CN115052461A - 一种脉动热管散热装置及散热系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种脉动热管散热装置及散热系统，其中脉动热管散热装置包括：基板，所述基板上设置有脉动热管以及充装在所述脉动热管中的工质，所述脉动热管在所述基板上蜿蜒布设，所述基板上扣盖有导热板。包括：基板，所述基板上设置有脉动热管以及充装在所述脉动热管中的工质，所述脉动热管在所述基板上蜿蜒布设，所述基板上扣盖有导热板。本发明能够通过设置在基板上的脉动热管以及充装在脉动热管中的随机分布流动的工质，实现有效的散热效果。在运行时脉动热管内部为真空状态，脉动热管内的工质在表面张力的作用下在脉动热管内形成长度不一的液柱及气柱，在散热时液柱以及气柱能够在冷端以及热端之间振荡流动，实现高热流密度散热。

Description

一种脉动热管散热装置及散热系统

技术领域

本申请涉及散热技术领域，具体而言，涉及一种脉动热管散热装置及散热系统。

背景技术

随着电子产品的组件逐步趋于集成化及小型化，尤其是电子元器件的体积越来越小，功耗也越来越大。传统的自然对流或者强制对流散热以不能满足电子元器件的散热需求，需要开发体积小、散热能力强以及低成本的新型散热组件。

在现有的电子产品散热组件中，热管作为具有优良导热能力的散热元件越来越受到关注，热管内部设置有吸液芯，当热管的热端受热时吸液芯中的液体蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向冷端放出热量凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回热端的蒸发段，通过工质的内循环相变来实现传热。因此，当回流方向与重力方向相反时，热管会存在回流困难，传热性能下降的情况，学术上成为“毛细极限”，在该情况下热管的性能大打折扣，严重制约了热管的应用场景。

与传统热管不同的是，脉动热管依靠液体的表面张力，使得工质在流道中自然形成气液相间的分布形式，在热作用下，气柱和液柱在蒸发段和冷凝段震荡，实现热量的传递，其体积小，当量传热系数大，且没有所谓的“毛细极限”，不受重力限制，应用场景更为广阔。

另外，在某些微小电子元器件的散热领域，热管的管径尺寸相对较大，并不适用于微小电子元器件的热量传导。

发明内容

本申请的目的是提供一种脉动热管散热装置及散热系统，脉动热管散热装置具有结构简单，散热效率高的特点，能够实现高热流密度散热。

为了实现上述目的，第一方面，本发明提供一种脉动热管散热装置，包括：基板，所述基板上设置有脉动热管以及充装在所述脉动热管中的工质，所述脉动热管在所述基板上蜿蜒布设，所述基板上扣盖有导热板，所述基板及所述导热板包括铝合金板，所述脉动热管的管壁以及所述导热板的底壁均进行疏水性处理。

在可选的实施方式中，所述脉动热管包括开设在所述基板的板面上的闭路沟槽，所述闭路沟槽的至少一部分包括紧贴相邻且平行延伸的流道。

在可选的实施方式中，所述流道之间设置有分隔条，所述分隔条包括多道，每道所述分隔条沿所述流道的蜿蜒方向延伸。

在可选的实施方式中，所述分隔条的宽度与所述流道宽度相同。

在可选的实施方式中，所述分隔条的宽度小于所述流道的宽度，所述分隔条两侧的所述流道的宽度不同。

在可选的实施方式中，所述流道在多道所述分隔条之间宽窄交替设置，相邻所述流道之间的宽度比不小于2:3。

在可选的实施方式中，所述基板上设置有工质的充装口，所述充装口与所述闭路沟槽相通。

在可选的实施方式中，所述基板与所述导热板连接为一体结构，所述基板的端面上连接有安装耳。

在可选的实施方式中，所述导热板与所述基板焊接为整体结构。

第二方面，本发明提供一种散热系统，包括前述实施方式中任一项所述的脉动热管散热装置，所述导热板上设置有热源组件及冷却组件；

所述热源组件包括贴合设置在所述导热板上的PCB板，所述冷却组件包括铺展于所述导热板上的冷却块。

本发明中的脉动热管散热装置，能够通过设置在基板上的脉动热管以及充装在脉动热管中的随机分布流动的工质，实现有效的散热效果。在运行时脉动热管内部为真空状态，脉动热管内的工质在表面张力的作用下在脉动热管内形成长度不一的液柱及气柱，在散热时液柱以及气柱能够在冷端以及热端之间振荡流动，实现高热流密度散热。

脉动热管在基板上蜿蜒布设，能够延长脉动热管在基板上的流动路径，增大散热面积，通过扣盖在基板上的导热板，能够将热量传递到导热板上，利于热量的向外传递。

铝合金板形式的基板及导热板，具有较高的导热系数，能够有效便于热量的转移，并且经过疏水性处理后的脉动热管管壁以及导热板底壁，能够极大提高工质在疏水性表面上的接触角，降低工质在移动时的摩擦阻力，有利于脉动热管的运行。

本发明中的散热系统，通过同时贴合在导热板上的电子元器件以及冷却组件，能够使脉动热管与导热板作为传热媒介，将电子元器件上的热量通过脉动热管及时导出，并转移至冷却组件上，最终使冷却组件以散热或者热传导的形式将电子元器件的功耗热量向系统外传输，达到了良好的散热效果。

本申请的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请提供的脉动热管散热装置的结构示意图；

图2为实施例1提供的脉动热管在基板上的布置结构图；

图3为实施例1中分隔条与流道的结构示意图；

图4为实施例2提供的脉动热管在基板上的布置结构图；

图5为实施例2中分隔条与流道的结构示意图；

图6为未进行疏水处理时工质液柱在脉动热管中的分布示意图；

图7为进行疏水处理后工质液柱在脉动热管中的分布示意图。

图标：

1-基板；11-闭路沟槽；12-流道；13-分隔条；14-安装耳；15-充装口；

2-导热板；

3-安装孔；

4-热源组件；

5-冷却组件；

6-液态工质；

7-脉动热管。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

参见图1，并结合图2、图4，本发明中的脉动热管散热装置，包括基板1，所述基板1上设置有脉动热管以及充装在所述脉动热管中的工质，所述脉动热管在所述基板1上蜿蜒布设，所述基板1上扣盖有导热板2。

本发明中的脉动热管散热装置，主要用于进行高密度热量散热，具体通过充装在脉动热管中的随机分布的工质进行定向运动，将气柱以及液柱由热端即蒸发端向冷端即冷凝端推动流动，通过间隔分布的气柱以及液柱在蒸发端及冷凝端之间的振荡流动，从而实现热量的传递。

通过蜿蜒布设在基板1上的脉动热管，能够增强工质流动的激荡状态，并且提高了整体的换热面积，实现了稳定的高热流密度传热，传递的热量通过扣盖在基板1上的导热板2进行传热，完成热量的向外转移，构建了散热装置上的基板1与导热板2之间的传热通道。

本发明中的脉动热管具有结构简单，加工自由度高的特点，在脉动热管中并不需要设置吸液芯等附件，脉动热管的流道12可以任意弯曲，当量传热系数大，整体体积小。在使用过程中，脉动热管的流道12呈蛇形结构，弯头一端为加热端，另一端为冷却端，在中间可根据需要布置绝热段。在基板1与导热板2焊接为一体结构后，将脉动热管内部抽成真空，充注一部分工作液体，工作液体在表面张力的作用下在脉动热管内形成长度不一的液柱和气塞。

主要原理包括：工作液体在加热端受热后产生气泡，在冷却端遇冷破灭，利用气泡生长与湮灭产生的脉动压力驱动工质定向运动。脉动热管将管内抽成真空后充注部分工作介质，由于管径足够小，管内将形成气泡柱和液体柱间隔布置并呈随机分布的状态。在蒸发端，工质吸热产生气泡，迅速膨胀和升压，推动工质流向低温冷凝端。在低温冷凝端气泡冷却收缩并破裂，压力下降，由于两端间存在压差以及相邻热管存在的压力不平衡，使得工质在蒸发端和冷凝端之间振荡流动，从而实现热量的传递。在整个过程中，无需消耗外部机械能和电能，在热驱动下实现工质的自我震荡。

液柱在毛细管中的形状由其表面的润湿性决定，对于脉动热管本身，这种毛细管中的液柱是液态工质在脉动热管中的主要存在形式。参见图6，由于大部分金属表面为亲水表面，液态工质6与脉动热管7的管壁间的接触角α普遍小于或接近90度，其在液-汽-固接触表面会形成如图中所示的内凹的弧形液面，这种形状的液柱在移动时与管壁的摩擦力大，不利于脉动热管的运行。

参见图7，通过将脉动热管的管壁以及导热板的底壁均进行疏水性处理，能够使液态工质6在疏水性表面上与脉动热管7的管壁间的接触角β大于90°，疏水性处理方法包括但不限于AgNO₃+氟硅烷溶液浸泡的形式。

通过上述将金属表面的疏水处理，所处理的铝合金表面接触角β一般在150°以上，则液柱在脉动热管中形状会变为图7所示的外凸型液面，该种形状的工质液柱能够使其在移动过程中摩擦阻力保持在较低水平，有利于脉动热管的运行。结合铝合金材质的基板及导热板，能够极大改善散热工况，实现高热流密度散热。

具体地，本发明中的脉动热管设置在基板1上，包括开设在基板1的板面上的闭路沟槽11，基板1具体为带有一定厚度的平板，其在设置闭路沟槽11后与导热板2焊接为一体结构，闭路沟槽11包括闭环设置的流道12，能够供工质在流道12中进行内部激荡流动。为了减小工质在流动过程中的阻力，蜿蜒布设的流道12的至少一部分紧贴相邻，通过紧凑布设的流道12能够提高工质激荡流动的顺畅性，增强脉动热管的散热效果。具体地，紧贴相邻的流道12之间平行延伸，能够减小工质在弯曲流动时的异向折流，在提高流动通槽性的同时减小了对激荡流动工况的影响，保证工质在脉动热管中的激荡状态。

在相邻流道12之间设置有分隔条13，分隔条13具体为基板1的一部分，在开设闭路沟槽11后，相邻流道12之间的基板1结构形成分隔条13。基于闭路沟槽11在基板1上的蜿蜒布设形式，本发明中的分隔条13包括多道，每道分隔条13的两侧构成一对紧贴相邻且平行延伸的流道12，且每道分隔条13沿流道12的蜿蜒方向延伸。通过该种设置方式，保证了工况在流道12中的激荡流动状态，并且能够使分隔条13同时作为传热的一部分，利于热量通过分隔条13传递到导热板2上，增加传热组件的构成。

基于每道分隔条13两侧分别构成相互平行延伸的流道12，本发明中分隔条13与流道12之间可以为不同形式的设置关系，具体通过不同实施例展开说明。

实施例1

参见图2-图3，本实施例中的每对相邻紧贴的流道12与分隔条13对应设置，部分闭路沟槽11以及分隔条13为折弯形式，流道12跟随分隔条13的折弯同时进行折弯延伸，折弯延伸一方面能够增强工质的振荡流动工况，另一方面能够延长流动路径，提高散热效果。

本实施例中在基板1的板面以及在导热板2上均设置有用于安装外部热源组件4或者冷却组件5的安装孔3，基于脉动热管在运行时的真空状态，在位于基板1上安装孔3的位置设置有闭路沟槽11的避让位置，在将导热板2扣盖在基板1上后，通过将基板1与导热板2上安装孔3之间的间隙以及基板1与导热板2焊接为整体结构，使闭路沟槽11与外界空间相隔绝，为闭路沟槽11在后续抽真空提供基础。

本实施例中分隔条13的宽度H1与流道12的宽度H2相同，能够实现均匀散热，保证工质在流道12中可靠运行。参见图3，本实施中分隔条13以及流道12的宽度均为0.8mm，流道12的深度为1.2mm，满足工质在流道12中的均匀流动。

在基板1的侧边设置有与闭路沟槽11相通的工质充装口15，在真空状态下将基板1与导热板2焊接后通过充装口15将工质充入脉动热管的流道12中，然后再将充装口15进行封堵，实现工质在脉动热管中的充装。

为了方便将脉动热管散热装置固定在电子产品上，在基板1两侧的端面上分别连接有安装耳14，通过安装耳14能够方便基板1的安装。

实施例2

参见图4-图5，本实施例中脉动热管散热装置的结构与实施例1中的结构基本相同，不同之处在于，分隔条13的宽度与其两侧流道12的宽度均不相同，具体地，本实施例中分隔条13的宽度小于位于其两侧流道12的宽度，优选地，分隔条13两侧流道12的宽度也不相同，包括宽窄不同的相通流道12。

通过宽度较小的分隔条13，能够降低其向导热板2传热时的热阻，保证及时传热，同时能够减少工质在折弯回流时的阻力，提高工质流动的通畅性，增强激荡流动的状态。

本实施例中的流道12在多道分隔条13之间宽窄交替布设，能够构成工质在相邻流道12中流动时的压力差，更加有利于增强激荡流动工况的震荡状态，从而在最大程度上改善脉动热管散热装置的散热效果。

同时为了兼顾工质在流道12中的流动，相邻流道12即分隔条13两侧流道12的宽度应该满足一定的设置要求，本实施例中相邻流道12之间的宽度比不小于2:3，优选地，相邻流道12之间的宽度比为2:3的关系。以图5中的结构为例，分隔条13的宽度H1为0.8mm，分隔条13一侧较窄流道12的宽度H2为1.4mm，另一侧较宽流道12的宽度H3为2.1mm，流道12的深度为1.8mm。通过该种设置方式，能够使工质通畅流动的同时构成相邻流道12之间的相对压差，保证工质激荡振动的流动状态。

流道12的深度可依据具体实际进行设置，满足工质能够在充足空间中进行相变的需求，这里不再赘述。

需要重点指出的是，通过设置闭路沟槽11的形式，一方面能够提高脉动热管与导热板2的直接接触面积，同时将流道12之间的分隔条13作为基板1的一部分，通过基板1与导热板2之间的接触保证热量传导，另一方面能够在流道12之间形成压力差，维持工质的激荡流动状态，实现高热流密度散热。

本发明还提供了一种包括上述脉动热管散热装置的散热系统，其中导热板2上设置有热源组件4及冷却组件5；所述热源组件4包括贴合设置在所述导热板2上的PCB板，所述冷却组件5包括铺展于所述导热板2上的冷却块。

本发明中的导热板2主要用于将热源组件4以及脉动热管吸收的热量进行向外传递，通过将热源组件4以及冷却组件5设置在导热板2上，能够以导热板2作为媒介，直接接收来自热源组件4的热量，并以吸收脉动热管中散热的形式间接地转移热源组件4的热量。

热源组件4包括贴合设置在导热板2上的PCB板或者其他电子器件，冷却组件5包括铺展于导热板2上的冷却块。通过将PCB板或者其他电子器件贴合设置在导热板2的板面上，使散热组件的设置并不受到空间的局限性，冷却块可以在内部设置冷媒通道，外接冷媒介质来进行液冷，或者通过在其侧部设置散热风扇的形式进行风冷，最终使冷却块以散热或者热传导的形式将电子器件的功耗热量向系统外传输，达到了良好的散热效果。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例中的特征可以相互结合。

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

Claims (10)

1.一种脉动热管散热装置，其特征在于，包括：基板，所述基板上设置有脉动热管以及充装在所述脉动热管中的工质，所述脉动热管在所述基板上蜿蜒布设，所述基板上扣盖有导热板，所述基板及所述导热板包括铝合金板，所述脉动热管的管壁以及所述导热板的底壁均进行疏水性处理。

2.根据权利要求1所述的脉动热管散热装置，其特征在于，所述脉动热管包括开设在所述基板的板面上的闭路沟槽，所述闭路沟槽的至少一部分包括紧贴相邻且平行延伸的流道。

3.根据权利要求2所述的脉动热管散热装置，其特征在于，所述流道之间设置有分隔条，所述分隔条包括多道，每道所述分隔条沿所述流道的蜿蜒方向延伸。

4.根据权利要求3所述的脉动热管散热装置，其特征在于，所述分隔条的宽度与所述流道宽度相同。

5.根据权利要求3所述的脉动热管散热装置，其特征在于，所述分隔条的宽度小于所述流道的宽度，所述分隔条两侧的所述流道的宽度不同。

6.根据权利要求5所述的脉动热管散热装置，其特征在于，所述流道在多道所述分隔条之间宽窄交替设置，相邻所述流道之间的宽度比不小于2:3。

7.根据权利要求2-6中任一项所述的脉动热管散热装置，其特征在于，所述基板上设置有工质的充装口，所述充装口与所述闭路沟槽相通。

8.根据权利要求7所述的脉动热管散热装置，其特征在于，所述基板与所述导热板连接为一体结构，所述基板的端面上连接有安装耳。

9.根据权利要求8所述的脉动热管散热装置，其特征在于，所述导热板与所述基板焊接为整体结构。

10.一种散热系统，其特征在于，包括权利要求1-9中任一项所述的脉动热管散热装置，其特征在于，所述导热板上设置有热源组件及冷却组件；

所述热源组件包括贴合设置在所述导热板上的PCB板，所述冷却组件包括铺展于所述导热板上的冷却块。

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