CN102034773B - 构形树状式热管散热器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种构形树状式热管散热器，由高导热基板、吸液芯、散热肋片和工作介质构成，在基板内设置有窄空腔，在窄空腔上连接所述的散热肋片，在散热肋片的内部设置有贯穿空腔，在窄空腔里填充所述的吸液芯，在窄空腔和贯穿空腔中充着所述的工作介质，散热肋片为构形树状结构，它由主贯穿通道和分叉连接肋片组成，分叉连接肋片至少为两片，且呈圆环状布置在主贯穿通道的外围，分叉连接肋片内部贯穿空腔与所述的主贯穿通道贯通。该发明所热管散热器能将多个（含单个）局部高热流热源点产生的热量通过工质相变将热量迅速带走，有效消除了局部热点的产生，降低了热管散热器受热面温度水平，进而保证了电子设备运行的安全、稳定、高效工作。
Description
技术领域
本发明涉及一种散热装置，具体涉及的是一种为实现高效快速散热而设计的具有构形树状结构特征的热管散热器，本发明可用于解决多热源电子元器件的散热问题。
背景技术
随着电子技术的不断发展，半导体器件集成化程度越来越高，其热可靠性指标也越来越苛刻，进而对电子元器件的冷却、散热提出的更高的要求。目前，由于成本和可靠性方面要求，采用风扇和散热器组件的空气强迫对流冷却方式在实际中得到了广泛使用。采用放射状散热器对于高功率的电子元器件进行冷却，是目前解决散热问题的主要途径。但是，在实际应用中，这种放射状散热器也存在着如下问题：(1) 基体材料的导热性能差异导致散热速率慢，使得电子元器件表面温度高，不能很好的满足电子设备运行的稳定性和可靠性要求；(2)肋片顶部与根部温差较大，即肋片上温度分布不均匀，未能充分高效地利用散热面积，使得散热效果不够理想；(3) 对于距离热源有一定距离的散热肋片，其散热效果较距离热源较近的散热效果逊色较多，不能发挥整体散热肋片的最佳散热性能，只能以提高受热面的温度水平来实现向外界散热，这将影响到电子设备运行的稳定性和可靠性。因此，传统的放射状散热器并不是电子设备高效散热的最佳解决方案，迫切需要寻求一种新型高效的散热方案和技术。
受构形理论成功应用于解决流传递结构体内优化设计问题的思想启迪，本发明将散热器设计成构形树状结构特征，并将之与热管技术紧密结合起来，以达到散热能力强、温度均匀性高、可较大距离对热源散热的目的。
发明内容
为解决现有的电子元器件散热器结构设计上存在的散热效率有限、温度均匀性差和散热肋片散热性能受热源距离影响的问题，本发明提供了一种新型的具有构形树状结构特征的热管散热器。由于该型散热器，实现了流传递结构体优化设计和热管技术的紧密结合，大大提高散热器的散热速率、均温性，同时对热源与散热器的距离也不受到过多限制，能满足多热源和高功率的电子设备运行的稳定性和可靠性要求，为电子设备系统的安全、稳定、高效运行提供可靠保证。
技术方案
为解决传统放射状散热器设计上存在的上述技术问题，本发明提供的技术方案是：
一种构形树状式热管散热器，由高导热基板、吸液芯、散热肋片和工作介质构成，在所述基板内设置有窄空腔，在所述的窄空腔上连接所述的散热肋片，在所述的散热肋片的内部设置有贯穿空腔，在所述的窄空腔里填充所述的吸液芯，在所述的窄空腔和贯穿空腔中充着所述的工作介质，其主要特征在于：所述的散热肋片为构形树状结构，它由主贯穿通道和分叉连接肋片组成，所述的分叉连接肋片至少为两片，且呈圆环状布置在所述的主贯穿通道的外围，所述的分叉连接肋片内部贯穿空腔与所述的主贯穿通道贯通。
所述的分叉连接肋片含有m级分叉肋片（m为大于等于2的整数），且每级分叉肋片含有N个肋片（N=2或3），所述的第一级分叉连接肋片与主贯穿通道连接，所述的上下级分叉连接肋片内的贯穿空腔直径之比为N -1/D(直径维数D取大于等于7/3且小于等于3)，所述的上下级分叉连接管道的长度之比为N -1/d (长度维数d取大于1且小于等于2的实数)。
所述散热肋片和所述高导热基板已成为一个整体，工作时其内部工质的工作原理与热管内部工质工作原理相同。该型热管散热器工作时，高导热基板作为该热管散热器的蒸发段，分叉连接肋片组作为该热管散热器的冷凝段。
所述的分叉连接肋片通过分叉产生越来越多的分支，使得在有限空间最大程度地布置了散热肋片，进而大幅增加了热管散热器与外界冷源之间的对流换热面积，同时使更多气流从散热器上端流经肋片后从肋片下端排出，消除了可能存在的肋片与冷却流体的对流换热死区。用所述分叉连接肋片和主贯穿通道组成的散热肋片代替传统的金属体作为散热肋片，实际上是用汽液两相换热的方式代替的了传统的金属导热，使散热的效率很稳定性得到了大大提高。
所述的填充于窄空腔内的吸液芯为多孔金属泡沫、金属丝网、烧结金属粉末和复合吸液芯等。所述的窄空腔和贯穿空腔的表面可设置有小槽道，其形状可为V形、矩形、梯形等任意形状。所述的热管散热若应用于逆重力条件，贯穿空腔的表面需嵌有多孔金属泡沫、烧结金属粉末等吸液芯，通过吸液芯内的微孔产生毛细驱动力来抵消重力作用以保证凝结液及时回流到窄空腔内的吸液芯（即蒸发段）。
所述的基板材料为铜(铜合金)、铝(铝合金)、钢（合金钢）、银等多种高导热性能金属。
所述的热管散热器的工作介质为水、氨、丙酮、乙醇、甲醇、液态金属或制冷剂等各种类型流体工质，该流体工质在腔体内维持饱和状态。
所述的热管散热器的冷却方式可采用自然对流和强制对流，对于大功率电子元器件应采用风扇强制对流方式，该方式通过流体与所述构形肋片发生的强制对流换热，能高效快速地将电子元器件产生的热量通过热管散热器将热量带走。
本发明涉及到的热管散热器的技术方案在于热管技术与构形树状结构散热肋片紧密结合。窄空腔吸液芯和贯穿空腔中的工作流体处于饱和状态，一旦有多个局部高热流密度热源从外界输入热量，基板窄空腔吸液芯内浸着的工作液体因吸收热量而发生蒸发相变，从多个热源点蒸发相变产生的蒸汽迅速通过窄空腔向各自的四周扩散进而达到呈环状布置的叉连接肋片内部贯穿空腔。在外界冷源对流换热作用下，蒸汽在叉连接肋片内部贯穿空腔表面冷凝，释放出的热量直接传输给外界冷源。在顺重力条件下，冷凝下来的凝结液通过重力作用直接回流到窄空腔内的吸液芯（即蒸发段）；在逆重力条件下，通过贯穿空腔的表面嵌着的吸液芯内的微孔产生毛细驱动力推动冷凝液返回到窄空腔内的吸液芯（即蒸发段）。冷凝回来的凝结液再通过蒸发相变作用带走热量，这样，热管散热器就完成了实现了热管内工质毛细相变换热循环。由于该发明所涉及到的热管散热器能将多个（含单个）局部高热流热源点产生的热量通过工质相变将热量迅速带走，由于汽化潜热大，因此能瞬时降低受热面的温度水平，并可有效消除局部热点的产生，使得热管散热器受热面具有优越等温性能, 进而保证电子元器件的安全、稳定、高效工作。
在外界冷源对流换热作用（即强制风冷和自然冷却）下，降低热管散热器受热面温度水平的关键因素在于散热肋片的有效换热面积。本发明将散热肋片设计成构形树状结构，它由主贯穿通道和分叉连接肋片组成，分叉连接肋片绕主贯穿通道呈圆环状布置。在每个的分叉连接肋片内，分叉连接肋片通过分叉产生越来越多的分支，使得在有限空间内最大程度地布置了散热肋片，进而大幅增加了热管散热器与外界冷源（空气）之间的对流换热面积。并且，分叉连接肋片内部是通过相变换热实现热量的输送，使得肋片顶部和根部基本没有温差。另外，由于构形肋片沿径向的外端处的肋片间隙变小，具有屏蔽效应，减少了肋片间气流旁通量，使更多气流从散热器上端流经肋片后从肋片下端排出，消除了可能存在的肋片与冷却流体的对流换热死区。以上这些因素大大强化了热管散热的散热性能，降低了热管散热器受热面温度水平，进而保证了电子设备运行的稳定性和可靠性。
由于热量传递在本发明提供的热管散热器内是通过毛细蒸发相变来实现的，使得散热肋片散热各个部位的温度几乎不存在温差，使得本发明提供的各个部位的散热肋片的散热性能不再受热源距离影响，大大提升了整体散热肋片的散热性能，进而降低了受热面的温度水平提高了电子设备运行的稳定性和可靠性。
有益效果：
本发明涉及的一种构形树状式热管散热器，其散热肋片通过分叉产生越来越多的分支，使得在有限空间内最大限度地布置了散热肋片，进而大幅度增加了热管散热器与外界冷源（空气）之间的对流换热面积。分叉连接肋片内部通过毛细蒸发相变换热来实现热量的输送，使得肋片顶部和根部基本没有温差，使得本发明提供的各个部位的散热肋片的散热性能不再受热源距离影响。另外，由于构形肋片沿径向的外端处的肋片间隙变小，具有屏蔽效应，减少了肋片间气流旁通量，使更多气流从散热器上端流经肋片后从肋片下端排出，消除了可能存在的肋片与冷却流体的对流换热死区。该发明所涉及到的热管散热器能将多个（含单个）局部高热流热源点产生的热量通过工质相变将热量迅速带走，有效消除了局部热点的产生，以上这些因素大大强化了热管散热的散热性能，降低了热管散热器受热面温度水平，进而保证了电子设备运行的安全、稳定、高效工作。
附图说明
图1本发明的散热器立体结构示意图。
图2本发明中散热肋片局部结构示意图。
图3 本发明中散热肋片局部结构示意图。
图4 本发明的局部工作原理示意图。
图5 本发明工作原理示意图。
图中，1.分叉连接肋片；2. 主贯穿通道；3. 吸液芯；4. 导热基板；5. 窄空腔；6.贯穿空腔；7．蒸汽；8．冷源；9．冷凝液；10. 热源。
具体实施方式
下面结合附图进行更进一步的详细说明：
图1给出了所述热管散热器的立体结构示意图。一种结合构形树状结构特征肋片的热管散热器，由高导热基板4、吸液芯3、散热肋片1和工作介质组成。分叉连接肋片1绕主贯穿通道2呈圆环状布置。呈圆环状布置的分叉连接肋片1组成散热肋片。高导热基板4内设置窄空腔5，窄空腔5内填充吸液芯4，窄空腔上连接分叉连接肋片1，在窄空腔5和散热肋片的贯穿空腔6中充着工作介质。高导热基板4与电子元器件热源紧密接触。
图2给出了散热肋片的俯视图。在该实施例中，分叉连接肋片1含有3级分叉肋片，且每级分叉肋片含有2个肋片，分叉连接肋片1能充分利用肋片分叉产生的分支获得较大空间，在有限空间内最大程度地布置了散热肋片，进而大幅增加了热管散热器与外界冷源（空气）之间的对流换热面积。由于分叉连接肋片1的特殊形状，其沿径向的外端处的肋片间隙变小，对流体具有屏蔽效应，减少了肋片间气流旁通量，使更多气流从散热器上端流经肋片后从肋片下端排出，消除了可能存在的肋片与冷却流体的对流换热死区，使散热器效率大大提高。
图3给出了分叉连接肋片内部结构图。分叉连接肋片1的内部设置有贯穿空腔6,为所述工作介质提供相变换热产生的蒸汽流动通道。
图4、图5给出了所述热管散热器工作原理示意图。热管散热器工作时，热源10将热量输入到高导热基板4下端后，高导热基板内部工质吸热蒸发，产生的蒸汽迅速扩散流向整个贯穿空腔6。在分叉连接肋片和主贯穿通道内部的压差作用下，蒸汽9从窄空腔向四周流动。在外界冷源作用下，蒸汽在贯穿空腔6的表面凝结。冷凝下来的冷凝液9在重力的作用下沿贯穿空腔6的表面向下流至高导热基板的窄空腔5内，完成整个工作循环，实现将热量从热源10通过汽液相变换热传至分叉连接肋片。此热管散热器可用于对热源温度的稳定性和散热强度要求很高的场合。具有安全、高效、稳定的优势，也可应用于热源与散热肋片有一定距离的场合。
Claims (2)
1.一种构形树状式热管散热器，由高导热基板、吸液芯、散热肋片和工作介质构成，在所述基板内设置有窄空腔，在所述的窄空腔上连接所述的散热肋片，在所述的散热肋片的内部设置有贯穿空腔，在所述的窄空腔里填充所述的吸液芯，在所述的窄空腔和贯穿空腔中充着所述的工作介质，其特征在于：所述的散热肋片为构形树状结构，它由主贯穿通道和分叉连接肋片组成；所述的分叉连接肋片至少为两片，且呈圆环状布置在所述的主贯穿通道的外围，所述的分叉连接肋片内部贯穿空腔与所述的主贯穿通道贯通，所述的高导热基板材料为铜、铜合金、铝、铝合金、钢、合金钢以及银。
2.根据权利要求1所述的构形树状式热管散热器，其特征在于：所述的分叉连接肋片含有m级分叉肋片，其中m为大于等于2的整数，且每级分叉肋片含有N个肋片，其中N＝2或3，其中第一级分叉连接肋片与主贯穿通道连接，上下级分叉连接肋片内的贯穿空腔直径之比为N-1/Δ，其中直径维数Δ为大于等于7/3且小于等于3，上下级分叉连接管道的长度之比为N-1/d，其中长度维数d为大于1且小于等于2的实数。
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