CN109714938A - 一种辐射传热散热装置 - Google Patents

Abstract

一种辐射传热散热装置，涉及传热领域，该装置由空腔体、聚热器、导热器组成，所述空腔体是一底部设有开口，上部设有开口，周边封闭或开有通气孔的壳体，所述聚热器是一将热辐射波聚集的器件，所述导热器是一带有输入端和输出端能够传导热力波的器件，空腔体底部开口对应并安装于辐射热源上，空腔体上部开口对应并用于安装导热器输入端，所述聚热器安装在空腔体内并位于辐射热源上方，聚热焦点或光斑落在导热器输入端上。该装置可主要利用辐射传热散热机理，实现大热容量、高效率传热散热，制造工艺简单，生产成本低。可应用于热动力、电力电子、微电子、光电子的散热系统。

Description

一种辐射传热散热装置

技术领域

本发明属于热学、光学范畴，特别是主要利用热源的辐射传热散热技术及装置。

背景技术

传热和散热技术是各种热动力转换、电光转换、电热转换等系统中的关键技术，它对系统运行的可靠性和效率起着十分重要的作用。特别是在电路系统，温度十分敏感，传热散热问题已成为电子器件的瓶颈之一。

目前的电力电子、微电子、光电系统所采用的传热、散热技术主要是依据热传导、热对流和热辐射三种原理。热传递可能是三种传热方式中的一种，也可能是几种共同作用。其主要产品包括金属翅片及涂层式、热管式、微管道式、石墨翅片式等。纯粹对流和传导散热器存在着体积大，占用空间大，有时还需要加装散热风扇等问题，这就大大降低了系统运行的可靠性。

现有利用热辐射原理的散热器产品基本都是辐射热直接向周边空间发射的，在发射热波的同时会出现：（1）辐射出去的热波，在遇到反射物体时会被反射回来一部分，特别是仪器箱体的反射。（2）其它环境中的热源向本热源辐射热量。例如：本发明人申请的专利号201821331079.6的【一种柔性膜片散热器】及其它石墨膜片散热器或石墨烯膜片散热器，主要利用的是辐射散热，但在散热过程中会遇到仪器装置的壳体的热反射，影响散热效果。

现有光辐射原理主要用于光辐射的传输，光辐射传输是通过有形物体通道实现的，辐射能量基本不会被返回光源，主要方式有：光的平面反射传输、光导管导光传输、光纤导光传输等。目前大都用于可见光的传导、光的传感、激光功率传输等。所有这些都是将光源经过转换、传输到另一处加一再利用的。由于其辐射传输的目的、用途和性能要求不同，使得辐射传输产品的结构、传输转换环节、器件精度要求各不相同，从而使得装置的成本也各不相同。

另外，有一种辐射制冷技术，正在得到研究和应用。科学家们发现，大气层对不同波长的电磁波有不同的透射率，透射率较高的波段称为“大气窗口”，例如8——13微米波段。地表上物体的热能就是通过辐射换热，将自身的热量以8——13微米电磁波的形式通过“大气窗口”排放到温度接近绝对零度的外部太空，达到自身冷却的目的。通常把这种完全以辐射方式将热量释放到宇宙空间的制冷方式成为辐射制冷。当辐射过程在无障碍空间通道工作时，就能够达到辐射冷却散热效果。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：寻求一种体积小、运行可靠、高散热效率，制造工艺简单，生产成本低的传热散热装置。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：

一种辐射传热散热装置，由空腔体、聚热器、导热器组成，所述空腔体是一底部设有开口，上部设有开口，周边封闭或开有通气孔的壳体，所述聚热器是一将热辐射波聚集的器件，所述导热器是一带有输入端和输出端能够传导热力波的器件，空腔体底部开口对应于并安装在辐射热源上或辐射热源的基座上，空腔体上部开口对应并用于安装导热器输入端，所述聚热器安装在空腔体内并位于辐射热源上面或上方，聚热器的聚热焦点或聚焦光斑落在导热器输入端上或入射在导热器内壁反射面上。对于利用反射原理的导热器，聚焦后的热波对应于导热器的入射角的大小直接影响到热波传输效率，因此，要根据具体情况选择合适的入射角。

该装置可以是安装在热源体的一面或多面，也可以是安装在热源体的上方或多方向。热源可以是点热源、线热源、面热源、体热源，该装置的各截面形状要与热源形状相适应。

该装置中壳体可以是封闭的空腔体，也可以是带有通气孔的非封闭壳体，封闭的空腔壳体内可以是真空，也可以是非真空，真空辐射传热效果更好。所述壳体也可以是周边开有通气孔或在壳体上加有散热片或是由微管道热管做成的壳体等。用微热管做成的带有通气孔的加有散热鳍片的壳体可实现热辐射、热对流、热传导三种传热方式同时起作用，当然，此种情况也可以加装对流风扇效果更好。

众所周知，由于热的原因而产生的电磁波辐射称为热辐射，热辐射的电磁波是物体内部微观粒子的热运动状态改变时激发出来的，亦称热射线。热辐射是一切物体的固有属性，只要温度高于绝对零度，物体就一定向外发出辐射能，当两个物体温度不同时，高温物体辐射的能量大于低温物体辐射的能量，最终结果是高温物体向低温物体传递了能量。即使两个物体温度相同，辐射传热仍在不断进行，只是每一物体辐射出去的能量等于吸收的能量，即处于动态热平衡状态。辐射传热可以在真空中进行，而且在真空中传递最为有效。黑体的吸收能力和辐射能力在所有物体中最大。

辐射传热过程中，不仅有能量的交换，而且还有能量形式的转化，即物体在辐射时，不断将自己的热能转变为电磁波向外辐射，当电磁波辐射到其他物体表面时即被吸收而转变成为热能。因此，热辐射具有一般电磁辐射或光辐射现象的共性和规律适用性。辐射传热量与两物体热力学温度的四次方之差成正比，黑体的辐射力与其热力学温度的四次方成正比，因此，该装置的辐射热经聚热器聚热升温后会有效提高辐射散热效果。

热辐射落到物体表面上同其他电磁波（如可见光）一样，存在着吸收、反射、和透射现象。

该装置主要是利用热辐射的这些特性，实现聚热、耦合、传热、散热过程的。该装置使用目的是热的传输和散发，因此，对装置输出的热辐射波的质量特性没有特别要求。

由于热射线都在可见光和大部分红外线波段范围内，有实际意义的热辐射波长位于0.38——100微米之间，且大部分能量位于肉眼看不见的0.76——20微米区段的红外区内，所以，该装置的各部件及其材料和结构的选择要适应于热辐射源的主要能量波长范围，特别是更多的适应于红外区的主要能量波长范围，以达到最佳的聚热、传热效果。该装置的导热器可以是基于光波反射或直射原理的实心光导材料和结构，也可是基于光波反射或直射原理的空心体结构，空心体内可以是存在或充入某种或某些气体，也可以是抽成真空。亦即，该装置可以将聚集后的高能量热波经实芯或空心真空导热器直射到外环境或冷源或太空中，也可以经实芯或空心真空导热器多次反射到外环境或或冷源或太空中。对于采用反射原理的该装置还要充分考虑选择合适的热波射入导热器的角度和反射材料，以达到最佳的传热效果。

该装置在热波向太空辐射时，如果通道无障碍物，可达到一定的辐射冷却散热效果。

该装置的聚热器可以是单片式透镜，也可以是多片透镜。可以是折射型，也可以是反射型。

该装置的导热器可以是单模式也可以是多模式。多模式导热器可以是由不同波长导热器组合而成的复合导热器。

该装置中采用光纤与透镜耦合的方式包括分离耦合方式和直接耦合方式。

该装置可用于将热辐射源的热能传输到冷源中，或将发热元件的热能输散到环境中。例如：电子元器件的散热；将辐射热从一个有限空间传输的另一个有限空间；将低品位辐射热源的热提升为高品位的热等；特别是，该装置的导热器长度可调整，轴向可弯曲，可十分方便地将热源的辐射热输送到某一热源空间外。辐射能量基本不会被返回到辐射源。当环境中无障碍物时，可达到辐射制冷的效果。该装置中不需散热风扇，无运动部件，其运行可靠性十分高。该装置能量转换、传输环节少，一般传输路径短，只要选择与传输波段相适应的高效热发射、聚光、传输元件和材料，就能得到高的传热散热效率。

该装置主要是利用辐射传热，但三种传热方式不是绝对独立的，在辐射传热过程中，根据装置的外壳体的结构特点，有时也会存在一些对流或传导散热作用。

上述的一种辐射传热散热装置，可供选择的技术方案是，在所述导热器的输出端上装有漫射器，所述漫射器是一发散透镜。漫射器可以选择晶格漫射器、棱镜漫射器、螺纹漫射器、凹透镜漫射器、菲涅尔透镜漫射器等，特别是要采用适应红外区热射线的产品。漫射器可以将高能量密度热波降低为低能量密度热波，降低对周围物体的辐射危险。

上述的一种辐射传热散热装置，可供选择的技术方案是，在所述辐射热源上涂装有散热涂料或设置有热辐射体。优选的散热涂料是高吸收率、高发射率的红外区段的热辐射涂料。辐射体可以是平面，也可以是凹面，或其它与聚热器相匹配的辐射体。辐射体可以是粘附在热源体的一面，也可以是包覆在热源体多面上。辐射体优先选用各向异性的导热材料，其导热率高的方向对应于聚焦点方向。辐射热源与环境接触的部分进行绝热封闭。

上述的一种辐射传热散热装置，可供选择的技术方案是，所述导热器是导热光纤组件或热波传导棒。所述导热光纤可以是单模或多模光纤，可以是单包层或双包层光纤。光纤输入端和输出端可以是锥形光纤或圆柱光纤，也可以是锥形光纤与圆柱光纤相结合的光纤。可以是塑料光纤或玻璃光纤或带有包皮的玻璃棒，也可以是氟化物玻璃光纤等。

上述的一种辐射传热散热装置，可供选择的技术方案是，所述导热器是热波传导管。所述热波传导管是可以传递热辐射波的管路，可以是直管，也可以是弯管，采用直管时，可在聚焦点外加一凸透镜，使辐射波可在管径内平行直线向外辐射。导热管内壁上可以涂有与传输的热辐射线对应的高反射率涂料。

上述的一种辐射传热散热装置，可供选择的技术方案是，所述空腔体是由绝热材料制成的壳体或在普通材料制成的壳体上涂装有隔热涂料或由导热体制成的壳体并在壳体外或内外周边设有散热鳍片或是在隔离电磁波材料做成的壳体外涂装隔热涂料做成的壳体或由带散热翅片微热管或均温板做成的壳体。所述绝热材料或隔热涂料优选对红外线具有高绝热特性的材料。当热源体存在严重的电磁辐射时，采用隔离电磁波材料的壳体可屏蔽电磁波对外的干扰。

上述的一种辐射传热散热装置，可供选择的技术方案是，所述聚热器是单一或复合式透镜式聚热器，导热器的输入端位于透镜聚热器的焦点或聚焦光斑上。所述聚热透镜是菲涅尔透镜或凸透镜等。

上述的一种辐射传热散热装置，可供选择的技术方案是，所述聚热器是反射式聚热器，导热器的输入端位于反射式聚热器的焦点或聚焦光斑上。所述反射式聚热器包括抛物面式、复合抛物面式、菲涅尔式、半圆柱形、锥形聚热器等。

上述的一种辐射传热散热装置，可供选择的技术方案是，所述聚热器是透镜式聚热器，所述聚热透镜是菲涅尔透镜或凸透镜等。所述导热器是光纤式导热器，光纤导热器的输入端位于透镜的焦点或聚焦光斑上。透镜和光纤的材料选择要充分考虑热辐射波的波长适应范围，同时要选择合适的热波入射角度，尽可能达到全反射的效果。

上述的一种辐射传热散热装置，可供选择的技术方案是，所述聚热器是反射式聚热器，所述导热器是光纤式导热器，光纤导热器的输入端位于反射式聚热器的焦点或聚焦光斑上。光纤式导热器的光纤组件材料选择要充分考虑热辐射波的波长适应范围，同时要选择合适的热波入射角度，尽可能达到全反射的效果。

上述的一种辐射传热散热装置，可供选择的技术方案是，所述导热器是导热管，所述聚热器是菲涅尔透镜或凸透镜，导热管的输入端位于透镜的焦点或聚焦光斑上。导热管内壁的材料选择要充分考虑热辐射波的波长适应范围，同时要选择合适的热波入射角度，尽可能达到全反射的效果。

上述的一种辐射传热散热装置，可供选择的技术方案是，所述聚热器是反射式聚热器，所述导热器是导热管，导热管的输入端位于反射式聚热器的焦点或聚焦光斑上。

上述的一种辐射传热散热装置，可供选择的技术方案是，所述聚热器和导热光纤是一体化式透镜光纤。一体化透镜光纤包括斜面形、楔形、球面形、圆锥形等。

上述的一种辐射传热散热装置，可供选择的技术方案是，所述导热器是导热管，所述空腔体及周边是绝热密封体，空腔内被抽成真空。真空中更有利于辐射传热。

上述的一种辐射传热散热装置，可供选择的技术方案是，所述导热管是导热光纤，所述空腔体及周边是绝热密封体，空腔内被抽成真空。真空中更有利于辐射传热。

上述的一种辐射传热散热装置，可供选择的技术方案是，所述聚热器是红外聚热器，在聚热器的焦点或光斑外的中心线处设有红外透镜，所述导热器是红外导热器。优选导热器是直线管式或棒式导热器。

上述的一种辐射传热散热装置，可供选择的技术方案是，在所述热源或辐射体周边设有反射体，反射的热波聚焦在一体化透镜光纤上。

上述的一种辐射传热散热装置，改进的技术方案是，所述聚热器是一透镜，所述透镜是由两种及以上不同频带高透过率材料组合或复合而成的宽波段透镜，所述导热器是光纤或导光棒，所述光纤或导光棒是由两种或两种及以上不同频带高透过率材料组合或复合而成的宽波段导热器。例如：透镜可以是由三种透过不同热波段的同心透镜套装在一起或三种不同热波段材料熔合或复合在一起；导热器可以是由三种透过率不同热波段的同心光学管材套装在一起或三种不同热波段材料熔合或复合在一起，或是用一种热波段光学纤维作为芯轴，其周围缠绕或合束三层可通过不同热波段的光纤组合而成的宽波段导热器。传热光纤也可以是多种不同传热波段的光纤混扎在一起而形成的宽波段导热器等。

上述的一种辐射传热散热装置，可供选择的技术方案是，在空腔体内的底部、聚热透镜下方设置辐射体，底部开口绝热封闭。此装置可作为辐射制冷器或辐射降温器或保鲜器使用。

上述的一种辐射传热散热装置，可供选择的技术方案是，所述内腔体、聚热器、导热器、漫射器的截面形状依据热源的表面形状，可以是圆形，也可以是方形、长方形，或其它异形。

上述的一种辐射传热散热装置，热源与聚热器之间的距离，可以是两者靠在一起，也可以两者保持一定距离。

上述的一种辐射传热散热装置，可以安装在热源的一个单面上，也可以安装在热源的多个单面上。

当仪器设备中有多处热源时，可由多个辐射传热散热装置的输出端汇聚到一个聚焦透镜上，通过一根总的导热器将热量辐射到环境或太空。

有益效果：本发明的一种辐射传热散热装置，可实现无强制对流、无风扇、曲径传热散热，传热散热率高，系统运行可靠性高，制造工艺简单，生产成本低。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

附图说明：

图1为本发明的一种透镜式辐射传热散热装置结构和安装示意图。

图2为本发明的一种带热辐射体，聚热透镜与传热光纤一体化的辐射传热散热装置结构示意图。

具体实施方式

附图1所示的一种透镜式辐射传热散热装置，由空腔体1、聚热器2、导热器3、漫射器9组成，所述空腔体1是一底部有开口4，上部有开口5，周边带有通气孔的微热管壳体，壳体外表面设有散热鳍片15，所述聚热器2是一将热辐射波聚集的菲涅尔红外透镜，所述导热器3是一带有输入端6和输出端7能够传导热力波的红外光纤，空腔体1底部开口4对应于并用于安装辐射热源集成芯片8，空腔体1上部开口5对应于并用于安装导热器红外光纤的输入端6，所述聚热器红外透镜安装在空腔体1内并位于辐射热源集成芯片8上方，聚热器红外透镜的聚热焦点F落在导热器输入端6上。导热器红外光纤的输出端7上安装有漫射器红外透镜。辐射热源集成芯片8底部和空腔体1底部开口4与线路板之间垫有绝热材料10。辐射热源集成芯片8上表面涂有散热涂料11。空腔体1由高传热材料制成，表面涂有微珠隔热涂料12。热源集成芯片8产生的辐射热经菲涅尔透镜聚焦到红外光纤上的F点，红外光束在红外光纤内经多次反射到漫射透镜，再辐射到机壳13外的空间。散热鳍片15可以将部分热量传导的环境中。上述散热涂料选用ZS-411辐射散热降温涂料，适用0.5——13.5微米红外波长波段，其发射率为92%，透镜聚光比10倍，透过率95%，光纤传输效率97%，散射透镜散射率98%。绝热垫片采用气凝胶毡，其导热系数0.018W/m.K。此案例可实现热对流、热传导和热辐射同时起作用。

附图2所示的一种带热辐射体，聚热透镜与传热光纤一体化的辐射传热散热装置，由空腔体1、聚热器2、导热器3、热辐射体18组成，所述空腔体1是一底部有开口4，上部有开口5，周边封闭的绝热壳体，所述聚热器2是一与导热器3一体化的锥形红外透镜，所述导热器3是一带有输入端6和输出端7能够传导热力波的红外光纤，空腔体1底部开口4对应于并用于安装辐射热源集成芯片8，空腔体1上部开口5对应于并用于安装导热器红外光纤的输入端6，所述聚热器锥形红外透镜安装在空腔体1内并位于热辐射体18上方，聚热器锥形红外透镜的聚热焦点F落在导热器输入端6上。导热器红外光纤的输出端7对向空中。辐射热源集成芯片8底部和空腔体1底部开口4与线路板之间垫有绝热材料10。热辐射体18对应于锥形透镜的内侧面上涂有辐射散热涂料11，热辐射体18外周边表面涂有微珠隔热涂料12。热源集成芯片8与热辐射体18之间涂有导热胶17。热源集成芯片8产生的热经导热胶17、热辐射体18、红外热辐射涂料11，将热辐射波辐射到锥形透镜上，并聚焦于F点，红外辐射光束在红外光纤内经多次反射到外空间。上述辐射散热涂料11选用ZS-411辐射散热降温涂料，适用0.5——13.5微米红外波长波段，其发射率为92%；隔热涂料12选用ZS-220超薄隔热涂料，反射率大于0.92，导热系数0.04W/m.K；辐射体采用石墨片叠置而成，垂直方向导热系数600W/m.K；绝热垫片采用气凝胶毡，导热系数0.018W/m.K；光纤传输效率96%。

尽管已经结合优选实施方式描述了本发明的装置，但是本发明不限于本文所述的具体形式，相反，其目的在于覆盖理所当然会落入所述权利要求书限定的本发明范围内的各种替代方式、改型、各种特征要素的再组合而衍生的新组合和等同体。

Claims (18)

1.一种辐射传热散热装置，其特征在于：由空腔体、聚热器、导热器组成，所述空腔体是一底部设有开口，上部设有开口，周边封闭或开有通气孔的壳体，所述聚热器是一将热辐射波聚集的器件，所述导热器是一带有输入端和输出端能够传导热力波的器件，空腔体底部开口对应于并安装在辐射热源上或辐射热源的基座上，空腔体上部开口对应于并用于安装导热器输入端，所述聚热器安装在空腔体内并位于辐射热源上面或上方，聚热器的聚热焦点或聚焦光斑落在导热器输入端上或入射到导热器内壁反射面上。

2.根据权利要求1所述的一种辐射传热散热装置，其特征在于：在所述导热器的输出端上装有漫射器，所述漫射器是一发散透镜。

3.根据权利要求1所述的一种辐射传热散热装置，其特征在于：在所述辐射热源上涂装有散热涂料或设置有热辐射体。

4.根据权利要求1、2、3所述的一种辐射传热散热装置，其特征在于：所述导热器是导热光纤组件或热波传导棒。

5.根据权利要求1、2、3所述的一种辐射传热散热装置，其特征在于：所述导热器是热波传导管。

6.根据权利要求1、2、3所述的一种辐射传热散热装置，其特征在于：所述空腔体是由绝热材料制成的壳体或在普通材料制成的壳体上涂装有隔热涂料或由导热体做成的壳体并在壳体外或内外周边设有散热鳍片或是在隔离电磁波材料做成的壳体外涂装隔热涂料做成的壳体或是由微热管均温板做成的壳体。

7.根据权利要求1、2、3所述的一种辐射传热散热装置，其特征在于：所述聚热器是单一或复合式透镜式聚热器，导热器的输入端位于透镜聚热器的焦点或聚焦光斑上。

8.根据权利要求1、2、3所述的一种辐射传热散热装置，其特征在于：所述聚热器是反射式聚热器，导热器的输入端位于反射式聚热器的焦点或聚焦光斑上。

9.根据权利要求4所述的一种辐射传热散热装置，其特征在于：所述聚热器是透镜式聚热器，导热光纤的输入端位于透镜式聚热器的焦点或聚焦光斑上。

10.根据权利要求4所述的一种辐射传热散热装置，其特征在于：所述聚热器是反射式聚热器，导热光纤的输入端位于反射式聚热器的焦点或聚焦光斑上。

11.根据权利要求5所述的一种辐射传热散热装置，其特征在于：所述聚热器是菲涅尔透镜或凸透镜，导热管的输入端位于透镜的焦点或聚焦光斑上。

12.根据权利要求5所述的一种辐射传热散热装置，其特征在于：所述聚热器是反射式聚热器，导热管的输入位于反射式聚热器的焦点或聚焦光斑上。

13.根据权利要求4所述的一种辐射传热散热装置，其特征在于：所述聚热器和导热光纤是一体化式透镜光纤。

14.根据权利要求4所述的一种辐射传热散热装置，其特征在于：所述空腔体及周边是绝热密封体，空腔内被抽成真空。

15.根据权利要求5所述的一种辐射传热散热装置，其特征在于：所述空腔体及周边是绝热密封体，空腔内被抽成真空。

16.根据权利要求1、2、3所述的一种辐射传热散热装置，其特征在于：所述聚热器是红外聚热器，在聚热器的焦点或光斑外的中心线处设有红外透镜，所述导热器是红外导热器。

17.根据权利要求13所述的一种辐射传热散热装置，其特征在于：在所述热源或辐射体周边设有反射体，反射的热波聚焦在一体化透镜光纤上。

18.根据权利要求1、2、3所述的一种辐射传热散热装置，其特征在于：所述聚热器是一透镜，所述透镜是由两种及以上不同频带高透过率材料组合或复合而成的宽波段透镜，所述导热器是光纤或导光棒，所述光纤或导光棒是由两种或两种及以上不同频带高透过率材料组合或复合而成的宽波段导热器。