一种石墨烯相变导热组件结构及制备方法与流程

1.本发明涉及散热设备技术领域，特别是涉及一种石墨烯相变导热组件结构及制备方法。


背景技术：

2.对于3c产品、led灯具、电池模块以及光伏电池的发电和储电设备，都有一项共同的课题需要克服，即产品的散热问题。而随着电子元件产品的轻量化、便捷化要求不断提升，产品体积也越来越小，功能越来越丰富，集成的模块越来越多，对于产品的散热能力需求也越来越严峻。
3.常见的散热组件有金属片散热、导热硅片散热、氧化铝陶瓷等，一般是利用如铜、铝等金属或导热硅胶、氧化铝材质快速导热的性能将产品的中热量吸收并利用温度差将热量逸散到周围环境中。
4.如公开号为cn105676977a的中国专利公开的一种铜铝组合式散热器，其铝质基座内设有一根导热铜柱，导热铜柱的另一端穿出铝质基座，在铝质基座的上方设有与铝质基座一体的铝质散热片，散热片以导热铜柱为中心且与导热铜柱紧密结合。
5.该种散热器即基于铜和铝自身的导热性能制作，整体散热效果优良。但囿于产品越来越小的体积，散热组件大小也局限在一定程度下，而对于小型的铜铝制散热组件来说，其散热性能较弱，导致产品的散热效果不佳。


技术实现要素：

6.本发明针对上述技术问题，克服现有技术的缺点，提供一种石墨烯相变导热组件结构及制备方法。
7.为了解决以上技术问题，本发明提供一种石墨烯相变导热组件结构及制备方法。
8.技术效果：将相变化散热与石墨烯材料的搭配，应用在各种需要快速散热的领域中，利用上述相变化技术与石墨烯材料极佳的导热率，以及石墨烯材料超轻、超强、超坚韧的特性，为产品提供最佳的导热效果，使得各种应用该材料的产品具有极高的热响应速率，保证产品的性能稳定性，并能广泛应用于不同的环境于场景中，减少部必要能源的过度浪费或损耗。
9.本发明进一步限定的技术方案是：一种石墨烯相变导热组件结构的制备方法，包括如下步骤：
10.s1，取定量石墨烯粉末，将石墨烯粉末加入导热胶内，混合均匀得到胶液；
11.s2，将所得的胶液加入射出成型机，通过射出成型机将胶液注射至模具中，冷却成型并脱模后得到导热组件；
12.s3，在导热组件中后制形成微管道后，将相变材料注入微管道内，封闭微管道后得到石墨烯相变导热板，并将该石墨烯相变导热板应用在指定的导热装置内。
13.进一步的，步骤s2中微管道的成型方式为，在模具内预留微管道成型部分，使脱模
后的导热板预先形成微管道的一部分。
14.前所述的一种石墨烯相变导热组件结构的制备方法，步骤s2中微管道的成型方式为，导热板成型后，通过机械加工或精密蚀刻完成微管道的后制成型。
15.本发明还提供一种石墨烯相变导热组件结构，由上述任意种石墨烯相变导热组件结构的制备方法制得，且制得的导热组件不存在任何金属组件，并于导热组件内后制形成的微管道中形成立体散热结构，以大幅度减小导热组件结构的体积和重量。
16.本发明的有益效果是：
17.(1)本发明中，相变化散热是目前已知的最佳散热技术，一般情况下，相变化散热所搭配的材料均为金属材料，例如金属铜、铝等；而石墨烯材料是已知的硬度最高的物质，其导热率优于金属材料，石墨烯材料与相变化材料结合后，能够极大程度上减小散热结构所需的体积，同体积下散热效率远高于金属材料，因此本发明的优势在于，二者结合制得的散热组件，其重量更轻，强度更大，而体积更小、厚度更薄，具有超轻、超强、超坚韧的特性，将之应用于各项电子产品及新能源设备的散热中，将会是目前散热的最佳解决方案；
18.(2)本发明中，完全没有应用任何金属组件，仅采用石墨烯材料和相变化材料的结合，且后制形成的微管道更容易形成立体散热结构，能够大幅度减小整个散热结构的体积和重量；
19.(3)本发明中，在导热板内形成微管道后，能够方便在导热板中注入复合相变材料，注入完成后，再将微管道的开口封闭粘结；相变材料具有在一定温度范围内改变其物理状态的能力。以固－液相变为例，在加热到熔化温度时，就产生从固态到液态的相变，熔化的过程中，相变材料吸收并储存大量的潜热；当相变材料冷却时，储存的热量在一定的温度范围内要散发到环境中去，进行从液态到固态的逆相变；物理状态发生变化时，材料自身的温度在相变完成前几乎维持不变，形成一个宽的温度平台，虽然温度不变，但吸收或释放的潜热却相当大，因此将其应用在石墨烯导热板中，能够达到快速导热的效果；
20.(4)本发明中，由于相变化材料的导热率高达10000w/m
·
k，是铝的100倍，而石墨烯材料的导热系数也高达5300w/m
·
k，二者的结合能够使得散热部位更加轻薄，减小体积的情况下实现产品的快速散热；
21.(5)本发明中，将相变化散热与石墨烯材料相互搭配，利用上述相变化技术与石墨烯材料极佳的导热率，以及石墨烯材料超轻、超强、耐腐蚀、超坚韧的特性，为产品提供最佳的导热效果，使得各种应用该材料的产品具有极高的热响应速率，保证产品的性能稳定性，并能广泛应用于不同的环境于场景中，减少部必要能源的过度浪费或损耗。
附图说明
22.图1为壳体的结构示意图；
23.图2为散热组件中微管道的分布示意图；
24.图3为灯壳的结构示意图；
25.图4为微管道呈等速螺线状分布的散热部的结构示意图；
26.图5为微管道等距分布的散热部的结构示意图；
27.图6为散热模块的结构图；
28.图7为散热模块中微管道的分布示意图。
29.其中：1、壳体；11、控制器；12、控制电路；13、主电路；2、散热组件；21、散热风扇；22、散热通道；23、散热翅片；24、散热侧板；25、散热顶板；3、灯壳；31、灯管；32、提手；33、安装座；4、散热部；41、散热鳍片；5、电路板；51、外壳；6、散热模块；61、散热座板；62、散热内板；63、导热风扇；64、散热通孔；65、散热侧孔；66、导热翅片；7、微管道；71、封板；72、封盖；73、直线段；74、弧线段；75、通管。
具体实施方式
30.使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图及具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
31.需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一元件，它可以直接在另一元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一元件，它可以是直接连接到一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
32.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
33.本实施例提供的一种石墨烯相变导热组件结构的制备方法，在制备石墨烯相变导热组件时，包括以下步骤：
34.s1，取定量石墨烯粉末，将石墨烯粉末加入导热胶内，混合均匀得到胶液；
35.s2，将所得的胶液加入射出成型机，通过射出成型机将胶液注射至模具中，冷却成型并脱模后得到导热组件；
36.s3，在导热组件中后制形成微管道后，将相变材料注入微管道内，封闭微管道后得到石墨烯相变导热板，并将该石墨烯相变导热板应用在指定的导热装置内。
37.在步骤s2中，微管道的成型方式可以是一体成型，也可以为加工成型。
38.当微管道为一体成型时，可以在模具内预留微管道成型部分，使脱模后的导热板预先形成微管道的一部分。
39.当微管道为加工成型时，可以在导热板成型后，通过机械加工或精密蚀刻完成微管道的后制成型。
40.本发明还提供一种石墨烯相变导热组件结构，主要由上述任意种石墨烯相变导热组件结构的制备方法制得。
41.本发明的特征是，完全没有应用任何金属组件，后制形成的微管道更容易形成立体散热结构，可以大幅度缩小整个散热结构的体积和重量，且散热效果更佳。
42.相变材料和导热组件的导热性能是评价其性能的重要指标。此处通过热常数分析仪分别测量s2中导热板和s3中石墨烯相变导热板的导热系数。
43.测试方式，将导热板和石墨烯相变导热板分别制成两组尺寸相同的圆片，圆片的尺寸为直径30mm，厚度10mm，通过热常数分析仪进行测量，每组测试两次，取平均值，测量结果如表1和表2所示。
44.表1导热板的导热系数
[0045][0046]
表2石墨烯相变导热板的导热系数
[0047][0048]
表1和表2显示，仅由石墨烯材料制成的导热板的导热系数为866w/m.k，而增加了微管道并注入复合相变材料后，形成的石墨烯相变导热板的导热系数大大提升至1301w/m.k，其导热性能远强于普通铜制散热设备，而重量远小于金属散热设备，便捷性得到了极大程度上的提升，说明该导热组件的优越性。
[0049]
同时测试中还发现，石墨烯粉末占所有物质重量的10～15％时，导热板的导热性能最佳。
[0050]
本发明制得的石墨烯相变导热板可以应用在汽车电池、电子产品、雷达等各个领域，本发明主要将石墨烯相变导热板应用在3c产品、led灯具、变频器或逆变器，得到若干个实施例。
[0051]
实施例1，本实施例中，导热组件主要应用在变频器的散热降温。
[0052]
变频器是通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。一般变频器的环境工作温度一般要求为-10℃～50℃，如果能降低变频器的工作温度，变频器的使用寿命将会延长，性能也会更加稳定。而变频器发热主要是因为内部损耗，其中发热的主体部位为主电路13。
[0053]
如图1所示，变频器的主电路13卡设安装在壳体1内，壳体1底部设有散热组件2，主电路13贴合散热组件2的顶部安装。散热组件2整体呈长方体盒状，顶部为散热顶板25，两侧为平行的两块散热侧板24，散热侧板24与散热顶板25之间形成散热通道22。
[0054]
如图1和图2所示，散热通道22的前部位置固定安装有散热风扇21，同时，散热通道22内还设有若干片相互平行的散热翅片23。变频器中发热量最大的位置为中间的主电路13，因此与主电路13贴合安装的散热顶板25承受最大的热传导压力。
[0055]
散热顶板25吸收热量后，将热量传导至散热侧板24和散热通道22中的散热翅片23上，散热侧板24直接与外界形成热交换，而中间位置的散热翅片23，则通过散热风扇21在散热通道22中形成的气流实现快速的热交换，从而达到快速降温的效果。
[0056]
同样的，由于散热顶板25承受了最大的热传导压力，因此散热顶板25内需要相应的散热结构以提升热传导效果。如图2所示，本实施例中，散热顶板25整体由石墨烯材料糅合导热胶制成，散热顶板25中形成有若干条平行设置的微管道7，微管道7内注入形成有相变材料制成的导热部。
[0057]
导热部由相变材料形成，是由于相变材料的导热率高达10000w/m
·
k，是金属铝的100倍，能够利用材料物理性质的转变，吸收或释放大量的潜热。因此导热部在吸收顶部位置上主电路13的热量后，能够在底部位置将热量释放，使热量通过翅片与散热通道22逸散。
[0058]
微管道7的横截面形状为圆形或矩形，根据散热顶板25的厚度不同，微管道7的直径或宽度为2～10mm，相邻两个微管道7之间的间距对应微管道7的直径或宽度设置在15～30mm之间，微管道7的顶部位置与散热顶板25的顶面之间最短距离为2mm，而微管道7的底部位置与散热顶板25的底面之间最短距离为1mm。
[0059]
由于石墨烯材料的导热性能弱于相变材料的导热性，因此在保证强度的情况下，散热顶板25内相变材料注入的量越多，则散热顶板25整体的散热能力越强。因此根据散热顶板25厚度的不同，微管道7的直径或宽度也需要作出调整。而圆形是接触面最大的形状，因此将微管道7的横截面设置为圆形能够达到最佳的散热效果。
[0060]
微管道7的顶部位置与散热顶板25的顶面之间最短距离设置为2mm，能够保证散热顶面对主电路13与其他零件的支撑性，而微管道7的底部位置与散热顶板25的底面之间最短距离设置为1mm，能够减少相变材料与散热通道22之间的距离，加快热传导，提升散热性能。
[0061]
微管道7中，相变材料的体积占微管道7容积的50～70％。由于相变材料的热传导是利用材料本身的结构变化或相态变化，向环境自动释放或吸收能量，因此在导热过程中相变材料存在体积变化。将相变材料的体积控制在微管道7容积的一定程度内，能够保证热传导效果，同时避免由于相态变化对微管道7造成较大压力，保证散热顶板25整体的导热效率和使用寿命。
[0062]
如图1和图2所示，散热顶板25侧面位于微管道7开口的位置上设有封板71，封板71由糅合导热胶的石墨烯材料制成，并粘接固定在散热顶板25侧面。封板71侧面形成有密封凸起，密封凸起的形状大小与微管道7的开口形状贴合，连接时密封凸起嵌设于微管道7的开口内。
[0063]
本技术中的散热翅片23与散热侧板24可以为金属材料，也可以为石墨烯材料。当散热翅片23为石墨烯材料时，能够提供最佳的散热效果，而散热翅片23为金属材料时，可以保证较好的散热效果，同时降低生产成本。
[0064]
具体实施过程：主电路13连接在散热顶板25的顶面工作，产生热量后，热量传导至散热顶板25上，石墨烯材料制成的散热顶板25能够快速将热量传导至微管道7内的相变材料中，顶部的相变材料吸收热量，再由底部的相变材料传导致散热顶板25的底面位置，最后通过散热翅片23以及散热风扇21与外界的热交换实现散热。
[0065]
实施例2，本实施例中的导热组件结构主要应用在led灯具的散热中。
[0066]
如图3所示，led灯具包括若干个环绕中心线分布的灯管31，灯管31安装在圆盘形状的灯壳3内。灯壳3的两侧位置均固定由提手32，能够方便用户抓取整个led灯具。
[0067]
led灯具发热的原因是因为所加入的电能未能完全转化成光能，部分电能转化为热能，电光转化效率为20～30％。而led灯具发热量最大的地方主要有两点，led芯片和led灯管31。
[0068]
如图3和图4所示，led芯片位于led灯管31的底部，因此整个led中心位置的发热量是最大的。而led芯片与led产生的热量会使中间位置的温度急速升高，长时间处于高温工作状态，会使得led灯管31和led芯片的寿命迅速缩短。
[0069]
因此本实施例在led灯具的中间位置设置了散热部4，用以增加led灯具中心位置的散热效率。如图3和图4所示本实施例中led灯具整体为圆盘状，因而散热部4形状为对应的圆柱形状。散热部4整体由糅合导热胶的石墨烯材料射出成型。散热部4内形成有微管道7，微管道7平行于水平面分布，且有两种分布方式。
[0070]
如图3和图4所示，散热部4底部设置有散热鳍片41，散热鳍片41环绕散热部4底部中心线位置设有若干片，主要是用于增加散热部4底部的散热面积，提升热传导的效率。本实施例中散热鳍片41可以由金属材料或石墨烯材料制成。散热鳍片41底部连接安装座33，通过安装座33可以将整个led灯具安装在指定位置。
[0071]
第一种分布方式，如图4所示，微管道7整体呈阿基米德螺线形状分布，微管道7一体形成在散热部4中，其最外部的末端延伸至散热部4外形成开口，开口位置由石墨烯材料制成的封盖72嵌合密封，微管道7内注入有相变材料。呈等速螺线形状的微管道7能够均匀分布在散热部4内，使得散热部4整体散热效果均匀。
[0072]
第二种分布方式，如图5所示，微管道7包括若干个，若干个微管道7内径不同，但所有微管道7均同轴心等距分布，每个微管道7内均注有相变材料。此种分布方式的散热部4中开设有一条连通所有微管道7的通管75，通管75由散热部4圆心位置向散热部4边缘位置延伸，且通管75末端同样由石墨烯材料制成的封盖72嵌合密封。
[0073]
在本实施例中，微管道7内注入的相变材料的体积占微管道7总容积的50～70％，散热部4的厚度为4～10mm，微管道7的直径或宽度为1～7mm，微管道7顶部与散热部4顶面之间的最短间距为2mm，微管道7底部与散热部4底面之间的最短间距为1mm。
[0074]
具体实施过程，led灯具在使用时，灯管31和led芯片通电发热，热量集中在灯具中间位置。通过中间位置底部设置的散热部4，能够将热量快速传导至微管道7中的相变材料中，通过相态变化，热量传导至散热部4底部位置，通过底部连接的散热鳍片41即可将热量快速分散至周遭环境中，实现快速散热。
[0075]
实施例3，一种石墨烯相变导热组件结构，本实施例中的导热组件结构主要应用于光伏逆变器的散热中。
[0076]
如图6所示，光伏逆变器是将太阳能板产生的可变直流电压转化为市电频率交流电的逆变器，用以反馈商用输电系统，或供离网的电网使用。
[0077]
光伏逆变器良好的散热是保证其高可靠性运行的重要条件，而在光伏逆变器中，发热量最大的位置同样是主要工作的电路板5，因而本实施例中也是针对光伏逆变器电路板5位置的散热结构进行优化。
[0078]
如图6和图7所示，光伏逆变器整体包括方框形状的外壳51，电路板5嵌设固定在外
壳51内形成的空腔中，外壳51三面环绕电路板5设置，分别包围电路板5前侧、左侧和右侧。外壳51底部设置散热模块6，散热模块6主体为设置在电路板5底部位置的散热座板61，散热座板61与外壳51内形成的空腔形状相同。
[0079]
如图6和图7所示，散热座板61底部连接有若干块平行且等距设置的导热片。散热座板61的后方设有散热内板62，散热内板62与散热座板61相互垂直，散热内板62与电路板5后侧面贴合固定。散热内板62的后方连接有导热风扇63，导热风扇63设有若干组，能够带动外壳51内的气流流通。
[0080]
散热内板62的中间位置开设有散热通孔64，散热通孔64连通导热风扇63和外壳51内侧形成的空腔。而散热模块6右侧面开设通孔，在导热风扇63工作时，外壳51内温度较高的气流通过散热通孔64被导热风扇63送出外界，而外界温度较低的气流则通过各种间隙和通孔进入外壳51内。如图所示，导热风扇63左侧和右侧的外壳51侧壁上开设有散热侧孔65，也是为了方便实现气流的流通和温度的交换。
[0081]
如图7所示，散热座板61整体由糅合导热胶的石墨烯材料射出成型而成。散热座板61内铺设形成微管道7，微管道7内注入相变材料。散热座板61底部设有导热翅片66，导热翅片66相互平行设有若干块。本实施例中微管道7的分布呈蛇形弹簧的形状，整个散热座板61内均匀布设微管道7。微管道7包括有半圆形状弧线段74和直线形状的直线段73。
[0082]
如图7所示，微管道7横截面为圆形或矩形，其直径或宽度为7mm，整个散热座板61的厚度为4～10mm。微管道7顶部与散热座板61顶面之间的最短间距为2mm，微管道7底部与散热座板61底面之间的最短间距为1mm。而微管道7中，相邻直线段73的间距为20～30mm。
[0083]
微管道7在散热座板61内分布越密集，则相变材料的含量越高，整个散热座板61的导热能力越强。微管道7内相变材料的体积占微管道7容积的50～70％。微管道7的一段延伸散热座板61侧面位置，并将散热座板61侧面贯通形成开口，可以从此开口位置注入相变材料。开口通过石墨烯材料制成的封盖72嵌合密封。
[0084]
本实施例中，散热内板62的结构与散热座板61相同。散热座板61底部的导热片可由石墨烯材料制成，达到最佳的导热效果；也可由金属材料制成，在达到较佳散热效果的同时减少成本。
[0085]
具体实施过程：在电路板5通电发热后，产生的热量一方面通过底部的散热座板61传导吸收，另一方面通过侧面位置的散热内板62吸收。散热座板61和散热内板62中的相变材料能够快速将热量吸收，并通过底部的导热翅片或后方的导热风扇63将热量传递至外界。除此之外，导热风扇63产生的空气流通，也能够在散热模块6的开口、外壳51内形成的空腔、散热通孔64以及散热侧孔65之间形成气流，将外壳51内温度较高的气流输送至外界，进一步提升散热性能。
[0086]
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。