CN110455107B - 一种热管以及热管散热装置 - Google Patents

Abstract

根据本发明的热管以及热管散热装置，热管包括壳体以及多孔材料，壳体为两端封闭的的直管，其横截面呈矩形，壳体内设置有多孔材料，多孔材料与壳体一端端部之间构成蒸发端，多孔材料与壳体另一端端部之间构成冷凝端，多孔材料内设置有多个贯通冷凝端端面与蒸发端端面的通孔。热管散热装置呈圆盘状，包括外壳以及多孔材料，外壳具有蒸发端、多个绝热段、冷凝端，蒸发端呈圆盘状，绝热段呈扇环形，绝热段的一端与蒸发端连通，另一端与冷凝端连通，冷凝端呈圆环状，相邻的绝热段之间具有空隙，靠近冷凝端的一侧空隙设置了多个散热翅片，多孔材料采用3D打印技术制成，其材料为生物陶瓷或高分子海藻酸钠，其孔隙率在90％以上。

Description

一种热管以及热管散热装置

技术领域

本发明属于电子散热领域，具体涉及一种热管以及热管散热装置。

背景技术

热管是一种具有极高导热性能的新型传热元件，它通过在全封闭真空管内的液体的蒸发与凝结来传递热量，它利用毛吸作用等流体原理，起到良好的制冷效果。具有极高的导热性、良好的等温性、冷热两侧的传热面积可任意改变、可远距离传热、温度可控制等特点。将热管散热器的基板与晶闸管、IGBT、IGCT等大功率电力电子器件的管芯紧密接触，可直接将管芯的热量快速导出。

近些年，随着材料技术的发展，多孔材料在热管技术中也得到一部分应用。现有的多孔材料与热管相结合的方式主要是将热管中的毛细结构替换成普通的多孔材料或多空泡沫金属。在材料选取方面，为了保证多孔材料的加工以及强化相变换热的作用，一般选用泡沫铜，石墨泡沫等作为毛细结构。

多孔金属由金属骨架及孔隙所组成，具有金属材料的可焊性等基本的金属属性。相对于致密金属材料，多孔金属的显著特征是其内部具有大量的孔隙。而大量的内部孔隙又使多孔金属材料具有诸多优异的特性，如比重小、比表面大、能量吸收性好、导热率低、换热散热能力高、渗透性优、阻焰、耐热耐火、抗热震、气敏、能再生、加工性好，等等。多孔有机高分子材料强度低且不耐高温，多孔陶瓷则质脆且不抗热震，因此，多孔金属材料被广泛应用于航空航天、原子能、电化学、石油化工、冶金、机械、医药、环保、建筑等行业的分离、过滤、布气、催化、电化学过程、消音、吸震、屏蔽、热交换等工艺过程中，制作过滤器、催化剂及催化剂载体、多孔电极、能量吸收器、消音器、减震缓冲器、电磁屏蔽器件、电磁兼容器件、换热器和阻燃器，等等。另外，还可制作多种的复合材料和填充材料。多孔金属既可作为许多场合的功能材料，也可作为一些场合的结构材料，而一般情况下它兼有功能和结构双重作用，是一种性能优异的多用工程材料。但是流体流经多孔材料时压降较大，而且相变换热的效果有待加强，成为制约其在换热器中广泛应用的瓶颈。

发明内容

现有的以普通多孔材料为基础的热管换热效率虽有有限的提升但是无法突破换热瓶颈，制约了其在一些领域的应用和发展。

为了解决上述问题，本发明提供了一种热管以及热管散热装置。

本发明提供了一种热管，具有这样的特征，包括壳体以及多孔材料，其中，壳体为两端封闭的的直管，其横截面呈矩形，壳体内设置有多孔材料，多孔材料与壳体一端端部之间构成蒸发端，多孔材料与壳体另一端端部之间构成冷凝端，多孔材料内设置有多个贯通冷凝端端面与蒸发端端面的通孔，多个通孔沿矩形的长度方向竖直布置。

在本发明提供的热管中，还可以具有这样的特征：其中，冷凝端端面上设置有用于降低压降的多个盲孔，盲孔分别位于通孔的两侧。

另外，在本发明提供的热管中，还可以具有这样的特征：其中，多孔材料采用3D打印技术制成，其材料为生物陶瓷或高分子海藻酸钠，其孔隙率在90％以上。

本发明提供了一种热管散热装置，具有这样的特征，包括：外壳以及多孔材料，外壳具有蒸发端、多个绝热段、冷凝端，蒸发端呈圆盘状，表面设置有工质充注口，绝热段呈扇环形，截面呈矩形，绝热段的一端与蒸发端连通，另一端与冷凝端连通，冷凝端呈圆环状，圆环内部是连通的，相邻的绝热段之间具有空隙，靠近冷凝端的一侧空隙设置了多个散热翅片，多孔材料采用3D打印技术制成，其材料为生物陶瓷或高分子海藻酸钠，其孔隙率在90％以上。

在本发明提供的热管散热装置中，还可以具有这样的特征：其中，散热翅片的肋片个数为5-8。

另外，在本发明提供的热管散热装置中，还可以具有这样的特征：其中，散热翅片的类型为针肋。

另外，在本发明提供的热管散热装置中，还可以具有这样的特征：其中，壳体采用不锈钢冲压形成。

发明的作用与效果

根据本发明所涉及的热管以及热管散热装置，因为热管在绝热段的通道内填充满多孔材料，并在多孔材料中穿孔，其材料为生物陶瓷、高分子海藻酸钠等，其孔隙率在90％以上。这种穿孔结构的加入是模仿自然界的莲藕内部结构所设计，能有效克服普通多孔材料流体压降相当大的缺点，流体从多孔介质中流入压降小的穿孔流道中，保证循环的高效运行。同时，多孔材料穿孔的技术方案能有效提升热管循环过程中的相变换热强度，促进热管整体性能的提升，有效提升电子散热的能力。

附图说明

图1是本发明的实施例中热管示意图；

图2是本发明的实施例中多孔材料穿孔结构示意图；

图3是本发明的实施例中多孔材料的冷凝端端面示意图；

图4是本发明的实施例中多孔材料的蒸发端端面示意图；

图5是本发明的实施例中热管散热装置外形图；

图6是本发明的实施例中热管散热装置爆炸图；

图7是本发明的实施例中热管散热装置上板示意图；

图8是本发明的实施例中热管散热装置下板和多孔材料示意图；

图9是图8中A的局部放大示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明的热管以及散热装置作具体阐述。

实施例一

一种基于穿孔多孔材料结构的热管10，包括壳体11以及多孔材料20。

壳体11呈管状，两端封闭。

如图1所示，在壳体11的绝热段的通道内设置有多孔材料20，多孔材料20与壳体11一端端部之间构成蒸发端13，多孔材料20与壳体11另一端端部之间构成冷凝端14。

多孔材料20内设置有多个贯通两端的通孔，实施例中，多孔材料12运用3D打印技术打印，其材料为生物陶瓷、高分子海藻酸钠等，其孔隙率在90％以上。这种穿孔结构的加入是模仿自然界的莲藕内部结构所设计，能有效克服普通多孔材料流体压降相当大的缺点，流体从多孔介质中流入压降小的穿孔流道中，保证循环的高效运行。同时，多孔材料穿孔的技术方案能有效提升热管循环过程中的相变换热强度，促进热管整体性能的提升，有效提升电子散热的能力。

多孔介质的特点如下：

a.多孔介质是带有许多微小孔洞的固体；

b.孔洞之间互相连通或是部分连通；

c.孔洞的形状有圆形、椭圆或多种不规则形状；d.孔洞中的流体在一定条件下可以流动。

如图2、图3、图4所示，多孔材料20的剖面呈矩形，底面呈梯形，具有冷凝端端面21、蒸发端端面22。

多孔材料20包括多个大圆形通孔和多个设置在通孔周围的小圆形穿孔(盲孔)，圆孔按需求分布在多孔介质内部空间。

实施例中，如图4所示，多孔材料20内设置有三个贯通冷凝端端面21、蒸发端端面22的通孔221，三个通孔221竖直布置。

如图3所示，冷凝端端面21上设置有四个盲孔211，分别位于通孔221的两侧。本发明在结构上的创新是绝热段的结构，以及蒸发端和冷凝端的连接方式。绝热段主要的三个通孔221便于相变蒸发的气相工质顺利流入冷凝端，而靠近冷凝端的一侧开的盲孔211并未完全贯穿至蒸发段，其目的是为了降低压降，使冷凝端的液体工质在多孔材料的毛细抽吸力回流的作用下能更好地流回到蒸发端。盲孔211的形状、尺寸、穿孔深度和孔的排列方式可由通道内工质的物性和换热需求确定。

图2中的箭头表示工质在多孔材料20中的流向，其中，实线代表气体，虚线代表液体。

如图5所示，一种热管散热装置30，呈圆盘状，包括蒸发端31、多个绝热段32、冷凝端33。

蒸发端31，呈圆盘状，表面设置有工质充注口311。

绝热段32呈扇环形，截面呈矩形，绝热段32具有壳体和设置在壳体内的多孔材料，一端与蒸发端31连通，另一端与冷凝端33连通。实施例中，绝热段32为12个，沿圆周均匀设置，相邻的绝热段32之间具有空隙，靠近冷凝端的一侧空隙设置了多个散热翅片34，其肋片个数在5-8之间，类型可以为针肋等类型。

冷凝端33，呈圆环体状，为单个冷凝端，圆环体内部是连通的。

工质从充注口311充注入散热装置30，背面的圆形蒸发端贴在电子芯片上，吸收热量，工质发生相变由多孔材料向径向的冷凝端流动，并在冷凝端冷凝，散发出热量。随后又由穿孔多孔材料的毛细抽吸力进入多孔材料，进而回到蒸发端，完成循环，如此循环。

实施例二

热管散热装置40呈圆盘状，包括壳体和多个如图2所示的多孔材料20。

如图6、7、8所示，壳体具有蒸发端41、多个绝热段42、冷凝端43。

实施例中，热管散热装置40的外壳具有上板和下板，上板和下板均选用强度较高的不锈钢为微通道结构的基板材料。

上板和下板中的蒸发端、绝热段、冷凝端的均采用不锈钢冲压形成，在钢板上冲压出的径向热管流道形状，用于改进现有以多孔材料为毛细结构的热管散热的不足。

蒸发端41呈圆形，蒸发端41的端面上设置有工质充注口411。

绝热段42外壳的外形呈扇环形，一端与蒸发端41连通，另一端与冷凝端43连通，多孔材料20设置在壳内。

实施例中，两个绝热段42相邻设置，相邻设置的两个绝热段外壳之间具有隔板421，相邻设置的两个绝热段42与另外的两个相邻设置的绝热段42之间具有空隙422。在空隙422中，绝热段42的外壳靠近冷凝端的一侧设置了如图9所示的翅片423等散热装置，其肋片个数在5-8之间，类型可以为针肋等类型。

如图2所示，多孔材料20由3D打印的多孔材料组成，穿孔多孔材料20的截面有主要的几个大圆形穿孔和周围的几个小圆形穿孔，圆管按需求分布在多孔介质内部空间，不一定是三个大圆孔和四个小圆孔。21为绝热段靠近冷凝端的多孔材料穿孔截面，22为靠近蒸发端一侧的穿孔截面。

冷凝端43呈扇环形，在扇环形内的多个隔板421使得两个不相邻设置的冷凝端是互通的。

空气从多个空隙422中流动，通过翅片423进行散热。

实施例中，两段绝热段到达的冷凝端互通，是为了工质分布更加均匀。冷凝端的共用程度可视工质的物性和换热需求而定。

实施例中，运用原子扩散技术融合焊接技术，将热管的上下板片以及多孔材料配合好，相互接触，在高温缺氧的情况下使接触板片的原子间相互扩散再结晶，形成可靠连接。

与以往热管的制造技术相比，优点有：

1)使用冲压技术在基板材料上形成的流道较为方便，与化学腐蚀、激光刻蚀等技术相比，尺寸稳定，互换性好，可在常温下进行，高效低耗，操作简单。

2)3D打印技术打印出的多孔材料稳定性，一体性较好。同时3D打印技术能提高生产率和降低生产成本，有助于本发明的量产。

3)扩散融合焊技术能无缝叠加换热板片，将两层板片叠加结合为一整体，成型的热管密封良好。

本发明在结构上的创新是绝热段的结构，以及蒸发端和冷凝端的连接方式。绝热段主要的三个穿孔便于相变蒸发的气相工质顺利流入冷凝端，而靠近冷凝端的一侧开的小孔并未完全贯穿至蒸发段，其目的是为了降低压降，使冷凝端的液体工质在多孔材料的毛细抽吸力回流的作用下能更好地流回到蒸发端。穿孔的形状、尺寸、穿孔深度和孔的排列方式可由通道内工质的物性和换热需求确定

本发明中两段绝热段到达的冷凝端互通，是为了工质分布更加均匀。冷凝端的共用程度可视工质的物性和换热需求而定。

工质从充注口充注入热管，背面的圆形蒸发端贴在电子芯片上，吸收热量，工质发生相变由多孔材料向径向的冷凝端流动，并在冷凝端冷凝，散发出热量。随后又由穿孔多孔材料的毛细抽吸力进入多孔材料，进而回到蒸发端，完成循环，如此循环。

实施例的作用与效果

根据本实施例所涉及的热管以及热管散热装置，因为热管在绝热段的通道内填充满多孔材料，并在多孔材料中穿孔，其材料为生物陶瓷、高分子海藻酸钠等，其孔隙率在90％以上。这种穿孔结构的加入是模仿自然界的莲藕内部结构所设计，能有效克服普通多孔材料流体压降相当大的缺点，流体从多孔介质中流入压降小的穿孔流道中，保证循环的高效运行。同时，多孔材料穿孔的技术方案能有效提升热管循环过程中的相变换热强度，促进热管整体性能的提升，有效提升电子散热的能力。

另外，壳体上使用冲压技术在基板材料上形成的流道较为方便，与化学腐蚀、激光刻蚀等技术相比，尺寸稳定，互换性好，可在常温下进行，高效低耗，操作简单。

3D打印技术打印出的多孔材料稳定性，一体性较好。同时3D打印技术能提高生产率和降低生产成本，有助于本发明的量产。

扩散融合焊技术能无缝叠加换热板片，将两层板片叠加结合为一整体，成型的热管密封良好。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种热管散热装置，呈圆盘状，其特征在于，包括：

外壳以及多孔材料，

所述外壳具有蒸发端、多个绝热段、冷凝端，

所述蒸发端呈圆盘状，表面设置有工质充注口，

所述绝热段呈扇环形，截面呈矩形，所述绝热段的一端与所述蒸发端连通，另一端与所述冷凝端连通，

所述冷凝端呈圆环状，所述圆环内部是连通的，

相邻的所述绝热段之间具有空隙，靠近所述冷凝端的一侧空隙设置了多个散热翅片，

所述多孔材料采用3D打印技术制成，其材料为生物陶瓷或高分子海藻酸钠，其孔隙率在90％以上。

2.根据权利要求1所述的热管散热装置，其特征在于：

其中，所述散热翅片的肋片个数为5-8。

3.根据权利要求2所述的热管散热装置，其特征在于：

其中，所述散热翅片的类型为针肋。

4.根据权利要求1所述的热管散热装置，其特征在于：

其中，所述外壳采用不锈钢冲压形成。

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