CN111473670A - 热超导传热板及散热器 - Google Patents

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仝爱星
曾巧
唐必洪
孙会会
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Zhejiang Jiaxi Optoelectronic Equipment Manufacturing Co ltd
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Abstract

本发明提供一种热超导传热板及散热器，包括：散热基板及热超导传热板；热超导传热板包括复合板式结构的导热板，位于导热板一侧边缘的受热区域，位于导热板表面的冷凝散热及非管路空白区域；冷凝散热区域位于非管路空白区域的上方，冷凝散热区域的导热板中形成有散热管路，散热管路内填充有传热工质。本发明在主热源位置的附近设置正常的互相连通的散热管路，在主热源位置下部为空白的非管路区域，以此在不影响导热的前提下，尽量减少传热工质的用量，以便降低热超导传热板的成本和重量；同时传热工质量的减少，增加了热超导板内传热工质的启动和循环速率，使热超导板上部和下部温度差减小，提高了散热能力和效率。

Description

热超导传热板及散热器
技术领域
本发明涉及散热技术领域，特别是涉及一种热超导传热板及散热器。
背景技术
随着5G通讯技术的快速发展，功率元器件的集成度越来越高，功率密度也越来越大，加上产品的小型化、轻量化、高热流密度和器件均温等众多要求，现有的全铝片插齿散热器或压铸散热器体积大、比较笨重，同时存在散热不均和散热效率不高的缺点，已无法满足 5G通讯基站设备的散热要求。
热超导传热技术，包括在密闭的相互连通的微槽道系统内充装工作介质，通过工作介质的蒸发与冷凝相变实现热超导传热的相变传热技术；或通过控制密闭体系中工作介质微结构状态，即在传热过程中，液态介质的沸腾(或气态介质的冷凝)被抑制，并在此基础上达到工质微结构的一致性，而实现高效传热的相变抑制(PCI)传热技术。由于热超导技术的快速导热特性，其当量导热系数可达4000W/m℃以上，可实现整个热超导传热板的均温。
热超导翅片散热器是用热超导传热板作为散热翅片而组成的散热器，主要由散热器基板，设置在散热器基板上的多个热超导传热板组成，热源设置在散热器基板的另一平面上。热源的热量通过基板传导至多个散热翅片，再通过散热翅片将热量散发到周围环境中。由于热超导传热板为薄板结构，导热速率快、体积小、重量轻、翅片效率高，且翅片效率不随翅片的高度而变化，因此在5G基站设备散热上得到大量应用。
目前在5G基站设备散热器上的热超导传热板，结构如图1所示，多数采用六边形蜂窝状管路11结构，六边形蜂窝状管路11内填充有传热工质12。由于散热器是垂直安装使用，当散热器的主热源13a位于散热器的上部(副热源13b位于散热器的下部)时，要求热超导传热板内充填的传热工质的液位高度在主热源附件(不低于主热源的安装位置的下端)，才能及时将主热源的热量导出散掉。这样就要求传热工质的充填量多，增加了热超导传热板的成本和重量，造成不必要的浪费，同时由于主热源在上部，热超导传热板下部液体区内的传热工质不能参加导热循环，导致下部温度低，上下部温差大，散热效率降低。
因此，如何解决成本高、重量大、上下温差大、散热效果差等问题，已成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种热超导传热板及散热器，用于解决现有技术中成本高、重量大、上下温差大、散热器效果差等问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种热超导传热板，所述热超导传热板至少包括：
复合板式结构的导热板，所述导热板包括位于所述导热板一侧边缘的受热区域，位于所述导热板表面的冷凝散热区域及与非管路空白区域；
其中，所述冷凝散热区域位于所述非管路空白区域的上方，所述冷凝散热区域的导热板中形成有散热管路，所述散热管路内填充有传热工质。
可选地，所述非管路空白区域为整片无管路的复合板式结构的导热板。
可选地，所述非管路空白区域包括至少两个非管路子空白区域、第一连接管路及第二连接管路；各非管路子空白区域自上而下依次排布；所述第一连接管路设置于各非管路子空白区域的两侧，并与所述冷凝散热区域中的散热管路贯通连接；所述第二连接管路设置于各非管路子空白区域之间，且所述第二连接管路的两端分别与各非管路子空白区域两侧的所述第一连接管路贯通连接。
更可选地，所述第二连接管路的延伸方向与所述导热板的侧边斜交，且各第二连接管路临近所述受热区域的一端低于远离所述受热区域的一端。
更可选地，所述非管路空白区域中各非管路子空白区域的面积之和大于所述第一连接管路与所述第二连接管路的面积之和。
可选地，各冷凝散热区域的散热管路的形状为六边形蜂窝状、圆形蜂窝状、四边形蜂窝状、首尾串联的多个U形、菱形、三角形、圆环形、纵横交错的网状或其中任意一种以上的任意组合。
可选地，所述受热区域的导热板为折边结构。
更可选地，所述导热板为相变抑制散热板或相变散热板。
更可选地，所述冷凝散热区域的位置与主热源的安装位置对应。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供一种散热器，所述散热器至少包括：
散热基板以及若干上述热超导传热板；
所述散热基板的第一表面上设置有间隔排布的沟槽，各热超导传热板的受热区域一一对应插设于各沟槽内，且各热超导传热板沿垂直方向延伸；
所述散热基板的第二表面上设置有热源贴设区域。
可选地，所述第一表面与所述第二表面相对设置。
更可选地，所述热源贴设区域包括第一贴设区域及第二贴设区域，所述第一贴设区域的位置与所述冷凝散热区域对应，所述第二贴设区域的位置与所述非管路空白区域对应。
如上所述，本发明的热超导传热板及散热器，具有以下有益效果：
本发明的热超导传热板在主热源位置的附近设置正常的互相连通的散热管路，在主热源位置下部为空白的非管路区域(或者在非管路区域周边设置少量管路，而中间部分留有较大面积的空白区域)，以此在不影响导热的前提下，尽量减少传热工质的用量，以便降低热超导传热板的成本和重量；同时传热工质量的减少，增加了热超导板内传热工质的启动和循环速率，使热超导板上部和下部温度差减小，提高了散热能力和效率。
本发明的散热器采用上述热超导传热板，通过胶接、焊接、胀接和嵌齿等连接方式固定在散热基板上，组成用于通讯基站设备或供电设备的散热器，以解决发热功率器件位于散热器上部的散热问题并避免出现局部高温现象，提高整个散热器的散热效率和散热能力。
附图说明
图1显示为现有技术中的热超导传热板存在成本高、重量大、上下温差大、散热效果差等问题的的原理示意图。
图2显示为本发明的热超导传热板的一种结构示意图。
图3显示为本发明的热超导传热板的局部放大结构示意图。
图4显示为本发明的热超导传热板的另一种结构示意图。
图5显示为本发明的热超导传热板的又一种结构示意图。
图6显示为本发明的热超导传热板的再一种结构示意图。
图7显示为本发明的散热器的结构示意图。
图8显示为本发明的散热器中热超导传热板与散热基板连接的局部放大示意图。
元件标号说明
11 六边形蜂窝状管路
12 传热工质
13a 主热源
13b 副热源
2 热超导传热板
21 导热板
211 受热区域
212 冷凝散热区域
213 非管路空白区域
213a 非管路子空白区域
213b 第一连接管路
213c 第二连接管路
22 散热管路
23 传热工质
3 散热基板
4a 主热源
4b 副热源
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图2～图8。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例一
如图2所示，本实施例提供一种热超导传热板2，所述热超导传热板2包括：
导热板21，所述导热板21包括位于所述导热板21一侧边缘的受热区域211，位于所述导热板21表面的冷凝散热区域212及非管路空白区域213；其中，所述冷凝散热区域212位于所述非管路空白区域213的上方，所述冷凝散热区域212的导热板中形成有散热管路22，所述封闭管路22内填充有传热工质23。
如图2所示，所述导热板21为复合板式结构。所述导热板21包括至少两层板材，板材的数量可根据实际需要进行设置，在此不一一赘述。作为示例，所述导热板21基于热超导传热技术实现传热；一种热超导技术为在密封的相互连通的微槽道系统(即本实施例中所述的散热管路22)内充装所述传热工质，通过所述传热工质的蒸发或冷凝相变实现热超导传热的相变传热技术；另一种热超导技术为通过微槽道系统中所述传热工质微结构状态，即在传热过程中，液态的所述传热工质的沸腾(或气态的所述传热工质的冷凝)被抑制，并在此基础上达到所述传热工质微结构的一致性，而实现高效传热的相变抑制(PCI)传热技术。
如图2所示，所述导热板21的一侧边缘为受热区域211，在本实施例中，所述受热区域 211位于所述导热板21的左侧边缘。作为示例，所述受热区域211为折边结构，在实际使用中，所述受热区域211的结构不限，能实现热传导即可。
如图2所示，所述冷凝散热区域212的导热板21中形成有散热管路22，所述散热管路 22为所述复合板式结构中位于外侧的板材凸起形成的管道，所述散热管路22可采用单面吹胀或双面吹胀工艺制备，在此不一一赘述。所述冷凝散热区域212中散热管路22的形状包括但不限于六边形蜂窝状、圆形蜂窝状、四边形蜂窝状、首尾串联的多个U形、菱形、三角形、圆环形、纵横交错的网状或其中任意一种以上的任意组合，在本实施例中，采用六边形蜂窝状。作为示例，如图2所示，所述冷凝散热区域212在靠近所述受热区域211一侧的垂直方向上的长度覆盖(位置对应且长度数值大)或基本覆盖(位置基本对应且长度数值大) 主热源4a(所述热源用于说明本实施例的热超导传热板的原理，不包括在热超导传热板中)所在区域在垂直方向上的长度。
如图2所示，所述传热工质23设置于所述散热管路22中，作为示例，所述传热工质23 的上液面与所述主热源4a的上端基本持平就可以，在实际使用中，可根据实际需要设置所述传热工质23的充装量。作为示例，所述传热工质23为流体，优选地，所述传热工质23可以为气体或液体或气体与液体的混合物，更为优选地，本实施例中，所述传热工质23为液体与气体的混合物。
如图2所示，所述非管路空白区域213设置于所述冷凝散热区域212的下方，在本实施例中，所述非管路空白区域213包括至少两个非管路子空白区域213a、第一连接管路213b及第二连接管路213c。各非管路子空白区域213a自上而下依次排布。所述第一连接管路213b 设置于各非管路子空白区域213a的两侧，并与所述冷凝散热区域212中的散热管路22贯通连接；作为示例，位于各非管路子空白区域213a两侧的第一连接管路213b均为双排管路(也可设置为多排管路，不以本实施例为限)。所述第二连接管路213c设置于各非管路子空白区域213a之间，且所述第二连接管路213c的两端分别与各非管路子空白区域213a两侧的所述第一连接管路213b贯通连接；所述散热管路、所述第一连接管路及所述第二连接管路连通，形成密闭管路。由此可尽量减少热超导传热板下部的管道数量，以减少传热工质的充填量，增加启动速率，降低成本，同时考虑到副热源4b的散热，以及散热管路内部工质的循环流动，减小热超导板上部与下部的温度差。
作为示例，所述第二连接管路213c的延伸方向与所述导热板21的侧边斜交，且各第二连接管路213c临近所述受热区域211的一端低于远离所述受热区域211的一端。如图2所示，所述第二连接管路213c沿左右方向延伸，呈条状结构，且所述第二连接管路213c从左往右依次向上倾斜，由此可使传热工质23回流到靠近所述受热区域211的一侧(靠近热源附近)；所述第二连接管路213c包括多条管路，由此可提供多条回流路径，各条管路的倾斜方向一致。
作为示例，所述非管路空白区域213中各非管路子空白区域213a的面积之和大于所述第一连接管路213b与所述第二连接管路213c的面积之和。在实际使用中，可根据散热需求设置所述非管路空白区域213中空白区域与连接管路的面积比，不以本实施例为限。
本实施例的热超导传热板设置有冷凝散热区域212及非管路空白区域213，其中，冷凝散热区域212对应功率较大的主热源4a，非管路空白区域213对应功率相对较小的副热源4b，由此在确保主热源4a散热效率的基础上，减少热超导传热板的成本、重量，避免上下温差大、散热效果差的问题。如图3所示，工作时，设在上部的主热源4a将热量传导至主热源附近的冷凝散热区域212，冷凝散热区域212的散热管路22中传热工质23受热后发生相变而汽化，变成蒸汽向上流动而充满上部散热管路22区域内，与外部进行热交换后冷凝成液体，冷凝液体沿管路向下流动再流向主热源4a附近，因主热源4a温度较高，主热源4a附近的冷凝液体蒸发又变成气体向上部进行散热冷凝，如此循环从而源源不断将热量传导至热超导传热板各处散掉，冷凝液体在冷凝散热区域212内参与相变导热循环。由于主热源4a处散热管路22内传热工质23受热蒸发，产生的蒸汽泡与液相混合成气液两相混合物一起向上流动，靠近主热源4a侧下部的液体向上流动来补充因蒸发而减少的液体工质量，从而使热超导传热板下部连接管道内部传热工质流动起来。同时下部的副热源4b也会加热传热工质并汽化，加速液体工质的循环速率，从而减小了热超导传热板上下部分的温度差，提高了热超导传热板的均温性和散热能力。
实施例二
如图4所示，本实施例提供一种热超导传热板2，与实施例一的不同之处在于，各非管路子空白区域213a两侧的第一连接管路213b由双排管路改为单排管路，由此可增大了各非管路子空白区域213a的面积，进一步减少传热工质23的充填量，降低成本，同时加快热超导传热板的启动速率。
实施例三
如图5所示，本实施例提供一种热超导传热板2，与实施例二的不同之处在于，所述第二连接管路213c的数量减少，进而使得所述非管路子空白区域213a的数量减少为两个，进一步减少管路的设置，减少传热工质23的充填量，降低成本，同时加快热超导传热板的启动速率。
实施例三
如图6所示，本实施例提供一种热超导传热板2，与实施例一～二的不同之处在于，所述非管路空白区域213为整片无管路的复合板式结构的导热板，进一步减少传热工质23的充填量，降低成本，同时加快热超导传热板的启动速率。
由于所述副热源4b的功率相对于所述主热源4a比较小，即使在所述非管路空白区域213 不设置散热管路也可满足散热需求。在实际使用中，所述非管路空白区域213对应的位置可不设置热源，不以本实施例为限。
实施例四
如图7及图8所示，本发明提供一种散热器，所述散热器包括：
散热基板3以及若干上述热超导传热板2，所述散热基板3的第一表面上设置有间隔排布的沟槽，各热超导传热板2的受热区域一一对应插设于各沟槽内，且各热超导传热板沿垂直方向延伸；所述散热基板3的第二表面上设置有热源贴设区域。
具体地，在本实施例中，所述散热基板3为扁平结构，所述散热基板3的第一个表面设置有用于插设各热超导传热板2的沟槽(图中未显示)，第二表面上设置有用于安装发热器件的热源贴设区域。作为示例，所述第一表面与所述第二表面相对设置。所述发热器件包括但不限于功率器件。各沟槽在所述散热基板3的表面沿第一方向延伸，沿第二方向间隔排布，所述第一方向与所述第二方向垂直；在本实施例中，各沟槽与所述散热基板3的表面相垂直，在实际使用中，各沟槽也可相较于所述散热基板3的表面倾斜一定的角度，垂直仅用于表示方向趋势，并不意味着严格意义上的与水平面呈90°夹角，不以本实施例为限。
作为示例，所述散热基板3内埋设有烧结芯热管(未示出)。所述烧结芯热管为由一定目数的金属粉末烧结在一金属管的内壁上而形成的与管壁一体的烧结粉末管芯，烧结于所述金属管内部上的金属粉末形成吸液芯毛细结构，使得所述烧结芯热管具有较高的毛细抽吸力，使所述烧结芯热管的导热方向不受重力的影响，且烧结吸液芯毛细结构强化了蒸发吸热和冷凝放热，较大地提高了热管的导热能力和传输功率，使得所述烧结芯热管具有较大的轴向当量导热系数(是铜的几百倍到上千倍)。在所述散热基板3内埋设所述烧结芯热管，可以使得设置于所述散热基板3表面的发热器件产生的热量快速扩散至所述散热基板3的其他位置，使得所述散热基板3上热分布比较均匀，有效地提高了散热器的散热效率和散热能力。
具体地，各热超导传热板2的受热区域211垂直(也可具有一定倾角，不以本实施例为限)插入至所述沟槽内，且各热超导传热板2通过机械挤压工艺、导热胶粘结工艺或钎焊焊接工艺于所述散热器基板3固定连接，并尽量增加结合强度，减小结合热阻，提高散热器的散热能力和效率。
作为示例，所述热源贴设区域包括第一贴设区域及第二贴设区域，所述第一贴设区域的位置与所述冷凝散热区域对应，所述第二贴设区域的位置与所述非管路空白区域对应。在实际使用中，可仅设置第一贴设区域，或设置多个贴设区域，不以本实施例为限。
本实施例中所述的散热器的工作原理为：位于所述散热器基板3表面的热源工作时产生的热量经由所述烧结芯热管迅速传到至整个所述散热器基板3，所述散热器基板3将热量快速传导至各热超导传热板2，各热超导传热板2内的所述散热管路22中的所述传热工质将热量迅速传到至整个热超导传热板2的表面，再由流经热超导传热板2间隙的空气流将热量带走。各热超导传热板2的工作原理在此不一一赘述。
综上所述，本发明提供一种热超导传热板及散热器，包括：散热基板以及若干热超导传热板。热超导传热板包括复合板式结构的导热板，所述导热板包括位于所述导热板一侧边缘的受热区域，位于所述导热板表面的冷凝散热区域及与非管路空白区域；其中，所述冷凝散热区域位于所述非管路空白区域的上方，所述冷凝散热区域的导热板中形成有散热管路，所述散热管路内填充有传热工质。本发明的热超导传热板在主热源位置的附近设置正常的互相连通的散热管路，在主热源位置下部为空白的非管路区域(或者在非管路区域周边设置少量管路，而中间部分留有较大面积的空白区域)，以此在不影响导热的前提下，尽量减少传热工质的用量，以便降低热超导传热板的成本和重量；同时传热工质量的减少，增加了热超导板内传热工质的启动和循环速率，使热超导板上部和下部温度差减小，提高了散热能力和效率。本发明的散热器采用上述热超导传热板，通过胶接、焊接、胀接和嵌齿等连接方式固定在散热基板上，组成用于通讯基站设备或供电设备的散热器，以解决发热功率器件位于散热器上部的散热问题并避免出现局部高温现象，提高整个散热器的散热效率和散热能力。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (12)

1.一种热超导传热板，其特征在于，所述热超导传热板至少包括：
复合板式结构的导热板，所述导热板包括位于所述导热板一侧边缘的受热区域，位于所述导热板表面的冷凝散热区域及与非管路空白区域；
其中，所述冷凝散热区域位于所述非管路空白区域的上方，所述冷凝散热区域的导热板中形成有散热管路，所述散热管路内填充有传热工质。
2.根据权利要求1所述的热超导传热板，其特征在于：所述非管路空白区域为整片无管路的复合板式结构的导热板。
3.根据权利要求1所述的热超导传热板，其特征在于：所述非管路空白区域包括至少两个非管路子空白区域、第一连接管路及第二连接管路；各非管路子空白区域自上而下依次排布；所述第一连接管路设置于各非管路子空白区域的两侧，并与所述冷凝散热区域中的散热管路贯通连接；所述第二连接管路设置于各非管路子空白区域之间，且所述第二连接管路的两端分别与各非管路子空白区域两侧的所述第一连接管路贯通连接。
4.根据权利要求3所述的热超导传热板，其特征在于：所述第二连接管路的延伸方向与所述导热板的侧边斜交，且各第二连接管路临近所述受热区域的一端低于远离所述受热区域的一端。
5.根据权利要求3所述的热超导传热板，其特征在于：所述非管路空白区域中各非管路子空白区域的面积之和大于所述第一连接管路与所述第二连接管路的面积之和。
6.根据权利要求1所述的热超导传热板，其特征在于：各冷凝散热区域的散热管路的形状为六边形蜂窝状、圆形蜂窝状、四边形蜂窝状、首尾串联的多个U形、菱形、三角形、圆环形、纵横交错的网状或其中任意一种以上的任意组合。
7.根据权利要求1所述的热超导传热板，其特征在于：所述受热区域的导热板为折边结构。
8.根据权利要求1～7任意一项所述的热超导传热板，其特征在于：所述导热板为相变抑制散热板或相变散热板。
9.根据权利要求8所述的热超导传热板，其特征在于：所述冷凝散热区域的位置与主热源的安装位置对应。
10.一种散热器，其特征在于，所述散热器至少包括：
散热基板以及若干如权利要求1～9任意一项所述的热超导传热板；
所述散热基板的第一表面上设置有间隔排布的沟槽，各热超导传热板的受热区域一一对应插设于各沟槽内，且各热超导传热板沿垂直方向延伸；
所述散热基板的第二表面上设置有热源贴设区域。
11.根据权利要求10所述的散热器，其特征在于：所述第一表面与所述第二表面相对设置。
12.根据权利要求10或11所述的散热器，其特征在于：所述热源贴设区域包括第一贴设区域及第二贴设区域，所述第一贴设区域的位置与所述冷凝散热区域对应，所述第二贴设区域的位置与所述非管路空白区域对应。
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