一种热驱动高效相变热沉、热缓冲系统及热缓冲方法

本发明属于热管理，具体涉及一种热驱动高效相变热沉、热缓冲系统及热缓冲方法。

背景技术：

1、随着高功率电子器件、激光器、雷达发射组件、脉冲功率设备及电池系统等装置的功率密度不断提高，设备在短时间内产生的热流密度显著增大。若该部分热量不能被及时吸收和缓冲，容易导致器件局部温升过快，进而影响其工作稳定性、使用寿命和安全性。热沉是一类用于吸收、传导并暂存热量的热管理部件，其通常设置在热源与外部散热系统之间，在热源产生瞬态热载荷时先对热量进行缓冲，再通过后续散热过程将所吸收的热量释放出去，从而降低热源的瞬时温度峰值。

2、相变热沉是热沉结构中的一种重要形式，其利用相变材料在固液相变过程中吸收大量潜热的特点，实现对瞬态热量的高效暂存。其基本工作原理为：当热源工作时，热量经热输入壁传递至相变热沉内部，使靠近热输入壁的固态相变材料首先发生熔化；在熔化过程中，相变材料通过吸收潜热延缓热源温度上升；当热源热载荷降低或外部散热条件恢复后，相变材料再将储存的热量释放至外部散热结构，并重新凝固，从而恢复热缓冲能力。因此，相变热沉特别适用于短时高热流、间歇性发热和脉冲式发热等工况。

3、在相变热沉的工作过程中，热输入壁与固态相变材料之间的传热状态直接决定其吸热速率。对于底部或局部壁面受热的相变热沉而言，理想状态是固态相变材料能够持续靠近热输入壁，并在二者之间形成较薄的熔融液膜，使热量能够以较低界面热阻传递至固液相变界面，这一过程可表现为接触熔化特征。接触熔化能够显著提高相变材料的熔化速率，但其强化效果依赖于两个关键条件：一是固态相变材料需要持续贴近或压向热输入壁，以避免固液相变界面远离热源；二是接触熔化产生的液态相变材料需要及时从换热界面排出，以防止液膜不断增厚。

4、然而，在实际相变热沉中，石蜡类等常用相变材料普遍存在导热系数较低、熔融液体黏度较大、液态相变材料在热输入壁附近容易滞留等问题。随着熔化过程持续进行，热输入壁附近的液态相变材料逐渐积聚，液膜厚度增加，固态相变材料与热输入壁之间的有效接触程度降低，导致界面热阻增大、熔化前沿推进速度下降，最终使相变热沉的吸热功率密度和瞬态热缓冲能力受到限制。

5、现有相变热沉相关方案多从外部换热路径、相变材料封装方式或整体热控系统结构进行改进。例如，公开号为ep2543950a2的欧洲专利公开了一种相变材料热沉，其包括容纳相变材料的密封壳体以及与该密封壳体热接触的流体通道结构，通过流体通道与相变材料腔体之间的换热实现热量输入或输出。该类方案能够改善相变热沉与外部换热流体之间的热交换过程，但其主要作用对象是热沉外部换热路径，并未针对固态相变材料在熔化过程中逐渐远离热输入壁、以及液态相变材料在热输入界面滞留所造成的界面热阻增加问题提出主动调节措施。

6、公开号为cn114980667a的中国专利申请公开了一种被动式热控系统，其包括沸腾冷凝传热模块、相变储热模块和翅片散热模块，通过热量快速转运、相变储热和自然排散实现对脉冲热负荷热源的热控。该类方案侧重于构建热量传递、储存与排散的系统级路径，能够提高热控系统的综合散热能力，但对于相变储热模块内部的接触熔化过程而言，仍未解决固态相变材料如何在密封空间内持续主动贴近热输入壁、以及熔融相变材料如何从换热界面及时排出的问题。

7、非专利文献stavins等在“melt front visualization and flow prediction indynamic phase change materials on finned heat sinks”中研究了动态相变材料在带翅片热沉上的熔化前沿可视化和流动预测，指出在外力作用下排出熔融液体并维持薄熔融层是提高动态相变材料换热性能的重要因素，并且翅片几何形貌会影响熔融层形成和流动路径。该研究为尖顶翅片和排液沟槽的几何设计提供了传热与流动依据，但其并未提出在密封相变热沉内部利用热输入自身驱动施力结构，也未解决多姿态工况下固态相变材料主动贴近热输入壁和熔融相变材料协同排出的问题。

8、因此，对于面向瞬态高热流密度工况的相变热沉而言，仅通过外部流体通道、外部散热翅片或常规封装结构改善整体换热过程，仍难以充分解决热输入界面处的吸热速率衰减问题。其核心矛盾在于：一方面需要使固态相变材料持续向热输入壁靠近，以维持接触熔化状态；另一方面又需要将接触熔化产生的液态相变材料及时从换热界面导出，以减小液膜厚度并降低界面热阻。如何在密封、紧凑和多姿态工况下，同时实现固态相变材料的主动贴近和熔融相变材料的有效排液，是提高相变热沉瞬态吸热能力亟需解决的关键问题。

技术实现思路

1、针对现有相变热沉中固态相变材料难以持续贴近热输入壁、熔融相变材料易滞留导致液膜增厚、界面热阻升高及外部加载结构复杂的问题，本发明提供一种热驱动高效相变热沉、热缓冲系统及热缓冲方法，其核心构思在于：在密封相变热沉内部构建由热输入自身驱动的热致动器阵列，并使该热致动器阵列直接参与相变材料的接触熔化过程；所述热致动器并非设置于热沉外部的附属加载部件，而是与相变热沉内部热输入过程一体化耦合的自驱动施力结构；当热输入壁面接收热源热量时，热致动器能够同步响应热输入并产生定向形变，将热输入过程中的部分热能转化为对固态相变材料的机械挤压力，从而主动推动固态相变材料靠近热输入壁面；由此，在不额外设置电机、气缸、液压机构等外部驱动装置的情况下，便能实现对接触熔化过程的自适应强化。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

3、一种热驱动高效相变热沉，包括：密封壳体；固液相变材料，设置于所述密封壳体内；热输入壁面，用于接收待冷却部件热量；热致动器阵列，设置于所述密封壳体内并与所述热输入壁面热耦合，且所述热致动器阵列沿所述密封壳体的周向间隔布置；以及排液换热结构，设置于所述热输入壁面朝向所述固液相变材料一侧；

4、其中，所述热致动器阵列中的每一热致动器均包括与所述热输入壁面热耦合的密闭柔性腔体，以及朝向所述固液相变材料设置的施力端；所述密闭柔性腔体被配置为受热时产生定向形变，以通过所述施力端对所述固液相变材料施加朝向换热界面的挤压力，使换热界面处的熔融相变材料向排液换热结构迁移；所述排液换热结构位于所述热致动器阵列的包围区域内，用于使换热界面处的熔融相变材料迁移并导离所述换热界面。

5、进一步，所述热致动器还包括容置于所述密闭柔性腔体内的气液相变工质，设置于所述密闭柔性腔体内壁的毛细输运结构；当所述热输入壁面接收热量时，所述气液相变工质受热蒸发并使所述密闭柔性腔体产生定向形变；毛细输运结构用于实现气液相变工质的循环输运。

6、进一步，所述排液换热结构包括多个尖顶翅片，相邻尖顶翅片之间形成用于输运熔融相变材料的周期性排液沟槽；换热界面处的熔融相变材料沿所述周期性排液沟槽迁移。

7、进一步，所述密闭柔性腔体具有变形能力不同的第一侧壁和第二侧壁；由于两侧壁的等效刚度和变形响应不同，当腔内压力升高时，密闭柔性腔体能够沿预定方向发生弯曲或偏转，使热致动器的施力端稳定压向固态相变材料。通过该非对称柔性变形结构，热致动器能够将热输入过程与机械施压过程直接耦合，使相变材料在受热熔化过程中持续受到朝向换热界面的作用力。

8、进一步，所述多个尖顶翅片沿所述热输入壁面的径向呈放射状分布，和/或沿所述热输入壁面的周向呈周期性分布；所述周期性排液沟槽由热输入壁面中心区域向外周区域延伸，用以将换热界面处因接触熔化产生的液态相变材料向外周区域、集液区域或低阻流动区域迁移，防止液态相变材料在换热界面处滞留。

9、进一步，所述尖顶翅片的横截面为三角形、梯形、弧形尖顶结构或其组合；所述尖顶翅片的顶部朝向固态相变材料，在热致动器的挤压作用下与固态相变材料形成局部接触或近接触换热区域；所述尖顶翅片的两侧壁作为导流面，将液态相变材料导入相邻周期性排液沟槽内。通过该结构，热输入壁面附近的熔融相变材料不易长时间滞留，换热界面处的液膜厚度得以减小。

10、作为优选，所述周期性排液沟槽的内壁设置有亲液涂层或亲液微结构，以提高液态相变材料沿沟槽方向迁移的能力；所述尖顶翅片的顶部或非排液区域设置有疏液涂层，以减少液态相变材料在换热界面的滞留；通过亲液排液沟槽与尖顶翅片疏液表面的协同配合，进一步降低换热界面处的熔融液膜厚度。

11、进一步，所述固液相变材料为石蜡类相变材料、脂肪酸类相变材料、盐水合物类相变材料、低熔点金属或合金类相变材料、复合相变材料中的至少一种；其中，所述石蜡类相变材料的相变温度为30℃至80℃。

12、作为优选，当所述固液相变材料选用石蜡类相变材料时，所述周期性排液沟槽的沟槽深度为0.8mm至4.0mm，相邻尖顶翅片之间的周期距离为1.5mm至6.0mm，排液沟槽底部宽度为0.4mm至2.0mm，尖顶翅片高度为0.8mm至4.0mm，尖顶夹角为50°至70°，尖顶圆角半径为0.05mm至0.30mm。

13、作为优选，对于圆形热输入壁面，所述周期性排液沟槽数量为24条至90条，至少部分所述周期性排液沟槽与集液通道连通，所述集液通道为环形通道、径向通道、周向通道或其组合。

14、进一步，所述热沉的尺寸根据热源的热输入面积、瞬态热载荷、工作时间以及允许温升进行确定，并以热输入壁面的等效直径作为热沉各部件尺寸比例缩放的统一基准；所述等效直径按以下方式确定：

15、对于圆形热输入壁面，其等效直径以热输入壁面的实际直径表示；对于矩形或非圆形热输入壁面，将其有效接触面积按面积等效原则折算为等效直径，表示为：，其中为热源与热沉之间的有效热接触面积，为等效直径。

16、作为优选，单个热沉模块的热输入壁面等效直径为30mm至180mm，密封壳体的总高度为8mm至70mm；当热源的几何尺寸超出单个热沉模块的最大覆盖范围时，采用多个热沉模块并联或阵列化拼接方式扩展。

17、作为优选，所述热致动器阵列的尺寸随所述等效直径按比例匹配；热致动器数量为6个至12个；每个热致动器的长度为热输入壁面等效直径的0.25倍至0.40倍，宽度为热输入壁面等效直径的0.06倍至0.10倍，密闭柔性腔体厚度为0.4mm至3.0mm，有效压入行程为0.5mm至6.0mm，所述有效压入行程是指热致动器受热形变后施力端朝向固液相变材料推进的位移距离；该行程范围确保热致动器在受热形变后能够对固态相变材料施加朝向热输入壁面的挤压力，并补偿固态相变材料在熔化过程中因液态相变材料排出而产生的界面间隙变化。

18、作为优选，所述密闭柔性腔体的第一侧壁为光滑侧壁，第二侧壁为具有周期性褶皱的褶皱侧壁，所述褶皱侧壁在腔内压力作用下的变形量大于所述光滑侧壁的变形量，使所述热致动器向所述光滑侧壁所在方向弯曲。

19、作为优选，所述毛细输运结构包括设置于所述密闭柔性腔体内壁上的微槽道网络，所述微槽道网络具有主干槽道和与所述主干槽道连通的分支槽道，以形成仿叶脉式毛细输运路径。

20、作为优选，所述密闭柔性腔体的下部形成工质储液区，所述毛细输运结构用于实现液态气液相变工质在所述工质储液区与所述密闭柔性腔体内壁上的蒸发区域间的循环输运。

21、作为优选，所述密封壳体包括底板、周向侧壁和可拆卸密封盖板，所述底板构成所述热输入壁面，所述底板与所述周向侧壁一体成型或密封连接，所述可拆卸密封盖板通过密封件与所述周向侧壁密封连接。

22、作为优选，所述气液相变工质为与所述密闭柔性腔体材料相容的低沸点液体，所述低沸点液体的沸点为20 ℃至60℃；所述密闭柔性腔体由弹性体材料、弹性体复合材料或具有柔性变形能力的薄壁材料制成。

23、本发明还保护一种热缓冲系统，包括：热源、终端散热装置以及所述的热驱动高效相变热沉，所述热驱动高效相变热沉设置于所述热源与所述终端散热装置之间，用于在所述热源产生瞬态热载荷时吸收并暂存热量，并在所述热源热载荷降低后向所述终端散热装置释放所储存的热量。

24、进一步，所述热源为高功率电子器件、激光器、雷达发射组件、脉冲功率设备、电池系统或移动平台上的瞬态高热流密度部件。

25、本发明还保护一种热缓冲方法，利用所述的热缓冲系统来实现，包括以下步骤：

26、热源产生的热量首先传递至热输入壁面；热输入壁面同时将热量传递至密封壳体内的固液相变材料和热致动器阵列；

27、随着热量持续输入，热输入壁面附近的固液相变材料发生接触熔化，在换热界面处形成熔融液态相变材料；同时，热致动器阵列中的各热致动器接收经热输入壁面传递的热量，使密闭柔性腔体内的气液相变工质受热蒸发，腔体内部压力逐渐升高，进而驱动所述热致动器产生定向形变；

28、产生定向形变的热致动器通过其施力端对所述固液相变材料施加朝向换热界面的持续挤压力，使固态相变材料在熔化过程中始终与热输入壁面保持紧密接触；

29、在热致动器持续施压的作用下，使尖顶翅片顶部与固态相变材料间形成局部薄液膜接触，并使熔融液态相变材料在挤压力驱动下沿周期性排液沟槽向外周集液通道迁移，以减小热输入壁面与固态相变材料之间的熔融液膜厚度，降低界面传热热阻；

30、当热源的热载荷降低或停止后，热输入壁面温度下降，使热致动器内部气液相变工质冷凝、腔内压力降低，热致动器恢复至初始形变状态；固态相变材料在外部散热条件下重新凝固，所储存的热量经终端散热装置释放至外部环境，从而完成一个完整的热缓冲循环。

31、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

32、第一，本发明采用热致动器阵列作为自驱动施压源，无需外设电机、气缸、液压或弹簧加载机构，仅依靠热源自身热量即可实现自驱动接触熔化，有效降低了系统结构复杂度、附加质量和驱动能耗；同时，热致动器采用光滑侧壁与褶皱侧壁的非对称柔性结构，利用两侧壁等效刚度差异产生预定方向弯曲，在不同安装姿态下均能提供持续接触力，显著提升空间受限及密封环境中的适用性；

33、第二，本发明在热输入壁面处设置周期性尖顶翅片排液结构，兼具局部强化导热、薄液膜维持与液态相变材料导排三重功能，有效减少熔融材料在热输入区的滞留；配合热致动器的持续施压，两者协同作用使固态相变材料与热输入壁面保持高效接触熔化状态，降低界面传热热阻，显著提升相变热沉在短时高热流输入下的吸热功率密度；

34、第三，本发明针对高功率电子器件、激光器、雷达发射组件、脉冲功率设备及电池系统等典型瞬态高热流密度场景，给出了热沉模块规格、热致动器尺寸及排液沟槽尺寸范围，使所述热驱动高效相变热沉能够根据不同热源尺度进行模块化设计与灵活扩展，具有良好的工程实施适配性和产业化应用基础。