本发明涉及散热技术领域，特别是涉及一种相变储能式散热器。
背景技术：
随着科学技术的进步，电子元件向集成化、轻量化、小型化发展，这使得电子设备的热流密度急剧升高，散热问题日益突出。大量的热量如果不能通过合理方式及时散出，会造成电子器件温度迅速升高，进而影响电子设备的正常使用，甚至导致电子器件完全失效。对于弹载等特殊应用领域，这不仅会造成重大经济损失，对作战任务甚至国防安全也会产生重大影响。
目前针对弹载电子设备的热设计，主要以显热储能和相变储能为主。其中显热储能是利用弹载系统自身金属构件温度的上升来存储能量，其储能密度较小，需要较为庞大的储热系统来满足散热需求，由于弹载系统重量和体积的限制，显热储能散热技术已逐渐无法满足弹载电子设备的散热需求。相变储能技术能够在相变材料温度基本保持不变时吸收大量的热，其单位质量的储能能力远大于显热储能，由此备受关注。相变储能技术的核心是相变材料，理想的相变材料应具有合适的相变温度、较大的相变焓、安全无毒、无腐蚀性等特点，目前根据相变材料的物理化学性质可将相变储能材料分为有机相变材料和无机相变材料。其中无机相变材料包括熔融盐、金属、合金等相变材料，其中熔融盐相变温度较高，金属、合金的单位体积质量较大，因此均不适合应用在弹载电子设备散热领域。以石蜡为代表的有机相变材料熔化潜热大、物化性质稳定、无毒无腐蚀性、且相变温度合适，能够满足电子设备散热需求。然而石蜡等有机相变材料导热系数较低，这严重降低了储热速率，因此增强有机相变材料的换热性能成为近些年的重要研究方向，其方法主要包括在相变材料中添加翅片、多孔材料、纳米颗粒等高导热材料。相变储能式散热器中相变换热过程主要受导热及对流的共同作用，在相变材料中添加翅片仅以提高导热作用为主；添加多孔材料、纳米颗粒等方法在提高导热作用的同时极大抑制了对流作用。对于弹载等对散热器的体积、重量有特殊要求的应用领域，亟需一种能够同时提高导热及对流作用的散热强化装置。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种相变储能式散热器，以提高热防护性能。
为实现上述目的，本发明提供了一种相变储能式散热器，所述散热器包括：
顶盖、封装基体、冷板以及相变模块；所述相变模块包括金属泡沫单元和相变材料；所述顶盖、所述封装基体与所述冷板组装成内部空间，所述内部空间用于填充所述相变模块；所述冷板与电子设备散热面接触。
可选地，所述封装基体的材质为聚四氟乙烯材料。
可选地，所述冷板的材质为紫铜材料。
可选地，所述冷板与电子设备散热面接触的接触面涂有导热硅脂。
可选地，所述相变材料选为有机相变材料。
可选地，所述金属泡沫单元与所述有机相变材料采用分层的方式进行装填，获得相变模块。
可选地，所述金属泡沫单元与所述有机相变材料采用分层的方式进行装填，获得相变模块，具体为：
第一次填充：将一定数量的所述金属泡沫单元均匀放置在所述冷板上，在真空环境下注入所述有机相变材料，注入高度为所述金属泡沫单元高度的4/5，1/5的所述金属泡沫单元未嵌入所述有机相变材料，以使下一层放置的所述金属泡沫单元能够与上一层放置的所述金属泡沫单元接触，待所述有机相变材料凝固成糊状状态时，进行第二次填充；
第二次填充：将一定数量的所述金属泡沫单元均匀放置在第一层放置的所述有机相变材料上，并使第二层放置的所述金属泡沫单元与第一层放置的所述金属泡沫单元接触，在真空环境下注入所述有机相变材料，注入高度为所述金属泡沫单元高度的4/5，待有所述机相变材料凝固后以同样的方式进行下一次填充，直到所述内部空间设定高度内注满所述有机相变材料和所述金属泡沫单元，形成相变模块。
可选地，所述设定高度为大于0且小于所述内部空间的高度。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明利用嵌入在有机相变材料中的金属泡沫单元掉落造成的强烈扰动来促进冷热流体的掺混，从而强化换热过程中的对流作用，同时由于金属泡沫单元的高导热性，其加入散热器中能够显著增大换热过程中的导热作用，最终达到导热作用与对流作用协同增加的目的，从而综合提高相变储能式散热器的换热性能，延长对电子器件的有效保护时间。本发明在优化散热器重量及体积的同时能够提高电子器件运行的可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明散热器结构图；
图2为本发明去顶盖后的散热器俯视图；
图3为本发明散热器的正视剖视图；
图4为本发明散热器的右视剖视图
符号说明：
1、顶盖，2、有机相变材料，3、封装基体，4、冷板，5、金属泡沫单元，6、膨胀空间。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种相变储能式散热器，以提高热防护性能。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
相变材料(phasechangematerial，简称pcm)：是指在温度基本不变的情况下，通过改变物质状态来吸收或释放能量的物质。相变材料通常分为有机相变材料和无机相变材料。
相变储热式散热器(phasechangeheatstorageheatsink)：利用相变材料在相变过程中吸收热量来实现能量的储存和利用从而完成散热的设备。
对流换热(convection):依靠流体的流动进行热量传递，其作用强弱与流体的流动情况密切相关。包括自然对流换热(naturalconvectionheattransfer)和强制对流换热(forcedconvectionheattransfer)，其中自然对流换热是由于流体内部温度差引起密度不同而形成浮升力，在此浮升力引发的运动下所产生的换热过程。强制对流换热是由于泵、风机或其他外部动力源引发的流体运动所产生的换热过程。
金属泡沫(metalfoam)：是一种高孔隙率、导热性强的多孔金属介质，具有较大的比表面积，能够极大强化换热性能，在相变储能技术应用邻域被广泛研究。
本发明主要利用有机相变材料融化后，嵌入在有机相变材料中的金属泡沫因自身重力而向下掉落造成的剧烈扰动来增强对流作用，同时由于金属泡沫单元具有较大的导热系数，将其嵌入有机相变材料中可显著增强导热作用，最终达到综合提高散热器换热性能的目的。
如图1-图4所示，本发明公开一种相变储能式散热器，所述散热器包括：
顶盖1、封装基体3、冷板4以及相变模块；所述相变模块包括金属泡沫单元5和相变材料；所述顶盖1、所述封装基体3与所述冷板4组装成内部空间，所述内部空间用于填充所述相变模块；所述冷板4与电子设备散热面接触。
作为一种可选的实施方式，本发明所述相变材料优选为有机相变材料2；所述封装基体3的材质为聚四氟乙烯材料；所述冷板4的材质为紫铜材料；所述冷板4与电子设备散热面直接接触，且接触面涂有导热硅脂，以防止较大的接触热阻。所述金属泡沫单元5是由金属泡沫组成，金属泡沫的材质为紫铜材料；因为金属泡沫具有多孔特性，能够增大金属与有机相变材料2的接触面积，并且在掉落时能够产生较强的扰动。
本发明所述金属泡沫单元5与所述有机相变材料2采用分层的方式进行装填，获得相变模块，具体为：
第一次填充：将一定数量的所述金属泡沫单元5均匀放置在所述冷板4上，在真空环境下注入所述有机相变材料2，注入高度为所述金属泡沫单元5高度的4/5，即1/5的所述金属泡沫单元5未嵌入所述有机相变材料2中，以使下一层放置的所述金属泡沫单元5能够与上一层放置的所述金属泡沫单元5接触，待所述有机相变材料2凝固成糊状状态时，进行第二次填充。第二次填充：将一定数量的所述金属泡沫单元5均匀放置在第一层放置的所述有机相变材料2上，并使第二层放置的所述金属泡沫单元5与第一层放置的所述金属泡沫单元5沿高度方向相互接触，第二层放置的所述金属泡沫单元5须保证其能够由于重力作用而向下掉落。同样在真空环境下注入所述有机相变材料2，注入高度为所述金属泡沫单元5高度的4/5。待所述有机相变材料2凝固后以同样的方式进行下一次填充，直到整个所述内部空间设定高度注满所述有机相变材料2和所述金属泡沫单元5为止。装填完成后散热器的正视剖视图和散热器的右视剖视图分别如图3、图4所示。
由于有机相变材料2吸热熔化后体积变大，为防止散热器内部压力过大而造成泄露，散热器顶部预留膨胀空间6，因此本申请设置预留膨胀空间6的高度等于内部空间高度减去设定高度。
本发明所述金属泡沫单元5的布置位置、数目根据实际工况设计。因为金属泡沫单元5孔隙率越小，其单位体积质量越大，掉落速度越快，扰流程度越强。金属泡沫单元5个数越多，单位时间掉落的金属泡沫单元5个数越多，扰流程度越强。因此本发明通过调节所述金属泡沫单元5孔隙率大小及个数来调控扰流强度。
本发明工作过程如下：
电子设备产生的热量经所述导热硅脂迅速传递至所述冷板4，由于所述冷板4所用的紫铜具有较高的导热系数，热量会通过所述冷板4迅速向散热器内部空间存储的所述有机相变材料2及所述金属泡沫单元5传递，由于层间所述金属泡沫单元5自下而上相互接触，因此在散热前期，热量会通过导热作用快速扩散至整个散热器的内部空间，此阶段热量以显热形式存储在散热器中。随着热量被散热器不断吸收，所述冷板4的温度不断升高，当温度高于所述有机相变材料2的熔点时，与所述冷板4接触的有机相变材料2开始熔化，所述有机相变材料2的熔化高度大于所述金属泡沫单元5的长度时，所述金属泡沫单元5受重力影响将向下掉落，产生剧烈扰动，促进冷热流体在所述有机相变材料2内部的掺混，达到强化对流作用的目的，随着所述有机相变材料2不断吸热熔化，所述金属泡沫单元5持续向下掉落，在整个散热过程中对流作用都得到有效强化。由于掉落在散热器底部(即冷板4上)的所述金属泡沫单元5温度低于散热器底部温度，因此掉落的所述金属泡沫单元5会以显热的形式从散热器底部继续吸收热量，进一步增强换热。此外，掉落的所述金属泡沫单元5会积累在散热器底部，极大提高散热器底部导热系数，使电子器件散出的热量迅速从底部向内部扩散，进一步延长对电子器件的有效保护时间。
综上，本发明利用嵌入在相变材料中的金属泡沫单元5因自身重力而向下掉落造成剧烈扰动，达到增强对流作用的目的，同时掉落的低温金属泡沫单元5能够以显热方式进一步从高温热源吸收热量，强化换热效果。由于金属泡沫单元5具有较大的导热系数及比表面积，将其嵌入有机相变材料2中可显著增强导热作用。最终实现对流作用、导热作用的协同提高，达到延长电子设备有效保护时间的目的。本发明对于弹载电子设备等短时散热器件的冷却具有非常广阔的应用前景，并且可作为主动式散热发生突发状况时的备用散热装置。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
1.一种相变储能式散热器，其特征在于，所述散热器包括：
顶盖、封装基体、冷板以及相变模块；所述相变模块包括金属泡沫单元和相变材料；所述顶盖、所述封装基体与所述冷板组装成内部空间，所述内部空间用于填充所述相变模块；所述冷板与电子设备散热面接触。
2.根据权利要求1所述的相变储能式散热器，其特征在于，所述封装基体的材质为聚四氟乙烯材料。
3.根据权利要求1所述的相变储能式散热器，其特征在于，所述冷板的材质为紫铜材料。
4.根据权利要求1所述的相变储能式散热器，其特征在于，所述冷板与电子设备散热面接触的接触面涂有导热硅脂。
5.根据权利要求1所述的相变储能式散热器，其特征在于，所述相变材料选为有机相变材料。
6.根据权利要求5所述的相变储能式散热器，其特征在于，所述金属泡沫单元与所述有机相变材料采用分层的方式进行装填，获得相变模块。
7.根据权利要求6所述的相变储能式散热器，其特征在于，所述金属泡沫单元与所述有机相变材料采用分层的方式进行装填，获得相变模块，具体为：
第一次填充：将一定数量的所述金属泡沫单元均匀放置在所述冷板上，在真空环境下注入所述有机相变材料，注入高度为所述金属泡沫单元高度的4/5，1/5的所述金属泡沫单元未嵌入所述有机相变材料，以使下一层放置的所述金属泡沫单元能够与上一层放置的所述金属泡沫单元接触，待所述有机相变材料凝固成糊状状态时，进行第二次填充；
第二次填充：将一定数量的所述金属泡沫单元均匀放置在第一层放置的所述有机相变材料上，并使第二层放置的所述金属泡沫单元与第一层放置的所述金属泡沫单元接触，在真空环境下注入所述有机相变材料，注入高度为所述金属泡沫单元高度的4/5，待有所述机相变材料凝固后以同样的方式进行下一次填充，直到所述内部空间设定高度内注满所述有机相变材料和所述金属泡沫单元，形成相变模块。
8.根据权利要求7所述的相变储能式散热器，其特征在于，所述设定高度为大于0且小于所述内部空间的高度。
技术总结