CN108362144B - 复合平板热管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合平板热管，包括：液冷板，其截面为U字形，所述液冷板的两个相对壁板内均开设有至少一个蛇形冷却液通道，与所述液冷板的两个相对壁板连接的液冷板底板远离壁板的一侧上开设有至少一个进液孔和至少一个出液孔，每个蛇形冷凝通道的一端与其中一个进液孔连通，每个蛇形冷凝通道的另一端与其中一个出液孔连通；平板热管，其中心区域为蒸发区，所述平板热管靠近两端的区域均为冷凝区，每一冷凝区均嵌入一所述液冷板的凹陷部分。本发明采用U型结构的液冷板安装在平板热管的冷凝区，增大了与平板热管冷凝区的换热面积，迅速带走冷凝段的热量，提升了气相工质的液化速率，促进了气液循环，最终整个热管的换热性能大大提高。

Description

复合平板热管

技术领域

本发明涉及电子设备散热领域。更具体地说，本发明涉及一种复合平板热管。

背景技术

随着电子技术的迅速发展，电子元件日趋向微小型化发展，集成度不断提高，使得其热流密度迅速增加，传统的风冷已无法满足散热需求，单纯的水冷方式散热效果也越来越不理想，如何实现电子设备的高效散热，保证电子元件可靠性是目前的研究热点之一。平板热管通过内部工质的相变和气液转化可将集中热源迅速扩展成均匀的面热源，不仅提高了散热效率，而且降低了热流密度，从而实现降低电子元件温度的效果。平板热管将热管的一维传热升级为二维平面传热，其主要由冷板基板、数根并排排列的热管、热管内壁的毛细芯结构及相变工质组成。热管通过抽真空并填充相变工质后进行密封，其内部为低压环境。冷板与热源接触的受热部分称为蒸发区，气相工质与热沉进行热交换的区域称为冷凝区。工质从蒸发区吸收大量热量迅速汽化并扩张到整个管路，气相工质在冷凝区遇冷放热冷凝成液态，液态工质在毛细结构提供的毛细力作用下返回蒸发区，该循环不断地进行，可以持续有效地对电子元件进行散热。

平板热管冷凝段热沉的散热方式是影响平板热管整体散热效率的重要因素，目前常用的方式有金属热传导、翅片风冷式、浸渍水冷式等，其中金属热传导和翅片风冷式不仅散热效果有限，在对设备重量有特殊要求或者空间有限的情况下适用性不高。水冷式能提供较大温差，增强散热效果，但浸渍的形式不仅使用环境受限，且具有一定污染性。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

本发明还有一个目的是提供一种种将先进的平板热管散热技术和水冷散热技术相结合的复合平板热管。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种复合平板热管，包括：

液冷板，其截面为U字形，所述液冷板的两个相对壁板内均开设有至少一个蛇形冷却液通道，与所述液冷板的两个相对壁板连接的液冷板底板远离壁板的一侧上开设有至少一个进液孔和至少一个出液孔，每个蛇形冷凝通道的一端与其中一个进液孔连通，每个蛇形冷凝通道的另一端与其中一个出液孔连通；

平板热管，其中心区域为蒸发区，所述平板热管靠近两端的区域均为冷凝区，每一冷凝区均嵌入一所述液冷板的凹陷部分。

优选的是，所述平板热管的蒸发区内部中空，所述蒸发区的中空部分在所述平板热管板面上的投影为矩形，所述蒸发区的中空部分被若干隔板分隔为多个块状区域，所述若干隔板呈井字形均匀间隔分布，多个块状区域为面积相同的矩形，从所述平板热管蒸发区朝向所述平板热管冷凝区的方向上的相邻两个块状区域间通过多个通孔连通。

优选的是，每一块状区域的下壁面中心内凹呈弧面，每一块状区域的下壁面中心内凹呈弧面，每一块状区域的下壁面沿所述弧面的径向等角度间隔开设有多条直线沟槽，所述直线沟槽从所述弧面的边缘直抵每一块状区域的边缘，所述弧面的最低点低于所述直线沟槽的底面。

优选的是，所述平板热管的冷凝区内部开设有多个平行分布的毛细通道，每一毛细通道的一端均与所述蒸发区的中空部分连通，所述毛细通道的截面为方形，且毛细通道的上下面与所述蒸发区的中空部分的上下面分别对齐。

优选的是，所述毛细通道的内壁均匀间隔的开设有多个与所述毛细通道同向的第一凹槽。

优选的是，所述通孔的截面为方形，且所述通孔的上下面与所述蒸发区的中空部分的上下面分别对齐。

优选的是，所述通孔的内壁均匀间隔的开设有多个与所述通孔同向的第二凹槽。

优选的是，所述平板热管的充液率为30％～40％。

优选的是，所述平板热管和所述液冷板互相重叠的实心部分均开设有贯穿的螺纹孔，所述螺纹孔中设置有将所述平板热管和所述液冷板固定的螺钉。

优选的是，所述液冷板的两个相对壁板中的每一壁板均包含两条相同的蛇形冷却液通道，两条蛇形冷却液通道并排布置且均有一端靠近所述液冷板底板的板面中心，两条蛇形冷却液通道的另一端分别靠近所述液冷板底板的短边边缘，所述进液孔为一个且设置于所述液冷板底板中心，所述进液孔与所述液冷板的两个相对壁板中的四条蛇形冷却液通道的一端均连通，所述出液孔为二个且分别设置于所述液冷板底板靠近短边的边缘，每一出液孔与所述液冷板的两个相对壁板中位置相对的两条蛇形冷却液通道的另一端均连通，所述液冷板与所述平板热管接触的两个板面上均设置有多个第三凹槽，多个所述第三凹槽的方向与所述平板热管中的热传导方向一致，且多个所述第三凹槽从所述液冷板两侧壁板的边缘延伸至所述液冷板底板，多个所述第三凹槽中，位于所述液冷板中心3/5 宽度区域内的第三凹槽的槽宽是所述液冷板其他区域内第三凹槽的槽宽的一半，位于所述液冷板中心3/5 宽度区域内的相邻两第三凹槽的间距是所述液冷板其他区域内相邻两第三凹槽的间距的一半；

所述平板热管的冷凝区上下板面上均设置有与多个所述第三凹槽相匹配的凸块，以使所述平板热管插接入所述液冷板的凹陷部分。

本发明至少包括以下有益效果：

1、采用高效率的平板热管与电子元件直接接触，能够迅速带走电子元件释放的热量，防止热量集中，同时提高了电子设备表面的均温性，还可根据具体需要选择在平板热管蒸发区的一侧或者两侧贴附热源，适用性更高；采用U型结构的液冷板安装在平板热管的冷凝段，增大了与平板热管冷凝段的换热面积，迅速带走冷凝段的热量，提升了气相工质的液化速率，促进了气液循环，最终整个热管的换热性能大大提高，使得电子设备表面的温度显著降低。除了良好的换热性能外，该组合式冷板拆装方便，便于部件更替和维修，且符合低碳环保的社会主题。另外相比于现有的单一蒸发区和冷凝区的平板热管，本发明提供的复合平板热管设置双冷凝区，从两边均匀对蒸发区进行汽液循环，使得热管的均温性得到大幅提升。

2、将平板热管的蒸发端中空部分分隔成面积相同的块状区域能够相对均匀的存储工质，以使整个蒸发区均匀的进行工质吸热汽化过程，有利于提高平板热管的均温性和传热效率。

3、在块状区域的表面设置直线沟槽以及在沟槽内表面附着金属粉末烧结层，同时在毛细管道的表面设置凹槽均能形成复合毛细结构，提高块状区域和毛细管道的毛细作用力，加快工质冷凝后的液体回流。

4、将液冷板中的蛇形冷凝液通道进液孔设置于液冷板中部，出液孔设置于液冷板边缘，是因为平板热管冷凝区的热量分布也在中间区域最大，边缘逐渐减少，冷却液从进液孔进入后温度是最低的，与平板热管冷凝区的热量分布相匹配，能够快速有效的与平板热管冷凝区的中间部分进行热交换作用，当冷却液快流动到出液孔时，冷却液温度已有所上升，但也能满足平板热管冷凝区两边对散热的要求，同时将液冷板与平板热管的接触板面设计为多个凹槽与凸块相嵌合的形式能够增大液冷板与平板热管两者的接触面积，又因为两者接触区域的中心部分凹槽与凸块的分布密度大于边缘区域，也符合了因为平板热管冷凝端的热量分布规律，故能提高整个复合平板热管的均温性，另外由于液冷板与平板热管之间的这种嵌合也使得平板热管冷凝区在液冷板中的位置相对固定，不会发生滑移，保证了平板热管冷凝区处处与液冷板接触。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明的外观示意图；

图2为本发明其中一实施例所述液冷板的内部结构示意图；

图3为本发明其中一实施例所述进液孔与蛇形冷却液通道的连接关系示意图；

图4为本发明其中一实施例与普通的平板热管散热器的散热效果对比图；

图5为本发明其中一实施例处于不同功率热源环境下的性能曲线图；

图6为本发明其中一实施例所述平板热管的内部结构示意图；

图7为本发明其中一实施例所述块状区域内部结构示意图；

图8为本发明其中一实施例所述毛细管道的内部结构示意图；

图9为本发明其中一实施例所述液冷板内蛇形冷却液通道的分布图；

图10为本发明其中一实施例所述液冷板与所述平板热管板面接触部分的结构示意图；

图11为本发明其中一实施例所述平板热管与所述液冷板板面接触部分的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1～3所示，本发明提供一种复合平板热管5，包括：

液冷板1，其截面为U字形，所述液冷板1的两个相对壁板内均开设有至少一个蛇形冷却液通道2，与所述液冷板1的两个相对壁板连接的液冷板1底板远离壁板的一侧上开设有至少一个进液孔3和至少一个出液孔4，每个蛇形冷凝通道的一端与其中一个进液孔 3连通，每个蛇形冷凝通道的另一端与其中一个出液孔4连通；

平板热管5，其中心区域为蒸发区，所述平板热管5靠近两端的区域均为冷凝区，每一冷凝区均嵌入一所述液冷板1的凹陷部分，所述平板热管5可以为长方形板体，蒸发区位于平板热管5中央，冷凝区位于平板热管5沿长度方向的两端，所述平板热管也可以为 L字形板体，蒸发区位于平板热管的拐点处，冷凝区位于平板热管的两端。

上述实施例在使用过程中，将进液孔3与一进水管连通，将出液孔4与一出水管连通，使冷却水在蛇形冷却液通道2内流动，再将平板热管5的蒸发区紧贴电子元件表面，电子元件工作后散发的热量传递到平板热管5的蒸发区，使平板热管5的蒸发区内部的工质吸收大量的热量迅速发生汽化，汽化的工质迅速扩散，蒸汽沿热管管路向平板热管5的冷凝区流动，在冷凝区遇冷将热量传给U字形液冷板1，并由其内的冷却液最终带走，然后气相工质凝结成液态并沿热管内壁毛细芯回流，整个循环不断进行，并对电子设备进行有效散热。本实施例采用高效率的平板热管5与电子元件直接接触，能够迅速带走电子元件释放的热量，防止热量集中，同时提高了电子设备表面的均温性，还可根据具体需要选择在平板热管5蒸发区的一侧或者两侧贴附热源，适用性更高；采用U型结构的液冷板1 安装在平板热管5的冷凝段，增大了与平板热管5冷凝段的换热面积，迅速带走冷凝段的热量，提升了气相工质的液化速率，促进了气液循环，最终整个热管的换热性能大大提高，使得电子设备表面的温度显著降低。除了良好的换热性能外，该复合平板热管5拆装方便，便于部件更替和维修，且符合低碳环保的社会主题。另外相比于现有的单一蒸发区和冷凝区的平板热管5，本发明提供的复合平板热管5设置双冷凝区，从两边均匀对蒸发区进行汽液循环，使得热管的均温性得到大幅提升。

为了说明上述实施例的有益效果，将上述实施例与基本尺寸相同的普通的平板热管5 散热器(带翅片平板热管5)的风冷散热效果对比，加热功率为50W。如图4所述，横坐标为时间，纵坐标为平板热管5壁面平均温度，环境温度为30℃，普通散热器约21分钟壁温趋于稳定，为39.2℃，热阻为0.184℃/W；复合平板热管5约12分钟壁温趋于稳定，为32.2℃，热阻为0.044℃/W；如图5所示，为复合平板热管5的性能曲线图，横坐标为从蒸发区到冷凝区位置分布，纵坐标为冷板壁面平均温度，图中给出了加热功率分别为 50W、100W、150W时，复合平板热管5从蒸发区到冷凝区的温度分布，从图中可以看出，三种功率下，冷板壁面温差均小于3℃，均温性良好。

在另一实施例中，如图6所示，所述平板热管5的蒸发区内部中空，所述蒸发区的中空部分在所述平板热管5板面上的投影为矩形，所述蒸发区的中空部分被若干隔板分隔为多个块状区域6，所述若干隔板呈井字形均匀间隔分布，多个块状区域6为面积相同的矩形，从所述平板热管5蒸发区朝向所述平板热管5冷凝区的方向上的相邻两个块状区域6 间通过多个通孔7连通。

上述实施例在使用过程中，由于将平板热管5的蒸发区中空部分分隔成面积相同的块状区域6能够相对均匀的存储工质，以使整个蒸发区均匀的进行工质吸热汽化过程，有利于提高平板热管5的均温性和传热效率。

在另一实施例中，如图7所示，每一块状区域6的下壁面中心内凹呈弧面8，每一块状区域6的下壁面沿所述弧面8的径向等角度间隔开设有多条直线沟槽9，所述直线沟槽 9从所述弧面8的边缘直抵每一块状区域6的边缘，所述弧面8的最低点低于所述直线沟槽9的底面。本实施例由于在块状区域6的表面密布细小的直线沟槽9，故能够提高每一块状区域6的毛细作用力，加快工质冷凝后的液体回流，也提高了传热效率。

在另一实施例中，所述平板热管5的冷凝区内部开设有多个平行分布的毛细通道10，每一毛细通道10的一端均与所述蒸发区的中空部分连通，所述毛细通道10的截面为方形，且毛细通道10的上下面与所述蒸发区的中空部分的上下面分别对齐，这样每一块状区域 6表面的沟槽形成的毛细结构产生的毛细作用力能够顺利的将沿毛细管道回流的冷凝工质吸入每一块状区域6中，加快工质冷凝后的液体速度，进而加快工质的汽热循环过程，最终提高本实施例的传热效率。

在另一实施例中，如图8所示，所述毛细通道10的内壁均匀间隔的开设有多个与所述毛细通道10同向的第一凹槽11，这些第一凹槽11与毛细通道10形成的复合毛细结构提高了毛细管道的毛细作用力，加快工质冷凝后的液体回流，也提高了传热效率。

在另一实施例中，所述通孔7的截面为方形，且所述通孔7的上下面与所述蒸发区的中空部分的上下面分别对齐，这样后一块状区域6表面的沟槽形成的毛细结构产生的毛细作用力能够顺利的将前一块状区域6汇集的冷凝工质吸入，最终每一块状区域6均能存储部分冷凝工质，大大提高了本实施例的均温性。

在另一实施例中，所述通孔7的内壁均匀间隔的开设有多个与所述通孔7同向的第二凹槽，这些第二凹槽与通孔7形成的复合毛细结构提高了通孔7的毛细作用力，加快工质冷凝后的液体回流，也提高了传热效率。

在另一实施例中，所述直线沟槽9的内壁与底面均附有金属粉末烧结层，这样金属粉末烧结层和直线沟槽9共同构成复合毛细结构，能够提高块状区域6毛细作用力，加快工质冷凝后的液体回流。

在另一实施例中，所述平板热管5和所述液冷板1互相重叠的实心部分均开设有贯穿的螺纹孔12，所述螺纹孔12中设置有将所述平板热管5和所述液冷板1固定的螺钉，这样所述平板热管5和所述液冷板1连接牢固，不会因为温度变化引起的热胀冷缩使液冷板 1从平板热管5上滑脱。

在另一实施例中，如图9～11所示，所述液冷板1的两个相对壁板中的每一壁板均包含两条相同的蛇形冷却液通道2，两条蛇形冷却液通道2并排布置且均有一端靠近所述液冷板1底板的板面中心，两条蛇形冷却液通道2的另一端分别靠近所述液冷板1底板的短边边缘，所述进液孔3为一个且设置于所述液冷板1底板中心，所述进液孔3与所述液冷板1的两个相对壁板中的四条蛇形冷却液通道2的一端均连通，所述出液孔4为二个且分别设置于所述液冷板1底板靠近短边的边缘，每一出液孔4与所述液冷板1的两个相对壁板中位置相对的两条蛇形冷却液通道2的另一端均连通，所述液冷板1与所述平板热管5 接触的两个板面上均设置有多个第三凹槽13，多个所述第三凹槽13的方向与所述平板热管5中的热传导方向一致，且多个所述第三凹槽13从所述液冷板1两侧壁板的边缘延伸至所述液冷板1底板，多个所述第三凹槽13中，位于所述液冷板1中心3/5 宽度区域内的第三凹槽13的槽宽是所述液冷板1其他区域内第三凹槽13的槽宽的一半，位于所述液冷板 1中心3/5 宽度区域内的相邻两第三凹槽13的间距是所述液冷板1其他区域内相邻两第三凹槽13的间距的一半；

所述平板热管5的冷凝区上下板面上均设置有与多个所述第三凹槽13相匹配的凸块 14，以使所述平板热管5插接入所述液冷板1的凹陷部分。

上述实施例在使用过程中，将液冷板1中的蛇形冷凝液通道进液孔3设置于液冷板1 中部，出液孔4设置于液冷板1边缘，是因为平板热管5冷凝区的热量分布也在中间区域最大，边缘逐渐减少，冷却液从进液孔3进入后温度是最低的，与平板热管5冷凝区的热量分布相匹配，能够快速有效的与平板热管5冷凝区的中间区域进行热交换作用，当冷却液快流动到出液孔4时，冷却液温度已有所上升，但也能满足平板热管5冷凝区两边对散热的要求，同时将液冷板1与平板热管5的接触板面设计为多个第三凹槽13与凸块14相嵌合的形式能够增大液冷板1与平板热管5两者的接触面积，又因为两者接触区域的中心部分第三凹槽13与凸块14的分布密度大于边缘区域，也符合了因为平板热管5冷凝区的热量分布规律，故能提高整个复合平板热管的均温性，另外由于液冷板1与平板热管5之间的这种嵌合也使得平板热管5冷凝区在液冷板中的位置相对固定，不会发生滑移，保证了平板热管5冷凝区处处与液冷板1接触。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (9)

1.一种复合平板热管，其特征在于，包括：

液冷板，其截面为U字形，所述液冷板的两个相对壁板内均开设有至少一个蛇形冷却液通道，与所述液冷板的两个相对壁板连接的液冷板底板远离壁板的一侧上开设有至少一个进液孔和至少一个出液孔，每个蛇形冷却液通道的一端与其中一个进液孔连通，每个蛇形冷却液通道的另一端与其中一个出液孔连通；

平板热管，其中心区域为蒸发区，所述平板热管靠近两端的区域均为冷凝区，每一冷凝区均嵌入一所述液冷板的两个相对壁板间；

其中，所述液冷板的两个相对壁板中的每一壁板均包含两条相同的蛇形冷却液通道，两条蛇形冷却液通道并排布置且均有一端靠近所述液冷板底板的板面中心，两条蛇形冷却液通道的另一端分别靠近所述液冷板底板的短边边缘，所述进液孔为一个且设置于所述液冷板底板中心，所述进液孔与所述液冷板的两个相对壁板中的四条蛇形冷却液通道的一端均连通，所述出液孔为二个且分别设置于所述液冷板底板靠近短边的边缘，每一出液孔与所述液冷板的两个相对壁板中位置相对的两条蛇形冷却液通道的另一端均连通，所述液冷板与所述平板热管接触的两个板面上均设置有多个第三凹槽，多个所述第三凹槽的方向与所述平板热管中的热传导方向一致，且多个所述第三凹槽从所述液冷板两侧壁板的边缘延伸至所述液冷板底板，多个所述第三凹槽中，位于所述液冷板中心3/5宽度区域内的第三凹槽的槽宽是所述液冷板其他区域内第三凹槽的槽宽的一半，位于所述液冷板中心3/5宽度区域内的相邻两第三凹槽的间距是所述液冷板其他区域内相邻两第三凹槽的间距的一半；

所述平板热管的冷凝区上下板面上均设置有与多个所述第三凹槽相匹配的凸块，以使所述平板热管插接入所述液冷板的两个相对壁板间。

2.如权利要求1所述的复合平板热管，其特征在于，所述平板热管的蒸发区内部中空，所述蒸发区的中空部分在所述平板热管板面上的投影为矩形，所述蒸发区的中空部分被若干隔板分隔为多个块状区域，所述若干隔板呈井字形均匀间隔分布，多个块状区域为面积相同的矩形，从所述平板热管蒸发区朝向所述平板热管冷凝区的方向上的相邻两个块状区域间通过多个通孔连通。

3.如权利要求2所述的复合平板热管，其特征在于，每一块状区域的下壁面中心内凹呈弧面，每一块状区域的下壁面沿所述弧面的径向等角度间隔开设有多条直线沟槽，所述直线沟槽从所述弧面的边缘直抵每一块状区域的边缘，所述弧面的最低点低于所述直线沟槽的底面。

4.如权利要求3所述的复合平板热管，其特征在于，所述平板热管的冷凝区内部开设有多个平行分布的毛细通道，每一毛细通道的一端均与所述蒸发区的中空部分连通，所述毛细通道的截面为方形，且毛细通道的上下面与所述蒸发区的中空部分的上下面分别对齐。

5.如权利要求4所述的复合平板热管，其特征在于，所述毛细通道的内壁均匀间隔的开设有多个与所述毛细通道同向的第一凹槽。

6.如权利要求3所述的复合平板热管，其特征在于，所述通孔的截面为方形，且所述通孔的上下面与所述蒸发区的中空部分的上下面分别对齐。

7.如权利要求6所述的复合平板热管，其特征在于，所述通孔的内壁均匀间隔的开设有多个与所述通孔同向的第二凹槽。

8.如权利要求3所述的复合平板热管，其特征在于，所述直线沟槽的内壁与底面均附有金属粉末烧结层。

9.如权利要求1所述的复合平板热管，其特征在于，所述平板热管和所述液冷板互相重叠的实心部分均开设有贯穿的螺纹孔，所述螺纹孔中设置有将所述平板热管和所述液冷板固定的螺钉。

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