一种立体热管耦合翅片相变储能热控装置的制作方法

本发明涉及电子设备热管理技术领域。

背景技术：

电子器件的高功率化与集约化为电子设备热管理带来新的挑战。电子设备热管理技术主要包括主动冷却技术与被动冷却技术。主动热控技术包含强迫风冷、液冷以及泵驱两相等，具有散热效率高、环境适应性强等特点，但会额外增加系统的空间、重量与能耗。并且对于特定场合电子器件的冷却需求，例如热源输入存在周期性波动或者瞬时峰值等场景，主动冷却技术的应用受到部分限制。被动热控技术主要包括热管、智能材料、智能涂层以及相变储能等等，可以有效纾解主动冷却技术的部分限制，提高热控系统的稳定性与可靠性，降低系统体积与重量。

相变储能技术利用工质潜热解决热量输入与输出的时间与空间不匹配问题，是一种广受关注的被动冷却技术。其工作原理是利用系统中的固态工质相变存储电子器件中产生的大量热量，在其他时间按将热量传输到外界热沉(或电子器件本身)，重新冷凝为固态，通过工质物态循环完成能量的输运。相变储能热控技术可达到热量的缓冲以及“削峰填谷”作用，可有效缓解电子器件的热冲击，保护电子设备的高效、可靠运行。相变本身的物理特质同时决定了其可以保持器件温度稳定在相变点附近，可同时解决多个器件的均温性难题，因此在动力电池热管理、航天器热控等领域得到广泛应用。相变储能系统的工质主要包括无机材料和有机材料两大类。无机相变储能材料主要包括熔融盐、低温合金以及各种水合无机盐等，具有潜热高、导热性好的优点，但部分材料存在过冷和相分离问题。有机相变储能材料包括石蜡、多元脂肪酸、多元醇等，具有价格低廉、相变温度适中可控、无过冷和相分离等优点，是应用最为广泛的中低温相变储能材料。然而有机相变材料导热系数较低，导致电子器件产生的热量不能及时传递至相变材料内部，甚至造成热源与热沉之间额外的传热热阻，影响热控系统的响应性与稳定性。通过在相变材料中掺杂高热导率介观材料与敷设高热导率传热骨架是提高相变储能系统性能的有效方法。其中，高热导率金属粉末、多壁碳纳米管以及石墨烯是常用的掺杂介观材料。但高热导率介观材料的引入虽然能显著提高基体导热系数，但可能造成复合材料潜热下降，甚至可能造成液态粘度大幅升高，削弱相变材料的自然对流传热。并且相变材料导热系数的提升并不能解决相变仅在局限区域发生的根本问题，因此一般作为辅助技术手段来提升相变储能系统性能。

上世纪60年代，金属传热骨架最早被引入相变储能系统。大量研究与应用实例证明，金属传热骨架的加入可明显缩短相变储能系统的吸放热时间，提高系统效率。随着微加工技术的迅猛发展，泡沫金属、泡沫石墨等材料陆续面世并被尝试应用于相变储能系统，其高导热率、高比表面积、高孔隙率的优点进一步提高了系统性能。

两相传热技术的迅速发展为热控系统提供了全新的思路与产品，热管便是其中的杰出代表。热管利用内部腔体工质的循环相变传递热量，其热导率可达纯铜的十倍以上，并且具有均温性好，热输运距离长等优点，非常适合解决相变储能系统中相变区域局限在热源侧的问题。有研究表明，应用热管后相变材料的融化速率增长了70％。单根热管或者热管阵列可以降低热管冷凝段与蒸发段的传热热阻，但不同热管之间的传热热阻依然较大，上述情况在多热源系统中愈加严重。

技术实现要素：

本发明提出的一种立体热管耦合翅片相变储能热控装置，解决了相变储能热控系统相变材料之间与热源之间均温性不高的问题。

本发明提出的一种立体热管耦合翅片相变储能热控装置，包括立体热管、壳体、冲灌接口、相变材料、内嵌翅片与散热翅片。所述相变材料壳体安装在立体热管上，相变材料通过冲灌接口注入壳体，内嵌翅片安装在壳体内部且与立体热管接触良好，散热翅片安装在立体热管上。

所述立体热管由于具有统一的蒸汽流动腔体，不同热管支路之间传热热阻极小，与内嵌翅片耦合应用于相变储能热控系统后可加速相变工质融化与冷凝，强化系统热控能力。同时，带有立体热管的高效相变储能热控设备也可解决多热源系统的均温性难题。

当热源处于低功耗模式时，立体热管工作未达到相变材料相变温度，热量通过顶部散热翅片排散至外界热沉。当热源处于瞬时/周期高功耗模式时，散热翅片不能及时排散掉系统产生的废热，立体热管工作温度升高并超过相变材料的相变温度，壳体内的相变材料开始融化，吸收大量热量，保持热源温度稳定。当热源从高功耗模式返回低功耗模式时，立体热管温度降低，相变材料重新冷凝，释放的潜热通过散热翅片带走。在所述三种不同工况下，埋于相变材料内部的立体热管分别充当绝热段、冷凝段与蒸发段。通过立体热管部分区段功能的切换来达到智能热控的目的。

本发明的立体热管耦合翅片相变储能热控装置由于采用立体热管作为相变储能热控系统的传热骨架，大大提高了热传导效率均温特性，强化系统热控能力。

附图说明

图1为本发明实施例的装置结构装配示意图。

图2为本发明实施例的装置三维示意图。

图3为本发明实施例的装置结构装置局部放大图。

图4为本发明实施例的装置底视图。

图中有：立体热管1；壳体2；冲灌接口3；相变材料4；内嵌翅片5；与散热翅片6；毛细芯7；加强筋8；热源9。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对发明进行进一步描述，图1给出了本发明实施例的装置结构装配示意图。

本发明的实施例包括立体热管1、壳体2、冲灌接口3、相变材料4、内嵌翅片5和散热翅片6。所述壳体2安装在立体热管1上，相变材料4通过冲灌接口3注入壳体2，内嵌翅片5安装在壳体2内部且与立体热管1接触良好，散热翅片6安装在立体热管1上。

优选的，立体热管优选长方体状的主体壳体与圆柱体状的支路壳体，两壳体内部联通；圆柱状支路壳体的数目优选2～20，呈阵列排布。

优选的，立体热管包括热管管壳、毛细芯、工质与加强筋；管壳材料可根据使用环境与场合选用锈钢、铝、铜或钛合金；毛细芯紧敷在管壳内侧，根据所需毛细力不同选用不同厚度的槽道、粉末烧结或丝网结构；工质根据工作和存储温度选用水、丙酮、乙醇、氨或多种制冷剂；热管加强筋布置在长方体状壳体内部，根据结构强度需求数目优选4～100。

图2给出了本发明实施例的装置三维示意图。存储相变材料的壳体大小、翅片间隔、立体热管支路数目可根据实际情况调整。

优选的，相变材料选用根据热源控温温度和热源功率与工作周期选用水合无机盐、石蜡、多元脂肪酸或多元醇。

优选的，内嵌翅片厚度为0.2mm至4mm，数目为1～10，间距为10-100mm，依据相变材料种类和体积选用。

优选的，散热翅片厚度为0.2mm至1mm，数目为4～20，间距为2-10mm，依据系统热源总功率与具体热排散方式选用。

图3给出了本发明实施例的装置结构装置局部放大示意图。毛细芯7紧敷在管壳内侧，根据所需毛细力不同选用不同厚度的槽道、粉末烧结和丝网结构，圆柱形加强筋8用于支撑立体热管长方体腔体。毛细芯和加强筋采用机加工或者烧结的方式与立体热管壳体连接。

图4给出了本发明实施例的装置热源布置示意图。热源9布置在装置底部，可以为单个热源或者多个分散式热源。

本实施例装置具有良好的均温特性，加速相变材料的吸放热速率，可大幅降低相变储能系统的整体传热速率，提高系统储能与散热能力，有效控制电子元器件温度。