CN219421418U - 用于电子器件散热的开放式热管 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种用于电子器件散热的开放式热管，涉及微电子芯片和器件的散热领域。其包括：基板；所述基板中部设有导流部，所述基板一端设有冷却部，另一端设有散热部；所述冷却部内设有用于将电子器件散热的开放式热管外部的水吸入自身内部的吸水组件，所述散热部内设有用于将自身内部的水散发至开放式热管外部的散热组件，所述导流部内设有用于将冷却部内的水导入至所述散热部内的密封导水槽。本发明就可以利用水蒸发潜热大这个特点，并利用导流部、冷却部和散热部和开放式热管外部(发热器件周围的空气)形成吸水散热循环，从而提高了热管在电子器件中的散热效率。

Description

用于电子器件散热的开放式热管

技术领域

本申请涉及微电子芯片和器件的散热领域，特别涉及一种开放式热管。

背景技术

随着算力不断提升和功能不断集成，微电子芯片和器件发热越来越多，因此，亟需高效的散热技术，把微电子芯片和器件上的热量有效地散到环境中去。

现有的微电子芯片和器件在散热时，常采用热管作为导热元件，热管通过工质在热端沸腾，在冷端冷凝，冷凝以后的液态工质在毛细力或重力等的作用下又回到热端，循环往复，上述现有技术方案主要是通过工质迁移过程携带的大量汽化潜热，从而实现热的超级导通。

然而，上述现有的热管都是采用闭式循环，只能实现热量从热端到冷端的传导，仅仅是实现热量空间上的转移，并不能将热量散热至环境中去，必须再额外依赖其它的散热方式把热管冷端的热量传递给环境(发热器件周围的空气)，上述现有技术方案较复杂，因此有必要进行改进。

发明内容

本申请实施例提供一种用于电子器件散热的开放式热管，以解决相关技术中较复杂的问题。

一种用于电子器件散热的开放式热管，其包括：基板；所述基板中部设有导流部，所述基板一端设有冷却部，另一端设有散热部；所述冷却部内设有用于将电子器件散热的开放式热管外部的水吸入自身内部的吸水组件，所述散热部内设有用于将自身内部的水散发至开放式热管外部的散热组件，所述导流部内设有用于将冷却部内的水导入至所述散热部内的密封导水槽。

在一些技术方案中，所述吸水组件包括设置在基板上的第一贮水池和盖设在所述第二贮水池上的热端盖板，所述热端盖板上设有与所述第二贮水池连通的透气部。

在一些技术方案中，所述热端盖板和所述基板之间设有搁置在所述第一贮水池上的第一水凝胶。

在一些技术方案中，所述透气部为第一防水透气膜。

在一些技术方案中，所述吸水组件包括盖设在所述第二贮水池上的冷端盖板，所述冷端盖板上设有与所述第二贮水池连通的吸水部。

在一些技术方案中，所述第二贮水池上盖设有覆盖所述第二贮水池的渗透膜。

在一些技术方案中，所述吸水部为第二防水透气膜。

在一些技术方案中，所述冷端盖板和所述渗透膜之间设有搁置在所述第二贮水池上的第二水凝胶。

在一些技术方案中，所述密封导水槽设在所述基板顶部，所述基板上设有盖设在所述密封导水槽上的绝热盖板。

在一些技术方案中，所述第一贮水池和/或所述第二贮水池内设有微纳米结构的圆柱或者沟槽。

本申请实施例提供了一种用于电子器件散热的开放式热管，基板用于承载导流部、冷却部和散热部，冷却部用于吸收开放式热管外部(发热器件周围的空气)的水分，导流部用于将冷却部中的水导流至散热部内，散热部内的水分会在受热时蒸发，以将水分通过散热组件散发至开放式热管外部(发热器件周围的空气)，这样，本发明就可以利用水蒸发潜热大这个特点，并利用导流部、冷却部和散热部和开放式热管外部(发热器件周围的空气)形成吸水散热循环，从而提高了热管在电子器件中的散热效率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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为本申请实施例提供的开放式热管的结构示意图；

图2为图1的爆炸示意图；

图3为换热系数随热源温度变化示意图；

图4为换热系数随环境温度的变化示意图；

图5为换热系数随环境湿度的变化示意图；

图6为系统压力与蒸发系数的关系示意图；

图7为吸湿性水凝胶在不同掺杂浓度和温度下的饱和蒸气压时的示意图。

图中：1、基板；2、第一贮水池；3、第一水凝胶；4、热端盖板；5、第一防水透气膜；6、绝热盖板；7、第二防水透气膜；8、冷端盖板；9、第二水凝胶；10、渗透膜；11、密封导水槽；12、导流部；13、第二注水池；14、冷却部；15、吸水组件；16、散热组件；17、散热部。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

现有的对环境散热的基板模式是自然对流和热辐射,然而这两种散热模式，在通常的电子器件使用温度和尺度下，换热系数只有5W/m2·K左右，换热效率都不高，并且存在理论上的限制，很难进一步提高。

为了提高散热量，现有技术通常采用增加有效散热面积的方式。对于厚度和外观没有严格要求的电子设备，通常使用扩展表面(比如肋片等)的方式提高散热能力；而对于手机等移动终端设备，通常采用的热管理方式则是使用导热铜片、石墨、VC等，把热量扩散到尽可能大的面积。

例如，为了提高单位面积的散热能力，现有技术中广泛使用的方法就是提高环境中气体的流速或使用受迫对流，以减小对流的边界层的厚度，增大换热系数。最常见的方式就是使用风扇。

上述现有的散热方式不仅存在单位面积的散热能力(即换热系数)有限的问题，而且还在存在需要耗能才能够实现散热的问题，对于精密的电子器件(芯片)而言，上述现有技术方案中可用于散热的面积有限，其小型化使得方案难以应用。

为了解决上述技术问题，本申请实施例提供了一种开放式热管，以克服传统被动式散热(即自然对流和热辐射)的换热系数较低的毛病，引入蒸发散热这一新的散热机制来大幅度提高单位面积的散热能力，本发明能解决相关技术中散热效率较低，电子器件上可用于散热的面积有限的问题。

如图1所示，本发明提供一种开放式热管，其包括：基板1；所述基板1中部设有导流部，所述基板1一端设有冷却部14，另一端设有散热部17；所述冷却部14内设有用于将电子器件散热的开放式热管外部的水吸入自身内部的吸水组件15，所述散热部17内设有用于将自身内部的水散发至开放式热管外部的散热组件16，所述导流部12内设有用于将冷却部14内的水导入至所述散热部17内的密封导水槽11。

在上述技术方案中，本发明的开放式热管为一种开放式的水汽循环结构，由板状结构上下方向压实密封而成，基板1用于承载导流部、冷却部14和散热部17，冷却部14用于吸水将开放式热管外部(发热器件周围的空气)的水分，导流部用于将冷却部14中的水导流至散热部17内，散热部17内的水分会在受热时蒸发，以将水分通过散热组件16散发至开放式热管外部(发热器件周围的空气)，这样，本发明就可以利用水蒸发潜热大这个特点提高散热效率，同时，由于上述导流部、冷却部14和散热部17均设置在基板上，而基板1暂用面积较小，故本发明可以应用于精密的电子器件(如芯片)上。

实际工作时，基板1对整个散热元件提供支撑作用，可以使用硬质的基板1，比如铜板、铝合金板、玻璃板、陶瓷板等，也可以使用软质的基板1，比如，聚酰亚胺(PI)等。

所述散热组件16包括设置在基板1上的第一贮水池2和盖设在所述第一贮水池2上的热端盖板4，所述热端盖板4上设有与所述第一贮水池2连通的透气部。上述热端盖板4与基板1结合在一起，对第一贮水池2起到密封保护作用，透气部可以为透气孔、透气薄膜等其它透气结构，以让散热组件16可以将散热部17内的水，在吸收电子器件上的热量后所形成的水蒸气排放至开放式热管外部。

所述热端盖板4和所述基板1之间设有搁置在所述第一贮水池2上的第一水凝胶3。第一水凝胶3不仅可以对基板1上的热端盖板4起到一定的支撑作用，还可以为能够储存大量束缚水的高分子聚合物，比如聚丙烯酰胺(PMMA)，聚甲基丙烯酸羟乙酯(PHEMA)等。在受热的时候，第一水凝胶3中的束缚水可以脱离高分子材料的束缚，蒸发到空气中，从而带走热量。

优选的，透气部为第一防水透气膜5，第一贮水池2内可以有微纳米结构的圆柱或者沟槽，上述第一防水透气膜5不仅提供了水蒸气的散热通道，而且还可以防水防尘，并对水凝胶起到一定的保护作用。

所述吸水组件15包括盖设在所述第二贮水池13上的冷端盖板8，所述冷端盖板8上设有与所述第二贮水池13连通的吸水部，所述热端盖板4上设有与所述第二贮水池13连通的透气部。上述冷端盖板8与基板1结合在一起，对第二贮水池13起到密封保护作用，吸水部可以为透气孔、透气薄膜等其它透气结构，以让吸水组件15将开放式热管外部的水吸收至，在吸收电子器件上的热量后所形成的水蒸气排放至开放式热管外部第二贮水池13内。

第二贮水池13上盖设有覆盖所述第二贮水池13的渗透膜10，从而让第二贮水池13内的水流过，而第二贮水池13内的离子不能通过，以防止第二贮水池13中的无机盐流失，从而提高本发明的散热效率。在本发明设置有第二水凝胶9后，渗透膜10防止第二贮水池13中的无机盐流失的效果更好。

优选的，吸水部为第二防水透气膜7，第二贮水池13内可以有微纳米结构的圆柱或者沟槽，上述第二防水透气膜7不仅提供了水蒸气的散热通道，而且还可以防水防尘，并对水凝胶起到一定的保护作用。

冷端盖板8和所述渗透膜10之间设有搁置在所述第二贮水池13上的第二水凝胶9。第二水凝胶9不仅可以对基板1上的热端盖板4起到一定的支撑作用，还一类能够储存大量束缚水的高分子聚合物，比如聚丙烯酰胺(PMMA)，聚甲基丙烯酸羟乙酯(PHEMA)等。

实际工作时，第一水凝胶3和第二水凝胶9均可以统称为水凝胶，在受热的时候，水凝胶中的束缚水可以脱离高分子材料的束缚，蒸发到空气中，从而带走热量。

所述密封导水槽11设在所述基板1顶部，所述基板1上设有盖设在所述密封导水槽11上的绝热盖板6。上述绝热盖板6与基板1结合在一起，形成对密封导水槽11(水槽)的密封结构。实际工作时，密封导水槽11可以直接刻在基板1上，有一到多条水槽11连结热端和冷端，水槽宽度10um-1000um。

优选的，所述第一贮水池2和/或所述第二贮水池13内设有微纳米结构的圆柱或者沟槽，这样，第一贮水池2和/或所述第二贮水池13的贮水效果更好，能让本发明更加方便的进行吸水和散热功能。

第二方面，本发明提供一种开放式热管的制备方法，其包括：在预设的基板1上设置第一贮水池2、第二贮水池13和密封导水槽11，让密封导水槽11一端与第一贮水池2连通，另一端与第二贮水池13连通；分别在第一贮水池2和第二贮水池13内注入适量的水；根据第一贮水池2所在位置将吸水组件15布置在基板1上，根据第二贮水池13所在位置将散热组件16布置在基板1上。

实际工作时，本发明的工作原理为：

热端与需要散热的电子器件(设备)的热点贴合，冷端置于温度较低的表面。第一水凝胶3通过水分蒸发带走热量，与传统的被动散热(自然对流和热辐射)相比，由于水的汽化潜热很大，散热能力可以提高将近一个数量级；同时由于蒸腾拉力的原因，第一水凝胶3可以像植物的树叶一样产生很大的抽吸力，把水分通过绝热段的水槽补充过来。冷端的吸湿性水凝胶在较低的温度下从空气中吸水。这样，包括环境中(开放式热管外部)的水分在内，完成了一个开放的水分循环。

为了进一步说明本发明相对于现有技术方案具有较高的散热效率，本发明从被动散热能力、水分传输能力和空气中吸湿能力几个方面进行说明，具体如下：

1)被动散热能力

相对于自然对流和热辐射，本发明的被动散热能力由于水分传质作用的参与以及得益于水的巨大的汽，在没有风扇时的被动散热能力可以获得大大加强。与传统的热管的闭式循环不同，本发明的散热能力不仅与热源温度有关，还受到环境温度和环境湿度的影响，具体的：

1.1)热源温度对散热能力的影响

不同加热温度下水凝胶的换热系数见图3。图中红色线为采用本发明的换热系数，其中已经考虑自然对流和热辐射；黑色线代表未采用本发明时的换热系数，为自然对流与辐射两项换热系数之和。

首先，从图3中可以看出，在不同加热温度下，本发明的散热系统换热系数在110W/m2.K到260W/m2.K范围之间，而自然冷却的换热系数仅在10W/m2.K左右，本发明散热系统换热系数是自然冷却传热系数的12到22倍。

其次，随着热源加热温度的增加，本发明散热系统的换热系数与自然冷却的换热系数都随之增长，但可以明显看出本发明散热系统的换热系数增长率大于自然冷却的换热系数增长率。

本发明散热传质换热系数对于自然冷却传热系数的倍数从12逐步提高到22倍左右。

因此，随着热源加热温度的提高，本发明散热冷却系统的换热系数逐步增加，说明本发明的仿生散热具有固有安全性。

1.2)环境温度对散热能力的影响

换热系数随环境温度变化见图4。由图可见，红色线为采用本发明的散热系统的换热系数，已经包括自然对流和热辐射。黑色线代表未采用本发明散热冷却技术时的换热系数，为自然对流与辐射两项换热系数相加之和。

首先，从图4中可以看出，本发明散热系统换热系数在150W/m2.K到220W/m2.K范围之间，而自然冷却的换热系数仅在10W/m2.K左右，本发明散热系统换热系数是自然冷却传热系数的15到22倍。

其次，随着环境温度的增加，仿生散热系统的换热系数的增长十分明显，相较之自然冷却的换热系数基板可以视为不变。

因此，当环境温度升高时，本发明散热系统换热系数逐步增加，说明即使应用于高温(相对于正常气温)环境的工作场合，本发明散热系统换热系数也随之增加，可以证明本发明散热冷却的方法可以应用于高温工作环境。

1.3)环境湿度的影响

换热系数随环境湿度变化见图5。由图可见，红色线为采用本发明散热系统的换热系数，已经包括自然对流和热辐射。黑色线代表未采用本发明散热冷却技术时的换热系数，为自然对流与辐射两项换热系数相加之和。

首先，从图5中可以看出，本发明冷却换热系数在180W/m2.K到120W/m2.K之间，而自然冷却的换热系数仅在10W/m2.K左右，本发明散热系统换热系数是自然冷却传热系数的17到12倍。

其次，随着环境湿度的增加，本发明散热系统的换热系数的逐步减小，而自然冷却的换热系数基板可以视为不变。

虽然本发明散热的传质换热系数逐步较小，但是其降至100％环境湿度时，其换热系数仍然有120W/m2.K左右，相较自然冷却，采用本发明的换热系数仍然是自然冷却的12倍左右。

这表明，在不同环境湿度的工况下，虽然本发明的换热系数有所变化，但其换热效果无论在何种环境湿度下都具有较高的散热能力，可以适用于不同环境湿度。

2)水分传输能力

随着蒸发的进行，系统的压力不断降低(如图6所示)，自发形成很强的负压，驱动水分不断从冷端流向热端，补充蒸发过程带走的水分。其中的蒸发系数定义为蒸发失去的水分占水凝胶初始束缚水的比例。

3)空气中吸湿能力

从空气中的吸湿能力则通过水凝胶中的离子掺杂实现。图7给出了不同掺杂浓度及温度影响下的水的饱和蒸气压，显然掺杂越多和温度越低，水的饱和蒸气压也越低，从空气中吸收水分的能力也越强。

实际工作时，本发明运行于绝对负压下的热力学亚稳态。同时，根据不同的使用场景，特别是热点和温度较低的区域分布的不同，热端和冷端可以设计成不同的形状。不过，一般情况下，冷端的面积都会比热端的面积大，否则可能会出现水分补充不及时的现象。这是因为加热蒸发是一种热能驱动的过程，而从空气中吸收水分是完全自发的过程。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，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申请的限制。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，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种用于电子器件散热的开放式热管，其特征在于，其包括：

基板(1)；

所述基板(1)中部设有导流部(12)，所述基板(1)一端设有冷却部(14)，另一端设有散热部(17)；

所述冷却部(14)内设有用于将电子器件散热的开放式热管外部的水吸入自身内部的吸水组件(15)，所述散热部(17)内设有用于将自身内部的水散发至开放式热管外部的散热组件(16)，所述导流部(12)内设有用于将冷却部(14)内的水导入至所述散热部(17)内的密封导水槽(11)。

2.如权利要求1所述的用于电子器件散热的开放式热管，其特征在于：

所述散热组件(16)包括设置在基板(1)上的第一贮水池(2)和盖设在所述第一贮水池(2)上的热端盖板(4)，所述热端盖板(4)上设有与所述第一贮水池(2)连通的透气部。

3.如权利要求2所述的用于电子器件散热的开放式热管，其特征在于：

所述热端盖板(4)和所述基板(1)之间设有搁置在所述第一贮水池(2)上的第一水凝胶(3)。

4.如权利要求3所述的用于电子器件散热的开放式热管，其特征在于：

所述透气部为第一防水透气膜(5)。

5.如权利要求4所述的用于电子器件散热的开放式热管，其特征在于：

所述吸水组件(15)包括盖设在第二贮水池(13)上的冷端盖板(8)，所述冷端盖板(8)上设有与所述第二贮水池(13)连通的吸水部。

6.如权利要求5所述的用于电子器件散热的开放式热管，其特征在于：

所述第二贮水池(13)上盖设有覆盖所述第二贮水池(13)的渗透膜(10)。

7.如权利要求6所述的用于电子器件散热的开放式热管，其特征在于：

所述吸水部为第二防水透气膜(7)。

8.如权利要求7所述的用于电子器件散热的开放式热管，其特征在于：

所述冷端盖板(8)和所述渗透膜(10)之间设有搁置在所述第二贮水池(13)上的第二水凝胶(9)。

9.如权利要求8所述的用于电子器件散热的开放式热管，其特征在于：

所述密封导水槽(11)设在所述基板(1)顶部，所述基板(1)上设有盖设在所述密封导水槽(11)上的绝热盖板(6)。

10.如权利要求9所述的用于电子器件散热的开放式热管，其特征在于：

所述第一贮水池(2)和/或所述第二贮水池(13)内设有微纳米结构的圆柱或者沟槽。