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CN101578029A - 一种集成热管和泡沫金属芯体的相变温控装置 - Google Patents

一种集成热管和泡沫金属芯体的相变温控装置 Download PDF

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CN101578029A CN200910087229.2A CN200910087229A CN101578029A CN 101578029 A CN101578029 A CN 101578029A CN 200910087229 A CN200910087229 A CN 200910087229A CN 101578029 A CN101578029 A CN 101578029A
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徐伟强
袁修干
李贞�
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Abstract

本发明是关于一种采用相变材料，并且集成了热管和泡沫金属芯体的电子设备温控系统，包含一填充了泡沫金属芯体和相变材料的容器、至少一热管、一散热翅片。其中的热管可以是一平板式热管，或者是至少一轴向异型热管，又或者是至少一内置于相变材料容器内的轴向矩形热管。本发明提供的集成热管和泡沫金属芯体的相变温控装置的导热性能更好，相变材料的有效利用率更高，温度分布更加均匀，而且解决了现有相变温控装置内集中分布的空穴产生的局部高温和集中热应力影响相变材料容器结构可靠性的问题，因此能够更加有效地实现电子设备或电子元器件的温度控制。

Description

一种集成热管和泡沫金属芯体的相变温控装置
【技术领域】
本发明是关于一种电子设备温控系统，尤其是关于一种采用相变材料，并且集成了热管和泡沫金属芯体的电子设备温控系统。
【背景技术】
随着电子技术的迅速发展，电子元器件日趋小型化，而功耗却越来越高，使得电子设备的热流密度急剧增大，这将导致电子器件工作时温度过高。电子元器件的失效率随温度的升高呈指数增长，过热损坏已成为电子设备的主要故障形式，据统计，55％的电子设备失效是由温度过高引起的，因此对电子设备进行有效的温度控制成为提高其可靠性的关键技术。
相变温控就是利用相变材料的相变过程储存或释放热量，实现对物体的温度控制。相变温控因其装置结构紧凑、性能可靠、经济节能等优点，早在六十年代就被应用在航空航天器的电子设备温控上，近年来随着各种便携式电子设备向小型化、高集成化方向的发展，相变温控又被应用到这些电子设备的温控上，尤其是在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设备的温度控制中具有明显的技术优势。相变温控的应用研究逐渐成为温控领域的一个研究热点。
相变材料按相变形式不同可分为固-固相变材料、固-液相变材料、固-气相变材料和液-气相变材料四类，其中固-液相变材料在相变时的体积变化较小，相变潜热较大，相变温度范围广，在实际应用中最为广泛，相变温控装置中也主要采用固-液相变材料，如无特殊说明，本说明书中出现的相变材料均指固-液相变材料。
针对不同类型电子设备，相变温控的过程有所不同。对于具有短时高发热特性的电子设备，其相变温控是利用相变材料的相变潜热来吸收电子设备在短时间内产生的大量热量。因为相变蓄热过程近似恒温，电子设备温度可以在短时间内维持恒定或维持在规定温度范围内。当电子设备不发热时，相变材料有足够长的时间来释放热量并恢复其原始相态，为下一次相变蓄热做好准备。对于具有间歇发热特性或处于周期性波动温度环境下的电子设备，其相变温控是当电子设备处于高发热期间或高温环境时，相变材料通过相变储存热量，维持电子设备温度在某一温度以下，防止电子设备温度过高；而当电子设备处于低发热期间或低温环境时，相变材料反向相变释放热量，维持电子设备温度在某一温度以上，防止电子设备温度过低。简单地说，就是控制电子设备的温度波动幅度。
但是目前电子设备温控中常用的相变材料的导热系数大都较低，使得相变温控装置中的相变材料不能全部参与蓄/放热，从而降低了相变材料的有效利用率，增加了相变温控装置的质量和体积；另外相变时的体积变化使得相变材料中必然存在空穴，空穴的存在不仅带来较大的局部热阻削弱相变温控装置的导热性能，而且会产生较大的温度梯度和集中热应力影响相变温控装置的结构可靠性，可能导致相变温控装置的失效甚至直接破环。改善相变温控装置的导热性能，并解决空穴分布对相变温控装置的结构可靠性的不良影响已经成为电子设备相变温控装置的应用中亟待解决的关键问题。
【发明内容】
本发明的目的，在于提供一种集成热管和泡沫金属芯体的相变温控装置，热管和泡沫金属芯体能够显著提高相变温控装置的导热性能，泡沫金属芯体还能有效改善相变材料中空穴的分布，从而提高相变温控装置的可靠性。
依照本发明提出的一种集成热管和泡沫金属芯体的相变温控装置，其特征在于包括：一相变材料容器(1)，一泡沫金属芯体(2)，相变材料(3)，至少一热管(4)，以及散热翅片(5)。
所述的泡沫金属芯体(2)，其特征在于：填充在相变材料容器(1)中，其形状和尺寸与相变材料容器的内部空间相同；由泡沫金属材料制成，若相变材料容器的厚度较大，由多层泡沫金属材料组合而成；其中所述泡沫金属材料为泡沫铝、泡沫铜、泡沫镍或泡沫铁；
所述的相变材料(3)，其特征在于：灌装入相变材料容器(1)中，均匀分布于泡沫金属芯体(2)的孔隙中；
所述的热管(4)，其特征在于：是一平板式热管(41)，或者是至少一轴向异型截面热管(42)，又或者是至少一内置于相变材料容器(1)中的轴向矩形截面热管(43)；
其中所述的平板式热管(41)，其特征在于：其外形为薄平板状，安装在相变材料容器(1)与电子设备(6)之间，在平板式热管与相变材料容器和电子设备的接触面之间填充导热硅胶减小接触热阻；或者焊接在相变材料容器的表面；又或者直接作为相变材料容器的一个端盖。
所述的平板式热管(41)，其特征进一步在于：热管的吸液芯为轴向微槽吸液芯，或者是金属丝网吸液芯，又或者是金属颗粒烧结吸液芯。
所述的轴向异型截面热管(42)，其特征在于：安装在相变材料容器(1)上，在轴向异型截面热管与相变材料容器之间填充导热硅胶减小接触热阻；或者焊接在相变材料容器的表面。
所述的轴向异型截面热管(42)，其特征进一步在于：热管内部通道是圆形、椭圆形、矩形或其它复杂形状截面；热管外部有一个平面，便于安装或焊接在相变材料容器的表面。
所述的轴向矩形截面热管(43)，其特征在于：截面形状为矩形，内置于相变材料容器(1)中，吸液芯为热管壁上的轴向微槽吸液芯，或者是金属丝网吸液芯，又或者是金属颗粒烧结吸液芯。
所述的散热翅片(5)，其特征在于：是安装在相变材料容器(1)表面上的散热翅片，在散热翅片与相变材料容器之间填充导热硅胶减小接触热阻；或者是焊接到相变材料容器表面的散热翅片，又或者是在相变材料容器壁面上加工出的散热翅片。
本发明提供的集成热管和泡沫金属芯体的相变温控装置的优点是：一、相变材料容器中填充的泡沫金属芯体提高了相变材料的导热性能；相变材料容器壁面上集成的热管使得整个相变温控装置沿长度方向的传热得到强化，温度分布更加均匀。泡沫金属芯体和热管的强化传热显著改善了相变温控装置的导热性能，提高了相变材料的有效利用率。二、相变材料容器中填充的泡沫金属芯体所具有的毛细孔隙能够有效分散空穴的分布，解决了现有相变温控装置内集中分布的空穴产生的局部高温和集中热应力影响相变材料容器结构可靠性的问题。三、在相变材料容器壁面上安装、焊接或直接加工得到的散热翅片能够增强相变温控装置的散热性能，散热翅片的尺寸和数量由电子设备的发热功率和环境温度进行设计，使得相变温控装置的散热性能满足要求。
综上所述，与现有的相变温控装置相比，本发明提供的集成热管和泡沫金属芯体的相变温控装置的导热性能更好，相变材料的有效利用率更高，温度分布更加均匀，而且解决了现有相变温控装置内集中分布的空穴产生的局部高温和集中热应力影响相变材料容器结构可靠性的问题，因此能够更加有效地实现电子设备或电子元器件的温度控制。
【附图说明】
图1为集成了平板式热管和泡沫金属芯体的相变温控装置截面图，其中图1a为正放的相变温控装置截面图，图1b为倒放的相变温控装置截面图；
图2为平板式热管的截面图，其中图2a和图2b为两种形式的轴向微槽平板式热管的截面图，图2c为带金属丝网吸液芯或金属颗粒烧结吸液芯的平板式热管的截面图；
图3为集成了平板式热管和泡沫金属芯体的相变温控装置的立体结构示意图；
图4为集成了轴向异性截面热管和泡沫金属芯体的相变温控装置的截面图；
图5为集成了轴向异性截面热管和泡沫金属芯体的相变温控装置的立体结构示意图；
图6为集成了内置矩形截面热管和泡沫金属芯体的相变温控装置的截面图；
图7为集成了内置矩形截面热管和泡沫金属芯体的相变温控装置的立体结构示意图。
【具体实施方式】
为进一步阐述本发明为达到预定发明目的所采用的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的集成热管和泡沫金属芯体的相变温控装置的具体实施方式详细说明如下，然而实例仅为参考和说明之用，并非用来对本发明的应用范围加以限制。
图1为集成了平板式热管和泡沫金属芯体的相变温控装置截面图，其中相变温控装置与电子设备的相对位置有两种形式，图1a显示的是电子设备放置于相变温控装置之上(以下简称正放)，图1b显示的是相变温控装置放置于电子设备之上(以下简称倒放)。
对于正放的相变温控装置，由于加热面在平板式热管的上表面，冷凝面在平板式热管的底面，而热管工质受重力作用一般位于热管底部，所以正放的相变温控装置比较适合采用图2a所示形式的微槽平板式热管或图2c所示的带金属丝网吸液芯或金属颗粒烧结吸液芯的平板式热管。而对于倒放的相变温控装置，加热面在平板式热管的下表面，冷凝面在平板式热管的上面，所以图1a、图1b、图1c所示的平板式热管都适用于倒放的相变温控装置。
图2a中411为平板式热管的壳体，412为相互平行的微型槽道，413为内肋片，414是平板式热管两端连接所有轴向微槽的通道，415为热管工质的灌注孔。热管工质通过灌注孔封装入平板式热管内，分布在微型槽道的底部；内肋片在平板式热管上下表面之间起到强化传热作用，使得该形式的平板式热管适用于正放和倒放的相变温控装置；平行的轴向微槽通过平板式热管两端的通道相互连通，使得整个热管表面具有均匀的温度分布。这种形式的平板式热管结构最为紧凑，其厚度最小可达2mm。
图2b中411为平板式热管的壳体，412为热管底面的微型槽道，413为内肋片，416为热管内的蒸汽腔。该形式的平板式热管适用于倒放的相变温控装置，热管工质在底部的微型槽道中蒸发，在顶部冷却凝结为液态，然后在重力作用下落回底部的微型槽道中，所以在竖直方向上不需要专门的吸热芯，微型槽道提供毛细力驱动液态热管工质在轴向的移动，连通的蒸汽腔使得热管具有良好的等温性。
图2c中411为平板式热管的壳体，416为热管内的蒸汽腔，417为金属丝网吸液芯或金属颗粒烧结吸液芯。金属丝网吸液芯或金属颗粒烧结吸液芯提供的毛细力使得液态热管工质充满吸液芯的毛细孔隙，整体式的蒸汽腔使得热管具有良好的等温性，因此该形式的平板式热管适用于正放和倒放的相变温控装置。
图3为集成了平板式热管和泡沫金属芯体的相变温控装置的立体结构示意图，对于底面面积小，但是功率很大的电子设备，平板式热管超强的导热性能使得相变材料容器的表面都能同时吸热，从而提高了温度控制的性能和效率；相变材料容器内填充的泡沫金属芯体明显改善了相变材料的导热性能，使得相变温控装置能够满足更大发热功率的电子设备的温控要求；安装在相变材料容器另一侧端面的散热翅片也使得温控装置具有更好的控制精度，电子设备刚开始工作时，相变材料的吸热熔化过程使得电子设备温度始终维持在相变材料的相变温度附近，而散热翅片由于远离热源，温度较低，所以散热量较小，当电子设备持续工作，相变材料继续熔化的过程中，散热翅片的温度升高，从而散热量也增大，阻止温度的进一步上升，散热翅片的合理设计应使得相变材料完全熔化时散热翅片及整个温控装置的散热能力能够满足电子设备的散热要求，以提高温控装置的可靠性。对于多个不同功率的电子设备的情况，平板式热管的等温性不仅能够提高相变材料吸热的性能和效率，而且还能平衡不同电子设备之间的温度，使得低发热功率或者周期性工作中正处于低发热功率或关闭状态的电子设备的表面能够为高发热功率或者周期性工作中正处于高发热功率状态的电子设备分担一部分散热。
图4为集成了轴向异性截面热管和泡沫金属芯体的相变温控装置的截面图，其中42为轴向异型截面热管，421为热管壳体，422为金属丝网吸液芯或金属颗粒烧结吸液芯，423为轴向的蒸汽通道。
图6为集成了内置矩形截面热管和泡沫金属芯体的相变温控装置的截面图，其中43为内置于相变材料容器内部的轴向矩形截面热管，431为热管壳体，432为金属丝网吸液芯或金属颗粒烧结吸液芯，433为轴向的蒸汽通道。
图5为集成了轴向异性截面热管和泡沫金属芯体的相变温控装置的立体结构示意图，图7为集成了内置的矩形截面热管和泡沫金属芯体的相变温控装置的立体结构示意图。轴向异性截面热管和内置的矩形截面热管主要改善了相变温控装置轴向的温度均匀性，所以主要适用于宽度小，轴向长度大的相变温控装置；相变材料容器内填充的泡沫金属芯体明显改善了相变材料的导热性能，使得相变温控装置能够满足更大发热功率的电子设备的温控要求；其中集成了内置的矩形截面热管的相变温控装置由于采用了内置热管，电子设备和散热翅片之间直接通过内置热管传热，所以使得散热翅片具有更好的散热效果。

Claims (10)

1.一种集成热管和泡沫金属芯体的相变温控装置，其特征在于包括：一相变材料容器(1)，一泡沫金属芯体(2)，相变材料(3)，至少一热管(4)，以及散热翅片(5)；所述的泡沫金属芯体和相变材料填充在相变材料容器中，所述的热管位于相变材料容器与电子设备之间，或者内置在相变材料容器中。
2.如权利要求1所述的一种集成热管和泡沫金属芯体的相变温控装置，其特征在于：所述的泡沫金属芯体(2)填充在相变材料容器(1)中，其形状和尺寸与相变材料容器的内部空间相同；由泡沫金属材料制成，若相变材料容器的厚度较大，由多层泡沫金属材料组合而成；其中所述泡沫金属材料为泡沫铝、泡沫铜、泡沫镍或泡沫铁。
3.如权利要求1所述的一种集成热管和泡沫金属芯体的相变温控装置，其特征在于：所述的相变材料(3)灌装入相变材料容器(1)中，均匀分布于泡沫金属芯体(2)的孔隙中。
4.如权利要求1所述的一种集成热管和泡沫金属芯体的相变温控装置，其特征在于：所述的热管(4)是一平板式热管(41)，或者是至少一轴向异型截面热管(42)，又或者是至少一内置于相变材料容器(1)中的轴向矩形截面热管(43)。
5.如权利要求1所述的一种集成热管和泡沫金属芯体的相变温控装置，其特征在于：所述的散热翅片(5)安装或者焊接在相变材料容器(1)上，或者是在相变材料容器壁面上直接加工出的散热翅片。
6.如权利要求4所述的平板式热管(41)，其特征在于：其外形为薄平板状，安装在相变材料容器(1)与电子设备(6)之间，在平板式热管与相变材料容器和电子设备的接触面之间填充导热硅胶减小接触热阻；或者焊接在相变材料容器的表面；又或者直接作为相变材料容器的一个端盖。
7.如权利要求4所述的平板式热管(41)，其特征进一步在于：热管的吸液芯为轴向微槽吸液芯，或者是金属丝网吸液芯，又或者是金属颗粒烧结吸液芯。
8.如权利要求4所述的轴向异型截面热管(42)，其特征在于：安装在相变材料容器(1)上，在轴向异型截面热管与相变材料容器之间添加导热硅胶减小接触热阻；或者焊接在相变材料容器的表面。
9.如权利要求4所述的轴向异型截面热管(42)，其特征进一步在于：热管内部通道是圆形、椭圆形、矩形或其它复杂形状截面；热管外部有一个平面，便于安装或焊接在相变材料容器(1)的表面。
10.如权利要求4所述的轴向矩形截面热管(43)，其特征在于：截面形状为矩形，内置于相变材料容器(1)中，吸液芯为热管壁上的轴向微槽吸液芯，或者是金属丝网吸液芯，又或者是金属颗粒烧结吸液芯。
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