[發明專利]一種復合材料輕質高效冷卻方法及裝置

在審

• 申請號: 201811240484.1
• 申請日: 2018-10-24
• 公開（公告）號: CN109413938A
• 公開（公告）日: 2019-03-01
• 發明（設計）人: 肖鵬;顏鴻斌;蔡建強;王翰林;劉寧;劉清念
• 申請（專利權）人: 航天材料及工藝研究所;中國運載火箭技術研究院
• 主分類號: H05K7/20
• 分類號: H05K7/20;H01L23/473;H01L23/467;H01L23/373
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 龐靜

一種復合材料輕質高效冷卻方法及裝置，涉及航空及航天電子設備冷卻領域；本發明的冷卻裝置利用高導熱碳纖維的高效傳熱性能，結合結構碳纖維復合材料的高力學性能，并與高熱流密度氣冷/液冷/相變等主動冷卻技術耦合，為高功率的機載/箭載/星載電子器件提供有效散熱。電子發熱器件借助液態金屬與高導熱碳纖維復合材料導熱部件熱端相連接，通過復合材料中的連續高導熱碳纖維束結構將熱量快速從熱端傳遞到冷端，冷端同樣借助液態金屬與液冷管路/風冷散熱器相連接，將熱量傳遞至外界環境。本發明所述裝置實現了高發熱功率電子芯片的長距離熱量傳遞與散熱，同時相比同性能鋁合金、鈦合金類散熱，裝置減重25％以上。

技術領域

本發明涉及航天/航空電子系統的熱管理領域，特別是一種服務于機載/箭載/星載電子系統的高導熱碳纖維散熱器。

背景技術

目前國內外絕大多數科研機構與換熱器生產廠家使用金屬材料制作電子器件散熱器，包括金屬散熱翅片以及金屬冷板、金屬熱管等。所申請的相關發明集中在提高金屬散熱器冷卻效率，減少金屬散熱器中的冷卻液流動阻力以及降低金屬散熱器接觸熱阻等方面，并不適用于重量以及冷卻效率同時要求苛刻的機載/箭載/星載電子器件冷卻領域。輕質碳基復合材料具有密度低、強度高、復合功能性強等優勢，正逐步替代金屬材料，成為航空/航天應用的首選。

在力學與熱學性能方面，碳基復合材料與金屬材料不同，具有各向異性的特點。但在現有的設計規范中，例如GJB/Z27-92《電子可靠性熱設計手冊》，也是基于銅、鋁等熱導率各向同性金屬材料，并未包含比熱導率更高但熱導率各向異性的碳纖維導熱復合材料。為填補如上空白，需要研制使用高導熱碳纖維復合材料的機載/箭載/星載冷卻裝置，并提出相應設計理念的實現方法。

發明內容

本發明的目的在于克服高功率電子器件難以有效散熱而且金屬散熱器載荷偏重的技術不足，提供一種碳纖維復合材料高效散熱器，利用高導熱連續碳纖維的高效熱傳輸能力(密度<2000kg·m^-3、導熱系數>450W·m^-1·K^-1)，將電子器件發生的熱量以導熱方式快速傳遞至風冷/液冷部件，從而快速帶走電子系統工作時發出的熱量。

本發明所述冷卻裝置本發明面向機載/箭載/星載電子器件冷卻應用領域，使用輕質高導熱碳纖維復合材料制作輕質散熱器，替代高密度的銅、鋁等常規散熱器，對航天/航空電子系統的產熱進行有效熱管理，同時實現高功率散熱與整體減重的雙重目標。

本發明的一種應用實例(機載電子設備冷卻裝置)可以提升冷卻效率30％，同時減重25％。

本發明的上述目的是通過如下技術方案予以實現的：一種輕質高效冷卻方法，利用高導熱連續碳纖維的高效熱傳輸能力，將電子器件發生的熱量以導熱方式快速傳遞至風冷/液冷部件，從而帶走電子器件工作時發出的熱量；所述的高導熱連續碳纖維的密度<2000kg·m^-3、沿連續碳纖維方向的一維熱導率>450W·m^-1·K^-1。

一種輕質高效冷卻裝置，包括支撐件、高導熱碳纖維導熱組件、液態金屬3、風冷散熱部件；高導熱碳纖維導熱組件的纖維絲束沿傳熱路徑平行排布，高導熱碳纖維導熱組件由支撐件進行支撐，高導熱碳纖維導熱組件的一側通過液態金屬與待冷卻電子器件的發熱面連接，另一側通過液態金屬與風冷部件連接；所述的高導熱碳纖維導熱組件材料密度<2000kg·m^-3、沿連續碳纖維方向的一維熱導率>450W·m^-1·K^-1；支撐件選用碳纖維結構復合材料。