一种微形变增强导热接触相变传热装置

技术领域

本发明涉及电子设备热管理技术领域。

背景技术

伴随微电子技术的迅速发展，电子设备性能迅速增加，但受电子器件效率限制，近80％电功率将转变成废热，电子设备的热量若不能得到有效的排散，将会严重影响电子设备的性能与寿命，电子设备热管理的重要性日益凸显。从热量传递路径看，电子器件内部产生的热量先扩散至封装壳体，再由壳体传导至冷板、散热器等热沉，数据显示，壳体至热沉之间的传导热阻在全流程热阻中占比最高，合适的传导热阻控制对电子设备的可靠性具有重要意义。

电子器件壳体与热沉的接触方式可分为直接接触式与间接接触式。直接接触式指电子器件壳体与冷板直接贴合，中间涂抹较薄的热界面材料。在使用适当的热界面材料后，直接接触式热传导可大幅降低接触热阻，但其使用受到如下限制。一是对电子器件壳体和热沉配合度要求较高，平面度与尺寸配合公差必须精确设计和制造。二是对于具有多热源的单板，受限于电子器件组装工艺过程，需散热的电子器件高度与设计值通常会存在一定偏差，同步设计的热沉无法做到与多电子器件完美贴合。三是压紧力要合适，较低的压紧力会导致界面接触不良，增大接触热阻，较高的压紧力可能会对敏感器件造成损伤。四是组件使用过程中可能产生的热应力与机械应力将直接作用于电子器件表面。五是电子器件使用过程中温度的变化可能将热界面材料泵出接触面。六是液态的热界面材料长时间使用后会存在老化导致的性能降低甚至失效。七是不适用与电子器件需要和热沉保持绝缘状态的场合。针对直接接触式热传导存在的缺点及使用限制，非接触式热传导技术应运而生并得到飞速发展。非接触式热传导最常用的使用形式是使用可变形导热垫片。导热垫片是一种柔软的、具有一定厚度的固体材料，由硅胶基材/硅树脂和高导热粒子组成，在压力作用下可沿厚度方向发生0％至50％不等的压缩形变。导热垫片可解决多电子设备与热沉间组装公差配合、压紧力调节、应力解耦、绝缘与长久使用可靠性问题，在电子产业得到广泛应用。但受限于基材较差的热物性，工业界广泛使用的导热垫片导热系数普遍在1W/(m·K)至7W/(m·K)之间，文献报道中采用定向碳纤维重组技术的导热垫片最高也只能达到30W/(m·K)。较低的导热系数与毫米级的厚度使得导热垫片在高热流密度电子器件散热领域的应用受到严重限制。

热管/蒸汽腔热管是解决高热流密度电子器件散热的有力手段，其利用内部工质的循环相变将热量沿轴向或者纵向进行高效输运。热管/蒸汽腔热管由铜、铝、不锈钢和台合金等金属组成，安装于使用过程中通常不能发生形变，使用方式与直接接触式热传导相似。部分柔性热管可沿垂直于厚度方向进行翻折，沿厚度方向可形变的相变传热装置较少见诸报导。现有专利CN108780343A公开了一种包括弹性可变形相变设备的热管理系统，使用弹性弹力金属作为相变设备的外壳，在施加压力时金属外壳发生形变以适应冷热源间距的变化，在外力去除后恢复原有形状。该专利使用弹性金属的物理特性来获得形变效果，存在弹性形变量有限、无法做到电绝缘、工质回流毛细力不足、难以对安装以及使用过程中空腔内的压力变化做出调节。

发明内容

本发明提供一种微形变增强导热接触相变传热装置，可适应安装及使用过程中的冷端与热端的距离变化，施加预紧力，同时可做到冷热源之间电绝缘，强化液态工质回流，增强导热，缓解安装以及使用过程中上下基板对电子元器件的压力冲击。

本发明提出的一种微形变增强导热接触相变传热装置，包括上基板、下基板、微形变侧壁、充液管、压力调节机构、丝网毛细芯和工质。上下基板、微形变侧壁和充液管通过焊接成型后形成腔体，压力调节机构与腔体联通，丝网毛细芯敷设在腔体上基板部分和下基板部分的内侧，腔体通过充液管充灌入工质。使用时下基板与冷端贴合，上基板与热端贴合，微形变侧壁可在安装压力作用下发生形变，微形变增强导热接触相变传热装置依靠工质在丝网毛细芯与空腔中循环流动相变将热量从热端向冷端传输。

优选的，所述微形变侧壁呈环状结构，直径10至20mm，高度5至10mm，中间带有V形或S形变结构，在1至100N的压力作用下可发生弹性形变，相对形变量小于等于25％。

优选的，所述微形变侧壁材质为铜、铝或者有机高分子材料。

优选的，所述压力调节结构为弹簧活塞结构。

优选的，所述丝网毛细芯结构为编织丝网，材质为铜、铝或者有机高分子材料。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明通过在蒸汽腔热管侧壁设置弹性结构，可适应安装及使用过程中的冷端与热端的距离变化，同时在冷端与下基板、热端与上基板之间同时施加预紧力，降低接触热阻，并可根据需要将上下基板之间绝缘；通过在上下基板敷设丝网毛细芯，增强液体回流，强化相变装置传热性能；通过增加压力调节结构，缓解安装以及使用过程中上下基板对电子元器件的压力冲击。

附图说明

图1为本发明装置的示意图。

图2为本发明装置侧壁弹性结构的示意图。

图3为本发明装置压力调节机构的示意图。

图中有上基板1、下基板2、微形变侧壁3、充液管4、压力调节机构5、丝网毛细芯6，工质7，上腔体51，下腔体52，上弹簧53，下弹簧54，活塞55和连通管56。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

图1给出了本发明装置的示意图，包括上基板1、下基板2、微形变侧壁3、充液管4、压力调节机构5、丝网毛细芯6和工质7。上基板1、下基板2、微形变侧壁3和充液管4通过焊接成型后形成腔体，压力调节机构5与腔体联通，丝网毛细芯6敷设在上下基板腔体内侧并紧密连接，腔体抽真空后通过充液管4充灌入适量工质7，充灌完成后将充液管封闭。微形变增强导热接触相变传热装置安装时下基板2与冷端贴合，上基板1与热端贴合，微形变侧壁3可在安装压力作用下发生弹性形变，当压力去除后微形变侧壁3恢复原有高度。工作状态下，丝网毛细芯6将工质7抽吸至上基板1内壁，吸收热量后发生相变由液态变为气态，气态工质通过空腔在压力差作用下输运至下基板2内壁附近后重新冷凝成液体，再由毛细芯6将工质7抽吸至热源附近，通过工质的相态变化和质量输运完成热量的传输。

在一个实施例中，微形变侧壁3和丝网毛细芯6为紫铜，工质7为去离子水。在另一个实施例中，微形变侧壁3和丝网毛细芯6为铝合金，工质7为丙酮。在另一个实施例中，微形变侧壁3和丝网毛细芯6为高分子材料，优选的，微形变侧壁3为橡胶材料，丝网毛细芯6为化学纤维，工质7为去离子水，此时可做到上下基板之间处于绝缘状态。

图2为本发明装置侧壁弹性结构的示意图。侧壁呈环状结构，中间部分可发生弹性形变。中间部分机构可为V形或S形，分别如图2(a)和图2(b)所示。通过选取基材、设计壁厚以及弹性结构的尺寸，可调控微形变增强导热接触相变传热装置的应力应变关系，在1至100N的压力作用下微形变侧壁相对形变量小于等于25％。

在一个实施例中，微形变侧壁内径为15mm，外径17mm，高度8mm，材质为紫铜，弹性机构呈V形，夹角60°，径向长度2mm，厚度为0.05mm，单个V形单元高2mm，共4个V形单元，有限元仿真数据显示，该结构在纵向1至100N压力范围内可发生弹性形变，形变量与压力成正比，在100N的压力下绝对形变量1.85mm，相对形变量23％。

图3为本发明装置压力调节机构的结构示意图，包括上腔体51，下腔体52，上弹簧53，下弹簧54，活塞55和连通管56。上弹簧53与上腔体51和活塞55相连，下弹簧54与下腔体52和活塞55相连，活塞55阻隔上下腔体并可在上下腔体间低阻力滑动。下腔体52为真空状态，上腔体51通过连通管56与相变传热装置蒸汽腔相连。压力调节机构工作模式如下：当设备没有安装时，活塞处于平衡状态；当设备安装时，蒸汽腔体积被瞬间压缩，压力瞬间增大，活塞向下运动，缓冲由于安装带来的压力变化；当设备安装完成后，因为被压缩而暂时升高温度的工质向外界传输热量，活塞向上运动，重新建立平衡状态；当热源热量增加时，设备中工质温度升高，饱和蒸汽压增大，为防止突然增加的蒸汽压力对热源设备造成损伤，压力调节机构中的弹簧向下运动，扩大蒸汽腔体积，缓解由于热冲击造成的突然上升。