CN201387265Y - 一种散热装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型提供一种散热装置，包括热沉、热管以及固液相变材料，所述固液相变材料填充在所述热沉内部，所述热管包括吸热端和散热端，所述热管的吸热端固定在所述热沉内，与所述热沉热连接，所述热管的散热端位于热沉外。本实用新型的散热装置可以克服常规散热***的缺陷，不采用冗余设计但同样可以使被散热设备较长时间处于较稳定温度范围内。

Description

一种散热装置
技术领域
本实用新型涉及散热装置，尤其是涉及一种同时使用热管和固液相变材料的散热装置。
背景技术
许多机械和电子设备需要安装有散热装置，这些设备大部分时间在正常环境中工作，只有很短时间、很少的情况下会工作在不良热环境下，但是为了提高设备的环境适应性，使其在偶然遇到环境温度较高或通风不通畅的情况下能够继续工作，在对散热装置进行设计时一般都采取冗余设计，往往加大散热片的面积和风扇的风量，或者采取其他强化散热措施，这样就增加了散热***的耗电量、体积、噪音以及成本等。
发明内容
为了克服常规散热***的缺陷，本实用新型提供一种不采用冗余设计但同样可以使机械和电子设备较长时间处于较稳定温度范围内的散热装置。
本实用新型提供一种散热装置，包括热沉、热管以及固液相变材料，其特征在于，所述热沉内部空间设置有两个或两个以上的相变材料填充区，所述固液相变材料填充在所述热沉的所述相变材料填充区内，所述热管包括吸热端和散热端，所述热管的吸热端固定在所述热沉内，与所述热沉热连接，所述热管的散热端位于热沉外。
上述的散热装置，其特征在于，所述相变材料填充区一端开口并利用附加的端盖进行密封。
上述的散热装置，其特征在于，所述每个相变材料填充区的横截面为矩形、圆形、三角形或梯形。
上述的散热装置，其特征在于，所述热管为圆柱形，所述热沉内设置有与所述热管直径相匹配的若干孔洞，所述热管的吸热端固定在所述热沉的所述孔洞内。
上述的散热装置，其特征在于，所述热沉包括热沉主体和多个热沉贴层，各个热沉贴层分别与热沉主体的各个侧面相互配合并贴合在热沉主体上，在热沉贴层和热沉主体的贴合处形成若干圆柱形孔洞，所述热管的吸热端固定在所述圆柱形孔洞内。
上述的散热装置，其特征在于，还包括翅片组和风扇，所述热管的散热端穿过所述翅片组并与所述翅片组热连接，所述风扇位于所述翅片组的一侧。
上述的散热装置，其特征在于，所述固液相变材料的熔点低于热源所能承受的最高温度，所述固液相变材料的沸点高于热源所能承受的最高温度。
上述的散热装置，其特征在于，所述固液相变材料为纯净物或几种纯净物的混合物。
上述的散热装置，其特征在于，所述固液相变材料为二十烷、十八烷或三水化硝酸铝或以上几种物质的混合物。
上述的散热装置，其特征在于，所述热沉和端盖由铜、铝或银制成。
由于本实用新型的散热装置利用高热导率材料(或者由热沉本身材料)将热沉内部分割为两个或两以上的小窗格空间(即相变材料填充区)，增加了固液相变材料和热沉的接触面积，在吸热过程中，热量可以快速的从热沉传递到固液相变材料内，从而使得热源温度迅速降低；本散热装置在热沉内部装有相变材料并相对于传统的散热器采用了小面积的翅片，所以散热装置的体积较小；采用小功率的风扇可以有效减小噪音，并降低了散热装置的耗电量从而有效降低了散热装置的使用成本。
附图说明
图1是本实用新型的一个实施例的散热装置的分解结构示意图；
图2为将实施例一的散热装置用于为一台激光器散热的安装结构示意图；
图3是本实用新型的另一实施例中散热装置的热沉端面结构示意图。
具体实施方式
下面依据附图和具体实施例详细地描述本散热装置。
本实用新型依据被散热设备(例如，机械设备和电子设备)在理想热环境下的散热量需求来确定散热翅片的面积和风扇的风量，从而采用小面积的翅片和小功率的风扇实现理想工况(环境温度在设备的正常工作温度范围)下的热量释放，避免了冗余设计；遇到非理想工况时(环境温度高于设备所能承受的最高温度)，不能及时排放到环境中的热量则使热沉内的相变材料熔化，相变材料采用相变潜热较高的材料(例如二十烷等)，通过相变吸热变为液态，可以使机械设备较长时间保持在其正常工作温度范围内，从而避免了设备温度的升高。短时间的非理想工况过后，散热***将存储在相变材料里的潜热与设备热量及时排放到环境中，相变材料又转变为固态，准备迎接下一个非理想工况的到来。
实施例一：
图1为本实用新型的一个实施例的散热装置的分解结构示意图，包括热沉101、热管102、相变材料填充区103、孔洞104、端盖106、翅片组107和风扇105。热沉101和端盖106采用高导热率的材料制成。热管102、翅片组107和风扇105构成热管散热***，热管102为一种靠其内部所含的工作物质的蒸发、凝结和循环流动而传递热量的器械，热管102可以在很小的温差下传递很大的热量，热管102内液体回流是靠热管102内部的毛细结构的毛细作用力完成的，既没有运动部件又不消耗能量，由于热管技术属于熟知技术，所以此处不再对热管102的具体结构进行详细的描述。
热沉101内部分为20个沿x轴向延伸的窗格空间(即相变材料填充区103)，20个相变材料填充区103一端开口用于填充相变材料(如图1中所示)，另一端不穿透热沉101。相变材料填充区103内填满或填充部分固液相变材料，在热沉101的开口端由端盖106将液态的(为了便于填充，通常将固液相变材料加热至液态后填充)相变材料密封在相变材料填充区103内。热沉101内部分成20个相变材料填充区103，有效增加了固液相变材料和热沉101的接触面积，从而在吸热的过程中使热量可以从热沉101快速地传递给固液相变材料，同时，在放热过程中使得热量可以快速的从固液相变材料传递到热沉101内，然后由热沉101通过散热***将热量快速释放到空气中。由于一般的固液相变材料往往是低导热率材料(相对于铜、铝等而言)，因此采用本实用新型增加热沉101与相变材料的接触面积带来的快速传导效果是显著的。固液相变材料的熔点低于热源所能承受的最高温度，同时固液相变材料的沸点应高于热源所能承受的最高温度。热沉101的封有端盖106的端面均匀分布有12个圆形孔洞104，12个孔洞104的轴线沿着x轴向，并且孔洞104沿x轴线穿过热沉101，但是并不穿透热沉101，所以在热沉101的另一端自身形成一个封闭端。孔洞104位于相变材料填充区103的***，分别贴近热沉101的四个侧面边缘(平行于xoy面的两个侧面和平行于xoz面的两个侧面)，孔洞104用于放置热管102。热管102为中空圆柱形，热管102的整体结构分为吸热端和散热端，吸热端放置在孔洞104内，散热端延伸出孔洞104外，热管102的吸热端和散热端的外径均和孔洞104的直径相等，使得热管102刚好贴合在孔洞104内，热管102的散热端串有翅片组107，翅片组107的一侧(沿z轴方向)安装有风扇105，且风扇105吹动的风的流向沿着翅片组107所形成的通道(z轴向)。风扇105和翅片组107的散热功率均采用非冗余设计，即二者的散热量只考虑理想工况下的散热需求，而不考虑非理想工况下的散热需求，因此采用小功率的风扇和小散热面积/体积的翅片组。热沉101除对应安装有翅片组的侧面外的其他几个侧面均可以安装热源(即需要散热的器件)。
下面具体描述散热装置的工作过程：
图2为将实施例一的散热装置用于为一台激光器散热的安装结构示意图，除包括散热装置外，还包括热源208，热源208包括激光器2081和TEC(半导体制冷器)2082。如图2所示，热沉101和端盖106均采用矩形铜块，铜块表面光滑，固液相变材料采用纯净物二十烷(C20H42)，用端盖106将二十烷密封在热沉101内部的相变材料填充区103内。首先将激光器2081固定在TEC2082的冷端，然后将TEC2082的热端固定在热沉101的一个侧面上(平行于xoz面的一个侧面)，由于热源208和热沉101之间的接触面均有较高光洁度，且在二者的接触面间涂敷有导热胶，从而有效降低了二者间的接触热阻，导热胶的导热系数大于等于2W/m·K为佳，本实施例采用型号为Evercool STC-01的导热系数为3.8W/m·K的导热硅脂。
当热源208开始工作时，散热装置也立即开始工作。在理想工况下，热源208内激光器2081产生的热量首先传导给TEC2082的冷端，并由TEC2082将热量由其冷端传至其热端，因此热源208产生的热量可以快速地经热沉101→热管102的吸热端→热管102的散热端→翅片组107并利用风扇105排放到环境中，在此过程中，热管102-翅片组107-风扇105构成的热管散热***起到主要的散热作用，相变材料(本实施例中为二十烷)只是随着热源208和散热装置组成的整个***的温度变化而吸收或放出一定的热量，但不发生状态变化。因为风扇105和翅片组107均采用非冗余设计，在理想工况下刚好满足散热需求，风扇105相对传统散热装置功率小，因此耗电量低且噪声小，翅片组107的体积也相对传统散热装置要小。
在非理想工况下，非冗余设计的热管102-翅片组107-风扇105构成的热管散热***不足以将热源208产生的全部热量及时排放到周围环境中，滞留在热源208和散热装置内的热量将使热沉101及相变材料填充区103内部的固态二十烷温度逐渐升高，当二十烷的温度达到其固液临界温度时(二十烷熔点为36.7摄氏度)，二十烷继续吸收热量，二十烷逐渐由固态转变为液态，由于二十烷具有较大熔化潜热(二十烷熔化潜热为2.47×105焦耳/千克)，因此二十烷从固态转变为液态的过程中可以吸收较多热量，从而可以保证使热源208维持在二十烷的固液临界温度点附近工作，通常所以在全部的二十烷发生相变之前可以保证热源208处于其工作温度范围内，待非理想工况过去后，液态二十烷释放热量并由液态转变回固态，等待下一个非理想工况的到来。
二十烷熔化潜热为2.47×105焦耳/千克、熔点为36.7摄氏度且密度为856千克/米3(35摄氏度时)，本实施例中，采用1.25×10-4立方米的二十烷，根据其熔化潜热和密度，可以得出1.25×10-4立方米的二十烷可以吸收26429焦耳的热量，如果不考虑热管102和风扇105的排热量，仅仅依靠二十烷吸热，仍然可以保证一台热功率为5瓦、输出光功率大约为1瓦的激光器连续工作1.47个小时，这么长的一段时间足以保证使激光器顺利渡过非理想工况时间。因此采用此散热装置在非理想工况下，可以保证热源208的温度稳定。
实施例二：
图3是本实用新型另一实施例中散热装置的热沉端面结构示意图。如图3所示，包括热沉301、热管302、相变材料填充区303。本实施例中采用了26根热管302，有30个横截面为矩形且截面面积相等的相变材料填充区303，每一个相变材料填充区303内填满相变材料。其中热沉301包括热沉主体311和热沉贴层312。热沉贴层312分为四个部分，热沉贴层312的四个部分分别与热沉主体311的四个侧面(平行于xoy面的两个侧面和平行于xoz面的两个侧面)相互配合并贴合在热沉主体311上以形成热沉301。热沉主体311的四个侧面和热沉贴层312的四个部分朝向热沉主体311的表面均开有26个半圆柱形凹槽，26个半圆柱形凹槽沿其轴线所在方向穿透热沉主体311或热沉贴层312，并且当热沉主体311和热沉贴层312安装在一起时，两者的半圆柱形凹槽对应扣合，以形成用于容纳热管302吸热端的26个圆柱形孔洞(如图3所示，即在热沉主体311和热沉贴层312的贴合处形成圆柱形孔洞)。热管302用焊料稳固的焊接在孔洞内，散热装置的其它部分的结构和实施例一中相同，此处不再赘述。
这种配置的好处在于可以在安装的过程中在热沉主体311和热沉贴层312的半圆柱形凹槽内添加焊料，使得热管302和热沉301紧密的连接，减小了二者之间的接触热阻，利于热管302快速地把热量传递给热沉301。
特别指出，对于热导率高的相变散热材料，热管还可以与固液相变材料一同置于相变材料填充区内；另外，相变材料填充区分割为多少个小区域要由散热需求决定；热沉和端盖除采用铜外，还可以采用其他高导热率的材料，例如铝、银或它们的合金等，热沉内部除分割为矩形窗格结构外，也可以分割为圆形、三角形或梯形等形状。热管除实施例一所述的圆柱形外形外，还可以是平板形等，热管的材料除铜外，还可以是铝等其它高导热性的材料，热管的放置位置可以根据需要改变，例如，热管的轴线方向垂直于激光器和散热装置接触面，当然，此时热沉的孔洞和相变材料填充区的方向和位置也要做适应性调整。热管和相变材料填充区的开口方向可以在热沉的同一侧，也可以在不同方向，而且二者也可以穿透热沉，这都可以根据使用者的要求而调整。固液相变材料可以为纯净物二十烷外，还可以采用十八烷或三水化硝酸铝等纯净物，固液相变材料也可以是几种物质的混合物。热源也可以放置在除安有翅片组一侧以外的热管的其它任意侧面，并且可以同时在不同的侧面上放置两个或两个以上的热源，本实用新型的散热装置除为激光器散热外，还可以为电源或其他功率器件散热。本实用新型的实施例中采用翅片组与风扇结合对热管的散热端进行散热，但应该理解其结构可以根据需要适当调整，如果热源的散热量较小，仅通过空气对流就可以满足散热需求，此时也可以将风扇和/或翅片组取消不用，对于特殊应用还可以采用其它散热装置对热管的散热端进行散热。以上的修改和变动均是本领域技术人员能够理解的。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种散热装置，包括热沉、热管以及固液相变材料，其特征在于，所述热沉内部空间设置有两个或两个以上的相变材料填充区，所述固液相变材料填充在所述热沉的所述相变材料填充区内，所述热管包括吸热端和散热端，所述热管的吸热端固定在所述热沉内，与所述热沉热连接，所述热管的散热端位于热沉外。
2.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于，所述相变材料填充区一端开口并利用附加的端盖进行密封。
3.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于，所述每个相变材料填充区的横截面为矩形、圆形、三角形或梯形。
4.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于，所述热管为圆柱形，所述热沉内设置有与所述热管直径相匹配的若干孔洞，所述热管的吸热端固定在所述热沉的所述孔洞内。
5.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于，所述热沉包括热沉主体和多个热沉贴层，各个热沉贴层分别与热沉主体的各个侧面相互配合并贴合在热沉主体上，在热沉贴层和热沉主体的贴合处形成若干圆柱形孔洞，所述热管的吸热端固定在所述圆柱形孔洞内。
6.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于，还包括翅片组和风扇，所述热管的散热端穿过所述翅片组并与所述翅片组热连接，所述风扇位于所述翅片组的一侧。
7.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于，所述固液相变材料的熔点低于热源所能承受的最高温度，所述固液相变材料的沸点高于热源所能承受的最高温度。
8.根据权利要求7所述的散热装置，其特征在于，所述固液相变材料为纯净物或几种纯净物的混合物。
9.根据权利要求8所述的散热装置，其特征在于，所述固液相变材料为二十烷、十八烷或三水化硝酸铝。
10.根据权利要求2所述的散热装置，其特征在于，所述热沉和端盖由铜、铝或银制成。
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