CN206775904U - 一种采用复合相变材料和液态金属散热的热控装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种采用复合相变材料和液态金属散热的热控装置，包括电子器件热源底板，所述电子器件热源底板与复合相变材料模块紧密接触，电子器件热源底与复合相变材料模块接触的界面处设置热电偶，复合相变材料模块内嵌有管路，管路延伸到复合相变材料模块外，复合相变材料模块外的管路上设置有泵和散热器，散热器内储存有低熔点液态金属，散热器内还设置有散热装置，热电偶和泵均与控制模块连接。本实用新型具有能耗低、散热能力强、均温性好等优点，能够有效地将低热流或高热流密度电子器件在稳态或变工况时的工作温度控制在最高温度以下。

Description

一种采用复合相变材料和液态金属散热的热控装置

技术领域

本实用新型属于电子器件散热和热控制技术领域，具体涉及一种采用复合相变材料和液态金属散热的热控装置。

背景技术

电子器件正常的工作温度范围一般不能超过85℃，若散热不良使电子器件温度过高，将使其可靠性下降甚至功能失效。随着现代电子器件向高性能、微型化、集成化方向的发展，电子器件的热流密度高达10⁶~10⁷W/m²，导致电子设备工作温度过高，从而引起电子器件的故障越来越多。因此，采用合适的冷却技术和结构，将大功率电子器件温度控制在正常的工作范围内，确保其可靠、安全、高效的工作，是研究电子器件的重要课题之一。

目前比较成熟的电子器件的散热主要有风冷式翅片散热器，热管、液冷散热器和相变材料散热器。而强制风冷只能用于热流密度不大于10⁶ W/m²，难以满足高功率电子器件散热的要求；热管通过传热工质的相变可以获得较高的散热量，但热管制作成本较高，且传热性能在运行一段时间下降，难以满足传热需求。

近年来采用液态金属对大功率芯片散热的研究倍受关注。因为低熔点液态金属的热传输能力较高，热阻较低，散热能力优于其它液冷方法。中国专利CN1489020A公开了一种以低熔点金属或合金作流体工质的芯片散热装置，其优点是集散热肋片和对流冷却散热于一体，散热表面大。但肋片的散热仍要通过风扇，实质仍是风冷，有电耗高，噪音大的缺点。中国专利CN103188912A公开了一种通过低熔点液态金属工质在藕状规则多孔金属微通道内流动，从而实现对高热流密度电子元器件进行散热的方法。但这种微通道热沉流阻大，结构复杂，加工成本高。另外，液冷一般是适用于稳态工况，但电子器件功率经常发生波动。而且液态金属比热较小，吸热后温升过快，传热温差降低后会大大地削弱芯片的散热效率。

相变材料散热器主要优点是在相变材料吸热过程中可以使电子器件的温度保持在相变材料的熔点附近不变，适用于具有短时高发热特性、间歇发热特性或处于周期性波动温度环境下的电子器件的温控。但是，相变材料的导热系数低（小于0.5W/mk），导致热量不能快速地传递到整个相变材料中，从而严重影响相变材料散热器的温控性能。针对相变材料导热率低的缺点，有多个专利提出了不同的方法。如中国专利CN205062152U提出了一种相变材料热沉，通过在相变材料内部嵌入金属纤维多孔骨架,以增强了热沉内部相变材料的导热能力。另外，对于长时间发热的电子器件，相变材料全部融化完毕以后，系统温度会继续上升，进而失去对电子器件的保护功能。

实用新型内容

为了克服现有电子器件散热技术中存在的不足,本实用新型提供一种采用复合相变材料和液态金属散热的热控装置，该装置利用石墨泡沫强化的复合相变材料，具有导热率高、相变潜热大、温控性能好的特点，同时利用液态金属高效导热和对流散热的特性，实现高热流密度电子器件的高效散热和热控的目的。

本实用新型的目的是以下述方式实现的：

一种采用复合相变材料和液态金属散热的热控装置，包括电子器件热源底板，所述电子器件热源底板与复合相变材料模块紧密接触，电子器件热源底与复合相变材料模块接触的界面处设置热电偶，复合相变材料模块内嵌有管路，管路延伸到复合相变材料模块外，复合相变材料模块外的管路上设置有泵和散热器，散热器内储存有低熔点液态金属，散热器内还设置有散热装置，热电偶和泵均与控制模块连接。

所述控制模块包括温度控制器和变频器，泵为磁力驱动泵，热电偶与温度控制器连接，温度控制器与变频器连接，变频器与泵连接。

所述复合相变材料模块由相变材料吸附在石墨泡沫多孔介质中而形成的。

所述相变材料为石蜡族相变材料C_nH_2n+2。

所述散热装置为散热管或搅拌器。

所述管路上还设置有阀门。

所述低熔点液态金属为液态金属镓。

相对于现有技术，本实用新型具有能耗低、散热能力强、均温性好等优点，能够有效地将低热流或高热流密度电子器件在稳态或变工况时的工作温度控制在最高温度以下。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

其中，1是电子器件热源底板；2是热电偶；3是复合相变材料模块；4是阀门；5是泵；6是变频器；7是散热器；8是管路；9是温度控制器。

具体实施方式

如附图1所示，一种采用复合相变材料和液态金属散热的热控装置，包括电子器件热源底板1，所述电子器件热源底板1与复合相变材料模块3紧密接触，电子器件热源底板1与复合相变材料模块3接触的界面处设置热电偶2，复合相变材料模块3内嵌有管路8，管路8延伸到复合相变材料模块3外，复合相变材料模块3外的管路8上设置有泵5和散热器7，散热器7内储存有低熔点液态金属，散热器7内还设置有散热装置，热电偶2和泵5均与控制模块连接。散热器7具有储液和散热的作用。

控制模块包括温度控制器9和变频器6，泵5为磁力驱动泵，热电偶2与温度控制器9连接，温度控制器9与变频器6连接，变频器6与泵5连接。

磁力驱动泵5驱动低熔点液态金属在管路中循环流动，并接收变频器输出的交流电信号，从而控制液态金属的流量。

复合相变材料模块3由相变材料吸附在石墨泡沫多孔介质中而形成的，石墨泡沫的孔径≥300μm，孔隙率为0.7-0.98，相变材料为石蜡族相变材料C_nH_2n+2，石蜡族相变材料C_nH_2n+2的熔点范围为35-85℃。根据电子器件的最高工作温度选择合适熔点的相变材料，如C₂₀H₄₂、C₄₀H₈₂的熔点分别为36.6℃和81.5℃，一般熔点要比电子器件的最高工作温度低5-10℃。由于石墨泡沫具有高导热率和吸附性，所以复合相变材料模块不仅具有优良的导热性能，而且相变材料在相变过程中也不会泄露，不需要其它容器封装。

散热装置为散热管或搅拌器。

管路8上还设置有阀门4，可通过阀门4开启或关闭管路8。

低熔点液态金属为液态金属镓，熔点为29.8℃。

本实用新型的工作过程如下：在电子器件开始工作时，产生的热量传给复合相变材料模块3，因复合相变材料模块3具有高热导率、高热容等热物理特性，一方面通过石墨泡沫向周边散热，同时高效、快速、均匀地吸收并储存与相变潜热相当的热量，使电子器件界面温度保持在相变熔点附近。当电子器件持续工作，复合相变材料中的相变材料全部熔化完以后，电子器件温度超过相变材料熔点后会继续上升。此时，温度控制器9接收来自热电偶2测出的温度信号后，与温度控制器9设定的温度值（比电子器件的最高工作温度低2-3℃）进行比较，并输出相应的控制信号改变变频器6频率，磁力驱动泵5接收变频器6频率信号，从而控制液态金属的流量。液态金属通过复合相变材料模块3时，将电子器件产生的热量带走，然后流经散热7进行散热，再流入磁力驱动泵5，进入下一个循环。当电子器件功率下降以后，电子器件界面温度低于温度控制器9设定的温度值时，磁力驱动泵5停止工作，管路中的液态金属不流动，即热量全部通过复合相变材料模块散去。所以通过采用复合相变材料和液态金属联合作用，可实现低热流或高热流密度电子器件的高效散热和热控的目的。

以上所述的仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型整体构思前提下，还可以作出若干改变和改进，这些也应该视为本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种采用复合相变材料和液态金属散热的热控装置，包括电子器件热源底板（1），其特征在于：所述电子器件热源底板（1）与复合相变材料模块（3）紧密接触，电子器件热源底板（1）与复合相变材料模块（3）接触的界面处设置热电偶（2），复合相变材料模块（3）内嵌有管路（8），管路（8）延伸到复合相变材料模块（3）外，复合相变材料模块（3）外的管路（8）上设置有泵（5）和散热器（7），散热器（7）内储存有低熔点液态金属，散热器（7）内还设置有散热装置，热电偶（2）和泵（5）均与控制模块连接。

2.根据权利要求1所述的采用复合相变材料和液态金属散热的热控装置，其特征在于：所述控制模块包括温度控制器（9）和变频器（6），泵（5）为磁力驱动泵，热电偶（2）与温度控制器（9）连接，温度控制器（9）与变频器（6）连接，变频器（6）与泵（5）连接。

3.根据权利要求1所述的采用复合相变材料和液态金属散热的热控装置，其特征在于：所述复合相变材料模块（3）由相变材料吸附在石墨泡沫多孔介质中而形成的。

4.根据权利要求3所述的采用复合相变材料和液态金属散热的热控装置，其特征在于：所述相变材料为石蜡族相变材料C_nH_2n+2。

5.根据权利要求1所述的采用复合相变材料和液态金属散热的热控装置，其特征在于：所述散热装置为散热管或搅拌器。

6.根据权利要求1所述的采用复合相变材料和液态金属散热的热控装置，其特征在于：所述管路（8）上还设置有阀门（4）。

7.根据权利要求1所述的采用复合相变材料和液态金属散热的热控装置，其特征在于：所述低熔点液态金属为液态金属镓。