CN111651956A - 一种基于介质相变传热的板卡组件及包括其的电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于介质相变传热的板卡组件及包括其的电子设备，其特征在于，包括均热板、PCB板、风冷散热件；均热板内部型腔充满易于产生相变的介质，在介质吸收热量之后液体介质会汽化，吸收大量的热量。PCB板上产生的热量通过热传递传给均热板，均热板内部型腔距离发热器件的距离近，且介质相变吸收的热量大，热转换效率高，使得本发明的板卡组件能够承受的热流密度大，板卡散热效率高，热负载温度梯度小，可以迅速将器件上的热量进行转化。本发明的基于介质相变传热的板卡组件适应性强，为目前板卡散热设计提供了新的思路。

Description

一种基于介质相变传热的板卡组件及包括其的电子设备

技术领域

本发明属于板卡领域，具体涉及一种基于介质相变传热的板卡组件，主要用于计算机、控制器、交换机、通讯设备、电力电子、雷达设备等功能设备内印制板电路的散热，特别适用于高功率、高密度电子设备内印制板电路的散热，确保其具有良好的工作环境。

背景技术

随着电子技术的快速发展，电子设备集成度进一步提高，功率不断加大，特殊领域电子装备小型化需要，结构设计朝着小型组装方向发展，单位面积的功率不断增大，热流密度也成倍的增加。大量的热耗如果不能及时散发出去，将极大地影响电子设备的可靠性。

印制板电路是一种高度集成的应用电路，PCB板卡上焊接的电阻、电源模块和芯片等器件在工作过程中会产生一定的热量，随着温度的增加，PCB板卡工作的可靠性和正常工作寿命将急剧降低，而实施有效的热控制措施是提高设备工作可靠性的关键措施，PCB板卡的热控制尤为重要。

目前PCB板卡的散热方式通常为风冷，在某些领域可能用到热管和液冷散热。风冷的冷却系统结构简单、紧凑，成本低，受外形尺寸的限制，所提供的风量有限，适合热流密度较低的场合，液冷结构复杂、成本高，需额外增加液冷源，但是其散热效率非常高，可随液冷源的参数进行调节。目前风冷和液冷都已经应用于PCB板卡的散热，但是这种冷却方式在板卡技术领域有一定的局限性：

1、自然风冷热传递路径长，整个散热路径热阻大；

2、强迫风冷需设计风道，合理的风道才能提供足够的风流进行良好的冷却；

3、强迫风冷是开放的冷却方式，使灰尘、湿气等负面因素带入板卡工作环境；

4、自然风冷和强迫风冷自身散热能力的局限性限制了板卡的设计，在板卡设计时需充分论证板卡的散热能力，由于空间限制会给结构设计造成很大压力；

5、液冷散热方式需要增加额外的液冷源，包括冷凝器、液体泵、储液箱、控制器等组成，结构复杂，应用领域受到限制，同时应用成本非常高；

6、液冷散热方式需要对板卡结构进行流道设计，在目前广泛应用的CPCI/CPCIE总线标准6U板卡条件下难以实现，需增大板卡高度尺寸，同时还需进行防渗液设计，对结构设计要求非常高。

发明内容

针对现有技术以上缺陷或改进需求中的至少一种，本发明提供了一种基于介质相变传热的板卡组件，均热板、PCB板、垫片、散热器、轴流风机。基于介质相变板卡组件的均热板内部型腔充满易于产生相变的介质，在介质吸收热量之后液体介质会汽化，吸收大量的热量。PCB板上产生的热量通过热传递传给均热板，均热板内部型腔距离发热器件的距离近，且介质相变吸收的热量大，热转换效率高，使得本发明的板卡组件能够承受的热流密度大，板卡散热效率高，热负载温度梯度小，可以迅速将器件上的热量进行转化。本发明所述的基于介质相变传热的板卡组件适应性强，为目前板卡散热设计提供了新的思路。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于介质相变传热的板卡组件，其特征在于，包括均热板、PCB板、风冷散热件；所述PCB板安装在所述均热板上，且与所述均热板具有若干热源贴合面；所述均热板外观上为一大致平面板状物体，内壁形成密闭腔体，腔体内层叠有多层铜网，腔体内填充有液体相变材料作为传热介质；所述均热板上还安装有风冷散热件；所述PCB板上的发热器件开始工作后，发热器件产生的热量通过热传递的方式传递给所述均热板，接近热源的周遭的液体相变材料介质吸收热量气化成蒸气，带走热能；当均热板内的蒸气由高压区域延板内空腔扩散到低压区即低温区，蒸气凝结成液体并放出热量，实现热量的传递；均热板的低温区放热后，热量传递到均热板的风冷散热件上，通过热对流的形式将风冷散热件上的热量带走，实现热量从均热板到环境的热交换。

优选地，所述多层铜网中至少存在部分与其它层目数不同的铜网。

优选地，所述PCB板包括底板、计算机板、支撑柱、电源模块、桥芯片、芯片处理器；所述计算机板通过若干所述支撑柱固定在所述底板上；所述桥芯片、芯片处理器设置在所述计算机板上；所述底板上还设置有电源模块；所述桥芯片、芯片处理器、电源模块作为发热器件与所述均热板发生热交换。

优选地，所述桥芯片、芯片处理器、电源模块与所述均热板的贴合面之间涂抹高导热系数的导热硅脂，确保热源与热传递的路径紧密贴合，减小由于装配引起的导热热阻。

优选地，还包括垫片；所述垫片安装在所述均热板和所述PCB板之间，在板卡组件安装和使用过程中防止由于工作而形成的相对运动磨损PCB板的接触面，保护电路部分。

优选地，所述风冷散热件包括散热器和轴流风机；

所述散热器设置在所述均热板表面，所述轴流风机固定在所述散热器上。

优选地，所述散热器包括多个散热器翅片，所述轴流风机产生的风流从散热器翅片通过热对流的形式将翅片上的热量带走，实现热量从均热板到环境的热交换。

优选地，所述均热板和散热器进行一体化设计，在生产均热板时，散热器的结构尺寸直接融入到均热板几何特征中。

为实现上述目的，按照本发明的另一个方面，还提供了一种电子设备，其特征在于：包括如前所述的基于介质相变传热的板卡组件，所述板卡组件配置为所述电子设备的一个封闭表面，安装在所述均热板正面的所述PCB板、风冷散热件均位于所述电子设备的内部。

优选地，所述均热板的背面安装有提手。

上述优选技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

1、本发明的基于介质相变传热的板卡组件，板卡组件的均热板内部型腔充满易于产生相变的介质，在介质吸收热量之后液体介质会汽化，吸收大量的热量。PCB板上产生的热量通过热传递传给均热板，均热板内部型腔距离发热器件的距离近，且介质相变吸收的热量大，热转换效率高，使得本发明的板卡组件能够承受的热流密度大，板卡散热效率高，热负载温度梯度小，可以迅速将器件上的热量进行转化。

2、本发明的改进可以使PCB板的设计师在设计板卡时扩大板卡整体的功率，冗余设计范围更大，且高功率、高功率密度的器件在设计时提供了新的散热思路，同时为设备的结构工程师提供新的散热方法与散热实现方式。

3、本发明的基于介质相变传热的板卡组件，实现方式合理可行，适应性强，能够普遍用于目前的各板卡组件中，尤其适用于热转化效率要求较高的器件的板卡组件中，具有良好的应用价值和推广前景。

附图说明

图1是本发明实施例的基于介质相变传热的板卡组件的装配示意图；

图2是本发明实施例的基于介质相变传热的板卡组件的分解示意图；

图3是本发明实施例的基于介质相变传热的板卡组件的均热板模型示意图；

图4是本发明实施例的基于介质相变传热的板卡组件的PCB板示意图；

图5是本发明实施例的包括基于介质相变传热的板卡组件的电子设备装配示意图；

图6是本发明实施例的包括基于介质相变传热的板卡组件的电子设备一个角度的分解示意图；

图7是本发明实施例的包括基于介质相变传热的板卡组件的电子设备另一个角度的分解示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面结合具体实施方式对本发明进一步详细说明。

作为本发明的一种较佳实施方式，如图1-7所示，本发明提供一种基于介质相变传热的板卡组件，用于PCB板的安装、散热及固定，为PCB板的安装及散热提供一种新的解决方法，该板卡组件由均热板1、PCB板2、垫片3、散热器4、轴流风机5组成，其效果如图1-2所示。

所述的均热板1如图1-3所示，是介质相变散热方式下热交换最重要的部分，均热板1是一个内壁具有细微结构的腔体，由铜网制成，多层目数不同的铜网层叠在一起，形成均热板1的细微结构腔体。均热板1外观上为一平面板状物体，造型外廓上可以根据散热环境设计，可以在足够大的平面内布置均热板1，将均热板1吸收液体相变材料工质，安装在一密闭区域。当热由热源传导至均热板1的蒸发区域时，腔体内的冷却液体在低压真空的环境中受热后开始产生冷却液汽化的现象，此时吸收热量并且体积迅速膨胀，气相的介质迅速充满整个均热板1安装的密闭腔体内，当气相的介质接触到一个比较冷的区域(远离热源的位置)会产生冷凝现象，通过冷凝的现象释放出在蒸发时积累的热量，冷凝后的液体介质会借由均热板1微结构毛细管再回到蒸发热源处，次运作将在腔体内周而复始进行。

所述的PCB板2包含印制板组件和对外接口组件，印制板组件作为电子元器件的载体，板卡实现一定的功能，同时板卡上的器件会产生一定的功耗。对外接口组件主要是实现印制板组件与外部单元之间的通讯、供电、传输等功能。PCB板2通过螺钉连接到均热板1的PCB板安装面21上，螺钉会装上弹垫、平垫和胶木垫进行防松和绝缘处理。

如图2-4所示，PCB板2主要包括底板6、计算机板7、支撑柱8、电源模块9、龙芯桥芯片10、龙芯处理器11。电源模块9焊接在底板6印制板电路上，龙芯桥芯片10、龙芯处理器11焊接在计算机板7的印制板电路上，其中电源模块9、龙芯桥芯片10、龙芯处理器11是PCB板上主要的发热器件，是整个板卡组件的热源，与均热板1的热源贴合面22处涂有硅脂。支撑柱8通过螺钉安装在底板6上，计算机板7通过螺钉安装在支撑柱8上，构成实施例中的PCB板。

所述的垫片3是一种由胶木板加工成具有一定形状特征的零件，安装在均热板1和PCB板2之间，在板卡组件安装和使用过程中防止由于工作而形成的相对运动磨损PCB板2的接触面，保护电路部分。

所述的散热器4将均热板1吸收的热量传递到外界，为减小散热器4和均热板1之间的接触热阻，将均热板1和散热器4进行一体化设计，在生产均热板1时，散热器4的结构尺寸直接融入到均热板1几何特征中，即均热板1上具有一个散热器4。

所述的轴流风机5固定在散热器4上，轴流风机5工作产生的气流能够提高散热器4周围空气的流动速度，提高散热器4的工作效率。

基于介质相变传热的板卡组件其安装、工作方式如下：

安装方式：基于介质相变传热的板卡组件其安装方式取决于均热板1的接口，本方案中的安装方式是通过螺纹紧固的方式将均热板1与外部结构连接，均热板1与外部结构的接口通过具体的产品结构布局进行安装。

工作方式：装配完成的板卡组件实现功能性的连接，PCB板2上的发热器件开始工作，PCB板2上的发热器件与均热板1贴合，贴合的时候会在发热器件的散热面涂抹高导热系数的硅脂，确保热源与热传递的路径紧密贴合，减小由于装配引起的导热热阻。发热器件产生的热量通过热传递的方式传递给均热板1后，均热板1发挥其传热特性开始工作，接近热源的周遭的液体介质会迅速地吸收热量气化成蒸气，带走大量的热能。当板内的蒸气由高压区域延板内空腔扩散到低压区(即低温区)，蒸气会迅速凝结成液体并放出热量，实现热量的传递。

均热板1的低温区放热后，热量传递到均热板1的散热器4上，安装在散热器4上的轴流风机5产生的强大的风流从散热器4翅片41通过热对流的形式将翅片上的热量带走，实现热量从均热板1到环境的热交换。

本发明的技术效果：作为本发明的改进，板卡组件的均热板1内部型腔充满易于产生相变的介质，在介质吸收热量之后液体介质会汽化，吸收大量的热量。PCB板上产生的热量通过热传递传给均热板1，均热板1内部型腔距离发热器件的距离近，且介质相变吸收的热量大，热转换效率高，使得本发明的板卡组件能够承受的热流密度大，板卡散热效率高，热负载温度梯度小，可以迅速将器件上的热量进行转化。本发明的改进可以使PCB板的设计师在设计板卡时扩大板卡整体的功率，冗余设计范围更大，且高功率、高功率密度的器件在设计时提供了新的散热思路，同时为设备的结构工程师提供新的散热方法与散热实现方式。

本发明的推广应用价值：

本发明所述的基于介质相变传热的板卡组件实现方式合理可行，适应性强，能够普遍用于目前的各板卡组件中，尤其适用于热转化效率要求较高的器件的板卡组件中，具有良好的应用价值和推广前景。

如图5-7所示为按照本发明实施的电子设备12的示意图，主要包括提手13、实施例板卡组件14以及实施例设备12的其余部组件组成。其中实施例板卡组件14即本发明所述的基于介质相变传热的板卡组件。实施例板卡组件14的卡板组件安装面141处通过螺钉安装到实施例设备12上，装配时电源模块9、龙芯桥芯片10、龙芯处理器11和均热板1的贴合面之间涂抹高导热系数的导热硅脂，且涂抹的厚度有很薄，保证器件和贴合面完全贴合即可。装配完成后电源模块9、龙芯桥芯片10、龙芯处理器11产生的热量通过热传递的方式传递给均热板1，均热板1发挥其传热特性开始工作，接近热源的周遭的液体介质会迅速地吸收热量气化成蒸气，带走大量的热能，将电源模块9、龙芯桥芯片10、龙芯处理器11壳体上的热量带走，实现发热器件的散热。当均热板1板内的蒸气由高压区域延板内空腔扩散到低压区(即低温区)，蒸气会迅速凝结成液体并放出热量，均热板1在低温区放热后，热量传递到均热板1的散热器上，安装在散热器上的轴流风机产生的强大的风流从散热器翅片通过热对流的形式将翅片上的热量带走，实现热量从均热板1到环境的热交换。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于介质相变传热的板卡组件，其特征在于，包括均热板、PCB板、风冷散热件；所述PCB板安装在所述均热板上，且与所述均热板具有若干热源贴合面；所述均热板外观上为一大致平面板状物体，内壁形成密闭腔体，腔体内层叠有多层铜网，腔体内填充有液体相变材料作为传热介质；所述均热板上还安装有风冷散热件；所述PCB板上的发热器件开始工作后，发热器件产生的热量通过热传递的方式传递给所述均热板，接近热源的周遭的液体相变材料介质吸收热量气化成蒸气，带走热能；当均热板内的蒸气由高压区域延板内空腔扩散到低压区即低温区，蒸气凝结成液体并放出热量，实现热量的传递；均热板的低温区放热后，热量传递到均热板的风冷散热件上，通过热对流的形式将风冷散热件上的热量带走，实现热量从均热板到环境的热交换。

2.如权利要求1所述的基于介质相变传热的板卡组件，其特征在于：

所述多层铜网中至少存在部分与其它层目数不同的铜网。

3.如权利要求1所述的基于介质相变传热的板卡组件，其特征在于：

所述PCB板包括底板、计算机板、支撑柱、电源模块、桥芯片、芯片处理器；所述计算机板通过若干所述支撑柱固定在所述底板上；所述桥芯片、芯片处理器设置在所述计算机板上；所述底板上还设置有电源模块；所述桥芯片、芯片处理器、电源模块作为发热器件与所述均热板发生热交换。

4.如权利要求3所述的基于介质相变传热的板卡组件，其特征在于：

所述桥芯片、芯片处理器、电源模块与所述均热板的贴合面之间涂抹高导热系数的导热硅脂，确保热源与热传递的路径紧密贴合，减小由于装配引起的导热热阻。

5.如权利要求3所述的基于介质相变传热的板卡组件，其特征在于：

还包括垫片；所述垫片安装在所述均热板和所述PCB板之间，在板卡组件安装和使用过程中防止由于工作而形成的相对运动磨损PCB板的接触面，保护电路部分。

6.如权利要求1所述的基于介质相变传热的板卡组件，其特征在于：

所述风冷散热件包括散热器和轴流风机；

所述散热器设置在所述均热板表面，所述轴流风机固定在所述散热器上。

7.如权利要求6所述的基于介质相变传热的板卡组件，其特征在于：

所述散热器包括多个散热器翅片，所述轴流风机产生的风流从散热器翅片通过热对流的形式将翅片上的热量带走，实现热量从均热板到环境的热交换。

8.如权利要求6所述的基于介质相变传热的板卡组件，其特征在于：

所述均热板和散热器进行一体化设计，在生产均热板时，散热器的结构尺寸直接融入到均热板几何特征中。

9.一种电子设备，其特征在于：包括如权利要求1-8任一项所述的基于介质相变传热的板卡组件，所述板卡组件配置为所述电子设备的一个封闭表面，安装在所述均热板正面的所述PCB板、风冷散热件均位于所述电子设备的内部。

10.如权利要求9所述的电子设备，其特征在于：

所述均热板的背面安装有提手。

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