CN107577321B

CN107577321B - 一种基于相变材料的散热器

Info

Publication number: CN107577321B
Application number: CN201711015381.0A
Authority: CN
Inventors: 张靖驰; 金兆国; 张雅倩; 党广洲; 纪旭阳; 陈建; 丁颇
Original assignee: Aerospace Research Institute of Materials and Processing Technology
Current assignee: Aerospace Research Institute of Materials and Processing Technology
Priority date: 2017-10-26
Filing date: 2017-10-26
Publication date: 2023-09-29
Anticipated expiration: 2037-10-26
Also published as: CN107577321A

Abstract

本发明涉及一种基于相变材料的散热器，所述散热器包括相变装置，至少一根热管，多片散热翅片和风扇；所述相变装置包括外壳和位于所述外壳内的用于填充相变材料的内腔；所述外壳设有位于所述内腔外的过孔，所述热管具有吸热段和放热段，吸热段穿过所述过孔并且放热段向上延伸；所述热管的放热段套装多片散热翅片；所述多片散热翅片的一侧加装风扇。本发明提供的散热器密封性好、散热能力强、散热稳定性好，能延长CPU等电子元器件的工作时间，提高电子元器件工作的可靠性、稳定性及使用寿命。

Description

一种基于相变材料的散热器

技术领域

本发明涉及电子温控领域，尤其涉及一种用于CPU散热的基于相变材料的散热器。

背景技术

中央处理器(CPU)是电脑的核心电子元器件，随着人们对计算机计算能力需求的增加，CPU计算负荷也越来越大。目前计算机CPU的功耗已经达到80W左右，表面热流密度高达10⁴～10⁵W/m²。高功率、高频率的计算导致CPU温度升高，缩短了CPU的使用寿命，降低了CPU的性能。

相变材料在相变过程中伴随着大量的相变潜热，能够吸收或释放大量的能量且相变过程近似等温，利用相变材料这一特性可以实现对物体的温度控制，它在航空航天、太阳能利用、热能回收等领域有广泛的应用前景。

热管是一种具有很高传热能力的元件，它能够把大量的热通过很小的截面积远距离地传输并且无需外加动力，具有卓越的传热效率及可靠性、隔离性、低阻力、体积小、可控制等优点。

将相变材料的储热技术与热管的传热技术有效地结合起来，实现对电子元器件热功耗的快速转移、定向储存的功能，从而达到对电子元器件温度控制的作用。

中国专利申请CN201610067053公开了一种基于金属相变材料和热管的一体化散热器，该装置中的金属相变材料和热管嵌合在一起，且热管的吸热端穿过容纳相变材料的腔体，使得腔体密封不严实，导致金属相变材料容易泄露；在腔体容纳有相变材料的情况下，在制造或者维修的过程中进行焊接时容易破坏内部的相变材料的性质，导致相变材料性能劣化；金属相变材料具有腐蚀性，热管与相变材料直接接触，容易造成热管腐蚀，缩短散热器的使用寿命，虽然可通过对腔体内表面以及热管的外表面进行镀层处理或氧化处理，可以在一定程度上防止腔体或热管被低熔点金属腐蚀，但是如此会增加制作工序，增加制作成本，而且热管外壳材料一般为铜，而铜的表面处理工艺复杂；此外，热管的放热端穿插在相变材料之中，热管会将吸收的热量快速高效传递到整个相变材料的内部，而不是直接散失到空气中，增加了相变材料的吸热负担；相变材料熔融之前会导致短时间内热量存储在相变材料之中而无法散失至空气之中，即使热管外部加装翅片(翅片也置于腔体内，未直接与外部环境直接接触)以及腔体外部加装散热翅片辅助散热也无法避免地给相变材料造成散热压力，使得相变材料散热不稳定，存在引起热源温度过高的隐患，容易造成电子元器件工作不可靠或不稳定。

发明内容

为了解决一个或者多个技术问题，本发明提供了一种密封性好、散热能力强、散热稳定性好的基于相变材料的散热器，从而延长电子元器件的工作时间，提高电子元器件工作的可靠性与稳定性。

本发明提供了一种基于相变材料的散热器，所述散热器包括相变装置，至少一根热管，多片散热翅片和风扇；所述相变装置包括外壳和位于所述外壳内的用于填充相变材料的内腔；所述外壳设有位于所述内腔外的过孔，所述热管具有吸热段和放热段，吸热段穿过所述过孔并且放热段向上延伸；所述热管的放热段套装多片散热翅片；所述多片散热翅片的一侧加装风扇。

优选地，所述相变装置还包括盖板；所述内腔靠近所述盖板的一侧套设有密封圈。

优选地，所述过孔设置在所述内腔的下方；和/或所述热管为U形热管，所述热管的吸热段横向穿过所述过孔。

优选地，所述多片散热翅片具有供热管穿过的通孔，所述热管穿过所述通孔从而使得所述多片散热翅片套装在所述热管上。

优选地，所述热管的数量为3～5根，所述热管的直径为6～8mm；所述散热翅片的数量为30～50片；所述风扇的直径为90～150mm。

优选地，所述内腔呈圆柱状，所述内腔的直径为36～38mm，长度为45～48mm；所述相变装置呈长方体状，长度为50mm，宽度为50mm，并且高度为60mm。

优选地，所述外壳的材料为铝合金；所述热管的管壁的材料为铜；所述散热翅片的材料为铝合金或铜。

优选地，所述相变材料为相变温度为60～86℃的固液相变材料；所述热管内部的介质材料的沸点温度低于所述相变材料的相变温度，优选的是，所述介质材料的沸点温度比所述相变材料的相变温度低10～15℃。

优选地，所述相变材料为导热相变材料；所述导热相变材料包含相变材料和导热填料。

优选地，所述导热填料为泡沫铜；所述泡沫铜的孔密度为20～40ppi，孔隙率为85％～95％。

本发明与现有技术相比至少具有如下有益效果：

1、本发明将相变材料的储热技术与热管的传热技术有效地结合起来，实现对电子元器件热功耗的快速转移的功能，从而达到对电子元器件温度控制的作用。

2、本发明中相变材料填充在相变材料的内腔内，且通过密封圈(例如硅橡胶密封圈)和盖板(例如螺栓紧固盖板)进一步实现了对相变装置的密封，相变装置的密封性好，相变材料不会泄露；此外，盖板的设置还便于更换相变装置中的相变材料，进一步延长了本发明散热器的使用寿命。

3、本发明中相变材料填充在内腔内，热管从外壳的过孔穿过，相变材料不与热管直接接触，不存在相变材料腐蚀热管的问题；且相变材料和热管吸收的热量直接向空气中散失，即使在相变材料达到相变温度熔融之前，热管也会将相变材料吸收的热量高效快速地传递给散热翅片，利用风扇带走，因而相变材料不存在散热压力的问题，使得本发明中的散热器散热能力强，散热稳定性好。

4、本发明作为CPU等电子元器件的散热器，前期热量是优先通过热管、翅片和风扇散热的，只有在较高的温度(例如相变温度)下，相变材料才发挥主要作用，减少了相变材料吸热负担，延长了相变材料的使用寿命；本发明可延长电子元器件的工作时间，提高电子元器件工作的可靠性、稳定性及使用寿命。

附图说明

图1是本发明的散热器的一个具体实施方式的立体示意图。

图2是图1所示散热器的正视图。

图3是图1所示散热器的侧视图。

图4是图1所示散热器的仰视图。

图5是图1所示散热器所采用的盖板的示意图。

图6是本发明中的相变装置的一个具体实施方式在去掉盖板的情况下的立体示意图。

图7是图6所示的相变装置的正视图。

图8是沿着图7所示的A-A线剖取的剖视图。

图中：1：外壳；2：热管；3：散热翅片；4：风扇；5：内腔；6：盖板；7：密封圈；8：过孔；9：通孔。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种基于相变材料的散热器，如图1所示。所述散热器包括相变装置，至少一根热管2，多片散热翅片3和风扇4；所述相变装置包括外壳1和位于所述外壳1内的用于填充相变材料的内腔5；所述外壳1设有位于所述内腔5外的过孔8，所述热管2具有吸热段和放热段，吸热段穿过所述过孔8并且放热段向上延伸；所述热管2的放热段套装多片散热翅片3；所述多片散热翅片3的一侧加装风扇4。

在本发明中，所述风扇4优选为加装在与所述多片散热翅片垂直的侧面。所述热管2的吸热段穿过所述过孔8并以焊接的方式固定，所述热管2的放热段向上延伸且与所述相变装置的底部垂直。本发明中的相变装置作为热沉，放置在CPU等电子元器件之上。

根据一些优选的实施方式，所述相变装置还包括盖板6(例如螺栓紧固盖板)，如图5所示。所述内腔5靠近所述盖板6的一端套设有密封圈7(例如硅橡胶密封圈)，如图6所示。所述盖板6和密封圈7的设置有助于对相变装置的进一步密封，提高相变装置的密封性；且所述盖板6的设置还便于更换内腔5内填充的相变材料。

根据一些优选的实施方式，所述过孔8设置在所述内腔5的下方；所述热管2为U形热管，所述热管2的吸热段横向穿过所述过孔8。

根据一些优选的实施方式，所述多片散热翅片3具有供热管2穿过的通孔9，所述热管2穿过所述通孔9从而使得所述多片散热翅片3套装在所述热管2上。在本发明中，例如，所述多片散热翅片3以焊接的方式固定套装在所述热管2上，所述热管2可以延伸出多片散热翅片3中的最上层散热翅片，也可以与多片翅片3中的最上层散热翅片平齐。

根据一些优选的实施方式，所述热管2的数量为3～5根(例如3、4或5根)，所述热管的直径为6～8mm(例如6、6.5、7、7.5或8mm)；所述过孔8的数量与所述热管2的数量相同。

根据一些优选的实施方式，所述散热翅片3的数量为30～50片(例如30、35、40、45或50片)。所述散热翅片3的设置可强化热管2向环境中的散热。

根据一些优选的实施方式，所述风扇4的直径为90～150mm(例如90、100、110、120、130、140或150mm)。本发明中风扇4可产生空气对流，能将散热翅片3的热量快速带走，使得电子元器件的温度迅速降低。

根据一些优选的实施方式，所述内腔5呈圆柱状，所述内腔5的直径为36～38mm(例如36、37或38mm)，长度为45～48mm(例如45、46、47或48mm)，所述内腔5水平方向设置；所述相变装置呈长方体状，长度为50mm，宽度为50mm，并且高度为60mm。

本发明中相变装置的尺寸、热管2的数量及尺寸、散热翅片3的数量和风扇4的尺寸的选择是为了能适合现有的各种CPU，便于安装。特别地，也可以根据其它的电子元器件的尺寸设计成与本发明不一样的尺寸。

根据一些优选的实施方式，所述外壳1的材料为铝合金；所述热管2的壳体的材料为铜；所述散热翅片3的材料为铝合金或铜。

根据一些优选的实施方式，所述相变材料为相变温度为60～86℃(例如60、62、64、66、68、70、72、73、78、83或86℃)的固液相变材料；优选的是，所述固液相变材料为常温下为固体的有机固液相变材料，例如可以为癸二醇、正三十烷醇或石蜡类相变材料等。所述热管2内部的介质材料的沸点温度低于所述相变材料的相变温度，优选的是，所述介质材料的沸点温度比所述相变材料的相变温度低10～15℃。所述热管2内部的介质材料的沸点温度低于相变材料的相变温度，可以在相变装置中的相变材料未达到相变温度之前，或者相变装置中的相变材料未开始发生固液相变过程前，将相变装置从电子元器件吸收的热量快速传送走。

根据一些优选的实施方式，所述相变材料为导热相变材料；所述导热相变材料包含相变材料和导热填料；所述导热填料为泡沫铜；所述泡沫铜的孔密度为20～40ppi(例如20、25、30、35或40ppi)，孔隙率为85％～95％(例如85％、86％、88％、90％、92％或95％)。所述相变材料为导热相变材料，其中的导热填料例如泡沫铜可以提高相变材料的导热性，从而提高相变装置的散热能力。在本发明中，所述导热填料占所述导热相变材料的质量百分比含量优选为1％～30％。

本发明中的相变装置的内腔体积约为50cm³，内腔内填充相变材料以及一些导热填料，通过相变潜热能够吸收的热量约为10kJ。相变装置能够起到降低CPU短时大功率带来的温升，减小CPU温度波动的范围，从而提高CPU工作的稳定性、可靠性，延长CPU的使用寿命。

当CPU正常工作时，CPU产生的热量通过热管2传递到散热翅片3散热，依靠风扇4产生的空气对流，将散热翅片3的热量带走。

当CPU高速计算时，CPU功率加大，温度上升(温度＞60℃)，CPU的热量会被相变材料吸收，相变装置中的相变材料开始发生固液相变过程，该过程中相变材料会吸收热量且温度维持在相变材料的相变温度附近，以实现散热，从而达到对CPU温度控制的目的。

实施例1

制造一种基于相变材料的CPU散热器，其中相变装置作为热沉，放置在CPU电子元器件之上。4根直径为7mm的热管从相变装置外壳的过孔穿过，40片散热翅片焊接套在4根热管上，散热翅片的一侧安装直径为120mm的风扇。

所述相变装置的长度为50mm，宽度为50mm，高度为60mm；所述内腔的直径为37mm，长度46mm，内腔内填充导热相变材料。所述导热相变材料由60℃相变材料和泡沫铜组成，其中泡沫铜占所述导热相变材料的体积百分比为5％。

相变装置的外壳的材料为铝合金，热管的材料为铜，散热翅片的材料为铝合金，相变装置通过硅橡胶密封圈和螺栓紧固盖板进行密封。

将实施例1的散热器应用于CPU散热，风扇提供的风速为2m/s，散热器的散热能力能达到160W。

实施例2

实施例2实施例1基本相同，不同之处如表1所示。

实施例3

实施例3与实施例1基本相同，不同之处如表1所示。

实施例4

实施例4与实施例1基本相同，不同之处在于：所述相变装置的内腔内只填充60℃相变材料，不填充泡沫铜。

实施例4的散热器的散热能力如表1所示。

对比例1

对比例1与实施例1基本相同，不同之处在于：

所述相变装置仅由填充了60℃相变材料和泡沫铜的腔体组成，所述热管穿过填充了相变材料和泡沫铜的腔体，与相变材料和泡沫铜直接接触。所述热管放热段加装散热翅片，所述散热翅片的一侧加装风扇。

对比例1的散热器的散热能力如表1所示。

对比例2

对比例2与对比例1基本相同，不同之处在于：

对相变装置的腔体内表面、热管的壳体进行氧化处理；所述腔体内填充铋铟锡合金金属相变材料。

对比例2的散热器的散热能力如表1所示。

表1：实施例1-4以及对比例1-2的实施结果。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种基于相变材料的散热器，其特征在于：

所述散热器包括相变装置，至少一根热管(2)，多片散热翅片(3)和风扇(4)；

所述相变装置包括外壳(1)和位于所述外壳(1)内的用于填充导热相变材料的内腔(5)；

所述外壳(1)设有位于所述内腔(5)外的过孔(8)，所述热管(2)具有吸热段和放热段，吸热段穿过所述过孔(8)并且放热段向上延伸；所述过孔(8)设置在所述内腔(5)的下方；所述热管(2)为U形热管，所述热管(2)的吸热段横向穿过所述过孔(8)；

所述热管(2)的放热段套装多片散热翅片(3)；

所述多片散热翅片(3)的一侧加装风扇(4)；

所述导热相变材料包含相变材料和导热填料，所述相变材料为相变温度为60～86℃的固液相变材料；

所述热管(2)内部的介质材料的沸点温度低于所述相变材料的相变温度10～15℃；

所述散热器为CPU散热器；

当CPU正常工作时，CPU产生的热量通过热管(2)传递到散热翅片(3)散热，依靠风扇(4)产生的空气对流，将散热翅片(3)的热量带走；

当CPU高速计算时，CPU功率加大，温度上升，CPU的热量会被相变材料吸收，所述相变装置中的相变材料开始发生固液相变过程，该过程中相变材料会吸收热量且温度维持在相变材料的相变温度附近，以实现散热，从而达到对CPU温度控制的目的。

2.根据权利要求1所述的散热器，其特征在于：

所述相变装置还包括盖板(6)；

所述内腔(5)靠近所述盖板(6)的一侧套设有密封圈(7)。

3.根据权利要求1所述的散热器，其特征在于：

所述多片散热翅片(3)具有供热管(2)穿过的通孔(9)，所述热管(2)穿过所述通孔(9)从而使得所述多片散热翅片(3)套装在所述热管(2)上。

4.根据权利要求1所述的散热器，其特征在于：

所述热管(2)的数量为3～5根，所述热管(2)的直径为6～8mm；

所述散热翅片(3)的数量为30～50片；

所述风扇(4)的直径为90～150mm。

5.根据权利要求1所述的散热器，其特征在于：

所述内腔(5)呈圆柱状，所述内腔(5)的直径为36～38mm，长度为45～48mm；

所述相变装置呈长方体状，长度为50mm，宽度为50mm，并且高度为60mm。

6.根据权利要求1所述的散热器，其特征在于：

所述外壳(1)的材料为铝合金；

所述热管(2)的管壁的材料为铜；

所述散热翅片(3)的材料为铝合金或铜。

7.根据权利要求1所述的散热器，其特征在于：

所述导热填料为泡沫铜；

所述泡沫铜的孔密度为20～40ppi，孔隙率为85％～95％。