一种采用烧结金属粉末层的两相冷板及其制备方法与流程

本技术涉及电子设备冷却，具体涉及一种采用烧结金属粉末层的两相冷板及其制备方法。

背景技术：

1、随着人工智能技术与高性能计算的快速发展，单芯片功耗已突破1000w，局部热流密度超过300w/cm²，以ai服务器gpu、高性能计算cpu及功率半导体器件为代表的高功率密度芯片对散热系统提出了极为严苛的要求。传统单相液冷技术依靠液态工质的显热进行传热，其换热系数已接近理论极限，难以满足热流密度超过100w/cm²的散热需求。

2、目前，两相冷板利用工质的相变潜热进行传热，是解决超高功率密度散热问题的最有效方案之一。然而，传统两相冷板多采用简单的腔体结构或单一丝网进行气液分离，蒸汽与液体在腔体内相互干扰，导致液体回流受阻，蒸发表面易出现局部干涸。而且普通光滑表面或微通道结构的汽化核心数量有限，核态沸腾起始过热度高，在低功率工况下换热系数低，且易出现流动不稳定现象，难以在宽功率范围内维持高效的传热性能。

3、因此，如何在强化蒸发换热性能的同时实现高效的气液分离，解决因汽化核心不足导致换热性能低下的问题，是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

技术实现思路

1、为了在强化蒸发换热性能的同时实现高效的气液分离，解决因汽化核心不足导致换热性能低下的问题，本技术提供一种采用烧结金属粉末层的两相冷板及其制备方法。

2、本技术提供的一种采用烧结金属粉末层的两相冷板及其制备方法采用如下的技术方案：

3、第一方面

4、一种采用烧结金属粉末层的两相冷板，包括换热板，所述换热板上密封连接有隔板，所述隔板上密封连接有盖板；所述换热板和所述隔板之间开设有蒸发腔，所述隔板和所述盖板之间开设有冷凝腔，所述隔板上开设有若干连通所述蒸发腔和所述冷凝腔的通孔；所述蒸发腔设置有工质入口，所述冷凝腔设置有工质出口，所述工质入口和所述工质出口相对远离地设置；所述换热板上位于所述蒸发腔内部的一侧固定有烧结金属粉末层。

5、通过采用上述技术方案，换热板、隔板和盖板三者依次叠置密封形成具有蒸发腔和冷凝腔的密封板体结构，隔板上的通孔连通蒸发腔和冷凝腔以实现工质的两相内部循环。工质入口和工质出口相对远离的设置延长了工质在两相冷板内的流动路径，提高了换热效率。烧结金属粉末层通过烧结工艺与换热板形成冶金结合，其内部大量微孔结构构成稳定的汽化核心，使液态工质在较低的过热度下即可发生核态沸腾，显著提高换热效率；同时，烧结金属粉末层的毛细力作用使液态工质在蒸发表面均匀铺展，避免局部干涸，从而有效应对高热流密度的散热场景。

6、进一步的，所述换热板包括换热底板，所述换热底板上位于所述蒸发腔内部的一侧设置有若干均匀密布的换热鳍片，所述换热鳍片沿所述工质入口朝向所述工质出口的方向设置，所述烧结金属粉末层设置在所述换热鳍片的侧面。

7、通过采用上述技术方案，换热底板上均匀密布的换热鳍片沿工质主流方向设置，大幅扩展了蒸发腔内的有效换热面积。烧结金属粉末层覆盖在换热鳍片的侧面，使每个换热鳍片均成为带多孔涂层的强化沸腾表面，增加了汽化核心密度。换热鳍片的面积扩展作用与烧结金属粉末层的核态沸腾强化作用协同配合，使换热系数较普通光滑表面显著提高。

8、进一步的，所述换热鳍片上开设有若干等距分布的槽口，所有的所述换热鳍片上的所述槽口沿所述工质入口朝向所述工质出口形成直通槽。

9、通过采用上述技术方案，等距分布的槽口沿工质入口朝向工质出口的方向对齐形成贯穿蒸发腔整个流动方向的直通槽。直通槽为液态工质和蒸汽提供了贯穿蒸发腔的低阻力流动通道，解决了换热鳍片均匀密布可能造成的流动堵塞问题，使工质能够沿流动方向顺畅通过蒸发腔；同时，等距分布的槽口有助于蒸发腔内压力分布均匀化，促进工质均匀分配至各换热鳍片区域，避免局部过热或供液不足。

10、进一步的，所述隔板上远离所述工质入口的一侧开设有连通所述蒸发腔和所述冷凝腔的回流槽。

11、通过采用上述技术方案，回流槽为冷凝后的液态工质提供了独立的液相回流路径，与通孔的回流功能形成互补。回流槽设置在远离工质入口的一侧，有利于形成完整的循环路径，液态工质从工质入口进入蒸发腔蒸发后，蒸汽经通孔上升至冷凝腔，冷凝后液态工质经回流槽回流至蒸发腔远端，在毛细力和流动驱动下向工质入口方向补充，形成闭合的内部循环。回流槽补充了通孔的液相回流能力，防止冷凝液在冷凝腔内积聚，确保蒸发腔内的烧结金属粉末层持续获得液态工质供给，避免局部干涸导致的换热恶化。

12、进一步的，所述隔板的下表面开设有第一凹陷腔，所述第一凹陷腔的内侧面与所述换热板的上表面之间密封形成所述蒸发腔，所述工质入口开设在所述隔板的侧面连通所述第一凹陷腔的位置，所述工质入口内部固定密封连接有工质输入管。

13、通过采用上述技术方案，隔板下表面的第一凹陷腔精确定义了蒸发腔的空间形状和容积，便于控制工质储量和蒸发空间。工质入口开设在隔板侧面连通第一凹陷腔的位置，通过工质输入管与外部供液系统连接，工质输入管通过钎焊或焊接工艺与隔板密封连接，确保液态工质供给的可靠性和系统密封性。

14、进一步的，所述盖板的下表面开设有第二凹陷腔，所述第二凹陷腔的内侧面与所述隔板的上表面之间密封形成所述冷凝腔，所述工质出口开设在所述盖板的侧面连通所述第二凹陷腔的位置，所述工质出口内部固定密封连接有工质输出管。

15、通过采用上述技术方案，盖板下表面的第二凹陷腔精确定义了冷凝腔的空间形状和容积，为蒸汽的冷凝提供充足的换热空间。工质出口开设在盖板侧面连通第二凹陷腔的位置，通过工质输出管与外部冷凝系统或循环管路连接，工质输出管通过钎焊或焊接工艺与盖板密封连接，确保冷凝后工质排出的可靠性和系统密封性。

16、进一步的，所述烧结金属粉末层包括第一孔隙层和第二孔隙层，所述第一孔隙层和所述第二孔隙层采用烧结工艺固定在所述换热板的上表面，所述第一孔隙层靠近所述换热板的上表面，所述第一孔隙层的孔隙小于所述第二孔隙层的孔隙。

17、通过采用上述技术方案，第一孔隙层靠近换热板表面，其较小的孔隙产生较强的毛细驱动力，将液态工质从蒸发腔的液体区域持续吸附至换热板表面，同时大量微孔提供丰富的汽化核心，使液态工质在较低过热度下即可发生核态沸腾。第二孔隙层位于第一孔隙层外侧，其较大的孔隙为蒸汽提供低阻力的逃逸通道，蒸汽在第一孔隙层中生成后通过第二孔隙层的大孔隙快速向蒸发腔主体空间扩散，避免蒸汽在多孔层内积聚形成蒸汽膜而阻断液态工质的供给。该双孔隙层结构实现了液相向内供给与汽相向外排出的功能分离，有效避免汽液逆向流动的相互干扰，显著提升临界热流密度。

18、进一步的，所述烧结金属粉末层远离所述换热板的一侧设置有蒸发槽，所述蒸发槽的长度方向与所述工质入口朝向所述工质出口的方向相交。

19、通过采用上述技术方案，烧结金属粉末层远离换热板一侧设置的蒸发槽增加了烧结金属粉末层与液态工质的接触面积，增大了蒸发换热面积。由于蒸发槽的长度方向与工质入口朝向工质出口的方向相交而非平行，工质在流动过程中受蒸发槽的引导产生横向流动扰动，强化了蒸发腔内换热的均匀性，避免工质沿主流方向快速流过蒸发区域而未充分换热。

20、进一步的，所述隔板的上表面固定安装有金属网目层，所述金属网目层由若干层金属丝网叠加烧结而成，所述金属网目层形成均匀密布的蒸汽过隙。

21、通过采用上述技术方案，隔板上表面的金属网目层由若干层金属丝网叠加烧结而成，形成均匀密布的蒸汽过隙，其等效孔径远小于通孔直径。当蒸汽经通孔从蒸发腔上升后，金属网目层对蒸汽中夹带的微小液滴进行拦截和过滤，实现第二级气液分离。被拦截的液滴在金属网目层表面汇聚后在重力作用下经通孔回流至蒸发腔，而净化后的蒸汽则进入冷凝腔进行冷凝。金属网目层与通孔构成两级复合气液分离结构，通孔实现第一级分离以阻挡大液滴、引导蒸汽上行，金属网目层实现第二级分离以过滤微小液滴，两级分离的协同作用确保进入冷凝腔的蒸汽品质较高，有效避免液态工质被蒸汽携带进入冷凝腔而导致蒸发腔供液不足的问题。

22、第二方面，一种如第一方面所述采用烧结金属粉末层的两相冷板的制备方法，包括以下步骤：

23、步骤s1，零件预处理：对换热板上表面进行预处理；

24、步骤s2，制备烧结金属粉末层：在换热板上表面的蒸发腔对应区域安装工装模具，再将金属粉末均匀铺设在工装模具内，在保护气氛下进行烧结处理，使金属粉末颗粒之间以及金属粉末与换热板之间形成冶金结合，形成烧结金属粉末层；

25、步骤s3，组装与密封连接：将隔板和盖板依次组装并密封连接在换热板上；

26、步骤s4，气密性检测与灌注工质：对密封连接后的两相冷板进行气密性检测和工质灌注。

27、通过采用上述技术方案，步骤s1通过对换热板表面进行超声清洗和酸洗预处理，去除表面油污和氧化层，确保烧结金属粉末层与换热板之间能够形成良好的冶金结合，提高结合强度和导热性能。步骤s2通过在保护气氛下进行烧结处理，使金属粉末颗粒之间以及金属粉末与换热板之间通过固态扩散形成冶金结合，在换热板表面形成具有大量微孔汽化核心和毛细力的烧结金属粉末层。步骤s3采用真空钎焊或扩散焊工艺将换热板、隔板和盖板三者密封连接为一体，确保三层板体之间的密封连接可靠，接头强度高且气密性好。步骤s4在真空条件下灌注工质，排除腔体内的空气和不凝性气体，避免不凝性气体在冷凝腔内积聚而降低冷凝换热效率，确保两相循环的稳定运行。

28、本技术提供的采用烧结金属粉末层的两相冷板及其制备方法，与现有技术相比，至少具有以下有益效果：

29、本技术在换热板上位于蒸发腔内部的一侧固定有烧结金属粉末层，烧结金属粉末层中大量微孔结构构成稳定的汽化核心，使液态工质在较低的过热度下即可发生核态沸腾，利用相变潜热传热，换热系数可达单相液冷的10-100倍，可有效应对高热流密度的散热场景；同时烧结金属粉末层的毛细力作用使液态工质在蒸发表面均匀铺展，避免局部干涸。

30、本技术在换热鳍片表面设置烧结金属粉末层，换热鳍片的面积扩展作用与烧结金属粉末层的核态沸腾强化作用协同配合，使换热系数较普通光滑表面显著提高；换热鳍片上开设的槽口形成贯穿蒸发腔的直通槽，解决了密集鳍片造成的流动堵塞问题，促进工质均匀分配。

31、本技术采用双孔隙层结构，第一孔隙层的小孔隙产生强毛细驱动力并提供丰富汽化核心，第二孔隙层的大孔隙为蒸汽提供低阻力逃逸通道，实现了液相向内供给与汽相向外排出的功能分离，有效避免汽液逆向流动的相互干扰，显著提升临界热流密度。

32、本技术在烧结金属粉末层表面设置蒸发槽，蒸发槽的长度方向与工质主流方向相交，增加了蒸发换热面积并产生横向流动扰动，强化了蒸发腔内换热的均匀性。

33、本技术在隔板上表面设置金属网目层，与通孔构成两级复合气液分离结构，确保进入冷凝腔的蒸汽品质较高，有效避免液态工质被蒸汽携带而导致蒸发腔供液不足。

34、本技术在隔板上远离工质入口的一侧设置回流槽，为冷凝后的液态工质提供独立的液相回流路径，与通孔的回流功能形成互补，防止冷凝液在冷凝腔内积聚，确保蒸发腔内的烧结金属粉末层持续获得液态工质供给。