CN115773681A - 基于环路热管的散热装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例涉及热管理技术领域，公开了一种基于环路热管的散热装置，该散热装置包括毛细泵、均温板、散热件、N个蒸发管段和N个冷凝管段，毛细泵设置在均温板上，N个蒸发管段设置在均温板上，N个冷凝管段设置在散热件上，N个蒸发管段与N个冷凝管段依次交替首尾连通、以形成流动管路，流动管路的两端分别与毛细泵的入口和毛细泵的出口连通，N大于1。本发明实施例提供的散热装置能够兼顾高热流密度承载能力与抗重力能力，同时提高了散热效率。

Description

基于环路热管的散热装置

技术领域

本发明实施例涉及热管理技术领域，特别涉及一种基于环路热管的散热装置。

背景技术

随着电子产品不断朝更大容量、更高性能发展，设备集成化程度也越来越高，器件功能也更强大，但是设备功耗也在持续大幅增长，同时设备器件的布局要求却更紧凑，这对应用在这些电子产品中的散热技术提出了严峻的挑战。尤其是在应用于电子产品的风冷系统中，大功率/高热流器件可能面临散热空间或风量不足的问题，需要充分利用电子产品的板内或板外冗余空间拓展散热能力。而空间散热能力的拓展通过热量迁移来实现，但当前技术条件下的散热装置无法兼顾高热流密度承载能力与抗重力能力，且散热效率较低。

发明内容

本发明实施例的主要目的在于提出一种基于环路热管的散热装置，能够兼顾高热流密度承载能力与抗重力能力，同时提高了散热效率。

为实现上述目的，本发明实施例提供了一种基于环路热管的散热装置，包括毛细泵、均温板、散热件、N个蒸发管段和N个冷凝管段，所述毛细泵设置在所述均温板上，所述N个蒸发管段设置在所述均温板上，所述N个冷凝管段设置在所述散热件上，所述N个蒸发管段与所述N个冷凝管段依次交替首尾连通、以形成流动管路，所述流动管路的两端分别与所述毛细泵的入口和所述毛细泵的出口连通，所述N大于1。

本发明提出的一种基于环路热管的散热装置，通过均温板使热源的热量扩散后，由环路热管进行热量迁移，即均温板上热源器件的热量会在均温板上扩散，同时使毛细泵内的工质蒸发，工质蒸发后经蒸发管段进入设置在散热件上的冷凝管段，工质在散热件的冷凝管道内冷凝释放热量后变成液态，重新进入下一段蒸发管段，开始下一次蒸发过程。此处的均温板能够提高散热装置的热流密度承载能力，而毛细泵的毛细吸力作用可以克服重力和压损以为工质提供循环驱动力，从而兼顾散热装置的抗重力能力。同时，流动管路在热区(即均温板所在区域)与冷区(即散热件所在区域)之间来回往复，使得工质经历多轮的蒸发吸热与冷凝放热，实现热区与冷区之间的均温热传输，从而通过工质在热区与冷区之间的多次循环放热提高散热装置的散热效率。

附图说明

图1a是散热场景一所采用的均温板的结构示意图；

图1b是散热场景二所采用的热管搭接均温板的结构示意图；

图1c是散热场景三所采用的环路热管的结构示意图；

图2是根据本发明实施例提供的基于环路热管的散热装置的结构示意图；

图3是图2所示散热装置的主视结构示意图；

图4是根据本发明实施例提供的散热装置的另一种结构示意图；

图5是图4所示散热装置的主视结构示意图；

图6是根据本发明实施例提供的散热装置的又一种结构示意图；

图7是图6所示散热装置的主视结构示意图；

图8是根据本发明实施例提供的波纹管的结构示意图；

图9是根据本发明实施例提供的散热装置包括两个流动管路时的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施例进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施例中，为了使读者更好地理解本发明而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施例的种种变化和修改，也可以实现本发明所要求保护的技术方案。以下各个实施例的划分是为了描述方便，不应对本发明的具体实现方式构成任何限定，各个实施例在不矛盾的前提下可以相互结合相互引用。

图1a示出了散热场景一所采用的均温板的结构，均温板可以通过内腔中的工质相变过程进行高效扩热，同时具有较低的热阻和较高的热流密度承载能力，但其缺点在于：

1)抗重力能力有限，竖直方向逆重力距离(均温板热源核心区至均温板底部)不宜过长，否则均温板核心区补液困难，易造成均温板内液态工质烧干失效；

2)热源器件相对均温板偏心受力不均，影响接触可靠性；

3)均温板单边尺寸过大增加加工难度。

图1b示出了散热场景二所采用的热管搭接均温板的结构，在均温板间搭接热管可以减小单个均温板的尺寸，通过数根热管分摊热量，但其缺点在于；

1)均温效率较低，两块均温板之间的热量传递依赖热管接触部分；

2)热管的抗重力性能也有限，竖直距离过长其传热能力也会减弱。

图1c示出了散热场景三所采用的环路热管的结构，其工质在蒸发器内蒸发，而后经冷凝管冷凝，再流回蒸发器进行热量迁移。因蒸发器毛细芯能够提供较大毛细力克服重力与回路压损，热源与冷端可以有更长的距离。但直接采用环路热管，蒸发吸热过程只在蒸发器内进行，也存在一些问题：

1)由于相变机制不同，环路热管蒸发器的热流密度承载能力不及均温板；

2)环路热管蒸发器壳体至内芯的热阻较大，高热流密度条件下会带来较大的温差。

本发明实施例提供的一种基于环路热管的散热装置如图2和图3所示，该散热装置包括毛细泵110、均温板120、散热件130、N个蒸发管段140和N个冷凝管段150，毛细泵110设置在均温板120上，N个蒸发管段140设置在均温板120上，N个冷凝管段150设置在散热件130上，N个蒸发管段140与N个冷凝管段150依次交替首尾连通、以形成流动管路160，流动管路160的两端分别与毛细泵110的入口111和毛细泵110的出口112连通，其中，N大于1。

本发明实施例提供的散热装置，通过均温板120使热源的热量扩散后，由环路热管进行热量迁移，即均温板120上热源器件的热量会在均温板120上扩散，同时使毛细泵110内的工质蒸发，工质蒸发后经蒸发管段140进入设置在散热件130上的冷凝管段150，工质在散热件130的冷凝管道内冷凝释放热量后变成液态，重新进入下一段蒸发管段140，开始下一次蒸发过程。此处的均温板120能够提高散热装置的热流密度承载能力，而毛细泵110的毛细吸力作用可以克服重力和压损以为工质提供循环驱动力，从而兼顾散热装置的抗重力能力。同时，流动管路160在热区(即均温板120所在区域)与冷区(即散热件130所在区域)之间来回往复，使得工质经历多轮的蒸发吸热与冷凝放热，实现热区与冷区之间的均温热传输，从而通过工质在热区与冷区之间的多次循环放热提高散热装置的散热效率。

此处的均温板120可以选择铜VC(Vapor Chamber，真空腔均热板)、铝VC或者不锈钢VC，也可以采用平板热管、微槽道平板热管或者微槽道冷板等具有高等效导热性能的均热部件代替，均温板120可以将热源的高热流密度热量输入转化为低热流密度，从而减轻毛细泵110直接接触热源时的耐热流负担，同时均温板120上的热源热量会均匀扩散至整个均温板120平面，为均温板120上设置的多个蒸发管段140提供足够的集热区面积，从而将均温板120上设置的多个蒸发管段140的蒸发作用得到充分发挥。

而此处的毛细泵110可以为工质在流动管路160中的循环提供动力，该动力由毛细泵110内毛细芯的毛细力提供，毛细芯通常为气液分离式设计，在毛细泵110毛细力的作用下无需外加驱动，同时蒸发管段140、冷凝管段150可以依据布置需求设计形状以适应不同的散热场合，使散热装置在实际布置中具有较高的灵活性。此处的毛细泵110可以采用柱状毛细泵110或者平板式毛细泵110，如图2中所示的平板式毛细泵110可以紧贴均温板120上的热源，两者之间充分接触使得两者之间的热传导效率更高。

毛细泵110处于均温板120上与热源器件接触的位置，毛细泵110在吸收热原器件散发的热量后，内部液态工质开始蒸发为气态，蒸发后的气态工质由毛细泵110出口112定向流出，先经过与毛细泵110出口112连通的一段蒸发管段140，进一步吸收均温板120上的热量并充分汽化，而后进入与冷凝管段150，在低温区发生冷凝后释放热量变成液态，释放的热量传递至散热件130上，而变成液态的工质返回均温板120上的蒸发管段140，开始下一次蒸发过程，如此循环往复，直至最后一段冷凝管段150中的液态工质由毛细泵110入口111回到毛细泵110，继续吸热蒸发开始又一轮循环。

而流动管路160在均温板120与散热件130之间的往复次数理论上不受限制，除了毛细泵110的毛细力可以为工质在流动管路160中的流动提供动力，工质在每个蒸发管段140所发生的蒸发过程也可以为工质的流动提供动力。因此，流动管路160可以依据具体的传热需求和布局而定，即蒸发管段140的数量、冷凝管段150的数量以及蒸发管段140的形式、冷凝管段150的形式可以依据散热装置具体的传热需求和布局而定。

在一种具体的实施方式中，为了降低工质在流动管路160内流动时的阻力，即为了确保散热装置热量迁移过程的顺利进行，蒸发管段140的形状和冷凝管段150的形状均采用U型，即工质在蒸发管段140内经过一次变向后进入冷凝管段150，在冷凝管段150内同样经过一次变向后进入蒸发管段140。此处的U型即每个蒸发管段140可以包括两个第一直线段以及连接两个第一直线段的第一中间段，每个冷凝管段150可以包括两个第二直线段以及连接两个第二直线段的第二中间段，每个蒸发管段140的第一直线段与每个冷凝管段150的第二直线段沿同一方向延伸设置。如图2所示，每个蒸发管段140和每个冷凝管段150均分为三个部分，气态工质在每个蒸发管段140的流动路线为：第一个第一直线段、第一中间段、第二个第一直线段；相应地，液态工质在每个冷凝管段150的流动路线为：第一个第二直线段、第二中间段、第二个第二直线段。这样，工质在蒸发管段140发生蒸发后可以向设置在散热件130上的冷凝管段150流动，并且在冷凝管段150发生冷凝后，经过变向返回设置在均温板120上的蒸发管段140。

同时蒸发管段140的第一直线段可以与冷凝管段150的第二直线段对接在一起，从而使工质在蒸发管段140、冷凝管段150内流动的过程中，变向次数较少，可以降低工质在流动管路160中的动能损耗，即降低流动管路160的热阻，使流动管路160内的工质能够顺利流动，从而确保热量迁移过程的顺利进行。

另外，为了使扩散在均温板120上的热量能够得到均匀转移，可以使两个相邻的第一直线段之间的距离相等，这样，多个蒸发管段140的第一直线段以相同间距均匀分布在均温板120上，工质在每个第一直线段流动的过程中，能够将均温板120上该处的热量带走，从而均匀带走均温板120上的热量。而为了使进入冷凝管段150中的热量能够均匀释放至散热件130上，可以使两个相邻的第二直线段之间的距离相等，这样，多个冷凝管段150的第二直线段以相同间距均匀分布在散热件130上，工质在每个第二直线段流动的过程中，能够将热量均匀释放至散热件130上。此处的蒸发管段140和冷凝管段150也可以依据散热空间的布局，设计为其他形状，例如W型或者波浪形。

而散热件130依据具体的散热需求，可以采取不同的形式。例如，在一种具体的实施方式中，散热件130可以采用均热板，此处的均热板与上述的均温板120属于同一部件的两种名称，散热件130为均热板时，散热件130与均温板120处于同一平面上且相互间隔设置，多个冷凝管段150贴合设在散热件130表面上。此时，通过均热板内腔中工质的两相变化(即液态与气态之间的相互转变)，可以较好地传导每个冷凝管段150释放的热量。

而在另一种具体的实施方式中，如图4和图5所示，为了增大每个冷凝管段150与散热件130之间的接触面积，可以将多个冷凝管段150嵌设于散热件130中，此处的散热件130可以采用具有内腔的金属板，或者采用导热性能较好的材料制成的平板，例如石墨制成的平板。此处的散热件130与均温板120同样位于同一平面上且相互间隔设置，多个冷凝管段150设置在内腔中。这样，可以增大每个冷凝管段150与散热件130之间的接触面积，从而提高两者之间的热传导效率。

在散热件130采用均热板或者具有空腔的金属板时，可以在散热件130上设置翅片，以用于强迫风冷场景。

在其他可能的实施方式中，如图6和图7所示，散热件130也可以采用多个相互平行且间隔设置在多个冷凝管段150上的散热片131形成，工质在冷凝管段150释放的热量直接传递给散热片，虽然两者之间的接触总面积有所减小，单位面积上的传热量可能会受到限制，但是同样能够起到传递热量的作用。

而这里提到的均热板、具有空腔的金属板和多个相互平行且间隔设置的散热片，可以依据散热装置的具体应用需求进行选择。

另外，在散热件130采用均热板或者具有空腔的金属板时，散热件130与均温板120间隔设置，流动管路160的多个蒸发管段140和多个冷凝管段150分别安装在不同的板上，为了方便多个蒸发管段140和多个冷凝管段150的安装，如图8所示，可以采用波纹管170实现蒸发管段140与冷凝管段150之间的连通，波纹管170设置在蒸发管段140与冷凝管段150之间，通过波纹管170的波纹结构可以在蒸发管段140与冷凝管段150之间形成软连接浮动，并且可以避免偏心应力问题。此处也可以将蒸发管段140与冷凝管段150采用波纹管形式，这样，在蒸发管段140连接至冷凝管段150时，同样可以达到在蒸发管段140与冷凝管段150之间形成软连接浮动的目的。

同时，为了使流动管路160的传热布局更加规整均匀，散热装置可以布置多个流动管路160，使多个流动管路160同时运行，这样，可以缩短散热装置中单个流动管路160的长度，降低工质在较长的流动管路160内循环时的不稳定性。相应地，此处毛细泵110的入口111和出口112也可以有多个，从而与多个流动管路160相互搭配，如图9所示，毛细泵110的入口111有两个，毛细泵110的出口112也有两个，散热装置包括两个流动管路160，两个流动管路160关于毛细泵110呈对称设置，其中一个流动管路160的一端与毛细泵110的其中一个入口111连通，另一端与毛细泵110的其中一个出口112连通，另一个流动管路160的一端与毛细泵110的另一个入口111连通，另一端与毛细泵110的另一个出口112连通，从而形成两个流动管路160同时进行热量迁移，且相互之间互不干涉，而此处在增加流动管路160的数量后，为了确保每个流动管路160内工质的顺利流动，可以对毛细泵110的内部结构进行优化。

另外，为了使自毛细泵110流出的工质经过充分汽化，可以将毛细泵110的出口112背离散热件130设置，将毛细泵110的入口111朝向散热将设置。这样，毛细泵110内的工质在自出口112流出后，会在均温板120上的蒸发管段140中充分汽化后，进入散热件130上的冷凝管段150，同时，也可以缩短工质自冷凝管段150返回至毛细泵110的入口111之间的管路长度，确保液态工质正常返回至毛细泵110的入口111。

通过发挥毛细泵110的毛细作用，本发明提供的散热装置不仅可以应用于远距离热迁移场景，而且还能够适用于竖直状态下的散热场景，尤其是热沉(散热器件)位于热源器件的重力下方的逆重力场景，同时本发明提供的散热装置不限于通讯产品、汽车、消费电子等领域的散热使用。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于环路热管的散热装置，其特征在于，包括毛细泵、均温板、散热件、N个蒸发管段和N个冷凝管段，所述毛细泵设置在所述均温板上，所述N个蒸发管段设置在所述均温板上，所述N个冷凝管段设置在所述散热件上，所述N个蒸发管段与所述N个冷凝管段依次交替首尾连通、以形成流动管路，所述流动管路的两端分别与所述毛细泵的入口和所述毛细泵的出口连通，所述N大于1。

2.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于：

每个所述蒸发管段包括两个第一直线段以及连接两个所述第一直线段的第一中间段，每个所述冷凝管段包括两个第二直线段以及连接两个所述第二直线段的第二中间段，每个所述蒸发管段的所述第一直线段与每个所述冷凝管段的所述第二直线段沿同一方向延伸设置。

3.根据权利要求2所述的散热装置，其特征在于：

任意两个相邻的所述第一直线段之间的距离等于任意两个相邻的所述第二直线段之间的距离。

4.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于：

所述散热件为均热板，所述散热件与所述均温板位于同一平面上且相互间隔设置，所述多个冷凝管段贴合设在所述散热件表面上。

5.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于：

所述散热件为具有内腔的金属板，所述散热件与所述均温板位于同一平面上且相互间隔设置，所述多个冷凝管段设置在所述内腔中。

6.根据权利要求4或5所述的散热装置，其特征在于：

还包括翅片，所述翅片设置在所述散热件上。

7.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于：

所述散热件为相互平行且间隔设置在所述多个冷凝管段上的多个散热片。

8.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于：

还包括波纹管，所述波纹管设置在所述蒸发管段与所述冷凝管段之间、将所述蒸发管段连接至所述冷凝管段。

9.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于：

所述毛细泵包括多个入口，以及与所述多个入口一一对应的多个出口，所述流动管路有多个并与所述多个入口一一对应，每个所述流动管路的一端与对应的所述出口连通，每个所述流动管路的另一端与对应的所述入口连通。

10.根据权利要求9所述的散热装置，其特征在于：

所述毛细泵的所述入口朝向所述散热件设置，所述毛细泵的所述出口背离所述散热件设置。

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