CN107041102A - 一种电子设备与器件的散热装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电子设备与器件的散热装置，包括底盘、密封板、热管和散热翅片，底盘上开设有相变材料储放腔，密封板密封连接于相变材料储放腔的顶部开口，相变材料储放腔内设置有相变材料，密封板上开设有密封板通孔，热管的蒸发端穿过密封板通孔并包含于相变材料内，冷凝端夹持于散热翅片内。本发明提供的电子设备与器件的散热装置，相变材料融化时可以吸收大量热量并以潜热的形式储存，热管从相变材料吸收热量并传到热管的冷凝端，最终通过散热翅片散发。相变材料不仅可以减缓温度上升速率，而且由于融化后的相变材料流动性较好，因此可以确保每个热管都高效工作，另外还可以起到均温作用，结构简单、紧凑、无需消耗额外动力，散热效率高。

Description

一种电子设备与器件的散热装置

技术领域

本发明涉及电子设备散热技术领域，更具体地说，涉及一种电子设备与器件的散热装置。

背景技术

随着半导体科学技术的发展，各类电子设备及元器件(如CPU、GPU、LED)不断向着微型化、集成化、高功率化方向发展，其单位容积内的产热量急速增加、局部热流密度急剧增长，如果热量不能及时排，将对电子设备及元器件的稳定性、可靠性及使用寿命产生重大影响。

传统的单纯依靠自然对流的普通型材散热器已无法满足这些大功率电子设备及元器件的散热需求，散热问题成为制约大功率电子设备及器件产业发展的主要瓶颈。因此，急需新的更加高效的散热技术来解决此问题。

综上所述，如何有效地解决现有散热器散热效率低、大功率电子设备散热需求难以满足等问题，是目前本领域技术人员急需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种电子设备与器件的散热装置，该电子设备与器件的散热装置的结构设计可以有效地解决大功率电子设备散热需求难以满足的问题。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种电子设备与器件的散热装置，包括底盘、密封板、热管和散热翅片，所述底盘上开设有相变材料储放腔，所述密封板密封连接于所述相变材料储放腔的顶部开口，所述相变材料储放腔内设置有相变材料，所述密封板上开设有密封板通孔，所述热管的蒸发端穿过所述密封板通孔并包含于所述相变材料内，冷凝端夹持于所述散热翅片内。

优选地，上述电子设备与器件的散热装置中，所述相变材料为熔点范围为30℃-60℃的材料。

优选地，上述电子设备与器件的散热装置中，所述相变材料为单一相变材料、复合相变材料、无机相变材料、有机相变材料或者微胶囊。

优选地，上述电子设备与器件的散热装置中，所述相变材料为添加有膨胀石墨粉、铜粉或者铝粉以提高导热性的复合材料。

优选地，上述电子设备与器件的散热装置中，所述散热翅片上开设有用于空气流动的翅片通孔，所述散热翅片的底端与所述密封板的顶面接触。

优选地，上述电子设备与器件的散热装置中，还包括端板，所述端板上开设有热管冷凝端固定通孔，所述冷凝端的末端插接于所述热管冷凝端固定通孔中。

优选地，上述电子设备与器件的散热装置中，所述端板上开设有用于空气流动的空气流动通孔。

优选地，上述电子设备与器件的散热装置中，所述底盘的材料为铜、铝、不锈钢或者陶瓷材料。

优选地，上述电子设备与器件的散热装置中，所述热管的内壁设置有超亲水毛细芯。

优选地，上述电子设备与器件的散热装置中，所述超亲水毛细芯为烧结于所述热管内壁的毛细芯经热氧化或者过氧化氢氧化制备而成的超亲水毛细芯，或者通过添加造孔剂制备而成的多尺度孔隙超亲水毛细芯。

本发明提供的电子设备与器件的散热装置包括底盘、密封板、热管和散热翅片。其中，底盘具有相变材料储放腔，密封板设置于相变材料储放腔的顶端开口，且与底盘密封连接。相变材料储放腔内设置有相变材料，密封板上开设有密封板通孔，热管的蒸发端穿过所述密封板通孔并包含于相变材料内，冷凝端夹持于散热翅片内。

应用本发明提供的电子设备与器件的散热装置，相变材料迅速吸收电子设备及元器件工作时产生的热量，并以潜热的形式储存起来，相变材料吸收热量熔化，且相变材料在融化过程中温度保持不变，因此可以减缓电子设备温度上升的速率，对电子设备有很好的保护作用。当熔融状态下的相变材料的温度达到热管内部工质的沸点时，工质吸收大量热量变成蒸汽并进入到热管冷凝端，蒸汽在冷凝端冷凝成液体，并将热量释放给散热翅片，液体在自身重力及毛细力的作用下再次进入到蒸发端吸收热量，散热翅片最终将热量散失到周围环境，实现被动式散热。同时，热管的蒸发端位于相变材料内，由于相变材料与热管蒸发端直接接触，因此可以减小热管从相变材料取热的热阻，最大程度的提高热管取热能力。综上，本发明提供的电子设备与器件的散热装置结合了相变材料与热管的散热优势，结构简单、紧凑、无需消耗额外动力，能满足大功率电子设备及元器件的散热要求。

同时，由于相变材料融化之后具有较好的流动性，因此可以保证每个热管都可以高效工作，提高整个装置的散热能力，还可以确保相变材料储放腔下底板温度一致性，从而保证电子设备受热均匀，避免由于温度不均导致电子设备及元器件内部产生热应力，从而对电子设备及元器件产生破坏。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的电子设备与器件的散热装置一种具体实施方式的爆炸结构示意图；

图2为图1中密封板的放大示意图；

图3a为单一相变材料与热管蒸发端截面放大示意图；

图3b为复合相变材料与热管蒸发端截面放大示意图；

图4为超亲水毛细芯热管横截面结构示意图；

图5a为热氧化法制造超亲水毛细芯热管的工艺流程图；

图5b为过氧化氢氧化法制造超亲水毛细芯热管的工艺流程图；

图6为图1中热管与散热翅片组合图；

图7为图1中单个散热翅片示意图；

图8为图1中端板的放大示意图；

图9为图1中散热装置组装后的结构示意图。

附图中标记如下：

1、相变材料储放腔；2、相变材料；3、密封板；4、散热翅片；5、热管；6、端板；3-1、密封板通孔；4-1、第一散热翅片；4-2、第二散热翅片；4-3、第三散热翅片；4-4、翅片通孔；4-5、插入热管的通道；5-1、超亲水毛细芯；6-1、空气流动通孔；6-2、热管冷凝端固定通孔。

具体实施方式

本发明实施例公开了一种电子设备与器件的散热装置，以提高散热效率、满足大功率电子设备的散热需求。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-图9，图1为本发明提供的电子设备与器件的散热装置一种具体实施方式的爆炸结构示意图；图2为图1中密封板的放大示意图；图3a为单一相变材料与热管蒸发端截面放大示意图；图3b为复合相变材料与热管蒸发端截面放大示意图；图4为超亲水毛细芯热管横截面结构示意图；图5a为热氧化法制造超亲水毛细芯热管的工艺流程图；图5b为过氧化氢氧化法制造超亲水毛细芯热管的工艺流程图；图6为图1中热管与散热翅片组合图；图7为图1中单个散热翅片示意图；图8为图1中端板的放大示意图；图9为图1中散热装置组装后的结构示意图。

在一种具体实施方式中，本发明提供的电子设备与器件的散热装置包括底盘、密封板、热管和散热翅片。

其中，底盘具有相变材料储放腔1，用于放置相变材料2。具体相变材料储放腔1可以为横截面呈圆形、方形或者椭圆形的腔体。当然，其并不局限于上述结构，也可以为其他合适的形状。相变材料储放腔1用于放置相变材料2，因而底盘的制作材料应满足导热系数大、耐腐蚀的特点，优选的可以为铜、铝、不锈钢或者陶瓷材料，但并不局限于上述材料。相变材料储放腔1的下底板，也就是底盘的下端面通常用于与电子设备连接。

密封板3设置于相变材料储放腔1的顶端开口，且与底盘密封连接。具体的，密封板3与相变材料储放腔1之间可以采用焊接的方式进行密封，也可以采用螺栓连接或者螺纹连接等方式密封连接。密封板3其制作材料应满足硬度大、抗拉伸、耐腐蚀的特点，可以是金属，也可是非金属固体材料，如陶瓷。密封板3的形状需与相变材料储放腔1的形状对应。密封板3上预留有插入热管5的蒸发端的密封板通孔3-1，热管5的蒸发端穿过密封板通孔3-1并包含于相变材料2内，如嵌插在相变材料2内。由于相变材料2与热管5蒸发端直接接触，因此可以减小热管5从相变材料2取热的热阻，最大程度的提高热管取热能力。具体的，热管5蒸发端可以是呈竖直的状态嵌插在相变材料2内，也可以是呈L行(冷凝端与蒸发端垂直或者有一定的弧度)贴合在相变材料储放腔1的下底板内表面，如此可以快速将电子设备产生的热量迅速带离到热管冷凝端。对于固体相变材料，其表面同样预制有插入热管5蒸发端的孔，为了增加热管5蒸发端的吸热能力，可以将蒸发端表面制成螺纹状，或者套上短翅片。

热管5的冷凝端夹持于散热翅片内。具体的，热管5与散热翅片4可以通过过盈配合固定连接，也可以通过焊接或者其他可拆卸的固定连接方式连接。热管5与密封板通孔3-1优选的为密封连接，如通过过盈配合或设置密封结构密封等。热管5的工质可以是水、乙醇、丙酮、有机工质及其混合物，其他适合于热管5的工作流体也包括在内。热管5的直径、长度、个数可根据具体需要进行设计，此处不作具体限定。

在相变材料储放腔1内部储放有相变材料2，考虑到相变材料2在吸热融化时体积可能会发生一定程度的变化，因此在相变材料储放腔1内部优选的预留有空腔。

应用本发明提供的电子设备与器件的散热装置，相变材料2迅速吸收电子设备及元器件工作时产生的热量，并以潜热的形式储存起来，随着温度升高，相变材料2熔化，且相变材料2在融化过程中温度保持不变，因此可以减缓电子设备温度上升的速率，对电子设备有很好的保护作用。当熔融状态下的相变材料2的温度达到热管内部工质的沸点时，工质吸收大量热量变成蒸汽并进入到热管冷凝端，蒸汽在冷凝端冷凝成液体，并将热量释放给散热翅片，液体在自身重力及毛细力的作用下再次进入到蒸发端吸收热量，散热翅片最终将热量散失到周围环境，实现被动式散热。综上，本发明提供的电子设备与器件的散热装置结合了相变材料2与热管的散热优势，结构简单、紧凑、无需消耗额外动力，能满足大功率电子设备及元器件的散热要求。

同时，由于相变材料2融化之后具有较好的流动性，因此可以保证每个热管都可以高效工作，提高整个装置的散热能力，还可以确保相变材料储放腔1下底板温度一致性，从而保证电子设备受热均匀，避免由于温度不均导致电子设备及元器件内部产生热应力，从而对电子设备及元器件产生破坏。

由于本发明将热管5蒸发端嵌插在相变材料2内部，因此可以消除热管5与相变材料2的接触热阻，从而大大提高热管5的取热能力。另外，由于相变材料2融化之后具有较好的流动性，因此可以使每个热管5高效工作，还可以使整个相变材料储放腔1下底板温度一致，从而保证整个电子设备及元器件受热均匀，避免由于温差过大导致电子设备内部产生热应力破坏电子设备，继而本发明也就能够使装置的散热过程实现高效、低成本和低能耗的操作运行，为解决制约大功率电子设备及元器件的散热提供了一种较好的解决途径。

具体的，相变材料2为熔点范围为30℃-60℃的材料。对于某一散热装置而言，可以根据其散热对象选择合适熔点的相变材料2。优选的，相变材料2的熔点范围可以为35℃-50℃，如45℃等。相变材料2的状态可以是固态、液态，还可以为固液混合物，具体根据需要进行选择。

进一步地，相变材料2的种类可以为单一相变材料、复合相变材料、无机相变材料、有机相变材料或者微胶囊。根据散热装置的应用对象，即电子设备的不同，可以选择不同的相变材料2，以获得最优的散热效果。

为了增强相变材料2的导热性，可在相变材料2中添加辅助剂。例如可以在相变材料2内部添加导热能力强的金属粉末以增强相变材料2的导热能力，如铜粉；非金属粉末，如膨胀石墨粉等。也就是相变材料2可以为添加有膨胀石墨粉、铜粉或者铝粉以提高导热性的复合材料。当然，辅助剂并不局限于上述成分，其他适用于增加导热性的辅助剂也可以使用。根据需要，还可以将相变材料制成泡沫金属复合相变材料，如图3b所示。

上述各实施例中，散热翅片4上可以进一步开设用于空气流动的翅片通孔4-4。通过翅片通孔4-4的设置，以加速空气流动，提高翅片的散热能力。具体翅片通孔4-4可以为圆孔，包括多个翅片通孔4-4时，其可以在散热翅片4上均匀分布。需要说明的是，散热翅片4既可以为单个的散热翅片单体，还可以为包括多个散热翅片单体的散热翅片模组。对于散热翅片4的结构可以不作具体限定，如矩形/三角形截面散热翅片、螺纹状散热翅片、太阳花状散热翅片，或者也可以为其他形状合适的散热翅片。散热翅片4的个数根据具体需要进行设置。散热翅片4的制作材料应满足导热系数大、耐腐蚀的特点，可以是铜、铝、塑包铝及其合金，也可以是陶瓷材料，其他适合于制作散热翅片4的材料也包含在内。

进一步地，散热翅片4的底端与密封板3的顶面接触。也就是散热翅片4底端与密封板3上表面接触，因此可以最大限度的增加热量的传递量。当然，为满足安装需要等特殊情况下，也可以将散热翅片4的底端距离密封板3设置预设间隙。

更进一步地，散热翅片4可以为包括多组散热翅片的散热翅片模组，且每组散热翅片通过预制的方式加工制造。具体的，每组散热翅片可以包括至少三个小的散热翅片单体，即第一散热翅片4-1，第二散热翅片4-2，第三散热翅片4-3，三者均连接于热管5通道的外壁。优选地，第一散热翅片4-1，第二散热翅片4-2，第三散热翅片4-3的末端截面积大于翅片中部的截面积，以提高辐射换热面积。

具体的，散热翅片4上可以开设用于插入热管的通道4-5，进而热管5可以嵌插于通道4-5内。优选的，对散热翅片4表面进行处理，如设置水性纳米涂料镀层，以提高表面辐射换热能力。

在上述各实施例的基础上，还包括端板6，端板上预制有热管冷凝端固定通孔6-2，进而冷凝端的末端插接于热管冷凝端固定通孔6-2中。也就是热管5的蒸发端与密封板3连接，冷凝端与端板6连接，从而便于热管5的固定安装，散热装置整体结构紧凑可靠。具体的，热管5与端板6可以为焊接或其他可拆卸的固定连接方式连接。

进一步地，端板上开设有用于空气流动的空气流动通孔6-1，以加速空气的流动，提高整个装置的散热能力。具体空气流动通孔6-1的个数、形状及分布可以根据需要进行设置。

在上述各实施例的基础上，热管5的内壁设置有超亲水毛细芯5-1，也就是热管为超亲水毛细芯热管。具体超亲水毛细芯热管其制作材料可以是铜、不锈钢及其合金，其他适合于制作热管的材料也包含在内。优选的，毛细芯1为具备超亲水特性的多尺度毛细芯，多尺度毛细芯结构的存在，不仅可以有效解决蒸汽溢出与液体吸入的矛盾问题，还可以加快冷凝液从冷凝端进入到蒸发端，从而大大提高热管的传热性能。

进一步地，超亲水毛细芯5-1为烧结于热管内壁的毛细芯经热氧化或者过氧化氢氧化制备而成，或者通过添加造孔剂制备而成的多尺度孔隙超亲水毛细芯5-1。请参阅图5a和图5b，图5a为热氧化法制造超亲水毛细芯热管的工艺流程图；图5b为过氧化氢氧化法制造超亲水毛细芯热管的工艺流程图。毛细芯的制备材料为紫铜粉，采用烧结的方式将毛细芯制备在热管5的内壁，热管5基体为紫铜，即铜管。在烧结之前，需要对铜管进行去油、抛光、清洗处理，以去除铜管内壁面的杂质，避免杂质释放出不凝性气体，从而破坏热管真空度，使热管性能下降甚至失效。在毛细芯的烧结过程中，可加入造孔剂如碳酸钠，碳酸钠在高温条件下会分解，从而形成多尺度孔隙。对于用过氧化氢氧化处理得到的超亲水毛细芯热管，在其封装过程中将毛细芯内部的过氧化氢完全分解，避免热管封装后由于毛细芯内部残留的过氧化氢分解产生氧气，从而对热管的真空度产生破坏，使热管失效。对于未氧化的毛细芯其表面光滑，无微—纳米多尺度结构，因此亲水特性一般；对毛细芯进行超亲水处理后，其表面会形成一层粗糙的纳米皮肤和纳米草，纳米皮肤和纳米草的存在，不仅可以大大提高毛细芯的吸液能力，还可以增大相变换热面积，从而大大提高热管的热性能。毛细芯的制备也并不局限于上述方式。

具体的，热管5还可以是无毛细芯结构的铜光管，可以将铜光管内表面制备成超疏水特性的表面，液体在超疏水表面会发生珠状冷凝，珠状冷凝可以减薄液膜厚度，从而大大强化热管的冷凝换热能力。冷凝后的液体可以在重力的驱动下进入到铜管的底端，继续吸热蒸发，以此不断循环。

应用本发明提供的电子设备与器件的散热装置，当大功率电子设备及元器件(如LED)开始工作时，热量经过热传导的方式进入到相变材料储放腔1下底板，再进入到相变材料2并被其吸收，相变材料2吸收热量不断融化，当温度达到热管5内部液体工质的沸点时，工质吸收大量热量变成蒸汽进入到热管冷凝端，蒸汽在冷凝端将热量释放给散热翅片模组4并冷凝成液体，液体在自身重力及毛细力作用下再次进入到蒸发端吸收热量，如此不断循环工作，散热翅片最终将热量散失到周围环境，实现被动式散热。

该装置还可以和低压交流或直流风扇组装在一起构成体积小、重量轻的高效散热装置，把大功率电子设备及元器件产生的热量散发到周围环境中。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种电子设备与器件的散热装置，其特征在于，包括底盘、密封板、热管和散热翅片，所述底盘上开设有相变材料储放腔，所述密封板密封连接于所述相变材料储放腔的顶部开口，所述相变材料储放腔内设置有相变材料，所述密封板上开设有密封板通孔，所述热管的蒸发端穿过所述密封板通孔并包含于所述相变材料内，冷凝端夹持于所述散热翅片内。

2.根据权利要求1所述的电子设备与器件的散热装置，其特征在于，所述相变材料为熔点范围为30℃-60℃的材料。

3.根据权利要求2所述的电子设备与器件的散热装置，其特征在于，所述相变材料为单一相变材料、复合相变材料、无机相变材料、有机相变材料或者微胶囊。

4.根据权利要求3所述的电子设备与器件的散热装置，其特征在于，所述相变材料为添加有膨胀石墨粉、铜粉或者铝粉以提高导热性的复合材料。

5.根据权利要求1所述的电子设备与器件的散热装置，其特征在于，所述散热翅片上开设有用于空气流动的翅片通孔，所述散热翅片的底端与所述密封板的顶面接触。

6.根据权利要求1所述的电子设备与器件的散热装置，其特征在于，还包括端板，所述端板上开设有热管冷凝端固定通孔，所述冷凝端的末端插接于所述热管冷凝端固定通孔中。

7.根据权利要求6所述的电子设备与器件的散热装置，其特征在于，所述端板上开设有用于空气流动的空气流动通孔。

8.根据权利要求1所述的电子设备与器件的散热装置，其特征在于，所述底盘的材料为铜、铝、不锈钢或者陶瓷材料。

9.根据权利要求1-8任一项所述的电子设备与器件的散热装置，其特征在于，所述热管的内壁设置有超亲水毛细芯。

10.根据权利要求9所述的电子设备与器件的散热装置，其特征在于，所述超亲水毛细芯为烧结于所述热管内壁的毛细芯经热氧化或者过氧化氢氧化制备而成的超亲水毛细芯，或者通过添加造孔剂制备而成的多尺度孔隙超亲水毛细芯。