相變散熱裝置
關注創建者：匿名 創建時間：2026-01-04
相變散熱裝置的實例教程
來源 | 金融界，國家知識產權局
2023年12月16日消息，據國家知識產權局公告，深圳市英維克科技股份有限公司申請一項名為“一種相變風冷散熱裝置“，公開號CN117239280A，申請日期為2023年10月。
專利摘要顯示，本發明公開了一種相變風冷散熱裝置，包括散熱基板、換熱器、回流管和出氣管，所述出氣管連通在所述散熱基板的氣體出氣口和所述換熱器的氣體進口之間，所述回流管連通在所述換熱器的液體出口和所述散熱基板的液體回流口之間；所述散熱基板至少一側邊沿設置有所述氣體出口以及所述液體回流口。在該相變風冷散熱裝置中，通過蒸發進行散熱，散熱效率高，而且可以實現自循環，降低能耗。另外，在散熱基板至少一側邊沿同時設置有氣體出口以及液體回流口，利于回流的液體受熱后盡快排出，可以提高排熱效率。綜上所述，該相變風冷散熱裝置能夠有效地解決散熱裝置散熱效果不好的問題。
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★ 平臺聲明
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正文
任何物質在常溫常壓都呈現一種狀態，在常溫常壓下水是液態，氧是氣態。這些固態、液態、氣態統稱為相態。物質所具備的物理特性，很大程度上取決于它的相態。我們平時所喝的水，當溫度在0℃下結成了冰，冰是固體，很難把堅硬有形的冰與柔軟流動的水相比。工程技術人員對鋼的強度、硬度關心備至，然而到了1400℃的高溫下，鋼鐵相態改變，熔成鐵水，錚錚鐵骨蕩然無存，強度、硬度也無從談起。我們所說的物質的物理特性，都是在一定相態下所具有的，相態變化--相變了，流水成了堅冰；鋼筋鐵骨成了鋼水鐵水，諸多的物理特性都面目全非。
眾所周知，溫度、壓力是物質相變的重要原因。（為了便于討論，我們先把引起相變的兩因素中，暫時固定一個，即在一個標準大氣壓下，溫度對相變的作用。）溫度的作用雖然至關重要，然而只有達到了某一特定值，相變才能發生，這就是我們熟知的熔點、沸點，在大多情況下，溫度變化并不能導致相變，只能使物質發生熱脹冷縮。
熱脹冷縮
隨著溫度的變化，物質會熱脹冷縮，溫度升高體積增大。人們已經很精密的測量到一些物體隨溫度升高時長度增加，精確地記錄了一些物體的線膨脹系數。
因為物質是是由原子構成，熱脹了，肯定是原子之間的間隙增大、或是原子半徑脹大了。為什么溫度升高能夠增加間隙、增大半徑？
"溫度"最初是人類對外界冷熱的感知，現代有了各種溫度計來測量物質的冷熱程度。溫度實質上就是核外電子運轉的速度。
展開 來源 | Applied Thermal Engineering
01
背景介紹
隨著電子器件小型化、集成化、高功率化的快速發展，散熱問題已成為微電子技術的主要瓶頸之一。需要注意的是，熱界面材料(TIMs)被廣泛用于填補電子元件與散熱器接觸界面處的氣隙，因此在電子元件的散熱中起著至關重要的作用。電子技術的進步需要開發高性能的TIM。增強導熱系數是提高TIMs散熱性能的一種非常有效的方法，這可以通過添加導熱填料來實現。對于粘結厚度（BLT）和接觸熱阻（TCR），它們與硬度密切相關。有報道稱，采用固-液相變材料(PCMs)作為TIMs，即相變TIMs (PCTIMs)，其在吸收電子元件產生的熱量后由固態變為液態，硬度顯著降低，從而降低熱阻。此外，PCTIMs在吸熱前為固態，具有易于安裝的優點。然而，目前的PCTIMs通常存在兩個缺點，液體PCM泄漏和導熱系數低。因此，開發高導熱、形狀穩定的PCTIMs對于實現高效散熱具有重要意義。
02
成果掠影
相變熱界面材料(PCTIMs)受到越來越多的關注，但其導熱系數低，難以顯著改進。近期，華南理工大學傳熱強化與過程節能教育部重點實驗室方曉明研究員取得新成果。該團隊使用垂直排列的短切碳纖維(VASCFs)用于開發具有高導熱性的PCTIMs，這是首次采用該方法開發PCTIMs。由于提供了完整的傳熱路徑，VASCFs獲得了最有效的導熱增強效果，這一點在有限元模擬中得到了進一步驗證。因此，將VASCFs摻入硅橡膠(SR)和石蠟(PA)的材料中，以制造形狀穩定的相變材料。
展開 功率放大器模塊產生的熱量被下面的相變散熱器吸收。內部和外部的熱量相互耦合，最終完成了電子艙的散熱過程。
根據連接環處隔熱性能的不同，選擇兩組典型曲線作為系統的輸入條件，如下圖所示。
不考慮相變散熱器和電子艙內部熱源的影響，輸入和輸出如下圖所示。
加強型隔熱曲線下框架內部線的溫差為13.6°C，而普通曲線的溫度為19.4°C。因此，框架不同位置的溫度梯度是明顯的，并且隨著熱量的增加，溫度梯度會變得更大。對于安裝在框架上的模塊，需要考慮不同位置之間的溫差，并做出合理的分布。
仿真計算時變溫度邊界條件對相變散熱器的影響，無論電子艙中熱源的影響如何，都使用增強的隔熱曲線作為輸入。相變散熱器在不同時間的溫度分布如下圖所示。隨著框架溫度的不斷升高，散熱器在350秒時發生了相變，底部的四個角在400秒時完全熔化。由于頂部表面沒有熱源，熱量只能從底部向頂部傳導，因此頂部表面的溫度分布相對均勻。在400s內，頂面基本保持在相變溫度，這對安裝在其上的功率放大器模塊起到了一定的隔熱作用。從上面的分析來看，即使沒有內部熱源，相變散熱器在外部氣動熱的傳導下也會釋放出一部分潛熱。
綜上所述，在氣動熱的影響下，連接框架的溫度呈現出明顯的梯度分布。框架上中心線的溫差可以達到19.4°C。在增強連接環處的隔熱性能后，內壁的溫度降低了約21°C。由于框架的溫度不均勻，局部溫度會高于相變材料的熔化溫度，并會損失一些潛熱，熱設計中應考慮該部分的消耗量。
文章來源CAE工程師筆記
展開 這主要是因為雖然靠近風機的頂部模塊風量最大，但冷卻風多半集中在散熱器翅片高度的中上部，而熱量首先是通過熱傳導傳遞到散熱器的下部，再由下部傳遞到中部以及上部，在傳導過程中被冷卻風帶走熱量。所以綜合效果來看，并沒有呈現出“近水樓臺先得月”的效果，也即是并沒有出現靠近風機的模塊冷卻效果最好的現象。統計上中下層的發熱部件對應位置的溫度可知，上部和底部的最大溫差為10.5K，滿足散熱需求。
以上說明，該種方式的布局做到了“限值最優”，可以作為類似結構設計的一種參考方案。
最后附上溫度云圖
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專利摘要顯示，本發明公開了一種相變風冷散熱裝置，包括散熱基板、換熱器、回流管和出氣管，所述出氣管連通在所述散熱基板的氣體出氣口和所述換熱器的氣體進口之間，所述回流管連通在所述換熱器的液體出口和所述散熱基板的液體回流口之間；所述散熱基板至少一側邊沿設置有所述氣體出口以及所述液體回流口。在該相變風冷散熱裝置中，通過蒸發進行散熱，散熱效率高，而且可以實現自循環，降低能耗。
1. 相變傳熱
相變冷卻的傳熱過程比一般的傳熱模式復雜得多。
相變表示為以下過程：
a.固體變為液體--熔化
b.液體變為蒸汽--蒸發，也可沸騰
c.蒸汽變為液體–冷凝，
e.液體變為固體--結晶，或冷凍
f.固體變為蒸汽–升華
g.蒸汽變為固體–沉積
舉例來說，在絕對零度以上的任何溫度下，液體中的分子都在不斷運動。其中一些分子的速度將高于平均值
來源 | Applied Thermal Engineering
01
背景介紹
隨著電子器件小型化、集成化、高功率化的快速發展，散熱問題已成為微電子技術的主要瓶頸之一。需要注意的是，熱界面材料(TIMs)被廣泛用于填補電子元件與散熱器接觸界面處的氣隙，因此在電子元件的散熱中起著至關重要的作用
（此文來自于”南京熱鏈研習“ 社公眾號，如需轉載請與作者聯系！）
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專業熱設計人必學必會182講---電子產品散熱設計理論視頻課程
航空電子設備的能力由系統的計算處理能力決定，通常，航空電子系統存在尺寸和重量限制，在發生諸如過熱的熱問題之前，通常情況下，處理器降低計算效率（高達80％），以避免在高環境溫度環境中過熱。如果可以更有效地從系統中除去熱量，則可以保持高效率的計算能力，從而提升航空電子設備的效率，所以說如何提升對電子設備的冷卻能力變得越來越關鍵。
散熱結構一體化實現
目前市場上存在許多傳統的冷卻方法
目前，強追風冷已經普遍適用于較高熱流密度的散熱需求。在一個柜體中，如何選用風機來冷卻多個發熱部件，以及這些不同發熱部件之間由于結構的排布局限而導致的冷卻效果會受到多大的影響？本文針對該問題來進行仿真分析。
本文分析的柜體高度方向為2.4m，共計12個發熱部件。每個部件的額定發熱功率為2000W，每四個發熱部件共用一個散熱器來進行冷卻。發熱部件緊緊貼在散熱器的基板上并使用導熱硅脂來降低接觸面的熱阻
