CN105960147B - 基于螺旋分形的一体化微小型平板热管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于螺旋分形的一体化微小型平板热管，由导热基板与散热翅片组成，在所述导热基板上设置有充液口，其特征在于：在所述导热基板上设置具有斐波那契螺旋线分形的槽道，所述充液口与所述槽道相连通，在所述槽道内设置所述散热翅片，所述散热翅片为具有散热翅片空腔的导热肋片，所述散热翅片空腔与所述槽道连通，在所述散热翅片空腔的内壁面上设置有吸液芯。本发明平板热管大大提高了微小型平板热管的换热水平和均温性能，为解决电子元器件局部高热流问题提供了一种有效途径。

Description

基于螺旋分形的一体化微小型平板热管

技术领域

本发明涉及一种散热装置，具体涉及的是一种为提高换热性能而设计的基于螺旋分形的一体化微小型平板热管。

背景技术

近年来，随着航空航天技术、信息工程、能源化工、微电子技术等的迅猛发展，电子电路集成化程度不断提高，电子元器件容量不断扩大，而随之带来的电子元件高发热热流密度成为影响其正常工作的重大隐患。传统的单纯使用空气强迫对流冷却的散热方式已经达到传热极限，散热问题成为制约高热流密度光电芯片技术及产业发展的主要瓶颈。

热管散热技术因其以相变传热作为基本传热方式而具有高效的散热性能，被广泛应用于高热流密度条件下的航空航天热控制及微电子元件散热等领域，成为国际上微电子和传热传质领域的研究热点。微小型平板热管作为一种新型热管，具有结构简单、热导率高、均温性良好、工作适应性好以及有利于对集中热管进行热扩散等优点，在空间热控系统﹑光电芯片散热等领域有着广阔应用前景。

传统的微小型平板热管制造工艺是将热沉和微小型平板热管分开设计制造之后，应用时要在接触面涂抹导热硅胶后再将微小型平板热管贴附在散热翅片的底面，尽管这种设计便于加工制作，但这样的设计无疑增大了散热器的接触热阻。

发明内容

技术问题

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供了一种新型的具有螺旋分形通道布置的一体化微小型平板热管散热装置，该型装置通过将散热翅片与热管技术紧密结合以及螺旋分形结构优良的热质输运特性，能大大提高装置的散热能力，从而实现高效换热的目的。

技术方案

为解决微小型平板热管设计上存在的上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种基于螺旋分形的一体化微小型平板热管，由导热基板与散热翅片组成，在所述导热基板上设置有充液口，其特征在于：在所述导热基板上设置具有斐波那契螺旋线分形的槽道，所述充液口与所述槽道相连通，在所述槽道内设置所述散热翅片，所述散热翅片为具有散热翅片空腔的导热肋片，所述散热翅片空腔与所述槽道连通，在所述散热翅片空腔的内壁面上设置有吸液芯。

所述散热翅片包括一级散热翅片和二级散热翅片，所述一级散热翅片和所述二级散热翅片均为具有散热翅片空腔的导热肋片，所述一级散热翅片设置在所述槽道内，所述二级散热翅片从所述第一散热翅片的两侧向外延伸。

所述二级散热翅片也伸入所述导热基板内并与所述槽道连通。

周向相邻的二级散热翅片之间等距间隔分布。

螺旋分形结构的级数为2级。

所述吸液芯包括导热丝网、导热纤维和导热颗粒，所述导热纤维镶嵌在所述导热丝网上，所述导热颗粒镶嵌在所述导热纤维上。

所述导热丝网的材料为金属、合金或高分子材料，导热丝网的网孔为微米级；所述导热纤维的材料为金属氧化物或合金氧化物，导热纤维的直径为纳米级；所述导热颗粒的材料为金属或合金，导热纤维的粒径为微米级。

导热基板为扁平的圆柱状金属导热平板，直接与散热翅片相连。导热基板内布置具有斐波那契螺旋线分形的槽道，在槽道内壁面上烧结有多孔金属材料，充液口设置在导热基板侧壁面上，与槽道相连通，通过充液口可向槽道空间内充入一定比例的液体工质；散热翅片为具有内凹形散热翅片空腔的导热肋片，直接固定在所述的导热基板上，散热翅片空腔的截面形状、大小和位置分布与所述的导热基板内布置的槽道相匹配，即槽道顶部边缘和散热翅片的底部周边通过连接并进行封装以实现散热翅片空腔与槽道空间上下相连通，从而使得相变工质由蒸发段受热汽化后直接在肋片端部冷凝放热。此设计利用热管优良的等温性能将有效避免传统微小型平板热管与散热翅片的接触热阻过高问题以及散热翅片根部与端部温差较大现象的产生，大大提高肋效率。

气液相变腔体和散热翅片均采用类似于斐波那契螺旋线结构的具有分形的方式构建，分形螺旋弯曲结构以导热基板的轴心为中心，向四周弯曲扩散。此分形螺旋网络通道凭借其独特的空间分布特性以及优良的热质输运特性，为通道内的热量传递和流体流动提供了优化分配，将大大提高通道内的换热水平和流动特性，确保换热工质在整个散热空间内均匀分散开来，有效地利用导热基板的散热面积，增强导热基板的均温性能。另外，弯曲结构内沿径向易产生弯曲二次流，二次流增加了管内工质的扰动和混合，进一步提高了管内的换热水平。考虑到实际加工要求，斐波那契螺旋线大约采用6-12根，单根斐波那契螺旋线具有螺旋分形，其分形轮廓的生成过程是：

（1）斐波那契螺旋线，是根据斐波那契数列画出来的螺旋曲线，斐波那契数列（Fibonacci Sequence），又称黄金分割数列，在数学上，斐波那契数列是以递归的方法来定义：

F(0)=0；

F(1)=1；

F(n)=F(n-1)+F(n-2)（n≥2）。

（2）因此，用文字来说，斐波那契数列由数字0和1开始，之后的斐波那契数为前两个数相加之和。

（3）以斐波那契数为边的正方形拼成的长方形，然后在正方形里面画一个90度的扇形，连起来的弧线就是斐波那契螺旋线。自然界中存在许多斐波那契螺旋线的图案，是自然界最完美的经典黄金比例。

在一级散热翅片上径向等间距布置二级散热翅片，周向相邻的二级散热翅片之间等距间隔分布。采用二级散热翅片可以充分利用整个散热系统的表面空间，增加散热面积，提高散热效率；同时，二级散热翅片增加了整体翅片在散热截面空间分布的均匀特性，因此可进一步增强散热截面的均温性，消除散热器件的局部热点，有效延长使用寿命；另外，工质在腔内流动时易在一级散热翅片与二级散热翅片连接的分叉处形成二次流，这将进一步增强工质的扰动，提高管内换热水平。

本发明把微小型平板热管和风冷散热翅片进行一体化设计，就可以消除接触热阻，有效地提高散热效率。进行一体化设计可以减小散热翅片顶部与其根部的温度差就可以极大的提高散热器的散热效率。因此，在散热翅片内部构造内空腔以实现其跟热管的气液相变腔体相连通从而使得相变工质由蒸发段受热汽化后直接在肋片端部冷凝放热，这种方式利用热管优良的等温性能将有效避免散热翅片根部与端部温差较大现象的产生，大大提高肋效率。

有益效果

本发明一种基于螺旋分形的一体化微小型平板热管，通过实现微小型平板热管与散热翅片的一体化设计，有效避免了微小型平板热管与散热翅片之间接触热阻过高问题以及散热翅片根部与端部温差较大现象的产生；气液相变腔体和散热翅片利用螺旋分形的方式构建，其优良的热质输运特性大大提高了散热器的换热效率和均温能力；另外，采用二级散热翅片，增加散热面积，进一步增强了换热密度以及均温性能，增强换热效果。该微小型平板热管的设计为解决电子元器件局部高热流问题提供了一种有效途径。

附图说明

图1为一种基于螺旋分形的一体化微小型平板热管的整体结构平面示意图。

图2为一种基于螺旋分形的一体化微小型平板热管的整体结构立体示意图。

图3为一种基于螺旋分形的一体化微小型平板热管的槽道结构示意图。

图4为槽道结构局部放大图。

图5为散热翅片空腔结构示意图。

图6为散热翅片空腔内壁面上吸液芯附着结构示意图。

图中，1、导热基板；2、多孔金属材料；3、槽道；4、吸液芯；5、一级散热翅片；6、二级散热翅片；7、充液口；8、散热翅片空腔。

具体实施方式

结合附图对本发明作进一步描述：

图1给出了本发明一种基于螺旋分形的一体化微小型平板热管整体结构平面示意图，图2为本发明一种基于螺旋分形的一体化微小型平板热管整体结构立体示意图。图中，一种采用了斐波那契螺旋分形通道布置方式的一体化微小型平板热管，由气液相变腔体与散热翅片组成。气液相变腔体，由导热基板1、槽道3、多孔金属材料2、充液口7、散热翅片空腔8和吸液芯4组成。导热基板1内布置具有斐波那契螺旋线分形的槽道3（如图3所示），多孔金属材料2通过烧结的方式附着在槽道3的内壁面上，充液口7设置在导热基板1侧壁面上，并与槽道3相连通，通过充液口7可向槽道3空间内充入一定比例的液体工质；散热翅片包括一级散热翅片5和二级散热翅片6，二级散热翅片6径向等间距地分布在一级散热翅片5上，一级散热翅片5和二级散热翅片6均为具有内散热翅片空腔的导热肋片，散热翅片空腔8的截面形状与导热基板1内布置的螺旋形槽道3相匹配，且散热翅片空腔8与槽道3上下相连通；吸液芯4紧贴散热翅片空腔8的内壁面布置，且与槽道3内布置的多孔金属材料2相连接。

上述结构实现了微小型平板热管与散热翅片的一体化设计，从而避免了微小型平板热管与散热翅片的接触热阻过高以及散热翅片根部与端部温差较大现象的出现；同时槽道充分利用螺旋分形的布置方式，大大增强了散热器的换热效率和均温能力；另外采用二级散热翅片，增加散热面积，提高换热效果。

图4为槽道内的多孔金属材料结构示意图，多孔金属材料2为具有高导热系数和高孔隙率的多孔泡沫金属结构（如泡沫铜、泡沫铝及泡沫镍等多孔材料），通过烧结的方式附着在槽道3的内壁上。此多孔金属结构既可以充当热管吸液芯结构以促进管内工质回流，又可以通过增加受热面上的汽化核心数以增强槽道内的相变换热能力。

图5为散热翅片空腔结构示意图，图6给出了布置在散热翅片空腔内壁上的吸液芯结构示意图，吸液芯4由导热丝网、导热纤维和导热颗粒组成。导热纤维镶嵌在导热丝网上，导热颗粒镶嵌在导热纤维上。导热丝网材料选自金属、合金或高分子材料，其网孔优选为微米级；导热纤维材料选自金属氧化物或合金氧化物，其直径为纳米级；导热颗粒材料选自金属或合金，其粒径为微米级。微米级导热颗粒以及纳米级导热纤维可提高丝网吸液芯的孔隙率和致密性，增大吸液芯的毛细抽吸力，从而加快工质的循环速度，提高热管散热效率，且可防止现有技术中毛细极限现象的产生；另外，导热颗粒及导热纤维可增加吸液芯的表面积和导热能力，亦可提高管内的传热水平。

一级散热翅片5和所述的二级散热翅片6根据工作条件、工质性质等可以采用多种不同的材料，如碳素钢、低合金钢、不锈钢、铜（合金）、铝（合金）、镍（合金）等。

在一体化微小型平板热管的制作过程中，最后一个环节是将热管抽真空然后注入合适的液体工质（如水、氨、乙醇、丙醇、丙酮、有机物、制冷剂等，这些液体在真空状态下有较低的沸点，是良好的热交换剂）和恰当的充液比。在一体化微小型平板热管的工作过程中，当导热基板1受到热源的加热时，导热基板1和多孔金属材料2的温度会升高，其升高到一定温度时，多孔金属材料2中的液体工质会发生汽化，汽化后的蒸汽从多孔金属材料2内部溢出，沿着槽道3运动，并向整个散热翅片空腔8扩散，在腔体的顶部边壁遇冷发生凝结，凝结放出的热量再通过翅片传递到周围环境中。冷凝后的液体被吸附到吸液芯4内部，然后在毛细吸力的作用下沿吸液芯4返回多孔金属材料2，完成整个工质的循环。由于吸液芯4的存在，液体的循环是被动的，不需要外力，而且能在反重力下工作。

Claims (8)

1.一种基于螺旋分形的一体化微小型平板热管，由导热基板与散热翅片组成，其特征在于：在所述导热基板上设置具有斐波那契螺旋线分形的槽道，在所述槽道内填充有流体工质，在所述槽道内设置所述散热翅片，所述散热翅片为具有散热翅片空腔的导热肋片，所述散热翅片空腔与所述槽道连通，在所述散热翅片空腔的内壁面上设置有吸液芯。

2.根据权利要求1所述的一体化微小型平板热管，其特征在于：所述散热翅片包括一级散热翅片和二级散热翅片，所述一级散热翅片和所述二级散热翅片均为具有散热翅片空腔的导热肋片，所述一级散热翅片设置在所述槽道内，所述二级散热翅片从所述一级散热翅片的两侧向外延伸。

3.根据权利要求2所述的一体化微小型平板热管，其特征在于：所述二级散热翅片也伸入所述导热基板内并与所述槽道连通。

4.根据权利要3所述的一体化微小型平板热管，其特征在于：周向相邻的二级散热翅片之间等距间隔分布。

5.根据权利要3所述的一体化微小型平板热管，其特征在于：在所述导热基板上设置有充液口，所述充液口与所述槽道相连通。

6.根据权利要求1、2、3、4或5所述的一体化微小型平板热管，其特征在于：螺旋分形结构的级数为2级。

7.根据权利要求1、2、3、4或5所述的一体化微小型平板热管，其特征在于：所述吸液芯包括导热丝网、导热纤维和导热颗粒，所述导热纤维镶嵌在所述导热丝网上，所述导热颗粒镶嵌在所述导热纤维上。

8.根据权利要求7所述的一体化微小型平板热管，其特征在于：所述导热丝网的材料为金属、合金或高分子材料，导热丝网的网孔为微米级；所述导热纤维的材料为金属氧化物或合金氧化物，导热纤维的直径为纳米级；所述导热颗粒的材料为金属或合金，导热纤维的粒径为微米级。