CN107546201A - 一种耐液态金属高温腐蚀的散热器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种耐液态金属高温腐蚀的散热器，包括内部装有镓基液态金属工质的第一铝合金冷板，所述第一铝合金冷板的外表面与热源接触，所述第一铝合金冷板的内表面设置经阳极氧化处理的氧化层。本发明通过在第一铝合金冷板的内部设置经阳极氧化处理的氧化层，提高了耐液态金属高温腐蚀能力。

Description

一种耐液态金属高温腐蚀的散热器

技术领域

本发明涉及液态金属散热器技术领域，更具体地，涉及一种耐液态金属腐蚀的散热器。

背景技术

在高能半导体雷达、激光二极管、功率电子器件、GHz级LSI/V LSI电子芯片、高功率传感芯片等大功率光电设备运行过程中，其热流密度可达数百甚至数千瓦每平方厘米。在这种极高热流密度条件下，由于热量积聚导致的温升过高，是引起系统工作稳定性降低,出错率增加的主要原因。因此，高效的散热技术已成为制约其持续发展的技术瓶颈之一。

液态金属散热技术的具有如下优点：液态金属的热导率远高于水、空气及许多非金属介质，因而可以实现比水溶液更加高效的热量运输及极限散热能力；液态金属的高导电性使其可以采用无运动部件的电磁泵驱动，驱动效率高，能耗低，系统运行稳定可靠；液态金属不易蒸发，不易泄漏，物理化学性质稳定，易于回收，可保证系统安全高效运行。

然而，液态金属对大多数金属材料有腐蚀作用，尤其是对铝合金这一普遍采用的散热器结构材料。更为严重的是，在散热器运行过程中的高温与高流速条件下，液态金属的腐蚀问题将得到进一步加剧。由此造成的结构损坏与流体工质变质等问题将对散热器的稳定性与安全性构成严重威胁。随着大功率光电设备向更高功率的发展，迫切需要解决高温条件下液态金属散热工质对散热器结构材料的腐蚀问题。

发明内容

本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的耐液态金属高温腐蚀的散热器。

根据本发明的一个方面，提供一种耐液态金属高温腐蚀的散热器，包括内部装有镓基液态金属工质的第一铝合金冷板，所述第一铝合金冷板的外表面与热源接触，所述第一铝合金冷板的内表面设置经阳极氧化处理的氧化层。

优选地，所述第一铝合金冷板中设置至少一条装有所述镓基液态金属工质的第一流道，任意一条所述第一流道的表面设置所述氧化层，所述第一流道的一个侧面与所述热源接触，另一个侧面与第一铝合金冷板的散热片连接。

优选地，本发明的耐液态金属高温腐蚀的散热器还包括：

第二铝合金冷板，与所述第一流道通过管路连接，所述管路中设置驱动泵；

其中，所述第二铝合金冷板内部设置至少一条容纳所述镓基液态金属工质的第二流道，任意一条所述第二流道的表面设置经阳极氧化处理的氧化层。

优选地，所述第一铝合金冷板的两端分别设置一个第一通孔，任意一条所述第一流道的两端分别与两个第一通孔导通；

其中，所述第二铝合金冷板的两端分别设置一个第二通孔，任意一条所述第二流道的两端分别与两个第二通孔导通。

优选地，所述第一流道或第二流道中设置至少一个弧形区间。

优选地，所述镓基液态金属为镓、镓铟合金、镓铟锡合金、镓铟锡锌合金中的一种。

优选地，所述第一铝合金冷板或第二铝合金冷板包括以重量百分数计份的如下原料：

95-99wt％铝、0.1-1.0wt％硅、0.1-1wt％铁、0.1-1wt％铜、0.1-1wt％锰、0.1-3wt％镁、0.1-0.2wt％锌、0.01-0.1wt％铬以及0.01-0.1wt％镍。

本申请提出一种散热器，包括内部装有镓基液态金属工质的第一铝合金冷板，所述第一铝合金冷板的外表面与热源接触，所述第一铝合金冷板的内表面设置经阳极氧化处理的氧化层。本发明通过在第一铝合金冷板的内部设置经阳极氧化处理的氧化层，提高了耐液态金属高温腐蚀能力。

附图说明

图1为现有技术中镓基液体金属与铝合金常温下腐蚀2小时后的微观形貌及对应能谱图；

图2为根据本发明实施例的500℃时镓基液体金属与表面经过阳极氧化处理的铝合金接触2小时后的扫描电镜下的微观形貌及对应能谱图；

图3为根据本发明实施例的第一铝合金冷板的结构示意图；

图4为根据本发明实施例的散热器的结构示意图；

图5为根据本发明实施例的第一流道的结构示意图。

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。

为了应对不断增高的散热需求，针对高热流密度以及高温区的散热需求，现有技术采用液态金属作为散热工质的散热方式，但是液态金属对大多数金属材料有腐蚀作用，尤其是对铝合金这一普遍采用的散热器结构材料。更为严重的是，在散热器运行过程中的高温与高流速条件下，液态金属的腐蚀问题将进一步加剧。

以镓(Ga)基液态金属为例，镓元素和铝元素都属于第三主族元素，结构的相似性决定了两种金属可以形成固溶体。镓与铝基体相接触后，将会沿铝晶界渗入分布，这种渗入分布现象在室温下也会发生。图1为镓基液体金属与铝合金常温下腐蚀2小时后的微观形貌及对应能谱图，结果显示镓元素已经扩散至铝合金内部，并与铝形成了镓铝合金。镓铝合金在空气中，由于镓与铝基体的电位之间的差异形成微型腐蚀电池，镓铝合金中铝优先被电化学腐蚀。

由此造成的结构损坏与流体工质变质等问题将对散热器的稳定性与安全性构成严重威胁。随着大功率光电设备向更高功率的发展，迫切需要解决高温条件下液态金属散热工质对散热器结构材料的腐蚀问题。

为了克服现有技术的问题，本发明提供一种散热器，包括内部装有镓基液态金属工质的第一铝合金冷板，第一铝合金冷板的外表面与热源接触，第一铝合金冷板的内表面设置经阳极氧化处理的氧化层。当铝合金表面经过阳极氧化处理后，铝合金表面形成致密的氧化铝层，阻止了金属镓与铝基底的接触，图2示出了500℃下，镓基液体金属与经过阳极氧化处理的铝合金接触2小时后的扫描电镜下的微观形貌及对应能谱图，如图可知，铝合金表面仍保持良好的形貌，未被腐蚀。

具体地，第一铝合金冷板中设置至少一条装有镓基液态金属工质的第一流道，任意一条第一流道的表面设置氧化层，第一流道的一个侧面与热源接触，另一个侧面与第一铝合金冷板的散热片连接。

需要说明的是，为了保证第一铝合金冷板中液态金属工质的流动性，如图3所示，本实施例中第一铝合金冷板的一个侧面301为散热片，另一个侧面302的四个角通过螺钉与盖板固定，侧面302通过盖板与热源接触，盖板的材料同样为铝合金，在第一铝合金冷板中设置了一条S型的第一流道303，液体金属工质在规范设置的流道中，而不是在第一铝合金冷板中随意打通的通孔中流动，保证液态金属工质能够均匀的流动，在第一流道的表面和盖板的内表面设置经过阳极氧化处理形成的氧化层，有效防止高热流的液态金属对第一铝合金冷板造成腐蚀。

需要说明的是，更宽的流体通道能够使液体金属的流动性更高，同时降低液态金属湍流的风险，因此，在一个实施例中，将第一流道的纵向高度与第一铝合金冷板的高度的比值设置为0.8-0.9:1。

另外，当热源与第一铝合金冷板呈面与面的接触时，流道在热源所在平面上的投影越大，第一流道内液态金属热传导的效率越高，因此，在一个实施例中，第一流道的纵截面为S型。

在上述实施例中，如果只设置一条第一流道，显然第一流道的高度和宽度比将很小，因此，在上述实施例的基础上，本实施例将第一流道的个数设置为多个，每个第一流道的宽度设置为与S型的第一流道的高度一致，这样就使得流道的纵向截面不再扁平，更加促进液体金属的流动。

在上述实施例的基础上，将第一流道的纵截面设置为圆形，使第一流道内平面光滑平整、不再有棱角，能够进一步提高液态金属的流量，降低湍流的风险。

在上述实施例的基础上，如图4所示，本发明的散热器包括：第一铝合金冷板401，与热源402接触；第二铝合金冷板403，与第一铝合金冷板的第一流道通过管路404连接，管路404中设置驱动泵405；其中，第二铝合金冷板403内部设置至少一条容纳镓基液态金属工质的第二流道，任意一条第二流道的表面设置经阳极氧化处理的氧化层。

热源将热量传导至第一铝合金冷板中的液体金属，驱动泵405用于将液态金属在管路404中循环流动，当液体金属进入第二铝合金冷板时，第二铝合金冷板将液态金属携带的热量进行散热，随后液态金属再通过管路重新流至第一铝合金冷板中，如此周而复始地将热源的热量散至目标水平。

在上述实施例的基础上，本实施例中管路的材料为304不锈钢或内表面采用镀层处理的铜或铝合金，以此杜绝液态金属的腐蚀。

在上一个实施例的基础上，驱动泵采用无运动部件的电磁泵，具有能耗低，系统运行稳定可靠的优点。

在一个可选实施例中，第一铝合金冷板的两端分别设置一个第一通孔，任意一条第一流道的两端分别与两个第一通孔导通；其中，第二铝合金冷板的两端分别设置一个第二通孔，任意一条第二流道的两端分别与两个第二通孔导通。

需要说明的是，由于第一通孔和第二通孔的功能都是为了使液态金属能够在封闭的散热器中流动，并且第二铝合金冷板和第一铝合金冷板中流道的目的也都是为了液态金属流动，因此，以下以第一通孔来说明本发明中通孔的设计思路。

本实施例中第一铝合金冷板一侧的第一通孔仅有一个，并且将第一通孔与第一铝合金冷板中所有的第一流道导通，避免设置多个第一通孔，导致开孔麻烦。对于孔洞的阳极氧化工艺的处理，相比平面的处理要复杂一些，减小开孔的数量，能够提高阳极氧化工艺的效率。

在上述实施例的基础上，第一流道或第二流道中设置至少一个弧形区间，例如，第一流道或第二流道可以采用圆形、椭圆形、矩形、三角形、Z型、M型、W型等等。需要说明的是，弧形区间是相对于直线区间而言的，例如，对于如图5中的第一流道来说，弧形区间为501，直线区间为502和503，通过设置弧形区间，能够延长液态金属在流道中的流动距离和流道时间，使液态金属携带更多的热量。

在选择镓基液态金属的材料时，本发明实施例中可以选用镓、镓铟合金、镓铟锡合金、镓铟锡锌合金中的一种。

从合金相图中可知，纯镓的熔点为29℃，镓的含量决定着合金的熔点。所选择的元素含量范围，保证了液态金属的熔点范围在10-30℃之间，在室温下即可保持液态，利用液态金属的高热导率与流动性，可以实现热量的快速传输，满足大功率高热流密度器件的散热需求。

在上述实施例的基础上，镓基液态金属为镓、镓铟合金、镓铟锡合金、镓铟锡锌合金中的一种。

在一个实施例中，镓基液态金属还可以包括以重量百分数计份的如下原料：60-90wt％镓、0-30wt％铟、0-30wt％锡以及0-2wt％锌。在该实施例的基础上，镓基液态金属包括75.5wt％镓和24.5wt％铟。

在一个实施例中，第一铝合金冷板或第二铝合金冷板包括以重量百分数计份的如下原料：

95-99wt％铝、0.1-1.0wt％硅、0.1-1wt％铁、0.1-1wt％铜、0.1-1wt％锰、0.1-3wt％镁、0.1-0.2wt％锌、0.01-0.1wt％铬以及0.01-0.1wt％镍。

在一个优选实施例中，第一铝合金冷板或第二铝合金冷板包括以重量百分数计份的如下原料：

97.1wt％铝、0.3wt％硅、0.7wt％铁、0.3wt％铜、0.15wt％锰、1.0wt％镁、0.25wt％锌、0.1wt％铬以及0.1wt％镍。

需要说明的是，铜和镍元素在高温下与镓元素形成固溶和金属间化合物，阳极氧化过程中铜和镍元素会进入阳极氧化层中，与镓元素长时间接触，进而造成阳极氧化层的损失，进而影响散热器的寿命，因此，铜和镍元素的含量相对较少。

本实施例对铝合金进行阳极氧化处理的方法采用脉冲阳极氧化工艺，脉冲频率400Hz，占空比1:1，平均电流密度2-4.5A/dm²，阳极氧化时间30-90min，阳极氧化温度20±2℃，混合电解液包括硫酸150-300g/L、草酸20-50g/L和三乙醇胺30-60g/L。需要说明的是，阳极氧化过程中以经过前处理的铝合金作为阳极，石墨板为阴极，所用电源频率、正负占空系数及电压可连续调节。所用试剂，例如硫酸、草酸、三乙醇胺均为分析纯AR。

在一个实施例中，前处理的步骤包括：对铝合金进行第一次水洗，随后进行碱洗以除油脱脂，再进行第二次水洗，随后进行酸洗以除去铝合金表面的氧化层，再进行第三次水洗，即完成前处理过程。

最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种耐液态金属高温腐蚀的散热器，包括内部装有镓基液态金属工质的第一铝合金冷板，所述第一铝合金冷板的外表面与热源接触，其特征在于，所述第一铝合金冷板的内表面设置经阳极氧化处理的氧化层。

2.如权利要求1所述的耐液态金属高温腐蚀的散热器，其特征在于，所述第一铝合金冷板中设置至少一条装有所述镓基液态金属工质的第一流道，任意一条所述第一流道的表面设置所述氧化层，所述第一流道的一个侧面与所述热源接触，另一个侧面与第一铝合金冷板的散热片连接。

3.如权利要求2所述的耐液态金属高温腐蚀的散热器，其特征在于，还包括：

第二铝合金冷板，与所述第一流道通过管路连接，所述管路中设置驱动泵；

其中，所述第二铝合金冷板内部设置至少一条容纳所述镓基液态金属工质的第二流道，任意一条所述第二流道的表面设置经阳极氧化处理的氧化层。

4.如权利要求2所述的耐液态金属高温腐蚀的散热器，其特征在于，所述第一铝合金冷板的两端分别设置一个第一通孔，任意一条所述第一流道的两端分别与两个第一通孔导通；

其中，所述第二铝合金冷板的两端分别设置一个第二通孔，任意一条所述第二流道的两端分别与两个第二通孔导通。

5.如权利要求4所述的耐液态金属高温腐蚀的散热器，其特征在于，所述第一流道或第二流道中设置至少一个弧形区间。

6.如权利要求1-5任意一项所述的耐液态金属高温腐蚀的散热器，其特征在于，所述镓基液态金属为镓、镓铟合金、镓铟锡合金、镓铟锡锌合金中的一种。

7.如权利要求3所述的耐液态金属高温腐蚀的散热器，其特征在于，所述第一铝合金冷板或第二铝合金冷板包括以重量百分数计份的如下原料：

95-99wt％铝、0.1-1.0wt％硅、0.1-1wt％铁、0.1-1wt％铜、0.1-1wt％锰、0.1-3wt％镁、0.1-0.2wt％锌、0.01-0.1wt％铬以及0.01-0.1wt％镍。