CN107949236A - 一种基于传导的综合换热装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于传导的综合换热装置，将设备内电子器件根据热流密度大小分类并区别处理，包括低功耗热源散热结构、高功耗热源散热结构、PCB热源导热结构以及集中换热模块；低功耗热源散热结构用于对设备中热流密度小的热源散热，位于设备壁面处；高功耗热源散热结构用于对设备中热流密度大的热源散热；PCB热源导热结构用于将PCB上热源传导至集中换热模块内表面；集中换热模块用于接收高功耗热源散热结构和PCB导热结构传导而来的热量并集中散热。本发明降低了设备复杂度、散热成本低、维修性好。

Description

一种基于传导的综合换热装置

技术领域

本发明属于电子设备结构设计技术领域，涉及一种高热流密度电子设备系统的综合换热装置，具体涉及一种元器件总发热功率达1010W的密闭电子设备的散热结构设计，该电子设备为海洋环境下船用舱外设备，环境温度可达65℃，电子元器件的最大工作温度为80℃。

背景技术

设备箱体内热源分两种结构形式：块状热源和PCB(印制电路板)热源。块状热源的最大热流密度达0.675W/cm²，PCB局部最大热流密度达2.1W/cm²。在温度升到40℃的情况下，从实验经验获得的各种散热方法所能处理的最大表面热流密度为：自然冷却0.039W/cm²；自由对流和辐射冷却0.078W/cm²；强迫空气冷却0.310W/cm²；直接液体冷却0.620W/cm²；蒸发冷却1.085W/cm²。从此可以看出，要实现对该设备的有效冷却需选择合适的冷却方式，同时还要增加散热面积以减小热流密度。该密闭设备箱体体积小，总功耗大，必须将热源热量导出并在箱体内外形成特定的换热环境，常规对流冷却方式已无法实现，目前常用的方案有以下两种：

(1)液冷方式，块状热源直接贴装在冷板表面，PCB热源热量则通过热传导结构传导至冷板上，通过设备箱体内外液体循环将热量散出。

(2)在设备箱体外挂空调，热流密度大的块状热源依大面贴装，PCB热源加装散热结构并在表面安装强迫空气冷却装置，将集中热源热量分散，通过空调把设备箱体内部热量带出，充分降低箱体内部环境温度，加大温差从而达到散热的目的；

实践经验表明，上述两种散热方案都能够实现对该设备的冷却，但是存在以下几个方面的不足：

(1)液冷方式需要的冷板、接头、供液装置等结构复杂，价格昂贵，成本高。

(2)空调设备防腐性能差，海洋环境下易潮易腐蚀；

(3)设备使用环境恶劣，摇晃震颤严重，空调容易损坏，可靠性、维修性差；

无论液冷方式还是外挂空调冷却方式都需要增加外部设备，使得设备重量增加，体积庞大。

发明内容

本发明提出一种基于传导的综合换热装置。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于传导的综合换热装置，将设备内电子器件根据热流密度大小分类并区别处理，包括低功耗热源散热结构、高功耗热源散热结构、PCB热源导热结构以及集中换热模块；低功耗热源散热结构用于对设备中热流密度小的热源散热，位于设备壁面处；高功耗热源散热结构用于对设备中热流密度大的热源散热；PCB热源导热结构用于将PCB上热源传导至集中换热模块内表面；集中换热模块用于接收高功耗热源散热结构和PCB导热结构传导而来的热量并集中散热。

进一步，在低功耗热源散热结构中，低功耗热源直接贴装在设备壁面内侧，在接触面之间均匀涂抹导热硅脂，在低功耗热源所处位置对应的外壁处设置散热齿。

进一步，在高功耗热源散热结构中，高功耗热源集中安装在面积较大的设备壁面内侧，接触面均匀涂抹导热硅脂，低功耗热源对应的外壁处设置散热齿。

进一步，在PCB热源导热结构中，包括一导热盒，PCB板倒扣安装在导热盒的开口面上，导热盒内对应于PCB热源的位置处设置有导热凸台，并在PCB热源和导热凸台之间放置导热衬垫，导热凸台的高度根据PCB热源的高度设置，以使导热衬垫具有一定的变形量，在导热盒的底部预埋热管，热管一端接触导热凸台，另一端与集中换热模块所在设备箱体内壁接触，PCB热源产生的热量通过导热衬垫和导热凸台传导至导热盒底部的热管一端，热管将热量吸收并传导至另一端的设备体壁上。

进一步，集中换热模块集成在设备体壁上，其中，高功耗热源和PCB热源导热结构位于设备体壁内侧，在对应的设备体壁外侧设置散热齿，在散热齿上加上盖板形成风道，在风道出风口安装一组防水风机，防水风机从风道内将风抽出以实现散热。

进一步，低功耗热源散热结构独立对发热功率低的热源进行散热，直接通过热传导将热量导出至设备箱体外壁，依靠外壁和环境之间的自由对流和辐射散热；高功耗热源散热结构和PCB热源导热结构分别把发热功率高的热源和PCB上热源产生的热量传导至集中换热模块的内壁上，形成高温侧，集中换热模块外侧，通过对风道不断的强迫空气对流使外侧为低温侧，持续的内外温差形成向外的热流。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

(1)本发明将热源分类，根据不同的发热功率区别处理，针对性强，降低设备复杂度。

(2)本发明采用简单的自由对流、辐射散热和强迫空气对流散热相结合的结构形式，避免采用液冷设备和空调设备，结构简单，设备量少，成本降低；

(3)设备结构件强度和刚度满足相关设计标准，各零件之间连接刚性好，抗震抗冲击性能优越，不易损坏，可靠性高；防水风机安装在设备箱体表面，模块化设计，更换时可达性高，维修性好；

(4)结构件均采用成熟的防腐技术处理，目前防水风机也能满足海洋环境下防腐要求，整体防腐性能好；

(5)热源布局紧凑，将高功耗热源和PCB热源的热量传导至一处，集中进行散热处理，需要外加的散热设备仅为两组防水风机，该风机选用紧凑型轴流风机，安装时风口平行于散热面，减小箱体外形尺寸，重量轻。

附图说明

图1为基于传导的综合换热装置示意图；

图2为低功耗热源散热结构示意图；

图3为高功耗热源散热结构示意图；

图4为PCB热源导热结构示意图；

图5为集中换热模块示意图。

具体实施方式

容易理解，依据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本发明基于传导的综合换热装置的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。

本发明将设备内部热源分类为低功耗热源、高功耗热源和PCB热源，分别对这三种热源进行散热处理：

(1)低功耗热源发热功率低，散热面积大，热流密度小，将热量直接传导至箱体表面；

(2)高功耗热源发热功率高，热流密度大，需要将热量传导至较大平面上再进行强制散热处理；

(3)PCB热源位于标准6U尺寸的PCB表面，PCB根据标准安装尺寸层叠安装，首先要将其上热量通过热管导出至PCB一侧，然后再进一步传导至箱体表面；

(4)集中换热模块将高功耗热源和PCB热源热量传导至箱体表面的热量集中散出。

低功耗热源散热方式较为简单，直接贴装在箱体内表面，根据需要在外表面相对应的位置设置散热齿，通过箱体外壁和空气环境之间自由对流和辐射就能将热量散出。高功耗热源和PCB热源热量传导至箱体表面之后，散热面积增大，热流密度在一定程度上降低，但是仍无法通过自由对流和辐射完全散出，因此将这两种热源热量传导至箱体一个平面上，在这个平面上通过集中换热模块把这部分热量散出。集中换热模块一侧作为箱体内壁，另一侧加工大量散热齿，盖上盖板之后形成风道，通过风机强迫空气对流从而达到冷却效果。

本发明所述基于传导的综合换热装置，包括以下部分：低功耗热源散热结构1、高功耗热源散热结构2、PCB热源导热结构3和集中换热模块4。其中，

低功耗热源散热结构1用于对设备中热流密度小的热源5进行散热，这部分热源直接贴装在设备箱体壁6内侧，安装面具有较高的加工精度保证导热良好，为了进一步减小接触热阻，在接触面之间均匀涂抹导热硅脂，在低功耗热源5所处位置对应的箱体外壁加工散热齿7，增加自由对流和辐射散热面的面积，部分热源由于功耗很低，通过外壁平面就能充分散热，可不加工散热齿。

高功耗热源散热结构2用于对设备中热流密度大的热源8散热，这部分热源产生的热量无法通过自由对流和辐射完全散出，将其集中安装在一个面积较大的箱体壁9内侧，安装面精加工，接触面之间均匀涂抹导热硅脂减小热阻，外壁整个面根据仿真结果设计一定高度、宽度和间距的散热齿10，该结构能够将热量扩散分布在较大的散热表面上，通过增加散热面积减小热流密度。

PCB热源导热结构3用于将PCB上的热源11产生的热量定向传导至指定位置以便后续处理，设备中PCB数量达12块，每一块PCB尺寸较大，PCB通过母板走线必须紧凑的逐层排布，每块PCB上器件排布紧密，热源11尺寸小，在这种条件下需要设计专门的定向导热盒12，PCB倒扣安装在导热盒12内，并在热源11对应的位置处加工导热凸台13将热量传导至导热盒12底部，PCB刚性差，在热源11和导热凸台13之间需要垫导热衬垫减小接触热阻，PCB热源11尺寸小导致热传导截面积小，而PCB本身尺寸较大使得热传导路径较长，截面积小而长的热传导路径热阻很大，因此在盒体底部埋入导热系数高的热管14，通过提高热传导系数来降低热阻。

集中换热模块4用于接收高功耗热源散热结构2和PCB热源导热结构3的热量并通过外部强迫空气对流换热将这些热量散出，该换热模块外壁散热齿15根据热仿真设计，具有一定的高度、宽度和间距，盖上盖板16之后，在外壁散热齿15与盖板16之间形成风道，确保工作时有足够的风量，本发明实施例中集中换热模块左右两侧对称，每一侧各安装一组防水风机17，防水风机从集中换热模块4内部抽风，风道的进风口分别设置于模块中间和左右两底部。

上述组成部件间的连接关系为：低功耗热源散热结构1独立对部分发热功率低的器件进行散热，直接通过热传导将热量导出至设备箱体外壁，依靠外壁和环境之间的自由对流和辐射散热；高功耗热源散热结构2和PCB热源导热结构3分别把发热功率高的器件和PCB上发热器件产生的热量传导至集中换热模块4的内壁上，形成高温侧，换热模块外侧由于形成风道，通过不断的强迫空气对流使这一侧为低温侧，持续的内外温差形成向外的热流。低功耗热源可以直接传导散热，不需要在外部增加换热装置，在设备整体布局时可以根据元器件之间的连接关系和安装空间大小灵活设计低功耗好散热结构1，在设备箱体内多处设计该结构。高功耗热源和PCB热源需要在外部增加换热结构辅助散热，为了避免多处使用换热结构，必须把这两部分热量定向传导至集中换热模块4内侧，统一把这部分热量换出，这样能获得较高的结构散热效率，简化装置。

本装置的具体工作过程如下：

设备加电之后，由于发热器件和箱体内壁直接接触，内壁被加热温度迅速升高，在箱体内外壁之间形成温度差，驱动热流向箱体外部流动。低功耗热源直接将热量传导并分散至箱体外壁，通过箱体外壁和外环境之间的自由对流和辐射进行热交换，当热交换达到平衡时内外壁之间的温差满足设备使用温度的要求。高功耗热源散热结构2为集中换热模块4的一部分，内侧壁面上安装高功耗热源8，外壁为散热齿10，散热齿之间的槽为风道，设备工作时，热源热量迅速传导分散到散热齿10上，在散热齿表面和流经的强迫空气流进行热交换，加热后的空气直接被风机带出到大气环境中。PCB安装在导热盒12内，导热盒12一侧与箱体壁直接接触，另一侧与箱体内部结构接触，盒体通过锁紧机构压紧，导热盒底部预埋热管14，热管一端连接PCB热源11，另一端贴近箱体内壁，PCB工作时，其上热源11产生的热量通过导热衬垫和导热凸台13迅速传导至导热盒12底部的热管14一端，热管14能够在很短的时间内把热量吸收传导至另一端箱体壁上，通过集中换热模块将热量换出。图1中箭头方向表示了设备箱体内热量的传导路径。

Claims (6)

1.一种基于传导的综合换热装置，其特征在于，将设备内电子器件根据热流密度大小分类并区别处理，包括低功耗热源散热结构[1]、高功耗热源散热结构[2]、PCB热源导热结构[3]以及集中换热模块[4]；低功耗热源散热结构[1]用于对设备中热流密度小的热源散热，位于设备壁面处；高功耗热源散热结构[2]用于对设备中热流密度大的热源散热；PCB热源导热结构[3]用于将PCB上热源传导至集中换热模块[4]内表面；集中换热模块[4]用于接收高功耗热源散热结构[2]和PCB导热结构[3]传导而来的热量并集中散热。

2.根据权利要求1所述的基于传导的综合换热装置，其特征在于，在低功耗热源散热结构[1]中，低功耗热源[5]直接贴装在设备壁面内侧，在接触面之间均匀涂抹导热硅脂，在低功耗热源[5]所处位置对应的外壁处设置散热齿。

3.根据权利要求1所述的基于传导的综合换热装置，其特征在于，在高功耗热源散热结构[2]中，高功耗热源[8]集中安装在面积较大的设备壁面内侧，接触面均匀涂抹导热硅脂，低功耗热源[5]对应的外壁处设置散热齿。

4.根据权利要求1所述的基于传导的综合换热装置，其特征在于，在PCB热源导热结构[3]中，包括一导热盒[12]，PCB板倒扣安装在导热盒[12]的开口面上，导热盒[12]内对应于PCB热源[11]的位置处设置有导热凸台[13]，并在PCB热源[11]和导热凸台[13]之间放置导热衬垫，导热凸台[13]的高度根据PCB热源[11]的高度设置，以使导热衬垫具有一定的变形量，在导热盒[12]的底部预埋热管[14]，热管[14]一端接触导热凸台[13]，另一端与集中换热模块[4]所在设备箱体内壁接触，PCB热源产生的热量通过导热衬垫和导热凸台[13]传导至导热盒[12]底部的热管[14]一端，热管[14]将热量吸收并传导至另一端的设备体壁上。

5.根据权利要求1所述的基于传导的综合换热装置，其特征在于，集中换热模块[4]集成在设备体壁上，其中，高功耗热源[8]和PCB热源导热结构[3]位于设备体壁内侧，在对应的设备体壁外侧设置散热齿，在散热齿上加上盖板[16]形成风道，在风道出风口安装一组防水风机[17]，防水风机[17]从风道内将风抽出以实现散热。

6.根据权利要求1所述的基于传导的综合换热装置，其特征在于，低功耗热源散热结构[1]独立对发热功率低的热源进行散热，直接通过热传导将热量导出至设备箱体外壁，依靠外壁和环境之间的自由对流和辐射散热；高功耗热源散热结构[2]和PCB热源导热结构[3]分别把发热功率高的热源和PCB上热源产生的热量传导至集中换热模块[4]的内壁上，形成高温侧，集中换热模块[4]外侧，通过对风道不断的强迫空气对流使外侧为低温侧，持续的内外温差形成向外的热流。