三種產品及其關鍵技術:
1、冷凝端擴展型仿生毛細管芯平板熱管
基本原理:(1)在散熱翅片內構造許多通道,增加平板熱管冷凝端的散熱面積。(2)在平板熱管蒸發端表面上燒結仿生毛細管芯,提高熱管蒸發端的傳熱系數。(3)熱管蒸發端和冷凝端(散熱翅片)采用一體化設計,從而確保平板熱管和散熱器之間的緊密接觸。(4)眾多散熱翅片內的通道與仿生毛細芯相結合,類似于許多微型熱管同時工作。
技術指標:(1)提高散熱性能20%(用于大功率LED的散熱器產品如圖5所示)。(2)中心溫度降低20℃;減少產品重量50%。(3)材料成本可節省50%。
綜合優勢:(1)由于固體翅片內存在延伸冷凝器,可為加熱區提供充足的液體,保證加熱區在超高熱流密度下不會達到干燥狀態。(2)翅片不僅用作散熱器,還用作冷凝器。固體翅片內的冷凝傳熱確保了沿翅片高度方向均勻溫度,從而提高翅片效率。(3)散熱器可在反重力狀態下運行,體積小,重量輕。由于集成設計,蒸發器和翅片散熱器之間不存在接觸熱阻。
應用領域:電力電子、航空航天、能源動力、石油化工、軍工設備等領域中大功率、大熱流密度芯片及其設備的散熱,例如大功率激光器、照明LED、控制芯片、燃料電池、新能源汽車、激光、雷達及大數據計算中心等。
2、回路熱管
基本原理:(1)回路熱管內部構造了三層毛細芯,第一層毛細芯為多尺度結構吸液芯,取代了傳統回路熱管中的實心溝槽微通道。多尺度結構吸液芯可將蒸發器內的汽-液流動路徑分開,液體通過多尺度毛細芯吸入,蒸汽在固-液-汽界面處產生,并通過大尺度溝槽溢出。多尺度毛細芯同時滿足了兩個需求:蒸汽溢出需要多尺度孔隙,液體吸入需要小尺度孔隙。(2)第二層和第三毛細芯不僅起到回流液體的作用,還起到防止熱泄露的作用。第三毛細芯為超低導熱率材料,可大大減少從蒸發器到補償箱的熱泄漏。
技術指標:(1)與傳統回路熱管相比,蒸發器中心溫度可降低20-50℃,最大熱流密度可達40W/cm2。(2)在300W加熱功率下,最大反重力高度可達500mm。
綜合優勢:(1)可在反重力狀態下運行。(2)散熱功率大,散熱距離長。
應用領域:航空航天、能源動力和軍工裝備等領域光電設備的散熱。
3、超薄熱管
基本原理:(1)將仿生多尺度微-納結構應用于熱管蒸發端毛細芯。(2)熱管超親水蒸發端和超疏水冷凝端相互匹配,共同調節熱管內部的汽液相分布。(3)熱管蒸發端和冷凝端的相變傳熱主要是核態傳熱機制,傳熱系數對于熱流密度的變化具有自適應響應特性。
技術指標:(1)顯著降低熱管蒸發端中心溫度30-40℃(~100W/cm2)。(2)蒸發傳熱系數提高2.4倍。(3)冷凝傳熱系數提高4倍。
綜合優勢:(1)體積小,重量輕。(2)顯著提高設備穩定性、可靠性和使用壽命。
應用領域:筆記本電腦、微處理器、手機等小型電子設備的散熱。
隨電子技術的發展,各種電子設備的集成度不斷增加,導致熱流密度不斷攀升;同時電子設備對降成本,體積小、被動式冷卻也提出了緊迫和苛刻的需求,這些背景都對電子冷卻提出了新的挑戰,無論電腦、手機、數據計算中心、雷達、激光器、航天器等都對大功率冷卻器提出了大量的需求,因此具有廣闊的市場應用前景。
以仿生毛細芯一體化冷卻器成果為例,我們創新性將平板熱管制作于熱沉內部,實現了平板熱管和散熱翅片的一體化(獲發明專利),并將多尺度毛細吸液芯應用于蒸發器底板,LED的冷卻效率大大提升,顯示出巨大的價值。上圖顯示了仿生毛細芯一體化冷卻器與傳統產品的對比。
突破了微納米燒結多尺度吸液芯、表面潤濕改性、熱管系統集成及熱管熱性能測試等系列關鍵技術,研發的專利產品獲半導體產業聯盟優秀創新產品金獎,性能、特征、參數主要表現在:
1、超薄熱管:將蒸發器和冷凝器微納米改造形成親疏水匹配+充裝量控制,蒸發器加熱面中心溫度可降低到傳統熱管的30-40℃(~100W/cm2),蒸發傳熱系數可提高2.4倍,冷凝傳熱系數提高4倍;
2、回路熱管:將傳統蒸發器微通道改進為多尺度毛細芯溝槽,蒸發器溫度可降低到傳統回路熱管的20-50℃,最大熱流可達40W/cm2;
3、仿生毛細芯重力熱管:將蒸發器仿生乳突微納結構+冷凝器和散熱片一體化,可使散熱性能提高20%,溫度降低20℃,重量降低50%。
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