CN110678037A - 一种大功率电子元器件三维超导散热器及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种大功率电子元器件三维超导散热器及其工作方法，其包括超导基板(1)和多个与所述超导基板(1)相连的超导翅片(2)，所述超导基板(1)包括第一封闭腔体(11)，所述第一封闭腔体(11)内设置有工作介质(3)，所述超导翅片(2)包括第二封闭腔体(21)，所述第二封闭腔体(21)内设置有工作介质(3)，所述工作介质(3)在常温下为液相。本发明的大功率电子元器件三维超导散热器及其工作方法，能有效的提高散热器翅片的散热效率，同时也能有效的降低基板的扩散热阻。

Description

一种大功率电子元器件三维超导散热器及其工作方法

技术领域

本发明涉及电子器件散热领域，特别涉及一种大功率电子元器件三维超导散热器及其工作方法。

背景技术

随着科学技术的不断革新，现代电子设备的发展主要朝着集成化、微型化、轻量化、封装密封以及高速高频的方向发展。电子器件的集成度日益增长，从而导致芯片或模块单位面积的耗散功率越来越大，表面热流密度不断提高。目前，在一些大功率元件上的热流密度甚至达到2×106W/m2。系统热量的快速堆积对电子芯片系统的研发与应用产生了巨大影响，由于快速增加的热量不能有效的散出去，当不断累积的热量超过电子元器件的额定工作温度时，其可靠性将会显著下降，导致很多电子产品的使用寿命明显下降，更严重的情况是导致产品的直接失效，不利于社会的生产生活需要。

根据相关研究表明，电子器件的失效率与温度成指数关系。相关的电子设备不仅对温度的高低要严格要求，另外对温度分布的均匀性也提出了较高的要求。由于电子设备内部温度分布不均，往往导致其内部零件产生热应力以及热变形，使电子设备产生疲劳损伤、裂纹甚至破坏性的断裂，对电子设备的寿命和性能造成不利影响，影响整个系统的正常与稳定运行。

目前，比较常见的电子元器件散热方式是采用铝翅片散热器(型材散热器、插片散热器等)进行散热。如前所述，电子电气产品的集成化程度越来越高，导致电子产品热控制的条件越来越苛刻，某些条件下，采用常规的翅片式散热器进行散热已无法满足要求，因此寻求更为有效的散热技术成为许多电子产品开发的关键。

当前常规翅片式散热器主要存在两个问题亟待解决。第一，由于翅片材料导热系数的限制，决定了在大功率散热时无法实现更高的翅片效率。翅片材料通常为铝或铝合金，其导热系数均在237W/(m·K)以下。而翅片效率受到导热系数的制约，采用较高导热系数的翅片将带来更高的翅片效率。但若采用常规金属材料(如银、铜等)替换铝，一方面成本太高，另一方面可能带来重量增大等问题。从数据上说，紫铜的导热系数约为385(W/m·K)、银约为410(W/m·K)，而这些材料的热量传导能力与铝相比并没有实现数量级的飞跃，远远满足不了目前技术发展和电子元器件高热流密度情况所产生的更高要求与挑战。因此，针对热流密度越来越高的电子器件来说，想要通过普通的散热方式将热量及时有效的散出去已经变得难以满足。第二，同样由于材料导热系数的限制问题，导致在热源面积小于基板面积时，散热器扩散热阻较大，无法实现各翅片根部温度的一致，通常靠近热源的翅片温度较高，而远离热源的温度较低，进一步降低了散热器的散热性能。

目前本领域其他相关专利在设计时，大多只考虑基板或只考虑翅片的优化，却忽视了二者之间的耦合关系。当基板扩散热阻较大时，即便翅片的导热能力大幅增强，由于热量无法传递到基板边缘部位，因此翅片的散热效果无法实现最大化；另一方面，如果只考虑基板的优化，将基板的扩散热阻大幅降低，但是翅片依然采用常规实心翅片，那么翅片效率与常规散热器相比不会有显著提高，所以依然无法实现最高效的散热。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的上述缺陷，提供一种大功率电子元器件三维超导散热器及其工作方法，能有效的提高散热器翅片的散热效率，同时也能有效的降低基板的扩散热阻。

为了实现上述发明目的，一方面，本发明提出了一种大功率电子元器件三维超导散热器，其包括超导基板和多个与所述超导基板相连的超导翅片，所述超导基板包括第一封闭腔体，所述第一封闭腔体内设置有工作介质，所述超导翅片包括第二封闭腔体，所述第二封闭腔体内设置有工作介质，所述工作介质在常温下为液相。

进一步地，所述超导基板包括底板、对称设置在所述底板两侧的侧框以及连接在所述侧框之间的插槽板，所述底板、侧框以及插槽板紧密连接形成所述第一封闭腔体。

进一步地，所述超导基板还包括紧贴于所述底板上表面的第一多孔介质。

进一步地，所述插槽板上设置有多个插槽，所述超导翅片的底部插入所述插槽中，并紧密贴合。

进一步地，所述插槽上表面和下表面分别延伸形成第一凸台和第二凸台，所述第一凸台上设置有开口，所述第二凸台无开口。

进一步地，所述超导翅片包括支撑板和与所述支撑板四周紧密封接的侧板。

进一步地，所述侧板上设置有至少一个凸出表面，所述凸出表面与所述支撑板紧密贴合，所述侧板的其余部分与所述支撑板之间形成所述第二封闭腔体。

进一步地，所述第二封闭腔体内的支撑板表面覆盖有第二多孔介质。

进一步地，所述工作介质为低沸点的有机工质。

另一方面，本发明还提出一种大功率电子元器件三维超导散热器的工作方法，所述超导基板还包括底板、插槽板以及第一多孔介质；所述超导翅片还包括第二多孔介质；

所述工作方法包括以下步骤：

S1：所述底板吸收热量并传递给所述工作介质，所述工作介质的液相吸热后汽化，蒸汽迅速向所述第一封闭腔体四周扩散；

S2：所述蒸汽到达所述插槽板的下表面时，凝结成液体，同时将热量释放给插槽板，所述液体滴落至所述第一多孔介质，继续受热汽化，形成一个循环；

S3：所述插槽板将热量传递给所述超导翅片的底部，所述第二封闭腔体内的工作介质液相吸热后汽化，蒸汽沿着所述第二封闭腔体向上扩散；

S4：所述蒸汽在整个超导翅片上部表面凝结成液体，将热量释放，凝结液因重力或所述第二多孔介质的毛细抽力而回流至所述超导翅片底部，继续吸热汽化，形成另一个循环。

相比于现有技术，本发明的优点在于：

(1)同时采用了超导基板和超导翅片，分别通过超导基板第一封闭腔体内部的工作介质的汽化，以及超导翅片第二封闭腔体内部的工作介质吸收大量的热量并发生汽化，使得整个散热器实现了三维超导，散热器所有部位都处在较高的温度，使得散热器的散热能力达到最大化。

(2)超导翅片采用多点连接结构，支撑板和侧板并未完全分离，可以使其能够在不工作时承受外部压力不至于被压扁，工作时承受内部蒸汽压力而不至于向外变形，大大提高了两板面的承压能力。

(3)插槽板采用的上下凸台式结构，一方面使得超导翅片的根部可以最大限度的深入超导基板第一封闭腔体的内部，从而提高翅片根部的温度，达到降低热阻的效果；另一方面，当蒸汽凝结于插槽板底面时，可以沿着多个第二凸台的表面下滑滴落，从而可以更加均匀地回流至设置在底板上的多孔介质中，避免了液体集中在某一处滴落的情况发生，防止传热恶化，提高基板的传热性能。

(4)同等散热条件下，能有效减少散热器的体积和重量，实现了大功率电子元器件散热器的小型化和轻量化。

附图说明

图1是本发明一种大功率电子元器件三维超导散热器的结构示意图。

图2是本发明图1中A部的局部放大图。

图3是本发明实施例一中超导翅片的结构示意图。

图4是本发明实施例一中超导翅片的正视图。

图5是本发明图4的B-B剖面结构示意图。

图6是本发明图5中b部的局部放大图。

图7是本发明图4的C-C剖面结构示意图。

图8是本发明图7中c部的局部放大图。

图9是本发明实施例二中超导翅片的正视图。

图10是本发明图9的D-D剖面结构示意图。

图11是本发明图10中d部的局部放大图。

图12是本发明图9的E-E剖面结构示意图。

图13是本发明图12中e部的局部放大图。

具体实施方式

以下结合较佳实施例及其附图对本发明技术方案作进一步非限制性的详细说明。

实施例一：

如图1所示，对应于本发明一种较佳实施例的大功率电子元器件三维超导散热器，其包括超导基板1和多个与超导基板1相连的超导翅片2，其中超导基板1包括底板12、对称设置在底板12两侧的侧框13以及连接在侧框13之间的插槽板14，底板12、侧框13以及插槽板14材质为铝且紧密连接形成第一封闭腔体11，具体地，底板12、侧框13以及插槽板14的长度和宽度一致。底板12上表面紧贴有第一多孔介质15，第一多孔介质15优选为金属毡。在第一封闭腔体11内设置有工作介质3，工作介质3优选为低沸点的有机工质，超导基板1内部无不凝性气体，第一封闭腔体11中的流体仅包含工作介质3的液相和汽相。

如图2所示，插槽板14上设置有多个插槽141，超导翅片2的底部插入插槽141中，并紧密贴合。进一步地，插槽141上表面和下表面分别延伸形成第一凸台141a和第二凸台141b，其中第一凸台141a上设置有开口，使得超导翅片2的根部可以最大限度的深入超导基板1第一封闭腔体11的内部，达到降低热阻的效果；第二凸台141b无开口，当蒸汽凝结于插槽板14底面时，可以沿着多个第二凸台的表面下滑滴落，从而可以更加均匀地回流至设置在底板12上的第一多孔介质15中，避免了液体集中在某一处滴落的情况发生，防止传热恶化，提高基板的传热性能。具体地，插槽141的宽度与超导翅片2的底部厚度一致，插槽141的长度与超导翅片2的宽度一致，使超导翅片2能更好的紧密贴合在插槽141中。

如图3至图8所示，超导翅片2包括支撑板22和与支撑板22四周紧密封接的侧板23，两者优选材质为铝。其中侧板23上设置有多个圆形凸出表面231，圆形凸出表面231与支撑板22紧密贴合，侧板23上除与支撑板22贴合的部分外与支撑板22之间形成一连通的第二封闭腔体21，支撑板22和侧板23之间并未完全分离，提高了两板之间的承压能力，在超导翅片2整体厚度较薄，长宽尺寸较大时，不会因为承受正压或负压而发生严重变形的情况。

第二封闭腔体21内的支撑板22表面覆盖有第二多孔介质24，第二多孔介质24优选为金属丝网。第二封闭腔体21内无不凝性气体，仅设置有工作介质3，工作介质3优选为低沸点的有机工质，第二封闭腔体21内的流体仅包含工作介质3的液相和汽相。

常温下，第一封闭腔体11和第二封闭腔体21中的工作介质3为液相。

本实施例的大功率电子元器件三维超导散热器在工作方法包括以下步骤：

S1：热源由超导基板1底部的底板12的下表面将热量传递给底板12，底板12吸热后，将热量传递给第一多孔介质15及其中的工作介质3，工作介质3的液相吸热后汽化，蒸汽迅速向超导基板1的第一封闭腔体11四周扩散；

S2：蒸汽到达插槽板14的下表面时，凝结成液体，同时将热量释放给插槽板14，凝结液沿着插槽板14底部的第二凸台141b表面流下，并因重力滴落至第一多孔介质15表面，继续受热汽化，从而形成一个循环；

S3：插槽板14吸热后，继续将热量传递给超导翅片2的底部，超导翅片2吸热后，第二封闭腔体21内的工作介质3液相吸热后汽化，蒸汽沿着超导翅片中的第二封闭腔体21向上扩散；

S4：蒸汽在整个超导翅片2上部表面凝结成液体，将热量释放，凝结液因重力或第二多孔介质24的毛细抽力而回流至超导翅片2底部，继续吸热汽化，从而形成一个循环。

实施例二：

如图9至图13所示，为本发明的另一种具体实施例。本实施例和实施例一结构基本相同，区别在于：本实施例中的超导翅片2的结构有所变化，其侧板23的凸出表面231设计成长条形。这种设计将使得超导翅片2中第二多孔介质24更容易加工成型，使第二封闭腔体21总体积与实施例一相比有一定的减小。

本发明的大功率电子元器件三维超导散热器及其工作方法，通过超导基板第一封闭腔体内部的工作介质的汽化，将热源热量迅速带走，然后通过在插槽板上的凝结，均匀地释放热量，整个基板的扩散热阻与常规实心基板相比大幅减小，基板表面温度几乎保持均匀，实现了二维的超导，解决了常规基板对于集中热源的热量扩散难题；进一步的，还保证了所有散热翅片得到几乎相同的热量，可进一步提高整个散热器的翅片效率。

并且引入超导翅片，超导翅片第二封闭腔体内部的工作介质吸收大量的热量并发生汽化，使翅片上下两端的温差大幅减小，显著提高了翅片从底部向顶部传热的能力，实现了另一维度的超导。

正因为同时采用了超导基板和超导翅片，使得整个散热器实现了三维超导，散热器所有部位都处在较高的温度，使得散热器的散热能力达到最大化。同等散热条件下，散热器的体积可减少30％以上，重量可减少50％以上，实现了大功率电子元器件散热器的小型化和轻量化。

需要指出的是，上述较佳实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种大功率电子元器件三维超导散热器，其特征在于：其包括超导基板(1)和多个与所述超导基板(1)相连的超导翅片(2)，所述超导基板(1)包括第一封闭腔体(11)，所述第一封闭腔体(11)内设置有工作介质(3)，所述超导翅片(2)包括第二封闭腔体(21)，所述第二封闭腔体(21)内设置有工作介质(3)，所述工作介质(3)在常温下为液相。

2.按照权利要求1所述大功率电子元器件三维超导散热器，其特征在于：所述超导基板(1)包括底板(12)、对称设置在所述底板(12)两侧的侧框(13)以及连接在所述侧框(13)之间的插槽板(14)，所述底板(12)、侧框(13)以及插槽板(14)紧密连接形成所述第一封闭腔体(11)。

3.按照权利要求2所述大功率电子元器件三维超导散热器，其特征在于：所述超导基板(1)还包括紧贴于所述底板(12)上表面的第一多孔介质(15)。

4.按照权利要求2所述大功率电子元器件三维超导散热器，其特征在于：所述插槽板(14)上设置有多个插槽(141)，所述超导翅片(2)的底部插入所述插槽(141)中，并紧密贴合。

5.按照权利要求4所述大功率电子元器件三维超导散热器，其特征在于：所述插槽(141)上表面和下表面分别延伸形成第一凸台(141a)和第二凸台(141b)，所述第一凸台(141a)上设置有开口，所述第二凸台(141b)无开口。

6.按照权利要求1所述大功率电子元器件三维超导散热器，其特征在于：所述超导翅片(2)包括支撑板(22)和与所述支撑板(22)四周紧密封接的侧板(23)。

7.按照权利要求6所述大功率电子元器件三维超导散热器，其特征在于：所述侧板(23)上设置有至少一个凸出表面(231)，所述凸出表面(231)与所述支撑板(22)紧密贴合，所述侧板(23)的其余部分与所述支撑板(22)之间形成所述第二封闭腔体(21)。

8.按照权利要求7所述大功率电子元器件三维超导散热器，其特征在于：所述第二封闭腔体(21)内的支撑板(22)表面覆盖有第二多孔介质(24)。

9.按照权利要求1所述大功率电子元器件三维超导散热器，其特征在于：所述工作介质(3)为低沸点的有机工质。

10.一种按照权利要求1至9任一项所述的大功率电子元器件三维超导散热器的工作方法，其特征在于：所述超导基板(1)还包括底板(12)、插槽板(14)以及第一多孔介质(15)；所述超导翅片(2)还包括第二多孔介质(24)；

所述工作方法包括以下步骤：

S1：所述底板(12)吸收热量并传递给所述工作介质(3)，所述工作介质(3)的液相吸热后汽化，蒸汽迅速向所述第一封闭腔体(11)四周扩散；

S2：所述蒸汽到达所述插槽板(14)的下表面时，凝结成液体，同时将热量释放给插槽板(14)，所述液体滴落至所述第一多孔介质(15)，继续受热汽化，形成一个循环；

S3：所述插槽板(14)将热量传递给所述超导翅片(2)的底部，所述第二封闭腔体(21)内的工作介质(3)液相吸热后汽化，蒸汽沿着所述第二封闭腔体(21)向上扩散；

S4：所述蒸汽在整个超导翅片(2)上部表面凝结成液体，将热量释放，凝结液因重力或所述第二多孔介质(24)的毛细抽力而回流至所述超导翅片(2)底部，继续吸热汽化，形成另一个循环。

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