[發明專利]變梯度分形點陣夾芯強化相變熱沉

有效

• 申請號: 201611062805.4
• 申請日: 2016-11-26
• 公開（公告）號: CN106940148B
• 公開（公告）日: 2019-09-06
• 發明（設計）人: 熊長武;嚴宏;胡家渝;周曉東
• 申請（專利權）人: 西南電子技術研究所（中國電子科技集團公司第十研究所）
• 主分類號: F28D20/02
• 分類號: F28D20/02;H01L23/427
• 代理公司: 成飛(集團)公司專利中心 51121
• 代理人: 郭純武

本發明公開的一種變梯度分形點陣夾芯強化相變熱沉，旨在提供一種換熱效率高，具有一定通用性、可系列化開發的高效相變熱沉，本發明通過下述技術方案予以實現：強化傳熱結構按陣列分布在相變熱沉殼體中，每個變梯度分形點陣夾芯單元按相變熱沉熱傳遞與熱交換特性，以變梯度V結構作為第一級強化傳熱結構(4)，并以此為基礎，在第一級強化傳熱結構的變梯度V形端，以形狀相同的變梯度V結構逐級遞增形成多級強化傳熱結構，各級強化傳熱結構比表面積依次呈倍數增加，其中，第一級強化傳熱結構可將熱量快速強化傳導至遠離熱擴散底板的區域，第二級強化傳熱結構(5)、第三級強化傳熱結構將熱量快速擴散至遠離熱擴散底板的相變材料完成熱交換。

技術領域

本發明涉及電子設備熱控技術領域，主要用于航空、航天、通信等領域電子設備瞬時、短時或周期性散熱控制，目的在于提高相變熱沉的綜合換熱效率。

背景技術

隨著電子元器件功率的增大,熱控設計對保證電子元器件正常工作起著非常重要的作用。電子設備在工作中面臨著諸多限制,如工作環境非常惡劣、空間密閉狹小、無法供風供液冷卻、體積重量限制、熱沉容量不夠、外部氣動加熱等多種苛刻條件，尤其是工作于彈載平臺中段和末段的電子設備,其本身面臨著更高的工作環境初始溫度。封裝有相變材料的熱沉作為電子器件在高溫環境工作條件下的蓄熱載體,一方面利用固液相變潛熱存儲系統吸收電子器件散發的熱量,另一方面還要吸收從高溫環境傳遞過來的熱量，合理設計相變潛熱存儲系統就很關鍵。相變熱沉技術就是以熱沉總體尺寸、邊界條件、熱沉和相變材料為約束條件,利用相變材料(Phase Change Material，PCM，通常是一些常壓下可在某些電子器件工作溫度區段進行固液相轉換的材料)的相變潛熱吸收一定時段內運行的電子器件(如移動電話、便攜式電腦、雷達TR組件)產生的熱量,從而對電子器件進行保護的技熱控制術。當PCM吸收熱量后,其狀態變為液態,當環境溫度降低后,經過向環境的散熱,就可以恢復固態。隨著微電子技術的迅速發展,電子設備的集成程度和功率密度不斷提高，發熱量和耗散功率密度越來越大，熱控制問題變得越來越重要，對熱管理、熱控制技術的要求也更加嚴格。電子器件特征尺寸不斷減小,芯片的集成度、封裝密度以及工作頻率卻不斷提高,這就使得單位容積電子器件的總功率密度和發熱量大幅度地增長，從而使電子器件的冷卻問題變得越來越突出。由于相變熱沉技術具有儲能密度大、儲/釋能過程溫度恒定、可反復、周期性使用等特點，在航空、航天、通信等領域，特別是在彈載、星載電子設備抗熱沖擊(瞬時、短時或周期性)散熱控制中有著廣闊的應用前景。相變熱沉一般由圖3所示相變材料、封裝結構、強化傳熱結構三部分組成，當電子設備發熱(或環境溫度上升、承受外界熱沖擊)致使溫度上升時(高于相變溫度)，熱量經由相變熱沉封裝殼體熱擴散底板(7)進入相變材料，相變材料在溫度恒定的情況下發生物相變化(一般是由固相變為液相)，吸收、儲存熱量；反之，當電子設備停止工作(或環境溫度下降、外界熱沖擊消失)后溫度下降(低于相變溫度)，相變材料在溫度恒定的情況下發生物相變化(一般是由液相變為固相)，釋放熱量，熱量經由相變熱沉封裝殼體進入周邊環境或需要吸熱保溫的設備，從而解決熱量生成和排放在時間、強度及地點上不匹配的問題，確保電子設備在可控的溫度環境下可靠工作。航空、航天領域的結構熱控設計對熱沉的質量、體積與環境適應性有極高要求，使用相變材料(PCM，Phase Change Materials)作為熱沉相較于傳統的質量熱沉其效率高出一個數量級，隨著大規模集成電路和功率電子器件的日益普遍應用而得到廣泛的應用。

相變材料屬于能源材料的分支，是發展相變儲能技術的核心和基礎。按照成分劃分，相變儲能材料分為無機類、有機類和混合類。從研究結果來看，不同的相變材料均存在一些缺點。如無機材料相變溫度區間廣、單位質量潛熱大、化學性質穩定，但密度小、導熱性能差，在一定程度上制約了其應用。水合鹽類材料雖然密度適中、單位質量潛熱大，但是由于其化學穩定性差并存在較大的過冷度等缺點，嚴重制約了水合鹽類材料的應用。金屬相變材料屬于無機類相變材料的范疇，同樣存在低溫范圍內質量潛熱低，密度高重量大，相變潛熱(單位質量相變材料發生相變時吸收或釋放的熱量)以及相變溫度受到其成分和成分物性的影響較大，熱沉制備難度較高等問題。