相變散熱裝置的案例
英維克申請相變風(fēng)冷散熱裝置專利，專利技術(shù)能實(shí)現(xiàn)高效散熱并降低能耗
來源 | 金融界，國家知識產(chǎn)權(quán)局
2023年12月16日消息，據(jù)國家知識產(chǎn)權(quán)局公告，深圳市英維克科技股份有限公司申請一項(xiàng)名為“一種相變風(fēng)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(fā)明公開了一種相變風(fēng)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(jìn)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(cè)邊沿設(shè)置有所述氣體出口以及所述液體回流口。在該相變風(fēng)冷散熱裝置中，通過蒸發(fā)進(jìn)行散熱，散熱效率高，而且可以實(shí)現(xiàn)自循環(huán)，降低能耗。另外，在散熱基板至少一側(cè)邊沿同時設(shè)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(fēng)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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展開 相變散熱連載之 什么是相變
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正文
任何物質(zhì)在常溫常壓都呈現(xiàn)一種狀態(tài)，在常溫常壓下水是液態(tài)，氧是氣態(tài)。這些固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)統(tǒng)稱為相態(tài)。物質(zhì)所具備的物理特性，很大程度上取決于它的相態(tài)。我們平時所喝的水，當(dāng)溫度在0℃下結(jié)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(shù)人員對鋼的強(qiáng)度、硬度關(guān)心備至，然而到了1400℃的高溫下，鋼鐵相態(tài)改變，熔成鐵水，錚錚鐵骨蕩然無存，強(qiáng)度、硬度也無從談起。我們所說的物質(zhì)的物理特性，都是在一定相態(tài)下所具有的，相態(tài)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(zhì)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(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，溫度對相變的作用。）溫度的作用雖然至關(guān)重要，然而只有達(dá)到了某一特定值，相變才能發(fā)生，這就是我們熟知的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)，在大多情況下，溫度變化并不能導(dǎo)致相變，只能使物質(zhì)發(fā)生熱脹冷縮。
熱脹冷縮
隨著溫度的變化，物質(zhì)會熱脹冷縮，溫度升高體積增大。人們已經(jīng)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(shù)。
因?yàn)槲镔|(zhì)是是由原子構(gòu)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(xiàn)代有了各種溫度計來測量物質(zhì)的冷熱程度。溫度實(shí)質(zhì)上就是核外電子運(yùn)轉(zhuǎn)的速度。
展開 一種用于芯片散熱的復(fù)合相變熱界面材料
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(fā)展，散熱問題已成為微電子技術(shù)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(bǔ)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(guān)重要的作用。電子技術(shù)的進(jìn)步需要開發(fā)高性能的TIM。增強(qiáng)導(dǎo)熱系數(shù)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(dǎo)熱填料來實(shí)現(xiàn)。對于粘結(jié)厚度（BLT）和接觸熱阻（TCR），它們與硬度密切相關(guān)。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(chǎn)生的熱量后由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，硬度顯著降低，從而降低熱阻。此外，PCTIMs在吸熱前為固態(tài)，具有易于安裝的優(yōu)點(diǎn)。然而，目前的PCTIMs通常存在兩個缺點(diǎn)，液體PCM泄漏和導(dǎo)熱系數(shù)低。因此，開發(fā)高導(dǎo)熱、形狀穩(wěn)定的PCTIMs對于實(shí)現(xiàn)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(guān)注，但其導(dǎo)熱系數(shù)低，難以顯著改進(jìn)。近期，華南理工大學(xué)傳熱強(qiáng)化與過程節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室方曉明研究員取得新成果。該團(tuán)隊使用垂直排列的短切碳纖維(VASCFs)用于開發(fā)具有高導(dǎo)熱性的PCTIMs，這是首次采用該方法開發(fā)PCTIMs。由于提供了完整的傳熱路徑，VASCFs獲得了最有效的導(dǎo)熱增強(qiáng)效果，這一點(diǎn)在有限元模擬中得到了進(jìn)一步驗(yàn)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(wěn)定的相變材料。
展開 電子設(shè)備熱設(shè)計(Thermal Design of Electronic Equipment)-10 相變傳熱與導(dǎo)彈導(dǎo)引頭散熱
功率放大器模塊產(chǎn)生的熱量被下面的相變散熱器吸收。內(nèi)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(jù)連接環(huán)處隔熱性能的不同，選擇兩組典型曲線作為系統(tǒng)的輸入條件，如下圖所示。
不考慮相變散熱器和電子艙內(nèi)部熱源的影響，輸入和輸出如下圖所示。
加強(qiáng)型隔熱曲線下框架內(nèi)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(qiáng)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(fā)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(dǎo)，因此頂部表面的溫度分布相對均勻。在400s內(nèi)，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(nèi)部熱源，相變散熱器在外部氣動熱的傳導(dǎo)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(xiàn)出明顯的梯度分布。框架上中心線的溫差可以達(dá)到19.4°C。在增強(qiáng)連接環(huán)處的隔熱性能后，內(nèi)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(shè)計中應(yīng)考慮該部分的消耗量。
文章來源CAE工程師筆記
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大型變流器裝置強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱仿真分析
這主要是因?yàn)殡m然靠近風(fēng)機(jī)的頂部模塊風(fēng)量最大，但冷卻風(fēng)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(dǎo)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(dǎo)過程中被冷卻風(fēng)帶走熱量。所以綜合效果來看，并沒有呈現(xiàn)出“近水樓臺先得月”的效果，也即是并沒有出現(xiàn)靠近風(fēng)機(jī)的模塊冷卻效果最好的現(xiàn)象。統(tǒng)計上中下層的發(fā)熱部件對應(yīng)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(yōu)”，可以作為類似結(jié)構(gòu)設(shè)計的一種參考方案。
最后附上溫度云圖
看GE如何通過3D打印實(shí)現(xiàn)散熱裝置與電路卡共形的復(fù)雜幾何形狀
散熱結(jié)構(gòu)一體化實(shí)現(xiàn)
目前市場上存在許多傳統(tǒng)的冷卻方法，例如風(fēng)扇和散熱器，主要用于從電子電路移除熱量并維持電子器件的操作溫度范圍。隨著電子設(shè)備不斷改進(jìn)技術(shù)，尺寸不斷縮小同時還增加計算能力和功能，這使得熱管理系統(tǒng)成為關(guān)鍵操作元件，而尺寸和重量方面的限制，又對冷卻能力提出的新的挑戰(zhàn)。
根據(jù)3D科學(xué)谷的市場研究，GE正在通過3D打印技術(shù)開發(fā)一種新的熱管理系統(tǒng)，這套熱管理系統(tǒng)包括至少一個底盤框架，該底盤框架的構(gòu)造成使的熱管理系統(tǒng)的熱擴(kuò)散阻力最小化。底盤框架包括：至少一個底盤主體，至少一個熱循環(huán)系統(tǒng)嵌入底盤體內(nèi)，底盤主體通過3D打印-增材制造技術(shù)形成。3D打印還被用來制造帶點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的夾層結(jié)構(gòu)，這些點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)提供了更大的表面積用于熱傳輸。
總體來說，GE開發(fā)的熱管理系統(tǒng)中的殼體，芯結(jié)構(gòu)通過3D打印-增材制造工藝整體完成。通過3D打印-增材制造技術(shù)來制造整個結(jié)構(gòu)，使得散熱裝置實(shí)現(xiàn)與電路卡共形的復(fù)雜幾何形狀。而且芯結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)沿厚度方向定向的不均勻芯。
圖片：3D打印的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)
通過應(yīng)用3D打印技術(shù)，降低了熱傳導(dǎo)路徑的熱阻，同時保持或降低了系統(tǒng)的重量。根據(jù)3D科學(xué)谷的了解，GE所開發(fā)的熱管理系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)包括重量輕、熱阻低、形狀不受限制，結(jié)構(gòu)一體化等優(yōu)點(diǎn)。在商業(yè)方面的突出優(yōu)勢包括可實(shí)現(xiàn)定制化設(shè)計、更低的制造價格、更多的功能以及相同體積的更多熱元件。
3D科學(xué)谷Review
根據(jù)此前的3D科學(xué)谷的市場研究，不僅僅是GE在開發(fā)新的熱管理系統(tǒng)，另外一家企業(yè)Unison Industries也正在開發(fā)一種新型的散熱器，Unison Industries開發(fā)的散熱器包括第一流體入口的第一歧管和限定第二流體入口的第二歧管。
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