CN103047630A - 纳米流体超导散热器及其工作方法 - Google Patents

Abstract

一种纳米流体超导散热器，其特征在于其特征在于它由真空腔体和置于真空腔体内的纳米流体超导介质构成；所述真空腔体由腔体、底部盖板及顶部盖板构成；所述腔体的两端分别与底部盖板和顶部盖板呈密封连接；所述腔体的外壁上连接散热翅片；所述真空腔体上有超导介质抽真空接口。工作方法：通过超导介质抽真空接口对真空腔体抽真空；通过超导介质抽真空接口对真空腔体注入中适量的纳米流体超导介质；对超导介质抽真空接口加以密封。本发明利用纳米流体复合相变快速热传导技术，加快导热；利用铝材质散热，突破LED导热、散热问题，降低LED温度。

Description

纳米流体超导散热器及其工作方法

（一）技术领域：

本发明涉及一种LED散热器及其工作方法，尤其是一种纳米流体超导散热器及其工作方法。

（二）背景技术：

铝合金价格便宜，质量比较轻，因此，初期LED散热器基本是采用铝合金制成，但是功率越大，产热越大。依靠增加铝翅片数目，增加散热面积，不仅增加成本、体积、重量，而且难以解决大功率LED散热问题。

（三）发明内容：

本发明的目的在于提供一种纳米流体超导散热器及其工作方法，它能够解决大功率LED的导热慢，温度高、体积大、重量大的问题，本发明利用纳米流体复合相变快速热传导技术，解决导热、散热两方面问题，达到降低LED温度的目的。

本发明的技术方案：一种纳米流体超导散热器，其特征在于其特征在于它由真空腔体和置于真空腔体内的纳米流体超导介质构成；所述真空腔体由腔体、底部盖板及顶部盖板构成；所述腔体的两端分别与底部盖板和顶部盖板呈密封连接；所述腔体的外壁上连接散热翅片；所述真空腔体上有超导介质抽真空接口。

所述腔体、底部盖板及顶部盖板通过螺丝杆和固定螺母连接。

所述螺丝杆插于固定孔中。

所述腔体分为上下两部分，两部分间通过对焊板连接。

所述底部盖板上安装集成LED光源及LED透镜。

所述腔体的内壁上有密齿槽，密齿槽的深度为0.2-0.25mm，间距为0.1-0.15m。

所述纳米流体超导介质在真空情况下的沸点低于LED的工作温度；所述纳米流体超导介质充满于腔体密齿槽内，在真空腔体为汽化纳米流体超导介质和纳米流体超导介质。

所述真空腔体内的大气压为1.3×10^-1－1.3x10^-4 Pa。

所述腔体的外壁上安装外接外接铝翅片。

所述腔体的截面呈圆形或方形。

所述纳米流体超导介质为将纳米级颗粒和分散剂按比例同时放入高纯度工质中，采用纯的盐酸或氢氧化钠做pH 调节剂，然后进行超声振动，使纳米颗粒均匀稳定的分散在工质中。

所述纳米流体超导介质为按体积比将1-3%纳米级铜颗粒和0.5-1%分散剂十二烷基苯磺酸钠(SDBS ,化学纯,阴离子型)同时放入高纯度蒸馏水中，采用纯的盐酸或氢氧化钠调节pH 在8.5-9之间，然后进行超声振动2小时制备而成；所述纳米级铜颗粒为90-100纳米铜颗粒。

所述纳米流体超导介质为按体积比将3-5%纳米级碳化硅颗粒和1-2%分散剂十二烷基苯磺酸钠(SDBS ,化学纯,阴离子型)同时放入高纯度蒸馏水中，采用纯的盐酸或氢氧化钠调节pH 在8.5-9之间，然后进行超声振动2小时制备而成；所述纳米级碳化硅颗粒为20-30纳米碳化硅颗粒。

所述纳米级颗粒通过气相沉积法、化学还原法、机械球磨法或其它方法制备。

一种纳米流体超导散热器的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：

（1）通过超导介质抽真空接口对真空腔体抽真空，使真空腔体的大气压在1.3×10^-1－1.3x10^-4 Pa的负压；

（2）通过超导介质抽真空接口对真空腔体注入中适量的纳米流体超导介质，使腔体内表面的吸液芯密齿槽中充满纳米流体超导介质；

（3）对超导介质抽真空接口加以密封，纳米流体工作时，流体处于气液两相状态，纳米流体在真空情况下的沸点低于LED的工作温度，散热器正常工作。

本发明的工作原理：由于真空腔体内真空环境，真空腔体内的纳米流体超导介质的沸点会比常压下低很多，更易挥发。LED光源将热量传递给真空腔体后，温度上升纳米流体超导介质受热，汽化膨胀，吸收热量，储存潜能。纳米流体膨胀后形成压力差，纳米流体超导介质在压力差的作用下流向腔体顶部，纳米流体超导介质在腔体顶部遇冷，液化，同时放出的热量，释放潜能。真空腔体上端吸收纳米流体超导介质放出的热量，腔体上部热量上升，通过腔体外侧散热翅片以对流、传导方式将热量传递到空气中，实现快速降低LED温度的目的。真空腔体内表面采用密齿槽结构，液体通过密齿槽的槽道形成回流。液化的纳米流体超导介质在重力的作用下，沿沟槽回流到腔体底部。

增加外接铝翅片数目、尺寸，增加散热面积，提高额定功率。

纳米级别的粒子，与纯液体相比，纳米流体中的纳米颗粒在流体内无规运动，使得流动层流底层受到破坏，流动湍流强度也随之增强，因而减小了传热热阻，强化了传热。在液体中添加纳米粒子，一方面是由于固体的导热系数大于液体的导热系数；另一方面是由于在相同的粒子体积含量情况下，纳米粒子与液体之间的界面积远大于毫米或微米级粒子的界面积，两方面都使得流体的导热系数增大，从而增强了传热，热量传递发生在颗粒表面，颗粒与颗粒，颗粒与液体，颗粒与壁面间的相互作用及碰撞，也增大了流动扰动强度，强化了纳米流体内部的能量传递过程，使得传热能力得以提升，散热器的整体温差会更小，导热系数会更高。由于纳米颗粒很细, 有很大的表面积, 因而更适合传热。直径10nm的颗粒的比表面积是直径10μm 颗粒的表面积的1000倍。纳米流体的特异性在于纳米粒子的小尺寸效应，使得其行为更接近于液体分子，纳米粒子强烈的布朗运动有利于纳米流体悬浮的稳定性。

纳米流体不是简单的液、固混合物，在纳米粒子的悬浮液中，由于颗粒表面的活性使它们很容易团聚在一起，形成带有若干弱连接界面的较大团聚体,纳米粒子的聚集程度越大，粒子团平均半径也越大，导热系数就越小，过大的团聚体易造成沉积，就会失去增加导热效果。有3种方法用来解决纳米流体的悬浮稳定性问题：一是要改变悬浮液的pH值；二是要使用表面活性剂和分散剂；三是使用超声振动。所有这些方法的目的在于通过改变粒子的表面活性，抑制粒子团聚的发生，以获得悬浮稳定的纳米流体。

散热器壳体要和工质具有相容性，如果不相容，工质与管壁材料发生反应，产生不凝性气体，在散热器工作时，该气体被蒸汽流吹到冲凝段聚集起来形成气塞，从而使有效冷凝面积减小，热阻增大，传热性能恶化，传热能力降低甚至失效。同时 LED温度需要控制在60℃以内，因此，纳米流体在真空情况下的沸点低于LED的工作温度，散热器才有可能正常工作。需要纳米流体在真空环境下工作温度沸点低于30℃。为了最大提高散热器性能，散热器选用铜做外壳，铜导热系数高，和LED接触热阻小；用比热容很大的水做工质，同时水和铜具有相容性。纳米流体比纯单一的蒸馏水工质导热系数提高15-25% 。

本发明的技术效果及优越性：传统散热器导热是依靠金属内部自由电子的运动，是没有形态变化的显热交换；纳米流体超导散热器导热是利用纳米流体介质的液化、汽化相变的潜热交换。同样物质，同样质量，同样升高1℃，潜热交换是显热交换500倍。汽化过程中纳米流体介质会储存汽化潜热，汽化潜热和压力成反比，压力越小，介质汽化温度越低，汽化时储存的汽化潜热越多。在真空环境下，纳米流体介质定向传递热量速度也很快，超过传统散热器导热。在数值上，纳米流体超导散热器的导热系数在20000-25000w/m·k，而普通铝合金散热器导热系数约是200w/m·k，腔体的纳米流体蒸汽是处于饱和状态，饱和蒸汽的压力决定于饱和温度。因此真空情况下，纳米流体超导散热器有良好的等温性，散热器顶部和底部的温差在3℃内。当集成（COB）LED功率在50W时，环境温度在30℃。采用普通铝翅片结构的LED的芯片温度在75℃，铝翅片温度在60℃；采用同体积纳米流体超导散热器的LED芯片温度在50℃，纳米流体超导散热器温度在43℃。LED芯片的芯片温度降低了25℃，保证LED温度在65℃以下。

纳米流体超导散热器的导热系数和纳米流体，流体含量，密齿槽尺寸等有密切关系。

本发明利用纳米流体复合相变快速热传导技术，加快导热；利用铝材质散热，突破LED导热、散热问题，降低LED温度。

（四）附图说明：

图1为本发明所涉纳米流体超导散热器第一种实施例的整体结构剖视图。

图2为本发明所涉纳米流体超导散热器第二种实施例的整体结构剖视图。

图3为本发明所涉纳米流体超导散热器第三种实施例的整体结构剖视图。

图4为本发明所涉纳米流体超导散热器第四种实施例的整体结构剖视图。

其中，1为散热翅片，2为腔体，3为底部盖板，4为固定螺母，5为超导介质抽真空接口，6为螺丝杆，7为顶部盖板，8为集成LED光源，9为LED透镜，10密齿槽，11外接铝翅片，12固定孔，13对焊板。

（五）具体实施方式：

实施例1：一种纳米流体超导散热器（见图1），其特征在于其特征在于它由真空腔体和置于真空腔体内的纳米流体超导介质构成；所述真空腔体由腔体2、底部盖板3及顶部盖板7构成；所述腔体2的两端分别与底部盖板3和顶部盖板7呈密封连接；所述腔体2的外壁上连接散热翅片1；所述真空腔体上有超导介质抽真空接口5。

所述腔体2、底部盖板3及顶部盖板7通过螺丝杆6和固定螺母4连接。（见图1）

所述螺丝杆6插于固定孔12中。（见图1）

所述底部盖板3上安装集成LED光源8及LED透镜9。（见图1）

所述腔体2的内壁上有密齿槽10，密齿槽10的深度为0.2mm，间距为0.15m。

所述纳米流体超导介质在真空情况下的沸点低于LED的工作温度；所述纳米流体超导介质充满于腔体密齿槽内，在真空腔体为汽化纳米流体超导介质和纳米流体超导介质。

所述真空腔体2内的大气压为1.3×10^-1－1.3x10^-4 Pa。

所述腔体2的截面呈圆形。（见图1）

所述纳米流体超导介质为将纳米级颗粒和分散剂按比例同时放入高纯度工质中，采用纯的盐酸或氢氧化钠做pH 调节剂，然后进行超声振动，使纳米颗粒均匀稳定的分散在工质中。

所述纳米流体超导介质为按体积比将2%纳米级铜颗粒和0.7%分散剂十二烷基苯磺酸钠(SDBS ,化学纯,阴离子型)同时放入高纯度蒸馏水中，采用纯的盐酸或氢氧化钠调节pH 在8.5-9之间，然后进行超声振动2小时制备而成；所述纳米级铜颗粒为90-100纳米铜颗粒。

所述纳米级颗粒通过气相沉积法、化学还原法、机械球磨法或其它方法制备。

一种上述纳米流体超导散热器的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：

（1）通过超导介质抽真空接口5对真空腔体2抽真空，使真空腔体2的大气压在1.3×10^-1－1.3x10^-4 Pa的负压；

（2）通过超导介质抽真空接口5对真空腔体2注入中适量的纳米流体超导介质，使腔体2内表面的吸液芯密齿槽10中充满纳米流体超导介质；

（3）对超导介质抽真空接口5加以密封，纳米流体工作时，流体处于气液两相状态，纳米流体在真空情况下的沸点低于LED的工作温度，散热器正常工作。

实施例2：一种纳米流体超导散热器（见图2），其特征在于其特征在于它由真空腔体和置于真空腔体内的纳米流体超导介质构成；所述真空腔体由腔体2、底部盖板3及顶部盖板7构成；所述腔体2的两端分别与底部盖板3和顶部盖板7呈密封连接；所述腔体2的外壁上连接散热翅片1；所述真空腔体上有超导介质抽真空接口5。

所述底部盖板3上安装集成LED光源8及LED透镜9。（见图2）

所述腔体2的内壁上有密齿槽10，密齿槽10的深度为0.25mm，间距为0.1m。（见图2）

所述纳米流体超导介质在真空情况下的沸点低于LED的工作温度；所述纳米流体超导介质充满于腔体密齿槽内，在真空腔体为汽化纳米流体超导介质和纳米流体超导介质。

所述真空腔体2内的大气压为1.3×10^-1－1.3x10^-4 Pa。

所述腔体2的外壁上安装外接外接铝翅片11。（见图2）

所述腔体2的截面呈圆形。（见图2）

所述纳米流体超导介质为将纳米级颗粒和分散剂按比例同时放入高纯度工质中，采用纯的盐酸或氢氧化钠做pH 调节剂，然后进行超声振动，使纳米颗粒均匀稳定的分散在工质中。

所述纳米流体超导介质为按体积比将1%纳米级铜颗粒和1%分散剂十二烷基苯磺酸钠(SDBS ,化学纯,阴离子型)同时放入高纯度蒸馏水中，采用纯的盐酸或氢氧化钠调节pH 在8.5-9之间，然后进行超声振动2小时制备而成；所述纳米级铜颗粒为90-100纳米铜颗粒。

所述纳米级颗粒通过气相沉积法、化学还原法、机械球磨法或其它方法制备。

一种上述纳米流体超导散热器的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：

（1）通过超导介质抽真空接口5对真空腔体2抽真空，使真空腔体2的大气压在1.3×10^-1－1.3x10^-4 Pa的负压；

（2）通过超导介质抽真空接口5对真空腔体2注入中适量的纳米流体超导介质，使腔体2内表面的吸液芯密齿槽10中充满纳米流体超导介质；

（3）对超导介质抽真空接口5加以密封，纳米流体工作时，流体处于气液两相状态，纳米流体在真空情况下的沸点低于LED的工作温度，散热器正常工作。

实施例3：一种纳米流体超导散热器（见图3），其特征在于其特征在于它由真空腔体和置于真空腔体内的纳米流体超导介质构成；所述真空腔体由腔体2、底部盖板3及顶部盖板7构成；所述腔体2的两端分别与底部盖板3和顶部盖板7呈密封连接；所述腔体2的外壁上连接散热翅片1；所述真空腔体上有超导介质抽真空接口5。

所述腔体2、底部盖板3及顶部盖板7通过螺丝杆6和固定螺母4连接。（见图3）

所述螺丝杆6插于固定孔12中。（见图3）

所述底部盖板3上安装集成LED光源8及LED透镜9。（见图3）

所述腔体2的内壁上有密齿槽10，密齿槽10的深度为0.25mm，间距为0.15m。

所述纳米流体超导介质在真空情况下的沸点低于LED的工作温度；所述纳米流体超导介质充满于腔体密齿槽内，在真空腔体为汽化纳米流体超导介质和纳米流体超导介质。

所述真空腔体2内的大气压为1.3×10^-1－1.3x10^-4 Pa。

所述腔体2的外壁上安装外接外接铝翅片11。（见图3）

所述腔体2的截面呈方形。（见图3）

所述纳米流体超导介质为将纳米级颗粒和分散剂按比例同时放入高纯度工质中，采用纯的盐酸或氢氧化钠做pH 调节剂，然后进行超声振动，使纳米颗粒均匀稳定的分散在工质中。

所述纳米流体超导介质为按体积比将4%纳米级碳化硅颗粒和1.5%分散剂十二烷基苯磺酸钠(SDBS ,化学纯,阴离子型)同时放入高纯度蒸馏水中，采用纯的盐酸或氢氧化钠调节pH 在8.5-9之间，然后进行超声振动2小时制备而成；所述纳米级碳化硅颗粒为20-30纳米碳化硅颗粒。

所述纳米级颗粒通过气相沉积法、化学还原法、机械球磨法或其它方法制备。

一种上述纳米流体超导散热器的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：

（1）通过超导介质抽真空接口5对真空腔体2抽真空，使真空腔体2的大气压在1.3×10^-1－1.3x10^-4 Pa的负压；

（2）通过超导介质抽真空接口5对真空腔体2注入中适量的纳米流体超导介质，使腔体2内表面的吸液芯密齿槽10中充满纳米流体超导介质；

（3）对超导介质抽真空接口5加以密封，纳米流体工作时，流体处于气液两相状态，纳米流体在真空情况下的沸点低于LED的工作温度，散热器正常工作。

实施例4：一种纳米流体超导散热器（见图4），其特征在于其特征在于它由真空腔体和置于真空腔体内的纳米流体超导介质构成；所述真空腔体由腔体2、底部盖板3及顶部盖板7构成；所述腔体2的两端分别与底部盖板3和顶部盖板7呈密封连接；所述腔体2的外壁上连接散热翅片1；所述真空腔体上有超导介质抽真空接口5。

所述腔体2、底部盖板3及顶部盖板7通过螺丝杆6和固定螺母4连接。（见图4）

所述螺丝杆6插于固定孔12中。（见图4）

所述腔体2分为上下两部分，两部分间通过对焊板13连接。（见图4）

所述底部盖板3上安装集成LED光源8及LED透镜9。（见图4）

所述腔体2的内壁上有密齿槽10，密齿槽10的深度为0.2mm，间距为0.1m。

所述纳米流体超导介质在真空情况下的沸点低于LED的工作温度；所述纳米流体超导介质充满于腔体密齿槽内，在真空腔体为汽化纳米流体超导介质和纳米流体超导介质。

所述真空腔体2内的大气压为1.3×10^-1－1.3x10^-4 Pa。

所述腔体2的外壁上安装外接外接铝翅片11。（见图4）

所述腔体2的截面呈圆形。（见图4）

所述纳米流体超导介质为将纳米级颗粒和分散剂按比例同时放入高纯度工质中，采用纯的盐酸或氢氧化钠做pH 调节剂，然后进行超声振动，使纳米颗粒均匀稳定的分散在工质中。

所述纳米流体超导介质为按体积比将5%纳米级碳化硅颗粒和2%分散剂十二烷基苯磺酸钠(SDBS ,化学纯,阴离子型)同时放入高纯度蒸馏水中，采用纯的盐酸或氢氧化钠调节pH 在8.5-9之间，然后进行超声振动2小时制备而成；所述纳米级碳化硅颗粒为20-30纳米碳化硅颗粒。

所述纳米级颗粒通过气相沉积法、化学还原法、机械球磨法或其它方法制备。

一种上述纳米流体超导散热器的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：

（1）通过超导介质抽真空接口5对真空腔体2抽真空，使真空腔体2的大气压在1.3×10^-1－1.3x10^-4 Pa的负压；

（2）通过超导介质抽真空接口5对真空腔体2注入中适量的纳米流体超导介质，使腔体2内表面的吸液芯密齿槽10中充满纳米流体超导介质；

（3）对超导介质抽真空接口5加以密封，纳米流体工作时，流体处于气液两相状态，纳米流体在真空情况下的沸点低于LED的工作温度，散热器正常工作。

Claims (10)

1.一种纳米流体超导散热器，其特征在于其特征在于它由真空腔体和置于真空腔体内的纳米流体超导介质构成；所述真空腔体由腔体、底部盖板及顶部盖板构成；所述腔体的两端分别与底部盖板和顶部盖板呈密封连接；所述腔体的外壁上连接散热翅片；所述真空腔体上有超导介质抽真空接口。

2.根据权利要求1所述一种纳米流体超导散热器，其特征在于所述腔体、底部盖板及顶部盖板通过螺丝杆和固定螺母连接；所述螺丝杆插于固定孔中。

3.根据权利要求1所述一种纳米流体超导散热器，其特征在于所述腔体分为上下两部分，两部分间通过对焊板连接。

4.根据权利要求1所述一种纳米流体超导散热器，其特征在于所述底部盖板上安装集成LED光源及LED透镜。

5.根据权利要求1所述一种纳米流体超导散热器，其特征在于所述腔体的内壁上有密齿槽，密齿槽的深度为0.2-0.25mm，间距为0.1-0.15m。

6.根据权利要求1所述一种纳米流体超导散热器，其特征在于所述纳米流体超导介质在真空情况下的沸点低于LED的工作温度；所述纳米流体超导介质充满于腔体密齿槽内，在真空腔体为汽化纳米流体超导介质和纳米流体超导介质。

7.根据权利要求1所述一种纳米流体超导散热器，其特征在于所述真空腔体内的大气压为1.3×10^-1－1.3x10^-4 Pa。

8.根据权利要求1所述一种纳米流体超导散热器，其特征在于所述腔体的外壁上安装外接外接铝翅片；所述腔体的截面呈圆形或方形。

9.根据权利要求1或6所述一种纳米流体超导散热器，其特征在于所述纳米流体超导介质为将纳米级颗粒和分散剂按比例同时放入高纯度工质中，采用纯的盐酸或氢氧化钠做pH 调节剂，然后进行超声振动，使纳米颗粒均匀稳定的分散在工质中；

所述纳米流体超导介质为按体积比将1-3%纳米级铜颗粒和0.5-1%分散剂十二烷基苯磺酸钠同时放入高纯度蒸馏水中，采用纯的盐酸或氢氧化钠调节pH 在8.5-9之间，然后进行超声振动2小时制备而成；所述纳米级铜颗粒为90-100纳米铜颗粒；

或者，所述纳米流体超导介质为按体积比将3-5%纳米级碳化硅颗粒和1-2%分散剂十二烷基苯磺酸钠同时放入高纯度蒸馏水中，采用纯的盐酸或氢氧化钠调节pH 在8.5-9之间，然后进行超声振动2小时制备而成；所述纳米级碳化硅颗粒为20-30纳米碳化硅颗粒；

所述纳米级颗粒通过气相沉积法、化学还原法或机械球磨法制备。

10.一种纳米流体超导散热器的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：

（1）通过超导介质抽真空接口对真空腔体抽真空，使真空腔体的大气压在1.3×10^-1－1.3x10^-4 Pa的负压；

（2）通过超导介质抽真空接口对真空腔体注入中适量的纳米流体超导介质，使腔体内表面的吸液芯密齿槽中充满纳米流体超导介质；

（3）对超导介质抽真空接口加以密封，纳米流体工作时，流体处于气液两相状态，纳米流体在真空情况下的沸点低于LED的工作温度，散热器正常工作。

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