CN113226000B - 一种仿生结构柔性散热装置、方法及散热系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿生结构柔性散热装置、方法及散热系统，解决了现有技术中柔性器件存在散热效果较差的问题，具有利于柔性器件散热的有益效果，具体方案如下：一种仿生结构柔性散热装置，包括导热单元，导热单元包括蒸发集管和冷凝集管，蒸发集管内通入工作液，冷凝集管位于蒸发集管的环向，冷凝集管与蒸发集管通过蒸汽管道和回流管连通，蒸发集管内工作液能够吸收柔性器件产生的热量，并转化为蒸汽，蒸汽通过蒸汽管道流向冷凝集管；冷却单元，冷却单元设于冷凝集管的侧部或环向，冷却单元内部可通入流动的冷却水，通过冷却单元带走冷凝集管处蒸汽的热量，蒸汽转化为液态后通过回流管流入蒸发集管内。

Description

一种仿生结构柔性散热装置、方法及散热系统

技术领域

本发明涉及柔性器件散热领域，尤其是一种仿生结构柔性散热装置、方法及散热系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

柔性器件大规模应用是未来世界发展的一个必然方向，有望拓宽电子技术的应用范围。最为重要的是柔性器件为电子产品在任意曲面或可移动部件上的便捷应用提供了可能性。因此，柔性电子技术在过去的几年里经历了快速的发展。可弯折和可卷折的柔性器件得到了广泛的研究和应用。随着人们开始对生活质量和生命健康安全关注度的不断提升，柔性器件本征的柔软性和柔韧性引发研究者极大的兴趣，因为生物系统中的柔性组织在发挥各种生理功能时包含了各种各样的运动，应用于生物系统例如人体表面时，监测设备必须能够黏附在曲率不断变化的生物表面，柔性器件设备比硬质电子设备能够实现更好的电子与生物之间信息交互。柔性器件在未来的科技市场具有巨大的潜力，能够提高人类的生活质量。柔性器件可以很容易地与纺织品集成，以制造可穿戴智能设备，市面上可以买到的智能穿戴设备，如谷歌眼镜、智能手环，已经走进了普通人的生活，柔性器件热潮已经开始来临。

柔性器件中，有机半导体器件是不可或缺的一部分，其凭借易于加工，低成本费用，良好的柔韧性及易于改性产生优异特性的特点蓬勃发展，各种具有卓越性能的柔性电子设备喷涌而生，例如：应用于显示技术领域的柔性OLED显示屏，应用于生物医疗健康检测的“电子第二皮肤”抑或是应用于人工智能领域的智能手环、头盔和眼镜等等。但是由于有机半导体器件对温度固有的敏感性，高温环境易使小分子有机半导体发生结晶现象，温度过高甚至会造成分子分解，进而降低电子迁移率，造成器件稳定性下降。在柔性器件实际运行中，由于焦耳热效应的存在，随着工作时间的增长器件的工作温度会不断提高，因此会极大降低其工作效率，特别是柔性器件中有机半导体热导率较低，温度的升高会增加声子散射进一步使热导率下降，如果不能及时将其产生的热量输送出去会极大的增加运行的不可靠性。

当前而言，适用于设备散热的手段主要有器件内部添加金属或者刚性的均温板或者热管，器件外部添加水冷或者风冷等强制冷却设备进行快速换热；一些已经发明的柔性的热管或者均温板也未将柔性器件设为主要应用对象，在应用时不能很好的适应柔性表面，或为在弯曲度不断动态变化的设备上热管和均温板弯折之后堵塞流动通道，散热效率降低造成器件局部超温直至损毁。发明人还发现，一些针对有机薄膜晶体管的降低自发热效应的手段也仅为在源电极和漏电极之间设立绝缘的散热层，将热量导出晶体管，但是柔性基底不足以将运行过程中产生的热量导出外界，器件周围工作环境的温升也会不断提高，亦会造成整体的性能的下降，给柔性器件的应用带来消极影响。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种仿生结构柔性散热装置，装置有较好的柔韧性，有效保证对柔性器件进行散热。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

一种仿生结构柔性散热装置，包括：

导热单元，为柔性仿生结构，导热单元包括蒸发集管和冷凝集管，蒸发集管内能够通入工作液，冷凝集管位于蒸发集管的环向，冷凝集管与蒸发集管通过蒸汽管道和回流管连通，蒸发集管内工作液能够吸收柔性器件产生的热量，并转化为蒸汽，蒸汽通过蒸汽管道流向冷凝集管；

冷却单元，冷却单元设于冷凝集管的侧部或环向，冷却单元内部可通入流动的冷却水，通过冷却单元带走冷凝集管处蒸汽的热量，蒸汽转化为液态后通过回流管流入蒸发集管内。

如上所述的一种仿生结构柔性散热装置，为了进一步保证仿生结构的柔韧性，所述蒸发集管设置多圈，相邻两圈蒸发集管之间间隔设定距离，且相邻两圈蒸发集管通过蒸汽管道和回流管连通。

如上所述的一种仿生结构柔性散热装置，所述冷凝集管的形状、所述蒸发集管和所述冷却单元的形状是相同的，从而便于冷却单元包绕冷凝集管，冷凝集管能够设于蒸发集管的外侧。

如上所述的一种仿生结构柔性散热装置，相邻两蒸发集管之间、蒸发集管与冷凝集管之间设置多处所述的蒸汽管道和回流管，通过多处蒸汽管道和回流管的设置，保证蒸汽或工作液能够均匀地在导热单元内流动；

相邻两蒸发集管之间、蒸发集管与冷凝集管之间的蒸汽管道与回流管间隔设定距离，且蒸汽管道与回流管在相邻两蒸发集管之间、蒸发集管与冷凝集管之间的周向方向交替布置，这样结构布置是合理的，有效保证工作液的流动效果。

如上所述的一种仿生结构柔性散热装置，所述冷却单元为环形件，且冷却单元的内侧与所述冷凝集管粘合，保证冷却单元通过冷却液带走流动至冷凝集管处蒸汽的热量。

如上所述的一种仿生结构柔性散热装置，沿着所述导热单元的对角线，导热单元的一侧相邻两蒸发集管之间、蒸发集管与冷凝集管之间设置蒸汽管道，另一侧设置回流管，这样蒸汽或液体工作液不会出现气液混合的现象，保证优异的流动效果；

所述回流管中心设置毛细芯，回流管的侧壁设置微槽道，微槽道为连续的锯齿结构，锯齿结构相对于回流管的管壁倾斜设置以朝向导热单元的中心设置。

如上所述的一种仿生结构柔性散热装置，还包括第一板，第一板的一侧粘合于所述导热单元和冷却单元的侧部，另一侧面用于固定柔性器件，第一板可用于安装柔性器件，且通过第一板的设置，可增大与柔性器件的换热面积，增强散热装置均温能力。

如上所述的一种仿生结构柔性散热装置，所述冷却单元的设置冷却水入口管和冷却水出口管，冷却水从冷却水入口管进入冷却单元，从冷却水出口管排出，冷却单元位于冷凝集管的环向且与冷凝集管贴合，可保证与冷凝集管的接触面积，带走冷凝集管产生的热量。

第二方面，本发明还提供了所述的一种仿生结构柔性散热装置的工作方法，包括如下内容：

蒸发集管中的工作液吸收由柔性器件散出的热量，并转化为蒸汽；

蒸汽沿着蒸汽通道汇集到冷凝集管中，通过冷却单元的设置，蒸汽所携带的热量被转移到冷却水中，工作液重新变为液态，并通过回流管回到蒸发集管内。

第三方面，本发明还提供了一种仿生结构柔性散热系统，包括若干所述的一种仿生结构柔性散热装置，相邻两散热装置通过冷却水入口管/冷却水出口管连接，这样散热系统通过多个散热装置可实现拼接，不仅能够适应柔性器件中可穿戴设备较大或者曲率不断变化的表面，而且有利于降低能耗。

上述本发明的有益效果如下：

1)本发明散热装置，蒸发集管和冷凝集管之间间隔设定距离设置，使得散热装置具有中空结构，蒸发集管和冷凝集管通过蒸汽管道和回流管连通，形成了蛛网仿生结构，提高了散热装置的柔韧性，而且整体能够有效保证流体的流通效果，导热单元能够吸收柔性器件产生的热量，然后通过冷却单元进行及时冷却，保证对柔性器件的散热效果。

2)本发明通过蒸汽管道和回流管沿着相邻两蒸发集管、蒸发集管和冷凝集管之间周向交替布置，工作液液体和蒸汽避免混合，可以组成多个循环通路，流通率良好，换热效率较高；在导热单元对角线上，导热单元中心的一侧二者沿着导热单元径向则保持同一类型，即工作液蒸汽或者液体工作液不会出现气液混合的现象，保持优异的流动效果。

3)本发明通过在回流管设置毛细芯，通过毛细芯的设置能够使得工作液沿着回流管快速回流，回流管侧壁设置微槽道，微槽道为朝向导热单元中心的锯齿结构，可在保证毛细力的同时确保液体工作液的单向流动。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为蛛网仿生结构柔性散热装置的整体结构示意图；

图2为蛛网仿生结构柔性散热装置的内部结构示意图；

图3为具有微槽道的回流管示意图；

图4为一种仿生结构柔性散热系统的示意图。

附图标记：1、第一板，2、冷却单元，3、冷却水入口管，4、冷却水出口管，5、蒸发集管，6、冷凝集管，7、回流管，8、蒸汽管道，9、毛细芯，10、柔性器件，11、开孔，12、微槽道。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

术语解释部分：本发明中的术语“安装”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在柔性器件存在散热不佳的问题，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种仿生结构柔性散热装置、工作方法及系统。

实施例一

本发明的一种典型的实施方式中，参考图1所示，一种仿生结构柔性散热装置，包括冷却单元和导热单元，导热单元为柔性仿生结构，冷却单元位于导热单元的侧部或环向，导热单元能够吸收柔性器件产生的热量，冷却单元通过流动的冷却水，可持续带走导热单元的热量。

在一些示例中，为了方便散热装置对柔性器件进行散热，冷却单元和导热单元固定于第一板1，具体可通过粘合剂黏贴于第一板1的一侧面，第一板的另一侧面用于固定柔性器件，同样可通过粘合剂进行粘合。

需要说明的是，第一板1为柔性顶板，第一板1用于对散热装置进行定位，还可增大与柔性器件的换热面积，增强散热装置均温能力。

冷却单元2包括内部中空的冷却管路，冷却管路内部具有设定的高度、长度和宽度，通过冷却管路内部形成冷却水流动的通道，冷却管路的一端设置冷却水入口管3，另一端设置冷却水出口管4，冷却水从冷却水入口管3流入，吸收热量后从冷却水出口管4流出。

进一步，冷却水出口管4可与储水箱连接，储水箱设置水泵，通过水泵可将降温后的冷却水送入冷却水入口管，具体地，储水箱设置温度传感器，温度传感器、水泵分别与控制器连接，可以理解地，控制器可为PLC控制器，在储水箱内冷却水降低到设定温度后，可向冷却水入口管3处供入冷却水。

进一步，导热单元包括蒸发集管5和冷凝集管6，蒸发集管5包括至少一圈，蒸发集管5内通入工作液，工作液遇热蒸发变为蒸汽(蒸汽的温度高于冷凝集管的温度)，冷凝集管6位于蒸发集管的环向，且冷凝集管与蒸发集管通过蒸汽管道和回流管连通，相邻两蒸发集管之间同样设置蒸汽管道和回流管通道，实现相邻两蒸发集管的连通。

蒸发集管5设置多圈，每一圈均为圆环形或四边形或六边形或八边形，相邻两蒸发集管之间间隔设定距离，且蒸发集管5与冷凝集管6之间同样间隔设定距离，保证导热单元呈网格结构，增强导热单元的柔韧性。

参考图2所示，蒸发集管5的形状与冷凝集管6的形状是相同的，二者均为六边形，且围绕导热单元的冷却单元2固定于冷凝集管的环向，且冷却单元与冷凝集管的外侧面贴合，以保证冷却单元的散热能力。

具体地，在本实施例中，蒸发集管5与冷凝集管6呈六边形，由此导热单元形成蛛网仿生结构，可通过多根管路首尾连接形成蒸发集管5或冷凝集管6；或者，蒸发集管或冷凝集管弯折呈六边形，蒸发集管/冷凝集管各自为一体结构，导热单元的蒸发集管和冷凝集管由短到长由内而外，层层相套。

可以理解的是，冷却单元的形状与蒸发集管和冷凝集管相适配，蒸发集管和冷凝集管为六边形时，冷却单元中冷却管路同样为六边形，且在一些示例中，冷却水入口管、冷却水出口管可位于六边形冷却管路的同一对角线上。

进一步，为了实现工作液在导热单元内均衡流动，蒸汽管道和回流管连通布置在导热单元的对角线上，在蒸发集管或冷凝集管的拐弯处开孔，通过开孔安装回流管或蒸汽管道，同一对角线上，导热单元中心轴线的两侧，一侧设置回流管，另一侧设置蒸汽管道。

沿着相邻两蒸发集管之间、蒸发集管与冷凝集管之间的周向方向，蒸汽管道和回流管交替布置，将蒸汽和冷却回流工作液流动通道分隔开，降低流动阻力。同时采用这种布置方式，当局部接受热量时，工作液吸收热量变为蒸汽通过距离最近的蒸汽管道8到达冷凝集管，而液态工作液又会通过周围相间布置的回流管7及时补充，有效保证流动效果。

可以理解的是，相邻两蒸发集管5之间以及蒸发集管5和冷凝集管6之间的距离和蒸发集管、冷凝集管的直径大小具体由所应用的柔性器件10所决定。

参考图3所示，回流管7中心设置毛细芯，通过毛细芯的设置，有利于工作液沿着回流管7快速回流，回流管7的管壁设置微槽道12，微槽道12为连续的锯齿结构，锯齿结构相对于回流管7的管壁倾斜设置，以使得锯齿结构一端固定于回流管内壁，另一端朝向回流管中心的毛细芯设置，通过微槽道的设置，增大毛细力的同时还使回流的工作液单向流动至蒸发集管。

其中，毛细芯9具体可由纤维制成。

可以理解的是，冷凝集管6套用在蒸发集管5的最外侧，且冷却单元与冷凝集管紧密贴合，并不连通，通过冷却液和工作液蒸汽的对流换热带走热量，将工作液冷却为液态，通过回流管锯齿结构的微槽道毛细力的作用，经回流管流回各蒸发集管中。

需要说明地是，第一板、各管路和冷却单元均采用轴向柔韧性较好且径向又具有一定受力强度的柔性金属，如铜、铝，或者采用经过掺杂改性的导热性较好聚乙烯醇(PVA)、聚酯(PET)和聚酰亚胺(PI)等。由于独特的网状结构和柔性材料的选择，使得散热装置整体柔韧性良好，同时导热单元径向还能保持一定的刚度，在工作液注入导热单元时，先对导热单元进行抽真空，然后在注入工作液时可以承受住吸力，不会像其他软胶或者橡胶材料干瘪从而堵塞通道，造成工作液的积聚及局部超温。

当各管路采用柔性金属管时，管路的接口可通过焊接方式连接，当采用柔性聚合物材料时，管路的各接口采用粘合剂进行粘合；在一些示例中，第一板采用高导热柔性聚合物材料如石墨烯复合材料、碳纤维复合材料或聚乙烯复合材料，第一板通过粘合的方式与导热单元粘结。

当然需要说明的是，各管路还可以采用其他的连接方式，只要能保证散热装置的气密性和可靠性即可。

在散热装置使用时，要先对导热单元抽真空，然后再注入工作液，因此，在最中心的蒸发集管设置开孔11，通过开孔11用于注入工作液，工作液可以是去离子水、氨、氟利昂、己烷、丙酮和乙醇等，在工作液注入完成后，将开孔封堵。

本发明提供的散热装置，可用于柔性有机或无机材料电子装置等柔性器件的散热，将柔性器件直接布置于第一板的侧面，实现与散热装置的结合，进行有效散热；通过第一板可支撑一个或多个柔性器件10，当柔性器件10发热时，工作液吸收热量变为蒸汽，蒸汽通过距离最近的蒸汽通道8快速到达冷凝集管6释放热量，蒸汽释放热量后转化为液态，工作液又会通过周围相间布置的具有微槽道的回流管7及时补充，换热效率和流动效果均很优异。

一种仿生结构柔性散热装置的工作方法，包括如下内容：

液态的工作液在蒸发集管5中吸收由柔性器件10散出的热量并转化为蒸汽，蒸汽沿着蒸汽通道8汇集到冷凝集管6中，由于冷凝集管6和冷却水单元2紧密贴合，热量很快转移到冷却水中，工作液重新变为液态，并通过回流管7中微槽道及毛细芯9毛细力的作用，单向流动，重新回到各蒸汽集管5中。

实施例二

考虑到柔性器件不一定集中分布，例如在生物健康监测领域，监测心跳和血压的柔性感应器件阵列位置之间存在较大差异，为解决散热问题同时保证较低的能耗，本实施例提供一种仿生结构柔性散热系统，参考图4所示，包括一个或多个实施例一所述的一种仿生结构柔性散热装置，每一柔性散热装置可用于一个或多个相对集中的柔性器件阵列进行散热，而且当设置多个散热装置时，部分散热装置的冷却单元通过柔性管件连通。

各散热装置的冷却单元可通过冷却水入口管、冷却水出口管实现相邻两散热装置的连接，具体可焊接连接，或者冷却水入口管/冷却水出口管设置卡扣，即要散热装置的冷却水入口管或冷却水出口管的内径大于要同其连接的另一散热装置的冷却水入口管或冷却水出口管的外径，实现二者卡合连接，保证两散热装置的可靠连接。

具体地，在一些示例中，针对六边形的导热单元，冷却单元设置两个冷却水入口管和两个冷却水出口管，无需同其他散热装置连接的冷却水入口管、冷却水出口管可进行封堵。

散热系统中包括多个散热装置，散热装置通过第一板、蒸发集管、冷凝集管、工作液蒸汽通道、带有微槽道的回流管和冷却单元组成一个微型单元，在冷却单元设立接口用于与其他的散热装置相连接，形成能够完全覆盖柔性器件阵列的大型蛛网仿生结构柔性散热装置。

采用拼接的散热装置，在保证柔韧性的同时，简化了整体的结构，所有散热装置共用一套冷却水系统(用于向冷却单元供水，包括储水箱、水泵和管路等)，所接入散热装置的数量越多对能量的利用率越高，相比之下更为节能。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种仿生结构柔性散热装置，其特征在于，包括：

导热单元，为柔性仿生结构，导热单元包括蒸发集管和冷凝集管，蒸发集管内能够通入工作液，冷凝集管位于蒸发集管的环向，冷凝集管与蒸发集管通过蒸汽管道和回流管连通，蒸发集管内工作液能够吸收柔性器件产生的热量，并转化为蒸汽，蒸汽通过蒸汽管道流向冷凝集管；

冷却单元，冷却单元设于冷凝集管的侧部或环向，冷却单元内部可通入流动的冷却水，通过冷却单元带走冷凝集管处蒸汽的热量，蒸汽转化为液态后通过回流管流入蒸发集管内。

2.根据权利要求1所述的一种仿生结构柔性散热装置，其特征在于，所述蒸发集管设置多圈，相邻两圈蒸发集管之间间隔设定距离，且相邻两圈蒸发集管通过蒸汽管道和回流管连通。

3.根据权利要求1所述的一种仿生结构柔性散热装置，其特征在于，所述冷凝集管的形状、所述蒸发集管和所述冷却单元的形状是相同的。

4.根据权利要求1所述的一种仿生结构柔性散热装置，其特征在于，相邻两蒸发集管之间、蒸发集管与冷凝集管之间设置多处所述的蒸汽管道和回流管；

相邻两蒸发集管之间、蒸发集管与冷凝集管之间的蒸汽管道与回流管间隔设定距离，且蒸汽管道与回流管在相邻两蒸发集管之间、蒸发集管与冷凝集管之间的周向方向交替布置。

5.根据权利要求1所述的一种仿生结构柔性散热装置，其特征在于，所述冷却单元为环形件，且冷却单元的内侧与所述冷凝集管粘合。

6.根据权利要求1所述的一种仿生结构柔性散热装置，其特征在于，沿着所述导热单元的对角线，导热单元的一侧相邻两蒸发集管之间、蒸发集管与冷凝集管之间设置蒸汽管道，另一侧设置回流管；

所述回流管中心设置毛细芯，回流管的侧壁设置微槽道，微槽道为连续的锯齿结构，锯齿结构相对于回流管的管壁倾斜设置以朝向导热单元的中心设置。

7.根据权利要求1所述的一种仿生结构柔性散热装置，其特征在于，还包括第一板，第一板的一侧粘合于所述导热单元和冷却单元的侧部，另一侧面用于固定柔性器件。

8.根据权利要求1所述的一种仿生结构柔性散热装置，其特征在于，所述冷却单元设置冷却水入口管和冷却水出口管。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的一种仿生结构柔性散热装置的工作方法，其特征在于，包括如下内容：

蒸发集管中的工作液吸收由柔性器件散出的热量，并转化为蒸汽；

蒸汽沿着蒸汽通道汇集到冷凝集管中，通过冷却单元的设置，蒸汽所携带的热量被转移到冷却水中，工作液重新变为液态，并通过回流管回到蒸发集管内。

10.一种仿生结构柔性散热系统，其特征在于，包括若干权利要求1-8中任一项所述的一种仿生结构柔性散热装置，相邻两散热装置通过冷却水入口管/冷却水出口管连接。

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