封闭机箱散热技术专利分析.pdf

-17-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Jan.2024中国科技信息 2024 年第 1 期专利分析概述目前的电子设备正朝着“短、小、轻、薄”化迅速发展，这是 IC 技术高集成化的结果，从而来带来了电子设备的高密度组装，功率迅速增加，电子设备产生的热量也集中产生，由于电子设备内部的散热设计直接关系到电子设备的技术指标、设备性能以及使用寿命，电子设备内部的热量已成为电子设备的一个重大问题，因此，对提高电子机箱，尤其是对封闭机箱的散热效率已成为国内外的一个热点话题。比如，IEE 和 IEEE 的年会上已经将涉及电子设备机箱内部散热技术作为一个专门的议题来讨论。而且不少国内外周刊，如日刊电子技术电子材料电子通信学会论文志经常登载有关文章，出特集。基于各国电子设备厂商对电子机箱散热领域的技术研究成果，基于封闭机箱的散热技术手段，业界将其主要技术分支进行如表 1 所示的划分。表 1 封闭机箱的散热技术分支技术领域一级分支二级分支封闭机箱的散热技术 基于材料散热系数基于辅助工具风扇冷凝液、冷凝水、冷凝管类结构风道、自然风基于结构改进散热鳍、散热齿、散热板、散热片、百叶窗类似结构笔者通过在 CNTXT、ENTXTC 专利库中检索发现，基于封闭机箱散热技术的国内外文献很多，其中在技术分支中基于材料上的改进来提高散热性能的文献相对较少。由此可见，现有技术中对封闭机箱的散热性能的提升探究主要集中在基于一些辅助工具，如风扇、鼓风机、冷凝管等以及近年来的一些基于结构上改进的一些新兴的技术。本文将针对封闭机箱的散热技术的三个技术分支出发，对与其有关的专利文献进行技术分析，以期得出与封闭机箱的散热技术相关的专利申请现状以及技术发展路线。专利申请总体情况本文通过笔者在 CNTXT、ENTXTC 专利库中检索、筛选和标引，截止到 2023 年 6 月 30 日共得到该领域下相关的国内外专利申请文献 1 100 余篇，以下将分别从三个方面对封闭机箱散热技术的专利申请的现状进行解读。行业曲线开放度创新度生态度检索量持续度可替代度影响力行业关联度封闭机箱散热技术专利分析蔡世君 裴广坤 陈雨露蔡世君 裴广坤（等同第一作者）陈雨露国家知识产权局专利局专利审查协作河南中心蔡世君（1988），硕士研究生，专利审查员，研究方向：信息存储、电设备壳体领域专利审查。裴广坤（1986），硕士研究生，专利审查员，研究方向：网络通信领域专利审查。陈雨露（1989），女，硕士研究生，研究方向：光信息存储方面专利审查工作。中国科技信息 2024 年第 1 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Jan.2024-18-专利分析申请量随着年份的变化图从申请量来看，封闭机箱的散热技术领域的专利申请的发展趋势如图 1 所示。从总体上来看，该技术自从 2000 年左右开始逐步增加，除了 2008 年有一个明显的低谷外，该技术专利申请量的增加趋势明显，过去几年的时间是该技术的一个快速发展的时期，但随着技术发展成熟，该技术的申请量在 2010 年达到一定的高峰后，然后逐年下降，在 2011年以后申请量基本处于一个较为平稳的水平。可见，封闭机箱的散热技术的发展特点是技术出现时间晚、发展速度快、在 2010 前后该技术就发展达到一个较为全面、较为成熟的地位后，该技术就处于一个较为稳定的发展水平。申请国别分布图从申请量的国家分布来看，与封闭机箱散热技术有关的专利技术的专利申请的国家分布如图 2 所示。从图中显示的分布可以明显看到，该技术的申请国别十分集中，主要集中在中国和美国，其次是德国、欧专局和 PCT 申请。由此可见，在该技术领域中，中国和美国的一些专利技术具有绝对的优势。技术分支以及所带来的技术功效的专利分布图从图 3 所示的技术分支以及技术效果对应的专利技术的申请的气泡分布图上，从气泡的大小上可以明显得出，基于结构改进以及基于辅助工具来提高散热性能是该技术领域专利申请的核心，而基于材料以及一些其他技术手段方面的技术分支则申请量相对较少。而且，上述气泡图也明显体现了，在结构改进以及基于辅助工具来提高散热性能的同时也可以达到一些其他的技术效果，比如：降低能耗、延长使用寿命等。通过以上分析，基于机箱本身的结构改进以及基于一些图 1 与封闭机箱散热技术有关的专利技术历年申请量的发展趋势图 2 与封闭机箱散热技术有关的专利技术的专利申请的国家分布图辅助工具来提高散热性能是当前的热点技术，尤其是基于结构的改进技术申请量多、带来的技术效果明显，是技术创新的密集地带，是当前技术发展的一个主流趋势。基于此，我国专利申请人应抓住当前的技术热点、技术发展的主流趋势，进行积极有效的专利布局，避免出现走技术研究不合理、落后的弯路。专利技术分析根据上一节的分析，涉及通过改变从电子机箱结构上改进以及通过一些辅助工具来提高封闭机箱散热性能的技术具有专利申请量多、增长快的特点，是当前的技术创新密集地带。也体现了封闭机箱散热性能这一技术领域的发展趋势，由于基于材料来提高散热性能的技术手段具备技术效果好、技术发展成熟等优点，也常常被电子设备厂商采用。因此，本节将从涉及上述三种技术分支上入手，分析该重点分支的技术发展路线。基于材料来提高机箱散热性能机箱内多设有不同且多个电子设备，发热量会随着电子设备的数量增多以及运行时间而增大，构成机箱的材料对于机箱的散热功能有着重要的影响，所以从制成机箱的材料角度提高机箱散热功能或延长电子设备的寿命是可行的。采用散热系数（或名称为传导系数、导热系数或散热性能）相对较大的材料作为封闭机箱外壳散热材料，利用材料本身的性能及时地将热量传递出去，上述技术手段在早期就被使用于机箱的散热。如铝、铜等合金，导热性能好，机壳内部的热量可以通过内部的金属结构件传导给机壳，再由机壳以热辐射和热对流的形式传给周围空间，因此此类金属被常用于机箱制造。之后，松下与 SONY 基于笔记本电脑轻巧化考虑，率先采用热扩散性极高的石墨膜片，进而达成无冷却风扇散热设计。日 本 电 装 株 式 会 社 于 2006 年 在 公 开 号 为JP2007184428A 的申请中提出了将一种挠性导电材料用于机箱，如散热胶、散热脂。随后，越来越多的导热性能较佳的材料与其他具有高绝缘性等良好性能的材料结合被制造成聚合物应用于机箱外壳，使其兼顾良好的导热性能、电绝缘性能、抗冲击性能等。如很多化学物质如矿物油，其良好的耐热性、耐寒性、防水性、导热性等性能，是用作热载体图 3 技术分支以及技术效果对应的专利技术的申请分布图-19-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Jan.2024中国科技信息 2024 年第 1 期专利分析的佳选，大连生容享科技有限公司的 CN103593017A 申请，提出了将矿物油如二甲硅油填充箱体，以吸收电子部件发出的热量，实现了机箱的散热功能；杜邦公司在公开号为CN105219068A 的申请中提出了向热塑性聚合物中添加以金属粒子作为核及氮化硼作为壳的核-壳型填料，将此兼具高导热性和电绝缘性的聚合物应用于电气设备等壳体领域。基于辅助工具来提高机箱散热性能通过在封闭机箱内部设置一些散热性能较强的辅助工具比如风扇、冷凝管、利用风的风道等以对机箱内的热量走向或趋势进行一定的控制，促进机箱内部散热性能的提高。1982 年美国专利 US4442475A 申请中，就利用将一热交换器芯设置在电子系统框架边缘的槽里，以提高冷却性能。还可通过在机箱外部添加辅助工具的方法改善冷却性能，如朗讯科技公司 1998 年在 EP98302166A 中提出，在外壳上设置一个导热材料铸件，和一些按照与一个或多个壳壁进行导热的方式而安装的部件，所述的一个或多个壁具有一些从其伸出的外部细棒式散热片。液冷式的散热主要是利用冷却水、空气流动等的结合达到散热冷却效果。TW545870 揭露了一种液冷式散热装置，用于散热的主要工具包括散热器、风扇及抽水器，并具有互相连接的诸多回路、流道及管路等。利用内外通风散热或内外封闭散热时户外机箱常采用的形式，中兴通讯股份有限公司在其 2007 年申请的专利CN201022254Y 中，采用了一种密封式的散热装置，其柜体内包括一层外循环风道、一层内循环风道、外循环风机、内循环风机、散热片及散热设备等。随着风冷、水冷等主动散热方法的广泛应用，上述方法使用的风扇、冷凝器等部件所产的噪声影响备受关注。2005年，CN1805131A，富准精密工业（深圳）有限公司为降低成本以及噪声，提出了一种一部分热量由散热器散热，另一部分热量由热管传热至储液箱并由储热液体储热，储液箱再向外散热的散热稳定的散热装置。而中兴通讯股份有限公司为解决上述技术问题，在专利申请CN201663784U（2010）中采用热管进行热传导，将热量以传导方式传送到机箱外部，降低散热过程产生的噪声，环保性高。固核电脑公司在其专利申请 EP2021898A1、US2011267768A1 均采用将密封壳体内的电子发热零件浸没在电绝缘冷却液体内，并在壳体外部添加热交换器等附加散热部件，以提高热传导。基于结构改进来提高机箱散热性能图 6 基于结构改进的机箱散热技术发展路线图图 5 基于辅助工具的机箱散热技术发展路线图图 4 基于材料的机箱散热技术发展路线图然而随着电子设备朝着小型化、轻薄化的发展，在内部设置复制工具的方式会增加电子设备的复杂性。因此，一些研究开始在电子设备的结构上进行改进，通过在电子设备壳体上设置一些散热面积较大、散热性能较好的结构，在既能提高散热性能的同时又能降低电子设备内部结构的复杂性。1974 年德国专利 DE2435914A 申请中，就通过在密封外壳周缘部设置冷却助片，来提高密封外壳的散热性能。随着技术的发展，现有的电子设备在结构上都进行了更加细微化的改进，由于散热片结构具有外形小、设置方便的优点。一些厂商常常通过在封闭机箱内部产热较多的部件上设置多个散热片的方式来提高散热性能。如，1999 年中国专利申请 CN1266213A，公开了一种微机散热系统，通过在其内部的 CPU、电源等部件上都设置散热片、散热盒的方式来更好地提高散热性能。还有，如 2005 年中国专利申请 CN2789708Y，公开了一种在片式热交换器，其中通过对片式热交换器的散热片两对边包括依次包括向上第一弯折部分、第一平行部分、第一向下弯折部分，另两对边依次包括向第二下弯折部分、第二平行部分、第二向上弯折部分，相邻两散热片交错层叠且两组对边分别气密封配合，所述散热片之间形成两组相互隔离的风道。通过对其散热片结构进行全新设计，最大化发挥其散热性能。由于现有的散热技术中，有很多种散热手段，一些专利申请就针对不同的散热需求，采用将现有技术中的一些手段进行有效组合的方式来增强散热性能。如 2014 年中国专利申请 CN203786645U，公开了一种利用散热板板来实现计（下转第 23 页）-23-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Jan.2024中国科技信息 2024 年第 1 期专利分析防焊再丝印面油，既能保证线角油墨厚度，成品率高，又减少了一次曝光、显影和后烤的步骤，简化了工艺流程，降低了生产成本。结语厚铜印制电路板领域专利技术最早源于 20 世纪 50 年代，中国专利起步较晚最早始于 90 年代，自 2005/06 年前后该领域专利申请量迎来高速增长且至今仍在持续，中国已经成为该领域的主要申请地。该领域专利申请量头部申请人高度集中为中国企业，以深南、崇达为代表的中国申请人领先全球。中国专利各省市申请量分化严重，高度集中广东、江苏两省份，其中深南、崇达、皆利士、胜宏、景旺为广东省在该行业中的发展提供了坚实保障。该领域重点专利技术，在 2010 年之前重点集中在美、日、韩国家，2011 之后该领域重点专利技术主要集中在中国企业，相关领域涵盖：局部厚铜制作、内层超厚铜制作、厚铜板压合方法、厚铜板阻焊制作、超厚铜板孔加工等方向。图 5 厚铜印制电路板重点专利技术发展路线算机机箱的散热，所述的散热板是由散热性能较好的铝制材料制成，所述的散热板内填充有液氮，该技术方案中就是采用将材料、辅助工具、结构改进三种技术组合起来提升散热性能的。上述以风冷、液冷、风道等多种形式的散热结构主要为二维平面散热。随着射频技术的发展与大规模应用，机箱散热功率要求大幅增加。2016 年中国专利申请CN106102421A 公开了一种铝液冷机箱结构，通过对机箱结构进行改进，将多个冷却壁板垂直设置于冷却底板的边缘上，并形成三维腔体，由传统的二维散热转变为三维散热，根据散热需求选择控制散热功率，以满足射频类产品高功率、立体散热需求。对于大功率或局部发热量较高的电子设备，设备的散热装置显得尤为重要。2018 年中国专利申请 CN108135108A提供了一种封闭箱体散热装置，通过散热围框、围框盖板、进出风隔板组成散热装置风道，通过固定板上的风机带走从封闭箱体的发热模块传导到散热器上的热量，在散热装置作为独立单元与封闭箱体相互隔离的情况下实现对封闭箱体的散热。结语封闭机箱的内部温度直接决定了其内部电子器件的使用寿命和安全性。要保证机箱稳定的工作必须进行有效的散热。综合上述技术分析，传统的散热方式从单一的传导、对流和辐射等方式，逐渐演变成多种方式叠加或辅以箱体内部结构的改进以形成全新的散热形式来提高效能。散热的有效性不仅与散热方式有关，还与散热装置的材质、结合工艺以及与环境和设备的契合度有关。为了增加机箱设备的工作适应性，提高整机可靠性，上述技术角度的分析为封闭机箱的散热设计和防护设计给出了积极性的探索和研究，具有实际工程意义。（上接第 19 页）