CN111864335A - 五管鳍片天线散热器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及天线散热技术领域，具体为一种五管鳍片天线散热器，包括天线、散热鳍片、固定片和热管，热管为五根，热管包括吸热端、过渡段和放热端，吸热端的管间距为2mm，过渡段使得放热端的管间距为12mm，热管的吸热端与天线连接并由固定片固定，热管的放热端与散热鳍片连接，热管为内部注有工作液体的真空铜管。该发明结构简单且组装和安装十分简便，散热效果好且体积小，不占空间。本发明可以在外界气温高达45℃情况下，保证天线温度稳定在允许工作温度范围内，保证天线正常工作，因无需加载风扇，所以脱离了电的约束。
Description
技术领域
本发明涉及天线散热技术领域，具体为一种五管鳍片天线散热器。
背景技术
随着5G时代的到来，MIMO天线得到广泛应用，MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)技术指在发射端和接收端使用多个发射天线和接收天线，使信号通过发射端与接收端的多个天线传达和接收，从而改善通信质量。相较于3G到4G的微米载频提升，4G到5G有一个10-40倍的大幅度频率提升。而高频对于宏基站而言，覆盖范围太小，使得成本过高，再加上宏基站部署困难，因此在5G网络中，高频段资源将不再使用家基站，微蜂窝成为主流，形式是以小基站为基本单位，进行超密集驻网，即小基站的密集部署。小基站具有提升载频、超密集驻网、高集成度体积小巧、灵活部署的特点，可以很好地解决局部热点对信号和容量的需求，实现深度覆盖，增加网络容量等特点。正因为这些特点，使得芯片内部会在短时间内产生大量热量。如果其内部热量长期积累，会对天线自身的工作能力造成严重影响，还会大幅降低其使用寿命，消耗大量人力、物力和财力。
发明内容
本发明为了克服上述技术问题，提供了一种五管鳍片天线散热器，可以将MIMO天线内部产生的热量快速散去，控制温度，防止热量积累对天线正常工作带来的不利影响。
解决上述技术问题的技术方案如下：
五管鳍片天线散热器，包括天线、散热鳍片、固定片和热管，所述的热管为五根，所述的热管包括吸热端、过渡段和放热端，所述的吸热端的管间距为2mm，所述的过渡段使得放热端的管间距为12mm，所述的热管的吸热端与天线连接并由固定片固定，所述热管的放热端与散热鳍片连接，所述的热管为内部注有工作液体的真空铜管。
所述的热管为市场上主流电子产品采用的热管，是内部注有工作液体的真空铜管，内部所注工作液体为热传递的媒介，诸如市面上大部分的台式电脑的CPU散热器、笔记本电脑的CPU散热器，甚至一些游戏手机，如小米的黑鲨游戏手机均采用该类热管。典型的热管由管壳、吸液芯和端盖组成，将管内抽成负压后充以适量的工作液，使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后加以密封。热管工作原理图如附图3所示，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，利用毛细作用等流体原理，使冷凝液体从冷凝端回到蒸发端，因为热管内部抽成真空以后，在封口之前再注入液体，所以，热管内部的压力是由工作液体蒸发后的蒸汽压力决定的。只要加热热管表面，工作液体就会蒸发。蒸发端蒸汽的温度和压力都稍稍高于热管的其它部分，因此，热管内产生了压力差，促使蒸汽流向热管内较冷的一端。当蒸汽在热管壁上冷凝的时候，蒸汽放出汽化潜热，从而将热传向了冷凝端。之后，热管的吸液芯结构使冷凝后液体再回到蒸发端。只要有热源加热，这一过程就会循环进行。热管利用相变原理和毛细作用，使得其本身的热传递效率比同样材质的纯铜高出几百倍到数千倍。
进一步地说，所述的天线包括阵列方式为7行5列的32个天线颗粒，位于第7行的天线颗粒只有两粒，分别位于第2列和第4列，所述的天线颗粒是尺寸为5×5mm的芯片，天线颗粒之间的行间距为3mm，列间距为5mm，所述的天线颗粒所在的电路板垂直于地面放置。
进一步地说，所述的工作液体为酒精和氨水组成的工质。
进一步地说，所述的散热鳍片材质为1070铝，所述的散热鳍片的底部均匀铣有可插入热管放热端的安装槽，所述的安装槽的宽度为9mm，高度为3mm，所述的散热鳍片的长度为100mm，宽度为65mm，高度为25mm。因为通过上述热管的工作原理可知，热管本身并不具备任何散热作用，而仅仅是具备导热的作用。欲将热管导出的热量尽快排出，那么散热器上还需要设计大面积散热鳍片，散热鳍片吸收了热管传导来的热量后，用对流的形式将热量散发，在对流散热的过程中，散热面积由散热鳍片的表面积的大小来决定，表面积越大，散热效果越好；表面积越小，散热效果越差。本发明设计的散热鳍片如果遇到环境中有自然风的作用，则会大大增加散热效果。
进一步地说，所述的热管的吸热端固定在天线颗粒上，并且全部覆盖所有的天线颗粒形成热传导，将天线颗粒的热量吸收至热管上，固定片将热管与天线颗粒固定。
进一步地说，所述的热管每一根管的宽度为8mm，厚度为3mm。
进一步地说，所述的固定片的材质为1070铝，固定片底面均匀铣有宽度为8mm、深度为3mm的固定槽。1070铝材用于制作具有特定性能的结构件的材料，具有塑性高，耐蚀，导电性和导热性好的特点。
进一步地说，所述的热管的吸热端与天线颗粒连接处的间隙用导热硅脂填充，将导热硅脂均匀底涂在各天线颗粒上，将热管依次摆放在天线颗粒上，之后将固定片放到热管上，使得热管的每个管位于固定片的固定槽内，然后将固定片与相应的电路板固定，固定片与电路板可以通过螺丝连接。所述的热管的放热端与散热鳍片连接处的间隙由导热硅脂或导热胶填充，以防止空气间隙影响散热效果。
本发明的有益效果是：
该发明设计了一种五管鳍片天线散热器，结构简单且组装和安装十分简便，散热效果好且体积小，不占空间。所述散热器采用了市面上主流电脑CPU散热器产品所使用的热管来进行导热，美观实用，且成本低廉。热管具有极高的导热性、良好的均热性、冷热两侧的传热面积可任意改变、可远距离传热、可控制温度等一系列优点，并且由热管组成的换热器具有传热效率高、结构紧凑、流体阻损小等优点。由于其特殊的传热特性，因而可控制管壁温度，避免露点腐蚀。本发明可以在外界气温高达45℃情况下，保证天线温度稳定在允许工作温度范围内，保证天线正常工作，因无需加载风扇，所以脱离了电的约束。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明的爆炸结构示意图；
图2为天线颗粒的排列结构示意图；
图3为热管工作原理图；
图4为热管结构示意图；
图5为图4的正视结构示意图；
图6为散热鳍片的结构示意图；
图7为图6的背面结构示意图；
图8为图6的正视结构示意图；
图9为图6的侧视结构示意图；
图10为固定片的结构示意图；
图11为图10的背面结构示意图；
图12为图10的正视结构示意图；
图13为本发明的工作原理图；
图14为热管的导热系数为3000W/(m·K)，数值模拟温度分布图；
图15为热管的导热系数为80200W/(m·K)，数值模拟温度分布图；
图16为热管的导热系数对温差和整体温度的影响模拟图，其中(a)为3000W/(m·K)，(b)为80200W/(m·K)；
图中：1为热管，2为散热鳍片，3为固定片，4为天线，5为天线颗粒，
11为吸热端，12为过渡段，13为放热端，21为安装槽，31为固定槽。
具体实施方式
实施例1：
如图1所示，五管鳍片天线散热器，包括天线4、散热鳍片2、固定片3和热管1，热管1为五根，热管1包括吸热端11、过渡段12和放热端13(如图4和5所示)，吸热端11的管间距为2mm，过渡段12使得放热端的管间距为12mm，热管1的吸热端11与天线4连接并由固定片3固定，热管1的放热端13与散热鳍片2连接，热管1为内部注有工作液体的真空铜管。
热管1为市场上主流电子产品采用的热管，是内部注有酒精和氨水组成的工质作为工作液体的真空铜管，内部所注工作液体为热传递的媒介，诸如市面上大部分的台式电脑的CPU散热器、笔记本电脑的CPU散热器，甚至一些游戏手机，如小米的黑鲨游戏手机均采用该类热管。典型的热管由管壳、吸液芯和端盖组成，将管内抽成负压后充以适量的工作液，使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后加以密封。热管1工作原理图如附图3所示，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，利用毛细作用等流体原理，使冷凝液体从冷凝端回到蒸发端，因为热管内部抽成真空以后，在封口之前再注入液体，所以，热管内部的压力是由工作液体蒸发后的蒸汽压力决定的。只要加热热管表面，工作液体就会蒸发。蒸发端蒸汽的温度和压力都稍稍高于热管的其它部分，因此，热管内产生了压力差，促使蒸汽流向热管内较冷的一端。当蒸汽在热管壁上冷凝的时候，蒸汽放出汽化潜热，从而将热传向了冷凝端。之后，热管的吸液芯结构使冷凝后液体再回到蒸发端。只要有热源加热，这一过程就会循环进行。热管利用相变原理和毛细作用，使得其本身的热传递效率比同样材质的纯铜高出几百倍到数千倍。
如图2所示，天线4包括阵列方式为7行5列的32个天线颗粒5，位于第7行的天线颗粒5只有两粒，分别位于第2列和第4列，天线颗粒5是尺寸为5×5mm的芯片，天线颗粒5之间的行间距为3mm，列间距为5mm，天线颗粒5所在的电路板垂直于地面放置。
散热鳍片2材质为1070铝，如图6-9所示，散热鳍片2的底部均匀铣有可插入热管1放热端13的安装槽21，安装槽21的宽度为9mm，高度为3mm，散热鳍片2的长度为100mm，宽度为65mm，高度为25mm。因为通过上述热管1的工作原理可知，热管1本身并不具备任何散热作用，而仅仅是具备导热的作用。欲将热管1导出的热量尽快排出，那么散热器上还需要设计大面积散热鳍片2，散热鳍片2吸收了热管1传导来的热量后，用对流的形式将热量散发，在对流散热的过程中，散热面积由散热鳍片2的表面积的大小来决定，表面积越大，散热效果越好；表面积越小，散热效果越差。本发明设计的散热鳍片2如果遇到环境中有自然风的作用，则会大大增加散热效果。
热管1的吸热端11固定在天线颗粒5上，并且全部覆盖所有的天线颗粒5形成热传导，将天线颗粒5的热量吸收至热管1上，固定片3将热管1与天线颗粒5固定。热管1每一根管的宽度为8mm，厚度为3mm。如图10-12所示，固定片3的材质为1070铝，固定片3底面均匀铣有宽度为8mm、深度为3mm的固定槽31。1070铝材用于制作具有特定性能的结构件的材料，具有塑性高，耐蚀，导电性和导热性好的特点。
热管1的吸热端11与天线颗粒5连接处的间隙用导热硅脂填充，将导热硅脂均匀底涂在各天线颗粒5上，将热管1依次摆放在天线颗粒5上，之后将固定片3放到热管1上，使得热管1的每个管位于固定片3的固定槽31内，然后将固定片3与相应的电路板固定，固定片3与电路板可以通过螺丝连接。热管1的放热端13与散热鳍片2连接处的间隙由导热硅脂或导热胶填充，以防止空气间隙影响散热效果。
本发明的工作原理：
如图13所示，当天线工作产生热量后，热量会先传递给热管的吸热端，然后由热管优质的传导能力和均热能力，并且由于本发明的特殊结构，将热源产生集中的热量发散，也就是传递给热管的放热端，再将热量传递给散热鳍片。散热鳍片利用自身与空气接触面积将热管传递来的热量通过对流换热方式传递到环境当中。通过上述一系列热量传递与热量交换，最终将天线产生的热量散发，从而保证了天线温度不会因为过高而影响其正常工作。
采用Ansys软件对散热器工作进行数值分析：
首先定义施加热载荷和热边界条件，其中热载荷包括热流量、热通量和热生成等，热边界条件则包括温度、对流和辐射。在分析时至少应存在一种类型的热边界条件，否则，如果热量源源不断地输入到系统中，稳态时的温度将会达到无穷大。本发明涉及了导热和对流换热相关知识，引用对流换热公式：
q＝hA(T4surface-T4ambient)，
其中，q为热量，A为面积，h为导热膜系数，Tsurface为表面温度，Tambient为环境温度；
在进行数值模拟时，模拟结果主要受材料属性和环境温度影响。在稳态分析中唯一需要的材料属性就是材料的导热性，即需要定义导热系数。当导热系数确定时，环境温度成为唯一影响模拟结果的因素，随着外界温度的升高，模拟结果温度也会随着升高。这样一来，只要定义外界温度最大值时，模拟结果温度在温度允许范围内，就是符合要求的。
普通纯铜导热系数为401W/(m·K)，本发明所选用的热管1导热系数为普通纯铜的200～3000倍，取最保守的数值即200倍，故假设热管导热系数为80200W/(m·K)。而实际情况下热管的加工过程中会损失热管的导热性能，现只取热管1的导热系数为3000W/(m·K)，进行一次试模拟，现在定义外界温度为45℃，外界空气状况为迟滞空气，对流交换系数5W/(m2·K)经过数值模拟得到如图14温度分布图。
再将热管1的导热系数改为80200W/(m·K)，定义外界温度为45℃，外界空气状况为微微流动的空气，对流交换系数10W/(m2·K)，如图15所示，可以看出当热管1的导热率上升和空气的流动都会对本发明散热产生积极的作用。
由图14可知，由散热鳍片2区域到固定片3区域温度逐渐升高，最高温度处温度仅为71.83℃，最低温度为69.16℃，温差较小，且各区域温度远低于220℃。在假设条件中，定义空气条件为迟滞空气，在实际使用中，由于空气流动，会带走更多热量，实际温度会低于所模拟的71.83℃。
由图15可知，当空气流动加快、热管导热系数提升对散热器具有积极的作用，最高温度处温度仅为62.535℃，最低温度为62.049℃，温差十分小，且各区域温度远低于220℃。
通过热分析来看热管1对本发明散热的影响，如图16所示，外界条件保持不变，也就是控制变量，改变热管的导热系数，来分析热管的导热系数对温差和整体温度的影响。
环境温度为45℃，分别取热管的导热系数为3000W/(m·K)和80200W/(m·K)，进行模拟，定义外界温度为45℃，外界空气状况为流动空气，对流交换系数15W/(m2·K)。通过模拟结果发现，图16(a)中热管导热系数为最高温度处温度58.621℃，最低温度为56.249℃，温差为2.372℃，图16(b)中热管导热系数为最高温度处温度56.796℃，最低温度为56.249℃，温差为0.547℃。最高温度差值为1.825℃。
由此可见，当热管的导热系数提升，不光会使热管两端的温差降低，也会使降温效果更好，可降低1.825℃。况且，在热管模拟中的环境条件很接近于真实情况，甚至实际效果会比模拟的温度更低，因为实际的气温不会达到45℃，所以，本发明的散热效果十分可观。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质上对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.五管鳍片天线散热器，其特征在于，包括天线、散热鳍片、固定片和热管，所述的热管为五根，所述的热管包括吸热端、过渡段和放热端，所述的吸热端的管间距为2mm，所述的过渡段使得放热端的管间距为12mm，所述的热管的吸热端与天线连接并由固定片固定，所述热管的放热端与散热鳍片连接，所述的热管为内部注有工作液体的真空铜管。
2.根据权利要求1所述的五管鳍片天线散热器，其特征在于，所述的天线包括阵列方式为7行5列的32个天线颗粒，位于第7行的天线颗粒只有两粒，分别位于第2列和第4列，所述的天线颗粒是尺寸为5×5mm的芯片，天线颗粒之间的行间距为3mm，列间距为5mm，所述的天线颗粒所在的电路板垂直于地面放置。
3.根据权利要求1所述的五管鳍片天线散热器，其特征在于，所述的工作液体为酒精和氨水组成的工质。
4.根据权利要求1所述的五管鳍片天线散热器，其特征在于，所述的散热鳍片材质为1070铝，所述的散热鳍片的底部均匀铣有可插入热管放热端的安装槽，所述的安装槽的宽度为9mm，高度为3mm，所述的散热鳍片的长度为100mm，宽度为65mm，高度为25mm。
5.根据权利要求1所述的五管鳍片天线散热器，其特征在于，所述的热管的吸热端固定在天线颗粒上，并且全部覆盖所有的天线颗粒形成热传导，将天线颗粒的热量吸收至热管上，固定片将热管与天线颗粒固定。
6.根据权利要求1所述的五管鳍片天线散热器，其特征在于，所述的热管每一根管的宽度为8mm，厚度为3mm。
7.根据权利要求1所述的五管鳍片天线散热器，其特征在于，所述的固定片的材质为1070铝，固定片底面均匀铣有宽度为8mm、深度为3mm的固定槽。
8.根据权利要求1所述的五管鳍片天线散热器，其特征在于，所述的热管的吸热端与天线颗粒连接处的间隙用导热硅脂填充，所述的热管的放热端与散热鳍片连接处的间隙由导热硅脂或导热胶填充。
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