CN108366508A - 一种柔性微槽群散热装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柔性微槽群散热装置，包括：腔体，肋块支撑结构，毛细芯，整个装置包括蒸发段，绝热段和冷凝段。腔体材料由柔性导热纳米复合材料构成，具有较高导热系数。蒸发面上有许多微槽道，形成微槽群，在毛细作用力下，工作介质吸入到微槽道内相变蒸发。毛细芯协同微槽群结构将液体工作介质从冷凝段抽吸到蒸发段完成工质循环。腔体中间的肋块起到构建蒸汽通道的作用。本发明具有散热性能高，可弯曲度大和轻薄等优点。采用本发明能够很好地解决柔性电子产品的散热问题，降低其工作温度，提升电子产品性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种散热技术，尤其涉及一种柔性微槽群散热装置。
背景技术
随着微电子技术的快速发展，芯片的处理速度越来越快，热流密度急剧增加，芯片级的局部热流密度达到100W/cm2以上，采用三维封装的微系统局部热流密度更是接近1000W/cm2。现今芯片散热方式主要有：翅片散热、液体单相对流冷却、强制气冷、强迫对流沸腾冷却、热管和微槽群等。这些技术的应用特别是微槽群技术的运用在一定程度上解决了高功率密度芯片的散热问题。但随着科技的进步，人类对于电子产品的依赖已经越来越重，为了提升工作效率，希望能实现随处使用的电子产品，而不再局限于空间问题，人类开始致力于研发柔性电子技术，其近年来已成为世界各国的重点研发题材之一。柔性电子产品具有可弯曲、轻薄等特性，将颠覆传统电子产品的形态，这也为芯片的散热问题带来了更高的技术要求。传统的平板热管或微槽群大多以导热金属材料构成，其材质一般比较坚硬，不能弯曲，密度也大，故无法满足柔性电子产品的散热需求。
现在关于柔性散热技术的研究主要集中在一些被动式技术上，如柔性热管和柔性平板热管等。其主要是选用各种聚合物(如聚炳烯，PET，LCP和PDMS等材料)来制备柔性腔体材料，从而解决热管的弯曲问题。虽然这些高分子聚合物解决的散热器件可弯曲的问题，但是其本身较低的导热系数限制了其在电子产品中的应用。为了解决这些问题，有研究者在蒸发端增加了金属块或者金属通道来改善其换热性能，尽管前人做出各种努力，但热管理装置性能的改善仍然有限。除了上述蒸发端和冷凝端的热阻问题外，在狭小空间内蒸汽的流动同样存在问题。针对以上提到的蒸发端，冷凝端热阻问题，以及蒸汽流动问题，准备采用基于柔性导热纳米复合材料的微槽群技术来解决柔性电子产品的散热问题。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明提出一种柔性微槽群散热装置，以解决现有柔性散热器件蒸发端、冷凝端热阻问题，以及蒸汽流动问题。
(二)技术方案
本发明提供一种柔性微槽群散热装置，包括腔体1，肋块支撑结构2，毛细芯3；其特征在于，
腔体1为封闭空腔，腔体1材料为柔性导热纳米复合材料，导热系数高，腔体1内两个相对表面刻有多条微槽道4，组成微槽群，腔体中间为肋块支撑结构2，肋块支撑结构2为柔性材料，用于阻止两个相对表面上微槽群的贴合；
腔体1和肋块支撑结构2结合构建蒸汽通道，用于蒸汽流通；
毛细芯3固定在微槽群和肋块支撑结构2中间，用于回流液体。
其中，所述腔体1材料为柔性导热纳米复合材料，由高分子聚合物混合高导热纳米颗粒材料、碳纤维或碳纳米管等制成，其中高分子聚合物为聚炳烯、PET、PMDS、LCP、聚酰亚胺或FR4。
其中，所述肋块支撑结构2由硅胶或者橡胶制成。
其中，所述毛细芯3由编制的铜丝网或者烧结的铜毛细芯制成。
其中，所述微槽道4尺寸为微米级。
其中，柔性微槽群散热装置工作时的工作介质填充于工作介质流动腔体5中。
其中，所述工作介质为甲醇、无水乙醇、丙酮或者蒸馏水。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明提供一种柔性微槽群散热装置，结合柔性纳米复合材料和微槽群散热技术，柔性纳米复合材料的导热能力远远高于其他如聚炳烯等材料，降低了蒸发段和冷凝段的热阻，强化了散热装置的换热性能；腔体中间肋块构建了可靠的蒸汽通道，降低了蒸汽的输运阻力；腔体内壁面设置了多个微槽道，在毛细力作用下工质被吸入微槽道，并在微槽道内形成高强度微细尺度蒸发和沸腾复合相变换热的连续液膜分布，这种液膜分布具有超强的取热能力，取热热流密度可达109W/m2量级，并且取热过程无功耗，节能环保。
(2)本发明提供一种柔性微槽群散热装置，散热装置由柔性高分子聚合物为基体的纳米复合材料构成，重量轻，体积小，柔性好，可以各种角度的弯曲，适合电子产品的散热需求，同时整个装置简单，工作稳定，可靠性高。
附图说明
图1是本发明的一个具体实施例的柔性微槽群散热装置外观图；
图2是本发明的一个具体实施例的柔性微槽群散热装置A-A截面图；
图3是本发明的一个具体实施例的柔性微槽群散热装置B-B截面图；
图4是为整体腔体的两个组成部分示意图；
图5是本发明的柔性微槽群散热装置在柔性手机中的安装示意图。
附图标记说明：
1-腔体；2-肋块支撑结构；3-毛细芯；4-微槽道；5-工作介质流动腔体；6-柔性手机；7-芯片；8-柔性微槽群散热装置。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
图1是本发明的一个具体实施例的柔性微槽群散热装置外观图。其中1为腔体，A-A截面图如图2所示；B-B截面图如图3所示。整个装置包括蒸发段，绝热段和冷凝段。
图2是本发明的一个具体实施例的柔性微槽群散热装置A-A截面图，图3是本发明的一个具体实施例的柔性微槽群散热装置B-B截面图，结合图2和图3的柔性微槽群散热装置，包括腔体1，肋块支撑结构2，毛细芯3；其中，腔体1为封闭空腔，腔体1材料为柔性导热纳米复合材料，导热系数高，柔性纳米复合材料的导热能力远远高于其他如聚炳烯等材料，能够降低蒸发段和冷凝段的热阻，强化散热装置的换热性能；腔体1内壁两个相对表面刻多条微槽道4，组成微槽群，在毛细力作用下工质被吸收入微槽道，并在微槽道内形成高强度微细尺度蒸发和沸腾复合相变换热的连续液膜分布，这种液膜分布具有超强的取热能力，取热热流密度可达109W/m2量级，并且取热过程无功耗，节能环保。腔体中间为肋块支撑结构2，肋块支撑结构2为柔性材料，用于阻止两个相对表面上微槽群的贴合，腔体1和肋块支撑结构2结合构建蒸汽通道，用于蒸汽流通，降低了蒸汽的输运阻力；毛细芯3固定在微槽群和肋块支撑结构2中间，用于回流液体。
其中，所述腔体1材料为柔性导热纳米复合材料，由高分子聚合物混合高导热纳米颗粒材料、碳纤维或碳纳米管等制成，其中高分子聚合物为聚炳烯、PET、PMDS、LCP、聚酰亚胺或FR4。
其中，所述肋块支撑结构2由硅胶或者橡胶制成。
其中，所述毛细芯3由编制的铜丝网或者烧结的铜毛细芯制成。
其中，所述微槽道4尺寸为微米级。
其中，柔性微槽群散热装置工作时的工作介质填充于工作介质流动腔体5中。
其中，所述工作介质为甲醇、无水乙醇、丙酮或者蒸馏水。
图4是为整体腔体的两个组成部分示意图，如图4所示，整个散热装置腔体由A，B两部分腔体结合而成，A，B两部分腔体是如图1所示的B-B方向部分的腔体，A，B两部分可以是以密封胶的形式粘接，也可以是利用热的方式实现两部分热接，从而保持整个腔体的密封性能。
本实施例中，腔体1材料以酚醛树脂为基体，在其中混合填充多壁碳纳米管(MWCNTs)和微米级碳纤维(CFs)构建柔性导热纳米复合材料。多壁碳纳米管能够在碳纤维之间形成导热架桥，可以将孤立的碳纤维连接起来形成高效导热网链，强化材料导热性能。利用柔性导热纳米复合材料，采用热压的方法成型两半腔体。本实施例中，毛细芯3材料为铜丝网，为将剪裁好的500目的铜丝网分别紧密粘贴到两半腔体内，铜丝网可以将冷凝段冷凝的液体回流到蒸发段，特别是散热装置水平放置时，更加需要加装铜丝网。另外此处铜丝网贴两层，进一步加强液体回流能力。再将硅胶制成的肋块支撑结构2粘贴到腔体中间，防止在低压下，腔体两个相对表面上微槽群的壁面贴合到一起，同时构建畅通的蒸汽通道，降低蒸汽流动阻力，提升散热装置的热交换性能。再将两半腔体密封胶粘贴到一起，密封，抽真空。最后注入工质并密封注液口。工质可以选择甲醇、无水乙醇、蒸馏水等多种液体，工质的选择应当考虑其与腔体材料或者内部材料是否反应和沸点高低，根据实际需要选择合适的工质。本实例中，工质选择蒸馏水。
其中，在毛细力作用下，工质被吸入微槽，并在微槽道内形成高强度微细尺度蒸发和沸腾复合相变换热的连续液膜分布。发热体的热量在腔体蒸发区进入腔内表面的微槽道，微槽道里工质复合相变带走大量热量，从而实现发热体冷却。
其中，腔体中间的肋块支撑结构为硅胶材料，由于腔体材料为柔性材料，当抽真空时，肋块支撑结构的存在可以阻止上下壁面贴合在一起，构建蒸汽通道，该蒸汽通道能够降低蒸汽的输运阻力。同时肋块支撑结构也为柔性材料，对散热装置的弯曲不存在阻碍作用。
毛细芯结构固定在上下壁面，在毛细力作用下，回流液体。如果散热装置竖直放置时，可以去掉毛细芯结构，依靠重力作用即可实现液体工质回流。毛细芯结构可设置一层，也可设置多层。
图5为一柔性微槽群散热装置冷却发热芯片结构示意图。在示意图中，柔性微槽群散热装置是放置在柔性手机6内部，发热芯片7安装在柔性微槽群散热装置8上方，芯片所在位置为柔性微槽群散热装置的蒸发端，蒸发端微槽道中工质吸收热量后发生相变，工质由液态变为气态，在腔体内的蒸汽通道中，工质输运到冷凝端放热重新变为液态，在腔体内壁中铜丝网和微槽道双重毛细力的作用下，液体工质被吸回蒸发端，重新循环。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种柔性微槽群散热装置，包括腔体(1)，肋块支撑结构(2)，毛细芯(3)；其特征在于，
腔体(1)为封闭空腔，腔体(1)材料为柔性导热纳米复合材料，导热系数高，腔体(1)内两个相对表面刻有多条微槽道(4)，组成微槽群，腔体中间为肋块支撑结构(2)，肋块支撑结构(2)为柔性材料，用于阻止两个相对表面上微槽群的贴合；
腔体(1)和肋块支撑结构(2)结合构建蒸汽通道，用于蒸汽流通；
毛细芯(3)固定在微槽群和肋块支撑结构(2)中间，用于回流液体。
2.根据权利要求1所述的柔性微槽群散热装置，其特征在于，所述腔体(1)材料为柔性导热纳米复合材料，由高分子聚合物混合高导热纳米颗粒材料、碳纤维或碳纳米管等制成，其中高分子聚合物为聚炳烯、PET、PMDS、LCP、聚酰亚胺或FR4。
3.根据权利要求1所述的柔性微槽群散热装置，其特征在于，所述肋块支撑结构(2)由硅胶或者橡胶制成。
4.根据权利要求1所述的柔性微槽群散热装置，其特征在于，所述毛细芯(3)由编制的铜丝网或者烧结的铜毛细芯制成。
5.根据权利要求1所述的柔性微槽群散热装置，其特征在于，所述微槽道(4)尺寸为微米级。
6.根据权利要求1所述的柔性微槽群散热装置，其特征在于，柔性微槽群散热装置工作时的工作介质填充于工作介质流动腔体(5)中。
7.根据权利要求6所述的柔性微槽群散热装置，其特征在于，所述工作介质为甲醇、无水乙醇、丙酮或者蒸馏水。
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