CN107193355A - 一种散热装置 - Google Patents

Abstract

一种散热装置，包括热源，至少一根导热管；所述导热管一端与所述热源以导热方式连接，其特征在于在所述导热管外壁上包覆有隔热层，所述导热管未与所述热源连接的散热端除外。其散热效果良好，可适用于多种行业散热用。

Description

一种散热装置

技术领域

在一些设备仪器或较小空间中存在发热源，但是设备仪器或较小空间对温度控制要求很高的情况，一般均需要特制的散热装置将发热源产生的热能散发出去。本发明的散热装置涉及设备仪器或较小空间中针对发热源进行散热，尤其是指存在发热源，但是又对温度要求很高的设备仪器中。

背景技术

在具有发热源，又对环境温度要求很高的情况下，一般均对发热源采用散热装置散热，以降低发热源的温度及周围工作环境温度。以笔记本电脑为例。由于CPU和显卡芯片在工作时会产生大量的热量，目前一般通过导热铜管把热量传导至散热片上，然后风扇是对着散热片吹，将把热量以对流或辐射方式散到笔记本电脑外面。在导热铜管中，填充有相变材料，设置有毛细管结构。导热铜管分别与CPU、显卡芯片上的导热板焊接，在导热铜管的另一端设置有散热片和风扇。为了更好的将CPU、显卡芯片等产生的热能经导热铜管散发出去，导热铜管与其接触处设置扁状管体结构，增大导热接触面积。从CPU上导热板一直延伸至风扇口处的散热片，再由风扇将热能经散热口散到笔记本电脑外部。导热铜管中，与CPU、显卡芯片导热板接触的导热铜管一端为蒸发端，与散热片连接的一端为冷凝端，笔记本电脑工作时，CPU、显卡芯片工作开始发热，导热铜管中的相变材料经过铜管与CPU、显卡芯片相连导热板进行热交换，导热铜管中的蒸发端的相变材料因为热交换吸热由液态变为气态，因为压力的变化，气态化的相变材料流向冷凝端，由于冷凝端与散热片连接，风扇一直吹着散热片将散热片的热能向笔记本外部排出，因此冷凝端的导热铜管内外具有一定温差，冷凝端的气态相变材料向外释放热能变为液态，释放的热能经散热片，在风扇进一步作用下快速向笔记本电脑外部散出。冷凝后的液态相变材料在毛细管结构作用下，经由冷凝端回流至蒸发端，重复蒸发冷凝相变过程。传导到导热铜管的大部分热能经由其内部的相变材料进行热交换散热，其他热能则直接通过导热铜管表面向笔记本电脑内部空间散热。由于笔记本电脑内空间狭小，当笔记本工作一段时间后，经导热铜管表面直接向笔记本空间散发的热能达到一定平衡，则会导致笔记本电脑内部的温度保持在较高温度，会造成电脑表面(上部或者下部)局部温度过高，尤其在长期使用情况下，底部发烫或表面发烫。内部温度过高，对笔记本中的其他电子元器件造成影响，导致笔记本运行性能下降，速度变慢，有时甚至于死机。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种散热装置，其在保证散热的同时，阻断散热装置与其周围空间的热交换及热辐射，使周围空间温度降低。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是一种散热装置，包括热源，至少一根导热管；

所述导热管一端与所述热源以导热方式连接，其特征在于在所述导热管外壁上包覆有隔热层，

所述导热管未与所述热源连接的散热端除外。

所述导热管为中空，其中空部填充有相变材料，并设置有让液态相变材料从一端回流至另一端的毛细管结构。

在所述导热管与所述隔热层之间设置有超导热层，所述超导热层导热系数大于所述导热管导热系数。

在所述热源与所述导热管连接的两侧的热源表面上依次设置有超导热层和隔热层，所述热源表面的超导热层和隔热层与所述导热管上的所述超导热层和隔热层分别连接。

所述超导热层材质为金属、石墨、石墨烯、导热界面材料、导热硅脂、导热云母、导热陶瓷、导热橡胶以及其他导热材料，其厚度为0.01mm-2.0mm。

所述超导热层材质为人工石墨片，导热系数大于1000w/(m·k)，其厚度为0.02mm-0.10mm。

所述隔热材料材质为气凝胶、聚酰亚胺、PE薄膜、保温隔热纸、玻璃纤维棉板/毡、聚氨酯发泡材料、离心剥离纤维棉/岩棉、真空隔热材料以及其他隔热材料，其厚度为0.05mm-10mm。

所述隔热材料材质为二氧化硅气凝胶，其导热系数小于0.03w/(m·k)，其厚度为0.2mm-1.0mm。

一种笔记本电脑的散热装置，包括CPU、显卡芯片、散热片、风扇，具有蒸发段和冷凝段的导热管；所述导热管的蒸发段与所述CPU及显卡芯片上的导热板以导热方式连接，所述冷凝段与所述散热片以导热方式连接；在所述导热管外壁上包覆有隔热层，所述冷凝段及以导热方式与所述CPU、显示芯片、散热片连接的位置除外；所述超导热层导热系数大于所述导热管导热系数。

在所述CPU、显示芯片的导热板未与所述导热管连接的表面上依次设置有一层超导热层和隔热层，所述CPU、显示芯片的超导热层和隔热层分别与所述导热管上的超导热层和隔热层连接。

本发明的散热装置，在导热管外部增加超导热层和隔热层，可以使热量快速传导至超导热层并通过导热管与相变材料进行热交换，另一方面可以快速将一部分热能传递至冷凝段一端的导热管处，向外散热，由于隔热层存在，通过热辐射进入设备仪器空间的热能就比较少。当超导热层采用人工石墨片时，由于人工石墨片层横向导热系数很高，大于1000w/(m·k)，但其纵向导热系数小于30w/(m·k)，当采用人工石墨片层作为超导热层时，热能会快速沿导热管长度方向传导至冷凝端一端向外散热，而纵向方向则仅有小部分热能通过隔热层进入设备仪器空间中。当隔热层采用二氧化硅气凝胶时，虽然二氧化硅气凝胶的导热系数与空气导热系数差不多，但是二氧化硅气凝胶导热系数随着温度上升变化很小，空气导热系数随着温度上升会逐渐呈曲线增大。当采取热氧化硅气凝胶做为隔热层时，比导热管直接与空气接触辐射的热能要低的多。

在导热管外部仅增加隔热层时，导热管管壁纵向热能交换被最大限度阻止，迫使经相变材料及导热管横向管壁传导散热。

当采用在导热管外部设置超导热层和隔热层时，既能横向提高热交换速率，又能在纵向方向防止热能进入设备仪器元器件所在的工作空间中。当笔记本电脑使用本发明的散热装置，笔记本电脑内关键位置温度会降低至少5摄氏度，散热片处的温度也相应降低5摄氏度以上，散热效果明显，笔记本运行性能稳定。

当导热管直接采用导热系数大于1000w/(m·k)的导热材料时，导热管中则不需填充相变材料，通过导热管的高导热性能直接将热源处的热能传导至散热端向外部散热；为了防止导热管的热能从纵向进入设备仪器元器件工作空间中，需通过导热管外部增加的隔热层，阻止热能纵向辐射。

附图说明

图1，笔记本电脑散热装置结构示意图。

图2，现有笔记本电脑散热装置处CPU与导热管连接横截面示意图。

图3、导热管包覆超导热层和隔热层的横截面示意图。

图4，CPU与包覆有超导热层、隔热层的导热管连接横截面示意图。。

图5、导热管包覆隔热层的横截面示意图。

具体实施方式

针对上述技术方案，现举较佳实施例并结合图示进行具体说明。以笔记本电脑散热装置为例进行说明。笔记本电脑散热装置包括：CPU、显卡芯片、散热片、风扇、导热管，其中。

参看图1和图2，笔记本电脑显卡芯片1和CPU2间隔一定距离设置在电脑壳体内。散热片3设置在笔记本电脑壳体边缘处，在散热片内侧设置有风扇4。CPU和显卡芯片上面通过导热硅脂51设置有导热板5，导热板5为金属材质，其可以是铜、铝合金、银等导热性能良好的金属。导热管6为扁平结构，其管体材质为铜，在导热管中填充有相变材料，在导热管中设置有毛细管结构。导热管一端焊接在CPU导热板上，穿过CPU上方后焊接在显卡芯片上的导热板上，导热管的另一端焊接在散热片上。当电脑工作时，CPU和显卡芯片上产生的热能经导热板和与导热板连接在一起的导热管传导进入导热管中，导热管中的相变材料吸热由液态变为气态，与CPU和显卡芯片连接的导热管段则成为蒸发段，即相变材料吸热由液态变为气态的过程发生段。变为气态后，导热管内的气压发生变化，则气态相变材料在压力下沿着导热管向散热片一端方向移动，由于该端导热管与散热片连接，且由风扇进行吹风散热，因此，该端的导热管内外温度低，当气态相变材料至该端时，由于温差，由气态变为液态释放热能，释放热能的经导热管与散热片，在风扇的作用下散至笔记本电脑外部。发生气态变为液态的相变过程的导热管一端成为冷凝段。

参看图3，在导热管6的外周壁上包覆有一层超导热层7，在超导热层的外面包覆一层隔热层8，超导热层导热系数大于导热管导热系数。除了导热管与CPU、显卡芯片、散热片连接处，导热管外壁均包覆超导热层和隔热层，为了更好的散热，位于散热片端的导热管上包覆的超导热层与散热片连接。超导热层厚度0.01mm-2.0mm，其材质可以是金属、石墨、石墨烯、导热界面材料、导热硅脂、导热云母、导热陶瓷、导热橡胶以及其他导热材料。在本实施例中采用材质为人工石墨片，其厚度范围为0.02mm-0.10mm,优选厚度为0.03mm。人工石墨片具有低热阻：热阻比铝低40％，比铜低20％；重量轻：重量比铝轻25％，比铜轻75％；具有高导热性能，人工石墨片具有横向导热系数高、纵向导热系数低的特点。本实施例中采用的人工石墨片横向(xy平面)导热系数大于1000w/(m·k)，纵向(z轴方向，即石墨片厚度方向)导热系数低于30w/(m·k)。隔热层7厚度0.05mm-10mm，其材质可以是气凝胶、聚酰亚胺、PE薄膜、保温隔热纸、玻璃纤维棉板/毡、聚氨酯发泡材料、离心剥离纤维棉/岩棉、真空隔热材料以及其他隔热材料中的一种或几种。在本实施例中，隔热层采用的材质为二氧化硅气凝胶，其厚度0.2mm-1.0mm，优选厚度为0.30mm。二氧化硅气凝胶中空气分子的平均自由程在70nm左右，而SiO2气凝胶中的孔道尺寸远远小于这一临界尺寸，其孔径约为20nm，材料内部就消除了对流，气态热传导率就很低；且较低的密度又限制了稀疏骨架中温度的局部传播，使固态热导率仅为无机玻璃态材料热导率的1/500左右，特殊的结构使其成为理想的超级隔热材料。其导热系数为0.02W/(m·k)。该结构优点在于：当笔记本电脑工作时，CPU、显卡芯片产生的热能经导热管，大部分热能将相变材料液态至气态相变，在蒸发段吸热进行热交换，相变后的气态相变材料迅速移动至冷凝段，由于温差进行冷凝，相变材料由气态变为液态释放热能，热能经由导热管壁直接经由与之连接的散热片散热。另一部分热能由导热管壁与超导热层进行热传导，大部分热能经由超导热层传导至散热片端，在风扇进一步作用下，经由散热片以对流或辐射方式散热，一部分经由导热管管壁传导至散热片，在风扇作用下经由散热片对流或辐射方式散热散热。由于在超导热层外部还设置有隔热层，因此，在纵向方向，由于隔热层导热系数非常低，经由隔热层进入笔记本电脑壳体中空间的就非常低，保证了笔记本电脑壳体内温度相对保持在一个较低的水平。当隔热层采用二氧化硅气凝胶膜时，由于二氧化硅气凝胶膜导热系数随着温度变化几乎不变，相对于其他材料导热系数随温度增加而变大来讲，其隔热效果良好。通过增加人工石墨片层和二氧化硅气凝胶膜层，提高了横向热交换效率，同时在纵向上，阻止热能向笔记本电脑壳体内的空间中辐射散热，保证了笔记本电脑关键位置的温度较常规散热装置低5度以上。

为了更好的散热，参考图4，在CPU、显卡芯片上位于导热管两侧的导热板上面依次设置有超导热层6和隔热层7，其分别与包覆在导热管上的超导热层和隔热层连接。该设计可增大了热交换面积。CPU和显卡芯片上产生的热能一部分经导热管由相变材料传输散热，一部分经由超导热层传导散热，由于超导热层导热系数比导热管导热系数高至少3倍以上，热传导散热效果比较好。

上述实施例在导热管外部增加超导热层和隔热层，通过超导热层提高热传导速率，散热效果良好。参看图5，为本发明设计的另一种散热装置结构，其和上述实施例的区别在于在导热管外部直接包覆隔热层。隔热层的材质与上述实施例相同。上述实施例中的导热管中填充有相变材料进行快速热交换。当导热管本身的导热系数很高，大于800w/(m·k)时，导热管则不需填充相变材料，其通过导热管自身即可实现高效的热交换，在导热管散热端实现散热，但是为了避免导热管的热能从纵向方向进入设备仪器各元器件所在的工作空间，则在导热管外周壁上还是需要设置隔热层。总之，不论导热管采用填充有相变材料的导热管或是直接使用导热系数大于800w/(m·k)的导热管，为了设备仪器各元件工作空间有个较低的工作环境，都必须在导热管外周壁上设置隔热层。

除了电脑笔记本上散热装置外，在其他行业，比如手机、精密电子设备仪器、航天通讯等领域也可以应用本发明的散热装置。导热管一端以导热方式与热源表面连接，导热管另一端，即散热端与散热片以导热方式连接，在导热管未与热源及散热片接触连接的外壁包覆隔热层；或包覆超导热层和隔热层。散热方式：热源上的热能经导热管传导至其散热端，散热端再经由散热片以对流或辐射方式散热至设备仪器外部。如没有散热片时，导热管散热端不需与其他装置部件连接时，则导热管散热端不需包覆隔热层，直接与空气接触散热即可。

测试了现有的笔记本散热装置、导热板和导热管外包覆人工石墨片层和二氧化硅气凝胶层的散热装置、导热管仅包覆二氧化硅气凝胶层的散热装置，将这三组不同结构的散热装置的测试数据在室温下测试三组，取平均值，见表一。测试用笔记本电脑型号华硕P43S，温度测试采用TOPRIE TP9000多路数据记录仪。

表一

由表一可知，增加人工石墨片层和二氧化硅气凝胶膜层的散热装置与现有的散热装置散热效果相比较，在关键位置处降温在5摄氏度以上，最多降温降幅达到12.5摄氏度，散热降温效果明显；仅增加二氧化硅气凝胶膜层，降温效果比增加人工石墨片层和二氧化硅气凝胶膜层的散热装置的散热降温效果稍差，但关键位置处降温幅度也在4摄氏度以上。由以上测试数据可知，增加超导热层和隔热层的散热装置和仅增加隔热层的散热装置均对笔记本电脑有散热降温的效果。

Claims (15)

1.一种散热装置，包括热源，至少一根导热管；所述导热管一端与所述热源以导热方式连接，其特征在于在所述导热管外壁上包覆有隔热层，所述导热管未与所述热源连接的散热端除外。

2.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于所述导热管为中空，其中空部填充有相变材料，并设置有让液态相变材料从一端回流至另一端的毛细管结构。

3.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于在所述导热管与所述隔热层之间设置有超导热层，所述超导热层导热系数大于所述导热管导热系数。

4.根据权利要求3所述的散热装置，其特征在于在所述热源与所述导热管连接的两侧的热源表面上依次设置有超导热层和隔热层，所述热源表面的超导热层和隔热层与所述导热管上的所述超导热层和隔热层分别连接。

5.根据权利要求1至4任一所述的散热装置，其特征在于所述超导热层材质为金属、石墨、石墨烯、导热界面材料、导热硅脂、导热云母、导热陶瓷、导热橡胶以及其他导热材料，其厚度为0.01mm-2.0mm。

6.根据权利要求5所述的散热装置，其特征在于所述超导热层材质为人工石墨片，导热系数大于1000w/(m·k)，其厚度为0.02mm-0.10mm。

7.根据权利要求1至4任一所述的散热装置，其特征在于所述隔热材料材质为气凝胶、聚酰亚胺、PE薄膜、保温隔热纸、玻璃纤维棉板/毡、聚氨酯发泡材料、离心剥离纤维棉/岩棉、真空隔热材料以及其他隔热材料，其厚度为0.05mm-10mm。

8.根据权利要求7所述的散热装置，其特征在于所述隔热材料材质为二氧化硅气凝胶，其导热系数小于0.03w/(m·k)，其厚度为0.2mm-1.0mm。

9.一种笔记本电脑的散热装置，包括CPU、显卡芯片、散热片、风扇，具有蒸发段和冷凝段的导热管；所述导热管的蒸发段与所述CPU及显卡芯片上的导热板以导热方式连接，所述冷凝段与所述散热片以导热方式连接；在所述导热管外壁上包覆有隔热层，所述冷凝段及以导热方式与所述CPU、显示芯片、散热片连接的位置除外；所述超导热层导热系数大于所述导热管导热系数。

10.根据权利要求9所述的散热装置，其特征在于在所述导热管与所述隔热层之间设置有一层所述超导热层，所述超导热层导热系数大于所述导热管导热系数。

11.根据权利要求10所述的散热装置，其特征在于在所述CPU、显示芯片的导热板未与所述导热管连接的表面上依次设置有一层超导热层和隔热层，所述CPU、显示芯片的超导热层和隔热层分别与所述导热管上的超导热层和隔热层连接。

12.根据权利要求9-11任一所述的散热装置，其特征在于所述超导热层材质为金属、石墨、石墨烯、导热界面材料、导热硅脂、导热云母、导热陶瓷、导热橡胶以及其他导热材料，其厚度为0.05mm-10mm。

13.根据权利要求12所述的散热装置，其特征在于所述超导热层材质为人工石墨片，导热系数大于1000w/(m·k)，其厚度为0.02mm-0.10mm。

14.根据权利要求9-11任一所述的散热装置，其特征在于所述隔热材料材质为气凝胶、聚酰亚胺、PE薄膜、保温隔热纸、玻璃纤维棉板/毡、聚氨酯发泡材料、离心剥离纤维棉/岩棉、真空隔热材料以及其他隔热材料，其厚度为0.05mm-10mm。

15.根据权利要求14所述的散热装置，其特征在于所述隔热材料材质为二氧化硅气凝胶，导热系数小于0.03w/(m·k)，其厚度为0.2mm-1.0mm。