一種基于金屬相變材料和熱管的一體化散熱器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于散熱器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于金屬相變材料和熱管換熱的具有高潛熱吸收能力和高導(dǎo)熱性的一體化散熱器。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電子產(chǎn)品的功能越來越完善，相應(yīng)的電路的集成化程度也越來越高。電子元器件在使用過程中會不可避免地產(chǎn)生熱量，如果這些熱量不能被及時散失掉，將會導(dǎo)致電子元器件的溫度升高。小型化，多功能化以及集成化使得電子產(chǎn)品的“熱障”問題日益凸顯。過高的溫度將會降低電子產(chǎn)品的效率，穩(wěn)定性和壽命，甚至引起失效，起火和爆炸。因此，有效的熱管理技術(shù)對于電子產(chǎn)品的設(shè)計至關(guān)重要。
[0003]相變材料散熱是一種被廣泛應(yīng)用的被動式熱管理技術(shù)。所謂相變材料散熱，是指利用金屬相變材料在相變時吸收潛熱而自身溫度不變的特性來吸收電子元器件散發(fā)的熱量并保證電子器件溫度不會過高的散熱技術(shù)。它具有無功耗，無噪音和震動，維護(hù)費(fèi)用低，結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)勢。傳統(tǒng)的用于電子產(chǎn)品散熱的相變材料主要包括石蠟、醋酸和其他有機(jī)物。然而，這些相變材料普遍存在的缺陷是其熱導(dǎo)率低，一般在lW/m/K以下，從而導(dǎo)致熱量不能被高效的傳遞和吸收。
[0004]低熔點(diǎn)金屬的熱導(dǎo)率是傳統(tǒng)相變材料的幾十倍，且單位體積的相變潛熱值高，相變體積變化小，不可燃，是一種很有前景的相變材料。由于低熔點(diǎn)金屬對常用的鋁材等金屬材料具有腐蝕性，且在液態(tài)時很難摻雜其它高導(dǎo)熱材料，因此利用傳統(tǒng)的方法來進(jìn)一步強(qiáng)化低熔點(diǎn)金屬相變材料的導(dǎo)熱性是行不通的。特別是，盡管低熔點(diǎn)金屬相變材料的熱導(dǎo)率相對傳統(tǒng)相變材料較高，但在面臨極端熱流密度情況時，仍然不敷使用。比如，對傳統(tǒng)的100W作用功率，常規(guī)的金屬相變材料已可發(fā)揮作用;但當(dāng)這種需要散走的熱量呈數(shù)量級提升，比如達(dá)到I萬瓦甚至10萬瓦時，由于受限于相變材料的導(dǎo)熱率，必然在其內(nèi)部不同區(qū)域形成巨大的溫差，此時相變模塊遠(yuǎn)離熱源的部位實際上并未發(fā)揮吸熱作用。無疑，最理想的情況是整個相變材料區(qū)域內(nèi)均能同時發(fā)揮作用。解決這一瓶頸的關(guān)鍵在于提升相變材料的熱導(dǎo)率。
[0005]此外，相變材料的散熱能力主要體現(xiàn)在相變吸收潛熱上，一旦相變發(fā)生后，將不再具有散熱能力。不僅如此，由于相變材料的熱導(dǎo)率相比于常用的金屬結(jié)構(gòu)材料，如銅，鋁等來說低很多，這使得其在發(fā)生相變后不僅失去散熱能力，而且還會成為散熱通道上的熱流阻力。此時，同樣需要提升相變模塊的導(dǎo)熱能力。強(qiáng)化相變材料的導(dǎo)熱能力不僅有利于提升其吸熱效率，同時有助于延長其作用時間，并改善相變完成之后的導(dǎo)熱狀況，提升其抗熱沖擊、應(yīng)對濫用情況以及在較高環(huán)境溫度下的熱管理能力。
[0006]熱管散熱也是一種得到廣泛應(yīng)用的成熟的散熱技術(shù)，它充分利用管內(nèi)填充的液體介質(zhì)蒸發(fā)和冷凝時的潛熱來進(jìn)行熱量交換和傳遞，通過熱管將發(fā)熱物體的熱量高效迅速地傳遞到熱源外，其等效導(dǎo)熱能力遠(yuǎn)超過任何已知金屬的導(dǎo)熱能力。熱管散熱的遠(yuǎn)端一般是熱沉或翅片，熱管吸收的熱量通過翅片散失到空氣中。當(dāng)自然對流無法滿足遠(yuǎn)端翅片的散熱時，往往使用風(fēng)扇強(qiáng)迫對流來強(qiáng)化翅片的散熱。在應(yīng)對熱流沖擊時，如果沒有風(fēng)扇，熱管散熱往往無能為力，這會使電子元器件溫度短時間內(nèi)迅速升高。特別是，當(dāng)面臨大功率熱流時，熱管內(nèi)部工質(zhì)會全面氣化，此時出現(xiàn)散熱瓶頸甚至爆管。
[0007]總的說來，由于傳統(tǒng)散熱方法在傳熱性能上滿足某方面需求時，又會帶來其他方面的問題。以上所闡述的金屬相變裝置和傳統(tǒng)的熱管就都面臨者各自的瓶頸?，F(xiàn)有領(lǐng)域中比較缺乏多能力的散熱技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的是為解決已有技術(shù)問題，提出一種同時具備高潛熱和高導(dǎo)熱能力的基于金屬相變材料和熱管的一體化散熱器，本發(fā)明能強(qiáng)化低熔點(diǎn)金屬相變材料的導(dǎo)熱能力，進(jìn)一步改善其吸熱效率和熱管理效率，并提升其應(yīng)對惡略工作條件和工作環(huán)境的能力。而這些極端散熱問題，單一的相變裝置和熱管均很難解決。
[0009]本發(fā)明提出一種基于金屬相變材料和熱管的一體化散熱器，其特征在于，該一體化散熱器包括腔體，相變材料和一個或兩個以上熱管，該相變材料和熱管嵌合在一起封裝在腔體內(nèi)，該熱管的吸熱端露出腔體壁外或埋在腔體內(nèi)，其放熱端穿插于相變材料之中；
[0010]該腔體，用于與熱源接觸，吸收熱源熱量并同時傳遞給熱管和相變材料;該相變材料，用于吸收熱量并升溫，溫度到達(dá)其熔點(diǎn)后，將會融化，吸收熱量并且溫度保持恒定，以實現(xiàn)散熱；
[0011 ]該熱管，用于將熱量快速高效的傳遞到整個相變材料的內(nèi)部。
[0012]本發(fā)明還可在該熱管的外部加裝翅片，以進(jìn)一步強(qiáng)化熱管與相變材料之間的熱量傳遞。
[0013]本發(fā)明所述腔體的材料可為鎳，不銹鋼或石墨中的任一種。
[0014]本發(fā)明所述腔體的材料可為銅或鋁，腔體內(nèi)表面進(jìn)行鍍層處理或氧化處理，以防止腔體被低熔點(diǎn)金屬腐蝕。
[0015]本發(fā)明所述腔體的外部形狀可為平板型，環(huán)形或與熱源形狀相匹配的造型。
[0016]本發(fā)明所述腔體的外部散熱側(cè)可加裝散熱翅片，用以輔助散熱。
[0017]本發(fā)明所述金屬相變材料可為低熔點(diǎn)金屬材料。所述低熔點(diǎn)金屬材料可為鎵、鎵銦合金、鉍銦錫合金以及其它以鎵和/或鉍和/或銦為基本金屬制備的低熔點(diǎn)合金中任一種。
[0018]本發(fā)明提供的基于相變材料和熱管的一體化散熱器的特點(diǎn)和有益效果如下:
[0019]1.本發(fā)明首次提供了一種嵌合式散熱技術(shù)，同時具備了高潛熱吸收能力和高導(dǎo)熱性，這是傳統(tǒng)單一性能的相變吸熱方式或熱管無法具備的，實質(zhì)性擴(kuò)展了傳統(tǒng)單一散熱技術(shù)的內(nèi)在機(jī)理和應(yīng)用范疇，這種嵌合傳熱體架構(gòu)以往未見報道；
[0020]2.通過將熱管穿插于相變材料內(nèi)部，利用熱管強(qiáng)大的換熱能力將熱源端的熱量高效地轉(zhuǎn)移到整個相變材料內(nèi)部，從而克服了相變材料導(dǎo)熱能力差，難以將熱量快速傳入其內(nèi)部的缺陷。
[0021]3.相比于純粹的熱管散熱而言，相變材料的引入可以緩解熱管散熱的壓力，減少甚至消除熱管散熱中遠(yuǎn)端翅片對風(fēng)機(jī)的依賴，特別是對于具有間斷性使用特性的電子設(shè)備而言，這無疑將會使原始的熱管散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)得到簡化，同時功耗降低甚至做到無功耗。
[0022]4.相比于單純的相變散熱而言，熱管的引入改善了相變材料的吸熱效率，若在熱管上加上翅片可以進(jìn)一步強(qiáng)化熱量在相變材料內(nèi)部的傳導(dǎo);此外，在相變材料未完全融化前，熱管高效的傳熱可以將部分熱量傳遞到外部散熱翅片，從而減少相變材料的散熱壓力，延長其作用時間，在相變材料完全融化后，實際上就沒有散熱能力了，而且還會阻礙熱量的散失，此時熱管可以作為良好的熱流通路，把熱量散失到環(huán)境中，而不至于引起熱源溫度過尚O
[0023]這種一體化多模態(tài)散熱器使得熱管散熱和相變材料散熱互為輔助，發(fā)揮各自的優(yōu)勢，且可以改善對方的不足，是一種更加高效，節(jié)能，可靠的散熱方式。而且，這種散熱方式不僅僅可以用于電子產(chǎn)品的散熱，也可以應(yīng)用于其它有散熱需求的場合，如電動汽車電池包的熱管理。盡管這種復(fù)合散熱方式的提出是為了改善低熔點(diǎn)金屬相變散熱的效率，但絕不僅限于低熔點(diǎn)金屬相變材料，也可以用于常用的相變材料，如石蠟，熔融鹽等。
【附圖說明】
[0024]圖1是本發(fā)明基于相變材料和熱管的一體化散熱器的一種平板形式實施例的外觀示意圖；
[0025]圖2為圖1的A_A#lj面不意圖；
[0026]圖3為圖1的加上遠(yuǎn)端散熱翅片之后的A-A剖面示意圖；
[0027]圖4為圖1的加上遠(yuǎn)端散熱翅片并且在熱管上加上翅片之后的A-A剖面示意圖；
[0028]圖5是本發(fā)明基于相變材料和熱管的一體化散熱器的一種環(huán)狀形式實施例的外觀示意圖；
[0029]圖6為圖5的A-A剖面示意圖；
[0030]圖7為圖5的加上遠(yuǎn)端散熱翅片并且在熱管上加上翅片之后的A-A剖面示意圖；
【具體實施方式】
[0031]下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的【具體實施方式】