CN103594438B - 全封闭相变式散热器及其制造方法和应用 - Google Patents

Abstract

一种全封闭相变式散热器及其制造方法和应用，包括一散热器本体，该散热器本体开设有通孔，该通孔的一端焊接有端盖，另一端焊接有用以安装发热元件的安装座。所述散热器本体、端盖和安装座构成一密封的内腔，该内腔容纳有液态相变材料；所述通孔的内壁上设有槽。制作时采用摩擦焊的方法。本发明的端盖上无孔，密封效果更好，采用摩擦焊技术封堵，效率更高、更环保。

Description

全封闭相变式散热器及其制造方法和应用

技术领域

本发明涉及一种全封闭相变式散热器及其制造方法和应用，属于散热装置制备技术领域。

背景技术

近年来，光伏、Led等节能环保产业有较大的发展，但大功率电器元件的散热问题严重地影响其寿命和性能。相变式散热器能很好地解决其传热、散热问题。相变式散热器的原理是利用特定的相变液体在一定温度区间下的液体沸腾汽化→气体冷凝液化的循环过程而实现吸热→传热→散热的功能，其传热效果是铜材的400倍，应用价值巨大。授权公告号为CN101561129B，名称为《带相变散热结构的由LED构成的灯》的中国发明专利，公开了一种相变散热器，该散热器包括散热器本体，该散热器本体的两端焊接有端盖，散热器本体与两端盖一起形成容纳相变液体的密封的内腔，端盖之一上预留安装抽真空阀嘴的螺丝孔。在制作时，相变液体通过螺丝孔注入内腔并控制注入量使相变液体不完全充满内腔，然后在螺丝孔上装抽真空阀嘴，通过抽真空阀嘴抽出内腔内的空气，然后封闭抽真空阀嘴。

发明内容

本发明目的是提供一种全封闭相变式散热器及其制造方法和应用。

为达到上述目的，本发明采用的第一种技术方案是：一种全封闭相变式散热器，包括一散热器本体，该散热器本体开设有通孔，该通孔的一端焊接有端盖，另一端焊接有用以安装发热元件的安装座；所述散热器本体、端盖和安装座构成一密封的内腔，该内腔容纳有液态相变材料；所述通孔的内壁上设有槽。

优选的技术方案为：所述端盖全部或者部分位于所述通孔内；所述安装座部分位于所述通孔内。

优选的技术方案为：所述安装座朝向所述通孔的表面均布有多个凸起，且所述凸起之间的高度不一致。

为达到上述目的，本发明采用的第二种技术方案是：一种制备全封闭相变式散热器的方法，首先将所述端盖安装在所述散热器本体的通孔的一端，然后向所述通孔内加入固态相变材料和汽态相变材料，接下来采用摩擦焊的方法将所述用以安装发热元件的安装座焊接在所述散热器本体的通孔的另一端。

优选的技术方案为：向所述通孔内加入固态相变材料和汽态相变材料时，首先向所述通孔内加入固态相变材料，然后再向所述通孔内加入汽态相变材料。

优选的技术方案为：所述摩擦焊在汽态相变材料气氛下进行。

为达到上述目的，本发明采用的第三种技术方案是：一种制备全封闭相变式散热器的方法，首先将所述用以安装发热元件的安装座安装在所述散热器本体的通孔的一端，然后向所述通孔内加入固态相变材料和汽态相变材料，接下来采用摩擦焊的方法将所述端盖焊接在所述散热器本体的通孔的另一端。

优选的技术方案为：向所述通孔内加入固态相变材料和汽态相变材料时，首先向所述通孔内加入固态相变材料，然后再向所述通孔内加入汽态相变材料。

优选的技术方案为：所述摩擦焊在汽态相变材料气氛下进行。

为达到上述目的，本发明采用的第四种技术方案是：一种全封闭相变式散热器的应用，所述全封闭相变式散热器作为散热装置安装于led灯具上。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点和效果：

1、本发明可以实现端盖上无孔的结构，与现有技术端盖设抽真空阀嘴的技术相比，其密封效果更好。

2、本发明采用的焊接方法为摩擦焊方法，相对于传统焊接方式，本发明的焊接方法优点有：1、快速、能够在不凝气体（空气）排出后进入汽态相变材料气氛内3秒内封闭5秒内焊接完成。2、高效率。3、能够实现特殊位置的焊接。本发明中安装座与散热本体之间的焊接，采用摩擦焊接后使主体结构更加有效实用，使整体结构更加紧凑。4、环保安全，可实现自动化操作。

3、本发明在加介质时用冷凝后的固态相变材料。优点有：1、用量准确。2、能实现自动化作业、可靠。3、确保在焊接中相变材料不会溢出。

附图说明

附图1为本发明各个组成部分焊接前立体示意图。

附图2为本发明结构剖视示意图。

附图3为端盖俯视示意图。

附图4为端盖的第一种实施方式的剖视示意图。

附图5为端盖的第二种实施方式的剖视示意图。

附图6为端盖的第三种实施方式的剖视示意图。

附图7为端盖的第四种实施方式的剖视示意图。

以上附图中，1、端盖；2、散热器本体；3、安装座；4、散热鳍片；5、固态相变材料；6、液态相变材料；7、汽态相变材料；8、凸起。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例一：一种全封闭相变式散热器及其制造方法和应用

参见附图1和附图2所示，一种全封闭相变式散热器，包括一散热器本体2，散热器本体2的结构与现有技术基本相同，有一金属的筒体，该金属筒体向外延伸有多个散热鳍片4。安装座3一般采用铜、铝等导热材料制成，传递安装在安装座上的发热元件（如led灯的发光二极管）所产生热量到相变材料。散热器本体2开设有通孔，通孔的截面形状可以是任意形状。所述通孔的一端焊接有端盖1，另一端焊接有用以安装发热元件的安装座3。在端盖1和安装座3的焊接过程中，只要一者采用摩擦焊的焊接方法焊接在散热器本体2上即可满足本发明的要求。例如先用普通焊接方法将安装座焊接在通孔的一端，然后用摩擦焊将端盖焊接在通孔的另一端。所述散热器本体2、端盖1和安装座3构成一密封的内腔，该内腔容纳有液态相变材料6；所述通孔的内壁上设有槽，该槽可以促进液-汽相变。本发明采用液-汽相变的方式将发热元件产生的热量释放至外界环境中。

所述端盖1部分位于所述通孔内，也即端盖1由两部分组成，一部分的直径大于另一部分，然后以直径较小部分伸入通孔内，而直径较大部分则留在通孔外，设计直径较大部分的目的是在进行摩擦焊时便于摩擦焊机的夹持装置夹持端盖。所述安装座部分位于所述通孔内，也即部分安装座伸入通孔内，而另一部分的表面则用于安装发热元件。

在制作时：

首先将所述端盖1安装在所述散热器本体2的通孔的一端，此处在本实施例中采用摩擦焊的方法实施，在其它具体实施方式中可以采用现有的焊接技术、过盈装配技术等安装方式。然后向所述通孔内加入固态相变材料5，不向通孔加入液态相变材料的目的是因为接下来的摩擦焊时，液态相变材料会因高速旋转而溢出散热器本体2。然后向所述通孔内加入汽态相变材料7以赶出存在于通孔中的空气，接下来采用摩擦焊的焊接方法将所述用以安装发热元件的安装座3焊接在所述散热器本体2的通孔的另一端，从而形成了内部容纳有相变材料的密闭的内腔。

在其它实施方式中，也可向所述通孔内加入固态相变材料5和汽态相变材料7时，首先向所述通孔内加入汽态相变材料7驱赶空气，再向所述通孔内加入固态相变材料5。

为了防止在进行摩擦焊时有空气进入通孔内，所述摩擦焊在汽态相变材料气氛下进行。

制成的散热装置参见附图2所示，端盖1、散热器本体2的通孔和安装座3构成了一个密闭的内腔。在内腔内由下而上是固态相变材料5、液态相变材料6和汽态相变材料7。本发明的相变材料可以为水。存在于内腔的物理状态一般为液态和汽态。本发明利用液态-汽态的变化吸收和释放热量。

参见附图3～7所示，更佳的实施方式为：安装座3朝向所述通孔的表面均布有多个凸起8，凸起8的数量根据安装座3的面积决定，面积越大凸起越多。根据池沸腾理论，凸起对通孔内的相变材料的蒸发速率的提高起着重要的作用，但是只有当凸起露出液态相变材料6的液面时，凸起8才能对相变材料的蒸发速率发挥影响。根据池沸腾理论，凸起8的形状对相变材料的蒸发速率影响不大，本发明从便于加工凸起的角度考虑，在一具体实施例中将所述凸起的形状设计为圆柱状，在另一略微差异的实施方式中，在所述圆柱状的凸起的顶端加设凸球。在另一具体实施方式中将所述凸起8的形状设计为金字塔形状。

当散热器本体水平放置时，由于液态相变材料5平铺在安装座3内，将凸起8的高度设计成一致时，所有的凸起8均会对相变材料的蒸发速率发挥影响。

当散热器本体倾斜放置时，如果凸起8的高度设计成一致时，那么存在部分被液态相变材料完全覆盖的凸起8，这部分凸起将对相变材料的蒸发速率不发挥任何的影响。

在进一步优选的实施方式中，将所述凸起8设计成高度不一致，这样即使散热器本体2倾斜放置时，仍有部分凸起8位于液态相变材料6的液面之上，而对相变材料的蒸发速率发挥影响。

更佳的实施方式是将所述安装座3的中央区域的凸起8的高度设计成低于所述安装座3四周区域的高度。这样散热器本体2向任一角度倾斜放置时，仍有部分凸起8位于液态相变材料6的液面之上，而对相变材料的蒸发速率发挥影响。

更佳的实施方式是将所述凸起的高度设计成由所述安装座3的中央向所述安装座3的四周逐渐增加。这样露出液态相变材料的液面的凸起数量更多。

更佳的实施方式是将所述凸起的高度设计成由所述安装座3的一侧向所述安装座3的另一侧逐渐增加。这样散热器本体向一侧倾斜放置时，有大量的凸起位于液态相变材料的液面之上。

更佳的实施方式是将所述安装座3的一侧的凸起的高度设计成高于所述安装座3另一侧的凸起的高度。

本发明全封闭相变式散热器在应用于led时，发热元件发光二极管安装在安装座3上，然后采用压紧圈通过垫圈将透明灯罩贴紧散热器本体压紧，以实现对发热元件的密封保护。垫圈利用自身的弹性作用更好的压紧透明灯罩。透明灯罩主要用来实现对发热元件的保护作用。发热元件是需散热的功能元件，热源通过导热胶和螺钉与安装座固定。

安装座3由铜、铝等导热材料制成，传递发热元件的热量到密封在内腔的液态相变材料，当发热元件发光二极管在使用时，产生热量使液态相变材料实现液→汽的相变。

相变材料的种类可以根据工况温度要求作为相变起动温度来进行选择的。

散热器本体2四周有散热鳍片4。通过翘片4把汽态相变材料的热量散到空气中去，使汽态相变材料实现汽→液的相变循环，散热器本体2一端与安装座3通过焊接连接，另一端与端盖通过焊接连接实现封闭体积内相变材料的相变循环。散热器本体2外圈有4个螺钉孔用来与电源电器相连接，有两个穿线孔用来走电线。

端盖上无孔。通过与散热体的焊接实现安全可靠封闭。

相变传热的传热效率是铜材的400倍，但散热器本体内的不凝气体（空气）的比例对传热效率有较大的影响，所以相变式传热散热器（包括热管）都要在封闭容器前加入介质，排掉不凝气体。对于塑性好的细长管采用的是一边排气，一边挤压收口的封头技术，这种技术已经很成熟，都在采用，但只适用于细长小管，且头部直径逐渐收小，端面不平、显尖状。对于管径较大，外有散热鳍片，无法塑性封头的情况，现在的做法是在散热体的两端进行焊接封堵形成容器，容器留有加液、抽气螺钉孔，加好液，排除不凝气体后再锁紧螺钉密封容器。

摩擦焊接装置采用现有技术，包括第一夹持机构（主轴单元）和第二夹持机构。第一夹持机构滑动设于一竖向设置的导引件上，并与一推力马达的输出轴传动连接，推力马达推动第一夹持机构沿着导引件上下移动，第二夹持机构不可移动地安装第一加持机构的正上方，第一加持机构具有卡盘以便可脱离地固定散热器本体。第二保持架具有卡盘以便可脱离地固定端盖或者安装座。第二机构作用有旋转驱动马达，该旋转驱动马达可操作从而使第二夹持机构上的卡盘绕其轴线旋转。

在进行摩擦焊时，分别由第一夹持机构卡盘固定散热器本体（这时安装座可以通过现有的焊接技术焊接在所述散热器本体的孔内，或者是通过摩擦焊技术焊接在所述散热器本体的孔内），第二夹持机构卡盘固定端盖或者安装座。首先启动旋转驱动马达，使端盖或者安装座沿其轴线高速旋转，然后启动推力马达使散热器本体向上移动以逐渐靠近端盖和安装座，当散热器本体和端盖或安装座接触并压紧后，摩擦截面上一些微凸体首先发生粘结与剪切，并产生摩擦热，随着实际接触面积增大，摩擦扭矩迅速升高，摩擦界面处温度也随之上升，摩擦截面逐渐被一层高温粘塑性金属所覆盖，此时，散热器本体和端盖或安装座之间的相对运动实际上已发生在粘塑性金属内部，产热机制已由初期的摩擦产热转变为粘塑性金属层内的塑形变形产热，在热激活作用下，这层粘塑性金属发生动态再结晶，使变形抗力降低，故摩擦扭矩升高到一定程度（前峰值扭矩）后逐渐降低。随着摩擦热量向两侧工件的传导，焊接面两侧温度亦逐渐升高，在轴向压力作用下，焊合区金属发生径向塑性流动，从而形成飞边，轴向缩短量逐渐增大。随摩擦时间延长，摩擦界面温度与摩擦扭矩基本恒定，温度分布区逐渐变宽，飞边逐渐增大，此阶段称之为准稳定摩擦阶段。在此阶段，摩擦压力与转速保持恒定。当摩擦焊接区的温度分布、变形达到一定程度后，开始刹车制动并使轴向力迅速升高到所设定的顶锻压力此时轴向缩短量急骤增大，并随着界面温度降低，摩擦压力增大，摩擦扭矩出现第二个峰值，即后峰值扭矩。在顶锻过程中及顶锻后保压过程中，焊合区金属通过相互扩散与再结晶，使两侧金属牢固焊接在一起，从而完成整个焊接过程。在整个焊接过程中，摩擦界面温度一般不会超过熔点，故摩擦焊是固态焊接。

实施例二：一种全封闭相变式散热器及其制造方法和应用

结构同实施例一，制备方法为：首先将所述用以安装发热元件的安装座焊接在所述散热器本体的通孔的一端，然后向所述通孔内加入固态相变材料和汽态相变材料，接下来采用摩擦焊的焊接方法将所述端盖焊接在所述散热器本体的通孔的另一端。向所述通孔内加入固态相变材料和汽态相变材料时，首先向所述通孔内加入固态相变材料，然后再向所述通孔内加入汽态相变材料。所述摩擦焊在汽态相变材料气氛下进行。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种制备全封闭相变式散热器的方法，所述全封闭相变式散热器包括一散热器本体，该散热器本体开设有通孔，该通孔的一端焊接有端盖，另一端焊接有用以安装发热元件的安装座；所述散热器本体、端盖和安装座构成一密封的内腔，该内腔容纳有液态相变材料；所述通孔的内壁上设有槽；其特征在于：首先将所述端盖安装在所述散热器本体的通孔的一端，然后向所述通孔内加入固态相变材料和汽态相变材料，接下来采用摩擦焊的焊接方法将所述用以安装发热元件的安装座焊接在所述散热器本体的通孔的另一端。

2.根据权利要求1所述的制备全封闭相变式散热器的方法，其特征在于：向所述通孔内加入固态相变材料和汽态相变材料时，首先向所述通孔内加入固态相变材料，然后再向所述通孔内加入汽态相变材料。

3.根据权利要求1所述的制备全封闭相变式散热器的方法，其特征在于：所述摩擦焊在汽态相变材料气氛下进行。

4.一种制备全封闭相变式散热器的方法，所述全封闭相变式散热器包括一散热器本体，该散热器本体开设有通孔，该通孔的一端焊接有端盖，另一端焊接有用以安装发热元件的安装座；所述散热器本体、端盖和安装座构成一密封的内腔，该内腔容纳有液态相变材料；所述通孔的内壁上设有槽；其特征在于：首先将所述用以安装发热元件的安装座安装在所述散热器本体的通孔的一端，然后向所述通孔内加入固态相变材料和汽态相变材料，接下来采用摩擦焊的焊接方法将所述端盖焊接在所述散热器本体的通孔的另一端。

5.根据权利要求4所述的制备全封闭相变式散热器的方法，其特征在于：向所述通孔内加入固态相变材料和汽态相变材料时，首先向所述通孔内加入固态相变材料，然后再向所述通孔内加入汽态相变材料。

6.根据权利要求4所述的制备全封闭相变式散热器的方法，其特征在于：所述摩擦焊在汽态相变材料气氛下进行。