[发明专利]变梯度分形点阵夹芯强化相变热沉

说明书

本发明公开的一种变梯度分形点阵夹芯强化相变热沉，旨在提供一种换热效率高，具有一定通用性、可系列化开发的高效相变热沉，本发明通过下述技术方案予以实现：强化传热结构按阵列分布在相变热沉壳体中，每个变梯度分形点阵夹芯单元按相变热沉热传递与热交换特性，以变梯度V结构作为第一级强化传热结构(4)，并以此为基础，在第一级强化传热结构的变梯度V形端，以形状相同的变梯度V结构逐级递增形成多级强化传热结构，各级强化传热结构比表面积依次呈倍数增加，其中，第一级强化传热结构可将热量快速强化传导至远离热扩散底板的区域，第二级强化传热结构(5)、第三级强化传热结构将热量快速扩散至远离热扩散底板的相变材料完成热交换。

技术领域

本发明涉及电子设备热控技术领域，主要用于航空、航天、通信等领域电子设备瞬时、短时或周期性散热控制，目的在于提高相变热沉的综合换热效率。

背景技术

随着电子元器件功率的增大,热控设计对保证电子元器件正常工作起着非常重要的作用。电子设备在工作中面临着诸多限制,如工作环境非常恶劣、空间密闭狭小、无法供风供液冷却、体积重量限制、热沉容量不够、外部气动加热等多种苛刻条件，尤其是工作于弹载平台中段和末段的电子设备,其本身面临着更高的工作环境初始温度。封装有相变材料的热沉作为电子器件在高温环境工作条件下的蓄热载体,一方面利用固液相变潜热存储系统吸收电子器件散发的热量,另一方面还要吸收从高温环境传递过来的热量，合理设计相变潜热存储系统就很关键。相变热沉技术就是以热沉总体尺寸、边界条件、热沉和相变材料为约束条件,利用相变材料(Phase Change Material，PCM，通常是一些常压下可在某些电子器件工作温度区段进行固液相转换的材料)的相变潜热吸收一定时段内运行的电子器件(如移动电话、便携式电脑、雷达TR组件)产生的热量,从而对电子器件进行保护的技热控制术。当PCM吸收热量后,其状态变为液态,当环境温度降低后,经过向环境的散热,就可以恢复固态。随着微电子技术的迅速发展,电子设备的集成程度和功率密度不断提高，发热量和耗散功率密度越来越大，热控制问题变得越来越重要，对热管理、热控制技术的要求也更加严格。电子器件特征尺寸不断减小,芯片的集成度、封装密度以及工作频率却不断提高,这就使得单位容积电子器件的总功率密度和发热量大幅度地增长，从而使电子器件的冷却问题变得越来越突出。由于相变热沉技术具有储能密度大、储/释能过程温度恒定、可反复、周期性使用等特点，在航空、航天、通信等领域，特别是在弹载、星载电子设备抗热冲击(瞬时、短时或周期性)散热控制中有着广阔的应用前景。相变热沉一般由图3所示相变材料、封装结构、强化传热结构三部分组成，当电子设备发热(或环境温度上升、承受外界热冲击)致使温度上升时(高于相变温度)，热量经由相变热沉封装壳体热扩散底板(7)进入相变材料，相变材料在温度恒定的情况下发生物相变化(一般是由固相变为液相)，吸收、储存热量；反之，当电子设备停止工作(或环境温度下降、外界热冲击消失)后温度下降(低于相变温度)，相变材料在温度恒定的情况下发生物相变化(一般是由液相变为固相)，释放热量，热量经由相变热沉封装壳体进入周边环境或需要吸热保温的设备，从而解决热量生成和排放在时间、强度及地点上不匹配的问题，确保电子设备在可控的温度环境下可靠工作。航空、航天领域的结构热控设计对热沉的质量、体积与环境适应性有极高要求，使用相变材料(PCM，Phase Change Materials)作为热沉相较于传统的质量热沉其效率高出一个数量级，随着大规模集成电路和功率电子器件的日益普遍应用而得到广泛的应用。

相变材料属于能源材料的分支，是发展相变储能技术的核心和基础。按照成分划分，相变储能材料分为无机类、有机类和混合类。从研究结果来看，不同的相变材料均存在一些缺点。如无机材料相变温度区间广、单位质量潜热大、化学性质稳定，但密度小、导热性能差，在一定程度上制约了其应用。水合盐类材料虽然密度适中、单位质量潜热大，但是由于其化学稳定性差并存在较大的过冷度等缺点，严重制约了水合盐类材料的应用。金属相变材料属于无机类相变材料的范畴，同样存在低温范围内质量潜热低，密度高重量大，相变潜热(单位质量相变材料发生相变时吸收或释放的热量)以及相变温度受到其成分和成分物性的影响较大，热沉制备难度较高等问题。