CN111911892A - 一种采用复合相变材料与微通道液冷的复合散热装置 - Google Patents

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Abstract

一种采用复合相变材料与微通道液冷的复合散热装置，涉及冷散热领域，具体来说是采用相变材料和液冷结合的散热装置。该散热装置包括：相变区盖板、相变材料、散热器、液冷区盖板，所述散热器为板状结构，散热器的一侧设置放置相变材料的凹陷区，该凹陷区对应的另一侧设置微流道；相变材料采用相变区盖板封装，微流道采用液冷区盖板封装，液冷区盖板未封装的一侧设置冷却液的注液口和出液口；热源设置于相变区盖板的未封装一侧；其特征在于所述散热器的凹陷区内阵列设置有多个泡沫铝材料的柱状凸起，相变材料填充凹陷区内柱状凸起之间的间隙，凹陷区外侧设置有一圈密封槽。具有散热均匀散热效率高的优点。

Description

一种采用复合相变材料与微通道液冷的复合散热装置
技术领域
本发明涉及冷散热领域，具体来说是采用相变材料和液冷结合的散热装置。
背景技术
LED(Light Emitting Diode)，发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。随着LED技术逐渐成熟，它的节能、成本低、寿命超长、耐用性好、元件体积小、响应速度快、亮度衰减低等优点开始引人注意。因此，LED灯具在各行各业的应用也越来越广泛。目前，LED被广泛应用于路灯照明、码头照明、矿山照明等需要光效高的地方。
随着尺寸的减小、功率的大幅提高以及受目前加工工艺的限制，当LED光源处于工作状态的时候，大功率LED只能将10％～20％的输入功率转化为光能,而其余80％～90％转化成了热能。因为处在一个相对密闭且空间较窄的环境。如果热量不能及时有效的散出，会使LED芯片温度迅速升高，而温度对LED芯片的工作性能影响极大，高温会导致芯片出射的光子减少，色温质量下降，加快芯片老化，缩短器件寿命等严重后果。同时，较高的温度也会使灯具内部产生雾气，影响照明效果。
因此，LED的散热问题也是一个重点问题，散热好不好直接关系到LED灯是否能持久稳定可靠的工作。目前，传统的LED散热主要还是依靠被动散热。即依靠LED背后的散热翅片通过自然对流来带走热量。散热效果不理想，若遇上外部炎热高温环境，散热效果更差，直接影响LED的使用寿命。近年来，由于相变散热和液冷散热在散热效果方面的种种优势，使得在工业上，如汽车、飞机引擎、电子芯片等得到了广泛应用。
物质在发生相变(熔化/凝固或蒸发/液化)的过程中，会吸收或释放大量的潜热，相变散热技术就是运用PCM(Phase Change Material,相变材料)的这一特点来实现对发热元器件的冷却。PCM是发展相变散热技术的核心和基础，种类繁多，并各有千秋。在实际中PCM的选用应根据应用场合有所侧重。
石蜡的相变潜热大、相变温度范围广。虽然石蜡有液相生成,需用容器封装,但作为一种相变材料它具有很多优点,如相变潜热高、几乎没有过冷现象、熔化时蒸气压力低、不易发生化学反应且化学稳定性较好，在多次吸放热后相变温度和相变潜热变化很小、自成核、没有相分离和腐蚀性,价格较低。
石墨烯具有非常好的热传导性能，单层石墨烯是目前为止导热系数最高的碳材料，作为载体时，导热系数可达600W/(m.k),可作为一种理想的复合相变材料的填料。
具有超轻结构的泡沫金属是近几年发展起来的一种新型功能材料，常指孔径范围在0.1-10mm或更大，且孔隙率大于45％的多孔金属，具有高孔隙率，低密度及高导热率等优异特性。泡沫金属一般分为闭孔和通孔两种，通孔泡沫金属常用作强化传热。由于石蜡的导热系数极低，导致自身的储热速率很低，所以在纯石蜡中会经常填充一定比例的高导热率的泡沫金属，如泡沫铝、泡沫铜、膨胀石墨烯等物质，从而形成复合相变材料。这样会极大增加石蜡的等效导热系数，提高其相变潜热能力。
微通道散热结构比传统散热结构有更大的散热面积，更大的体积换热系数，换热效率高，满足更高的能效标准，使得单位质量的传热性能大大提高，而且具有优良的耐压性能。由于石墨烯是目前最薄的二维晶体材料，具有比表面积、载流子迁移率高、导热性能极佳等优异性能，被称为“新材料之王”。因此将单纯的冷却液换成含有石墨烯粉末的冷却液可以显著提高冷却液的散热能力。
发明内容
本发明的目的在于，根据目前LED散热技术存在的不足，结合相变和微通道液冷的相关散热技术，提供一种采用复合相变材料与微通道液冷的复合散热装置。该装置可以大大提高LED的散热能力，保证LED处于稳定可靠的工作环境，提高其寿命。
本发明采用的技术方案如下：一种采用复合相变材料与微通道液冷的复合散热装置，该散热装置包括：相变区盖板、相变材料、散热器、液冷区盖板，所述散热器为板状结构，散热器的一侧设置放置相变材料的凹陷区，该凹陷区对应的另一侧设置微流道；相变材料采用相变区盖板封装，微流道采用液冷区盖板封装，液冷区盖板未封装的一侧设置冷却液的注液口和出液口；热源设置于相变区盖板的未封装一侧；其特征在于所述散热器的凹陷区内阵列设置有多个泡沫铝材料的柱状凸起，相变材料填充凹陷区内柱状凸起之间的间隙，凹陷区外侧设置有一圈密封槽；
所述微流道包括：中心主流道、左三级流道、右三级流道，左三级流道和右三级流道的结构完全对称，对称轴为中心主流道；所述左三级流道包括：第一级流道、第二级流道、第三级流道，中心主流道与第一级流道、第二级流道、第三级流道一起并列设置，且长度依次缩短；所述左三级流道和右三级流道的每一级流道中顺流道方向设置一列隔离块，该列隔离块将所在流道分为冷却液入口侧和冷却液出口侧，每一级流道的冷却液入口和冷却液出口位于该流道的同一端；从冷却液入口到流道末端各流道中的隔离块的大小和相邻隔离块之间的距离都依次增大；上一级流道的冷却液出口连接下一级流道的冷却液入口；中心主流道的一端为注液口区，另一端为中心主流道的冷却液出口，中心主流道的冷却液出口使冷却液分为左右两路，分别流入左三级流道的第一级流道和右三级流道的第一级流道；左三级流道的第三级流道出口和右三级流道的第三级流道出口通过微流道汇合，汇合位置为微流道的出液口区，位于左三级流道和右三级流道的对称轴线上；微流道的外侧设置有一圈密封槽；
所述液冷区盖板上的注液口与散热器中微流道注液口区连通，液冷区盖板上的出液口与散热器中微流道出液口区连同。
进一步的，所述相变材料为石蜡-石墨烯复合材料。
进一步的，所述中心主流道顺流道方向的中线上设置一根扰流柱，该扰流柱为梭型。
一种采用复合散热装置的散热***，该***包括：复合散热装置、水泵、冷却水箱、S型散热管、控制器，复合散热装置、水泵、冷却水箱、S型散热管通过管路连接成一个循环***，控制器通过温度传感器采集热源的温度，根据热源的温度信息来控制水泵的输出功率。
综上所述。由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明中，散热装置中的相变潜放热介质采用低熔点的石蜡固液相变材料。石蜡在熔化过程中会吸收大量来自LED光源模块产生的热量，使得LED光源模块始终处于正常工作温度，且石蜡在固液相变时，体积变化率较小，故预留膨胀空间无需过大，使整体石蜡相变腔结构紧凑，体积较小。为了提高石蜡材料的导热率、熔化和凝固速率，在石蜡相变腔内随机布置有泡沫铝以及填充一定质量的石墨烯颗粒，从而大大提高石蜡的等效导热系数及扩散效率，使石蜡吸收的热量可以通过泡沫金属骨架快速传递到微通道液冷散热区。
本发明中，微通道液冷散热结构设计简单，结构紧凑，体积较小，整体噪声小。具体方式是采用不均匀的串并联流道散热。其中中间主流道上布置有弧形扰流柱，当冷却液流经扰流柱时，会产生扰动，破坏中间区域流体的热边界层，增强了对流换热系数，提高散热效果。设置为弧形可以明显减少压力损失。两侧不均匀的串并联流道对称布置，使得左右两部分的均温性相对一致。其中的并联流道，采用三种不同宽度的短矩形流道。其目的是满足从石蜡相变散热区传来的热量可以针对性散热的需求，使散热装置的均温性进一步提高。本发明中，整个微通道液冷散热装置采用的循环冷却液为一定浓度的石墨烯水溶液。由于石墨烯具有高润滑性、高热导率、高比表面积、防腐蚀等优异性能。因此，加入石墨烯粉末后能一定程度的改善单一冷却液的导热性能，且能够改善固液表面的润滑条件，降低其摩擦系数，使流道内壁的磨损率显著下降，降低泵的能量消耗，使整体散热能力较以往有一定提高。同时，石墨烯具有较强亲水性，所以能够均匀稳定的分布在极性溶剂当中，使冷却液的导热传热能力比较均匀。
本发明中，通过温度传感器监测LED光源模块温度值，并实时传输到控制器。控制器可以根据设定值，动态调节水泵转速。使得整个散热装置始终维持一个能效比最佳状态。
附图说明
图1为本发明中采用复合相变材料与微通道液冷的复合散热装置原理图。
图2为本发明中采用复合相变材料与微通道液冷的复合散热装置***图。
图3为本发明中图2中的局部剖视图。
图4为本发明中散热装置石蜡-石墨烯潜放热区的三维结构示意图。
图5为本发明中散热装置主视图。
图6为本发明中图5中A-A的半剖视图。
图7为本发明中图6中的局部剖视图。
图8为本发明中图6中B-B的剖视图。
图中标记：1-LED光源模块、2-相变区盖板、3-石蜡-石墨烯复合相变材料、4-散热器、5-液冷区盖板、6-温度传感器、7-泡沫铝、41-石蜡-石墨烯潜放热区、42-密封槽、43-外部安装孔、44-液冷区盖板安装孔、45-热源安装孔、46-注液口区、47-中心主流道、48-扰流柱、49-三级不均匀串并联流道、410-出液口区、411-密封槽、51-注液口、52-出液口
具体实施方式
一种采用复合相变材料与微通道液冷的复合散热装置，包括LED光源模块1、相变区盖板2、石蜡-石墨烯复合相变材料3、散热器4、液冷区盖板5、温度传感器6、泡沫金属铝7、水泵、冷却水箱、外部S型散热管、控制器。石蜡-石墨烯复合相变材料3填充在散热器4中的石蜡-石墨烯潜放热区41内，并由相变区盖板2密封。LED光源模块1通过连接件与散热器4紧密贴合。散热器4的微通道液冷区由液冷区盖板5密封。温度传感器6紧密贴合安装在LED光源模块1上，并与控制器进行电气连接。通过水管完成与水泵、冷却水箱、外部S型散热管、散热装置的水路连接。具体结构如图1、2、3。
该散热装置的具体结构，包括注液口51、出液口52、密封槽42、外部安装孔43、液冷区盖板安装孔44、热源安装孔45、扰流柱48、三级不均匀串并联流道49、密封槽411、泡沫铝7。具体结构如图4、5、6、7、8。
工作时，LED光源模块1产生的大量热量将以“LED光源模块1-相变区盖板2-石蜡-石墨烯潜放热区41-泡沫铝7-三级不均匀串并联流道49-冷却液-外部环境”的途径进行传递。而石墨烯冷却液将以“水泵-散热器4-外部S型散热管-冷却水箱-水泵”进行传输。由此完成一轮LED的散热。
石蜡-石墨烯相变潜放热区的具体结构为：腔体内部分布有高导热率的泡沫铝。因为纯石蜡的导热率极低，在泡沫金属铝和潜放热区内壁之间以及泡沫铝的孔腔内填充石蜡-石墨烯复合材料，可以显著提高其等效导热系数，而石墨烯的加入可以使石蜡的熔化和凝固速率随之增加。为保证石蜡熔化过程中不会因为熔化为液态而发生泄漏，在石蜡-石墨烯相变潜放热区上部必须留出一些空间。整体潜放热区由相变区盖板进行密封。在相变过程中，它大量吸收来自LED光源模块产生的热量，靠近热源部分的石蜡先熔化成液态石蜡，并且伴随着体积膨胀，使得液态石蜡的体积变大。加之液态石蜡的密度比固态石蜡的密度要小，熔化的高温液态石蜡会因热浮力作用上升到固态石蜡的上表面，而由于石蜡的导热系数极小，热量无法直接传递到距热源较远的低温固态石蜡处，导致了只能通过大量熔化底部的固态石蜡来进行吸热，进而致使大量高温液态石蜡聚集在固态石蜡上部。泡沫铝由于表面温度较低且低于凝固点，高温液态石蜡会向泡沫铝释放出热量，从液态又变回固态。并下沉到底部重新进行熔化吸热。在整个过程中，石墨烯颗粒会随着石蜡的流动而流动，它加速了石蜡的熔化速率和凝固速率，使得潜放热过程明显加快，从而加速了热量传递。在泡沫铝上集聚的大量热量会沿着泡沫金属骨架向上传导，直至传递到散热器上层的微通道液冷散热区。
微通道液冷散热区的具体结构为：底层冷板上面有左右结构对称的流道，其区域中间为中心主流道，在其中间设置一个弧形扰流柱。其目的在于使温度最高区域的冷却液形成涡流，增强流体的局部扰动，破坏热边界层，提高整体散热能力。两侧微通道分为三串三并流道，其中并联微通道由三种不同宽度的短流道组成，其目的是较好的实现不同区域散热需求，短流道可以明显降低流动阻力，进而减小进出口压降，降低功耗。微通道四周有一圈密封槽，用于密封。从石蜡-石墨烯潜放热区传递来的热量通过冷却液传到外部环境，完成散热装置一轮散热。
由于石墨烯具有高润滑型性、高热导率、高比表面积、防腐蚀等优异性能，相对于传统的冷却液其散热能力大大提升，故采用石墨烯水溶液作为整个散热装置***的冷却液。为了有效调节冷却液流量，在LED光源模块上安装有温度传感器，控制器根据传感器的温度实时调节水泵转速，进而控制散热器的入口流量，从而实现自动调节散热的强度及散热量的大小，具有了降低散热能耗的特点。当LED光源模块1处于工作时，LED芯片因电光转换效率较低，导致大量能量转换成热量并向外界释放，致使LED温度急剧上升。其中以芯片周围的热量密度最高。绝大部分热量通过热传导传递到石蜡-石墨烯潜放热区41中，石蜡-石墨烯复合相变材料3中的石蜡吸热熔化。因为石蜡相变潜热大，所以会大量吸收来自LED光源模块1的热量。首先熔化的是靠近相变区盖板2的固体石蜡，由于液态石蜡的密度比固态石蜡低，故熔化的液态石蜡会借助热浮力作用上升到固态石蜡的上表面。由于泡沫铝7的表面温度较低且低于凝固点，高温液态石蜡就会将热量释放到泡沫铝7上面。而自身会从液态变为固态并下沉到固体石蜡的下表面，以此反复。整个潜放热过程中，石墨烯颗粒的加入会大大加快石蜡的熔化和凝固以及等效导热系数。热量沿泡沫金属骨架传递到散热器4的微通道液冷区。首先石墨烯冷却液通过水管流入注液口51，并进入到注液口区46，在流经中心主流道47时，遇上扰流柱48，产生扰流，增强对流换热系数。然后在挡板的作用下，一分为二进入两侧对称的三级串并联流道49中，在此期间石墨烯冷却液与散热器4的内壁进行对流换热，最后两股冷却液在出液口区410混合，并从出液口52流出。温度升高的石墨烯冷却液通过连接水管流入外部S型散热管，冷却液在此进行外部热量交换。至此，完成了一轮“相变散热-微通道液冷”的复合散热过程。
在整个散热装置工作期间，温度传感器6会实时监测LED光源模块1的温度情况，并将温度信号传输到控制器。控制器根据设定值与检测到的实际值作比较，进而调节水泵转速。从而使整个散热装置始终处于一个功效比最优的状态。
本次申请主要是一种采用复合相变材料与微通道液冷的复合散热装置。该散热装置采用的是串联复合散热。首先LED光源模块1的热量通过热传导传递到石蜡-石墨烯潜放热区。由于石蜡具有相变潜热大、相变温度范围广的特性。当固态石蜡熔化成液态石蜡的时候，会大量吸收周围的热量，从而保证LED光源模块1始终处于正常工作环境。当高温液态石蜡接触到温度较低的泡沫铝时，会将热量传递给泡沫铝7，然后热量会沿着泡沫金属骨架传递到下一步的散热区域，而自身的液态石蜡会由于热量释放，变回固态石蜡，周而复始。当热量传递到微通道液冷区域的冷板时。冷却液从注液口51进入，并流入中心主流道47，经过扰流柱48后，并在挡板的作用下分成两股水流进入到两侧对称的三级不均匀串联流道49，最后在出液口区410混合，最后由出液口52流出。在冷却液流入微通道的过程中，冷却液与微通道的底层冷板进行对流换热，从而实现热量交换。石蜡相变潜放热与微通道液冷的串联复合散热，可以使LED光源模块1所产生的热量快速传递给冷却液，并由冷却液传输到外部环境，完成散热过程。
本次申请中一种采用复合相变材料与微通道液冷的复合散热装置的冷却液采用的是含石墨烯颗粒的冷却液。由于石墨烯具有热导率高，润滑性高等优点，因此在加入了石墨烯粉末的冷却液能够在一定程度上改善单一冷却液性能。如提高冷却液的传热能力，降低固液表面的摩擦系数，从而降低泵的能量消耗。此外，由于加入了温度传感器6和控制器，可以根据LED光源模块1的工作情况实时调节水泵转速，提高能效比，进一步降低能耗，延长了整个散热装置的使用寿命。
实施例1
一种采用复合相变材料与微通道液冷的复合散热装置，包括LED光源模块1、相变区盖板2、石蜡-石墨烯复合相变材料3、散热器4、液冷区盖板5、温度传感器6、控制器、水泵、冷却水箱、外部S型散热管。LED光源模块1产生的热量经过石蜡-石墨烯潜放热区41传递到微通道液冷区，石墨烯冷却液流入散热器4，从注液口51流入，出液口52流出，完成一轮散热。
其中，中心主流道的长宽为38mm*5mm；扰流柱最宽处为1mm，长度为20mm，整体呈弧形；第一级的流道的长宽为28mm*2mm；第二级流道的长宽为16.5mm*2mm；第三级流道的长宽为16.5mm*2mm；整体的流道高度为1mm，流道最大覆盖范围为46mm*40mm。
第一级流道隔离块共有14个，第1个和第2个隔离块长宽高分别为2mm*3mm*1mm，两者相隔1mm；第3个隔离块的尺寸为1.5mm*3mm*1mm，与第二个隔离块相隔1mm；第4至14个隔离块的尺寸为1mm*3mm*1mm,第4个与第3个隔离块相隔0.5mm，它们之间相隔0.5mm。
第二级流道隔离块共有8个，第1个和第2个隔离块长宽高为1.5mm*3mm*1mm，两者相隔1mm；第3至8个隔离块尺寸为1mm*3mm*1mm，第3个隔离块与第2个隔离块相隔0.5mm，它们之间相隔0.5mm.
第三级流道隔离块共有7个，第1个和第2个隔离块的长宽高为1.5mm*1mm*1mm，两者相隔1mm；第3至7个隔离块尺寸为1mm*1mm*1mm，第3个隔离块与第2个隔离块相隔0.5mm，它们之间相隔0.5mm。
实施例2
在实施例1的基础上，通过温度传感器6和控制器可以实时调节水泵转速，这样可以减少功率损耗，达到最优散热，最大限度节省成本，延长整个***使用寿命。同时，可以针对LED热源密度不同的需求，对石蜡潜放热区41以及微通道液冷区进行结构优化，如调整泡沫铝的疏密分布、石墨烯的质量分数及石蜡-石墨烯潜放热区域的体积大小、微通道的宽窄分布等，以达到最优散热效果。

Claims (4)

1.一种采用复合相变材料与微通道液冷的复合散热装置，该散热装置包括：相变区盖板、相变材料、散热器、液冷区盖板，所述散热器为板状结构，散热器的一侧设置放置相变材料的凹陷区，该凹陷区对应的另一侧设置微流道；相变材料采用相变区盖板封装，微流道采用液冷区盖板封装，液冷区盖板未封装的一侧设置冷却液的注液口和出液口；热源设置于相变区盖板的未封装一侧；其特征在于所述散热器的凹陷区内阵列设置有多个泡沫铝材料的柱状凸起，相变材料填充凹陷区内柱状凸起之间的间隙，凹陷区外侧设置有一圈密封槽；
所述微流道包括：中心主流道、左三级流道、右三级流道，左三级流道和右三级流道的结构完全对称，对称轴为中心主流道；所述左三级流道包括：第一级流道、第二级流道、第三级流道，中心主流道与第一级流道、第二级流道、第三级流道一起并列设置，且长度依次缩短；所述左三级流道和右三级流道的每一级流道中顺流道方向设置一列隔离块，该列隔离块将所在流道分为冷却液入口侧和冷却液出口侧，每一级流道的冷却液入口和冷却液出口位于该流道的同一端；从冷却液入口到流道末端各流道中的隔离块的大小和相邻隔离块之间的距离都依次增大；上一级流道的冷却液出口连接下一级流道的冷却液入口；中心主流道的一端为注液口区，另一端为中心主流道的冷却液出口，中心主流道的冷却液出口使冷却液分为左右两路，分别流入左三级流道的第一级流道和右三级流道的第一级流道；左三级流道的第三级流道出口和右三级流道的第三级流道出口通过微流道汇合，汇合位置为微流道的出液口区，位于左三级流道和右三级流道的对称轴线上；微流道的外侧设置有一圈密封槽；
所述液冷区盖板上的注液口与散热器中微流道注液口区连通，液冷区盖板上的出液口与散热器中微流道出液口区连同。
2.如权利要求1所述的一种采用复合相变材料与微通道液冷的复合散热装置，其特征在于，所述相变材料为石蜡-石墨烯复合材料。
3.如权利要求1所述的一种采用复合相变材料与微通道液冷的复合散热装置，其特征在于，所述中心主流道顺流道方向的中线上设置一根扰流柱，该扰流柱为梭型。
4.一种采用如权利要求1所述的复合散热装置的散热***，该散热***包括：复合散热装置、水泵、冷却水箱、S型散热管、控制器，复合散热装置、水泵、冷却水箱、S型散热管通过管路连接成一个循环***，控制器通过温度传感器采集热源的温度，根据热源的温度信息来控制水泵的输出功率。
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