为带有V字形对称结构槽、U字形对称结构槽或竖直的矩形结构槽。4.根据权利要求3所述的换热装置，其特征是，所述的V字形或U字形对称结构槽的宽度为1mm4mm。5.根据权利要求1所述的换热装置，其特征是，所述的通孔金属泡沫的厚度为0.5mm4mm。6.根据权利要求1所述的换热装置，其特征是，所述的孔密度的变化范围为100PPI130PPI。7.根据权利要求1所述的换热装置，其特征是，所述的孔隙率的变化范围为0.880.98。8.根据权利要求1所述的换热装置，其特征是，所述的通孔金属泡沫的材质为铝、铜或中的至少两种。9.根据权利要求1-8中任一所述的换热装置，其特征是，所述的通孔金属泡沫通过熔模

5、铸造法制备得到：第一步、将稠密程度逐渐变化的不同规格的高分子泡沫材料按层叠加粘合在一个整体；然后将其浸入到液体耐火材料中，使耐火材料充满其空隙；第二步、在耐火材料硬化后加热使高分子泡沫气化分解，形成一个和原按层变化的高分子泡沫材料形状一样的三维骨架空间；第三步、将铝或其它金属的熔液浇注到此铸型内，待金属凝固后去除耐火材料就可形成具有渐变形貌特征的通孔铝泡泡沫或其它材质的泡沫。权 利 要 求 书CN 103117258 A1/3页3基于冲击射流的高孔密度通孔金属泡沫电子器件散热装置技术领域0001 本发明涉及的是一种电子器件领域的冷却装置，具体是一种基于冲击射流的高孔密度通孔金属泡沫电子器件散热

6、装置。背景技术0002 随着电子工业的发展，电子器件的性能越来越高，而其发热功率也在快速增加。当前电子芯片的最大发热功率已经超过了100W/cm2，而且还在快速增加。冲击射流换热是一种高效的换热方式，其换热系数比普通的自然对流换热高1-2个数量级。而沸腾换热系数比单相换热高1-2个数量级。高孔密度（100PPI-130PPI）通孔金属泡沫是一种高孔隙率（0.88-0.98）、高比表面积（10000-13000m2/m3）的多孔材料，扰流能力非常强，可强化单相和两相换热。因此，在电子器件冷却装置中采用基于冲击射流的沸腾换热方式，加之高孔密度通孔金属泡沫的换热强化，可以非常显著的增强电子器件换热装

7、置的散热效果。0003 经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN201294224，公开日2009-08-19，记载了一种开孔泡沫金属热管针翅组合式CPU散热器，底座中空，开孔泡沫金属设置在底座的空腔中，开孔泡沫金属上部有一小段集气室，集气室与设置在上方的若干散热区中空针翅的空腔相连通，在底座空腔中注有液体。但翅片单相强化对流换热系数较低，还需要外加风扇设备，换热装置的结构不够紧凑，而且平板式金属泡沫在增加汽化核心数的同时，其骨架也会阻碍气泡的逃逸，影响沸腾化热强化的效果。0004 中国专利文献号CN102637654A，公开日2012-08-15，记载了一种基于泡沫金属强化沸腾换热的芯片

8、冷却装置，密封腔体中盛有所述制冷剂，所述底层泡沫金属呈锯齿状，设置于所述密封腔体内，并紧贴所述密封腔体的底部。但制冷剂的比热容较小，所以该装置总体换热系数较低。而且制冷剂容易泄露，污染环境。0005 综上所述，现有技术虽然提高了电子芯片冷却装置的换热效率，但不能充分利用通孔金属泡沫、尤其是高孔密度通孔金属泡沫的换热性能。高孔密度通孔金属泡沫比表面积大，扰流能力强的优势没有得到发挥发明内容0006 本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于冲击射流的通孔金属泡沫电子器件换热装置，既能利用冲击射流高效换热的优点，又能充分利用高孔密度金属泡沫换热比表面积大、扰流能力强的长处，从而达到增大总体沸腾

9、换热系数的效果。0007 本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：换热基板、烧结于换热基板上的通孔金属泡沫、冷却进水管和排水管，其中：冷却进水管和排水管的主体为竖直间隔设置，位于两种水管底部的热量交换部设置有通孔金属泡沫，该通孔金属泡沫在与排水管相接的位置开有换热结构；0008 所述的通孔金属泡沫的内部通孔为稠密程度逐渐变化的结构，具体是指：孔隙率相同，孔密度沿壁面垂直方向增大或减小；或者孔密度相同，孔隙率增大或减小；或者孔密说 明 书CN 103117258 A2/3页4度和孔隙率都相同，构成通孔金属泡沫的材质不同。0009 所述的孔密度的变化范围为100PPI130PPI；0010 所

10、述的孔隙率的变化范围为0.880.98。0011 所述的材质为铝、铜或中的至少两种。0012 所述的换热结构为带有V字形对称结构槽、U字形对称结构槽或竖直的矩形结构槽。0013 所述的V字形或U字形对称结构槽的宽度为1mm4mm。0014 所述的通孔金属泡沫的厚度为0.5mm4mm。0015 所述的通孔金属泡沫通过熔模铸造法制备得到：0016 第一步、将符合稠密程度逐渐变化的不同规格的高分子泡沫材料按层叠加粘合在一个整体；然后将其浸入到液体耐火材料中，使耐火材料充满其空隙。0017 第二步、在耐火材料硬化后加热使高分子泡沫气化分解，形成一个和原按层变化的高分子泡沫材料形状一样的三维骨架空间。0

11、018 第三步、将铝或其它金属的熔液浇注到此铸型内，待金属凝固后去除耐火材料就可形成具有渐变形貌特征的通孔铝泡泡沫或其它材质的泡沫。0019 耐火材料可以是酚醛树脂、莫来石或石膏等。根据金属泡沫材质的不同选择合适的耐火材料。若是制备材质按层变化的渐变金属泡沫，可通过上述熔模铸造法将不同材质的金属泡沫出来后，再通过钎焊的方法将这些金属泡沫焊接在一起。有益效果0020 本发明的换热结构使得通孔金属泡沫把补充液体的流通路径和气泡的逃逸路径分离，大大减小了气泡逃逸时遇到的阻力。同时，进水管的冲击射流换热方式不仅增强了金属骨架的扰流效应，增强了金属骨架对大气泡的粉碎效果，更有利于气泡从通孔金属泡沫的微细

12、连通内逃逸，而且到达换热壁面的冷却水直接冷却了换热壁面，从而使总体沸腾换热系数增大。最大沸腾换热系数大于9.8104W/(m2K)，是光滑铜板的3倍多。沸腾起始壁面过热度降低至2K。因此，本发明的换热装置换热效率高，可以广泛应用在电子器件散热领域。附图说明0021 图1为本发明实施例1的结构示意图；0022 图2为本发明实施例2的结构示意图；0023 图3为本发明实施例3的结构示意图。具体实施方式0024 下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。实施例10025 如图1所示，本实施例

13、包括：换热基板4、烧结于换热基板4上的通孔金属泡沫3、冷却进水管1和排水管2，其中：冷却进水管1和排水管2的主体为竖直间隔设置，位于两说 明 书CN 103117258 A3/3页5种水管底部的热量交换部设置有通孔金属泡沫3，该通孔金属泡沫3在与排水管2相接的位置开有换热结构；0026 所述的通孔金属泡沫3的内部通孔为稠密程度逐渐变化的结构，具体是指：孔隙率相同，孔密度沿壁面垂直方向增大或减小；或者孔密度相同，孔隙率增大或减小；或者孔密度和孔隙率都相同，构成通孔金属泡沫的材质不同。0027 所述的孔密度的变化范围为100PPI130PPI；0028 所述的孔隙率的变化范围为0.880.98。0

14、029 本实施例所述的通孔金属泡沫3为孔隙率变化的两层结构：通孔金属泡沫3-1的孔密度为100PPI，通孔金属泡沫3-2为130PPI，通孔金属泡沫3的总厚度为0.5mm4mm。0030 上述通孔金属泡沫通过熔模铸造法制备得到：0031 第一步、将稠密程度逐渐变化的不同规格的高分子泡沫材料按层叠加粘合在一个整体；然后将其浸入到液体耐火材料中，使耐火材料充满其空隙。0032 第二步、在耐火材料硬化后加热使高分子泡沫气化分解，形成一个和原按层变化的高分子泡沫材料形状一样的三维骨架空间。0033 第三步、将铝或其它金属的熔液浇注到此铸型内，待金属凝固后去除耐火材料就可形成具有渐变形貌特征的通孔铝泡泡

15、沫或其它材质的泡沫。0034 耐火材料可以是酚醛树脂、莫来石或石膏等。根据金属泡沫材质的不同选择合适的耐火材料。若是制备材质按层变化的渐变金属泡沫，可通过上述熔模铸造法将不同材质的金属泡沫出来后，再通过钎焊的方法将这些金属泡沫焊接在一起。0035 所述的换热结构为V字形对称结构槽。0036 V字形对称结构槽由线切割加工形成。0037 所述的V字形对称结构槽的宽度为1mm4mm。0038 所述的通孔金属泡沫3的材质为铝、铜或中的至少两种。0039 所述的换热基板4的材质为纯铜。0040 换热基板5和通孔金属泡沫3的尺寸视具体的电子器件的大小而定。冷却进水管1的流速和流量视换热基板5接受的换热量而定。实施例20041 与本实施例1相同设置，但如图2所示，所述的换热结构为U字形对称结构槽。实施例30042 与本实施例1相同设置，但如图3所示，本实施例的通孔金属泡沫3为结构简化的单层结构。说 明 书CN 103117258 A1/2页6图1图2说 明 书 附 图CN 103117258 A2/2页7图3说 明 书 附 图CN 103117258 A