CN211656710U - 一种多维相变散热器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种多维相变散热器，包括位于XOY平面内的散热器前侧板，自散热器前侧板向Z向垂直延伸间隔设置的第一组翅片；与第一组翅片垂直方向，间隔设置若干第二组翅片；第一组翅片与第二组翅片纵横交错；第一组翅片中，至少部分翅片为相变翅片，相变翅片内具有相变蒸汽通道；散热器前侧板外侧固定一相变基板，基板相变蒸汽空腔与各个翅片相变蒸汽通道连通，形成为连续密闭的真空环境，并置入一定量相变工质。本实用新型主要针对自然对流散热器，在同等散热边界下，大幅提升散热效率和均匀性，大幅减轻散热器的重量、缩减散热器体积；结构紧凑，造型规则，美观，尤其适用于通讯电子、工业传动变频、逆变设备及电子元器件的散热。

Description

一种多维相变散热器

技术领域

本实用新型涉及一种散热器，尤其涉及一种多维相变散热器及其制作方法。

背景技术

伴随着计算机、通讯、军用工电子等市场领域的需求，电子技术得到迅猛地发展，特别是电子晶片以摩尔定律(芯片业每过18到24个月就会将产品上整合的晶体数量翻倍)飞速发展。所以我们看到这样一个事实：①电子器件的封装密度不断地提高，其热流密度不断地增大；②电子产品向微型化方向不断发展，功率更大而外形尺寸日益缩小；③电子产品已经渗透到各个领域，其应用环境不断扩大，所使用的热环境差异很大。电子产品的这些发展趋势使得电子设备过热的问题越来越突出。

电子设备的过热是电子产品失效(高温对电子产品的影响：绝缘性能退化；元器件损坏；材料的热老化；低熔点焊缝开裂、焊点脱落。且高温会降低电容器的使用寿命；使变压器、扼流圈绝缘材料的性能下降；还会造成焊点合金结构的变化—IMC增厚，焊点变脆，机械强度降低；结温的升高会使晶体管的电流放大倍数迅速增加，导致集电极电流增加，又使结温进一步升高，最终导致元件失效)的主要原因之一，严重地限制了电子产品性能及可靠性的提高，也降低了设备的工作寿命。

研究资料表明：半导体元件的温度升高10℃，可靠性降低50％，电子设备的失效原因中有55％是由于温度过高引起的，因此电子设备内的温升必须予以控制，而运用良好的散热措施(散热技术、散热器)是解决散热问题的关键。

现在常规的风冷散热主要为强制风冷散热和自然对流散热，通过风扇等其它外力作用引起流体运动散热，称为强制对流散热；强制风冷散热常采用风扇强制流体流经散热器，通过流体与散热器的热交换将热量带出系统外。由于风扇等强制对流动力原件的存在，会造成噪音、安全、可靠性、寿命、IP等级降低等问题。

而自然对流散热是指不依靠风机等外力推动，由流体自身温度场的不均匀所引起的流动。参与换热的流体由于各部分温度不均匀而形成密度差，从而在重力场或其他力场中产生浮升力所引起的对流换热现象。自然对流散热能力相对于强制对流散热能力较差，相同热功耗下散热器体积大于强制对流散热器。但其有免维护、无噪音、可靠性及安全性高、IP等级高等特点。更适于对通讯基站、轨道交通变流器、绿色能源变频器等对维护、可靠性、安全性要求的高的应用。

但是，现有的自然对流散热换热和散热能力较差，常规空气自然对流散热器热交换系数一般在5～25W/(m2*K)，致使自然对流散热器的外形尺寸较大，重量较重。

实用新型内容

本实用新型的的目的是提供一种多维相变散热器及其制备方法，大幅提升散热效率和散热均匀性，在同等散热效率下可以大幅减轻散热器的重量、缩减散热器的体积。

本实用新型采取以下技术方案：

一种多维相变散热器，包括位于XOY平面内的散热器前侧板13，自散热器前侧板13向Z向垂直延伸间隔设置的第一组翅片；与所述第一组翅片垂直方向，间隔设有若干第二组翅片；第一组翅片与第二组翅片纵横交错；第一组翅片中，至少部分翅片为相变翅片1，所述相变翅片1内具有翅片相变蒸汽通道101；所述散热器前侧板13外侧固定一相变基板1，并使两者之间具有一相变基板蒸汽空腔5，所述相变基板蒸汽空腔5与各个翅片相变蒸汽通道101连通，并形成密闭、真空的存储相变工质的空间。

优选的，所述第二组翅片，及第一组翅片中的部分翅片为实心的翅片2。

优选的，所述多维相变散热器呈矩形体结构。

优选的，所述散热器前侧板13上加工成型一组支撑结构7，并通过所述支撑结构7与相变基板1固定连接，所述支撑结构7同时作为相变基板1 与散热器前侧板13之间的传热节点。

优选的，所述翅片相变蒸汽通道101在散热器前侧板13上呈长条形沟槽6形状，所述长条形沟槽6内部为方形或圆弧形沟槽9。

进一步的，所述散热器前侧板13上加工出加强筋10。

一种上述多维相变散热器的制作方法，包括以下步骤：

S1、通过铝挤成型制作由纵横交错的第一组翅片和第二组翅片构成的型材；

S2、通过NC加工自型材散热器前侧板13沿第一组翅片中至少部分翅片加工出长槽型沟槽6，并沿所述长槽型沟槽6加工出方形或圆弧形沟槽9；同时在型材散热器前侧板13上加工出支撑结构7；

S3、继续沿所述长槽型沟槽6加工出设定形状设定深度的盲孔槽；

S4、将相变基板1密封焊接固定在所述型材散热器前侧板13上，并与型材散热器前侧板13之间留有一相变基板蒸汽空腔5，该相变基板蒸汽空腔5与所述盲孔槽连通。

优选的，第二组翅片，即翅片2厚度为1.0～4.0mm，第一组翅片厚度在2.0～6.0mm，间距为10.0～16.0mm；沿Z向横向分布翅片2间距为12.0～ 25.0mm，翅片高度为50.0～150.0mm；型材散热器前侧板13的厚度为2.0～ 20mm；

优选的，步骤S3中，长槽形沟槽的槽深60～130mm，槽宽1.5～4.0mm，在加工长槽形沟槽财时加工用于焊接的支撑结构7；或者，通过锯片式开槽机，加工圆弧形沟槽9，槽深根据散热器宽度及开槽锯片半径加工圆弧深度60～130mm，根据槽宽要求选择不同厚度锯片1.5～4.0mm。

优选的，采用真空钎焊、气体保护焊、搅拌摩擦焊和大功率激光或电子束焊接等封焊工艺，在焊接之前在型材散热器前侧板13上加工支撑台阶 7，支撑台阶7宽度2～5mm。

进一步的，在所述型材散热器前侧板13上增加加强筋10，所述加强筋 10是圆柱形加强筋和/或长条形加强筋结构。

优选的，密封壳体加工好后，进行超声波清洗，烘干；在相变基板3 内表面利用烧结粉末治具，填加烧结粉末，并限制烧结粉末厚度，选择不同的材料、形状、粒径的烧结粉末颗粒，在基板壳体内表面烧结一层烧结毛细层，厚度一般在0.5mm～3.0mm；通过超声波清洗清洗烧结后的基板壳体，烘干，并将相变基板3通过激光焊接、电子束烧结、FSW、TIG、MIG焊接工艺至少其中之一与冷板壳体密封焊接再一起；将工艺尾管焊接在散热器工艺孔位置。通过焊接好的工艺尾管进行散热器密封壳体的密封测试：利用氦质谱检漏设备进行检漏，氦检漏压力600±50Kpa，时间60～90s，判定标准<1.0*10-7mbar.l/s；通过工艺尾管对所述存储相变工质的空间抽真空，真空度要求<20Pa；后通过工艺尾管注入工质，工质的量根据毛细结构厚度及蒸汽空腔体进行计算；利用封口工装将工艺尾管封口，并用TIG、大功率激光或电子束焊接将封口点熔融封口；进行外形精加工。

本实用新型的有益效果在于：

1)针对自然对流散热器，大幅提升散热效率和散热均匀性，在同等散热效率下可以大幅减轻散热器的重量、缩减散热器的体积。

2)结构紧凑，呈立方体状的造型十分规则，美观，尤其适用于电子设备及电子元器件的散热；

3)制作工艺简洁，高效、且不乏巧妙性。

4)详细公开了整个制作工艺及效果验证的过程，具有高度的可靠性；

5)成本可控，工艺方便、高效，散热效果很好，具有广泛推广应用的前景。

附图说明

图1现有技术中常规的自然对流散热器的外形示意图。

图2是本实用新型的多维相变散热器的制作完成后的外形图。

图3是沿XOZ平面切割后的内部结构示意图。图中，展示了热量自相变基板向远处传递的示意。

图4是待NC加工时的型材的结构示意图。

图5是型材基板上开设长条形沟槽时的视图，本图中型材基板的厚度较薄。

图6是型材基板上开设长条形沟槽、同时还加工支撑结构(用于焊接) 的视图，本图中型材基板的厚度较厚。

图7是通过剖切，展示长条形沟槽内部的圆弧形沟槽的示意图。

图8是一种实施方式中，型材基板上的圆形支撑台阶，以及长条状加强筋的示意图。

图9是另一种实施方式中，型材基板上长条形的支撑台阶，以及长条状加强筋的示意图。

图中，1.相变翅片，2.翅片，3.相变基板，4.热源，5.相变基板蒸汽空腔，6.长槽形沟槽，7.支撑结构，8.型材基板，9.圆弧形沟槽，10.加强筋，11.代加工翅片，12.散热翅片，13.型材基板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进一步说明。

对比实施例(作为现有技术的对比)：

图1是常规自然对流散热器外形结构，散热器结构尺寸：120mm×130mm ×120mm(其中Fin高度为106mm)，齿底厚度：1.5；齿数：12；散热器材料：Al6063；仿真分析边界条件为：发热源热功耗为80W，发热源接触面积： 50mm×50mm，采用自然对流，环温设为：45℃。

采用自然对流仿真分析的散热器温度梯度图，从基板温度梯度分布，热源区域温度梯度较高，最高温度为96.1℃；而且从热源中心区域到基板四角温度梯度较大，最大温差为11K，故而散热器基板表面热量分布不均匀。

常规散热器在自然对流应用中热量分布很不均匀，高温区主要集中在热源区域，此区域翅片靠近基板区域温度较高，热交换效率也较高，但远离热源区域，由于温度较低，热交换效率也有所下降。同样在翅片侧，靠近基板区域翅片温度较高，面远离基板侧由于热传导材料限制，相对基板侧温度有大幅下降，从而降低了热交换效率。

本申请的实施例：

图2是本实施例多维相变自然对流散热器外形结构，散热器结构尺寸： 120mm×130mm×120mm(其中Fin高度为106mm)，齿数：8+2(8根相变通道翅片+两侧壁面2根常规铝翅片)；散热器密封壳体材料：Al6063；仿真分析边界条件为：发热源热功耗为80W，发热源接触面积：50mm×50mm，采用自然对流，环温设为：45℃。

从基板温度梯度分布，热源区域温度梯度较高，最高温度为85.7℃；从热源中心区域到基板四角温度梯度不大，最大温差<1K，散热器基板表面热量分布非常均匀。从基板侧到翅片远端的温度梯度差有图大，温差约2～ 3K。

从仿真分析结果，采用本实施例中多维相变均温技术的散热器，无论是基板表面的均温性，还是翅片温差都得到大幅改善，从而提高了散热器的热交换性能。同样网格式的翅片设计，以增加了空气浮升的通道效应；所以在相同边界条件下散热器基板最高温度相对常规散热器降低了约10K，改善效果明显。

本多维相变散热器两个要素：1、整体结构的设计，2、烧结粉末毛细结构，3、高潜热与壳体材料相容性复合工质。

本多维相变散热密封壳体材料选用：优异的导热系数，一般80W/m.K～ 400W/m.K；良好的结构强度屈服点一般要求在50MPa～800MPa，优异的可焊性，包括真空钎焊、真空扩散焊、气体保护焊、搅拌摩擦焊、电阻焊、TIG、 MIG、大功率激光焊、电子束焊等。主要常用材料包括：1系铝合金、3系铝合金、5系铝合金、6系铝合金等。

烧结粉末毛细结构主要有以下特点:具有优异传热性能的金属或合金颗粒，颗粒直径在30目～250目，金属颗粒为纯金属颗粒或多元金属材料：包括纯铝、铝锌合金、铝硅合金等。

复合工质要求具有适宜应用环境的相变温度(常用相变温度一般在 15℃～100℃)、较高的蒸发潜热(80J/g～2260J/g)、化学稳定的性和与壳体材料的相容性、满足ODP和GWP环境要求。包括氟化烷烃、氟化醚、环烷烃及氟里昂替代物等。

本多维相变散热器工作原理：新型多维相变散热器相变区域为真空密封的密封壳体，壳体内表面烧结多元烧结粉末毛细层，并在注入一定量相变工质。当发热元件工作时产生热量，通过相变冷板壳体(材料一般为铝和铝合金)传递至新型多维相变散热器内表面，热量通过热传导传递至毛细结构层和壳体内表面，从而与工质发生热量交换，工质吸收热量，由液态相变为汽态，通过蒸汽空腔将热量通过基板蒸汽空腔向X和Y两个方向进行热量均温扩散传递，并通过相变翅片蒸汽通道向Z向进行热量传递，从而实现多维均温相变热量传递。热量通过相变翅片进行热传递时将热量传导至散热翅片，使散热器表面温度均匀分布，从而提升相变翅片和散热翅片与自然对流空气进行热交换能力，更高效的将热源产生的热量散失掉。如图7。

本多维相变散热制作过程：根据多维相变散热器自然仿真分析进行结构设计，设计散热翅片(包括相变翅片和实体散热翅片)及相变密封腔体，热源紧贴相变基板如图3，散热翅片(一般为左右两侧边和横向布置的翅片) 厚度一般在1.0～4.0mm，相变翅片(一般为纵向布置的翅片)厚度一般在 2.0～6.0mm。相变翅片间距一般10.0～16.0mm,相变翅片可以连续排列，也可间隔布置，如图1、3、5、7为相变翅片，而2、4、6为散热翅片。沿Z 向横向分布散热翅片间距一般为12.0～25.0mm。翅片高度一般为50.0～ 150.0mm。

根据不同产品需求。设计优化以上尺寸，确定后通过铝挤成型制作相应型材，其结构如图4。散热翅片(一般为左右两侧边和横向布置的翅片) 厚度一般在1.0～4.0mm，待加工翅片(一般为纵向布置的翅片，通过后续加工，加工相变蒸汽通道)厚度一般在2.0～6.0mm。待加工翅片间距一般 10.0～16.0mm,沿Z向横向分布散热翅片间距一般为12.0～25.0mm，型材基板厚度一般2.0～20mm。翅片高度一般为50.0～150.0mm。

通过NC加工加工如图5、图6长槽形沟槽，槽深60～130mm，槽宽1.5～ 4.0mm。型材较厚8.0～20mm，在加工长槽形沟槽财时加工焊接支撑结构。或通过锯片式开槽机，加工如图7圆弧形沟槽9，槽深根据散热器宽度及开槽锯片半径加工圆弧深度60～130mm，根据槽宽要求选择不同厚度锯片 1.5～4.0mm。需要说明的是，该圆弧形沟槽9的形状并不一定是圆弧形，也可以是方形或其他形状。

为了保证整体空腔焊接质量，采用真空钎焊、气体保护焊、搅拌摩擦焊和大功率激光或电子束焊接等封焊工艺，在焊接过程中需要加工支撑台阶，台阶宽度2～5mm。为了保证散热器密封空腔的结构强度，需增加如图 8圆柱形加强筋或者图9的长条形加强筋结构。

密封壳体加工好后，进行超声波清洗，烘干。

在基板壳体13内表面利用烧结粉末治具，填加烧结粉末，并限制烧结粉末厚度，选择不同的材料、形状、粒径的烧结粉末颗粒，在基板壳体内表面烧结一层烧结毛细层，厚度一般在0.5mm～3.0mm。

通过超声波清洗清洗烧结后的基板壳体，烘干，并将基板壳体通过大功率激光焊接、电子束烧结、FSW、TIG、MIG等焊接工艺与冷板壳体密封焊接再一起。

之后，将工艺尾管焊接在散热器工艺孔位置。通过焊接好的工艺尾管进行散热器密封壳体的密封测试，利用氦质谱检漏设备进行检漏，氦检漏压力600±50Kpa，时间60～90s，判定标准<1.0*10-7mbar.l/s。后通过工艺尾管对密封壳体抽真空，真空度要求<20Pa；后通过工艺尾管注入工质，工质的量根据毛细结构厚度及蒸汽空腔体进行计算。

利用封口工装将工艺尾管封口，并用TIG、大功率激光或电子束焊接将封口点熔融封口。

后进行外形精加工，以达到相关散热器结构尺寸和装配标准。

Claims (5)

1.一种多维相变散热器，其特征在于：

包括位于XOY平面内的散热器前侧板(13)，自散热器前侧板(13)向Z向垂直延伸间隔设置的第一组翅片；与所述第一组翅片垂直方向，间隔设有若干第二组翅片；第一组翅片与第二组翅片纵横交错；

第一组翅片中，至少部分翅片为相变翅片(1)，所述相变翅片(1)内具有翅片相变蒸汽通道(101)；

所述散热器前侧板(13)外侧固定一相变基板(3)，并使两者之间具有一相变基板蒸汽空腔(5)，所述相变基板蒸汽空腔(5)与各个翅片相变蒸汽通道(101)连通，并形成密闭、真空的存储相变工质的空间。

2.如权利要求1所述的多维相变散热器，其特征在于：所述第二组翅片，及第一组翅片中的部分翅片为实心的翅片(2)。

3.如权利要求1所述的多维相变散热器，其特征在于：所述散热器前侧板(13)上加工成型一组支撑结构(7)，并通过所述支撑结构(7)与相变基板(3)固定连接，所述支撑结构(7)同时作为相变基板(3)与散热器前侧板(13)之间的传热节点。

4.如权利要求1所述的多维相变散热器，其特征在于：所述翅片相变蒸汽通道(101)在散热器前侧板(13)上呈长条形沟槽(6)形状，所述长条形沟槽(6)内部为方形或圆弧形沟槽(9)。

5.如权利要求3所述的多维相变散热器，其特征在于：所述散热器前侧板(13)上加工出加强筋(10)。

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