CN105611807A - 一种基于金属相变材料和热管的一体化散热器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于金属相变材料散热和热管的一体化散热器，属于散热器技术领域；该一体化散热器包括腔体，相变材料和一个或两个以上热管，该相变材料和热管嵌合在一起封装在腔体内，该热管的吸热端露出腔体壁外或埋在腔体内，其放热端穿插于相变材料之中；本发明充分借助了金属相变材料的吸热特性和热管高效导热能力，实现了将热源端热量迅速转移到整个相变材料内部，由此克服了传统金属相变材料导热率偏低，而单纯热管又难以承受高热流密度的不足，两种散热方式的结合，互为辅助，发挥各自优势并弥补对方的不足，可以应对更加苛刻的散热需求和工作环境，具有应对热流冲击的能力，是一种更加高效，节能，可靠的散热方式。

Description

一种基于金属相变材料和热管的一体化散热器

技术领域

本发明属于散热器技术领域，特别涉及一种基于金属相变材料和热管换热的具有高潜热吸收能力和高导热性的一体化散热器。

背景技术

随着电子技术的飞速发展，电子产品的功能越来越完善，相应的电路的集成化程度也越来越高。电子元器件在使用过程中会不可避免地产生热量，如果这些热量不能被及时散失掉，将会导致电子元器件的温度升高。小型化，多功能化以及集成化使得电子产品的“热障”问题日益凸显。过高的温度将会降低电子产品的效率，稳定性和寿命，甚至引起失效，起火和爆炸。因此，有效的热管理技术对于电子产品的设计至关重要。

相变材料散热是一种被广泛应用的被动式热管理技术。所谓相变材料散热，是指利用金属相变材料在相变时吸收潜热而自身温度不变的特性来吸收电子元器件散发的热量并保证电子器件温度不会过高的散热技术。它具有无功耗，无噪音和震动，维护费用低，结构紧凑等优势。传统的用于电子产品散热的相变材料主要包括石蜡、醋酸和其他有机物。然而，这些相变材料普遍存在的缺陷是其热导率低，一般在1W/m/K以下，从而导致热量不能被高效的传递和吸收。

低熔点金属的热导率是传统相变材料的几十倍，且单位体积的相变潜热值高，相变体积变化小，不可燃，是一种很有前景的相变材料。由于低熔点金属对常用的铝材等金属材料具有腐蚀性，且在液态时很难掺杂其它高导热材料，因此利用传统的方法来进一步强化低熔点金属相变材料的导热性是行不通的。特别是，尽管低熔点金属相变材料的热导率相对传统相变材料较高，但在面临极端热流密度情况时，仍然不敷使用。比如，对传统的100W作用功率，常规的金属相变材料已可发挥作用；但当这种需要散走的热量呈数量级提升，比如达到1万瓦甚至10万瓦时，由于受限于相变材料的导热率，必然在其内部不同区域形成巨大的温差，此时相变模块远离热源的部位实际上并未发挥吸热作用。无疑，最理想的情况是整个相变材料区域内均能同时发挥作用。解决这一瓶颈的关键在于提升相变材料的热导率。

此外，相变材料的散热能力主要体现在相变吸收潜热上，一旦相变发生后，将不再具有散热能力。不仅如此，由于相变材料的热导率相比于常用的金属结构材料，如铜，铝等来说低很多，这使得其在发生相变后不仅失去散热能力，而且还会成为散热通道上的热流阻力。此时，同样需要提升相变模块的导热能力。强化相变材料的导热能力不仅有利于提升其吸热效率，同时有助于延长其作用时间，并改善相变完成之后的导热状况，提升其抗热冲击、应对滥用情况以及在较高环境温度下的热管理能力。

热管散热也是一种得到广泛应用的成熟的散热技术，它充分利用管内填充的液体介质蒸发和冷凝时的潜热来进行热量交换和传递，通过热管将发热物体的热量高效迅速地传递到热源外，其等效导热能力远超过任何已知金属的导热能力。热管散热的远端一般是热沉或翅片，热管吸收的热量通过翅片散失到空气中。当自然对流无法满足远端翅片的散热时，往往使用风扇强迫对流来强化翅片的散热。在应对热流冲击时，如果没有风扇，热管散热往往无能为力，这会使电子元器件温度短时间内迅速升高。特别是，当面临大功率热流时，热管内部工质会全面气化，此时出现散热瓶颈甚至爆管。

总的说来，由于传统散热方法在传热性能上满足某方面需求时，又会带来其他方面的问题。以上所阐述的金属相变装置和传统的热管就都面临者各自的瓶颈。现有领域中比较缺乏多能力的散热技术。

发明内容

本发明的目的是为解决已有技术问题，提出一种同时具备高潜热和高导热能力的基于金属相变材料和热管的一体化散热器，本发明能强化低熔点金属相变材料的导热能力，进一步改善其吸热效率和热管理效率，并提升其应对恶略工作条件和工作环境的能力。而这些极端散热问题，单一的相变装置和热管均很难解决。

本发明提出一种基于金属相变材料和热管的一体化散热器，其特征在于，该一体化散热器包括腔体，相变材料和一个或两个以上热管，该相变材料和热管嵌合在一起封装在腔体内，该热管的吸热端露出腔体壁外或埋在腔体内，其放热端穿插于相变材料之中；

该腔体，用于与热源接触，吸收热源热量并同时传递给热管和相变材料；该相变材料，用于吸收热量并升温，温度到达其熔点后，将会融化，吸收热量并且温度保持恒定，以实现散热；

该热管，用于将热量快速高效的传递到整个相变材料的内部。

本发明还可在该热管的外部加装翅片，以进一步强化热管与相变材料之间的热量传递。

本发明所述腔体的材料可为镍，不锈钢或石墨中的任一种。

本发明所述腔体的材料可为铜或铝，腔体内表面进行镀层处理或氧化处理，以防止腔体被低熔点金属腐蚀。

本发明所述腔体的外部形状可为平板型，环形或与热源形状相匹配的造型。

本发明所述腔体的外部散热侧可加装散热翅片，用以辅助散热。

本发明所述金属相变材料可为低熔点金属材料。所述低熔点金属材料可为镓、镓铟合金、铋铟锡合金以及其它以镓和/或铋和/或铟为基本金属制备的低熔点合金中任一种。

本发明提供的基于相变材料和热管的一体化散热器的特点和有益效果如下：

1.本发明首次提供了一种嵌合式散热技术，同时具备了高潜热吸收能力和高导热性，这是传统单一性能的相变吸热方式或热管无法具备的，实质性扩展了传统单一散热技术的内在机理和应用范畴，这种嵌合传热体架构以往未见报道；

2.通过将热管穿插于相变材料内部，利用热管强大的换热能力将热源端的热量高效地转移到整个相变材料内部，从而克服了相变材料导热能力差，难以将热量快速传入其内部的缺陷。

3.相比于纯粹的热管散热而言，相变材料的引入可以缓解热管散热的压力，减少甚至消除热管散热中远端翅片对风机的依赖，特别是对于具有间断性使用特性的电子设备而言，这无疑将会使原始的热管散热系统结构得到简化，同时功耗降低甚至做到无功耗。

4.相比于单纯的相变散热而言，热管的引入改善了相变材料的吸热效率，若在热管上加上翅片可以进一步强化热量在相变材料内部的传导；此外，在相变材料未完全融化前，热管高效的传热可以将部分热量传递到外部散热翅片，从而减少相变材料的散热压力，延长其作用时间，在相变材料完全融化后，实际上就没有散热能力了，而且还会阻碍热量的散失，此时热管可以作为良好的热流通路，把热量散失到环境中，而不至于引起热源温度过高。

这种一体化多模态散热器使得热管散热和相变材料散热互为辅助，发挥各自的优势，且可以改善对方的不足，是一种更加高效，节能，可靠的散热方式。而且，这种散热方式不仅仅可以用于电子产品的散热，也可以应用于其它有散热需求的场合，如电动汽车电池包的热管理。尽管这种复合散热方式的提出是为了改善低熔点金属相变散热的效率，但绝不仅限于低熔点金属相变材料，也可以用于常用的相变材料，如石蜡，熔融盐等。

附图说明

图1是本发明基于相变材料和热管的一体化散热器的一种平板形式实施例的外观示意图；

图2为图1的A-A剖面示意图；

图3为图1的加上远端散热翅片之后的A-A剖面示意图；

图4为图1的加上远端散热翅片并且在热管上加上翅片之后的A-A剖面示意图；

图5是本发明基于相变材料和热管的一体化散热器的一种环状形式实施例的外观示意图；

图6为图5的A-A剖面示意图；

图7为图5的加上远端散热翅片并且在热管上加上翅片之后的A-A剖面示意图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明提出的一种基于相变材料和热管的一体化散热器，包括：腔体，相变材料和一个或两个以上热管，相变材料和热管封装在腔体内该热管的吸热端露出腔体壁外或埋在腔体内，其放热端穿插于相变材料之中。

本发明的散热器使用时将腔体与热源接触，吸收热源热量并同时传递给热管和相变材料；相变材料，吸收热量并升温，温度到达其熔点后，将会融化，吸收热量并且温度保持恒定；热管其作用是将热量快速高效的传导到整个相变材料的内部。

所述腔体的材料为铜，铝，镍，不锈钢或石墨的任一种。当所述腔体1材料为铜或铝时，其内表面要进行镀层处理或氧化处理，以防止腔体被低熔点金属腐蚀。

所述腔体形状可以为平板型，环形或根据热源形状而设计的任意造型。

所述腔体1外可以加热沉或翅片以强化腔体与外部空气间的热量传递。

所述相变材料为低熔点金属，包括镓、镓铟合金、铋铟锡合金以及以镓和/或铋和/或铟为基本金属制备的低熔点合金中的任一种。

所述热管可以外加翅片以进一步强化热管与相变材料之间的热量传递。

所述热管的吸热端露出腔体壁，用于直接与热源接触。

实施例1

本发明的实施例1为一种平板形式的一体化散热器，其具体结构如图1和图2所示，包括腔体1，相变材料2和5个热管3，该相变材料和热管封装在腔体内，该热管的吸热端埋在腔体内，其放热端穿插于相变材料之中；

本实施例的腔体1的外观状为扁平矩形，采用镍，不锈钢或石墨制成。

本实施例的相变材料2为镓、镓铟合金、铋铟锡合金以及其它以镓和/或铋和/或铟为基本金属制备的低熔点合金的任一种，相变材料将腔体内部空间完全填充满。

本实施例的热管采用与腔体尺寸相匹配的常规热管产品(比如针对100瓦热量散热需求时，可采用外直径8mm、内径5mm，长度6cm热管，按1cm间距平行排列，散热管数量为3根；但对于1000瓦热量散热需求时，同样可采用外直径8mm、内径5mm，长度6cm热管，按1cm间距平行排列，但散热管数量可达10根)各热管的吸热端露出腔体上端壁，其放热端均匀穿插于相变材料2之中。

本实施例使用时，腔体1外表面与热源接触，热源可以在腔体1的一侧，与各热管的吸热端相接触，也可以在腔体的上下两侧。腔体吸收热源热量并同时传递给热管3和相变材料2。相变材料2吸收热量并升温，温度到达其熔点后，将会融化，吸收热量并且温度保持恒定。热管3吸热端直接与热源接触或埋在腔体1内从而间接与热源接触，其放热端穿插于相变材料2之中，其作用是将热量快速高效的传导到整个相变材料2的内部，从而实现相变材料2高效的吸热能力。

实施例2

本实施例2的具体结构如图3所示，该实施例是在上述实施例1结构的基础上在腔体外一侧加装散热翅片4，散热翅片可采用尺寸与腔体相匹配的常规产品，散热翅片4的底面与腔体外一侧表面贴合。这种结构热源的热量一方面被相变材料吸收，另一方面，由热管传递到外部散热翅片，由翅片散失到环境当中，以减轻相变材料的散热负荷，延长其作用时间。其余结构及工作原理与实施例1的结构完全相同。

实施例3

本实施例3的具体结构如图4所示，为在实施例2的结构之上再在热管外部安装散热翅片4：比如采用1mm厚度，长度5cm、宽3cm薄片，按间距8mm制作，每根热管3上安装5根翅片31；在热管上安装翅片可以进一步加强热管与相变材料之间的热量交换，并且可以减少热管的使用数量。其余结构及工作原理与实施例1的基本结构完全相同。

实施例4

本发明的实施例4的具体结构如图5和图6所示，包括：腔体1，相变材料2和多个热管3；腔体1为一个中空的圆环柱体：比如内径5cm、外径6cm，长度8cm，采用铜或铝时，其圆环空腔的内表面进行镀层处理或氧化处理，以防止腔体被低熔点金属腐蚀。相变材料2采用镓、铋和铟为基本金属制成的颗粒填充在腔体的圆环的整个空腔内；热管3采用与腔体环的宽度尺寸相匹配的常规圆环形热管产品，比如采用外直径8mm、内径5mm，长度6cm热管，按1cm间距沿圆柱轴向方向平行排列。

使用时，热源布置在在环形散热器的中空圆环柱腔体的中部空间内，其余工作原理与实施例1完全相同。

实施例5

本发明的实施例5具体结构如图7所示，该实施例是在上述实施例1结构的基础上在腔体外围侧壁套装环形散热翅片4，散热翅片可采用尺寸与腔体相匹配的常规产品，散热翅片4的底面与腔体外侧壁表面贴合。

内部热管上也装有环形翅片31以强化热管与相变材料之间的换热。其余结构与实施例4完全相同。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于金属相变材料和热管的一体化散热器，其特征在于，该一体化散热器包括腔体，相变材料和一个或两个以上热管，该相变材料和热管嵌合在一起封装在腔体内，该热管的吸热端露出腔体壁外或埋在腔体内，其放热端穿插于相变材料之中；

该腔体，用于与热源接触，吸收热源热量并同时传递给热管和相变材料；该相变材料，用于吸收热量并升温，温度到达其熔点后，将会融化，吸收热量并且温度保持恒定，以实现散热；

该热管，用于将热量快速高效的传递到整个相变材料的内部。

2.根据权利要求1所述的基于金属相变材料和热管一体化散热器，其特征在于，在该热管的外部加装翅片，以进一步强化热管与相变材料之间的热量传递。

3.根据权利要求1所述的基于金属相变材料和热管一体化散热器，其特征在于，所述腔体的材料为镍，不锈钢或石墨中的任一种。

4.根据权利要求1所述的基于金属相变材料和热管一体化散热器，其特征在于，所述腔体的材料为铜或铝，腔体内表面进行镀层处理或氧化处理，以防止腔体被低熔点金属腐蚀。

5.根据权利要求1所述的基于相变材料和热管一体化散热器，其特征在于，所述腔体的外部形状为平板型，环形或与热源形状相匹配的造型。

6.根据权利要求1所述的基于金属相变材料和热管一体化散热器，其特征在于，所述腔体的外部散热侧加装散热翅片，用以辅助散热。

7.根据权利要求1所述的基于金属相变材料和热管一体化散热器，其特征在于，所述金属相变材料为低熔点金属材料。

8.根据权利要求1所述的基于金属相变材料和热管一体化散热器，其特征在于，所述低熔点金属材料为镓、镓铟合金、铋铟锡合金以及其它以镓和/或铋和/或铟为基本金属制备的低熔点合金任一种。