CN113660833A - 一种散热装置及高热流密度通讯机盒 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种散热装置及高热流密度通讯机盒，其中散热装置包括：柔性自驱动气液振荡相变传热器件，由蒸发段、冷凝段和绝热段三个部分构成；第一固定平板，用于固定蒸发段；第二固定平板，用于固定冷凝段；绝热段为柔性段，第一固定平板和第二固定平板可在绝热段进行折弯。本发明提出的散热装置以柔性自驱动气液振荡相变传热器件为传热中枢，可以将通讯机盒的产热高效、无功耗地扩展至机盒两侧的散热空间散释。传热器件中间绝热段采用柔性管段设计，能够适应通讯机盒的自由开合，不仅能够满足通讯机盒因扩展维护而经常开合的应用需求，而且有效串接了机盒的冷热两端，从而充分利用机盒的散热空间，有助于提升机盒的整体散热效果。
Description
技术领域
本发明涉及电子通讯设备的高效被动式冷却散热技术领域，具体涉及的是一种用于开合式高热流密度通讯机盒的柔性自驱动气液振荡相变散热装置。
背景技术
随着5G通信技术的普及和6G通信技术的启动研发，常用的开合式通讯机盒正朝着高性能、紧凑化、小型化的方向飞速发展，导致其单位体积发热热流密度与日俱增。如不对其内部的功耗部件进行有效的冷却散热，将造成部件工作温度超出安全工作温度上限，进而导致其工作效率下降、使用寿命降低甚至烧毁。因此，需要研发与高热流开合式通讯机盒配套的可靠高效冷却散热装置。
目前，通讯机盒的冷却散热主要依靠传统毛细热管将热量均匀传递到金属基板的各处，再由金属基板将热量导出至通讯机盒外壳上的肋片化扩展表面，最后依靠空气自然对流将热量带走。实际上，为了便于加工、安装、维护，开合式通讯机盒开门一侧的外壳内部往往很少布置功耗部件，造成机盒三维空间内的发热量不均。而受限于传统毛细热管不能反复弯折，现有冷却散热方式通常只利用毛细热管将功耗部件的产热量扩展至其所在一侧的通讯机盒外壳上散释，并未充分利用通讯机盒开门一侧（即机盒低温一侧）的有效散热空间，从而限制了其冷却散热性能的进一步提升。
而相较于传统毛细热管，近年来发展起来的自驱动气液振荡相变传热器件借助闭合回路光滑小通道（水力直径一般1~5mm）内的连续“气泡/气塞泵”效应，并依靠回路冷热端气液相变产生的热驱动压差，推动两相工质产生脉动乃至循环流动，实现无外力驱动下的显热-潜热耦合传递。它特有的热驱动原理及结构特征使其具有结构简单、成本低廉、传热性能较好以及工作适应性强的优势。特别是，其简洁的多弯头蛇形小通道结构，使其较之传统毛细热管更具大换热面积柔性灵活布置的潜力。因此，该类传热器件在解决诸如开合式通讯机盒非规则小空间内高热流密度热扩展及冷却散热问题方面都具有良好的发展前景。
中国专利申请号201611050112.3发明专利公开了一种柔性脉动热管装置，其由蒸发段、绝热段和冷凝段组成，其中蒸发段和冷凝段采用铜毛细管，而绝热段采用柔性氟橡胶管，冷凝段和蒸发段的U形铜毛细管与绝热段之间通过胶结的方式依次连通构成蛇形回路。虽然该专利的柔性脉动热管装置绝热段采用了柔性氟橡胶管，可以使脉动热管自身结构可在较大的角度范围内实现重复弯折和变形，从而更好地适应各种复杂密闭空间内的散热需求，但是弯折无疑会增大工质的流动阻力，造成脉动热管传热性能下降。最重要的是，该脉动热管结构不够紧凑，无法在狭小的空间内布置足够多弯头数的脉动热管，也没有非均匀结构提供附加的驱动力，导致该柔性脉动热管在水平方向或者逆重力方向工作时传热性能大打折扣甚至失效，热量无法有效传导出去导致温度飞升，严重影响电子元件工作可靠性。此外，该管式柔性脉动热管装置难以与常规的发热元件相匹配。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提出一种散热装置和具有散热装置的高热流密度通讯机盒。该器件柔性自驱动气液振荡相变传热器件作为核心传热单元，使整个通讯机盒空间内的温度更加均匀，同时发挥通讯机盒两侧肋片的作用，使热量更加高效的导出和快速消散，且具有良好的重力适应性。此外，该柔性自驱动气液振荡相变传热器件中间段为柔性热管，可以承受较大程度的变形，有利于通讯机盒的安装维护。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种散热装置，其特征在于，包括：
柔性自驱动气液振荡相变传热器件，由蒸发段、冷凝段和绝热段三个部分构成；
第一固定平板，用于固定所述蒸发段；
第二固定平板，用于固定所述冷凝段；
所述绝热段为柔性段，所述第一固定平板和第二固定平板可在绝热段进行折弯。
一种开合式高热流密度通讯机盒，包括第一通讯机盒外壳和第二通讯机盒外壳，第一通讯机盒外壳和第二通讯机盒外壳具有一转动连接部；其特征在于：在所述第一通讯机盒外壳和第二通讯机盒外壳内设置有上述所述的散热装置。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提出散热装置，结构紧凑，可以在狭小的空间布置具有较多的弯头数，极大的提高了热管的传热效率和重力适应性。柔性自驱动气液振荡相变传热器件绝热段为柔性管，具有较强的形变能力，有利于开合式通讯机盒的安装和检修。柔性管与蒸发段和冷凝段管间的连接是通过转接头进行的，转接头内部开有螺纹孔，需要连接的管段同样开有螺纹孔，并缠有防水带以增强密封性。多弯头型内沟槽管式脉动热管的蒸发段和冷凝段嵌入刻有预埋槽道的内外基板之间并通过紧固螺钉压紧固定在通讯机盒外壳内壁上，内外基板两侧均涂有导热硅脂，以减小接触热阻，完美的克服了传统管式脉动热管与散热器件难以匹配的缺点。
柔性自驱动气液振荡相变传热器件内表面加工有微沟槽，沟槽数≥10，截面形状可以为矩形、梯形、三角形或Ω型。这样的设计一方面可以提供毛细抽吸力促进冷凝段凝液向蒸发段的回流补充，有助于提升器件的重力适应性，使之可以在水平方向甚至逆重力方向运行，更有利于提高通讯机盒使用灵活性；另一方面，微沟槽结构较之光滑壁面结构显著增加了蒸发段的汽化核心数和换热比表面积，还可以达到增加冷凝段薄液膜面积和减薄液膜厚度的效果，从而总体上强化了器件内部的蒸发/沸腾与冷凝换热，最终增加柔性自驱动气液振荡相变传热器件的传热性能，即，通讯机盒的内部温度分布更加均匀。
柔性自驱动气液振荡相变传热器件通过交替布置小通道和大通道来获得高低相间的流动阻力，并在大小通道过渡弯头处的气塞上引发定向界面张力驱动压差，有效弥补了弯头以及弯折过多带来的较大阻力所导致的驱动力不足的问题，且有助于促成工质产生具有高效能质输运性能的同向循环运动。
柔性自驱动气液振荡相变传热器件采用自润湿流体作为工质。自润湿流体在温度超过一定值后，其表面张力随温度的升高而增加，会在弯月面上行成独特的表面张力梯度，这种独特的表面张力梯度会驱使冷液体自发的流向高温区，这就是自润湿流体的“自润湿”作用，可以改善蒸发段的“烧干”现象，继而有利于提升脉动热管的传热极限，使通讯机盒在超额定功率下也可以有效运行，避免了因短暂超功率运行而导致的过热问题。
本发明散热装置，以柔性自驱动气液振荡相变传热器件作为核心传热单元，能够高效快速的将电子元件产生的热量分布至通讯机盒两侧外壳，充分利用了通讯机盒两侧外壳的散热面积，有效避免了通讯机盒一侧的热量积聚。同时，该柔性自驱动气液振荡相变传热器件毛细管内表面微沟槽结构一方面可以提供毛细抽吸力促进冷凝段凝液向蒸发段的回流补充，有助于提升器件的重力适应性，使之可以在水平方向甚至逆重力方向运行，更有利于提高通讯机盒使用灵活性；另一方面，微沟槽结构较之光滑壁面结构显著增加了蒸发段的汽化核心数和换热比表面积，还可以达到增加冷凝段薄液膜面积和减薄液膜厚度的效果，从而总体上强化了器件内部的蒸发/沸腾与冷凝换热。再者，通过交替布置小通道和大通道来获得高低相间的流动阻力，并在大小通道过渡弯头处的气塞上引发定向界面张力驱动压差，有效弥补了弯头以及弯折过多带来的较大阻力所导致的驱动力不足的问题，且有助于促成工质产生具有高效能质输运性能的同向循环运动。此外，采用自润湿流体工质可以改善蒸发段的“烧干”现象，继而有利于提升传热器件的传热极限，使通讯机盒在超额定功率下也可以有效运行，避免了因短暂超功率运行而导致的过热问题。特别是，该传热器件绝热段采用柔性热管，具有较强的自由形变能力，很好的满足了开合式通讯机盒经常进行内部维护扩展的应用需求。
附图说明
图1为本发明外部结构示意图；
图2是本发明内部结构示意图；
图3是本发明内部分解图；
图4为本发明中外基板结构示意图；
图5为本发明中内基板结构示意图；
图6为本发明中柔性自驱动气液振荡相变传热器件结构示意图；
图7为图6的A-A剖面图；
图8为图7中A-A-1段的放大示意图；
图9为本发明中柔性自驱动气液振荡相变传热器件强化传热原理示意图。
图10为图9的A-A剖面示意图；
图11为图9的B部放大示意图；
图12为图11的C部放大示意图；
图13为本发明中柔性自驱动气液振荡相变散热装置散热过程示意图。
图中：通讯机盒外壳1、散热肋片101、螺纹孔102、外基板2、柔性自驱动气液振荡相变传热器件3、焊缝301、转接头302、柔性热管303、铜毛细管304、微槽道305、蒸发段3a、冷凝段3b、内基板4、通讯机盒外壳5、散热肋片501、螺纹孔502、外基板6、突耳601、沟槽602、右内基板7、突耳701、沟槽702、电子元件凹槽703、紧固螺钉8、合页9。
具体实施方式
如图1所示，本发明一种用于开合式高热流密度通讯机盒的柔性自驱动气液振荡相变散热装置，包括外基板2、柔性自驱动气液振荡相变传热器件3、内基板4、外基板6和内基板7。在外基板2上开设有沟槽202，在内基板4上开设有沟槽502。在外基板6上开设有沟槽602，在内基板7上开设有沟槽702。柔性自驱动气液振荡相变传热器件3一端嵌入在外基板2上的沟槽202和内基板4上的沟槽502之中，柔性自驱动气液振荡相变传热器件3另一端嵌入在外基板6上的沟槽602和内基板7上的沟槽702之中。外基板2、内基板4及位于外基板2和内基板4之间的柔性自驱动气液振荡相变传热器件3形成的整体固定在通讯机盒外壳1，形成板式蒸发段。外基板6、内基板7及位于外基板6和内基板7之间的柔性自驱动气液振荡相变传热器件3形成的整体固定在通讯机盒外壳5上，形成板式蒸发段。
通讯机盒外壳1和通讯机盒外壳5通过合页9相互连接，可以在0°~180°之间自由调节开合角度。
在外基板2和内基板4上分别设置有突耳201和401；在外基板6和内基板7上分别设置有突耳601和701。外基板2和内基板4通过紧固螺钉8穿过突耳401和201以及螺纹孔102固定在通讯机盒外壳1上，形成板式冷凝段。外基板6和内基板7通过紧固螺钉8穿过突耳601、突耳701和螺纹孔502固定在通讯机盒外壳5上，形成板式蒸发段。
在内基板7上开设有凹槽704，电子元件安装在蒸发段内基板7的凹槽704上。各接触面均填充有导热硅脂。
如图2、图3所示，外基板2、内基板4、外基板6和内基板7，4个基板一面加工有半圆形槽道，槽道尺寸与柔性自驱动气液振荡相变传热器件吻合良好，基板两个侧部各加工有2个突耳601（201、401、701），便于紧固螺钉8的安装。
如图3所示，柔性自驱动气液振荡相变传热器件3的两侧可以完美地嵌入进外基板（2、6）和内基板（4、7）的槽道中，再通过紧固螺钉8穿过上下突耳进行压紧固定。基板两侧涂有导热硅脂以保证其与脉动热管保持良好接触。柔性自驱动气液振荡相变传热器件绝热段段采用柔性热管，可承受较大程度的形变，方便通讯机盒的开启和闭合。
如图6所示，柔性自驱动气液振荡相变传热器件3由多根圆管弯曲并焊接或拼接而成，其弯头相互交叉，一部分弯头向上弯曲以避免空间上相互重合。柔性自驱动气液振荡相变传热器件3的蒸发段3a和冷凝段3b采用铜毛细管304，绝热段采用柔性氟橡胶管303，其与蒸发段3a和冷凝段3b的铜毛细管304通过转接头302进行连接。
图7是图6的截面示意图，实线箭头所指的管子最终经过绝热段首尾相连，虚线箭头所指的管子最终经过绝热段首尾相连。
柔性自驱动气液振荡相变传热器件3的管道内径沿通道方向发生交替变化，参见图8，在相邻管道的平行通道间呈现大（D2）-小（D1）-大（D2）-小（D1）的变化规律，不同内经的铜毛细管之间通过焊接的方式进行连接，焊接口301位于冷凝段3b弯头出口处。在相邻管道的平行通道间呈现大小交替变化，从而在不同内径处构造了毛细压力差异，为工质的运动提供附加的驱动力，从而弥补多弯头带来的阻力较大所造成的驱动力不足的缺点，其中大通道水力内径在3mm~4mm之间，小通道水力直径在2mm~3mm之间。
柔性自驱动气液振荡相变传热器件3内表面加工有多个轴向微沟槽304，沟槽数≥10；微沟槽304当量直径介于0.15～0.5mm之间，沟槽深度不大于热管通道当量直径的20%；沟槽横截面形状可以是矩形、梯形、三角形或圆形。拼接完成后，热管通道抽真空至绝对压力≤10-3Pa一下，然后充注入自润湿流体工质，充液量为热管内部总容积的30~60%；自润湿流体工质为共沸型醇类水溶液，如正丁醇水溶液、正庚醇水溶液等。
图9为柔性自驱动气液振荡相变传热器件3传热原理以及强化机理示意图。由于其特殊的管道内径，工质会在其中形成间隔分布的气塞和液塞。如图9空心实线箭头所示，工作时，电子元件发出的热量通过右内基板7传递给柔性自驱动气液振荡相变传热器件3的蒸发段3a，工质吸热蒸发/沸腾，压力升高，推动工质向冷凝段3b运动，冷凝段基板2、4无发热元件或发热元件较少，温度较低，工质在冷凝段3b凝结，压力变低，正是这种蒸发段与冷凝段管间的压差以及管间压力不平衡的耦合作用，造成气液塞在蒸发段3a和冷凝段3b之间做振荡运动，从而实现热量从蒸发段3a到冷凝段3b的高效传递。同时，如11所示的，管内充注的自润湿流体工质特殊的表面张力特性使得高温n处工质的表面张力σn大于低温m处液体的表面张力σm，从而使得液体自发的从低温m处流向高温n处，缓解了蒸发段3a的干化现象，有效提升了柔性自驱动气液振荡相变传热器件3的“烧干”极限；再者，如图10所示，内壁面微沟槽结构可以增加热管内部薄液膜的面积，最重要的是其产生的毛细抽吸力可以促进冷凝液返回蒸发段，从而进一步提升柔性自驱动气液振荡相变传热器件的均温性和传热极限。此外，柔性自驱动气液振荡相变传热器件3交替变化的管内径可以提供附加的驱动力来促进工质由振荡运动向循环运动转化，又进一步提升了其传热性能。最后，柔性自驱动气液振荡相变传热器件3的紧凑型多弯头结构可以有效叠加每匝冷凝段和蒸发段之间的相变饱和驱动压差，减弱重力影响，使之能够在水平方向正常工作。
图13为柔性自驱动气液振荡相变散热装置散热过程示意图。工作时，内基板7上的电子元件产生的热量一部分传递给外基板6，再由外基板6传递给通讯机盒外壳5，由于机壳上肋片所增加的传热面积，热量会迅速被空气自然对流带走；另一部分热量被柔性自驱动气液振荡相变传热器件3的蒸发段3a所吸收，通过气液塞的运动传递到冷凝段3b，再传递给内基板2，最后由内基板2传递给通讯机盒外壳1通过自然对流散失到空气中。
Claims (10)
1.一种散热装置，其特征在于，包括：
柔性自驱动气液振荡相变传热器件，由蒸发段、冷凝段和绝热段三个部分构成；
第一固定平板，用于固定所述蒸发段；
第二固定平板，用于固定所述冷凝段；
所述绝热段为柔性段，所述第一固定平板和第二固定平板可在绝热段进行折弯。
2.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于，所述柔性自驱动气液振荡相变传热器件由蜿蜒圆形毛细管道首尾拼接而成，管道内壁面布置有轴向微沟槽并部分充注自润湿流体工质。
3.根据权利要求2所述的散热装置，其特征在于，所述柔性自驱动气液振荡相变传热器件各平行毛细管道内径交替变化；大通道水力内径在3mm~4mm之间，小通道水力直径在2mm~3mm之间。
4.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于，所述柔性自驱动气液振荡相变传热器件的毛细管道内表面加工有轴向微沟槽，槽道横截面为矩形、梯形、三角形或Ω型，沟槽数≥10。
5.根据权利要求1-4所述的散热装置，其特征在于，所述第一固定平板包括第一内基板和第一外基板；所述蒸发段固定在第一内基板和第一外基板之间。
6.根据权利要求5所述的散热装置，其特征在于，在所述第一内基板和第一外基板上分别设置有第一沟槽；柔性自驱动气液振荡相变传热器件的蒸发段嵌入在第一内基板和第一外基板上的第一沟槽之中。
7.根据权利要求5所述的散热装置，其特征在于，所述第二固定平板包括第二内基板和第二外基板；所述冷凝段固定在第二内基板和第二外基板之间。
8.根据权利要求7所述的散热装置，其特征在于，在所述第二内基板和第二外基板上分别设置有第二沟槽；柔性自驱动气液振荡相变传热器件的冷凝段嵌入在第二内基板和第二外基板上的第二沟槽之中。
9.一种开合式高热流密度通讯机盒，包括第一通讯机盒外壳和第二通讯机盒外壳，第一通讯机盒外壳和第二通讯机盒外壳具有一转动连接部；其特征在于：在所述第一通讯机盒外壳和第二通讯机盒外壳内设置有权利要求1-8任一所述的散热装置。
10.根据权利要求9所述的开合式高热流密度通讯机盒，其特征在于：散热装置的第一固定平板与第一通讯机盒外壳固定；散热装置的第二固定平板与第二通讯机盒外壳固定；高温侧发热元件产生的热量一部分通过所述第一固定平板传递到第一通讯机盒外壳上释放，另一部分热量被所述柔性自驱动气液振荡相变传热器件中蒸发段的工质所吸收，经所述柔性绝热段传递到所述的冷凝段，最终传递到所述第二通讯机盒外壳上释放。
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