[发明专利]一种复合材料轻质高效冷却方法及装置

说明书

一种复合材料轻质高效冷却方法及装置，涉及航空及航天电子设备冷却领域；本发明的冷却装置利用高导热碳纤维的高效传热性能，结合结构碳纤维复合材料的高力学性能，并与高热流密度气冷/液冷/相变等主动冷却技术耦合，为高功率的机载/箭载/星载电子器件提供有效散热。电子发热器件借助液态金属与高导热碳纤维复合材料导热部件热端相连接，通过复合材料中的连续高导热碳纤维束结构将热量快速从热端传递到冷端，冷端同样借助液态金属与液冷管路/风冷散热器相连接，将热量传递至外界环境。本发明所述装置实现了高发热功率电子芯片的长距离热量传递与散热，同时相比同性能铝合金、钛合金类散热，装置减重25％以上。

技术领域

本发明涉及航天/航空电子系统的热管理领域，特别是一种服务于机载/箭载/星载电子系统的高导热碳纤维散热器。

背景技术

目前国内外绝大多数科研机构与换热器生产厂家使用金属材料制作电子器件散热器，包括金属散热翅片以及金属冷板、金属热管等。所申请的相关发明集中在提高金属散热器冷却效率，减少金属散热器中的冷却液流动阻力以及降低金属散热器接触热阻等方面，并不适用于重量以及冷却效率同时要求苛刻的机载/箭载/星载电子器件冷却领域。轻质碳基复合材料具有密度低、强度高、复合功能性强等优势，正逐步替代金属材料，成为航空/航天应用的首选。

在力学与热学性能方面，碳基复合材料与金属材料不同，具有各向异性的特点。但在现有的设计规范中，例如GJB/Z27-92《电子可靠性热设计手册》，也是基于铜、铝等热导率各向同性金属材料，并未包含比热导率更高但热导率各向异性的碳纤维导热复合材料。为填补如上空白，需要研制使用高导热碳纤维复合材料的机载/箭载/星载冷却装置，并提出相应设计理念的实现方法。

发明内容

本发明的目的在于克服高功率电子器件难以有效散热而且金属散热器载荷偏重的技术不足，提供一种碳纤维复合材料高效散热器，利用高导热连续碳纤维的高效热传输能力(密度<2000kg·m^-3、导热系数>450W·m^-1·K^-1)，将电子器件发生的热量以导热方式快速传递至风冷/液冷部件，从而快速带走电子系统工作时发出的热量。

本发明所述冷却装置本发明面向机载/箭载/星载电子器件冷却应用领域，使用轻质高导热碳纤维复合材料制作轻质散热器，替代高密度的铜、铝等常规散热器，对航天/航空电子系统的产热进行有效热管理，同时实现高功率散热与整体减重的双重目标。

本发明的一种应用实例(机载电子设备冷却装置)可以提升冷却效率30％，同时减重25％。

本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：一种轻质高效冷却方法，利用高导热连续碳纤维的高效热传输能力，将电子器件发生的热量以导热方式快速传递至风冷/液冷部件，从而带走电子器件工作时发出的热量；所述的高导热连续碳纤维的密度<2000kg·m^-3、沿连续碳纤维方向的一维热导率>450W·m^-1·K^-1。

一种轻质高效冷却装置，包括支撑件、高导热碳纤维导热组件、液态金属3、风冷散热部件；高导热碳纤维导热组件的纤维丝束沿传热路径平行排布，高导热碳纤维导热组件由支撑件进行支撑，高导热碳纤维导热组件的一侧通过液态金属与待冷却电子器件的发热面连接，另一侧通过液态金属与风冷部件连接；所述的高导热碳纤维导热组件材料密度<2000kg·m^-3、沿连续碳纤维方向的一维热导率>450W·m^-1·K^-1；支撑件选用碳纤维结构复合材料。