CN107004657B - 用于瞬时冷却的热沉组件 - Google Patents

Abstract

一种用于与至少一个放热构件一起使用的热沉组件，其中，热沉组件包括：第一相变材料，其传导地联接至至少一个放热构件，且在第一温度下发生相变；以及第二相变材料，其传导地联接至第一相变材料，且在比第一温度更大的第二温度下发生相变。

Description

用于瞬时冷却的热沉组件

对相关申请的交叉引用

本PCT实用申请请求对标题为“HEAT SINK ASSEMBLIES FOR TRANSIENT COOLING”且提交日期为2014年11月12日的具有美国专利申请序号No.62/078,620的目前未决的临时申请的优先权和来自该临时申请的益处，通过引用而将该临时申请的全部并入本文中。

背景技术

产热装置(诸如，印刷电路板)通常含有产热构件，诸如处理器、电阻器、电容器或电压调节器。热平面可以与产热装置组合而提供，以形成典型地通过提供另外的传导途径来使热分散而帮助排热的组件。典型地，在可以使热耗散至周围环境的开放环境中，使用空气冷却系统和液体冷却系统。在某些实例中，产热构件可以在提高的产热的瞬时模式下运行，其中，在较短的持续时间内期望高散热。

发明内容

在一个方面，本发明的实施例涉及一种热沉组件，其用于与至少一个放热构件一起使用，并且，包括：第一相变材料，其传导地联接至至少一个放热构件，并且，在第一温度下发生相变；以及第二相变材料，其传导地联接至第一相变材料，并且，在比第一温度更大的第二温度下发生相变，其中，第一相变材料响应于来自放热构件的传导性传热而发生相变，并且，第二相变材料响应于来自第一相变材料的传导性传热而发生相变。

附图说明

在附图中：

图1A-1B图示按照本文中所描述的各种各样的方面的示例的热沉组件。

图2A图示按照本文中所描述的各种各样的方面的热沉组件的示例的透视图。

图2B图示图2A的热沉组件的示例的横截面图。

图2C图示图2A的热沉组件的示例的局部分解图。

图3A-3B图示按照本文中所描述的各种各样的方面的示例的热沉组件。

图4A-4B图示按照本文中所描述的各种各样的方面的示例的热沉组件。

具体实施方式

图1A图示用于与放热构件12一起使用的热沉组件10的横截面。放热构件12可以是任何放热构件，包括要求热管理的任何电子放热构件(诸如，微处理器、高热通量印刷电路板(PCB)、脉冲激光控制板(PLCB)、电容器、包括MOSFET的电子设备以及需要冷却的任何其他装置)。热沉组件10可以与包括医疗装备的基于空运、船载和地面的电子设备一起使用。热沉组件10还可以与任何其他可想到的放热装置和包括瞬时热负荷的各种各样的热负荷一起使用。经由非限制的示例，热沉组件10可以用于管理太阳热、激光热、电子热等。仅出于示范性的目的，放热构件12已图示为印刷电路板(PCB)14，其具有示出为微处理器的产热构件16。虽然图示微处理器，但可以在PCB上提供另外的产热构件16，诸如功率调节器、电阻器、电感器、电容器等。

热沉组件10可以是将各自在不同的温度下发生相变的两个不同的相变材料合并而成的瞬时冷却组件，使得热沉组件10可以充当双联热电容器。更具体地，第一相变材料20可传导地联接至至少一个放热构件12，且第一相变材料可以在第一温度下发生相变，并且，第二相变材料22可传导地联接至第一相变材料20，且可以在比第一温度更大的第二温度下发生相变。

第一相变材料20和第二相变材料22可以是具有不同的相变温度的任何合适的相变材料。第一相变材料20和第二相变材料22可以包括经历固体/液体相变和/或液体/气体相变的材料。取决于应用，可以适当地选择相变材料。例如，在航空中，典型地使用石蜡，因为，石蜡不具有腐蚀性。这样的石蜡是如下的固体：当吸收足够的热量时，相变成液体，并且，当释放足够的热量时，进一步从液体相变回到固体。在从固体相变成液体之后，石蜡能够进一步吸收补充的热量，超过促使相变发生的热量。石蜡配置成反复地从固体相变成液体，且相变回到固体，可靠地进行多个循环。

只要材料响应于传导性传热而从起始相相变成至少一个不同的相，就预想其他相变材料，例如氨。起始相和至少一个不同的相可以是固体、液体和气体中的一种。回到先前的示例，石蜡还可以包括诸如炭黑之类的添加材料，以提高传热。另外的相变材料的非限制的示例可以包括Indrastat 84、Indrastat 69、Rubitherm RT70HC、Rubitherm RT80HC、九水合硝酸铝、十水合焦磷酸钠、八水合氢氧化钡、十二水合硫酸铝钾、cerrobend共晶体、铋铟共晶体、cerrosafe共晶体、硬脂酸、棕榈酸、肉豆蔻酸和/或月桂酸。

可以将第一相变材料20和第二相变材料22以任何合适的方式包括在热沉组件10中。例如，可以包括第一框架30，以保持第一相变材料20。第一框架30已图示为限定多个室32，在室32中，接纳第一相变材料30。第一框架30可以按任何合适的方式形成，并且，已图示为互连的壁部34的网格，互连的壁部34的网格可以限定具有任何合适的横截面的多个室32。预期框架结构的其他类型(网格和非网格两者)。第一框架30可以是传导性的，使得它增强导热至热沉组件10内的第一相变材料20中且从第一相变材料20导热的过程。

以该方式，所示出的第一框架30运行，以在提供从放热构件12至第一相变材料20的多个室32的互连的导热路径的同时，隔离分开的室32中的相变材料。

第一框架30可以具有传导地联接至至少一个放热构件12的至少一部分。备选地，多个部分可传导地联接至至少一个放热构件12，或第一框架30的整体可以由传导性材料形成。例如，第一框架可以是铝、铜、钢、镍或铜钨等，这些材料中的任一个可以提供类似的结构性质和导热性质。

而且，可以包括第二框架40，以用于保持第二相变材料22。第二框架40可以与第一框架30类似，包括第二框架40可以具有由互连的壁部44形成的多个室42。第二框架40还可以由传导性材料形成，或具有由传导性材料形成的部分。

更进一步，传导性元件或中间导热结构50可以被包括在热沉组件10中，并且，可以定位于第一相变材料20与第二相变材料22之间。中间导热结构50可以在第一相变材料20与第二相变材料22之间限定结构屏障。在所图示的示例中，中间导热结构50与第一框架30和第二框架40分离。将理解到，无需如此，并且，中间导热结构50可以可操作地联接至第一框架30和/或第二框架40，与第一框架30和/或第二框架40整体地形成，或为第一框架30和/或第二框架40的一部分。中间导热结构可以将第一相变材料20和第二相变材料22传导地联接。

在所图示的示例中，中间导热结构50包括延伸至第一相变材料20中的多个翅片52和延伸至第二相变材料22中的多个翅片54。虽然单个翅片已图示为从中间导热结构50延伸至可见室32和42中的每个可见室中，但将理解到，翅片不需要延伸至各室中，并且，任何数量的翅片可以延伸至室中。将理解到，中间导热结构50可以是提供第一相变材料20与第二相变材料之间的热界面的任何合适的结构。中间导热结构50还创建用于使第一相变材料20与第二相变材料22隔离而确保这两个相变材料不混合的屏障。

密封件60还可以被包括在热沉组件10中，以将相变材料20和22适当地保持于组件内。可以包括任何合适的密封件，包括橡胶垫片。可以包括一个或更多个紧固构件，以将第一框架30和第二框架40保持在一起。如图所示，紧固构件包括示出为螺钉62的紧固件，其穿过第一框架30和第二框架40中的开口而接纳，并且，接合螺母64。可以使用任何合适的紧固构件。例如，可以使用其他机械紧固件(例如螺栓、钉子、销钉等)以及非机械紧固件(诸如，焊接件或粘合剂)。而且，还可以包括紧固件，紧固件可以用于帮助将第一框架30安装到PCB14。

在PCB 14的运行的期间，PCB 14上的产热构件16可以经由非限制的示例而在较短的持续时间(以秒的数量级)内使用电功率，创建穿插着低功耗模式的高功耗模式，结果，导致在高功耗模式期间对瞬时高散热的需求。在这些瞬时持续时间的期间，产热构件16所产生的热通过传导而传递至热沉组件10，通过第一框架30导热至第一相变材料20，在第一相变材料20中吸收热。然后，将热从第一相变材料20穿过中间导热结构50而传导地传递至第二相变材料22。第二相变材料22与第一相变材料20相比在更高的温度下发生相变。然后，可以将热通过框架40而传导至环绕热沉组件10的最终的热沉。以该方式，将理解到，将热从第二相变材料22传递至热沉组件10的外部的材料。虽然未图示，但框架40的外表面可以包括暴露于最终的热沉的翅片。最终的热沉可能是气体、液体或固体材料。在气体的情况下，热沉典型地为空气。在液体的情况下，热沉典型地为水或乙二醇。在固体的情况下，热沉可能是与发射辐射面连接的热管。

在此意义上，在瞬时持续时间的期间，在PCB的散热的期间，第一相变材料20和第二相变材料22提供用于蓄热的物理材料。在异常地高的热或持续时间久的瞬时热状况的期间，第一相变材料20和第二相变材料22将熔融，从固体相变成液体或从液体相变成气体。这些相变允许第一相变材料20和第二相变材料22在高热瞬时循环的期间吸收另外的热，以便稍后耗散。在这样的场景下，在运行循环的低热部分的期间发生的随后的热释放后，第一相变材料20和第二相变材料22就将相变回到原来的状态。第一相变材料20和第二相变材料22的相变温度的差异允许不同的类型的热负荷的序列传导。这包括能够立即处理来自电子热源和环境源的热负荷。而且，热沉组件10可以用于涵盖更广的温度范围。

在瞬时热持续时间或瞬时热状况的另一示例(例如，白昼的太阳能加热事件或第二相变材料22所定位于的外表面上的高能源的冲击)中，第一相变材料20和/或第二相变材料22中的至少一个可以吸收热负荷的至少一部分，并且，通过吸收热负荷的至少一部分，可以防止热负荷的至少一部分到达电子构件16。换句话说，第一和/或第二相变材料20、22中的至少一个可以吸收起源于构件以及来自环境的瞬时热负荷。

另外的散热装置可以联合示范的实施例(诸如，空气冷却翅片或液体冷却通道)而使用，来为提高的热缓解作准备。此外，整个热沉组件10的结构可以涂布或涂装有发射率高且光泽度低的黑色材料，以确保有效地辐射传热至周围环境。

图2A-2C图示按照本主题创新的方面的另外的或备选的热沉组件110。热沉组件110具有一些与热沉组件10共同的特征；因此，相似的零件将以按100增加的相似的数字识别，理解到，热沉组件10的相似的零件的描述适用于热沉组件110，除非另有注释。

图2A提供图示室142(参见图2C)可以具有正方形的横截面的透视图。如在图2B中更清楚地看到的，一个差异是，框架130已图示为具有翅片134，并且，中间导热结构150已图示为具有由壁部154形成的多个室156。第一相变材料120定位于室156内(在图2C中更清楚地看到)，并且，翅片134延伸至室156中。中间导热结构150(如热沉组件10)包括翅片152，翅片152延伸至定位于框架140内的第二相变材料122中。

除了通过框架130及其翅片134而导热至存放于中间导热结构150中的第一相变材料120中之外，热沉组件110与热沉组件10类似地运行。从第一相变材料120通过中间导热结构150及其翅片152而导热至第二相变材料122中，然后，在第二相变材料122中，可以通过框架140而导热至最终的热沉材料中。

图3A-3B图示按照本主题创新的方面的另外的或备选的热沉组件210。热沉组件210具有一些与热沉组件10共同的特征；因此，相似的零件将以按200增加的相似的数字识别，理解到，热沉组件10的相似的零件的描述适用于热沉组件210，除非另有注释。

一个差异是，中间导热结构250图示为不具有翅片的薄板。虽然不包括翅片，但中间导热结构250仍然形成第一相变材料220与第二相变材料222之间的热界面。中间导热结构250还创建用于使第一相变材料220与第二相变材料222隔离的屏障，以确保这两种相变材料不混合。

图4A-4B图示按照本主题创新的方面的另外的或备选的热沉组件310。热沉组件310具有一些与热沉组件10共同的特征；因此，相似的零件将以300系列中的相似的数字识别，理解到，热沉组件10、热沉组件110或热沉组件210的相似的零件的描述适用于热沉组件310，除非另有注释。

正如热沉组件10，框架330保持第一相变材料320。不同于热沉组件10，框架330的壁部334限定单个室332，在室332内，保持第一相变材料320。另一差异是，中间导热结构350包括第一侧354，第一侧354为平坦的，并且，包括翅片352，翅片352从其另一侧延伸至存储于第二框架340中的第二相变材料322中。

本文中所公开的实施例提供具有至少两个相变材料的热沉组件。上述的实施例具有优于具有空气冷却翅片或液体冷却构件的常规的冷却组件的优异的重量和尺寸的优点。在所提出的相变材料布置的情况下，能够在瞬时热状况的期间不利用另外的散热元件来实现高散热，因为，相变材料的可靠的吸热是固有的，提供物理材料内的蓄热，以便稍后在较低的产热条件的期间释放。此外，即使当构件不具有高热瞬时条件时，也能够实现更高的构件可靠性，因为，在稳态运行或降低的环境冷却条件(诸如，在高的太阳能环境下改变成环境温度)的期间，相变材料提供卓越的散热性质。

而且，与具有空气或液体冷却的组件相比，上述的组件具有减少的数量的零件和较少的电气消耗，导致整个系统固有地更可靠。这导致重量较低、尺寸较小、性能提高且可靠性提高的系统。较低的数量的零件和减少的维护将导致较低的生产成本和较低的运行成本。减轻的重量和缩小的尺寸与竞争优势相互关联。

在电子功耗循环热负荷的期间，以及在白昼环境循环的期间，瞬时功耗模式为共同的。瞬时功耗模式存在于脉冲激光、雷达、医学成像、耗散至燃料中的散热以及在相对短的持续时间的期间期望高散热的其他瞬时热负荷应用。上述的实施例可以提供用于与环境温度改变和太阳能载荷条件下的温度控制有关的循环热负荷和白昼改变的适当的冷却。上述的实施例提供集成散热构件的紧凑且低成本的解决方案，从而满足关于瞬时循环热负荷的恶劣的环境瞬时要求。

在某种程度上尚未描述，当期望时，各种各样的实施例的不同的特征和结构可以彼此组合而使用。一些特征可能未在所有的实施例中图示，但如果期望，则可以实施。因而，当期望时，可以使不同的实施例的各种各样的特征混合而匹配，以形成新的实施例，无论是否明确地描述新的实施例。本公开涵盖本文中所描述的特征的所有的组合或置换。

本书面描述使用示例来公开本发明(包括最佳模式)，并且还允许本领域任何技术人员实践本发明，包括制作并使用任何装置或系统和执行任何并入的方法。本发明的专利范围由权利要求限定，并且，可以包括本领域技术人员所想到的其他示例。如果这样的其他示例具有并非与权利要求的字面语言不同的结构元件，或如果这些示例包括与权利要求的字面语言无实质的差异的等效的结构元件，则这些示例旨在属于权利要求的范围内。

Claims (15)

1.一种用于与至少一个放热构件一起使用的热沉组件，包括：

第一相变材料，其传导地联接至所述至少一个放热构件，且在第一温度下发生相变；

保持所述第一相变材料的第一框架，所述第一框架包括限定多个室的第一壁部；

第二相变材料，其传导地联接至所述第一相变材料，且在比所述第一温度更大的第二温度下发生相变；

保持所述第二相变材料的第二框架，所述第二框架包括限定多个室的第二壁部；以及

位于所述第一框架与所述第二框架以及所述第一相变材料与所述第二相变材料之间的中间导热结构，所述中间导热结构与所述第一框架和所述第二框架分离；

其中，所述第一相变材料响应于来自所述放热构件的传导性传热而发生相变，并且，所述第二相变材料响应于来自所述第一相变材料的传导性传热而发生相变。

2.根据权利要求1所述的热沉组件，其特征在于，所述中间导热结构还包括延伸到所述第一相变材料和所述第二相变材料中的至少一个中的多个翅片。

3.根据权利要求1所述的热沉组件，其特征在于，所述第二框架还包括翅片。

4.根据权利要求1所述的热沉组件，其特征在于，所述第一框架的至少一部分是传导性的。

5.根据权利要求4所述的热沉组件，其特征在于，所述至少一部分与所述至少一个放热构件直接接触。

6.根据权利要求1所述的热沉组件，其特征在于，热从所述第二相变材料传递至所述热沉组件的外部的材料。

7.一种用于与至少一个放热构件一起使用的热沉组件，包括：

具有多个第一室的第一框架，其保持在第一温度下发生相变的第一相变材料，其中，所述第一框架具有传导地联接至所述至少一个放热构件的至少一部分；

具有多个第二室的第二框架，其保持在比所述第一温度更大的第二温度下发生相变的第二相变材料；以及

传导性元件，其在所述第一框架与所述第二框架以及所述第一相变材料与所述第二相变材料之间限定结构屏障，与所述第一框架和所述第二框架分离，并且，将所述第一相变材料和所述第二相变材料传导地联接；

其中，所述第一相变材料响应于来自所述放热构件的传导性传热而发生相变，并且，所述第二相变材料响应于来自所述第一相变材料的传导性传热而发生相变。

8.根据权利要求7所述的热沉组件，其特征在于，所述传导性元件还包括延伸到所述第一相变材料或所述第二相变材料中的多个翅片。

9.根据权利要求7所述的热沉组件，其特征在于，所述传导性元件还包括延伸到所述第一相变材料和所述第二相变材料中的多个翅片。

10.根据权利要求7所述的热沉组件，其特征在于，所述第一相变材料是石蜡，并且，所述第二相变材料是不同的石蜡。

11.根据权利要求7所述的热沉组件，其特征在于，所述第二框架具有是传导性的至少一部分。

12.根据权利要求7所述的热沉组件，其特征在于，所述第一相变材料或所述第二相变材料包括添加材料，以用于高辐射传热发射率。

13.根据权利要求7所述的热沉组件，其特征在于，所述第一框架和所述第二框架配置为蜂窝。

14.根据权利要求7所述的热沉组件，其特征在于，所述第二框架还包括翅片。

15.根据权利要求7所述的热沉组件，其特征在于，热从所述第二相变材料传递至所述热沉组件的外部的材料。