CN218868582U - 一种高性能的方形模组散热器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种高性能的方形模组散热器，该装置包括具有真空内腔的散热主体，相变腔体的真空内腔中加注工质；所述的相变腔体的外侧具有多个平行设置的散热翅片。本实用新型采用多个平行设置的散热翅片进行导热散热，经过数量及尺寸优化后能够大大增强散热装置的散热能力。

Description

一种高性能的方形模组散热器

技术领域

本实用新型属于散热装置技术领域，涉及一种高性能的方形模组散热器。

背景技术

LED光源由于光电转化效率高，可大幅减少能耗，同时还具有体积小、寿命长灯特点，因此正迅速替代传统白炽灯、荧光灯、金卤灯和高压钠灯等，在各个领域被广泛应用。LED光源对温度的要求严格，对匹配的散热器要求高。

目前LED灯具通常采用自然对流散热形式，因此散热器本身的取热能力和导热能力直接影响灯具的散热水平。行业内针对不同功率等级的采用了不同的散热形式，如：低功率灯具一般采用高导热系数的金属材料，对于中、高功率等级灯具采用相变腔体、热管、热柱的取热、导热结构。相变腔体结构散热器以其结构简单，装配方便的优点被广泛采用。

中国专利公报公开的“一种大功率智能LED隧道灯7.27-9.27”(申请号：CN2021217219628)、“一种限位过盈配合装配的散热器及其压装结构”申请号：(202022891760X)中，作为导热散热结构的翅片均呈太阳花形式向外延伸。以上两种散热器外形差异大，不适合标准化、模块化、组合化应用。散热器造型复杂、结构不紧凑，造成空间的浪费。受到成形工艺和材质的限制，散热器导热、散热性能难以达到最佳。过盈配合装配而成的相变腔体，增加了材料接触热阻。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种结构紧凑，可实现标准化、模块化应用的高性能的方形模组散热器。

为了解决上述技术问题，本实用新型的高性能的方形模组散热器，包括具有相变腔体的散热主体，相变腔体的真空内腔中加注工质；其特征在于所述的相变腔体的外侧具有多个平行设置的散热翅片；

所述散热翅片的数量N及尺寸满足下述关系式：

其中：K₂为系数，其取值范围为108≤K₂≤130；D为相变腔体外径；L为边缘散热翅片的长度；d为散热翅片的间距。

所述真空内腔的半径R满足下述公式：

K₁为系数，其取值范围为4.9≤K₁≤5.8；

其中：Q为LED光源的生热量；h为特征温度下工质的相变潜热量；Pr为特征温度下工质普朗特常数，特征温度t＝t_c-25，t_c为光源负极焊点允许温度；△t为光源负极焊点与真空内腔内工质的目标传热温差。

所述真空内腔底板上具有微槽结构。

所述微槽结构为平行微槽结构。

所述微槽结构为组合式微槽结构；组合式微槽结构的中间部分为平行微槽结构，平行式微槽结构的周围为放射状槽道结构，平行微槽结构和放射状槽道结构之间设置环形微槽。

所述散热主体下端固定有基板，基板上具有微槽结构的部分作为真空内腔的底板，真空内腔的顶端由冷凝上盖封堵，冷凝上盖上安装密封螺丝。

所述真空内腔的侧壁设置有竖直槽道，竖直槽道与真空内腔的轴线平行。

所述真空内腔中安装固定有外形为漏斗状的汇流弧板，汇流弧板的板面上设有多个过汽孔，下端设有出流口。

汇流弧板边缘在真空内腔中的高度为M，0.05H＜M≤0.5H，H为真空内腔的高度。

有益效果

1.导热散热结构采用相变腔体外侧分布的多个平行设置的散热翅片，具有模块化性强、翅片散热效率高的优点，特别是经过数量及尺寸优化后，能够大大增强散热器的导热散热能力。

2.平行设置的散热翅片和真空内腔为一体结构，无接触热阻，显而易见的能提升导热能力。

3.真空内腔的尺寸对界面处的传热温差存在强相关，真空内腔内半径尺寸经过优化后，极大优化了腔体取热能力。

4.真空内腔底板上的组合式微槽结构，按其功能性划分为中间沸腾区和周围回流区，沸腾区设置为可强化沸腾换热的微米级的微槽，回流区设置为可减小流动阻力的毫米级的槽道，从而增强了工质补充能力，提高了散热装置稳定性。

5.真空内腔内壁具有竖直槽道结构，通过液体张力的作用，将工质聚集在槽道底部一起输送，既可以减少冷凝工质的流动阻力，又可以避免在槽道顶部形成液膜，增强工质冷凝时的换热能力。

6.采用汇流弧板结构，在不影响工质相态变化的条件下，能收集相变散热装置的内的汽态工质，并汇集到取热板沸腾面的正上方，聚集的液滴回落到沸腾面上，造成固液交界处流体的强烈扰动，提高沸腾面换热系数，强化沸腾面换热能力，降低取热板沸腾过热温差，增强了散热装置散热能力。

本实用新型可提高散热器的散热效率，保证高功率器件在使用过程中保持较低的温度，可应用于LED灯具、高性能计算机、大功率激光器、大功率电力电子设备的节能热管理。

附图说明

图1是本实用新型的整体结构爆炸图。

图2a是散热主体的俯视图；图2b是竖直槽道放大图；图2c是散热主体的立体图。

图2d是真空内腔内侧壁局部放大图。

图3是组合式微槽结构立体图。

图4是汇流弧板立体图。

图5是汇流弧板在真空内腔内安装位置示意图。

图6是图5的局部放大图。

图7为实施例1-1的散热主体俯视图

图8为实施例1-2的散热主体俯视图

图9为实施例1-3的散热主体俯视图

图10为实施例1-4的散热主体俯视图

图11为实施例1-5的散热主体俯视图

图12为实施例2的散热主体俯视图

图13为实施例3-1的散热主体俯视图

图14为实施例3-2的散热主体俯视图

图15为实施例4的散热主体俯视图

图中：1.散热主体，11.相变腔体，111.竖直槽道，112.连接槽，12.散热翅片，2.基板，21.平行微槽结构，22.放射状槽道结构，23.环形微槽，3.冷凝上盖，4.密封螺丝，5.汇流弧板，51.过汽孔，52.出流口，53.伸缩缝隙，54.连接环。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步详细说明，可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。

在本实用新型的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义的理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况具体理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或者仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”、“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”等方位或者位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，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实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

实施例1-1

如图1所示，本实用新型的高性能的方形模组散热器包括散热主体1，基板2，冷凝上盖3，密封螺丝4，汇流弧板5。

如图2a、图2b、图2c、图2d所示，所述的散热主体1具有相变腔体11及与相变腔体11一体的外侧多个平行设置的散热翅片12，相变腔体11内腔为真空内腔，真空内腔内加注有工质。真空内腔的底端由基板2封堵，顶端由冷凝上盖3封堵，冷凝上盖3上安装密封螺丝4，用于真空内腔的真空处理。

所述真空内腔的侧壁可以设置竖直槽道111，竖直槽道111与真空内腔的轴线平行，通过液体工质的张力作用，将冷凝液体集中在竖直槽道底部，可促进工质在真空内腔内壁形成珠状凝结，提升换热能力。真空内腔侧壁上具有圆周方向的连接槽112，可用于固定汇流弧板5。

如图3所示，所述基板2上对应真空内腔底部位置具有微槽结构，可以是平行微槽结构，也可以是组合式微槽结构。LED光源设置在基板2下面对应微槽结构的位置。所述组合式微槽结构的中间部分为平行微槽结构21，平行式微槽结构的周围为放射状槽道结构22，平行微槽结构和放射状槽道结构之间设置环形微槽23。利用不同区域槽道内工质的流动特征可以提升基板取热能力；其中平行式微槽结构作为沸腾区，能增加工质相变的汽化核心数量，促进气泡与固体壁面的脱离；在平行式微槽结构周围设有放射状槽道结构，放射状槽道结构作为回流区更有利于工质的流动，及时将周围的液体工质补充回沸腾最剧烈的中心位置，避免中心位置的干涸，保证散热装置沸腾工作稳定进行。

所述真空内腔内还可以设置汇流弧板5，当汽态工质在真空内腔内因冷却发生凝结后，由汇流弧板5收集凝结下来的液态工质并输送至基板2上的组合式微槽结构，可提升散热器取热能力和工质回流能力。汇流弧板5的外形为漏斗状，其锥形面上设有按圆周方向分布的多个矩形的过汽孔51，能保证热态工质的自由通过，保证装置热量的高效传递。汇流弧板5下端设有出流口52，可以将汇流弧板收集的液态工质送回指定位置。汇流弧板的径向设有圆心角为10°～30°的伸缩缝隙53。汇流弧板采用具有一定弹性的材料，例如冷轧不锈钢、铜等；汇流弧板在固定到真空内腔内壁的预设位置时，可以借助伸缩缝隙的空间来缩小汇流弧板外形直径，当汇流弧板边缘的连接环54嵌入真空内腔侧壁上的连接槽112内后，汇流弧板可因形状的恢复而固定。汇流弧板上表面采用超疏水表面，可减少液态工质在汇流弧板上的附着。

以整个散热装置总体长度为300mm、宽度不大于75mm、高度为59mm为例，翅片厚度2mm；热源为LED光源，其几何边长B为38mm，光源散热量为Q＝47W，光源负极焊点允许温度t_c为95℃，特征温度t为70℃，工质采用中国专利公报公告的“一种相变液及包含该相变液的热传输模块”中公开的相变液，专利号(CN109307252A)，工质的相变潜热量h＝2333.8kJ/kg，工质表面张力系数σ＝0.06435N/m，重力加速度g＝9.81m/s²，工质普朗特常数Pr＝2.55，光源负极焊点与真空内腔的目标传热温差△t为5℃。

K1值5.35，真空内腔的半径R按下式计算获得：

其中：

Q为LED光源的生热量，由光源供应商规格书给出。

h为特征温度下工质的相变潜热量，特征温度t＝t_c-25，t_c为光源负极焊点允许温度，由光源供应商规格书给出。

Pr为特征温度下工质普朗特常数，特征温度t＝t_c-25，t_c为光源负极焊点允许温度。

△t为光源负极焊点与真空内腔内工质的目标传热温差，根据散热装置设计要求预先设定。

所述散热翅片12生产工艺为挤压成型，相变腔体11的外径D＝0.07m，K₂为130，如图7所示，相变腔体11外侧设置N＝18根散热翅片，边缘处散热翅片长度L为86mm，间距d为6.1mm。

实施例1-2

本实施例散热翅片长度86mm，翅片间距6.5mm，如图8所示。其他所有结构与实施例1-1相同。

实施例1-3

本实施例散热翅片长度86mm，翅片间距5.8mm，如图9所示。其他所有结构与实施例1-1相同。

实施例1-4

本实施例K₂为108，相变腔体外侧设置14根翅片，如图10所示，其他所有结构与实施例1-1相同。

实施例1-5

本实施例K₂为120，相变腔体外侧设置16根翅片，如图11所示，其他所有结构与实施例1-1相同。

实施例2

本实施例K₂为90，相变腔体外侧设置12根翅片，翅片长度86mm，翅片间距7.5mm，如图12所示.其他所有结构与实施例1-1相同。

实施例3-1

本实施例K1值5.8，真空内腔的内半径为R＝0.0336m，腔体外侧径0.0752m，如图13所示，其他所有结构与实施例1-1相同。

实施例3-2

本实施例K1值4.9，真空内腔内半径为R＝0.0284m，腔体外径D＝0.0648m，如图14所示。其他所有结构与实施例1-1相同。

实施例4

本实施例K1值4.1，相变腔内半径为R＝0.024m，相变腔体外径D＝0.056m，如图15所示。其他所有结构与实施例1-1相同。

对实施例各光源负极焊点温度T_c和光源负极焊点与工质的温度差分别进行24小时、48小时、72小时的持续监测，采集数据如下：

对实施例测试的结果可以看出：

1)散热翅片数量及尺寸根据关系式优化后，满足关系式的散热器散热效果优于不满足关系式的。

2)真空内腔的尺寸对焊点温度T_c和光源负极焊点与真空内腔内工质的温度差△t有影响，真空内腔的内半径按公式计算得出的尺寸设计，与大于等于该尺寸的实施例相比，T_c和△T数值相当，并优于小于该尺寸的实施例。

本实用新型中，所述的散热主体也可以在中央通孔内安装相变内胆，汇流弧板安装在相变内胆的真空内腔内。汇流弧板的外形也不限于圆锥形漏斗状，还可以为多棱台形的漏斗状；工质也可以采用现有技术中多种类别的相变工质；热源不限于LED光源，还可以为高性能计算机、大功率激光器、大功率电力电子设备的热源。

Claims (10)

1.一种高性能的方形模组散热器，包括具有相变腔体(11)的散热主体(1)，相变腔体的真空内腔中加注工质；其特征在于所述的相变腔体(11)的外侧具有多个平行设置的散热翅片(12)。

2.根据权利要求1所述的高性能的方形模组散热器，其特征在于所述散热翅片的数量N及尺寸满足下述关系式：

其中：K₂为系数，其取值范围为108≤K₂≤130；D为相变腔体外径；L为边缘散热翅片的长度；d为散热翅片的间距。

3.根据权利要求1所述的高性能的方形模组散热器，其特征在于所述真空内腔的半径R满足下述公式：

K₁为系数，其取值范围为4.9≤K₁≤5.8；

其中：Q为LED光源的生热量；h为特征温度下工质的相变潜热量；Pr为特征温度下工质普朗特常数，特征温度t＝t_c-25，t_c为光源负极焊点允许温度；△t为光源负极焊点与真空内腔内工质的目标传热温差。

4.根据权利要求1所述的高性能的方形模组散热器，其特征在于所述真空内腔底板上具有微槽结构。

5.根据权利要求4所述的高性能的方形模组散热器，其特征在于所述微槽结构为平行微槽结构。

6.根据权利要求4所述的高性能的方形模组散热器，其特征在于所述微槽结构为组合式微槽结构；组合式微槽结构的中间部分为平行微槽结构(21)，平行式微槽结构的周围为放射状槽道结构(22)，平行微槽结构和放射状槽道结构之间设置环形微槽(23)。

7.根据权利要求4所述的高性能的方形模组散热器，其特征在于散热主体(1)下端固定有基板(2)，基板上具有微槽结构的部分作为真空内腔的底板，真空内腔的顶端由冷凝上盖(3)封堵，冷凝上盖(3)上安装密封螺丝(4)。

8.根据权利要求1所述的高性能的方形模组散热器，其特征在所述真空内腔的侧壁设置有竖直槽道(111)，竖直槽道与真空内腔的轴线平行。

9.根据权利要求1所述的高性能的方形模组散热器，其特征在所述真空内腔中安装固定有外形为漏斗状的汇流弧板(5)，汇流弧板的板面上设有多个过汽孔(51)，下端设有出流口(52)。

10.根据权利要求9所述的高性能的方形模组散热器，其特征在汇流弧板边缘在真空内腔中的高度为M，0.05H＜M≤0.5H，H为真空内腔的高度。

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