CN203563290U - 翅片内置多通道热管的一体化相变散热装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于利用相变散热的技术领域，特别涉及一种翅片内置多通道热管的一体化相变散热装置。在散热主体的各散热翅片内部构造了若干条通道，在各个通道内分别设置毛细吸液芯；散热主体安装在盖板上，并在散热主体与盖板之间设置多孔材料层或机刻微槽道；所述毛细吸液芯的底端与多孔材料层或机刻微槽道连通；作为冷凝段的散热翅片、翅片中的通道和毛细吸液芯以及作为蒸发段的多孔材料层或机刻微槽道共同组成了热管。当盖板受热时，液体汽化吸热，产生的蒸汽在众多通道内自由分配，并在通道内冷凝放热。该装置不仅扩大了蒸汽冷凝面积，实现了整个散热翅片的均温化，而且消除了热管和散热翅片间的接触热阻，使散热装置具有较高的散热效率。

Description

翅片内置多通道热管的一体化相变散热装置

技术领域

本实用新型属于利用相变散热的技术领域，特别涉及一种翅片内置多通道热管的一体化相变散热装置，实现散热翅片和众多热管的一体化设计。

背景技术

随着科学技术的发展，大功率激光器、大功率LED、红外探测阵列、大功率和高性能微处理器等光电子/微电子芯片（简称“光电芯片”）及其应用系统的微型化和高度集成化，单位容积内的发热量急剧增大，导致电子设备局部温度过高，热流密度值飙升等问题。这些问题已成为制约光电芯片产业发展的重要瓶颈。

热管作为一种利用工质相变传递热量的装置，具有传热温差小、导热性高、以及优良等温性等优点，是电子设备冷却的理想装置。但目前热管与传统散热翅片的结合方式存在很大问题，大大限制了热管优越性能的发挥，而且成本较高。目前热管与散热翅片的连接一般有两种，一种通过在接触面涂抹导热硅脂的方式，直接把散热翅片粘附在热管上；另一种把散热片直接穿插在热管上，或者通过焊接的方式把散热翅片接在热管的表面。这些连接方式会产生较大的接触热阻，极大影响了其散热效率。另外，散热器的热量最终通过散热翅片将其传递到环境中的，因翅片末端与周围空气的接触最为充分，因此具有最大的散热潜能，而传统的装配方式使散热翅片基部温度较高，末端温度较低，两者间存在较大的温度差，因此一定程度上降低了散热翅片末端的散热优势，进而降低了散热效率。为保证较好的散热效率，翅片的高度受到了严格的控制（当翅片高时，翅片末端的温度与环境温度相差不大，散热较差，而且还浪费了金属材料）。

发明内容

本实用新型旨在提供一种翅片内置多通道热管的一体化相变散热装置，以解决现有散热翅片和热管间的接触热阻较大、散热翅片末端和基部温差较大、散热翅片的热效率不高以及翅片高度受到限制致使散热面积不能得到充分扩展等问题。

本实用新型采用的技术方案为：

在散热主体的各散热翅片内部构造了若干条通道，在各个通道内分别设置毛细吸液芯；散热主体安装在盖板上，并在散热主体与盖板之间设置多孔材料层或机刻微槽道；所述毛细吸液芯的底端与多孔材料层或机刻微槽道连通；作为冷凝段的散热翅片、翅片中的通道和毛细吸液芯以及作为蒸发段的多孔材料层或机刻微槽道共同组成了热管。

所述散热翅片靠近基部的位置设置若干个通风孔。

所述散热主体与盖板通过焊接或金属密封的方式连接，散热主体与盖板组成密封的壳体，在盖板的侧边设置与多孔材料层或机刻微槽道连通的充液管。

所述散热翅片内部的通道，其截面形状为圆形、矩形或者梯形；每条通道配置的翅片采用单向、双向或者多个方向的对称、非对称布置；一条通道配置一个翅片或多个翅片。

所述毛细吸液芯的具体形式为设置在通道中间的毛细吸芯、或者是设置在通道边壁刻有微结构的沟槽、或者是前面二种形式的组合。

所述多孔材料层或机刻微槽道上通过烧结或机刻工艺制备成带有矩形、三角形或者梯形截面形状的槽道。

所述散热主体内通道中填充工作介质，工作介质为水、丙酮、酒精、氨水或者上述几种介质的混合物。

所述散热翅片基部的通风孔为单个或连续布置的若干个。

本实用新型的有益效果为：

（1）在散热翅片内部构造了许多通道，相当于许多并行的微型热管，实现了散热片与热管的一体化设计，消除了传统热管与散热翅片间的接触热阻。

（2）多个冷凝通道的存在，一方面扩展了热管冷凝面积，另一方面在于热量是通过蒸汽从蒸发段到达冷凝段的，这种传热方式比热传导高效而迅速，因此减小了对散热翅片高度的限制，提高了散热翅片末端的温度，翅片高度越大，其内置热管的冷凝段越长，与外界交换热量的冷凝面积越大，充分发挥了散热翅片末端与外界环境接触比较充分的优势，同时使整个散热片均处于均温状态，与传统的均温板相比，实现了立体的均温，从而大大提高了散热器的散热效率，减小了风扇等被动散热的功耗率。

（3）冷凝通道内的毛细吸液结构可为冷凝液体的回流提供毛细力及通道，即使反重力条件下也能正常运行。

（4）内置热管的布置较为灵活，热管配置的翅片在方向、数量、对称性等方面可根据实际情况进行改变，在实际生产中可根据加工条件、发热源布置等灵活变换。

（5）散热翅片与热管通过模具一次成型，消除了热管与散热翅片间的接触热阻，同时实现了散热翅片的均温性，显著提高了散热装置的散热效率。

（6）由于实现了整个散热的均温化，减小了对翅片高度的限制要求，可以通过加大翅片高度来增加冷凝段的换热面积，同时翅片基部可设计许多通风孔，起到“烟囱作用”，强化了自然对流换热。

（7）散热翅片传热效率高、加工过程简单，可以成批量生产，成本较低，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为翅片内置多通道热管的一体化相变散热装置示意图。

图2（a）和图2（b）分别为翅片内置多通道热管的一体化相变散热装置的部分翅片的纵剖面和横剖面示意图。

图3为未封装盖板的一体化相变散热装置的底部结构示意图。

图4为具有“烟囱效应”的通风孔强化翅片散热原理示意图。

附图标记

1、散热主体，2、通风孔，3、毛细吸液芯，4、多孔材料层或机刻微槽道，5、盖板，6、充液管，1-1、通道，1-2、散热翅片，7、封装底板，8、底板封装凸台。

具体实施方式

本实用新型提供了一种翅片内置多通道热管的一体化相变散热装置，下结合附图和据图实施方式对本实用新型做进一步的阐述。

图1为本实用新型翅片内置多通道热管一体化相变散热装置的结构示意图。该装置由散热主体1、通风孔2、毛细吸液芯3、多孔材料层或机刻微槽道4、用于抽真空和注液的充液管6和盖板5组成。此散热装置既可以利用自然对流散热方式，也可以和低压交流或直流风扇组装在一起，把发热元件产生的热量散发到环境中。

本实用新型的热管构造于散热主体1内部，包含了蒸发段和冷凝段，其剖面图如图2所示。在散热主体1的各个散热翅片1-2上分别构造翅片内部通道1-1，在其内部插有一根毛细吸液芯3，毛细吸液芯3紧密与散热主体1底部的多孔材料层或机刻微槽道4相连接，所传递的热量最终通过散热翅片1-2散失到空气中。多孔材料层或者机刻微槽道4如果是多孔材料层则直接烧结在盖板5的上面，如果是机刻微槽道则使用机械加工的方式直接在盖板5上加工而成。图3是没有封装盖板的一体化相变散热装置的底部结构示意图，散热主体1通过封装底板7与盖板5形成蒸发腔，盖板5和封装底板7的密封是通过底板封装凸台8进行焊接实现，整个散热装置的抽真空和工质的注入通过充液管6实现。

热管的蒸发段是作为工质蒸发的场所的多孔材料层或机刻微槽道4；凹槽或者微槽结构扩大了汽、液界面，加大了相变发生面积，有利于相变传热的进行。

热管的冷凝段主要包括散热翅片1-2、翅片中的通道1-1及毛细吸液芯3，当蒸发段内的液体受热汽化时，蒸汽在微小压力下从相变表面溢出，进入蒸发腔，然后在各个通道入口自由分配并流向冷凝段。蒸汽在冷凝通道内冷凝放热，由于通道1-1较小，冷凝后的液体会因为表面张力作用停留在孔内，毛细吸液芯3的作用就是提供毛细吸力，使液体能够从冷凝段向蒸发段及时回流，同时可使散热器能够在反重力下工作。散热翅片内的条形通道，不仅扩大了冷凝有效面积，而且使整个散热翅片处于均温状态，因此不同通道截面、通道数量、通道布置以及选取置于其中毛细吸液结构，都会有助于调控热管的工作与运行。因此可以通过调控槽道的特征如截面形状、间距、尺寸、数量等满足运行工况的多样化需求。

在散热翅片1-2的基部构造了多个通风孔2，主要用于强化较高散热翅片的自然对流换热，有助于新鲜的冷空气沿着通风孔进入翅片间隔，并沿着翅片高度方向快速扩散，最终排出散热装置，形成一种自抽风现象，即“烟囱效应”，如图4所示，气流从翅片底部向顶部流动过程中，增加了外部冷空气从底部吸入，并从翅片末端排出，产生了强化对流的效果，有助于散热翅片中内置热管冷凝部分的自然对流换热，较大程度的提高了散热器的传热系数，改善了其散热性能。

本实用新型的毛细吸液芯3可采用多孔材料切成的长条，其结构呈细长形，长度为散热片内的通道长度，其横截面可以做成各种形状，如圆形、矩形、梯形等。毛细吸液芯3也可以是在翅片通道制备过程中直接在通道管壁上直接构造微沟槽结构。合理调控通道的孔径、毛细吸液芯的截面面积及结构有助于调控液体的蒸发与冷凝回流。

盖板5一般由铜或者铝材制成，其边壁与充液管道6相连。

本实用新型的工作原理如下：

对散热装置首先进行抽真空并注入合适的工质和恰当的充液比。在热管工作过程中，当盖板5受到加热时，作为蒸发段的盖板5和多孔材料层或者机刻微槽道4的温度会升高，当其达到一定温度时，所填充的液体会发生汽化，汽化后的蒸汽在压差作用下，从多孔材料层或者机刻微槽道4内部溢出进入蒸发腔，并在众多通道热管1-1间进行分配，进入通道热管1-1内的气体沿着通道运动，在通道内部的边壁上冷凝，冷凝后的液体被吸附到毛细吸液芯3内部，这些液体在毛细吸力的作用下沿着毛细吸液芯3到达多孔材料层或者机刻微槽道4，并在其内部进行分配，流向相变发生区域，满足液体蒸发所需要的液体供应，从而形成完整的循环，由于毛细芯的存在，液体的循环是被动的，不需要外界的动力，并且理想情况下能够在反重力的环境下工作。

上述详细说明了本实用新型的具体可行实施例、基本原理和主要特征。该内置热管式一体化散热装置可满足高热密度散热要求，具有体积小、重量轻、散热效率高等特征。本实用新型同时使散热器的散热过程实现了高效、低成本和低能耗的操作运行，为解决制约大功率光电芯片散热提供了一种较好的途径。

本实用新型并不受上述实施例的限制，上述实施例、说明书中描述仅是为了说明本实用新型的原理，本实用新型还可根据实际情况对材料、加工方式、散热翅片结构有各种变化与改进。

Claims (8)

1.一种翅片内置多通道热管的一体化相变散热装置，其特征在于，在散热主体（1）的各散热翅片内部构造了若干条通道，在各个通道内分别设置毛细吸液芯（3）；散热主体（1）安装在盖板（5）上，并在散热主体（1）与盖板（5）之间设置多孔材料层或机刻微槽道（4）；所述毛细吸液芯（3）的底端与多孔材料层或机刻微槽道（4）连通；作为冷凝段的散热翅片、翅片中的通道和毛细吸液芯（3）以及作为蒸发段的多孔材料层或机刻微槽道（4）共同组成了热管。 

2.根据权利要求1所述的翅片内置多通道热管的一体化相变散热装置，其特征在于，所述散热翅片靠近基部的位置设置若干个通风孔（2）。 

3.根据权利要求1所述的翅片内置多通道热管的一体化相变散热装置，其特征在于，所述散热主体（1）与盖板（5）通过焊接或金属密封的方式连接，散热主体（1）与盖板（5）组成密封的壳体，在盖板（5）的侧边设置与多孔材料层或机刻微槽道（4）连通的充液管（6）。 

4.根据权利要求1所述的翅片内置多通道热管的一体化相变散热装置，其特征在于，所述散热翅片内部的通道，其截面形状为圆形、矩形或者梯形；每条通道配置的翅片采用单向、双向或者多个方向的对称、非对称布置；一条通道配置一个翅片或多个翅片。 

5.根据权利要求1所述的翅片内置多通道热管的一体化相变散热装置，其特征在于，所述毛细吸液芯（3）的具体形式为设置在通道中间的毛细吸芯、或者是设置在通道边壁刻有微结构的沟槽、或者是前面二种形式的组合。 

6.根据权利要求1所述的翅片内置多通道热管的一体化相变散热装置，其特征在于，所述多孔材料层或机刻微槽道（4）上通过烧结或机刻工艺制备成带有矩形、三角形或者梯形截面形状的槽道。 

7.根据权利要求1所述的翅片内置多通道热管的一体化相变散热装置，其特征在于，所述散热主体（1）内通道中填充工作介质。 

8.根据权利要求2所述的翅片内置多通道热管的一体化相变散热装置，其特征在于，所述散热翅片基部的通风孔（2）为单个或连续布置的若干个。 

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