CN100999657A - 有机物/膨胀石墨复合相变储热材料及其制备方法与储热装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了有机物/膨胀石墨复合相变储热材料及其制备方法与储热装置。该材料的有机物被吸附到膨胀石墨的微孔中，有机物在相变材料的重量百分含量为40％～90％，有机物为相变温度在60～75℃范围内的饱和脂肪酸或直链烷烃相变储热材料，其相变潜热为70～180J/g，导热系数为1.12～4.52W/m.K。该储热装置为有机物/膨胀石墨复合相变储热材料被填充在高导热金属材料制成的容器内，并封装，容器的顶部外表面设有多个金属翅片。该储热装置能快速地冷却电子元件在瞬时、高功率条件下运行时芯片所产生的热量确保电子元件正常运行。
Description
技术领域
本发明涉及相变储热材料，具体涉及有机物/膨胀石墨复合相变储热材料及其制备方法与电子器件散热冷却的相变储热装置。
背景技术
随着电子元件的高度集成和体积微小化，其单位面积的发热功率不断提高，电子元件的温度也不断升高。对于绝大多数电子元件而言，其最大允许工作温度在100～120℃范围内。Mithal的研究结果表明，电子元件的温度降低1℃，其故障率可减少4％；若增加10～20℃，则故障率提高100％。美国空军的调查报告显示，55％以上的故障是因电子设备的温度过热引起的。而传统的冷却技术如采用扩展翅片表面和空气强制对流换热已难满足电子元件的散热要求。近年来，利用相变储热装置进行电子元件的散热冷却在国外已受到广泛重视，并在航空、航天和微电子等高科技装置及军事装备中得到广泛应用。
相变储热装置是指由相变材料和热交换设备构成的热能储存装置。利用相变材料大的相变潜热和较为恒定的相变温度的特点，能实现电子元件散热冷却的有效管理，尤其有利于电子元件在短时间内突发高功率运行时的快速散热冷却，以维持电子元件的正常运行。在储热装置中，储热材料的性能已成为影响装置性能的关键因素。但目前的技术，在电子元件散热冷却中应用的相变材料主要是直链烷烃，如：石蜡或石蜡的微胶囊，其存在导热系数低的缺点，从而降低了储热装置的传热性能。如何研究开发出高导热性能的相变材料，是提高电子元件散热冷却效率的关键。
发明内容
本发明的目的在于针对现有电子元件散热冷却的储热装置在技术上的不足，提供一种储热密度大、导热系数高且性能稳定的有机物/膨胀石墨复合相变储热材料。
本发明的另一目的在于提供由上述复合相变储热材料的制备方法。
本发明还有一目的在于提供利用上述复合相变储热材料制备的储热装置。
本发明目的通过如下技术方案实现：
一种有机物/膨胀石墨复合相变储热材料，其有机物被吸附到膨胀石墨的微孔中，有机物在相变材料的重量百分含量为40％～90％，所述有机物为相变温度在60～75℃范围内的饱和脂肪酸或直链烷烃；所述复合相变储热材料的相变潜热为70～180J/g，导热系数为1.12～4.52W/m.K。
所述饱和脂肪酸的分子式为：CH3(CH2)nCOOH，所述的n为14、16、18或20。所述的直链烷烃的分子式为CnH2n+2，n为30～60之间的整数。
有机物/膨胀石墨复合相变储热材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将酸化石墨置于800～1000℃温度下膨化20～40秒，制备膨胀石墨；
(2)将步骤(1)制备的膨胀石墨与饱和脂肪酸或直链烷烃在高于其相变温度下进行共混吸附1～4h；
(3)有机物被吸附到膨胀石墨的微孔中后，经过虑、烘干，制备出有机物/膨胀石墨复合相变储热材料。
利用权利所述的有机物/膨胀石墨复合相变储热材料制作的电子元件储热器，有机物/膨胀石墨复合相变储热材料被填充在高导热金属材料制成的容器内，并封装，容器的顶部外表面设有多个金属翅片。
所述翅片为平板翅片与容器的材质相同。所述翅片为圆柱状翅片与容器的材质相同。
所述翅片是直接在容器顶部上加工而成，或者是先加工好翅片然后再焊接在容器的顶部。当储热材料吸收热量并完成储热过程后，为促使储存的热量快速排出，本发明的储热装置中采用翅片结构来增加换热面积。
本发明填充有有机物/膨胀石墨复合相变储热材料的平板状金属容器，容器的底部通过热界面材料直接与电子芯片紧密接触，将电子芯片产生的热量通过导热方式传递给储热材料，储热材料吸收热量后发生固-液相变并将热量储存起来。容器底顶部有散热翅片，当储热过程完成后，通过翅片外空气的强制对流换热将储热材料储存的热量释放出来，这时储热材料发生液-固相变，再重新循环使用。
相对于现有技术本发明具有如下优点：
(1)、本发明制备的复合相变储热材料其导热系数高，传热速率快，能实现电子元件的快速冷却。在电子元件的发热功率和储热材料重量相同的条件下，本发明储热器的储、放热时间比现有技术缩短60％以上；
(2)、本发明制备的复合相变储热材料在相变过程中为定型相变材料，即保持固体状态没有液体的析出；
(3)、本发明制备的复合相变储热材料能与金属容器相容，无腐蚀性；
(4)、本发明制备的复合相变储热材料在相变过程中体积变化不明显。
附图说明
图1为相变储热装置。图中示出：1表示平板翅片，2容器，3顶板，4复合相变储热材料。
图2为相变储热装置顶板上三维圆柱状翅片。图中示出：1圆柱形翅片，3顶板。
具体实施方式
为更好理解本发明，下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但本发明要求保护的范围的并不局限于此。
实施例1
采用直链烷烃C40H82为相变材料，相变温度为62℃，相变潜热为192kJ/kg，导热系数为0.23W/m.K。
酸化石墨置于800℃温度的马夫炉内膨化40s，制备膨胀石墨。将4g上述有机物相变储热材料与6g膨胀石墨置于75℃烘箱内共混吸附1h，制备出有机物/膨胀石墨复合相变储热材料，该复合相变储热材料中有机物的质量百分含量为40％。该复合相变储热材料的相变温度为62℃，相变潜热为76.8kJ/kg，导热系数为4.52W/m.K。
如图1所示，采用200×150×100mm(长×宽×高)的紫铜板(厚2mm)加工成平板状容器2，将2.5kg的有机物/膨胀石墨复合相变储热材料4(有机物Wt％为40％)填充在平板容器2的空间内，形成储热器，储热器顶板3外表面为平版翅片1。平版翅片1是直接在容器顶部顶板3上加工而成。该储热器的储热密度为200kJ。当电子芯片的发热功率为200W时，储热器完成储热过程所需时间为1080s。
实施例2
采用直链烷烃C30H62为相变材料，相变温度为60℃，相变潜热为190kJ/kg，导热系数为0.24W/m.K。
酸化石墨置于900℃温度的马夫炉内膨化30s，制备膨胀石墨。将6g上述有机物相变储热材料与4g膨胀石墨置于85℃烘箱内共混吸附2h，制备出有机物/膨胀石墨复合相变储热材料，该复合相变储热材料中有机物的质量百分含量为60％。该复合相变储热材料的相变温度为60℃，相变潜热为114kJ/kg，导热系数为2.26W/m.K。
如图1所示，采用200×150×100mm(长×宽×高)的紫铜板(厚2mm)加工成平板状容器2，将2.5kg的有机物/膨胀石墨复合相变储热材料4(有机物Wt％为60％)填充在平板容器2的空间内，形成储热器，储热器顶板3外表面为翅片如图2所示，为多个先加工好三维圆柱状翅片1再焊接在容器的顶部顶板3上。该储热器的储热密度为300kJ。当电子芯片的发热功率为250W时，储热器完成储热过程所需时间为930s。
实施例3
采用直链烷烃为C60H122为相变材料，相变温度为71℃，相变潜热为200kJ/kg，导热系数为0.24W/m.K。
酸化石墨置于1000℃温度的马夫炉内膨化20s，制备膨胀石墨。将9g上述有机物相变储热材料与1g膨胀石墨置于85℃烘箱内共混吸附4h，制备出有机物/膨胀石墨复合相变储热材料，该复合相变储热材料中有机物的质量百分含量为90％。该复合相变储热材料的相变温度为71℃，相变潜热为180kJ/kg，导热系数为1.24W/m.K。
如图1所示，采用200×150×100mm(长×宽×高)的紫铜板(厚2mm)加工成平板状容器2，将2.5kg的有机物/膨胀石墨复合相变储热材料4(有机物Wt％为90％)填充在平板容器2的空间内，形成储热器，储热器顶板3外表面为平版翅片1。先加工好平板翅片1焊接在容器的顶部顶板3上。该储热器的储热密度为470kJ。当电子芯片的发热功率为300W时，储热器完成储热过程所需时间为760s。
实施例4
采用饱和脂肪酸CH3(CH2)14COOH为相变材料，相变温度为63℃，相变潜热为187kJ/kg，导热系数为0.17W/m.K。
酸化石墨置于800℃温度的马夫炉内膨化40s，制备膨胀石墨。将4g上述有机物相变储热材料与6g膨胀石墨置于80℃烘箱内共混吸附1h，制备出有机物/膨胀石墨复合相变储热材料，该复合相变储热材料中有机物的质量百分含量为40％。该复合相变储热材料的相变温度为63℃，相变潜热为74.8kJ/kg，导热系数为4.38W/m.K。
如图1所示，采用200×150×100mm(长×宽×高)的紫铜板(厚2mm)加工成平板状容器2，将2.5kg的有机物/膨胀石墨复合相变储热材料4(有机物Wt％为40％)填充在平板容器2的空间内，形成储热器，储热器顶板3外表面为平版翅片1。是通过先加工好平板翅片1后，再焊接在容器的顶部顶板3上。该储热器的储热密度为187kJ。当电子芯片的发热功率为200W时，储热器完成储热过程所需时间为1150s。
实施例5
采用饱和脂肪酸CH3(CH2)16COOH为相变材料，相变温度为70℃，相变潜热为195kJ/kg，导热系数为0.18W/m.K。
酸化石墨置于900℃温度的马夫炉内膨化30s，制备膨胀石墨。将6g上述有机物相变储热材料与4g膨胀石墨置于85℃烘箱内共混吸附2h，制备出有机物/膨胀石墨复合相变储热材料，该复合相变储热材料中有机物的质量百分含量为60％。该复合相变储热材料的相变温度为70℃，相变潜热为117kJ/kg，导热系数为2.12W/m.K。
如图1所示，采用200×150×100mm(长×宽×高)的紫铜板(厚2mm)加工成平板状容器2，将2.5kg的有机物/膨胀石墨复合相变储热材料4(有机物Wt％为60％)填充在平板容器2的空间内，形成储热器，储热器顶板3外表面为翅片如图2所示，为多个先加工好三维圆柱状翅片1再焊接在容器的顶部顶板3上。该储热器的储热密度为310kJ。当电子芯片的发热功率为250W时，储热器完成储热过程所需时间为900s。
实施例6
采用饱和脂肪酸CH3(CH2)20COOH为相变材料，相变温度为75℃，相变潜热为200kJ/kg，导热系数为0.19W/m.K。
酸化石墨置于1000℃温度的马夫炉内膨化20s，制备膨胀石墨。将9g上述有机物相变储热材料与1g膨胀石墨置于85℃烘箱内共混吸附4h，制备出有机物/膨胀石墨复合相变储热材料，该复合相变储热材料中有机物的质量百分含量为90％。该复合相变储热材料的相变温度为75℃，相变潜热为180kJ/kg，导热系数为1.12W/m.K。
如图1所示，采用200×150×100mm(长×宽×高)的紫铜板(厚2mm)加工成平板状容器2，将2.5kg的有机物/膨胀石墨复合相变储热材料4(有机物Wt％为90％)填充在平板容器2的空间内，形成储热器，储热器顶板3外表面为平版翅片1。所述平版翅片1是直接在容器顶部顶板3上加工而成。该储热器的储热密度为470kJ。当电子芯片的发热功率为300W时，储热器完成储热过程所需时间为780s。
如果采用目前技术，在相同体积的储热器中添加2.5kg普通的有机物相变材料C50H102，虽然其储热密度可达517kJ，当电子元件发热功率为300W时，完成储热过程所需时间为1370s，对比复合相变储热材料其储热时间延长了80％，不利于实际应用。此外，纯有机物相变材料在应用中还存在固-液相变过程中的体积膨胀问题及可燃性问题，而本专利制备出的有机物/膨胀石墨复合相变储热材料则能克服以上缺点。
Claims (8)
1、有机物/膨胀石墨复合相变储热材料，其特征在于：有机物被吸附到膨胀石墨的微孔中，有机物在复合相变材料的重量百分含量为40％～90％，所述有机物为相变温度在60～75℃范围内的饱和脂肪酸或直链烷烃；所述复合相变储热材料的相变潜热为70～180J/g，导热系数为1.12～4.52W/m.K。
2、根据权利要求1所述的有机物/膨胀石墨复合相变储热材料，其特征在于：所述饱和脂肪酸的分子式为：CH3(CH2)nCOOH，所述的n为14、16、18或20。
3、根据权利要求1所述的有机物/膨胀石墨复合相变储热材料，其特征在于：所述的直链烷烃的分子式为CnH2n+2，n为30～60之间的整数。
4、权利要求1所述的有机物/膨胀石墨复合相变储热材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)将酸化石墨置于800～1000℃温度下膨化20～40秒，制备膨胀石墨；
(2)将步骤(1)制备的膨胀石墨与饱和脂肪酸或直链烷烃在高于其相变温度下进行共混吸附1～4h；
(3)有机物被吸附到膨胀石墨的微孔中后，经过虑、烘干，制备出有机物/膨胀石墨复合相变储热材料。
5、利用权利要求1～3任意项所述的有机物/膨胀石墨复合相变储热材料制作的电子元件储热器，其特征在于，有机物/膨胀石墨复合相变储热材料被填充在高导热金属材料制成的容器内，并封装，容器的顶部外表面设有多个金属翅片；所述复合相变储热材料的相变潜热为70～180J/g，导热系数为1.12～4.52W/m.K。
6、根据权利要求5所述的电子元件储热器，其特征在于所述翅片为平板翅片，与容器的材质相同。
7、根据权利要求5所述的电子元件储热器，其特征在于所述翅片为圆柱状翅片，与容器的材质相同。
8、根据权利要求5所述的电子元件储热器，其特征在于所述翅片是直接在容器顶部上加工而成，或者是先加工好翅片然后再焊接在容器的顶部。
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| PB01 | Publication | ||
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Open date: 20070718 |