CN107613731A - 适用于航空航天电子设备的非平面扁平热管散热结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于航空航天电子设备的非平面扁平热管散热结构，包括散热基板，微型热管盖板，微型热管，冷端、冷端盖板。散热基板及微型热管盖板为平板结构，可布置热源，基板开有凹槽用于安装微型热管；微型热管采用扁平、弯折结构，内部采用槽道吸液芯，在绝热段进行弯折；冷端直接与电子设备外壳制成一体，通过大热容外壳散热，冷端盖板用于固定微型热管。本发明针对不同的热源分布方式分别采用斜弯式和双侧直弯式扁平热管与基板冷端配合，具有较大的热管传热面积，减少了基板的质量，采用非平面散热方式将不同平面冷源热源相连，无运动部件参与，具有较高的稳定性，空间占用小，适用于航空航天电子设备狭小空间和轻质化要求下的散热。

Description

适用于航空航天电子设备的非平面扁平热管散热结构

技术领域

本发明涉及航空航天电子设备的热管理，尤其涉及适用于航空航天电子设备的非平面扁平热管散热结构。

背景技术

电子器件性能的不断提升意味着需要更高的频率和速度，而电子器件的体积不断地向小型化便携化的方向发展，这导致了电子器件单位容积发热量急剧增大。在航空航天导航领域，这一问题也更加显著，航空航天器导航电子设备的散热存在不小的问题，一方面，这类设备通常需要非常紧凑的结构以缩小体积占用，往往只能给出较小的区域用于专门布置热控元件，另一方面，航空航天器对质量的要求很高，一体化的金属散热结构容易超重。这些都对热控元件提出了新的挑战，热控元件需有较好的传热性能，具有较低的重量，较小的体积，合适的形状结构，较低的能量消耗。

热管是高效的被动型热控元件，其通过液体工质相变传热，因此可以以较小的温降传输较大的热量，也不需要额外耗能，相比风扇等热控元件，其没有运动部件，更加紧凑，可靠性上也有所提高。同时，由于内部空心，质量较轻，非常适用于航空航天领域。在早期及其常规的热管应用中，热管的横截面形状是圆形的，其成本相对较低。不足之处是，圆截面的几何结构有诸多限制，其与平面热源的接触面积是一个较大的问题。同时，其直径较大，难以适应小而薄的结构。电子设备需要在扁平的受限空间内传递较多的热量，为适应这样的需求，热管也需要进行扁平化处理以获得较大的接触面积并适应较薄的空间要求。

发明内容

本发明为满足航空航天电子设备散热要求，采用弯折扁平微型热管非平面散热结构，将不同平面冷源热源相连，适用于航空航天电子设备狭小空间和轻质化要求下的散热。

本发明通过以下技术方案来实现：

一种适用于航空航天电子设备的非平面扁平热管散热结构，包括若干个斜弯式微型热管(1)、散热基板(3)、微型热管盖板(4)、冷端(5)、冷端盖板(6)；所述的斜弯式微型热管(1)包括顺次相连热管蒸发段(7)、热管绝热段(8)、热管冷凝段(9)；热管蒸发段(7)插入散热基板(3)上开设的凹槽并与散热基板贴合，热管冷凝段(9)与冷端(5)贴合，冷端(5)为电子设备外壳，热管绝热段(8)为斜弯折区；散热基板(3)的一面开有布置斜弯式微型热管的凹槽，另一面与PCB板热源接触；微型热管盖板(4)的一面与散热基板(3)开有凹槽的一面贴合，另一面与PCB板热源接触；散热基板(3)与微型热管盖板(4)上开有位置相同的若干通孔，整个散热结构及PCB板通过通孔和螺钉固定在电子设备外壳上，冷端盖板(6)与冷端(5)采用螺栓或螺纹连接，夹紧热管冷凝段(9)。

优选的，所述的斜弯式微型热管(1)的宽度厚度比在10以上，内部采用梯形微槽道吸液芯，热管绝热段(8)的弯折线与斜弯式微型热管的内部槽道的夹角小于80°，弯折半径不超过散热基板到电子设备外壳的距离，热管蒸发段与热管冷凝段端部封口处与热管绝热段(8)的弯折线平行，热管蒸发段(7)表面与热管冷凝段(9)表面互相垂直。

优选的，所述的凹槽开设在PCB板热源位置。

另一种适用于航空航天电子设备的非平面扁平热管散热结构包括双侧直弯式微型热管(2)、散热基板(3)、微型热管盖板(4)、冷端(5)、冷端盖板(6)；所述的双侧直弯式微型热管(2)包括热管蒸发段(7)、设置在热管蒸发段(7)两端的热管绝热段(8)、以及与热管绝热段(8)相连的热管冷凝段(9)；热管蒸发段(7)插入散热基板(3)上开设的凹槽并与散热基板贴合，热管冷凝段(9)与冷端(5)贴合，冷端(5)为电子设备外壳，热管绝热段(8)为弯折区；散热基板(3)的一面开有布置双侧直弯式微型热管的凹槽，另一面与PCB板热源接触；微型热管盖板(4)的一面与散热基板(3)开有凹槽的一面贴合，另一面与PCB板热源接触；散热基板(3)与微型热管盖板(4)上开有位置相同的若干通孔，整个散热结构及PCB板通过通孔和螺钉固定在电子设备外壳上，冷端盖板(6)与冷端(5)采用螺栓或螺纹连接，夹紧热管冷凝段(9)。

优选的，所述的双侧直弯式微型热管(2)的宽度厚度比在10以上，内部采用梯形微槽道吸液芯，热管绝热段(8)的弯折线与斜弯式微型热管的内部槽道的夹角为90°，弯折半径不超过散热基板到电子设备外壳的距离，热管蒸发段(7)表面与热管冷凝段(9)表面互相垂直。

优选的，所述的凹槽开设在PCB板热源位置。

优选的，所述的散热基板(3)和微型热管盖板(4)贴合后的总厚度不超过6mm。

一种适用于航空航天电子设备的非平面扁平热管散热结构的散热方法：

根据PCB板上的热源分布选择不同的散热结构，若高热流密度的热源较多分布于PCB板四周，对应散热基板表面远离中心的位置，则采用斜弯式微型热管散热结构；若高热流密度的热源较多分布在PCB板中心区域，对应散热基板表面中心位置，则采用双侧直弯式微型热管散热结构；

散热基板和微型热管盖板的外侧面与PCB板贴合，航空航天电子设备在运行过程中产生的部分热量传递给散热基板，由于基板厚度较小，热量可以迅速传递到微型热管上，微型热管槽道内部工质通过相变过程将热量从蒸发段表面传递到冷凝段表面，热管冷凝段表面与冷端贴合，热量遂以一个相对较低的热阻通道从PCB板上的元件传递到冷端，使得元件温度与外壳温度差保持在低位，冷端由于是电子设备外壳的一部分，整个外壳具有较大的热容量，温度不会急剧上升，因此可以保证元件工作在正常温度范围内。

微型热管在绝热段进行斜向弯折或直弯折处理以适应不同平面上的冷端热端，在绝热段弯折处理，未影响到蒸发段与冷凝段与热源冷源的接触，减小了热管结构改进对蒸发冷凝过程的影响。微型热管内部吸液芯采用梯形微槽道吸液芯，吸液芯与管壳一体化制造，减少弯折对吸液芯管壳接触的破坏。所述的冷端应直接作为电子设备外壳的一部分进行加工，以减少热量扩散中的热阻，通过大热容外壳散热。所述的冷端盖板与冷端采用螺栓或螺纹连接，将微型热管冷凝段与冷端表面紧密贴合，所有部件的接触表面均涂有导热硅脂以减小接触热阻。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

空间占用低，未对电子设备结构产生明显影响。通过微型热管直接将元件热量传递给电子设备外壳，无其他运动部件的参与，具有很好的稳定性。相比全金属导热，采用基板内插入微型热管的方式有效降低了装置重量。通过对微型热管进行改进，采用宽度厚度比大于10的扁平微槽道微型热管，采用斜向弯折和垂直弯折的两种方式，达到非平面散热效果，在保证有效传热面积的基础上，减小了散热装置的体积；同时也避免了横向弯折扁平热管带来的长度增加、加工困难以及多次弯折带来的微槽道内流动阻力增大的问题。

附图说明

图1是双向斜插斜弯式散热结构示意图；

图2是斜弯式微型热管结构示意图；

图3是单向直穿直弯式散热结构示意图；

图4是双侧直弯式微型热管结构示意图；

图中：斜弯式微型热管1、双侧直弯式微型热管2、散热基板3、微型热管盖板4、冷端5、冷端盖板6、热管蒸发段7、热管绝热段8、热管冷凝段9。

具体实施方式

适用于航空航天电子设备的散热结构可采用两种布置结构：

如图1和2所示，为本发明的第一种适用于航空航天电子设备的非平面扁平热管散热结构，其包括若干个斜弯式微型热管(1)、散热基板(3)、微型热管盖板(4)、冷端(5)、冷端盖板(6)；所述的斜弯式微型热管(1)包括顺次相连热管蒸发段(7)、热管绝热段(8)、热管冷凝段(9)；热管蒸发段(7)插入散热基板(3)上开设的凹槽并与散热基板贴合，热管冷凝段(9)与冷端(5)贴合，冷端(5)为电子设备外壳，热管绝热段(8)为斜弯折区；散热基板(3)的一面开有布置斜弯式微型热管的凹槽，另一面与PCB板热源接触；微型热管盖板(4)的一面与散热基板(3)开有凹槽的一面贴合，另一面与PCB板热源接触；散热基板(3)与微型热管盖板(4)上开有位置相同的若干通孔，整个散热结构及PCB板通过通孔和螺钉固定在电子设备外壳上，冷端盖板(6)与冷端(5)采用螺栓或螺纹连接，夹紧热管冷凝段(9)。优选的，所述的斜弯式微型热管(1)的宽度厚度比在10以上，内部采用梯形微槽道吸液芯，热管绝热段(8)的弯折线与斜弯式微型热管的内部槽道的夹角小于80°，弯折半径不超过散热基板到电子设备外壳的距离，热管蒸发段与热管冷凝段端部封口处与热管绝热段(8)的弯折线平行，热管蒸发段(7)表面与热管冷凝段(9)表面互相垂直。优选的，所述的凹槽开设在PCB板热源位置。

如图3和4所示，为本发明的另一种适用于航空航天电子设备的非平面扁平热管散热结构，其特征在于包括双侧直弯式微型热管(2)、散热基板(3)、微型热管盖板(4)、冷端(5)、冷端盖板(6)；所述的双侧直弯式微型热管(2)包括热管蒸发段(7)、设置在热管蒸发段(7)两端的热管绝热段(8)、以及与热管绝热段(8)相连的热管冷凝段(9)；热管蒸发段(7)插入散热基板(3)上开设的凹槽并与散热基板贴合，热管冷凝段(9)与冷端(5)贴合，冷端(5)为电子设备外壳，热管绝热段(8)为弯折区；散热基板(3)的一面开有布置双侧直弯式微型热管的凹槽，另一面与PCB板热源接触；微型热管盖板(4)的一面与散热基板(3)开有凹槽的一面贴合，另一面与PCB板热源接触；散热基板(3)与微型热管盖板(4)上开有位置相同的若干通孔，整个散热结构及PCB板通过通孔和螺钉固定在电子设备外壳上，冷端盖板(6)与冷端(5)采用螺栓或螺纹连接，夹紧热管冷凝段(9)。所述的双侧直弯式微型热管(2)的宽度厚度比在10以上，内部采用梯形微槽道吸液芯，热管绝热段(8)的弯折线与斜弯式微型热管的内部槽道的夹角为90°，弯折半径不超过散热基板到电子设备外壳的距离，热管蒸发段(7)表面与热管冷凝段(9)表面互相垂直。所述的凹槽开设在PCB板热源位置。

在两种实施例中，所述的散热基板(3)和微型热管盖板(4)贴合后的总厚度优选不超过6mm。

本发明的具体工作过程如下：

首先根据PCB板上的热源分布选择不同的微型热管散热结构，若高热流密度的热源较多分布于PCB板四周，对应散热基板表面远离中心的位置，则采用双向斜插斜弯式散热结构，若高热流密度的热源较多分布在PCB板中心区域，对应散热基板表面中心位置，则采用单向直穿直弯式散热结构。散热基板和微型热管盖板外侧面与PCB板贴合，航空航天电子设备在运行过程中产生的部分热量传递给散热基板，由于基板厚度较小，内部埋设有效导热系数极高的扁平微型热管，热量可以迅速传递到微型热管上，微型热管槽道内部工质通过相变过程将热量从蒸发段表面传递到冷凝段表面，热管冷凝段表面与冷端贴合，热量遂以一个相对较低的热阻通道从PCB板上的元件传递到冷端，使得元件温度与外壳温度差保持在低位，冷端由于是外壳的一部分，整个外壳具有较大的热容量，温度不会急剧上升，因此可以保证元件工作在正常温度范围内。

本发明提供了适用于航空航天电子设备狭小空间非平面散热的结构，通过微型热管直接将元件热量传递给电子设备外壳，无其他运动部件的参与，具有很好的稳定性。空间占用低，未对电子设备结构产生明显影响。相比全金属块导热，采用基板内插入微型热管的方式有效降低了装置重量。通过对微型热管进行改进，采用宽度厚度比大于10的扁平微槽道微型热管，在绝热段采用斜向弯折和垂直弯折的两种方式，使得扁平热管适应非平面的散热，在保证有效传热面积的基础上，减小了散热装置的体积。根据高热流密度热源的分布位置，提出了两种布置方式，埋设有斜弯式热管的散热基板适用于热源远离PCB板中心区域的情况，埋设有双侧直弯式热管的散热基板适用于热源处于PCB板中心区域的情况。无论是斜弯式还是双侧直弯式的扁平热管结构，均避免了横向弯折扁平热管带来的长度增加、加工困难以及多次弯折带来的微槽道内流动阻力增大的问题。

Claims (8)

1.一种适用于航空航天电子设备的非平面扁平热管散热结构，其特征在于包括若干个斜弯式微型热管(1)、散热基板(3)、微型热管盖板(4)、冷端(5)、冷端盖板(6)；所述的斜弯式微型热管(1)包括顺次相连热管蒸发段(7)、热管绝热段(8)、热管冷凝段(9)；热管蒸发段(7)插入散热基板(3)上开设的凹槽并与散热基板贴合，热管冷凝段(9)与冷端(5)贴合，冷端(5)为电子设备外壳，热管绝热段(8)为斜弯折区；散热基板(3)的一面开有布置斜弯式微型热管的凹槽，另一面与PCB板热源接触；微型热管盖板(4)的一面与散热基板(3)开有凹槽的一面贴合，另一面与PCB板热源接触；散热基板(3)与微型热管盖板(4)上开有位置相同的若干通孔，整个散热结构及PCB板通过通孔和螺钉固定在电子设备外壳上，冷端盖板(6)与冷端(5)采用螺栓或螺纹连接，夹紧热管冷凝段(9)。

2.根据权利要求1所述的适用于航空航天电子设备的非平面扁平热管散热结构，其特征在于所述的斜弯式微型热管(1)的宽度厚度比在10以上，内部采用梯形微槽道吸液芯，热管绝热段(8)的弯折线与斜弯式微型热管的内部槽道的夹角小于80°，弯折半径不超过散热基板到电子设备外壳的距离，热管蒸发段与热管冷凝段端部封口处与热管绝热段(8)的弯折线平行，热管蒸发段(7)表面与热管冷凝段(9)表面互相垂直。

3.根据权利要求1所述的适用于航空航天电子设备的非平面扁平热管散热结构，其特征在于所述的凹槽开设在PCB板热源位置。

4.一种适用于航空航天电子设备的非平面扁平热管散热结构，其特征在于包括双侧直弯式微型热管(2)、散热基板(3)、微型热管盖板(4)、冷端(5)、冷端盖板(6)；所述的双侧直弯式微型热管(2)包括热管蒸发段(7)、设置在热管蒸发段(7)两端的热管绝热段(8)、以及与热管绝热段(8)相连的热管冷凝段(9)；热管蒸发段(7)插入散热基板(3)上开设的凹槽并与散热基板贴合，热管冷凝段(9)与冷端(5)贴合，冷端(5)为电子设备外壳，热管绝热段(8)为弯折区；散热基板(3)的一面开有布置双侧直弯式微型热管的凹槽，另一面与PCB板热源接触；微型热管盖板(4)的一面与散热基板(3)开有凹槽的一面贴合，另一面与PCB板热源接触；散热基板(3)与微型热管盖板(4)上开有位置相同的若干通孔，整个散热结构及PCB板通过通孔和螺钉固定在电子设备外壳上，冷端盖板(6)与冷端(5)采用螺栓或螺纹连接，夹紧热管冷凝段(9)。

5.根据权利要求4所述的适用于航空航天电子设备的非平面扁平热管散热结构，其特征在于所述的双侧直弯式微型热管(2)的宽度厚度比在10以上，内部采用梯形微槽道吸液芯，热管绝热段(8)的弯折线与斜弯式微型热管的内部槽道的夹角为90°，弯折半径不超过散热基板到电子设备外壳的距离，热管蒸发段(7)表面与热管冷凝段(9)表面互相垂直。

6.根据权利要求4所述的适用于航空航天电子设备的非平面扁平热管散热结构，其特征在于所述的凹槽开设在PCB板热源位置。

7.根据权利要求1或4所述的适用于航空航天电子设备的非平面扁平热管散热结构，其特征在于所述的散热基板(3)和微型热管盖板(4)贴合后的总厚度不超过6mm。

8.一种适用于航空航天电子设备的非平面扁平热管散热结构的散热方法，其特征在于包括如下步骤：

根据PCB板上的热源分布选择不同的散热结构，若高热流密度的热源较多分布于PCB板四周，对应散热基板表面远离中心的位置，则采用权利要求1所述散热结构；若高热流密度的热源较多分布在PCB板中心区域，对应散热基板表面中心位置，则采用权利要求4所述散热结构；

散热基板和微型热管盖板的外侧面与PCB板贴合，航空航天电子设备在运行过程中产生的部分热量传递给散热基板，由于基板厚度较小，热量可以迅速传递到微型热管上，微型热管槽道内部工质通过相变过程将热量从蒸发段表面传递到冷凝段表面，热管冷凝段表面与冷端贴合，热量遂以一个相对较低的热阻通道从PCB板上的元件传递到冷端，使得元件温度与外壳温度差保持在低位，冷端由于是电子设备外壳的一部分，整个外壳具有较大的热容量，温度不会急剧上升，因此可以保证元件工作在正常温度范围内。