本发明涉及一种异形多维相变散热器，属于散热器技术领域。
背景技术：
现在常规的风冷散热主要为强制风冷散热和自然对流散热，通过风扇等其它外力作用引起流体运动散热，称为强制对流散热；强制风冷散热常采用风扇强制流体流经散热器，通过流体与散热器的热交换将热量带出系统外。由于风扇等强制对流动力原件的存在，会造成噪音、安全、可靠性、寿命、ip等级降低等问题。
而自然对流散热是指不依靠风机等外力推动，由流体自身温度场的不均匀所引起的流动。参与换热的流体由于各部分温度不均匀而形成密度差，从而在重力场或其他力场中产生浮升力所引起的对流换热现象。自然对流散热能力相对于强制对流散热能力较差，相同热功耗下散热器体积大于强制对流散热器。但其有免维护、无噪音、可靠性及安全性高、ip等级高等特点。更适于对通讯基站、轨道交通变流器、绿色能源变频器等对维护、可靠性、安全性要求的高的应用。
但由于自然对流散热换热和散热能力较差，常规空气自然对流散热器热交换系数一般在5～25w/(m2*k)，致使自然对流散热器的外形尺寸较大，重量较重，且由于常规自然对流散热器多为铝或铝合金材质，导热系数一般在150～220w/m.k，其热传导和热交换性能较差。散热器不同部位的温度差异也较大，导致散热效果不佳。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种异形多维相变散热器，解决现有的自然对流散热器，在自然对流应用中热量分布很不均匀，高温区主要集中在基板上中部区域，且翅片热交换效率不高，温差较大等问题。
本发明采取以下技术方案：
一种异形多维相变散热器，包括基板，翅片；至少两组翅片垂直固定在基板上，相邻组的翅片之间具有一直线的沟槽，沟槽处不设翅片；所述翅片与所述沟槽呈一夹角；所述夹角为锐角；所述基板内部具有第一空腔，各翅片内部具有第二空腔，所述第一空腔与第二空腔连通；所述第一空腔与第二空腔内存储相变工质。
优选的，位于xoy平面内的基板，其上沿x向或y向，或同时沿x向和y向，具有至少一直线沟槽，沟槽部位不设置翅片。
优选的，所述第一空腔内具有用于支撑、加强、相变蒸汽流体导向作用的台阶。
进一步的，所述台阶分布于以下部位：与所述沟槽对应的部位，及部分相邻翅片之间的部位。
优选的，所述第一空腔为相变基板蒸汽空腔，所述第二空腔是相变翅片蒸汽空腔；相变壳体内表面烧结多元烧结粉末毛细层。
优选的，所述翅片为倾斜直线型，所述倾角的范围是30°～60°之间。
优选的，所述翅片为倾斜曲线型，曲线型翅片的曲率半径r为200mm～500mm，曲线型翅片的弧形弦线与基本水平面夹角为30°～60°之间。
优选的，所述沟槽为对称轴，两组翅片轴对称式的固定在所述基板上。
进一步的，所述工质相变温度为15℃～100℃，蒸发潜热为80j/g～2260j/g；所述沟槽的宽度为10.0～30.0mm，相变翅片的深度30～80mm。
上述的异形多维相变散热器的制作方法，通过压铸或冷锻加工加工散热器形体外形及翅片结构，并成形基板内的第一空腔和翅片内的第二空腔，第一空腔中有用于支撑、加强、相变蒸汽流体导向作用的台阶9，第二空腔为连续相变翅片腔体，或间隔成形相变翅片腔体，相变翅片的深度30～80mm；通过nc加工第一空腔、第二空腔及台阶9；散热器形体与盖板钎焊密封。
本发明的有益效果在于：
1、相变基板的相变传热，是基板吸收热源热量，使工质由液态相变成汽态，相变工质蒸汽由于蒸汽压差，沿x、y方向扩散，使热源的热量可以有效均温传递，从而减少最高温度点与最低温度点的温度差。相变基板将热源热量沿x、y方向通过相变蒸汽均温传递，改善了依靠材料传导传递热量，热源区域为高温度梯度区域，距热源越远，温度梯度越低的问题；提升了散热性能。
2、相变基板将热源热量沿x、y方向通过相变蒸汽均温传递，使每根翅片交换散失的热量得到有效均匀，从而提升每根翅片的热交换效率。改善了依靠材料传导传递热量，热源区域翅片为高温度梯度区，翅片的交换效率也较高，而距热源越远，翅片的温度梯度越低，翅片的热交换效率也越低。翅片的热交换效率不均匀，且总体效率低。从而提升了散热性能。
3、相变蒸汽沿x、y方向流动传递的同时，沿z方向扩散至翅片相变蒸汽通道，从而有效降低翅片从基板根部至翅片远端的温差。从而提升了散热性能。
4、传统散热器，空气沿翅片气体通道上升，气体温度在沿流体通道上升过程中由于交换了基板和翅片传递的热量，流体温度不断升高，从而致使基板温度梯度自下向上不断上升。所以翅片气体通道越长，上部翅片和基板的温度受影响越大，散热效率越低。而采用异形相变通道如图15和16，相对与传统翅片布局，空气上升流程变的更短；且可根据热源布局灵活调整翅片沟槽的分布和宽度。从而根据基板热点分布有效改善翅片热交换效率。从而提升了散热性能。
附图说明
图1是现有技术中普通散热器的示意图。
图2是利用图1的模型，采用自然对流仿真分析的散热器温度梯度图。
图3是利用图1的模型，采用自然对流仿真分析的散热器流体矢量图。
图4a是本发明异形多维相变散热器的结构示意图(局部剖开)。
图4b是图4a的局部放大图。
图5是本发明异形多维相变散热器的剖视图。
图6是对称轴部位采用一沟槽时，本发明异形多维相变散热器的立体图。
图7是对称轴部位采用一沟槽时，本发明异形多维相变散热器的主视图。
图8是对称及其两侧各设置一沟槽时，本发明异形多维相变散热器的立体图。
图9是对称及其两侧各设置一沟槽时，本发明异形多维相变散热器的主视图。
图10是对称轴及与对称轴垂直的几个部位各设置一沟槽时，本发明异形多维相变散热器的立体图。
图11是对称轴及与对称轴垂直的几个部位各设置一沟槽时，本发明异形多维相变散热器的主视图。
图12是图10的模型的反面，采用自然对流仿真分析的异形多维相变散热器温度梯度图。
图13是图10的模型的正面，采用自然对流仿真分析的异形多维相变散热器温度梯度图。
图14是图10的模型的侧面，采用自然对流仿真分析的异形多维相变散热器温度梯度图。
图15是热流仿真空气矢量分布图。
图16是通过压铸或冷锻加工加工后的本发明异形多维相变散热器内部结构立体示意图。
图17是通过压铸或冷锻加工加工后的本发明异形多维相变散热器内部结构主视图。
图18是加上盖板后的本发明异形多维相变散热器示意图。
图19是移除盖板后的本发明异形多维相变散热器示意图。
图20是通过超声波清洗清洗烧结后的基板壳体，烘干，并将基板壳体通过大功率激光焊接、电子束烧结、fsw、tig、mig等焊接工艺与冷板壳体密封焊接在一起的示意图。
图中，1.实体翅片，2.沟槽，3.实体基板，4.相变基板空腔，5.相变翅片空腔，6.热源，7.相变翅片，8.相变基板，9.腔体加强台阶，10.焊接凸台，11.盖板(烧结毛细层)。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。
实施例一(对比实施例)：
在自然对流散热应用中，经常会应用到多热源散热，散热器具有比较高的垂直高度如图1是常规自然对流散热器外形结构，散热器结构尺寸：宽200～650mm×高200～700mm×深度45～120mm(翅片高度)，齿底厚度：1.5～3.5；齿顶厚度：1.0～2.0mm；齿距：12～18mm；此散热器一般翅片从下到上垂直排列，并根据需要加工15～30mm沟槽。
图2图3是利用以上模型，采用自然对流仿真分析的散热器温度梯度图，和流体矢量图；从基板温度梯度分布，热源区域温度从下至上温度梯度不断增加，而中部区域温度比两侧温度梯度高。基板最高温度与四周温度有较大的温差，故而散热器基板均温性并不好。从图2翅片温度梯度图，从基板侧到翅片远端同样有较大的温度梯度差，温差约5～8k。从图3速度矢量图，采用自然对流散热，空气在翅片形成的流道内自下而上向上流动，空气流速自下而上流速不断增加，而温度也不断增加，使热量向上累积增加，从而影响散热器上部的温度和散热效率，散热器上下温差10～15k。
由此可见，本实施例作为常规的散热器，在自然对流应用中热量分布很不均匀，高温区主要集中在基板上中部区域，且翅片热交换效率不高，温差较大。
实施例二
本异形多维相变散热器原理：新型异形多维相变散热器相变区域为由相变基板蒸汽空腔和相变翅片蒸汽空腔组成的真空密封的密封壳体，相变基板壳体内表面烧结多元烧结粉末毛细层，并在密封壳体内注入一定量相变工质。当发热元件工作时产生热量，通过相变冷板壳体(材料一般为铝和铝合金)传递至新型异形多维相变散热器内表面，热量通过热传导传递至毛细结构层和壳体内表面，从而与工质发生热量交换，工质吸收热量，由液态相变为汽态，通过蒸汽空腔将热量通过基板蒸汽空腔向x和y两个方向进行热量均温扩散传递，并通过相变翅片蒸汽通道向z向进行热量传递，从而实现多维均温相变热量传递。热量通过相变翅片进行热传递时将热量传导至散热翅片，使散热器表面温度均匀分布，从而提升相变翅片和散热翅片与自然对流空气进行热交换能力，更高效的将热源产生的热量散失掉。如图4a、4b、图5所示。
图6、7、8、9为异形多维相变散热器结构图，主要由相变基板和相变翅片组成，相变基板和相变翅片一体连接，翅片为倾钭直线型(如图6、7)和倾钭曲线型(如图8、9)，倾钭直线型翅片与基板水平面有一定夹角θ为30°～60°之间，曲线型翅片r为200mm～500mm，弧形弦线与基板水平面夹角为30°～60°之间。散热器结构尺寸：宽200～650mm×高200～700mm×深度45～120mm(翅片高度)；基板厚度5～25mm，翅片底厚度：2.0～5.5mm；翅片顶厚度：1.50～2.0mm；齿距：12～25mm。散热器翅片中间加工不同数量沟槽(沟槽数量>1条)，沟槽可以沿y方向竖直沟槽，也可以为沿x方向横向沟槽；沟槽宽度10.0～30.0mm。如图9、10、11。
图12、13、14是利用以上模型，采用自然对流仿真分析的异形多维相变散热器温度梯度图，从以上仿真分析，整个散热器温度分布变的更加均匀合理，最高温度点并未出现在顶上部区域，而是出现在中上部区域，温度梯度分布更趋均匀，最高点与最低点温差<2℃。翅片温差也得到很大的改善，基板到翅片远端温差<0.5℃。
从仿真分析结果，采用异形多维相变均温技术的散热器，无论是基板表面的均温性，还是翅片温差都得到大幅改善，从而提高了散热器的热交换性能。
散热器性能大幅改善的主要因素有以下几点：
1、相变基板的相变传热，是基板吸收热源热量，使工质由液态相变成汽态，相变工质蒸汽由于蒸汽压差，沿x、y方向扩散，使热源的热量可以有效均温传递，从而减少最高温度点与最低温度点的温度差。相变基板将热源热量沿x、y方向通过相变蒸汽均温传递，改善了依靠材料传导传递热量，热源区域为高温度梯度区域，距热源越远，温度梯度越低的问题。
2、相变基板将热源热量沿x、y方向通过相变蒸汽均温传递，使每根翅片交换散失的热量得到有效均匀，从而提升每根翅片的热交换效率。改善了依靠材料传导传递热量，热源区域翅片为高温度梯度区，翅片的交换效率也较高，而距热源越远，翅片的温度梯度越低，翅片的热交换效率也越低。翅片的热交换效率不均匀，且总体效率低。
3、相变蒸汽沿x、y方向流动传递的同时，沿z方向扩散至翅片相变蒸汽通道，从而有效降低翅片从基板根部至翅片远端的温差。
4、传统散热器，空气沿翅片气体通道上升，气体温度在沿流体通道上升过程中由于交换了基板和翅片传递的热量，流体温度不断升高，从而致使基板温度梯度自下向上不断上升。所以翅片气体通道越长，上部翅片和基板的温度受影响越大，散热效率越低。而采用异形相变通道如图15，相对与传统翅片布局，空气上升流程变的更短；且可根据热源布局灵活调整翅片沟槽的分布和宽度。从而根据基板热点分布有效改善翅片热交换效率。
本新型异形多维相变散热器四要素：1、密封壳体2、烧结粉末毛细结构3、相变工质、4、异形翅片结构及布局。
新型异形多维相变散热密封壳体材料要求有以下特点：优异的导热系数，一般80w/m.k～400w/m.k；良好的结构强度屈服点一般要求在50mpa～800mpa，优异的可焊性，包括真空钎焊、真空扩散焊、气体保护焊、搅拌摩擦焊、电阻焊、tig、mig、大功率激光焊、电子束焊等。主要常用材料包括：铜系材料、铁系材料、1系铝合金、3系铝合金、5系铝合金、6系铝合金等。
烧结粉末毛细结构主要有以下特点:具有优异传热性能的金属或合金颗粒，颗粒直径在30目～250目，金属颗粒为纯金属颗粒或多元金属材料：包括铜系材料、纯铝、铝锌合金、铝硅合金等。
复合工质要求具有适宜应用环境的相变温度(常用相变温度一般在15℃～100℃)、较高的蒸发潜热(80j/g～2260j/g)、化学稳定的性和与壳体材料的相容性、满足odp和gwp环境要求。包括水、氨水、氟化烷烃、氟化醚、环烷烃及氟里昂替代物等。
本异形多维相变散热制作过程：根据异形多维相变散热器自然仿真分析进行结构设计，根据散热需求设计散热翅片(包括相变翅片和实体散热翅片)结构外形及布局、翅片高度、厚度、间距、倾角、弧度等及相变密封腔体；散热翅片以直倾斜线段或圆弧曲线段构成，翅片与水平面有一定夹角，夹角一般在30°～60°之间，曲线型翅片r为200mm～500mm，弧形弦线与基板水平面夹角为30°～60°之间；翅片可以为连续相变翅片，也可以为间隔相变翅片，可根据散热需求及加工工艺要求进行设计和调整。翅片厚度一般为齿底厚度：2.0～5.5mm；齿顶厚度：1.50～2.0mm；齿距：12～25mm。散热器翅片中间加工不同数量沟槽(沟槽数量>1条)，沟槽可以沿y方向竖直沟槽，也可以为沿x方向横向沟槽；沟槽宽度10.0～30.0mm。
根据不同产品需求。设计优化以上结构及尺寸，确定后通过压铸成型制作相应工件，其结构如图8。散热翅片(一般为左右两侧边和横向布置的翅片)厚度一般在1.0～4.0mm，待加工翅片(一般为纵向布置的翅片，通过后续加工，加工相变蒸汽通道)厚度一般在2.0～6.0mm。待加工翅片间距一般10.0～16.0mm,沿z向横向分布散热翅片间距一般为12.0～25.0mm，型材基板厚度一般2.0～20mm。翅片高度一般为50.0～150.0mm。
通过压铸或冷锻加工加工如图16、图17散热器形体外形及翅片结构，并成形如图基板腔体和翅片腔体，基板腔体中有用于支撑、加强、相变蒸汽流体导向作用的台阶9，翅片根据产品散热需求，可成形连续相变翅片腔体，也可间隔成形相变翅片腔体，相变翅片的深度30～80mm。也可通过nc加工基板及翅片相变腔体和加强台阶。此散热器结构适用于散热器形体与盖板钎焊密封(真空钎焊或气体保护钎焊)。
密封壳体加工好后，进行超声波清洗，烘干。
在腔体内表面利用烧结粉末治具，填加烧结粉末，并限制烧结粉末厚度、区域、段差等，选择不同的材料、形状、粒径的烧结粉末颗粒，在基板壳体内表面烧结一层烧结毛细层，厚度一般在0.5mm～3.0mm。
通过超声波清洗清洗烧结后的基板壳体，烘干。利用钎焊工艺将散热器形体与已烧结等毛细层盖板密封焊接在一起，如图19所示。
参见图20，通过压铸或冷锻加工加工散热器形体外形及翅片结构，并成形如图基板腔体和翅片腔体，基板腔体中有用于支撑、加强、相变蒸汽流体导向作用的台阶，台阶表面成形焊接用凸台(台阶宽度5～20mm)，翅片根据产品散热需求，可成形连续相变翅片腔体，也可间隔成形相变翅片腔体，相变翅片的深度30～80mm。也可通过nc加工基板及翅片相变腔体和加强台阶。此散热器结构适用于散热器形体与盖板大功率激光焊接、电子束烧结、fsw、tig、mig等密封焊接工艺。
通过超声波清洗清洗烧结后的基板壳体，烘干，并将基板壳体通过大功率激光焊接、电子束烧结、fsw、tig、mig等焊接工艺与冷板壳体密封焊接再一起。
之后，将工艺尾管焊接在散热器工艺孔位置。通过焊接好的工艺尾管进行散热器密封壳体的密封测试，利用氦质谱检漏设备进行检漏，氦检漏压力600±50kpa，时间60～90s，判定标准<1.0*10-7mbar.l/s。后通过工艺尾管对密封壳体抽真空，真空度要求<20pa；后通过工艺尾管注入工质，工质的量根据毛细结构厚度及蒸汽空腔体进行计算。利用封口工装将工艺尾管封口，并用tig、大功率激光或电子束焊接将封口点熔融封口。后进行外形精加工，以达到相关异形多维相变散热器结构尺寸和装配标准。
实施例二本发明的优选实施例，本领域普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进，在不脱离本发明总的构思的前提下，这些变换或改进都应当属于本发明要求保护的范围之内。
1.一种异形多维相变散热器，其特征在于：
包括基板，翅片；
至少两组翅片垂直固定在基板上，相邻组的翅片之间具有一直线的沟槽，沟槽处不设翅片；
所述翅片与所述沟槽呈一夹角；
所述夹角为锐角；
所述基板内部具有第一空腔，各翅片内部具有第二空腔，所述第一空腔与第二空腔连通；
所述第一空腔与第二空腔内存储相变工质。
2.如权利要求1所述的异形多维相变散热器，其特征在于：位于xoy平面内的基板，其上沿x向或y向，或同时沿x向和y向，具有至少一直线沟槽，沟槽部位不设置翅片。
3.如权利要求1或2所述的异形多维相变散热器，其特征在于：所述第一空腔内具有用于支撑、加强、相变蒸汽流体导向作用的台阶。
4.如权利要求3所述的异形多维相变散热器，其特征在于：所述台阶分布于以下部位：与所述沟槽对应的部位，及部分相邻翅片之间的部位。
5.如权利要求1所述的异形多维相变散热器，其特征在于：所述第一空腔为相变基板蒸汽空腔，所述第二空腔是相变翅片蒸汽空腔；相变壳体内表面烧结多元烧结粉末毛细层。
6.如权利要求1所述的异形多维相变散热器，其特征在于：所述翅片为倾斜直线型，所述倾角的范围是30°～60°之间。
7.如权利要求1所述的异形多维相变散热器，其特征在于：所述翅片为倾斜曲线型，曲线型翅片的曲率半径r为200mm～500mm，曲线型翅片的弧形弦线与基本水平面夹角为30°～60°之间。
8.如权利要求1所述的异形多维相变散热器，其特征在于：所述沟槽为对称轴，两组翅片轴对称式的固定在所述基板上。
9.如权利要求2所述的异形多维相变散热器，其特征在于：所述工质相变温度为15℃～100℃，蒸发潜热为80j/g～2260j/g；所述沟槽的宽度为10.0～30.0mm，相变翅片的深度30～80mm。
10.一种权利要求1-9中任意一项所述的异形多维相变散热器的制作方法，其特征在于：
通过压铸或冷锻加工加工散热器形体外形及翅片结构，并成形基板内的第一空腔和翅片内的第二空腔，第一空腔中有用于支撑、加强、相变蒸汽流体导向作用的台阶(9)，第二空腔为连续相变翅片腔体，或间隔成形相变翅片腔体，相变翅片的深度30～80mm；
通过nc加工第一空腔、第二空腔及台阶(9)；
散热器形体与盖板钎焊密封。
技术总结