CN112638123A - 一种异质均温器件 - Google Patents

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许震
高超
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Abstract

本发明涉及异质均温器件，包括两块平面均温板和柔性软连接部分。均温板由依次连接的上壳板、吸液芯和下壳板组成，上壳板和下壳板之间构成封闭空间，吸液芯位于封闭空间内，密封空间内为真空状态且填有工质。均温板之间由柔性软连接相连。上壳板、下壳板采用柔性导热材料，吸液芯采用柔性多孔材料，柔性软连接为金属或碳质的膜材、线材。本发明克服传统均温板柔性差的缺点，可用于柔性电子、可折叠电子产品的热管理。

Description

一种异质均温器件
技术领域
本发明涉及热管理装置领域，尤其涉及一种异质均温器件。
背景技术
随着微电子集成与组装技术的飞速发展以及高功率密度元器件的大规模使用，电子产品的热流密度变得越来越大，严重影响其质量稳定性和使用寿命，因此需要发展高效的热管理系统。另一方面，近年来出现的可穿戴电子设备、柔性显示器、可折叠手、笔记本电脑等产品，除了要求热管理系统高效均温散热之外，还需要其能够适应复杂的装配环境，具有一定的柔性，可以反复弯曲甚至折叠。
现有的主流均温板大多数为平面刚性结构，难以满足需要反复弯曲的可穿戴设备、柔性显示器、可折叠手机、笔记本电脑等应用场景。通过降低壳板厚度赋予均温热板一定的柔性，但是降低壳板厚度严重影响了真空均温板的降温效率，且仍旧不能真正解决柔性问题，其柔性差，形变量低，耐疲劳性差，形变后难以恢复到初始状态，因此现在市场上的柔性显示器、可折叠手机及笔记本电脑等均未采用该方法。
另外，有些采用同质柔性材料，例如现有的柔性石墨导热膜或石墨烯导热膜，然而商品化的石墨膜或石墨烯膜通常是制成平面散热贴片的形式来使用，并没有发挥出其柔性功能；同时，由于石墨膜或石墨烯膜厚度低、热通量小、垂直方式导热率低，难以满足大功率高热流密度电子器件产品的使用要求。
华为最新款MateBook笔记本电脑，采用了真空均温板和石墨散热贴片相结合的方式。通过超导面积超薄真空均温板、导热转轴与石墨散热贴片的组合，实现了将笔记本电脑芯片的热量导向屏幕外壳。然而，所用华为所采用的转轴和真空均温板以及石墨散热贴片之间是通过导热硅脂连接在一起，虽然能在一定程度上降低连接端口的界面热阻，但是导热硅脂的导热率低，使用寿命较短，随着使用时间的延长，导热硅脂的功效会急剧下降，从而严重影响笔记本电脑整体的降温效果。
因此，获得一种高效、均匀散热、可折叠的均温板，是当前一直渴望但是始终未能获得成功的技术难题。
发明内容
本申请克服了当前一直渴望但是始终未能获得成功的技术难题，提供一种高效、均匀散热、可折叠的异质均温器件。
作为本发明的一方面，本发明通过热导率在200W/mK以上的柔性软连接实现两个以上刚性热传导主体(均温板)之间的高效热量传递，使得两个均温板之间具有一体同质的均温效果。
作为本发明的另一方面，本发明基于多点分布的均温板进行散热，解决了现有的石墨膜等散热膜的热通量小、垂直导热率低等问题。
本申请中所述的异质，并不是仅仅指材料本身不同，也是指不同的质地，也就是说，相同材料，通过不同的制造工艺形成的不同质地的产品，也构成本申请的“异质”，例如，铜片和铜箔属于本申请的异质。当然，不同材料之间也构成本申请的“异质”，例如，铜片和石墨烯膜。
热导率在200W/mK以上的柔性材料，基本都适用于本发明，包括但不限于二维膜状材料和由一维线状材料组成的结构。热导率在200W/mK以上的柔性材料为本领域的现有技术和现有产品。
本申请中所述的热导率在200W/mK以上的柔性软连接可以为二维膜状材料，包括但不限于金属箔(铜箔、金箔、银箔、铝箔等)、碳质膜(石墨膜、石墨烯膜、人工合成石墨膜等)。为了保证连接强度和使用寿命，这种用于柔性软连接的二维膜状材料一般选用力学强度大于20MPa，模量介于10～200GPa，耐弯折次数不低于1万次。
本申请中所述的热导率在200W/mK以上的柔性软连接也可以为由一维线状材料组成的连接件，包括但不限于丝束状结构或网状结构。对于网状结构而言，至少包括径向的导热纤维和非径向的编织纤维，其热导率主要依赖于径向的导热纤维，因此，非径向的编织纤维也可以采用低导热材料，而径向的导热纤维必须保证一定的导热率使得网状结构的连接件具有200W/mK以上的热导率。
上述径向是指：两个均温板的连接方向。
上述构成丝束状结构一维线状材料、构成网状结构的径向的导热纤维可以采用：金属丝(铜丝、金丝、银丝、铝丝等)、碳丝(碳纤维、石墨烯纤维等)等，但不限于此。
本申请中的均温板和柔性软连接之间可以采用胶粘、焊接、螺栓接连、铆钉连接中的至少一种实现连接。通过上述连接，均温板和柔性软连接之间直接接触，或者通过胶粘剂或焊接剂间接接触。
通常的，直接接触应该尽量减少两者之间的缝隙，以降低热阻。通常的均温板采用金属铜材质，对于碳质柔性软连接，可以采用物理夹紧方式(例如，碳质柔性膜嵌入均温板的连接槽内，两者之间过盈配合，均温板的连接槽夹紧碳质柔性膜)实现与均温版的直接接触；对于金属箔柔性软连接，可以采用机械连接手段(例如冷压焊(焊接)、螺栓压紧、铆钉压紧等方式)实现与均温版的直接接触；
通过胶粘剂或焊接剂间接接触通常采用具有较高热导率和粘附力的胶粘剂或焊接剂，以降低热阻。对于碳质柔性软连接，可以采用高导热碳胶、活性焊料等实现与均温版的间接接触；对于金属箔柔性软连接，可以采用铜焊膏、金锡焊料、银焊膏、铜焊片、银焊片实现与均温版的间接接触。
本申请中所述的均温板包括但不限于热传导方式：通过流动的导热介质实现热传导，这种流动的导热介质包括但不限于水，氨，丙酮、甲醇、乙醇、甲苯、联苯、己烷、石蜡、萘、氟利昂等有机化合物，钾、钠、汞等金属，镓、铋、锡等液态金属等。
本发明中，只需将两个均温板之间用一个柔性软连接按照特定的方式桥接起来，柔性软连接具有耐弯曲、耐折叠的特性，因此可以用于折叠手机、笔记本电脑等需要反复弯曲、折叠的应用场景。
本发明具有以下技术效果：
1.均温板之间采用柔性软连接相连；
2.具有软连接的均温板具有柔性，可以适应大尺度的形变量，以及三维随形布置。
附图说明
图1第一个实施例柔性均温板整体结构示意图；
图2平面均温板拆分结构示意图；
图3平面均温板整体结构示意图；
图4第二个实施例柔性均温板整体结构示意图，其中软连接为碳膜(如人工石墨膜或石墨烯膜)；
图5第三个实施例柔性均温板整体结构示意图，其中软连接为金属丝编织绳索；
图6第四个实施例柔性均温板整体结构示意图，其中软连接为碳丝(碳纤维或石墨烯纤维)编织带；
图7第五个实施例柔性均温板整体结构示意图，其中软连接为碳丝(碳纤维或石墨烯纤维)编织绳索；
其中图1至图7中包括有：1—上壳板；2—下壳板；3—平面凹槽；4—柱状阵列；5—吸液芯；6—注液管。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步的描述。本实施例只用于对本发明做进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据上述发明的内容做出一些非本质的改变和调整，均属于本发明的保护范围。
以下实施例中，热传导测试方法如下，将其中一个均温板的底面置于热源处，热源温度为60℃，将其余均温板置于大气环境下(室温25℃，常压)，实时检测另一个均温板的温度。
以下实施例中，弯曲折叠测试方法如下：将两个均温板固定在水平电动滑台的两个模块上，滑台在程序控制下，往复运动，使柔性软连接发生弯曲折叠。弯曲角度通过控制滑台移动距离实现。
实施例1
一种异质均温器件，以实现可折叠和高效均温散热，如图1所示，包括左右两个均温板101，以及连接两个均温板101的铜质的软连接102。
本实施例中，均温板101包括铜质的上壳板1和下壳板2，如图2所示，上壳板1和下壳板2组成形成一个用于容置吸液芯5的腔体，吸液芯5装载导热介质水。单个均温板的平面面积为25cm2，厚度为0.5mm。
具体的，采用如下步骤进行组装：
(1)冲裁壳板原材料铜箔得到具有特定外形尺寸的上壳板1和下壳板2。
(2)采用特定的模具分别冲压步骤(1)获得的上壳板1和下壳板2，使壳板上具有特定的凹槽结构3，平面凹槽3或者带有柱状阵列4的凹槽。
(3)冲裁吸液芯原材料铜网(800目)获得所需外形尺寸的吸液芯5，并粘结于上壳板1凹槽。
(4)将吸液芯5夹在上壳板1、下壳板2中间，并施加压力，采用冷压连接上壳板1、下壳板2、吸液芯5。
(5)密封上壳板1和下壳板2的周边，并预留注液管6孔位。
(6)将注液管6插入注液管6孔位，采用高频焊或涂胶的方法将注液管6与上壳板1和下壳板2固接。
(7)注入定量工质后抽真空10-60s，再用封口模具或超声焊等方式对注液管6进行封口后切断注液管6。
(8)重复上述步骤(1)到步骤(7)，获得另一块同样的均温板。
将5～10层厚度为0.01mm、宽度与壳板宽度一致的长方形铜箔堆叠在一起，得到本实施例的软连接102，单层铜箔热导率400W/mK，堆叠后形成的铜质软连接的总厚度为0.1mm，面积为多少30cm2，热导率为380W/mK。
尽管上壳板1和下壳板2以及软连接102均为铜质，但是两者质地不同，构成本申请的异质。
本实施例中，铜质的软连接102的两个端头采用扩散焊的方式与均温板的上下壳体成整体，扩散焊的参数为700℃，压力2MPa，保压时间10min。
对比例1
样品1-1：用相同体积(同面积同厚度)的均温板替换上述软连接，并保证左右均温板和中间均温板内部腔体连通，得到同质均温器件，导热介质同实施例1，结构如图3所示。
将实施例1的异质均温器件以及样品1-1进行热传导测试和折叠测试，热传导测试时，左侧均温板置于热源下，热源温度T0为60℃，右侧均温板置于大气环境下，测试均温板的温差。
测试结果如下表所示：
样品 实施例1 样品1-1 样品1-1
弯折次数 100 20 100
弯折90°均温板温差 3℃ 14℃ 断裂
弯折160°均温板温差 3℃ 17℃ 断裂
结果表明，实施例1的均温板温差小于样品1-1，说明实施例1的均温效果优于样品1-1；实施例1温差不受弯折角度的影响，而样品1-1温差随着弯折角度的增加而增大，说明弯折不影响实施例1的导热性能，而样品1-1内部结构由于弯折可能发生破坏，减低了导热性能。
实施例2：
一种异质均温器件，以实现可折叠和高效均温散热，如图4所示，包括左右2个均温板101，以及连接均温板101的软连接102。
本实施例中，均温板101包括铝质的上壳板1和下壳板2，上壳板1和下壳板2组成形成一个用于容置吸液芯5的腔体，吸液芯5装载导热介质乙醇。单个均温板的平面面积为25cm2，厚度为多少0.3mm。
具体的，采用如下步骤进行组装：
(1)冲裁壳板原材料铝箔得到具有特定外形尺寸的上壳板1和下壳板2。
(2)采用特定的模具分别冲压步骤(1)获得的上壳板1和下壳板2，使壳板上具有特定的凹槽结构3，平面凹槽3或者带有柱状阵列4的凹槽。
(3)冲裁吸液芯原材料铜网(600目)获得所需外形尺寸的吸液芯5，并粘结于上壳板1凹槽。
(4)将吸液芯5夹在上壳板1、下壳板2中间，并施加压力，采用激光焊连接上壳板1、下壳板2、吸液芯5。
(5)密封上壳板1和下壳板2的周边，并预留注液管6孔位。
(6)将注液管6插入注液管6孔位，采用高频焊或涂胶的方法将注液管6与上壳板1和下壳板2固接。
(7)注入定量工质后抽真空10-60s，再用封口模具或超声焊等方式对注液管6进行封口后切断注液管6。
(8)重复上述步骤(1)到步骤(7)，获得另一块同样的均温板。
将5层厚度为0.02mm、宽度与壳板宽度一致的长方形石墨烯膜堆叠在一起，得到本实施例的软连接102，单层石墨烯膜热导率1300W/mK，堆叠后形成的软连接的总厚度为0.1mm，面积为多少30cm2，热导率为1200W/mK。
本实施例中，石墨烯膜软连接102的两个端头采用物理夹紧方式的方式与均温板的上下壳体成整体。具体的，将石墨软连接置于上下壳体之间，然后用螺丝紧固上下壳体，使得上下壳体对石墨烯膜软连接上下夹紧。
对比例2
样品2-1：用相同体积(同面积同厚度)的均温板(同实施例2)替换上述实施例2的软连接，并保证左右均温板和中间均温板内部腔体连通，得到同质均温器件，导热介质同实施例2。
将实施例2的异质均温器件以及样品2-1进行热传导测试和折叠测试，热传导测试时，左侧均温板置于热源下，热源温度T0为60℃，右侧均温板置于大气环境下，测试均温板的温差。
测试结果如下表所示，
样品 实施例2 样品2-1 样品2-1
弯折次数 200 25 200
弯折90°均温板温差 5 13 断裂
弯折160°均温板温差 5 22 断裂
结果表明，实施例2的均温板温差小于样品2-1，说明实施例1的均温效果优于样品2-1；实施例2温差不受弯折角度的影响，而样品2-1温差随着弯折角度的增加而增大，说明弯折不影响实施例2的导热性能，而样品2-1内部结构由于弯折可能发生破坏，显著减低了导热性能。
实施例3
本实施例的主要结构与实施1相同，相同之处在此不再赘述，其不同之处在于：如图5所示，所用的柔性连接为6股铜丝编织绳索。
铜丝直径为10μm，每股丝束中包含100根铜丝；6股铜丝编织绳索组成的柔性连接的径向热导率为380W/mK。
本实施例中，软连接通过冷压焊的方式与均温板101连接。
将本实施例的异质均温器件进行热传导测试和折叠测试，测试10小时，两个均温板温差不超过8℃。
耐折次数大于1000次，90°弯折下，两个均温板温差不超过9℃；160°弯折下，两个均温板温差不超过10℃。
本实施例中的丝束可以通过加捻进一步提高强度。
实施例4：
本实施例的主要结构与实施2相同，相同之处在此不再赘述，其不同之处在于：如图6所示，所用的柔性连接为石墨烯纤维束编织带。石墨烯纤维直径为15～20μm，丝束中包含100根石墨烯纤维，丝束组成的柔性连接的径向热导率为1200W/mK。
本实施例中，软连接通过导热银胶与均温板101连接。
将本实施例的异质均温器件进行热传导测试和折叠测试，测试10小时，两个均温板温差不超过5℃。
耐折次数大于3000次，90°弯折下，两个均温板温差不超过6℃；160°弯折下，两个均温板温差不超过7℃。
实施例5：
本实施例的主要结构与实施1相同，相同之处在此不再赘述，其不同之处在于：如图7示，所用的软连接为碳纤维束编织绳索。碳纤维束直径为5～10μm，丝束中包含100根碳纤维，柔性连接的径向热导率为600～1000W/mK。
本实施例中，软连接通过物理夹紧方式与均温板101连接。
将本实施例的异质均温器件进行热传导测试和折叠测试，测试10小时，两个均温板温差不超过6℃。
耐折次数大于5000次，90°弯折下，两个均温板温差不超过7℃；160°弯折下，两个均温板温差不超8℃。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种异质均温器件，其特征在于，包括至少两个均温板，所述均温板之间通过热导率在200W/mK以上的柔性软连接相连，形成所述均温器件；所述均温板之间通过柔性软连接实现导热。
2.根据权利要求1所述的异质均温器件，其特征在于，所述均温板至少包含以下热传导方式：通过流动的导热介质实现热传导。
3.根据权利要求2所述的异质均温器件，其特征在于，所述均温板内具有腔体，所述腔体内具有流动的热传导介质。
4.根据权利要求1所述的异质均温器件，其特征在于，所述热导率在200W/mK以上的柔性软连接为二维膜状材料或由一维线状材料组成。
5.根据权利要求4所述的异质均温器件，其特征在于，所述二维膜状材料为金属箔、碳质膜的至少一种；一维线状材料包括金属丝、碳丝中的至少一种；一维线状材料组成的结构为丝束或网状结构。
6.根据权利要求5所述的异质均温器件，其特征在于，所述金属箔选自铜箔、金箔、银箔或铝箔；所述碳质膜选自石墨膜、石墨烯膜、人工合成石墨膜；一维线状材料包括铜丝、金丝、银丝或铝丝，碳丝选自碳纤维或石墨烯纤维。
7.根据权利要求4所述的异质均温器件，其特征在于，所述热导率在200W/mK以上的柔性软连接由非径向的纤维和径向的热传导纤维编织而成。
8.根据权利要求1所述的异质均温器件，其特征在于，均温板和柔性软连接之间是通过胶粘、焊接、螺栓接连、铆钉连接中的至少一种实现连接。
9.根据权利要求8所述的异质均温器件，其特征在于，所述焊接为：冷压、扩散焊、钎焊、电阻焊、激光焊、超声焊中的一种。
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