专利名称：在电子元器件的散热器中相变材料的应用的制作方法
技术领域：
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。
美国专利US 5831831A、日本专利JP 10135381A和苏联专利SU570131A介绍了类似的PCM散热器在非军事应用中的运用。这些发明的共同特征是省略了传统的散热器(例如带散热片和和风扇的散热器)。
上述的PCM散热器不适合吸收具有不规则的输出分布的元器件的峰值输出，因为它们不保证PCM被优化的卸载或者也不吸收基本负荷。
本发明目的是有效地冷却电子和电气元器件以及吸收温度峰。
本发明目的是通过用基本上由热传导单元和包含相变材料(PCM)的热吸收单元构成的装置冷却具有不规则的输出分布的电气和电子元器件实现的。
这项发明涉及用来冷却电气和电子元器件的装置，这些元器件包括安装在台式和膝上型电脑的母板和图形卡上的微处理器，电源部件和其它在操作期间发热的元器件，并且具有非均衡的输出分布。
例如，这种冷却装置是散热器。如果从电子元器件到散热器的热流动不被中断，传统的散热器可以通过使用PCM将得到改进。如果由于散热器的设计PCM不得不在可以借助散热片驱散热量之前首先吸收热量，那么在这个意义上存在中断，就给定的设计而言这将导致散热器的性能下降。
有各种方法可以保证PCM只吸收输出峰。
电气和电子元器件通常是用具有散热片的散热器(图1)冷却的。
业已发现，以这样的方式把PCM安排在散热器中或散热器上是有利的，这种方式就是使流向PCM的大的热流动仅仅在散热器的温度超过这种PCM的相变温度TPC时才会发生(图2、图3，图4和图5)。
业已发现，达到这个温度时，散热片的冷却能力由于PCM吸收热量而得到补充。这将引起散热器效率跃升。因此，电气元器件或电子元器件的过热现象可以被消除。
按照本发明的方式使用PCM允许使用能力比较低的散热器，因为不必驱散极端的热量峰值。
业已发现，特别适用的相变材料是相变温度TPC适当地低于该元器件的最高临界温度的那些材料。
根据想要的最高温度，所有已知的PCM都是适当的。适合在传热介质中使用的PCM是在传热介质中不溶解的胶囊化的材料或固体-固体的PCM。
本发明的一般性实例下面将更详细地予以解释。
按照本发明的装置将参照在计算机中冷却CPU(中央处理单元)冷却的实例予以介绍。
在按照本发明的装置(图2)中，PCM(4)是以这样的方式安排在散热器(1)中或散热器上的，这种方式就是使从支撑物(3)上的CPU(2)流向PCM(4)的大热流仅仅在散热器的温度超过该PCM的相变温度TPC时才会发生。因此，PCM只吸收输出峰将得到保证。
各种PCM都可以供这种应用使用。可以使用相变温度在-100℃至150℃的PCM。就在电气和电子元器件中的用途而言，相变温度在40℃到95℃范围内的PCM是优选的。在这种情况下，材料可以选自石蜡(C20-C45)；无机盐；盐的水合物及其混合物；羧酸和糖醇。选择用表1展示。
表1
另外，选自氯化二乙基铵、氯化二丙基铵、氯化二丁基铵、氯化二戊基铵、氯化二己基铵、氯化二辛基铵、氯化二癸基铵、氯化双十二烷基铵、氯化双十八烷基铵、溴化二乙基铵、溴化二丙基铵、溴化二丁基铵、溴化二戊基铵、溴化二己基铵、溴化二辛基铵、溴化二癸基铵、溴化双十二烷基铵、溴化双十八烷基铵、硝酸二乙基铵、硝酸二丙基铵、硝酸二丁基铵、硝酸二戊基铵、硝酸二己基铵、硝酸二辛基铵、硝酸二癸基铵、氯酸二辛基铵、醋酸二辛基铵、甲酸二辛基铵、氯酸二癸基铵、醋酸二癸基铵、甲酸二癸基铵、氯酸双十二烷基铵、甲酸双十二烷基铵、硫酸氢双十二烷基铵、丙酸双十二烷基铵、2-硝基苯甲酸二丁基铵、硝酸双十一烷基铵和硝酸二十二烷基铵的固体-固体PCM也是适用的。
特别适合在电气和电子元器件中使用的PCM是TPC在40℃和95℃之间的那些PCM，例如，氯化二癸基铵、氯化双十二烷基铵、氯化双十八烷基铵、溴化二乙基铵、溴化二癸基铵、溴化双十二烷基铵、溴化双十八烷基铵、硝酸二乙基铵、硝酸二辛基铵、硝酸二癸基铵和硝酸双十二烷基铵。
除了实际的热量储存材料之外，PCM优选包括至少一种辅助剂。这至少一种辅助剂优选热传导性好的物质或组合物，特别是金属粉、金属颗粒或石墨。热量储存材料优选采用与辅助剂均匀混合的形式，整个组合物优选以疏松床或模压制品的形式存在。在这里术语“模压制品”意味着用压紧的方法(例如，造粒、压片、辊压或挤压)可以生产的各种结构。在本文中所述的模压制品可以采用各种各样的空间形状，例如球、立方体或长方体的形状。此外，在这里介绍的混合物或模压制品可以包括石蜡作为外加的辅助剂。如果打算在使用期间建立热量储存组合物和元器件之间的紧密接触，那么尤其要使用石蜡。例如，潜热储能系统为了冷却电子元器件可以以这种方式被精确地安装。在安装热量储能系统期间，上述的模压制品的处理特别简单，在使用期间石蜡熔融，驱逐在接触表面的空气，从而保证热量储存材料和元器件紧密接触。所以，这种类型的组合物优选用于冷却电子元器件的装置。
此外，粘接剂(优选聚合物粘接剂)可以作为辅助剂存在。在这种情况下，热量储存材料的微晶优选均匀地分散在粘接剂中。可以存在的优选的聚合物粘接剂可以是按照应用适合作为粘接剂的聚合物。聚合物粘接剂优先选自可固化的聚合物或聚合物前体，它们优先选自聚氨基甲酸酯、丁腈橡胶、氯丁二烯、聚氯乙烯、聚硅氧烷、乙烯-乙酸乙烯基酯的共聚物和聚丙烯酸酯。适合把热量储存材料并入这些聚合物粘接剂的方法对于在这个领域中熟悉这项技术的人是众所周知的。他在适当的环境中寻找使这种类型的混合物稳定必不可少的添加物(例如，乳化剂)时没困难。
就液体-固体PCM而言，成核剂(例如，硼砂或各种金属氧化物)是被额外优选使用的。
除了通过金属(铝、铜等)或其它热传导结构(金属粉，石墨等)保证良好的传热之外，散热器中的传热还可以通过热管形式予以实现(例如，美国专利US 5770903A，关于包含PCM的发动机冷却)。
在带热管的散热器(图3)中，散热器(1)的内部例如有被液态和/或气态的介质局部填充的空腔(6)。这种液态/气态的传热介质(5)选自卤代烃(例如，乙基溴、三氯乙烯或氟里昂)和它们的等价物。设计热管和选择适当的介质对于熟悉这项技术的人没有问题。
除了这种介质之外，空腔内还装有PCM颗粒(4)，只要热管的内部温度达到相变温度TPC这些颗粒就立即开始吸收热量。
业已发现，在所述介质中不溶解的胶囊化的或微胶囊化的PCM和固体-固体PCM是特别适用的。所有已知的PCM都可以使用。
人们惊奇地发现由于PCM与介质形成均匀混合的悬浮体，散热器的动态变化特别大。进一步的可能性通过混合形式已被找到(图4)。CPU(2)被再一次安装在支撑物(3)上。为了改善热传导，散热片(7)穿过用液态/气态的传热介质(5)局部填充的空腔(6)。连续的散热片是优选的。像先前的变化形式一样，在这里除了液态/气态的传热介质之外空腔内还装有PCM颗粒(4)，只要热管里的内部温度达到相变温度TPC这些颗粒就立即吸收热量。
PCM可以被模压成任何想要的形状。材料可以以纯的形式被模压成形，可以在精磨(例如，研磨)之后被模压成形，或者与其它粘接剂和/或辅助剂混合之后再被模压成形。这些模压制品可以以任何方式储存、运输和使用，不会出现问题。例如，模压制品可以直接插入电子元器件(图5)。在这里，CPU(2)也被安装在支撑物(3)上。模压制品可以以这样的方式安装在散热片之间，以致它们与散热片的表面紧密接触。模压制品的厚度是这样选择的，以致在散热片与模压制品之间形成摩擦连接。模压制品还可以热交换器被连接成一体之前插在散热片/热交换器之间。
但是，这些借助PCM吸收热量峰值的冷却类型不局限于在计算机中使用。这些系统可以在用于移动通信的电源开关和电源电路、用于移动电话和固定发射机的发射电路、在工业电子设备和机动车中用于电动机械的致动器的控制电路、用于卫星通信和雷达应用的高频电路、单片机、以及用于家用电器和工业电子设备的致动器和控制单元中使用。
这些冷却装置可以应用于所有需要吸收热量峰值的应用(例如升降机的马达，在变电站中和在内燃机中)。
表2图中的符号说明
实施例1图2所示的散热器是为处理器设计的，这种处理器的最高工作温度是75℃。在散热器的空腔中，选择装入TPC在60℃和65℃之间的相变材料。在这种场合使用TPC为64℃的氢氧化钠一水化物。
实施例2图3所示的散热器是为处理器设计的，这种处理器的最高工作温度是75℃。散热器的空腔内装有三氯乙烯作为传热流体。所用的PCM是胶囊化的石蜡。TPC为63℃的二十九烷被选用。但是，固体-固体PCM也适合在这里作为相变材料。硝酸二癸基铵适合这种处理器，因为它具有66℃的TPC。
权利要求
1.一种用来冷却产生热量的具有非均衡输出分布的电气和电子元器件的装置，该装置基本上由热传导单元(1)和包含相变材料(PCM)的热吸收单元(4)构成。
2.根据权利要求1的装置，其特征是安排PCM使得从电子元器件到传导单元(1)的热流动不被中断，而且流向PCM的大的热流动仅仅发生在热传导单元(1)的温度超过PCM的相变温度TPC时。
3.根据至少一项上述的权利要求的装置，其特征是包含PCM的单元(4)由一个或多个填充PCM的空腔构成，在这里空腔(6)是由热吸收单元(4)形成的。
4.根据至少一项上述的权利要求的装置，其特征是包含PCM的单元(4)进一步包括液态/气态的传热介质(5)。
5.根据权利要求4的装置，其特征是液态/气态的传热介质(5)选自卤代烃。
6.根据权利要求1至5之一的装置，其特征是使用固体-固体的PCM。
7.根据上述权利要求之一的装置，其特征是PCM被胶囊包裹着。
8.根据权利要求1至7之一的装置，其特征是热传导单元(1)具有表面积逐渐增加的结构。
9.根据权利要求8的装置，其特征是热传导单元(1)具有散热片。
10.一种元器件(Z)，该元器件基本上是由根据权利要求1至9之一的冷却装置和产生热量的电子元器件(2)组成的，在这里两个结构单元(1)、(4)和元器件(2)彼此相对对方是以这样的方式安排的，以致产生热量的电子元器件(2)和热传导单元(1)之间的热流动在直接接触中发生。
11.根据权利要求10的元器件(Z)，其特征是电子元器件(2)是计算机的中央处理单元或存储芯片。
12.包含根据权利要求10或11的元器件的计算机。
13.根据权利要求1或9的装置或根据权利要求10或11的元器件在计算机和电子数据处理系统中的运用。
14.根据权利要求1或9的装置或根据权利要求10或11的元器件在用于移动通信的电源开关和电源电路、用于移动电话和固定发射机的发射电路、在工业电子设备和机动车中用于电动机械致动器的控制电路、用于卫星通信和雷达应用的高频电路、单片机、以及在家用电器和工业电子设备的致动器和控制单元中的运用。
全文摘要
这项发明涉及相变材料在用来冷却电气和电子元器件的装置中的运用。
文档编号F28D15/02GK1329361SQ0112085
公开日2002年1月2日 申请日期2001年6月8日 优先权日2000年6月8日
发明者M·纽舒茨, R·格劳什 申请人:默克专利股份有限公司