概述

 

目前的電子設(shè)備正朝著“短、小、輕、薄”化迅速發(fā)展，這是IC技術(shù)高集成化的結(jié)果，從而來帶來了電子設(shè)備的高密度組裝，功率迅速增加，電子設(shè)備產(chǎn)生的熱量也集中產(chǎn)生，由于電子設(shè)備內(nèi)部的散熱設(shè)計直接關(guān)系到電子設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)、設(shè)備性能以及使用壽命，電子設(shè)備內(nèi)部的熱量已成為電子設(shè)備的一個重大問題，因此，對提高電子機箱，尤其是對封閉機箱的散熱效率已成為國內(nèi)外的一個熱點話題。比如，IEE和IEEE的年會上已經(jīng)將涉及電子設(shè)備機箱內(nèi)部散熱技術(shù)作為一個專門的議題來討論。而且不少國內(nèi)外周刊，如日刊《電子技術(shù)》《電子材料》《電子通信學(xué)會論文志》經(jīng)常登載有關(guān)文章，出特集。

 

基于各國電子設(shè)備廠商對電子機箱散熱領(lǐng)域的技術(shù)研究成果，基于封閉機箱的散熱技術(shù)手段，業(yè)界將其主要技術(shù)分支進行如表1所示的劃分。

 

筆者通過在CNTXT、ENTXTC專利庫中檢索發(fā)現(xiàn)，基于封閉機箱散熱技術(shù)的國內(nèi)外文獻很多，其中在技術(shù)分支中基于材料上的改進來提高散熱性能的文獻相對較少。由此可見，現(xiàn)有技術(shù)中對封閉機箱的散熱性能的提升探究主要集中在基于一些輔助工具，如風(fēng)扇、鼓風(fēng)機、冷凝管等以及近年來的一些基于結(jié)構(gòu)上改進的一些新興的技術(shù)。本文將針對封閉機箱的散熱技術(shù)的三個技術(shù)分支出發(fā)，對與其有關(guān)的專利文獻進行技術(shù)分析，以期得出與封閉機箱的散熱技術(shù)相關(guān)的專利申請現(xiàn)狀以及技術(shù)發(fā)展路線。

 

專利申請總體情況

 

本文通過筆者在CNTXT、ENTXTC專利庫中檢索、篩選和標(biāo)引，截止到2023年6月30日共得到該領(lǐng)域下相關(guān)的國內(nèi)外專利申請文獻1100余篇，以下將分別從三個方面對封閉機箱散熱技術(shù)的專利申請的現(xiàn)狀進行解讀。

 

申請量隨著年份的變化圖

 

從申請量來看，封閉機箱的散熱技術(shù)領(lǐng)域的專利申請的發(fā)展趨勢如圖1所示。從總體上來看，該技術(shù)自從2000年左右開始逐步增加，除了2008年有一個明顯的低谷外，該技術(shù)專利申請量的增加趨勢明顯，過去幾年的時間是該技術(shù)的一個快速發(fā)展的時期，但隨著技術(shù)發(fā)展成熟，該技術(shù)的申請量在2010年達(dá)到一定的高峰后，然后逐年下降，在2011年以后申請量基本處于一個較為平穩(wěn)的水平。可見，封閉機箱的散熱技術(shù)的發(fā)展特點是技術(shù)出現(xiàn)時間晚、發(fā)展速度快、在2010前后該技術(shù)就發(fā)展達(dá)到一個較為全面、較為成熟的地位后，該技術(shù)就處于一個較為穩(wěn)定的發(fā)展水平。

 

 

申請國別分布圖

 

從申請量的國家分布來看，與封閉機箱散熱技術(shù)有關(guān)的專利技術(shù)的專利申請的國家分布如圖2所示。從圖中顯示的分布可以明顯看到，該技術(shù)的申請國別十分集中，主要集中在中國和美國，其次是德國、歐專局和PCT申請。由此可見，在該技術(shù)領(lǐng)域中，中國和美國的一些專利技術(shù)具有絕對的優(yōu)勢。

 

技術(shù)分支以及所帶來的技術(shù)功效的專利分布圖

 

從圖3所示的技術(shù)分支以及技術(shù)效果對應(yīng)的專利技術(shù)的申請的氣泡分布圖上，從氣泡的大小上可以明顯得出，基于結(jié)構(gòu)改進以及基于輔助工具來提高散熱性能是該技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾埖暮诵模诓牧弦约耙恍┢渌夹g(shù)手段方面的技術(shù)分支則申請量相對較少。而且，上述氣泡圖也明顯體現(xiàn)了，在結(jié)構(gòu)改進以及基于輔助工具來提高散熱性能的同時也可以達(dá)到一些其他的技術(shù)效果，比如：降低能耗、延長使用壽命等。

 

通過以上分析，基于機箱本身的結(jié)構(gòu)改進以及基于一些輔助工具來提高散熱性能是當(dāng)前的熱點技術(shù)，尤其是基于結(jié)構(gòu)的改進技術(shù)申請量多、帶來的技術(shù)效果明顯，是技術(shù)創(chuàng)新的密集地帶，是當(dāng)前技術(shù)發(fā)展的一個主流趨勢。基于此，我國專利申請人應(yīng)抓住當(dāng)前的技術(shù)熱點、技術(shù)發(fā)展的主流趨勢，進行積極有效的專利布局，避免出現(xiàn)走技術(shù)研究不合理、落后的彎路。

 

 

專利技術(shù)分析

 

根據(jù)上一節(jié)的分析，涉及通過改變從電子機箱結(jié)構(gòu)上改進以及通過一些輔助工具來提高封閉機箱散熱性能的技術(shù)具有專利申請量多、增長快的特點，是當(dāng)前的技術(shù)創(chuàng)新密集地帶。也體現(xiàn)了封閉機箱散熱性能這一技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢，由于基于材料來提高散熱性能的技術(shù)手段具備技術(shù)效果好、技術(shù)發(fā)展成熟等優(yōu)點，也常常被電子設(shè)備廠商采用。因此，本節(jié)將從涉及上述三種技術(shù)分支上入手，分析該重點分支的技術(shù)發(fā)展路線。

 

基于材料來提高機箱散熱性能

 

機箱內(nèi)多設(shè)有不同且多個電子設(shè)備，發(fā)熱量會隨著電子設(shè)備的數(shù)量增多以及運行時間而增大，構(gòu)成機箱的材料對于機箱的散熱功能有著重要的影響，所以從制成機箱的材料角度提高機箱散熱功能或延長電子設(shè)備的壽命是可行的。

 

采用散熱系數(shù)（或名稱為傳導(dǎo)系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)或散熱性能）相對較大的材料作為封閉機箱外殼散熱材料，利用材料本身的性能及時地將熱量傳遞出去，上述技術(shù)手段在早期就被使用于機箱的散熱。如鋁、銅等合金，導(dǎo)熱性能好，機殼內(nèi)部的熱量可以通過內(nèi)部的金屬結(jié)構(gòu)件傳導(dǎo)給機殼，再由機殼以熱輻射和熱對流的形式傳給周圍空間，因此此類金屬被常用于機箱制造。之后，松下與SONY基于筆記本電腦輕巧化考慮，率先采用熱擴散性極高的石墨膜片，進而達(dá)成無冷卻風(fēng)扇散熱設(shè)計。

 

日本電裝株式會社于2006年在公開號為JP2007184428A的申請中提出了將一種撓性導(dǎo)電材料用于機箱，如散熱膠、散熱脂。隨后，越來越多的導(dǎo)熱性能較佳的材料與其他具有高絕緣性等良好性能的材料結(jié)合被制造成聚合物應(yīng)用于機箱外殼，使其兼顧良好的導(dǎo)熱性能、電絕緣性能、抗沖擊性能等。如很多化學(xué)物質(zhì)如礦物油，其良好的耐熱性、耐寒性、防水性、導(dǎo)熱性等性能，是用作熱載體的佳選，大連生容享科技有限公司的CN103593017A申請，提出了將礦物油如二甲硅油填充箱體，以吸收電子部件發(fā)出的熱量，實現(xiàn)了機箱的散熱功能；杜邦公司在公開號為CN105219068A的申請中提出了向熱塑性聚合物中添加以金屬粒子作為核及氮化硼作為殼的核-殼型填料，將此兼具高導(dǎo)熱性和電絕緣性的聚合物應(yīng)用于電氣設(shè)備等殼體領(lǐng)域。

 

基于輔助工具來提高機箱散熱性能

 

通過在封閉機箱內(nèi)部設(shè)置一些散熱性能較強的輔助工具比如風(fēng)扇、冷凝管、利用風(fēng)的風(fēng)道等以對機箱內(nèi)的熱量走向或趨勢進行一定的控制，促進機箱內(nèi)部散熱性能的提高。

 

1982年美國專利US4442475A申請中，就利用將一熱交換器芯設(shè)置在電子系統(tǒng)框架邊緣的槽里，以提高冷卻性能。

 

還可通過在機箱外部添加輔助工具的方法改善冷卻性能，如朗訊科技公司1998年在EP98302166A中提出，在外殼上設(shè)置一個導(dǎo)熱材料鑄件，和一些按照與一個或多個殼壁進行導(dǎo)熱的方式而安裝的部件，所述的一個或多個壁具有一些從其伸出的外部細(xì)棒式散熱片。

 

液冷式的散熱主要是利用冷卻水、空氣流動等的結(jié)合達(dá)到散熱冷卻效果。TW545870揭露了一種液冷式散熱裝置，用于散熱的主要工具包括散熱器、風(fēng)扇及抽水器，并具有互相連接的諸多回路、流道及管路等。

 

利用內(nèi)外通風(fēng)散熱或內(nèi)外封閉散熱時戶外機箱常采用的形式，中興通訊股份有限公司在其2007年申請的專利CN201022254Y中，采用了一種密封式的散熱裝置，其柜體內(nèi)包括一層外循環(huán)風(fēng)道、一層內(nèi)循環(huán)風(fēng)道、外循環(huán)風(fēng)機、內(nèi)循環(huán)風(fēng)機、散熱片及散熱設(shè)備等。

 

隨著風(fēng)冷、水冷等主動散熱方法的廣泛應(yīng)用，上述方法使用的風(fēng)扇、冷凝器等部件所產(chǎn)的噪聲影響備受關(guān)注。2005年，CN1805131A，富準(zhǔn)精密工業(yè)（深圳）有限公司為降低成本以及噪聲，提出了一種一部分熱量由散熱器散熱，另一部分熱量由熱管傳熱至儲液箱并由儲熱液體儲熱，儲液箱再向外散熱的散熱穩(wěn)定的散熱裝置。而中興通訊股份有限公司為解決上述技術(shù)問題，在專利申請CN201663784U（2010）中采用熱管進行熱傳導(dǎo)，將熱量以傳導(dǎo)方式傳送到機箱外部，降低散熱過程產(chǎn)生的噪聲，環(huán)保性高。固核電腦公司在其專利申請EP2021898A1、US2011267768A1均采用將密封殼體內(nèi)的電子發(fā)熱零件浸沒在電絕緣冷卻液體內(nèi)，并在殼體外部添加熱交換器等附加散熱部件，以提高熱傳導(dǎo)。

 

基于結(jié)構(gòu)改進來提高機箱散熱性能

 

 

然而隨著電子設(shè)備朝著小型化、輕薄化的發(fā)展，在內(nèi)部設(shè)置復(fù)制工具的方式會增加電子設(shè)備的復(fù)雜性。因此，一些研究開始在電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)上進行改進，通過在電子設(shè)備殼體上設(shè)置一些散熱面積較大、散熱性能較好的結(jié)構(gòu)，在既能提高散熱性能的同時又能降低電子設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。

 

1974年德國專利DE2435914A申請中，就通過在密封外殼周緣部設(shè)置冷卻助片，來提高密封外殼的散熱性能。

 

隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)有的電子設(shè)備在結(jié)構(gòu)上都進行了更加細(xì)微化的改進，由于散熱片結(jié)構(gòu)具有外形小、設(shè)置方便的優(yōu)點。一些廠商常常通過在封閉機箱內(nèi)部產(chǎn)熱較多的部件上設(shè)置多個散熱片的方式來提高散熱性能。如，1999年中國專利申請CN1266213A，公開了一種微機散熱系統(tǒng)，通過在其內(nèi)部的CPU、電源等部件上都設(shè)置散熱片、散熱盒的方式來更好地提高散熱性能。

 

還有，如2005年中國專利申請CN2789708Y，公開了一種在片式熱交換器，其中通過對片式熱交換器的散熱片兩對邊包括依次包括向上第一彎折部分、第一平行部分、第一向下彎折部分，另兩對邊依次包括向第二下彎折部分、第二平行部分、第二向上彎折部分，相鄰兩散熱片交錯層疊且兩組對邊分別氣密封配合，所述散熱片之間形成兩組相互隔離的風(fēng)道。通過對其散熱片結(jié)構(gòu)進行全新設(shè)計，最大化發(fā)揮其散熱性能。

 

由于現(xiàn)有的散熱技術(shù)中，有很多種散熱手段，一些專利申請就針對不同的散熱需求，采用將現(xiàn)有技術(shù)中的一些手段進行有效組合的方式來增強散熱性能。如2014年中國專利申請CN203786645U，公開了一種利用散熱板板來實現(xiàn)計算機機箱的散熱，所述的散熱板是由散熱性能較好的鋁制材料制成，所述的散熱板內(nèi)填充有液氮，該技術(shù)方案中就是采用將材料、輔助工具、結(jié)構(gòu)改進三種技術(shù)組合起來提升散熱性能的。

 

上述以風(fēng)冷、液冷、風(fēng)道等多種形式的散熱結(jié)構(gòu)主要為二維平面散熱。隨著射頻技術(shù)的發(fā)展與大規(guī)模應(yīng)用，機箱散熱功率要求大幅增加。2016年中國專利申請CN106102421A公開了一種鋁液冷機箱結(jié)構(gòu)，通過對機箱結(jié)構(gòu)進行改進，將多個冷卻壁板垂直設(shè)置于冷卻底板的邊緣上，并形成三維腔體，由傳統(tǒng)的二維散熱轉(zhuǎn)變?yōu)槿S散熱，根據(jù)散熱需求選擇控制散熱功率，以滿足射頻類產(chǎn)品高功率、立體散熱需求。

 

對于大功率或局部發(fā)熱量較高的電子設(shè)備，設(shè)備的散熱裝置顯得尤為重要。2018年中國專利申請CN108135108A提供了一種封閉箱體散熱裝置，通過散熱圍框、圍框蓋板、進出風(fēng)隔板組成散熱裝置風(fēng)道，通過固定板上的風(fēng)機帶走從封閉箱體的發(fā)熱模塊傳導(dǎo)到散熱器上的熱量，在散熱裝置作為獨立單元與封閉箱體相互隔離的情況下實現(xiàn)對封閉箱體的散熱。

 

結(jié)語

 

封閉機箱的內(nèi)部溫度直接決定了其內(nèi)部電子器件的使用壽命和安全性。要保證機箱穩(wěn)定的工作必須進行有效的散熱。綜合上述技術(shù)分析，傳統(tǒng)的散熱方式從單一的傳導(dǎo)、對流和輻射等方式，逐漸演變成多種方式疊加或輔以箱體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改進以形成全新的散熱形式來提高效能。散熱的有效性不僅與散熱方式有關(guān)，還與散熱裝置的材質(zhì)、結(jié)合工藝以及與環(huán)境和設(shè)備的契合度有關(guān)。為了增加機箱設(shè)備的工作適應(yīng)性，提高整機可靠性，上述技術(shù)角度的分析為封閉機箱的散熱設(shè)計和防護設(shè)計給出了積極性的探索和研究，具有實際工程意義。

標(biāo)簽： 散熱器 導(dǎo)熱散熱 點擊： 評論: