CN105517424A - 双向互补电子器件基板防失效热管均温散热装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双向互补电子器件基板防失效热管均温散热装置及其方法。它包括冷凝段散热翅片、散热基板实体、一号热管组、二号热管组。本发明使用散热基板的上下两散热面布置区可承载均布或非均布的面热源，利用双向互补结构的热管组，在非均匀热流和基板与重力成不同夹角的变工况条件下可防止散热失效，实现对整个散热基板的均温控制；冷凝段连接散热翅片，可通过对流换热进行散热，防止超温，保证电子器件的正常工作。
Description
技术领域
本发明涉及一种双向互补电子器件基板防失效热管均温散热装置，属于特殊条件下电子器件散热技术领域。
背景技术
电子器件的高频、高速以及集成电路的体积越来越小，使得单位容积的电子元件发热量急剧增大，而电子器件的故障发生率是随工作温度的提高而呈指数关系增长的，电子器件运行出错55％都是由于过热造成的，为保证工作稳定性和延长使用寿命，芯片的最高温度不得超过85℃。
目前电子器件散热存在诸多特点，其在热源附近缺乏足够散热空间；热源分布不均匀，需要从多个热源处进行有效地散热；为防止外界环境中的灰尘、腐蚀性气体、雨水等对电子器件的侵害，需在密闭的空间内进行散热；要求体积小且质量轻。
此外，为保持发热功率不同的电子器件均处在一个合适的温度范围内，有时需要采用不同的温控措施，利用热管优良的导热特性可有效保持电子器件的均温性，以简化热控制系统提高该系统水平和可靠性。
电子器件在变工况条件下的散热是目前制约信息、电子以及航空航天技术发展的因素之一。传统的单一热管及平板热管结构不能很好地适应变工况条件下的散热，需要通过其他合理的散热手段保证电子器件正常运行不超温。
发明内容
本发明目的是保证正常运行条件下电子器件正常工作，防止变工况条件电子器件基板内热管出现失效等问题导致基板温度分布明显不均，局部温度过高并危及电子器件正常工作。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种双向互补电子器件基板防失效热管均温散热装置包括冷凝段散热翅片、散热基板实体、一号热管组、二号热管组；一号热管组、二号热管组部分插入散热基板实体中，所述的一号热管组、二号热管组均包括冷凝段、绝热段和蒸发段，其中蒸发段为插入散热基板实体中的部分，绝热段上设置有绝热涂层，冷凝段散热翅片焊接在冷凝段上，散热基板实体的侧表面进行绝热处理，散热基板下表面与上表面承载面热源，面热源贴在散热基板表面热源布置区。
散热基板采用铝合金等密度较小的金属材料，基板正反面的形状可为矩形、正六边形、正八边形等中心对称结构，基板相对的双侧面开孔，开孔深度可根据插入热管蒸发段的需要选择,板材采用20℃下导热系数在150W/(m*K)以上的材料。
所述的一号热管组、二号热管组关于散热基板实体重心成中心对称，一号热管组、二号热管组与散热基板实体的空隙填充导热胶。所述的一号热管组、二号热管组内工质为丙酮、乙醇或庚烷，工作范围在0℃～150℃，充液量5％～15％，充满吸液芯。
所述的一号热管组或二号热管组中热管数量为一根或多根。所述的散热基板实体上可以开设有小孔、圆角、凹槽。
所述散热基板正反两面区域作为面热源的布置区域，可布置均布或非均布的面热源。散热基板侧面及伸出的两侧为绝热段，较远距离为冷凝段，为提高对流换热系数，采用翅片扩展表面。
蒸发段利用高导热材料与散热基板内壁面紧密贴合，以减少接触热阻。热管需选用具有较高毛细吸力和较低流动阻力的吸液芯结构或复合结构，具体可根据热负荷及变工况情况择优选取。面热源施加于散热基板的热量通过热管向两侧传递至冷凝段，冷凝段采用对流换热方式带走热量，管壁上设置复数个扩展翅片表面。考虑到启动过程防止冷凝段液体凝固，热管工质选用丙酮、乙醇、庚烷,工作范围在0℃～150℃，且与热管材料相容的液体，工作液体充满吸液芯。
通过上述技术方案的实施，本发明相比于单一热管及平板热管技术，因使用了双向互补的热管组合，减少了散热基板的导热热阻，使特殊条件下整个散热基板的导热系数有较大提高，使散热基板的温度场趋向均匀，保证了散热基板的均温效果，防止出现局部超温的情况。利用双向互补的热管组合，使变工况条件如散热基板平面与水平夹角变化时，散热能力不至于完全丧失，即使一端逆重力，仍有一端为顺重力情况，提高了基板散热的可靠性。不使用环路热管及储液器等结构，加工相对方便，成本低。
附图说明
图1是双向互补电子器件基板防失效热管均温散热装置的结构示意图；
图2是电子器件散热基板的侧视示意图；
图3是电子器件散热基板面热源布置区的俯视图；
图中：冷凝段散热翅片1、冷凝段2、绝热段3、散热基板绝热侧面4、散热基板实体5、蒸发段6、一号热管组7、散热基板下表面8、散热基板上表面9、二号热管组10、散热基板表面热源布置区11。
具体实施方式
如图1、2、3所示，双向互补电子器件基板防失效热管均温散热装置包括冷凝段散热翅片1、散热基板实体5、一号热管组7、二号热管组10；一号热管组7、二号热管组10部分插入散热基板实体5中，所述的一号热管组7、二号热管组10均包括冷凝段2、绝热段3和蒸发段6，其中蒸发段6为插入散热基板实体5中的部分，绝热段3上设置有绝热涂层，冷凝段散热翅片1焊接在冷凝段2上，散热基板实体5的侧表面4进行绝热处理，散热基板下表面8与上表面9承载面热源，面热源贴在散热基板表面热源布置区11。
散热基板下表面8与上表面9都可以承载面热源，面热源可利用贴片等方法均布或非均布在散热基板表面热源布置区11，为减小贴合时的接触热阻，贴合应尽量紧密，可利用导热硅脂等具有较高导热系数的材料连接或填充。散热基板实体5主体结构应为中心对称，正反面为矩形、正六边形等结构，允许小孔、圆角、凹槽等工艺结构的存在，但不能影响主体。板材应采用具有较好导热系数的金属材料，同时密度相对低，以减轻装置重量。两根或两组带吸液芯的一号热管组7和二号热管组10布置成中心对称插入散热基板5内，保证热管蒸发段外表面与散热基板内表面良好接触，可采用过盈配合、填充高导热材料或者一体化加工方法。一号热管组7和二号热管组10选用的吸液芯结构可采用沟槽式吸液芯、烧结金属粉末式吸液芯、丝网式吸液芯、纤维式吸液芯或干道吸液芯，根据热负荷及变工况情况择优选取。热管选用金属材料如铜，考虑到金属材料的相容性与启动过程防止冷凝段液体凝固，热管工质选用丙酮、乙醇、庚烷等工作范围在0℃～150℃，与管材料相容性良好的流体，充液量5％～15％，确保能够充满吸液芯。散热基板侧表面4应有绝热涂层等进行绝热处理，防止散热基板的热量向不该传输的空间散发。绝热段3也进行绝热处理，使热量集中传递向冷凝段。冷凝段2外壁面上设置有复数个散热翅片1，各根热管上的散热翅片1均匀分布在管子外壁面上，为使得散热翅片1与冷凝段2接触优良，可采用金属焊接的方法或一体化加工的方法。冷凝段2放置于散热空间之中进行散热。
下面说明一下可用于变工况的双向互补电子器件基板防失效热管均温散热装置的具体工作过程：电子器件面热源布置在散热基板表面热源布置区11，通过热传导的方式传递给散热基板实体5，散热基板实体5内的热量通过导热扩散至一号热管组7和二号热管组10的蒸发段6及基板内的其他区域。一号热管组7和二号热管组10内液体工质在吸液芯弯月面上蒸发相变，吸收大量热量，通过蒸汽通道到达冷凝段2，蒸汽凝结放热，冷凝段壁面及翅片1受对流换热冷却，完成向环境散热，液体通过毛细力和可能的重力辅助作用回到蒸发段6继续工作。由于相变潜热较显热巨大，一号热管组7和二号热管组10的热阻相对较低，导热系数因此很高。使散热基板实体5的平均导热系数提高，也提高了散热基板的均温性。一号热管组7和二号热管组10的热阻很低，热量通过热管有效传递到冷凝段2，通过对流换热的方式带走，使散热基板5及散热基板表面热源布置区11不超温。
在变工况条件下，散热基板表面热源布置区11上热流差异可以很大，但双向互补的两根热管覆盖了散热基板5的多数区域，较低的热阻有效地引导热量的流向，使基板内的热流趋向于热管蒸发段6，进而使散热基板5仍旧保持较好的均温效果。当变工况为散热基板平面围绕重心进行各个方向的旋转时，无需关注以重力场方向为法向的平面，只需要关注平行于重力场方向的平面，这时双向互补的一号热管组7和二号热管组10将呈现一只顺重力一只逆重力运行的情况，其中逆重力运行的热管由于重力阻碍毛细力，工作性能下降，但另一只则受到了重力的辅助作用，工作性能将增强，补偿了另一只的效果下降。施加于散热基板表面热源布置区11的热量不至于无处可去，因此热量不会在散热基板实体5中积聚，所以仍然可以防止电子器件超温，确保其可靠运行。
Claims (7)
1.一种双向互补电子器件基板防失效热管均温散热装置，其特征在于包括冷凝段散热翅片(1)、散热基板实体(5)、一号热管组(7)、二号热管组(10)；一号热管组(7)、二号热管组(10)部分插入散热基板实体(5)中，所述的一号热管组(7)、二号热管组(10)均包括冷凝段(2)、绝热段(3)和蒸发段(6)，其中蒸发段(6)为插入散热基板实体(5)中的部分，绝热段(3)上设置有绝热涂层，冷凝段散热翅片(1)焊接在冷凝段(2)上，散热基板实体(5)的侧表面(4)进行绝热处理，散热基板下表面(8)与上表面(9)承载面热源，面热源贴在散热基板表面热源布置区(11)。
2.根据权利要求1所述的一种双向互补电子器件基板防失效热管均温散热装置，其特征在于所述的散热基板实体(5)主体结构为中心对称，散热基板实体(5)板材采用20℃下导热系数在150W/(m*K)以上的材料。
3.根据权利要求1所述的一种双向互补电子器件基板防失效热管均温散热装置，其特征在于所述的一号热管组(7)、二号热管组(10)关于散热基板实体(5)实体重心成中心对称，一号热管组(7)、二号热管组(10)与散热基板实体(5)的空隙填充导热胶。
4.根据权利要求1所述的一种双向互补电子器件基板防失效热管均温散热装置，其特征在于所述的一号热管组(7)、二号热管组(10)内工质为丙酮、乙醇或庚烷，工作范围在0℃～150℃，充液量5％～15％，充满吸液芯。
5.根据权利要求1所述的一种双向互补电子器件基板防失效热管均温散热装置，其特征在于所述的一号热管组(7)或二号热管组(10)中热管数量为一根或多根。
6.根据权利要求1所述的一种双向互补电子器件基板防失效热管均温散热装置，其特征在于所述的散热基板实体(5)上开设有小孔、圆角、凹槽。
7.一种如权利要求1所述装置的散热方法，其特征在于：电子器件面热源布置在散热基板表面热源布置区(11)上，热量通过热传导的方式传递给散热基板实体(5)，散热基板实体(5)内的热量通过导热扩散至一号热管组(7)和二号热管组(10)的蒸发段6及基板内的其它区域；
一号热管组(7)和二号热管组(10)内液体工质在吸液芯弯月面上蒸发相变，吸收热量，通过蒸汽通道到达冷凝段(2)，蒸汽凝结放热，冷凝段壁面及翅片(1)受对流换热冷却，完成向环境散热，液体通过毛细力和重力辅助作用回到蒸发段(6)继续工作；
当变工况为散热基板平面围绕重心进行各个方向的旋转时，双向互补的一号热管组(7)和二号热管组(10)将呈现一只热管组顺重力一只热管组逆重力运行的情况，其中逆重力运行的热管组由于重力阻碍毛细力，工作性能下降，但另一只热管组则受到了重力的辅助作用，工作性能将增强，补偿了另一只热管组的效果下降，施加于散热基板表面热源布置区(11)的热量不会在散热基板实体(5)中积聚，确保可靠运行。
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