一种储热型均温散热装置

技术领域

本申请涉及电子设备热管理领域，尤其是涉及一种储热型均温散热装置。

背景技术

随着科学技术的发展，电子设备在各行各业广泛应用。电子设备是指由集成电路、晶体管、电子管等电子元器件作为核心组成的设备，电子设备能够进行信息采集、传输、处理、控制等工作，极大地提高了生产、生活设施的自动化和信息化水平。

电子设备工作时通常会产生热量，热量的积累会造成电子设备工作温度的升高，而电子元件通常有工作温度的要求，当温度超出电子元件的工作温度的限度后，会造成电子设备的工作混乱，甚至电子元件的烧毁。因而需要对电子设备进行热管理，保证电子元件在合适的温度水平工作。通常在电子设备中设置散热装置，利用高导热界面材料或者高导热均热装置将电子元件运行时产生的热量通过自然对流换热、强迫风冷散热及液冷散热的方式交换到周围环境中，从而维持电子元件工作温度的稳定。这在当下电子设备的功能和性能越来越高，由此带来控制电路越来越复杂，对电子元件的功率要求也越来越高的情况下具有重要的意义。

然而在武器装备领域、航空航天领域等一些特殊的领域中，电子设备通常工作在散热条件恶劣的环境中。如在弹载设备运行过程中，其外表面存在气动加热现象，设备外部环境的温度远超设备内部的温度，内部电子元件产生的热量中无法通过散热装置扩散到周围环境中。又如航天设备进入太空环境后，真空环境限制了电子元件产生的热量通过对流或者传导方式扩散，而主要通过辐射的形式扩散到真空环境中，这也限制了热量在日光照射环境下的扩散效果。此时，仅能通过储热装置对电子元件产生的热量进行吸收储存，在一定的时间内将电子元件产生的热量储存在储热介质中，保证电子元件产生的热量的散发，降低电子元件的工作温度。

储热型散热装置多在散热片的一侧设置相变材料，利用相变材料相变时吸收热量的特点，将电子元件产生的热量吸收存储在相变材料中，维持电子元件的工作温度。然而相变材料的导热性能通常较差，导致相变集中在散热片邻近区域发生，限制了散热片一侧相变材料的设置厚度，导致了现有的储热型散热装置的储热容量较小，难以满足较大功率的电子元件较长时间的储热要求。也有的储热型均温散热装置在散热片的外侧设置散热翅片，利用散热翅片将热量传导到相变材料的内部，但散热翅片传导的热容量有限，容易在相变材料的内部形成温度梯度，影响了相变材料的有效储热容量。

发明内容

为了提高储热型散热装置的有效储热容量，本申请提供一种储热型均温散热装置。

本申请提供的储热型均温散热装置采用如下的技术方案：

一种储热型均温散热装置，包括均热结构和储热结构，所述均热结构包括热源接触部、均热板和多个传热齿，所述热源接触部设置在所述均热板的一面，所述传热齿设置在所述均热板的另一面，所述均热板和所述传热齿的内部设置有相互连通的传热通道，所述传热通道内充填有传热介质，所述储热结构内设置有储热腔，所述均热结构与所述储热结构相连接，使得所述传热齿位于所述储热腔内，所述储热腔内设置有储热介质。

通过采用上述技术方案，利用设置在均热板和传热齿内部的传热通道和设置在传热通道中的传热介质，能够提高均热板与传热齿之间的传热效果，有利于均热板上吸收自电子元件的热量向储热材料的传递；利用传热齿位于储热腔内设置，能够将均热板上的热量更好地传递到储热腔的深处，被储热腔中不同部位的储热介质均匀吸收，提高储热介质的有效储热容量。

在一个具体的可实施方案中，所述均热板的内部设置有均热腔，每个所述传热齿的内部设置有传热腔，所述传热腔与所述均热腔相连通，形成所述传热通道。

通过采用上述技术方案，利用设置在均热板内部的均热腔，和设置在每个传热齿内部的传热腔，能够提高传热通道的容量，从而能够在传热通道中设置更多的传热介质，提高均热板与传热齿之间的传热效果。

在一个具体的可实施方案中，所述传热介质为固态传热介质，所述固态传热介质充满所述传热通道；所述储热介质为固固相变介质，所述固固相变介质充满所述传热齿外的所述储热腔。

通过采用上述技术方案，利用充满传热通道的固态传热介质，和充满传热齿外的储热腔的固固相变介质，能够克服大的加速度对传热介质和相变介质的影响，保证在大加速度环境下传热介质的热传递能力和相变介质的有效储热容量，保证本申请的储热型均温散热装置在弹载设备和航天设备中的使用效果。

在一个具体的可实施方案中，所述固固相变介质为季戊四醇和石墨烯的混合物，所述固固相变介质中石墨烯的质量分数为2%-3%。

通过采用上述技术方案，利用季戊四醇作为固固相变介质，具有比热容大，材料稳定性高的优点，利用混合在季戊四醇中的石墨烯，能够有效提高相变介质的导热率，促进热量向季戊四醇内部的传导，促进更多的季戊四醇发生相变，提高季戊四醇的实际储能密度；利用固固相变介质中2%-3%质量分数的石墨烯，能够在提高固固相变介质导热性能的同时，保障固固相变介质的储热容量。

在一个具体的可实施方案中，所述均热板为真空腔均热板，所述传热介质为汽液相变介质，所述均热腔的壁部设置有毛细材料层。

通过采用上述技术方案，利用设置在均热腔壁部的毛细材料层，能够为均热腔中液化的汽液相变介质提供毛细通道，使得液相的介质在表面张力的作用下沿毛细材料层快速扩散，有利于汽液相变介质在传热齿中放热液化后，由均热板的传热齿对应部位，快速回流到热源接触部所在部位，吸受热源接触部的热量后再次汽化，提供均热结构的热传递性能。

在一个具体的可实施方案中，所述传热腔的侧壁设置有多个槽道，所述槽道沿所述传热齿的长度方向延伸。

通过采用上述技术方案，利用设置在传热腔侧壁的多个槽道，能够促进传热腔中液化的汽液相变介质沿槽道回流到均热腔中，同时不影响汽化后的汽液相变介质由均热腔向传热腔的流动，提高热量在均热板与传热齿之间的传递性能。

在一个具体的可实施方案中，所述传热齿设置为相互平行的矩形块，所述传热齿内设置有“S”形排列的传热导管；所述均热板内设置有多个相互独立的均热导管，多个所述均热导管均从所述热源接触部邻近区域通过，且每个所述均热导管的两端均与不同的所述传热齿中的所述传热导管相连接，形成相互连通的所述传热通道。

通过采用上述技术方案，利用设置在传热齿内的“S”形排列的传热导管，能够增加传热管内的传热介质与传热齿之间的接触面积，提高传热介质中的热量传递到传热齿表面的能力，促进热量向储热介质的传递；利用多个相互独立的均热导管均从热源接触部邻近区域通过的设置，有利于热源接触部吸收的电子元件的热量向均热导管内传热介质的传递，促进热源接触部中热量的快速散发；利用每个均热导管的两端均与不同的传热齿中传热导管相连接形成的传热通道，有利于均热导管中传热介质向不同传热齿中的流动，使得热源接触部中热量能够传递到不同的传热齿中，实现热量向储热介质的均匀传递。

在一个具体的可实施方案中，所述传热通道在真空状态下注入汽液相变介质，所述汽液相变介质的注入量为所述传热通道容积的30-60%vol。

通过采用上述技术方案，利用在真空状态下将汽液相变介质注入传热通道中，能够降低汽液相变介质的汽化温度，促进汽液相变介质在气相与液相之间的转化，提高传热导管和均热导管的热传递性能；利用占传热通道容积30-60%vol的汽液相变介质，能够保证汽液相变介质在液相与气相之间转化性能的同时，提高汽液相变介质的热容量，提高热源接触部与传热齿之间的热传递效果。

在一个具体的可实施方案中，所述储热腔内设置有缓冲器，所述缓冲器的端部设置有弹性缓冲片，所述缓冲器与所述储热结构密封连接，所述储热结构上设置有与所述缓冲器相连通的通气孔。

通过采用上述技术方案，利用设置在储热腔内的缓冲器能够缓冲储热介质在发生相变时的体积变化，降低本申请的储热型均温散热装置的耐压要求；利用设置在缓冲器端部的弹性缓冲片，能够通过弹性缓冲片的弹性变形形成储热腔的容量缓冲，同时利用弹性缓冲片的弹力承受设定的压力，限制储热腔容量的过度变化。

在一个具体的可实施方案中，所述传热齿沿垂直于储热腔底壁的方向延伸，且至少部分所述传热齿与所述储热腔的底壁相接触。

通过采用上述技术方案，利用沿垂直于储热腔底壁方向延伸的传热齿，能够使得多个传热齿以相互平行的方向设置在储热腔内，将热量均匀传递到储热腔不同部位的储热介质中，提高储热介质的有效储热容量；利用传热齿与储热腔的底壁相接触的设置，使得传热齿能够支撑在均热板与储热结构之间，提高本申请的储热型均温散热装置的结构强度。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

1.利用均热结构的传热齿位于储热腔内的设置，能够将均热结构中的热量均匀传递到储热腔的内部，为储热介质均匀吸收，从而能够在储热腔内设置更多的储热介质，在无法向外界散热的恶劣环境中，利用储热介质吸收更多的电子元件产生的热量， 使得电子元件能够在更长的时间内有效散热，保证电子元件的正常工作；

2.利用设置在传热通道中的传热介质，能够提高热量由均热板至传热齿之间高热流密度的热传递，提高与热源接触部相接触的电子元件的散热效果；

3.利用设置在传热通道中的固态传热介质和设置在储热腔中的固固相变介质，能够形成全固态的传热、储热体系，避免高加速度的应用环境对液相材料和气相材料流动的影响，保证了高加速度环境下的传热和储热性能，保证了武器装备、航空航天等特殊领域的应用要求。

附图说明

图1为本申请一个实施例的示意图。

图2为本申请一个实施例的局部剖视图。

图3为本申请另一个实施例的传热通道透视图。

图4为图3中A-A方位剖视图。

图5为图3中B-B方位剖视图。

图6为本申请又一个实施例的传热通道透视图。

附图标记说明：1、均热结构；11、热源接触部；12、均热板；13、传热齿；14、传热通道；141、均热腔；142、传热腔；143、传热导管；144、均热导管；15、毛细材料层；16、槽道；2、储热结构；21、储热腔；22、通气孔；3、缓冲器；31、弹性缓冲片。

具体实施方式

下面结合附图对本申请的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本申请，并不用于限制本申请。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“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，或者是一体连接；可以是直接连接，也可以是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，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

本申请的储热型均温散热装置的一个实施例，如图1和图2所示，包括均热结构1和储热结构2。均热结构1用于将电子元件，通常是高功率电子芯片产生的热量传递给储热结构2，储热结构2用于吸收并储存均热结构1传递来的热量，从而以储热的方式在一定时间内对均热结构1进行散热，将电子元件的温度维持在其工作允许的范围内，保证电子元件的正常工作。

均热结构1包括热源接触部11、均热板12和多个传热齿13。热源接触部11设置在均热板12的中部，为设置在均热板12一侧表面的凸起，用于与需要散热的电子元件相接触。热源接触部11的大小和形状通常与需要散热的电子元件的大小和形状相适配，热源接触部11通常设置有平滑的表面，以降低电子元件与热源接触部11之间的热阻，保证电子元件产生的热量能够快速传递给热源接触部。在电子元件与热源接触部11之间还可以填充导热硅脂，以进一步降低二者之间接触面的接触热阻。

多个传热齿13设置在均热板12与热源接触部11相对的一面，且向远离热源接触部11的方向延伸。传热齿13用于将热源接触部11传递给均热板12的热量传递给储热结构2，以能够利用储热结构2吸收并储存电子元件产生的热量。多个传热齿13的设置能够提高传热齿13的表面积，以利于传热齿13对外传递热能。多个传热齿13在均热板12上均匀设置，

均热结构1通常由导热性较好的合金材料，如铝合金、钛合金或者铜合金等制成，在保证均热结构1结构强度的同时，提高均热结构的导热系数。在均热板12和传热齿13的内部均设置有空腔，均热板12内部的空腔与传热齿13内部的空腔相互连通，形成传热通道14。在传热通道14内充填有热流密度较高的传热介质，通过高热流密度传热介质促进热量在均热板12到传热齿13的传输。传热介质可以使用导热系数较大的固体材料，如高导热系数石墨，也可以使用相变传热材料，如水、甲醇、丙酮等。

储热结构2由高结构强度材料，如金属材料制成，储热结构2的内部设置有开口于储热结构2一侧表面的储热腔21。均热结构1固定在储热结构2的开口处，使得均热板12覆盖储热腔21的开口，并且传热齿13位于储热腔21内。均热板12的周边与储热结构2的开口侧通过钎焊焊接、扩散焊接或者螺接的方式相互连接，形成二者之间的密封。

在储热腔21内填充有储热介质，储热介质选用热容量较大的材料，通常使用相变材料，如固固相变材料季戊四醇、Li

在使用时，将热源接触部11紧贴电子元件等热源的散热面安装在热源附近，在热源与热源接触部11之间填充导热硅脂。热源产生的热量通过热源接触部11传递给均热板12，热量在传热通道14内的高热流密度传热介质的作用下快速传递到均热板12的各个部分，以及与均热板12相连接的各个传热齿13上，并通过多个传热齿13分散传递给储热腔21内部不同位置、不同深度的储热介质，使得储热腔21中不同位置的储热介质均能够吸收传热齿13上的热量而产生广泛的相变，将热源产生的更多的热量储存在储热介质中，提高储热介质的有效储热容量。

在本申请的储热型均温散热装置的一些实施例中，如图1和图2所示，在均热板12的内部设置有中空的均热腔141，在每个传热齿13的内部均设置有中空的传热腔142。传热齿13在均热板12上连接时，使得传热腔142与均热腔141相连通，形成传热通道14。传热介质填充在均热腔141和传热腔142内，且均热腔141和传热腔142内的传热介质相互接触和/或流通，形成热量在均热板12与传热齿13之间的传递。

在本申请的储热型均温散热装置的一种优选实施例中，如图1和图2所示，传热介质使用固态传热介质，固态传热介质可以使用高导热系数石墨，也可以使用高导热系数碳纤维。高导热系数石墨是一种人造石墨材料，通常为人造石墨纤维或者石墨烯，其导热系数通常在800 W/m·K以上，固态传热介质充满整个传热通道14，形成热量由均热板12向传热齿13传递的快速传热通道。

储热介质使用固固相变介质，固固相变介质充满传热齿13外的整个储热腔21，使得固固相变介质与传热齿13形成紧密接触，以能够将传热齿13上的热量更好地传递给固固相变介质，利用固固相变介质的相变储存在固固相变介质中。固固相变介质能够利用介质晶格的变化储存热量，从而能够在介质温度变化较小的情况下储存大量的热能，对热源形成更好的散热效果。

固态传热介质和固固相变介质的使用，使得热量由均热板12至传热齿13之间的传递，以及热能在储热介质中的储存不依赖于介质的流动，在高加速度环境介质流动受阻的状态下，也不影响热量的传递和热能的储存。因此，本实施例的储热型均温散热装置可以使用在武器装备、航空航天等需要承载较高加速度的应用环境中，进行电子器件的散热。

作为本申请储热型均温散热装置的一种具体实施方式，固固相变介质使用季戊四醇和石墨烯的混合物。季戊四醇是一种多元醇类固固相变材料，在达到固-固相变温度时，由低温时的高对称体心结构转变为低对称的面心结构，吸收并储存大量的热量。但季戊四醇的导热率大概在0.1-0.5W/（m•K）之间，导热率较小，因而固固相变主要集中在传热齿13的附近，难以形成大容量的储热效果。而石墨烯的导热系数极高，在季戊四醇中混入一定量的石墨烯，有利于热量向远离传热齿13的区域传递，从而形成更大范围的季戊四醇的相变，极大地提高了季戊四醇的有效储热容量。在本实施例中，固固相变介质中混入的石墨烯的质量分数为2%-3%，使得季戊四醇和石墨烯的混合物的传热、储热性能俱佳。

在本申请的储热型均温散热装置的一些实施例中，如图3-图5所示，均热板12为真空腔均热板，均热板12也可以使用高热流密度脉动式均热板，在均热腔141中填充的传热介质为汽液相变介质。通常相变传热介质的导热系数远高于固态传热介质的导热系数，通常的相变传热介质的导热系数均大于1500 W/m·K，汽液相变介质的使用能够大幅提高均热结构1的导热性能。在均热腔141的壁部烧结有毛细材料层15，毛细材料层15通常使用铜粉、铝粉、铜网等材料烧结在均热腔141内邻近热源接触部11的一侧，汽液相变介质放热后形成的液态工质能够在毛细现象的作用下，沿毛细材料层15快速运送至热源接触部11，在热源接触部11吸收热源产生的热量而汽化，汽化后的汽态工质快速流动到传热腔142，将热量到传热齿13上，实现热量的高效传导。

在本申请的储热型均温散热装置的一种优选实施例中，如图4和图5所示，在传热腔142的侧壁设置有多个槽道16，槽道16沿传热齿13的长度方向延伸，槽道16的设置能够增加汽态工质的换热面积，以及增加液态工质由传热齿13至均热板12的回流速度。

在本申请的储热型均温散热装置的一些实施例中，如图6所示，传热齿13设置为相互平行的矩形块。在传热齿13的内部设置有“S”形排列的传热导管143，传热导管143 的“S”形排列能够增加传热导管143在传热齿13内的长度，提高传热导管143与传热齿13之间的传热面积。

均热板12内设置有多个相互独立的均热导管144，多个均热导管144均从热源接触部11邻近区域通过，通常在热源接触部11邻近区域平行排列，使得热源接触部11所吸收的热源的热量能够更好地传递到不同的均热导管144中。

每个均热导管144的两端与不同的传热齿13中的传热导管143相连接，每个传热导管143的两端也与不同的均热导管144相连接，形成相互连通的传热通道14。不同的传热导管143可以与不同的均热导管144相互交叉连接，形成为一条连接所有传热导管143和均热导管144的整体传热通道14，也可以由部分传热导管143与部分均热导管144分别交叉连接，形成多个相互独立的传热通道14。但每个传热通道14均能够由热源接触部11邻近区域连通到传热齿13，从而能够在传热通道中填充汽液相变介质，促进热量由热源接触部11至传热齿13的传递。

在储热腔21内填充的储热介质为固液相变材料，如石蜡，石蜡的化学性质较为稳定、熔点适中、相变潜热大，能够稳定地保证储热介质的储热容量。

在本申请的储热型均温散热装置的一种优选实施例中，先将传热通道14中的空气抽出，在传热通道14中形成真空状态，再将汽液相变介质注入传热通道14中，在传热通道中形成汽液相变介质的低压状态。低压状态能够降低汽液相变介质的沸点，有利于汽液相变介质的汽化，促进热量在传热通道14中的快速传递。通常地，传热导管143和均热导管144的水力直径设置为0.75-2mm，汽液相变介质使用去离子水或者丙酮，汽液相变介质的注入量为传热通道14容积的30-60%vol。

在本申请的储热型均温散热装置的一些实施例中，如图4所示，在储热腔21内还设置有缓冲器3。缓冲器3设置为一端开口的管状，通常由具有一定机械强度的金属材料制成，缓冲器3的一端设置有弹性缓冲片31，弹性缓冲片31为在弹性金属片压制折弯纹形成，弹性缓冲片31的周边焊接在缓冲器3上，形成缓冲器3的封闭端。缓冲器3的开口端焊接在储热结构2的内壁，形成缓冲器3与储热结构2之间的密封连接的同时，在缓冲器3的内部与储热结构2之间形成一个缓冲腔。在储热结构2上设置有与缓冲器3相连通的通气孔22，使得缓冲腔通过通气孔22与外部空间相连通，并通过弹性缓冲片31与储热腔21相隔离。

在使用固液相变介质作为储热介质时，相变介质由固态向液态转化时，通常伴随着体积的膨胀，而储热介质通常充满了储热腔21，固液相变介质体积的膨胀对储热结构2形成了巨大的压力。缓冲器3的设置能够通过弹性缓冲片31的形变缓冲固液相变介质体积的变化，并通过金属材料制成的弹性缓冲片31保证储热腔21的结构强度，在保证储热结构2结构强度的同时，减轻固液相变介质相变时产生的体积变化在储热结构2上形成的应力，保证储热结构2的使用寿命。

在本申请的储热型均温散热装置的一些实施例中，如图1至图6所示，传热齿13沿垂直于均热板12的方向，向远离热源接触部11的方向延伸。通常，储热结构2的底面与开口端的端面平行，均热板12固定在储热结构2的开口端时，传热齿13也沿垂直于储热腔21底壁的方向向储热腔21底壁延伸。其中，至少部分传热齿13一直延伸至储热腔21的底壁，与储热腔21底部的储热结构2相接触，在向储热腔21深部的储热介质传递热量的同时，还能够充当储热结构的承力结构件，提高本申请的储热型均温散热装置的结构强度。

本申请的储热型均温散热装置，能够通过热源接触部11与热源相接触，吸收热源产生的热量，并通过均热板12快速传递到设置在均热板12不同部位的多个传热齿13上，通过多个传热齿13均匀传递给储热腔21中的储热介质。通过均热板12与储热结构2之间的密封连接，形成了密闭的储热腔21，从而能够在储热腔内填充储热介质，进行热能的吸收储存。多个传热齿13位于储热腔21内部的设置，能够将热量传递到储热腔21内不同部位储热介质的深部，使得储热腔21内不同位置、不同深度的储热介质能够均匀地吸收热量而产生相变，克服了储热介质热传导性能较差的缺陷，有效提高了储热介质的有效储热容量。在传热齿13内部设置传热通道14的设置，能够有效提高传热齿13的热传导能力，减小传热齿13上的温度梯度，提高储热腔21深部储热介质的储热效果。均热结构1能够将高热流密度的热流快速并且均匀的传输到储热结构2内部的储热介质中进行热量存储，能够有效降低高功耗电子元件满载工作时的峰值温度，保证电子元件能够在更长的时间内正常工作。

在本申请的描述中，参考术语“一个实施例”、“具体实施例”、 “优选实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本申请中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。