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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmeleiter, insbesondere einen Graphitfolien-Wärmeleiter.
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STAND DER TECHNIK
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Thermisches Design als ein Fachbereich befasst sich mit Problemen der Wärmeübertragung oder Wärmespeicherung in Ausstattungen. Beim Design der Wärmeübertragung ist oft eine vernünftige Auswahl eines Wärmeübertragungsmediums erforderlich, und das nicht nur aus der Sicht der Wärmeleitungseffizienz und Wärmeübertragungskapazität des Strahler, sondern auch die Berücksichtigung der Optimierung des maßlichen Designs, der externen Oberfläche und andere Faktoren, um die Wärmeeffizienz des Wärmeübertragungssystems insgesamt zu verbessern.
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Indes entwickeln sich mit Fortschreiten der Technologie elektronische und optoelektronische Produkte als leichtere, dünnere, kürzere, kleinere und Hochleistungsprodukte, so dass die Wärmedichte der elektronischen und optoelektronischen Produkte zunimmt, was in mehr Leistungsverlust und daher in einer Anfrage nach Wärmeableitung für die elektronischen und optoelektronischen Produkte, die ebenfalls signifikant zunimmt, resultiert.
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Insbesondere aufgrund der Beliebtheit ultradünner Geräte und Ausstattungen für den Gebrauch im Freien, in den Fällen, in welchen kein Ventilator zur direkten Kühlung verwendet werden kann, wie zum Beispiel bei Basisstationen im Freien zur drahtlosen Kommunikation, Automobilelektronikeinheiten und Smartphones, tendiert das thermische Design oft zu einer einzigen Wärmesenke, die mehrere Wärme erzeugende Vorrichtungen miteinander teilen. Sie verursacht schwerwiegende Unausgewogenheit des Temperaturgradienten innerhalb der Wärmesenke und wirkt sich stark auf die Effizienz der Wärmesenke aus und schränkt die Verbesserung der Geschwindigkeit und Leistung elektronischer Ausstattungen ein.
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Aufgrund der Einschränkungen von Strukturen und Formen der elektronischen und optoelektronischen Produkte, ist es immer schwierig, Kontakt zwischen Wärme erzeugender Vorrichtung und Wärmesenke zu lenken, was in der schlechten Kühlrate resultiert. Derzeit verbindet man gewöhnlich die Wärme erzeugende Vorrichtung mit der Wärmesenke mit der Heat-Pipe, um Wärme durch Verdampfung und Kondensation von Flüssigkeit in einer abgedichteten Vakuumröhre zu übertragen. Die Lebensdauer der Heat-Pipe ist jedoch beschränkt, und ihre Wärmeübertragungsrate wird stark verringert, sobald die Wärmebelastung ihre Fähigkeit überschreitet, wobei das Medium in ihr völlig verdampft ist, was zu einem Teufelskreis führt. Zusätzlich wirkt sich die Position der Heat-Pipe auf ihre Wärmekapazität aus.
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Insbesondere beträgt die zulässige Stärke des Wärmeleiters nicht mehr als 0,1 mm bei ultradünnen elektronischen Geräten, wie zum Beispiel Smartphone und Tablett-PC (zum Beispiel iPad), so dass es sehr wichtig ist, einen ultradünnen passiven Wärmeleiter mit einer ähnlichen Funktion wie die Heat-Pipe zu erforschen.
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Aus der
JP 2004-179 675 A ist eine spiralförmig gewickelte Graphitfolien als Wärmeleiter bekannt, wobei eine Beschichtung des Graphits mit einem organischen Material erfolgt, wobei ein Heiß-und Kaltkontaktelement vorgeschlagen ist, welches nicht Bestandteil der Wicklung ist.
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Aus der
JP 2010-189 244 A ist ein Wärmeleiter aus einer Graphitfolie bekannt, wobei diese Folie spiralförmig aufgewickelt wird. Gleichzeitig wird die Graphitfolie mit einer Beschichtung aus einem Polymer versehen.
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Aus
EP 0 691 803 A1 sind Verfahren zur Herstellung von Graphitfolien aus Polymeren bekannt.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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In Anbetracht dessen ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung das Vorschlagen eines Graphitfolien-Wärmeleiters zum Vermeiden der Probleme des Stands der Technik, zur Verbesserung der Wärmeübertragungsrate des Wärmeleiters, so dass Wärme schnell von dem Wärme erzeugenden Gerät auf die Wärmesenke übertragen werden kann.
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Basierend auf der Aufgabe stellt die vorliegende Erfindung einen Graphitfolien-Wärmeleiter bereit, der durch Wickeln einer Graphitfolie ausgebildet wird, wobei der Wärmeleiter ein Wärme leitendes Zwischenelement sowie ein Heißkontakt- und ein Kaltkontaktelement jeweils an jedem Ende umfasst.
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Das Wärme leitende Element wird durch Wickeln einer Graphitfolie mit mindestens einer Windung ausgebildet, und das Heißkontaktelement und das Kaltkontaktelement werden nicht in Windungen gewickelt, wobei das Heißkontaktelement verwendet wird, um die Wärme erzeugende Vorrichtung zu kontaktieren, und das Kaltkontaktelement verwendet wird, um die Wärmesenke zu kontaktieren.
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Das Wärme leitende Element hat mindestens eine Öffnung, wobei die Lagen der Öffnungen auf den nebeneinanderliegenden Schichten des Wärme leitenden Elements einander einzeln entsprechen.
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Vorzugsweise ist die mindestens eine Öffnung ein länglicher Schlitz.
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Optional ist die Graphitfolie eine künstliche Graphitfolie, die durch Wärmebehandlung der Polymerfolie vorbereitet wird.
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Vorzugsweise ist die Polymerfolie mindestens eine, die aus Polyethylen-Oxadiazol, Polyimid, Poly(p-Phenylen-Vinylen), Polybenzimidazol, Polybenzoxazol, Polybenzobisoxazol, Polybenzothiazol, Polybenzobisthiazol und Polyamid ausgewählt wird.
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Optional wird die Außenseite des Wärme leitenden Elements mit einer dielektrischen Folie abgedeckt.
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Vorzugsweise ist die dielektrische Folie eine dielektrische Folie aus Plastik.
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Vorzugsweise hat der Graphitfolien-Wärmeleiter eine Streifenform.
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Vorzugsweise ist der Graphitfolien-Wärmeleiter gebogen, worauf das Platzieren in ein Gerät zur Wärmeleitung und Isolation erfolgt.
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Der Graphitfolien-Wärmeleiter der vorliegenden Erfindung nutzt daher die hohe Wärmeleitfähigkeit der Graphitfolie (ebene Wärmeleitfähigkeit von etwa 1500 W/mK) und große Kontaktflächen mit der Wärme erzeugenden Vorrichtung und der Wärmesenke, um Wärme schnell von der Wärme erzeugenden Vorrichtung zu der Wärmesenke zu übertragen, um das Temperaturgefälle auf dem Wärme leitenden Pfad zu verringern oder zu eliminieren, Hotspots mit unausgewogener Temperatur innerhalb des Geräts zu eliminieren und die Zuverlässigkeit und Ausdauerfähigkeit der Vorrichtungen und Geräte zu erhöhen. Außerdem ist der Graphitfolien-Wärmeleiter der vorliegenden Erfindung leicht zu verarbeiten, praktisch im Gebrauch und hinsichtlich der Montageposition uneingeschränkt. Er ist für die neuen Wärmeleitungsanforderungen für Ausstattungen mit höherer Wärmeübertragungsrate konzipiert, für eine Vielzahl von Umgebungen und Anforderungen geeignet, mit höherer Wärmeübertragungsrate, kürzerer Wirklänge des Wärmeübertragungspfads und Überwinden des Temperaturgefälles innerhalb der Wärmesenke, das durch eine Vorrichtung mit hoher Wärmeabgabe verursacht wird. Es ist für hoch integrierte, ultrakleine und ultradünne Abmessungen der Vorrichtungen vorteilhaft.
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Figurenliste
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- 1 ist eine schematische Ansicht eines Graphitfolien-Wärmeleiters ohne vollständige Wicklung gemäß einer Ausführungsform.
- 2 ist eine schematische Ansicht des Graphitfolien-Wärmeleiters gemäß der Ausführungsform.
- 3 ist eine schematische Ansicht eines Graphitfolien-Wärmeleiters, der eine Mehrzahl von Öffnungen ohne vollständige Wicklung gemäß einer anderen Ausführungsform hat.
- 4 ist eine schematische Ansicht eines Graphitfolien-Wärmeleiters, der eine Mehrzahl von Öffnungen gemäß einer anderen Ausführungsform hat.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Zum besseren Verstehen der Aufgaben, technischen Merkmale und Vorteile der Erfindung, wird die Erfindung ferner ausführlich kombiniert mit den folgenden Beispielen und Zeichnungen beschrieben.
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Die vorliegende Erfindung stellt einen Graphitfolien-Wärmeleiter bereit, der durch Wickeln einer Graphitfolie ausgebildet wird, wobei der Wärmeleiter ein Wärme leitendes Zwischenelement sowie ein Heißkontakt- und ein Kaltkontaktelement jeweils an jedem Ende umfasst.
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Das Wärme leitende Zwischenelement wird durch Wickeln einer Graphitfolie mit mindestens einer Wicklung ausgebildet, und das Heißkontaktelement und das Kaltkontaktelement werden nicht in Windungen gewickelt, wobei das Heißkontaktelement verwendet wird, um die Wärme erzeugende Vorrichtung zu kontaktieren, und das Kaltkontaktelement verwendet wird, um die Wärmesenke zu kontaktieren.
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1 ist eine schematische Ansicht eines Graphitfolien-Wärmeleiters ohne vollständige Wicklung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Als ein Beispiel, befinden sich das Heißkontaktelement 101 und das Kaltkontaktelement 102 an jedem Ende der Graphitfolie, und das Wärme leitende Zwischenelement 103 liegt zwischen ihnen. Die Graphitfolie ist wie in 1 gezeigt in eine Form geschnitten, und dann wird die Graphitfolie des Wärme leitenden Zwischenelements 103 mindestens einmal entlang der Windungsrichtung (Richtung A) gewickelt, aber das Heißkontaktelement 101 und das Kaltkontaktelement 102 werden nicht in Windungen gewickelt.
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2 ist eine schematische Ansicht des erfindungsgemäßen Graphitfolien-Wärmeleiters. Der Graphitfolien-Wärmeleiter umfasst eine Wärme leitende Zwischenschicht 103 und ein Wärmekontaktelement 101 sowie ein Heißkontaktelement 102 an jedem Ende, wobei das Wärme leitende Zwischenelement 103 mit dem Heißkontaktelement 101 und Kaltkontaktelement 102 verbunden ist. Das Wärme leitende Zwischenelement 103 wird bei diesem Beispiel durch Wickeln einer Graphitfolie in einer Mehrzahl von Windungen gebildet, und das Heißkontaktelement 101 und das Kaltkontaktelement 102 werden nicht in Windungen gewickelt.
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Das Heißkontaktelement 101 wird zum Kontaktieren der Wärme erzeugenden Vorrichtung verwendet, und das Kaltkontaktelement 102 wird zum Kontaktieren der Wärmesenke verwendet. Wenn das Heißkontaktelement 101 daher Wärme von der Wärme erzeugenden Vorrichtung empfängt, wird die Wärme schnell zu dem Wärme leitenden Zwischenelement 103 quer übertragen und dann zu dem Kaltkontaktelement 102 entlang der Achsrichtung (Richtung B) des Wärme leitenden Zwischenelements 103 und schlussendlich zu der Wärmesenke durch das Kaltkontaktelement 102.
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Ohne das Heißkontaktelement 101 und das Kaltkontaktelement 102, das heißt, falls beide Enden des Wärme leitenden Zwischenelements 103 direkt jeweils die Wärme erzeugende Vorrichtung und die Wärmesenke kontaktieren, wird die Wärmeübertragungsrate zwischen der Graphitfolie und den Vorrichtungen signifikant aufgrund höheren Wärmewiderstands in senkrechte Richtung zu der mehrschichtigen Graphitfolie verringert.
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Die vorliegende Erfindung kann daher die Wärmeübertragungsrate von der Wärme erzeugenden Vorrichtung zu den Wärmeleiter und von dem Wärmeleiter zu der Wärmesenke verbessern, wobei die Wärmeableitungsrate der Wärme erzeugenden Vorrichtung verbessert wird, Hotspots mit Temperaturungleichgewicht innerhalb des Geräts eliminiert und die Zuverlässigkeit und Ausdauerfähigkeit der Vorrichtungen und Geräte verbessert werden.
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Der Raum, den der Wärmeleiter belegt, kann durch Wickeln der Graphitfolie zum Kontaktieren mit den Vorrichtungen verringert werden.
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Man muss verstehen, dass, aufgrund der höheren Biegsamkeit der Graphitfolie, der Wärmeleiter der vorliegenden Erfindung gepresst, gebogen oder durch die elektrische Folie gemäß den Strukturauflagen des Geräts, in das der Wärmeleiter platziert wird, abgedeckt werden kann, um Wärme zu übertragen.
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Angesichts der Beliebtheit ultradünner Geräte, kann der Graphitfolien-Wärmeleiter in einen flachen Streifen gepresst und dann zur Wärmeleitung in das Gerät gegeben werden. Falls erforderlich, kann der Graphitfolien-Wärmeleiter auch gebogen und dann zu Wärmeleitung in das Gerät gegeben werden.
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Vorzugsweise kann die Außenseite des Wärme leitenden Elements des Wärmeleiters durch dielektrische Folie abgedeckt und dann in das Gerät gegeben werden, um dem Wärme leitenden Element die doppelte Funktion der Wärmeleitung und Isolation zu verleihen.
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Bevorzugt kann die Außenseite des Wärme leitenden Elements des Wärmeleiters mit dielektrischer Folie abgedeckt und in einen flachen Streifen gepresst werden und dann in ein Gerät mit einem schmalen Zwischenraum gegeben werden, so dass innerhalb des Geräts nicht viel Platz von dem Wärme leitenden Element belegt werden kann. Das Wärme leitende Element kann daher die doppelte Funktion der Wärmeleitung und der Isolation haben. Falls erforderlich, kann der Graphitfolien-Wärmeleiterstreifen im Anschluss an das Einfügen in ein Gerät gebogen werden.
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Vorzugsweise ist die dielektrische Folie eine dielektrische Folie aus Plastik.
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Der Graphitfolien-Wärmeleiter der vorliegenden Erfindung entspricht daher den Erfordernissen unterschiedlicher Geräte, um in einer Vielzahl von ultradünnen oder nicht flachen Geräten angewandt zu werden.
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Der effektive Wärmeübertragungspfad kann gekürzt werden, um die Wärmeableitungsrate des Wärme erzeugenden Geräts durch Verringern der axialen Länge (Richtung B) des Wärme leitenden Elements 103 weiter zu verbessern und kann die Länge des Wärme leitenden Elements 103 in die Wicklungsrichtung (Richtung A) verlängern.
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Falls die räumliche Struktur der Ausstattung zulässig ist, sollte das Wärme leitende Element 103 locker gewickelt werden, wobei ein Raum zwischen benachbarten Lagen von Graphitfolie belassen werden, um die Wärmeableitung in radiale Richtung (Richtung C) des Wärme leitenden Elements 103 zu nutzen.
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Obwohl die Längs-Wärmeleitfähigkeit der Graphitfolie nur 1/100 ihrer Quer-Wärmeleitfähigkeit beträgt, kann die Wärmeübertragungsrate der Graphitfolie mehr oder weniger verbessert werden, indem ihre Längs-Wärmeleitfähigkeit genutzt wird. Daher kann mindestens eine Öffnung 104 auf dem Wärme leitenden Element 103 geöffnet werden, bevor die Graphitfolie gewickelt wird.
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3 ist eine schematische Ansicht eines Graphitfolien-Wärmeleiters, der eine Mehrzahl von Öffnungen ohne vollständige Wicklung gemäß einer anderen Ausführungsform hat. Als ein Beispiel befinden sich das Heißkontaktelement 101 und das Kaltkontaktelement 102 an jedem Ende der Graphitfolie, und das Wärme leitende Zwischenelement 103 ist zwischen dem Heißkontaktelement 101 und dem Kaltkontaktelement 102 verbunden. Die Graphitfolie ist wie in 3 gezeigt in eine Form geschnitten, und eine Vielzahl von Öffnungen ist auf dem Wärme leitenden Zwischenelement 103 geöffnet. Das Wärme leitende Element 103 wird in mindestens einer Windung entlang der Windungsrichtung (Richtung A) gewickelt, aber das Heißkontaktelement 101 und das Kaltkontaktelement 102 werden nicht in Windungen gewickelt.
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4 ist eine schematische Ansicht eines Graphitfolien-Wärmeleiters, der eine Mehrzahl von Öffnungen gemäß einer anderen beispielhaften Ausführungsform hat. Der Graphitfolien-Wärmeleiter umfasst eine Wärme leitende Zwischenschicht 103 und ein Wärmekontaktelement 101 sowie jeweils ein Heißkontaktelement 101 und ein Kaltkontaktelement 102 an jedem Ende, wobei das Wärme leitende Zwischenelement 103 mit dem Heißkontaktelement 101 und Kaltkontaktelement 102 verbunden ist und eine Mehrzahl von Öffnungen auf dem Wärme leitenden Element 103 geöffnet ist. Das Wärme leitende Zwischenelement 103 wird durch Wickeln einer Graphitfolie in einer Mehrzahl von Windungen gebildet, und das Heißkontaktelement 101 und das Kaltkontaktelement 102 werden nicht in Windungen gewickelt.
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Wenn daher Wärme von dem Wärme leitenden Element 103 zu der Wärmesenke entlang der axialen Richtung (Richtung B) übertragen wird, wird ein kleiner Teil der Wärme auch in die Umgebung entlang der radialen Richtung (Richtung C) des Wärme leitenden Elements 103 durch den Graphitschichtfilm übertragen. Er kann Hitze daran hindern, sich innerhalb des Wärme leitenden Elements 103 aufgrund der mehrlagigen Windungen der Graphitfolie anzusammeln, was beim Verringern des Wärmegefälles in radiale Richtung (Richtung C) des Wärme leitenden Elements 103 hilfreich ist.
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Man muss verstehen, dass die Art und Weise, wie eine Öffnung 104 auf dem Wärme leitenden Element 103 geöffnet wird, nicht ausschließlich ist. Öffnung 104 kann auch auf dem Wärme leitenden Element 103 nach dem Abschließen des Wickelns bereitgestellt werden.
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Es besteht keine Einschränkung hinsichtlich der Formen der Öffnungen 104, und die Öffnung 104 kann irgendeine Form haben, wie zum Beispiel rund, quadratisch, rechteckig, Ellipse usw. Vorzugsweise ist die Öffnung 104 ein länglicher Schlitz.
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Es besteht keine Einschränkung der Anzahl von Öffnungen 104, die in Abhängigkeit von den Erfordernissen der Wärmeableitung bestimmt werden kann.
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Bevorzugt entspricht die Lage der Öffnung 104 in dem Wärme leitenden Element 103 der der Öffnung 104 auf der benachbarten Schicht der Graphitfolie, um beim Verbessern der Wärmeübertragungswirkung in radiale Richtung (Richtung C) des Wärme leitenden Elements 103 und Verringern des Wärmegradienten in radiale Richtung (Richtung C) des Wärme leitenden Elements 103 hilfreich zu sein.
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Alternativ ist die Graphitfolie eine künstliche Graphitfolie, die durch Wärmebehandlung der Polymerfolie vorbereitet wird. Es gibt keine Einschränkung für die Stärke der Graphitfolie.
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Vorzugsweise ist die Polymerfolie mindestens eine, die aus Polyethylen-Oxadiazol, Polyimid, Poly(p-Phenylen-Vinylen), Polybenzimidazol, Polybenzoxazol, Polybenzobisoxazol, Polybenzothiazol, Polybenzobisthiazol und Polyamid ausgewählt wird.
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Kontrasttest:
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Der erfindungsgemäße Graphitfolien-Wärmeleiter und ein herkömmlicher Wärmeleiter werden jeweils mit einer Wärme erzeugenden Vorrichtung sowie mit einer Wärmesenkung in Kontakt gebracht, um ihre Wärmeableitungsrate zu vergleichen.
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Bei einem solchen Test hat die Wärme erzeugende Vorrichtung eine Leistung von 2 W, der herkömmliche Wärmeleiter ist eine Graphitfolie mit einer einzigen Schicht mit einer Stärke von 0,07 mm, und das Wärme leitende Element 103 der vorliegenden Erfindung besteht aus einer Graphitfolie mit einer Stärke von 0,07 mm durch Wickeln in 3 Windungen. Wenn nach 40 Minuten das thermische Gleichgewicht erreicht wird, kann die Temperatur der Wärme erzeugenden Vorrichtungen jeweils erfasst werden.
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Die Testresultate zeigen, dass die Wärme erzeugende Vorrichtung in Kontakt mit dem herkömmlichen Wärmeleiter eine Oberflächentemperatur von 54 °C hat, und dass die Wärme erzeugende Vorrichtung in Kontakt mit dem erfindungsgemäßen Graphitfolien-Wärmeleiter eine Oberflächentemperatur von 45 °C hat.
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Zusammenfassend zieht der Graphitfolien-Wärmeleiter der vorliegenden Erfindung daher Nutzen aus der hohen Wärmeleitfähigkeit der Graphitfolie (ebene Wärmeleitfähigkeit von etwa 1500 W/mK) und großen Kontaktfläche mit der Wärme erzeugenden Vorrichtung und der Wärmesenke, um Wärme schnell von der Wärme erzeugenden Vorrichtung zu der Wärmesenke zu übertragen, um das Temperaturgefälle auf dem Wärme leitenden Pfad zu verringern oder zu eliminieren, Hotspots mit unausgewogener Temperatur innerhalb des Geräts zu eliminieren und die Zuverlässigkeit und Ausdauerfähigkeit der Vorrichtungen und Geräte zu erhöhen.
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Ferner ist der erfindungsgemäße Graphitfolien-Wärmeleiter leicht zu verarbeiten, praktisch im Gebrauch und hinsichtlich der Montageposition uneingeschränkt, was für die jüngsten Wärmeleitungsanforderungen für Ausstattungen mit hoher Wärmeübertragungsrate, Eignung für eine Vielfalt von Umgebungen und Anforderungen, zum Überwinden des Temperaturgefälles innerhalb der Wärmesenke, das durch eine Vorrichtung mit größerer Wärmeerzeugung und Verkürzen der Wirklänge des Wärmeübertragungspfads verursacht wird, konzipiert ist. Es ist für hoch integrierte, ultrakleine und ultradünne Abmessungen der Vorrichtungen vorteilhaft.
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Der Fachmann versteht, dass bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung zur Veranschaulichung beschrieben sind, die Erfindung jedoch nicht einschränken, und dass irgendwelche Änderungen, Ersatz und Wechsel innerhalb des Sinns und des Grundsatzes der vorliegenden Erfindung in dem Geltungsbereich der Erfindung sein sollten.
