CN210781900U - 一种连续冷却与抗热冲击冷却复合的一体式散热器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及散热器技术领域，提供一种连续冷却与抗热冲击冷却复合的一体式散热器，包括连续冷却单元和相变单元；连续冷却单元包括相连接的冷板和传热单元；相变单元设在冷板上，相变单元采用在液态与固态之间变换的相变材料；本实用新型在对发热元器件实施冷却时，充分兼顾到对发热元器件的常规持续冷却需求和尖峰发热冷却需求，在满足发热元器件抗热冲击的同时，不额外增加散热器的功耗，故障率低，从而有效控制了散热器的运维成本。

Description

一种连续冷却与抗热冲击冷却复合的一体式散热器

技术领域

本实用新型涉及散热器技术领域，尤其涉及一种连续冷却与抗热冲击冷却复合的一体式散热器。

背景技术

目前，随着电子信息技术的快速发展，电子芯片不断向高度集成化发展，导致其发热问题日益严峻。芯片在工作过程中，几乎一半的电能会转化为热量，如果这些热量不能被及时散出，芯片的温度将会持续升高，过高的温度会导致芯片性能衰退、寿命衰减、失效，甚至引发安全事故。

一般而言，为了维持芯片安全高效地工作，应将芯片的温度控制在85℃以下，因此，需要对其采取有效的散热措施。此外，还有很多电力电子器件或功率设备同样面临着严峻的发热问题，如LED芯片、聚光太阳能电池、IGBT电转换模块、X射线球管、发动机等等，高性能散热技术是保障这些发热元器件安全高效工作及向更高性能发展的重要前提。

一般而言，根据发热元器件工作状态的不同，冷却装置可以分为连续性冷却和间断性冷却两种。针对连续工作的发热元器件，需要提供长时间稳定可靠的连续冷却，常见的风冷、热管冷却和液冷均属于连续冷却方式。对于一些间断性工作，甚至一次性工作的发热元器件，采取连续冷却方式可能造成系统复杂和散热器体积(或重量)过大的问题，此时，可以采用体积紧凑结构简单的相变材料间断冷却方式。然而，在实际工作过程中，一些发热元器件的工作状态并不稳定，其发热功率随其工作状态出现瞬时波动，甚至在短时间内出现极大的热功率脉冲。这些热脉冲如果不能得到很好的控制，将导致发热元器件的温度在短时间内迅速攀升，从而造成发热元器件的损坏。

针对上述发热情形，如果采取相变材料间断性冷却技术，则无法满足其常规热功率阶段的持续冷却需求，而如果采取连续冷却技术，则需按照尖峰发热情况来设计，这必然造成很大的浪费，并引起散热器体积、重量和成本上的增加。

由此可见，现有的冷却装置难以同时兼顾到对发热元器件的常规持续冷却需求和尖峰发热冷却需求，从而难以从整体上缩小冷却装置的体积与成本，并降低能耗。

实用新型内容

(一)要解决的技术问题

本实用新型的目的是提供一种连续冷却与抗热冲击冷却复合的一体式散热器，用以解决现有的冷却装置难以同时兼顾到对发热元器件的常规持续冷却需求和尖峰发热冷却需求，从而难以从整体上缩小冷却装置的体积与成本，并降低能耗的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种连续冷却与抗热冲击冷却复合的一体式散热器，包括连续冷却单元和相变单元；所述连续冷却单元包括相连接的冷板和传热单元；所述相变单元设在所述冷板上，所述相变单元采用在液态与固态之间变换的相变材料。

优选的，本实用新型中所述传热单元包括第一翅片，所述第一翅片与所述冷板相连接。

优选的，本实用新型中所述传热单元包括热管、第二翅片和第一风扇；所述热管的一端连接所述冷板，另一端连接所述第二翅片；所述第一风扇的出风口朝向所述第二翅片设置。

优选的，本实用新型中所述传热单元包括循环泵、循环管道、第三翅片和第二风扇；所述循环泵通过所述循环管道与所述冷板内预设的液体流通管道构成封闭式回路；所述第三翅片安装在所述循环管道上，所述第二风扇的出风口朝向所述第三翅片设置。

优选的，本实用新型中所述相变材料填充于所述冷板内的空腔中，所述相变材料包括熔点在100℃以下的有机相变材料、无机相变材料、金属相变材料中的任意一种。

优选的，本实用新型中所述有机相变材料包括石蜡、酯、脂肪酸、醇、甘醇当中的任意一种；所述无机相变材料包括水合无机盐或无机盐；所述金属相变材料包括镓、镓铟合金、镓铟锡合金、铋铟锡合金、铋铟锡铅合金当中的任意一种。

(三)技术效果

本实用新型提供的连续冷却与抗热冲击冷却复合的一体式散热器，在对发热元器件进行散热时，将发热元器件与冷板相贴合，当发热元器件处于常规热功率阶段的发热时，其热功率稳定在较低水平，此时相变材料处于固相状态，从而直接由传热单元带走冷板上的热量，以对发热元器件进行连续冷却；当发热元器件功率波动，发热量在短时间内急剧上升到较高水平时，冷板在短时间内接收到大量的热能而使其温度高于相变材料的熔点温度时，相变材料开始熔化，吸收大量的相变潜热，并抑制冷板和发热元器件的温升，有效防止了发热元器件温度过高，以此实现对发热元器件的抗热冲击保护功能。

由此可见，本实用新型在对发热元器件实施冷却时，充分兼顾到对发热元器件的常规持续冷却需求和尖峰发热冷却需求，在满足发热元器件抗热冲击的同时，不额外增加散热器的功耗，故障率低，从而有效控制了散热器的运维成本。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型的实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，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的附图。

图1为本实用新型的实施例1所示的一体式散热器的结构示意图；

图2为本实用新型的实施例2所示的一体式散热器的结构示意图；

图3为本实用新型的实施例3所示的一体式散热器的结构示意图；

图4为本实用新型实施例所示的热源功率随时间变化的曲线示意图；

图5为本实用新型实施例所示的传统的连续冷却的散热器与一体式散热器对应的热源温度随时间变化的对比曲线示意图。

图中：1、冷板；2、相变材料；3、第一翅片；4、热管；5、第二翅片；6、第一风扇；7、循环泵；8、循环管道；9、第三翅片；10、第二风扇。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“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；可以是机械连接，也可以是电连接；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实用新型中的具体含义。

本实施例提供了一种连续冷却与抗热冲击冷却复合的一体式散热器，包括连续冷却单元和相变单元；连续冷却单元包括相连接的冷板1和传热单元；相变单元设在冷板1上，相变单元采用在液态与固态之间变换的相变材料2。

具体的，本实施例所示的冷板1为钢板结构，冷板1与发热元器件相贴合，并用于接收并传导发热元器件上散发的热量；相变材料2具有储热密度高、工作稳定可靠、工作过程零功耗等特点，在对相变材料2进行选取时，应根据发热元器件的工作区间，选取适合相应热工况的具有合适熔点和物性的相变材料2。

对于本实施例所示的方案而言，为了满足发热元器件的尖峰发热冷却需求，通常将相变材料2填充于冷板1内的空腔中，其中，空腔可顺着冷板1的板面设计，并且冷板1的上、下板面对应空腔上、下的腔壁，冷板1的四个侧壁对应空腔的沿侧面的腔壁；与此同时，相变材料2选取熔点在100℃以下的有机相变材料、无机相变材料、金属相变材料中的任意一种，其中，有机相变材料包括石蜡、酯、脂肪酸、醇、甘醇当中的任意一种；无机相变材料包括水合无机盐或无机盐；金属相变材料包括镓、镓铟合金、镓铟锡合金、铋铟锡合金、铋铟锡铅合金当中的任意一种。

在此应指出的是，本实施例所示的相变材料2并不限于上述种类，只要能够在100℃以下实现液态与固态之间变换，以满足发热元器件抗热冲击的相关相变材料2均属于本实用新型的保护范围。

与此同时，本实施例所示的一体式散热器在对发热元器件进行散热时，将发热元器件与冷板1相贴合，当发热元器件处于常规热功率阶段的发热时，其热功率稳定在较低水平，此时相变材料2处于固相状态，从而直接由传热单元带走冷板1上的热量，以对发热元器件进行连续冷却；当发热元器件功率波动，发热量在短时间内急剧上升到较高水平时，冷板1在短时间内接收到大量的热能而使其温度高于相变材料2的熔点温度时，相变材料2开始熔化，吸收大量的相变潜热，并抑制冷板1和发热元器件的温升，有效防止了发热元器件温度过高，以此实现对发热元器件的抗热冲击保护功能。

由此可见，本实用新型在对发热元器件实施冷却时，充分兼顾到对发热元器件的常规持续冷却需求和尖峰发热冷却需求，在满足发热元器件抗热冲击的同时，不额外增加散热器的功耗，故障率低，从而有效控制了散热器的运维成本。

下面结合三种形态的传热单元，对本实施例所示的一体式散热器的结构进一步进行具体说明。

实施例1，

参见图1，本实施例中传热单元包括第一翅片3，第一翅片3与冷板1相连接。

具体的，本实施例所示的第一翅片3与冷板1可设计为一体式结构，以构成了空气自然对流冷却的一体式换热器，其工作原理如下：

当发热元器件处于常规热功率阶段时，空气自然对流第一翅片3足以将第一翅片3上传导的热量及时排出，将热源温度稳定在较低的可以接受的水平，此时相变材料2处于固相状态。

当发热元器件功率短时间内处于到较高水平时，冷板1在短时间内接收到大量的热能，该热能直接传导至第一翅片3，而空气自然对流第一翅片3难以快速带走大量的热能，从而难以对发热元器件进行有效冷却，此时，发热元器件温度迅速升高，相变材料2开始吸热熔化以抑制冷板1和发热元器件的温升，防止发热元器件温度过高，以此实现对发热元器件的抗热冲击保护功能。

当发热元器件恢复到常规热功率后，空气自然对流第一翅片3在带走发热元器件热量的同时，也对相变材料2进行冷却，冷板1和发热元器件温度恢复到较低的水平，相变材料2释放潜热并凝固，以应对下一次热冲击，如此循环往复。

实施例2，

参见图2，本实施例中传热单元包括热管4、第二翅片5和第一风扇6；热管4的一端插入至冷板1中，另一端连接第二翅片5；第一风扇6的出风口朝向第二翅片5设置。由此，在实际工作中，冷板1在接收发热元器件上散发的热量后，由热管4将冷板1上的热量传递至第二翅片5，在第一风扇6的风力吹动下，第二翅片5上的热量逐渐散失到周围环境当中。

具体的，本实施例所示的一体式散热器的工作原理如下：

当发热元器件处于常规热功率阶段时，热管4足以将热量及时排出，将热源温度稳定在较低的可以接受的水平，此时相变材料2处于固相状态。

当发热元器件功率短时间内处于到较高水平时，热管4难以通过热传导及时对发热元器件进行有效冷却，发热元器件的温度迅速升高，相变材料2开始吸热熔化以抑制冷板1和发热元器件的温升，防止发热元器件温度过高，以此实现对发热元器件的抗热冲击保护功能。

当发热元器件恢复到常规热功率后，热管4在带走发热元器件热量的同时，也对相变材料2进行冷却，冷板1和发热元器件温度恢复到较低的水平，相变材料2释放潜热并凝固，以应对下一次热冲击，如此循环往复。

实施例3，

参见图3，本实施例中传热单元包括循环泵7、循环管道8、第三翅片9和第二风扇10；循环泵7通过循环管道8与冷板1内预设的液体流通管道构成封闭式回路；第三翅片9安装在循环管道8上，第二风扇10的出风口朝向第三翅片9设置。由此，在实际工作中，在循环泵7的驱动下，低温的冷却液在循环管道8中流动，并在流经冷板1时，对冷板1进行冷却，并吸收与冷板1相贴合的发热元器件上的热量，以对发热元器件进行冷却，然后冷却液流经第三翅片9，第三翅片9在经过第二风扇10的强制风冷，将热量排出到环境当中，以此实现冷却循环。

具体的，本实施例所示的一体式散热器的工作原理如下：

参见图4，当发热元器件(热源)处于常规工作阶段时，其热功率稳定在较低水平，液冷循环足以将热量及时排出，将热源温度稳定在较低的可以接受的水平，此时相变材料2处于固相状态。

当发热元器件功率波动，即在其中一个时间段，发热元器件功率出现急剧增大时，其相应的发热量在短时间内急剧上升到较高水平时，液冷循环难以对发热元器件进行有效冷却，发热元器件温度迅速升高，冷板1温度也随之升高，当冷板1温度高于相变材料2的熔点温度时，相变材料2开始熔化，吸收大量的相变潜热，并抑制冷板1和发热元器件的温升，防止发热元器件温度过高，以此实现对发热元器件的抗热冲击保护功能。

由此，根据图5所示的曲线可知，当发热元器件(热源)处于常规工作阶段时，对于分别使用传统的连续冷却的散热器与一体式散热器而言，发热元器件的温度随着时间变化的曲线基本对应吻合，而在发热元器件的功率出现波动的时间段，由于相变材料2在从固相到液相的变化中吸收了大量的相变潜热，则一体式散热器在进行冷却散热时，对应热源的峰值温度明显低于使用传统的连续冷却的散热器进行散热时热源的峰值温度，其中，在图5中，实心曲线K1表示使用本实施例所示的一体式散热器对应的曲线，虚心曲线K2表示使用传统的连续冷却的散热器对应的曲线。

当发热元器件恢复到常规热功率后，液冷循环在带走发热元器件热量的同时，也对相变材料2进行冷却，冷板1和发热元器件温度恢复到较低的水平，相变材料2释放潜热并凝固，以应对下一次热冲击，如此循环往复。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种连续冷却与抗热冲击冷却复合的一体式散热器，其特征在于，包括连续冷却单元和相变单元；

所述连续冷却单元包括相连接的冷板和传热单元；

所述相变单元设在所述冷板上，所述相变单元采用在液态与固态之间变换的相变材料。

2.根据权利要求1所述的连续冷却与抗热冲击冷却复合的一体式散热器，其特征在于，

所述传热单元包括第一翅片，所述第一翅片与所述冷板相连接。

3.根据权利要求1所述的连续冷却与抗热冲击冷却复合的一体式散热器，其特征在于，

所述传热单元包括热管、第二翅片和第一风扇；

所述热管的一端连接所述冷板，另一端连接所述第二翅片；

所述第一风扇的出风口朝向所述第二翅片设置。

4.根据权利要求1所述的连续冷却与抗热冲击冷却复合的一体式散热器，其特征在于，

所述传热单元包括循环泵、循环管道、第三翅片和第二风扇；

所述循环泵通过所述循环管道与所述冷板内预设的液体流通管道构成封闭式回路；

所述第三翅片安装在所述循环管道上，所述第二风扇的出风口朝向所述第三翅片设置。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的连续冷却与抗热冲击冷却复合的一体式散热器，其特征在于，

所述相变材料填充于所述冷板内的空腔中，所述相变材料包括熔点在100℃以下的有机相变材料、无机相变材料、金属相变材料中的任意一种。

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