CN103700638A - 一种用于高功率器件散热的相变材料热缓冲装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种用于高功率器件散热的相变材料热缓冲装置及方法，利用相变材料相变吸热温度不变特性将其作为热传导冷端T₂，与设备热沉T₁形成一定温度差，将热端器件散发热量及时导入相变储能物质中，在热端器件工作时间t内维持器件温度T₁在允许的工作温度范围之内。相变材料热缓冲装置由热沉，在热沉底部刻蚀的蜂窝结构以及蜂窝空穴中填充的相变材料组成。相变材料热缓冲装置的有效性可以通过在热功率P下工作时间t后装置的温度分布进行评价或根据此计算结果进行调整。温度分度可以由建立的热缓冲过程模型或利用有限元算法计算得到。本发明增大了导热面积，提高了导热效率，且热沉与热缓冲装置融为一体，节省了空间。

Description

一种用于高功率器件散热的相变材料热缓冲装置及方法

技术领域

本发明涉及一种针对高功率器件，即工作时产生热功率大而要求工作温度低的器件，应用相变材料进行热缓冲装置及方法。

背景技术

随着光电子技术迅速发展，各种高功率光电子器件逐渐应用到各种设备中。但是高功率光电子器件的发热量往往很大而要求的正常工作温度相对较低。传统上用风冷或水冷方式实时散热。水冷散热需要附加大体积的水冷设备且水冷方式自身存在散热能力极限；而风冷散热能力极限仅有水冷的十分之一，对于百瓦级热功率，已经不能及时将热量排除。尤其对于体积小功率大的光电子器件，热流密度已经超出了水冷或风冷的散热能力。而且风冷和水冷设备都是有源散热设备，需要消耗额外的能量。

近年来出现一种相变材料作为储热物质应用到设备散热中。相变材料是一种在相变过程中存储大量热能的材料，设备产生热量暂时存储在相变材料中，存储的热能再以其它方式散发到环境中或再次利用。

目前相变材料一般用于低功率器件散热，且这种低功率器件正常工作所容忍的最高温度往往在80℃以上。相变材料普遍采用钢制小球封装导热油浸泡或石墨骨架吸附的方式，与工作设备的热沉间接接触导热。钢球封装，需浸泡在导热油或其它导热液体物质中，而导热油的热传导系数仅为5～6W/(m·K)。若为高功率器件散热，则大量热能来不及存储到相变材料中而在热沉中积累导致器件温度急剧上升，迅速超过工作允许温度范围；而石墨骨架导热性能相对较好，但是作为一种脆性材料受到振动和外部冲击时易损坏，相变物质泄漏；无论是钢球封装还是石墨骨架，都是相变材料与储热结构件间接导热，影响了热传导效率。且这两种方式仅有一个接触面进行热传导，热导效率提升空间有限，尤其对于热功率高而要求工作温度低的光电子器件难以有效散热。

有必要采取新的思路，给出更为合理的散热方法以及装置，增大导热面积，提高导热效率。

发明内容

本发明的技术解决问题是：对于热功率高而要求工作温度低，体积小而热流密度大的光电子器件，提出一种新的应用相变材料的热缓冲方法和装置，保证高热功率设备在工作时间内，设备温度处于正常工作允许的范围之内。

本发明的技术解决方案是一种用于高功率器件散热的相变材料热缓冲装置，包括：用于热扩散的热沉，在热沉底部刻蚀有蜂窝结构，蜂窝结构中填充相变材料。高功率是指：500W-5000W。

所述蜂窝结构为多个空穴呈棋盘或同心圆形式均匀分布在热沉底部，蜂窝结构中空穴为柱体，柱体横截面为圆形或六边形等多边形。

一种用于高功率器件散热的相变材料热缓冲方法，实现步骤如下：

（1）将待散热功率器件安装在热沉上，热沉吸收功率器件工作时产生热量，热沉的作用是使得功率器件产生热量在热沉中形成热量均匀分布；

（2）在热沉底部刻蚀的蜂窝结构，其作用是扩大散热面积，使得热量充分被相变材料吸收；

（3）在蜂窝结构中填充相变材料，相变材料为固-固相变物质，如层状钙态矿等有机金属化合物或新戊二醇(NPG)等多元醇类有机物质。相变材料在发生相变吸热时温度保持不变，高功率器件工作温度高于相变材料的相变温度，高功率器件产生的热量不断存储到相变材料中而不会引起相变材料任何温度变化，高功率器件与相变材料之间形成稳定温度差，在高功率器件工作时间内，高功率器件产生热量不断存储到相变材料中，同时高功率器件温度保持不变。

（4）通过建立的热缓冲过程模型或有限元算法判断高功率器件温度是否在高功率器件正常工作温度范围内。如果高功率器件温度在正常范围内，即说明上述热沉、蜂窝结构以及相变材料构成的热缓冲装置可以有效地进行热缓冲使得高功率器件温度在工作时间内保持在正常工作范围内且保持不变；如果高功率器件温度不在正常工作范围内，需要对热缓冲装置进行修正。

本发明与现有技术相比优点在于：

(1)本发明可将高功率光电子器件在工作时间内产生的大量热能迅速吸收，维持器件温度在正常工作允许的范围之内，特别适用于产生热功率高而要求工作温度低的器件。

(2)作为储能物质的相变材料直接填充在蜂窝结构的空穴结构中，增大了导热面积，省去了中间导热材料，提高了导热效率。

(3)热沉与热缓冲装置融为一体，节省了空间，有利于高功率设备的小型化设计。

(4)通过建立的热缓冲过程模型或有限元算法，计算得到热缓冲装置在工作时间内的温度分布，对热缓冲装置设计的有效性进行评价并此为依据对装置设计做出调整。

附图说明

图1为本发明热缓冲过程示意图；

图2为本发明热沉中蜂窝结构的空穴分布及其拓扑结构示意图，其中(a)为横向排布形式，(b)为纵向排布形式，(c)为棋盘排布形式，(d)为同心圆排布形式。

图3为本发明的相变材料热缓冲装置结构示意图；

图4为本发明的相变材料热缓冲装置蜂窝结构示意图；

图5有限元算法中体积单元示意图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例，详细介绍本发明所述的相变材料热缓冲方法及装置。高功率激光器的多个LD泵浦源产生2500W热功率，连续工作3min。全部LD的均匀排布形成了对直径为400mm的圆形热沉的均匀加热。LD工作温度为20～30℃，工作环境温度为0℃。要求3min内保持LD温度在正常工作范围之内，设备热缓冲装置总高度不能超过40mm。

高功率激光器产生热量P为2500W，工作时间t为3min。热功率过高风冷和水冷方式都难以及时导出，大量热能在热扩散装置中累积引起LD温度急剧上升，迅速超过工作允许温度范围。应用本发明所述的相变材料热缓冲方法可以将工作时间t内产生热量及时导出并存储到高潜热的相变材料中，保证在t时间内LD温度在允许范围之内。根据LD工作温度范围以及环境温度，图1中的热端温度T₁为26℃，环境温度T₀为0℃，冷端温度T₂需要满足条件0℃≤T₂≤26℃，取T₂=10℃，即相变材料的相变温度为10℃。

本发明的关键之处是热缓冲装置中的蜂窝结构2，蜂窝结构2可以为多种拓扑结构，如图2所示。根据不同实际情况选择适当的蜂窝结构中空穴排布方式，图2中的(a)(b)(c)分别为横向、纵向以及棋盘形式分布。为了填充操作方便，选择如图2中的(d)所示的蜂窝结构中的空穴排布方式。蜂窝结构中的空穴呈同心圆形式排布，空穴数量为N，每个空穴底面积为Δs，高度为h且均匀分布，蜂窝结构的横截面出现N个面积为Δs的空洞，定义此截面的填充率为：

$\mathrm{\η}=\frac{\mathrm{N\Δs}}{S}$

那么，蜂窝结构热阻R为：

$R=\frac{h}{\mathrm{kS}(1-\mathrm{\η})}$

其中，k为热沉材料的热导系数。

蜂窝热阻为R还应该满足温度条件，蜂窝结构填充相变材料相变温度T₂，热端温度T₁，高功率器件热功率P，那么有：

$R=\frac{T_1-T_2}{P}$

其中，相变温度T₂还需满足T₁≤T₂≤T₀，T₀为环境温度。相变温度必须大于环境温度且小于热端温度，保证热量从高功率设备传导至相变材料，相变材料仅吸收高功率设备热量而不会同时从环境中吸取热量。

综合考虑热功率P，工作温度T₁，相变温度T₂以及对热缓冲装置高度h要求，若冷热端温度差ΔT为T₁-T₂，那么蜂窝结构中空穴数量N为：

$N=\frac{\mathrm{\ΔTkS}-\mathrm{hP}}{\mathrm{\ΔTk\Δs}}$

根据蜂窝结构中空穴总体积V和热功率P以及工作时间t确定相变潜热ρ_Q和材料密度ρ_M。蜂窝结构中空穴总体积即为相变材料总体积V:

V=NhΔs

根据相变潜热计算公式，得到相变潜热ρ_Q和材料密度ρ_M乘积为：

${\mathrm{\ρ}}_Q{\mathrm{\ρ}}_M=\frac{\mathrm{Pt}}{\mathrm{Nh\Δs}}$

由ρ_Qρ_M乘积值以及相变温度T₂选择适当的相变材料填充到蜂窝结构空穴中。

根据本发明实施例所述的热缓冲方法，相变材料热缓冲装置结构如图3和图4所示。图3展示了热沉以及蜂窝结构中填充的相变材料。图4展示了蜂窝结构中空穴的排布，蜂窝结构的空穴高为h，底面积为Δs。热沉1及其蜂窝结构2用铝材料一体制造，蜂窝结构如图4所示。蜂窝结构空穴中的固-固相变材料的相变温度为10℃。根据具体工作设备热功率P，工作时间t，工作温度T₁，工作环境温度T₀以及对热沉尺寸要求等情况，同时应该考虑到加工难度，确定适当的蜂窝结构中圆柱体空穴底面直径。本实施例中蜂窝结构2的空穴高度h为30mm，实心热沉厚度10mm。

本发明所述的相变材料热缓冲装置，用导热微分方程对其温度分布进行计算，根据计算结果对热缓冲装置有效性进行评价。在热功率2500W下工作3min，建立的热缓冲过程模型为：

其中，ρ为热沉材料密度，c为热沉材料比热容。

边界条件分别是：

(1)热沉与相变材料边界温度值

T_W=10℃，(t≥t_P)

其中，t_P是相变开始时刻。

(2)热沉与相变材料边界热流密度值

$-k{\left(\frac{\∂T}{\∂n}\right)}_W=\frac{2500W}{\mathrm{\π}{\left(200\mathrm{mm}\right)}^2},(t\≥t_P)$

用有限元方法进行温度分布的数值仿真，将热缓冲装置分解为若干个体积为ΔV的立方体单元，如图5所示。ΔV越小，计算结果越精确。从t₀=0时刻开始，对第i个体积单元在时间Δt内热传导形成的温度差ΔT_i进行计算：

$\mathrm{\Δ}{T}_i=\frac{\underset{n=1}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{in}}\mathrm{\Δt}}{\mathrm{\ρc\ΔV}}$

其中，P_in表示体积单元每个面的热功率矢量，输入为正值，输出为负值。进而得出在Δt时刻整个热缓冲装置的温度分布，将此计算结果作为下一时刻初始条件，迭代计算过程由有限元算法软件进行。热功率P持续3min后，分析结果显示，以2500W热功率加热3min后，相变材料热缓冲装置由热沉到装置底面，温度呈现一定的分布，加热端温度T₁约为26.52℃，相变材料作为冷端，温度T₂维持在10℃附近。整个储热结构满足了设计要求，工作设备端温度保持在允许范围内。说明了该实施例中相变材料热缓冲装置的是有效的。

如果LD工作温度调整为15～25℃，其它条件不变，那么根据以上仿真计算结果对热缓冲结构进行调整。调整的方式有两种，其一是增大热沉面积S与蜂窝结构空穴数量N，以降低热阻R，从而使得冷热端温差ΔT降低。在冷端相变温度T₂不变条件下，降低热端温度T₁。增加的蜂窝结构空穴数量和调整的热沉面积可由上文所述的蜂窝结构空穴数量N以及热阻R计算公式联立得出。

其二是选用相变温度更低的相变材料作为冷端以降低T₂，在热沉面积S和蜂窝结构空穴数量N不做改动的条件下，拉低热端温度T₁。从仿真计算结果可以看出，蜂窝结构在冷热端间形成的热阻R造成约17℃的温差，那么针对热端温度调整为15～25℃，冷端相变材料的相变温度应该小于8℃。

Claims (3)

1.一种用于高功率器件散热的相变材料热缓冲装置，其特征在于包括：用于热扩散的热沉，在热沉底部刻蚀有蜂窝结构，在蜂窝结构空穴中填充相变材料。

2.根据权利要求1所述的用于高功率器件散热的相变材料热缓冲装置，其特征在于：所述蜂窝结构为多个空穴呈棋盘或同心圆形式均匀分布在热沉底部，空穴为柱体，柱体横截面为圆形或六边形等多边形。

3.一种用于高功率器件散热的相变材料热缓冲方法，其特征在于实现步骤如下：

（1）将待散热功率器件安装在热沉上，热沉吸收功率器件工作时产生热量，热沉的作用是使得功率器件产生热量在热沉中形成热量均匀分布；

（2）在热沉底部刻蚀的蜂窝结构，其作用是扩大散热面积，减小热阻，使得热量充分被相变材料吸收；

（3）在蜂窝结构中填充相变材料，相变材料在发生相变吸热时温度保持不变，高功率器件工作温度高于相变材料的相变温度，高功率器件产生的热量不断存储到相变材料中而不会引起相变材料任何温度变化，高功率器件与相变材料之间形成稳定温度差，在高功率器件工作时间内，高功率器件产生热量不断存储到相变材料中，同时高功率器件温度保持不变。

（4）通过建立的热缓冲过程模型或有限元算法判断高功率器件温度是否在高功率器件正常工作温度范围内。如果高功率器件温度在正常范围内，即说明上述热沉、蜂窝结构以及相变材料构成的热缓冲装置可以有效地进行热缓冲使得高功率器件温度在工作时间内保持在正常工作范围内且保持不变；如果高功率器件温度不在正常工作范围内，需要对热缓冲装置进行修正。

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