[发明专利]在电子元器件的散热器中相变材料的应用

说明书

本发明涉及相变材料在电气和电子元器件的冷却装置中的运用。

在工业处理过程中，往往不得不避开热量峰值或不足，即必须提供温度控制。这种控制通常是利用热交换实现的。在最简单的情况下，它们可以仅仅由导热板构成，该导热板驱散热量并且把热量释放到周围的空气中，或者采用替代方法包含传热介质，该介质首先把热量从一个位置或一种介质输送到另一个位置或另一种介质。

用来冷却电子元器件(例如，微处理器(中央处理单元＝CPU))(2)的技术现状(图1)是使用挤出的铝材制成的散热器，该散热器吸收来自安装在支撑物(3)上的电子元器件的热量并且把该热量经散热片(1)释放到环境中。散热片附近的对流几乎总是通过风扇维持的。

为了避免可能降低元器件的使用寿命和可靠性的过热，这种类型的散热器总是必须针对那种外部温度高且元器件满负荷的最不利情况进行设计。CPU的最高工作温度介于60℃和90℃之间，取决于CPU的设计。

由于CPU的时钟速度变得越来越快，它们发出的热量随着新产品升级换代不断地跃升。尽管迄今人们打算驱散最大值为30瓦的峰值输出，但是预计在下一个8～12月高达90瓦的冷却能力将是必不可少的。使用传统的冷却系统再也不能驱散这样的输出。

就极端的环境条件(例如，在遥控的导弹上)而言，已经有人介绍过一些散热器(US 4673030A，EP 116503A，US 4446916A)，在这些散热器中电子元器件发出的热量是用相变材料(例如，以熔化热的形式)吸收的。这些PCM散热器是作为把能量驱散到环境中的短期替代品，而且不能(也不可能)被再次使用。

举例说，已知的储能介质是用来储存显热的水或石头/混凝土；或者以熔化热(潜热)的形式储存热量的相变材料(PCM)，例如，盐类、盐的水合物或它们的混合物、或者有机化合物(例如，石蜡)。

众所周知，当物质熔化时，即从固相转变成液相时，热量被消耗，即被吸收，而且只要该物质保持液体状态该热量就作为潜热被储存起来，在凝固时，即从液相转变成固相时，潜热被再一次释放出来。

给储能系统填充热量基本上要求比较高的温度，即该温度应当高于在放热期间可能达到的温度，因为温差对于热量的输送/流动是必不可少的。传热质量取决于它可利用的温度，温度越高，散热越好。因此，在储存期间温度下降尽可能少是符合要求的。

就储存显热(例如，给水加热)而言，热量的输入与储存材料的恒定加热相关联(在放热期间则反过来)，而潜热是在PCM的熔点储备和释放的。所以，储存潜热优于储存显热，其热量损失仅限于在与储能系统进行热交换期间的损失。

迄今在潜热储能系统中使用的储能介质通常是这样一些物质，这些物质是在基本的使用温度范围内发生固体-液体的相变的物质，即在使用期间熔化的物质。

因此，文献揭示在潜热储存装置中使用石蜡作为储能介质。国际专利申请WO 93/15625介绍一种包含PCM微胶囊的鞋底。在这份文献中推荐的PCM是石蜡、或结晶的2，2-二甲基-1，3-丙二醇、或2-羟甲基-2-甲基-1，3-丙二醇。专利申请WO 93/24241介绍一种纤维，这种纤维具有包含这种类型的微胶囊和粘接剂的涂层。在这份文献优先选择具有13至28个碳原子的链烷烃。欧洲专利EP-B-306202介绍一种具有热量储存性能的纤维，其中储能介质是链烷烃或结晶塑料，而且，这种储存材料以微胶囊形式被合并到基本的纤维材料中。

美国专利5,728,316推荐一种用于储存和利用热能的以硝酸镁和硝酸锂为基础的盐类混合物。在这份文献中储存热量是用温度在熔点75℃以上的熔体完成的。

就所述的潜热储能系统中的储能介质而言，转变成液态发生在使用期间。就储能介质在潜热储能系统中的工业应用而言，这将带来一些问题，因为为了防止导致物质损失或环境污染的液体泄漏，密封和胶囊化总是必不可少的。尤其是在柔软的结构(例如，纤维，织物或泡沫塑料)上使用时，热量储存材料的微胶囊化通常是必不可少的。

此外，许多可能适用的化合物的蒸汽压在熔融期间大幅度增加，因此熔体的挥发性往往妨碍这种储存材料的长期使用。在熔融的PCM的工业应用方面，由于许多物质在熔化期间发生明显的体积的变化，致使许多问题频频出现。

所以，相变材料的新领域是从特殊的视点提出的。这些相变材料是固体-固体的相变材料。由于这些物质在使用期间始终保持固体状态，所以不再有胶囊化的要求。由潜热储能系统中储能介质的熔体带来的储能介质损耗或环境污染都因此被排除在外。这组相变材料正在寻找许多新的应用领域。