CN109413938A - 一种复合材料轻质高效冷却方法及装置 - Google Patents

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Abstract

一种复合材料轻质高效冷却方法及装置，涉及航空及航天电子设备冷却领域；本发明的冷却装置利用高导热碳纤维的高效传热性能，结合结构碳纤维复合材料的高力学性能，并与高热流密度气冷/液冷/相变等主动冷却技术耦合，为高功率的机载/箭载/星载电子器件提供有效散热。电子发热器件借助液态金属与高导热碳纤维复合材料导热部件热端相连接，通过复合材料中的连续高导热碳纤维束结构将热量快速从热端传递到冷端，冷端同样借助液态金属与液冷管路/风冷散热器相连接，将热量传递至外界环境。本发明所述装置实现了高发热功率电子芯片的长距离热量传递与散热，同时相比同性能铝合金、钛合金类散热，装置减重25％以上。

Description

一种复合材料轻质高效冷却方法及装置
技术领域
本发明涉及航天/航空电子系统的热管理领域，特别是一种服务于机载/箭载/星载电子系统的高导热碳纤维散热器。
背景技术
目前国内外绝大多数科研机构与换热器生产厂家使用金属材料制作电子器件散热器，包括金属散热翅片以及金属冷板、金属热管等。所申请的相关发明集中在提高金属散热器冷却效率，减少金属散热器中的冷却液流动阻力以及降低金属散热器接触热阻等方面，并不适用于重量以及冷却效率同时要求苛刻的机载/箭载/星载电子器件冷却领域。轻质碳基复合材料具有密度低、强度高、复合功能性强等优势，正逐步替代金属材料，成为航空/航天应用的首选。
在力学与热学性能方面，碳基复合材料与金属材料不同，具有各向异性的特点。但在现有的设计规范中，例如GJB/Z27-92《电子可靠性热设计手册》，也是基于铜、铝等热导率各向同性金属材料，并未包含比热导率更高但热导率各向异性的碳纤维导热复合材料。为填补如上空白，需要研制使用高导热碳纤维复合材料的机载/箭载/星载冷却装置，并提出相应设计理念的实现方法。
发明内容
本发明的目的在于克服高功率电子器件难以有效散热而且金属散热器载荷偏重的技术不足，提供一种碳纤维复合材料高效散热器，利用高导热连续碳纤维的高效热传输能力(密度<2000kg·m-3、导热系数>450W·m-1·K-1)，将电子器件发生的热量以导热方式快速传递至风冷/液冷部件，从而快速带走电子系统工作时发出的热量。
本发明所述冷却装置本发明面向机载/箭载/星载电子器件冷却应用领域，使用轻质高导热碳纤维复合材料制作轻质散热器，替代高密度的铜、铝等常规散热器，对航天/航空电子系统的产热进行有效热管理，同时实现高功率散热与整体减重的双重目标。
本发明的一种应用实例(机载电子设备冷却装置)可以提升冷却效率30％，同时减重25％。
本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：一种轻质高效冷却方法，利用高导热连续碳纤维的高效热传输能力，将电子器件发生的热量以导热方式快速传递至风冷/液冷部件，从而带走电子器件工作时发出的热量；所述的高导热连续碳纤维的密度<2000kg·m-3、沿连续碳纤维方向的一维热导率>450W·m-1·K-1。
一种轻质高效冷却装置，包括支撑件、高导热碳纤维导热组件、液态金属3、风冷散热部件；高导热碳纤维导热组件的纤维丝束沿传热路径平行排布，高导热碳纤维导热组件由支撑件进行支撑，高导热碳纤维导热组件的一侧通过液态金属与待冷却电子器件的发热面连接，另一侧通过液态金属与风冷部件连接；所述的高导热碳纤维导热组件材料密度<2000kg·m-3、沿连续碳纤维方向的一维热导率>450W·m-1·K-1；支撑件选用碳纤维结构复合材料。
一种轻质高效冷却装置，包括支撑件、高导热碳纤维导热组件、液态金属、液冷散热部件；高导热碳纤维导热组件的纤维丝束沿传热路径平行排布，高导热碳纤维导热组件由支撑件进行支撑，高导热碳纤维导热组件的一侧通过液态金属与待冷却电子器件的发热面连接，另一侧通过液态金属与液冷部件连接；所述的高导热碳纤维导热组件材料密度<2000kg·m-3、沿连续碳纤维方向的一维热导率>450W·m-1·K-1；支撑件选用碳纤维结构复合材料。
进一步的，所述的液冷散热部件采用液体强制对流冷却形式、或热管冷却形式。
进一步的，采用液体强制对流冷却形式时，液冷散热部件包括液体强化散热部件以及液冷通道；
液冷通道通过液态金属与高导热碳纤维导热组件连接，液体强化散热部件装配在液冷通道液体侧壁面上，通过液冷通道的冷却液强制对流方式带走流经高导热碳纤维导热组件的热量。
进一步的，所述的液体强化散热部件采用内翅片形式，内翅片面积正比与之相连的高导热碳纤维导热组件的纤维密度。
进一步的，所述的液冷通道采用导热系数>100W·m-1·K-1的金属材料。
进一步的，所述的液冷散热部件由3D打印工艺一体化成型。
进一步的，液态金属的熔点低于支撑件、高导热碳纤维导热组件的许用温度，热导率不低于50W·m-1·K-1，通过液态金属实现高导热碳纤维导热组件2与其所连接部件之间的接触热阻不高于3.5m2·K·W-1。
进一步的，所述的风冷散热部件采用气流对流冷却形式或者辐射冷却、热电冷却形式。
进一步的，所述的气流对流冷却形式采用风冷散热部件通过液态金属与高导热碳纤维导热组件，风冷散热部件的散热面积与高导热碳纤维导热组件的纤维密度成正比。
上述装置适用于机载/箭载/星载电子器件的冷却。
本发明使用高强度碳纤维复合材料，作为冷板基板，满足力学强度要求。在基板内部嵌入轻质的高导热复合材料，作为热流通道，连接发热的电子芯片及PCB板与冷却液，将电子器件发出的热或导到风冷散热器或冷却液。该装置使用硬质且表面光滑、耐磨的材料作为高导热复合材料与电子芯片及PCB板的接触面，降低表面接触热阻，同时采用流道内强化传热技术优化了冷却通道内的冷却液流动方式，降低对流导热热阻，最终降低了传热通路的总热阻，在整体减重的基础上实现对电子系统的高效冷却。
一方面，高导热碳纤维复合材料应用高度石墨化的连续碳纤维(中间相沥青基碳纤维、聚丙烯腈碳纤维、气相生长碳纤维、碳纳米管纤维、石墨烯纤维等)作为热疏导体，根据所需传热方向编制传热路径，将纤维丝束沿传热路径平行排布，与树脂基体结合后制备而成，可以实现热流的长距离、曲线传热。同时，为保证力学强度，采用针织/穿刺/缝纫等技术加强纤维束整体的可靠性。再将平行的高导热碳纤维束浸入环氧/双马/酚醛等热固性树脂，采用热模压/热压罐等成型方式制备成高导热碳纤维复合材料。最终，通过机加工方式制作成所需的高导热传热组件。
冷却装置的结构承力部分采用高强度碳纤维复合材料制作，高导热复合材料与冷却液流道布置在结构部分之中。结构复合材料基体为环氧/双马/酚醛等树脂，增强材料为高强度碳纤维(拉伸强度不低于4.5GPa)，成型后密度不高于1600kg·m-3，复合材料0°拉伸强度不低于2GPa，满足冷却装置整体强度与减重需求。
使用镓/铟系液态金属材料降低高导热复合材料与传热部件之间的界面接触热阻。先使液态金属凝固为固态，加热熔化后填充复合材料与传热部件之间的空隙，填充完成后在使用温度区间内保持固态，将复合材料与传热部件连接为一体。液态金属凝固后热导率不低于50W·m-1·K-1，复合材料与传热部件之间的接触热阻不高于3.5m2·K·W-1。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明使用的复合材料中高导热碳纤维为连续纤维，制备的导热复合材料部件一维热导率大于450W·m-1·K-1，比热导率(热导率与密度比值)约为金属的6倍；
(2)本发明使用的碳纤维复合材料为各向异性导热材料，根据所需热流方向调整高导热碳纤维铺层方向，实现了高密度热流的曲线传输；
(3)本发明所述装置对比常规铝合金类的冷却装置，重量降低25％以上；
(4)本发明使用液态金属降低高导热碳纤维复合材料粗糙接触面的接触热阻，使接触热阻不高于3.5m2·K·W-1，相比常规导热脂热阻降低70％以上；
(5)本发明提出的高导热复合材料外接风冷或液冷部件，模块化串联或并联使用，利于模块化低成本大规模地扩展使用；
(6)本发明使用特殊结构的液冷或风冷强化传热部件，匹配各向异性导热的碳纤维复合材料中的不同热流矢量，实现综合传热性能的最优化。
附图说明
图1为本发明风冷散热装置原理示意图；
图2为本发明液冷散热装置原理示意图；
图3为本发明一种实例：机载电子设备液冷散热装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
本发明一种轻质高效冷却方法主要利用高导热连续碳纤维的高效热传输能力，将电子器件发生的热量以导热方式快速传递至风冷/液冷部件，从而带走电子器件工作时发出的热量；所述的高导热连续碳纤维的密度<2000kg·m-3、沿连续碳纤维方向的一维热导率>450W·m-1·K-1。
如图1、图2所示为本发明散热装置原理示意图，由图可知该冷却装置包括支撑件1、高导热碳纤维导热组件2、液态金属3、电子发热器件4、风冷散热部件5、风冷散热气流源6或液体强化散热部件7以及液冷通道8。材料密度<2000kg·m-3、沿连续碳纤维方向的一维热导率>450W·m-1·K-1；支撑件1选用碳纤维结构复合材料。
I、高导热碳纤维导热组件2需要通过成型—精细机加工—表面金属化工艺制备。其成型方法包括如下：首先将高导热碳纤维平行排布预浸渍在热固性树脂(包括酚醛树脂、环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、氰酸酯树脂、聚酰亚胺树脂)基体中。再根据电子发热器件与风冷/液冷散热部件的位置，确定所需导热路径与方向，将单向碳纤维丝束按照平行顺序铺设在特定形状的模具中，通过热压罐或热模压工艺成型为纤维连续平行排布的高导碳纤维复合材料。
成型后的高导热碳纤维导热组件2根据与之配合的安装槽、风冷片、液冷管以及定位装置的结构尺寸，精细加工配合面。机加工过程采用车削粗加工出高导热部件具体轮廓，随后磨削精加工出高导热部件配合面，配合面粗糙度为1.6，加工公差低于0.1mm。加工方式可参考发明CN202219424U。
加工完成的高导热复合表面进行表面金属化处理(包括化学镀、真空溅射镀等方式)，在高导热碳纤维与换热部件的配合面镀上一层金属(包括铜、铝、银等)，镀层厚度不高于0.01mm。
II、液态金属合金填充导热配合面间隙步骤。液态金属合金熔点经过调配的，其成分主要为镓、铟、铯等低熔点金属，熔点不高于支撑件1以及高导热碳纤维导热组件2的许用温度。填充过程中首先将液态金属降至熔点以下，制成0.5～1mm厚的均匀薄片。成型过程中，均匀地将液态金属片铺设在需要降低界面热阻的连接部位，填充面积不低于配合面积的130％。装配完成后，再将冷却装置整体放置于烘箱中，缓慢升温，使液态金属熔化并充分浸润连接缝隙。液态金属凝固后热导率不低于50W·m-1·K-1，复合材料与传热部件之间的接触热阻不高于3.5m2·K·W-1。
III、支撑件1使用轻质高强碳纤维复合材料制作，结构复合材料基体为环氧/双马/酚醛等树脂，增强材料为高强度碳纤维，碳纤维拉伸强度不低于4.5GPa，拉伸模量不低于220GPa。采用RTM或真空灌注成型方式，成型后拉伸强度不低于1.0GPa，密度不高于1800kg·m-3。
IV、图1中冷却装置吸收的电子发热器件4的热量由风冷散热部件5带离发热区域。其中风冷散热部件5采用气流强制对流散热形式，风冷散热部件5的散热面积与相接的高导热复合材料中高导热碳纤维密度成正比，保证通过高导热碳纤维的热流快速散走。风冷散热部件5由铝材铣制而成，散热器经表面阳极化处理，保证耐湿热、盐雾要求。散热器连接部件使用真空扩散焊连接，确保没有气孔、夹杂、裂缝等削弱焊缝强度和疲劳强度的缺陷。
图2中液冷散热器采用液冷管内的冷却液强制对流方式带走流经高导热碳纤维导热组件的热量，液冷通道8内部设置液体强化散热部件7，液体强化散热部件7面积正比与之相连的高导热碳纤维的纤维密度，匹配冷却管周向的不同热流密度。带有液体强化散热部件7的液冷通道8所用材质为铜或铝材料，由3D打印工艺一体化成型，管内承压不低于1.2MPa，成型精度小于0.2mm。
图3为本发明所述冷却装置的一种实例：机载电子散热装置结构示意图。
本冷却装置的工作原理是：电子发热器件4包含CPU、GPU等电子发热板10上以及锁紧卡条9两部分，电子发热板10在锁紧卡条9的横向预紧力的挤压下，与高导热碳纤维导热组件2紧密接触，以导热的形式将传至液冷通道8的冷却液中。
高导热碳纤维导热组件2的制作过程为：高导热碳纤维平行排布预浸渍在热固性树脂(包括酚醛树脂、环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、氰酸酯树脂、聚酰亚胺树脂)基体中，制备成单向预浸料；再根据所需导热路径与方向，将单向预浸料按照平行顺序铺设在特定形状的模具中，通过热压罐或热模压工艺成型为纤维连续平行排布的高导碳纤维复合材料。
成型后的高导热碳纤维导热组件根据电子发热板10的配合型面，精细加工出配合面。机加工过程采用车削粗加工出高导热部件具体轮廓，随后磨削精加工出高导热部件配合面，配合面粗糙度为1.6，加工公差低于0.1mm。
加工完成的高导热复合表面进行表面金属化处理(包括化学镀、真空溅射镀等方式)，在高导热碳纤维与换热部件的配合面镀上一层金属(包括铜、铝、银等)，镀层厚度不高于0.01mm。
电子发热板10与高导热碳纤维导热组件2以及高导热碳纤维导热组件2与液冷通道8的配合面填充液态金属3界面材料。填充过程中首先将液态金属3降至熔点以下，制成0.5～1mm厚的均匀薄片。成型过程中，均匀地将液态金属片铺设在需要降低界面热阻的连接部位，填充面积不低于配合面积的130％。装配完成后，再将冷却装置整体放置于烘箱中，缓慢升温，使液态金属熔化并充分浸润连接缝隙。升温速率不高于5℃·min-1，设定温度不高于复合材料中树脂的固化温度。液态金属3凝固后热导率不低于50W·m-1·K-1，复合材料与传热部件之间的接触热阻不高于3.5m2·K·W-1。
液冷通道8内面设置有液体强化散热部件7，其表面积正比与之相连的高导热碳纤维的纤维密度，匹配冷却管周向的不同热流密度。液冷管路8与液体强化散热部件7一体成型。所用材质为铜或铝材料，由3D打印工艺加工制成。管内承压不低于1.2MPa，成型精度小于0.2mm。
支撑件1包括两部分结构复合材料盖板11以及结构复合材料骨架12两部分。高导热碳纤维导热组件2、液冷通道8装配到结构复合材料骨架12中。装配完成后将结构复合材料盖板11与结构复合材料骨架12通过螺接/胶结/铆接的连接方式固定在一起，保证整体冷却装置结构的稳固。
结构复合材料使用轻质高强碳纤维复合材料制作，结构复合材料基体为环氧/双马/酚醛等树脂，增强材料为高强度碳纤维，碳纤维拉伸强度不低于4.5GPa，拉伸模量不低于220GPa。采用RTM或真空灌注成型方式，成型后拉伸强度不低于1.0GPa，密度不高于1800kg·m-3。
经测试，制造与装配完成后的图3所示机载冷却装置传热热阻为6.386×10-5m2·K·W-1，低于同类型金属传热装置的热阻(1.02×10-4m2·K·W-1)，同时机载冷却装置整体重量为8.5kg，较铝合金机载冷却装置约减重3kg(26％)。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (12)

1.一种轻质高效冷却方法，其特征在于：利用高导热连续碳纤维的高效热传输能力，将电子器件发生的热量以导热方式快速传递至风冷/液冷部件，从而带走电子器件工作时发出的热量；所述的高导热连续碳纤维的密度<2000kg·m-3、沿连续碳纤维方向的一维热导率>450W·m-1·K-1。
2.一种轻质高效冷却装置，其特征在于：包括支撑件(1)、高导热碳纤维导热组件(2)、液态金属(3)、风冷散热部件；高导热碳纤维导热组件(2)的纤维丝束沿传热路径平行排布，高导热碳纤维导热组件(2)由支撑件(1)进行支撑，高导热碳纤维导热组件(2)的一侧通过液态金属(3)与待冷却电子器件的发热面连接，另一侧通过液态金属(3)与风冷部件连接；所述的高导热碳纤维导热组件(2)材料密度<2000kg·m-3、沿连续碳纤维方向的一维热导率>450W·m-1·K-1；支撑件(1)选用碳纤维结构复合材料。
3.一种轻质高效冷却装置，其特征在于：包括支撑件(1)、高导热碳纤维导热组件(2)、液态金属(3)、液冷散热部件；高导热碳纤维导热组件(2)的纤维丝束沿传热路径平行排布，高导热碳纤维导热组件(2)由支撑件(1)进行支撑，高导热碳纤维导热组件(2)的一侧通过液态金属(3)与待冷却电子器件的发热面连接，另一侧通过液态金属(3)与液冷部件连接；所述的高导热碳纤维导热组件(2)材料密度<2000kg·m-3、沿连续碳纤维方向的一维热导率>450W·m-1·K-1；支撑件(1)选用碳纤维结构复合材料。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：所述的液冷散热部件采用液体强制对流冷却形式、或热管冷却形式。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：采用液体强制对流冷却形式时，液冷散热部件包括液体强化散热部件(7)以及液冷通道(8)；
液冷通道(8)通过液态金属(3)与高导热碳纤维导热组件(2)连接，液体强化散热部件(7)装配在液冷通道(8)液体侧壁面上，通过液冷通道(8)的冷却液强制对流方式带走流经高导热碳纤维导热组件(2)的热量。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：所述的液体强化散热部件(7)采用内翅片形式，内翅片面积正比与之相连的高导热碳纤维导热组件(2)的纤维密度。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：所述的液冷通道(8)采用导热系数>100W·m-1·K-1的金属材料。
8.根据权利要求5或6或7所述的装置，其特征在于：所述的液冷散热部件由3D打印工艺一体化成型。
9.根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于：液态金属(3)的熔点低于支撑件(1)、高导热碳纤维导热组件(2)的许用温度，热导率不低于50W·m-1·K-1，通过液态金属(3)实现高导热碳纤维导热组件(2)与其所连接部件之间的接触热阻不高于3.5m2·K·W-1。
10.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述的风冷散热部件采用气流对流冷却形式或者辐射冷却、热电冷却形式。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于：所述的气流对流冷却形式采用风冷散热部件(5)通过液态金属与高导热碳纤维导热组件(2)，风冷散热部件的散热面积与高导热碳纤维导热组件(2)的纤维密度成正比。
12.一种权利要求2-11之一所述的装置适用于机载/箭载/星载电子器件的冷却。
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