CN100557369C - 热管散热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热管散热器，包括蒸发段和冷凝段，所述蒸发段分为上部储液区、中部蒸发区以及下部气态工质释放通道，所述储液区、蒸发区和气态工质释放通道通过毛细吸液芯连接；与蒸发段相连的所述冷凝段内连接有分隔体，所述分隔体将该冷凝段分为内框下通道和内框上通道，所述内框上通道与所述上部储液区连通，所述内框下通道与所述下部气态工质释放通道连通。本发明的热管散热器解决了板式整体结构的垂直蒸发面靠毛细吸液芯克服重力将液态工质吸上蒸发面的速度，不能满足较大散热功率的要求，通过扩大板式整体结构的应用范围，满足了大功率半导体元件的散热需求。

Description

热管散热器

技术领域

本发明涉及电气技术领域，具体的特别涉及一种热管散热器。

背景技术

大功率整流装置中使用半导体元件作开关时，为了减少单个桥臂元件并联的数量，均趋向于使用大半导体元件，如电力机车用整流装置由原来的一个桥臂用六个两英寸晶闸管串、并联，到现在的一个桥臂只用一个五英寸晶闸管，该单个半导体元件的发热功耗达数千瓦。因此，要求配套的散热器在有限的空间里具有更高的散热能力。目前一般使用的热管散热器由圆形热管、散热翅片和基板(固定发热元件)组成，由于热管与散热翅片及基板的连接是一种装配结构，因此热管与基板、热管与散热翅片之间会产生接触热阻，在散热器的热阻要求较小的应用场合，接触热阻的影响较大，受工艺影响也较大，散热效率受到限制；此外，通过多根圆形热管的排列来实现较大热功率的传输时，有热管排列的地方温升小，而两根热管之间的位置温升大，导致基板的温度不均匀，而这种温度的不均匀会随功率增大而变大，容易对半导体元件产生不利的影响。

采用板式整体结构的热管散热器能够解决上述一般热管散热器的不足，现有板式结构热管散热器的侧视图如图1所示，该热管散热器包括蒸发区101、冷凝区102、以及冷凝区的散热翅片103，图1中的蒸发区部分的圆形区域为半导体发热元件所在的区域。蒸发区101为平板式内框，在该内框的底端充有液态工质，该蒸发区101的内表面上有毛细吸液芯，这些毛细吸液芯将液态工质往上吸，从而使液态工质分布在垂直的表面上。当外部的发热元件放热时，毛细吸液芯吸附的液态工质吸热后相变成为气态工质，这些气态工质从冷凝区入口104进入冷凝区102。冷凝区102也为平板式内框，该内框的外侧分布有平行等间隔的散热翅片103，从冷凝区入口104进入的气态工质在冷凝区102的内框内经散热翅片103冷却后成为液态工质，这些液态工质又从冷凝区入口104流回蒸发区101的内框底部，然后循环整个相变过程。由于散热翅片103、半导体发热元件放置的台面与内框之间连为一体，因此它们之间不存在接触热阻，气态工质的快速流动使得蒸发区101和冷凝区102之间的温差较小，起到均温的作用，并且由于冷凝区102的每一片散热翅片103的根部温度都一致且接近蒸发区101的温度，因此提高了散热效率。

由上述对现有热管散热器的描述可知，现有热管散热器通过毛细吸液芯将蒸发区下部的液态工质吸到整个蒸发面，虽然可以实现高效的相变换热，但是由于毛细吸液芯在向上吸附并传输液态工质时需要克服重力，因此其传输的速率有限，当散热功率加大时，由于传输速率的限制不能及时补充蒸发掉的液态工质，因此现有板式结构的热管散热器仅能满足小功率散热的要求，而无法满足大功率半导体元件的散热需求，从而限制了板式整体结构的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种热管散热器，以克服现有技术中的热管散热器无法满足大功率半导体元件的散热要求，从而限制了现有板式整体结构热管散热器应用的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种热管散热器，包括蒸发段和冷凝段，所述蒸发段分为上部储液区、中部蒸发区以及下部气态工质释放通道，所述储液区、蒸发区和气态工质释放通道通过毛细吸液芯连接；

与蒸发段相连的所述冷凝段内连接有分隔体，所述分隔体将该冷凝段分为内框下通道和内框上通道，所述分隔体的一端与所述冷凝段的内框侧壁相连，所述分隔体的另一端与所述冷凝段的另一内框侧壁之间留有空隙，连通所述内框上通道和内框下通道，所述内框上通道与所述上部储液区连通，所述内框下通道与所述下部气态工质释放通道连通。

所述毛细吸液芯上区环绕所述储液区，在所述毛细吸液芯的上区分布水平通孔，所述毛细吸液芯与蒸发区连接处分布垂直微槽，所述垂直微槽的上端封闭，且该垂直微槽的下端开口与气态工质释放通道连通。

所述蒸发段内充入的液态工质覆盖所述毛细吸液芯与储液区连接处分布的水平通孔。

所述蒸发段和冷凝段的结构为平板式内框。

所述分隔体的另一端有突起，所述突起与该分隔体上表面之间形成凹槽，该上表面向所述蒸发段的上部储液区倾斜。

所述内框下通道为与冷凝段下框体平行的水平通道。

所述内框下通道为向所述蒸发段倾斜的平直通道。

所述内框下通道为锯齿形的通道。

由以上本发明提供的技术方案可见，本发明的热管散热器，包括蒸发段和冷凝段，其中蒸发段分为上部储液区、中部蒸发区以及下部气态工质释放通道，储液区、蒸发区和气态工质释放通道通过毛细吸液芯连接；与蒸发段相连的冷凝段内连接有分隔体，该分隔体将该冷凝段分为内框下通道和内框上通道，内框上通道与上部储液区连通，内框下通道与下部气态工质释放通道连通，由此形成了工质流动的通道，在该热管散热器工作的过程中实现工质的循环。本发明的热管散热器解决了板式整体结构的垂直蒸发面靠毛细吸液芯将液态工质吸过蒸发面的速度，不能满足较大散热功率的要求，通过扩大板式整体结构的应用范围，满足了大功率半导体元件的散热要求。

附图说明

图1为现有热管散热器的侧视图；

图2为本发明热管散热器的第一实施例侧视图；

图3为本发明热管散热器的第一实施例俯视图；

图4为本发明热管散热器的蒸发段剖视图；

图5为本发明热管散热器的第二实施例侧视图；

图6为本发明热管散热器的第三实施例侧视图。

具体实施方式

本发明的核心在于提供一种热管散热器，该热管散热器包括蒸发段和冷凝段，其中蒸发段分为上部储液区、中部蒸发区以及下部气态工质释放通道，储液区、蒸发区和气态工质释放通道通过毛细吸液芯连接；与蒸发段相连的冷凝段内连接有分隔体，该分隔体将该冷凝段分为内框下通道和内框上通道，内框上通道与上部储液区连通，内框下通道与下部气态工质释放通道连通。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，并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。

本发明第一实施例：

本发明板式结构热管散热器的第一实施例侧视图如图2所示，该实施例示出的冷凝段分隔体分出的内框下通道为一水平通道。

该热管散热器包括：蒸发段210和冷凝段220，其中蒸发段210的下部为气态工质释放通道211，中部为蒸发区212，上部为储液区213，储液区213的四周环绕烧结有毛细吸液芯214；冷凝段中部为分隔体222，该分隔体222将冷凝段分隔为内框下通道221以及内框上通道223，冷凝段外部均匀排列散热翅片224，并且冷凝段入口225与气态工质释放通道211连通，冷凝段出口226与储液区213连通。

图2中右侧蒸发段210为平板式内框结构，该平板式内框分成上、中、下三部分，中部的蒸发区212覆盖放热元件，上部的储液区213储存液态工质，蒸发区212和储液区213通过毛细吸液芯214的烧结连接在一起。毛细吸液芯214环绕上部储液区213的上区有水平通孔，这些通孔中充满了液态工质，用于向中部蒸发区212补充液态工质，毛细吸液芯214在中部内框发热面的接触处布满垂直的微槽，这些微槽开口向下，与下部的气态工质释放通道211连通，微槽的上端封闭。

左侧的冷凝段220也为平板式内框结构，该平板式内框中有一与该内框右侧框壁连接的分隔体222，该分隔体222左侧部分与内框左侧框壁之间留有一定的空隙，并且该分隔体222左侧上部有一小块突起，使该分隔体222上表面形成凹槽，该分隔体上表面略向右侧倾斜，使其与水平面之间产生一定的角度。该分隔体222将冷凝段220分隔成内框下通道221和内框上通道223，内框下通道221为与水平方向平行的通道，且该内框下通道221的左侧出口与内框上通道223连通，其中内框下通道221与下部气态工质释放通道211连通，冷凝段220框体连通内框下通道221和气态工质释放通道211的通口即为冷凝段入口225，内框上通道223与上部储液区213连通，冷凝段220框体连通内框上通道223和储液区213的通口即为冷凝段出口226。

蒸发段充液态工质时，要保证液态工质覆盖蒸发段上部的储液区，在热启动时，中部蒸发区的毛细吸液芯微槽内的液态工质吸热相变成为气态工质，这些气态工质在蒸发区内形成饱和蒸汽压。由于毛细吸液芯内的微槽向下部的气态工质释放通道开口，因此饱和蒸汽压会使蒸发区内的气态工质进入气态工质释放通道。由于气态工质释放通道与冷凝段的内框下通道连通，因此气态工质释放通道的气态工质从冷凝段入口进入内框下通道，并且由于内框下通道与内框上通道之间连通，因此气态工质进入内框上通道放热，同时也将通道内的液态工质驱入冷凝段的分隔体凹槽内，气态工质放热冷却成液态工质也流入分隔体凹槽内，由于分隔体上表面形成的凹槽向右下倾斜，凹槽内的液态工质便沿该斜坡从冷凝段出口流入蒸发段的上部储液区中，然后通过毛细吸液芯上区的水平通孔进入毛细吸液芯中，进一步通过重力和毛细吸液芯的综合作用，最终将上部储液区的液态工质补充到中部蒸发区的毛细吸液芯的微槽内，实现了工质的循环流动。

特别的，当气态工质的流动速度超过携带限，即传递的散热功率大时还能将内框下通道的液态工质携带到内框上通道并储存在分隔体的凹槽内，使气态工质的释放通道中没有积留的液态工质，实现整个蒸发段的散热表面处于高效的相变换热。而且，由于液态工质从上部储液区向下传递到中部蒸发区，因此在重力和毛细吸液芯的双重作用下，使得液态工质的传递速度较大，较好的解决了现有技术中从下往上传递液态工质无法满足大功率半导体元件散热需求的问题。

本发明板式结构热管散热器的第一实施例俯视图如图3所示，从图3可以看到该热管散热器的右侧蒸发段210和左侧冷凝段220，以及蒸发段210外侧前部的放热元件接触的台面230。蒸发段210和冷凝段220均为内框式结构，且蒸发段210内框与冷凝段220内框结构之间连通，在冷凝段220内框的外侧均匀分布有散热翅片224，当气态工质进入冷凝段中时通过散热翅片224散热使气态工质冷却成为液态工质，实现蒸发段210与冷凝段220的相变换热循环。

本发明板式结构热管散热器的第一实施例中蒸发段的剖视图如图4所示：该蒸发段的平板式内框结构分为上、中、下三个部分，其中上部储液区213的剖面形状近似圆形，毛细吸液芯214的上区环绕该储液区213，在该毛细吸液芯214的上区分布有水平通孔；中部蒸发区212垂直分布，该蒸发区212的剖面形状为细长的矩形，并通过与毛细吸液芯214上区相连的毛细吸液芯214下区烧结而连结在一起，毛细吸液芯214的下区与内框发热面的接触处布满了垂直的微槽，这些微槽上端封闭且开口向下；下部气态工质释放通道211与这些垂直微槽连通。

本发明第二实施例：

本发明板式结构热管散热器第二实施例的侧视图如图5所示，该实施例示出的冷凝段分隔体分出的内框下通道为向右侧倾斜的平直通道。

该热管散热器包括：蒸发段510和冷凝段520，其中蒸发段510的下部为气态工质释放通道511，中部为蒸发区512，上部为储液区513，蒸发区512、储液区513烧结有毛细吸液芯514；冷凝段中部为分隔体522，该分隔体522将冷凝段分隔为内框下通道521以及内框上通道523，冷凝段外部均匀排列散热翅片524，并且冷凝段入口525与气态工质释放通道511连通，冷凝段出口526与储液区513连通。

图5中右侧蒸发段510为平板式内框结构，该平板式内框分成上、中、下三部分，中部的蒸发区512覆盖放热元件，上部的储液区513储存液态工质，蒸发区512和储液区513通过毛细吸液芯514的烧结连接在一起。毛细吸液芯514环绕上部储液区213的上区有水平通孔，这些通孔中充满了液态工质，用于向中部蒸发区512补充液态工质，毛细吸液芯514在中部内框发热面的接触处布满垂直的微槽，这些微槽开口向下，与下部的气态工质释放通道511连通，微槽的上端封闭。

左侧的冷凝段520也为平板式内框结构，该平板式内框中有一与该内框右侧框壁连体的分隔体522，该分隔体522左侧部分与内框左侧框壁之间留有一定的空隙，并且该分隔体522左侧上部有一小块突起，使该分隔体522上平面形成凹槽，该分隔体上表面略向右侧倾斜，使其与水平面之间产生一定的角度。该分隔体522将冷凝段520分隔成内框下通道521和内框上通道523，内框下通道521为向右侧倾斜的等横截面平直通道，且该内框下通道521的左侧出口与内框上通道523连通，这种下通道的形式与本发明实施例一中的水平下通道相比，工质的流阻更小，便于工质在通道中快速循环流动。该内框下通道521的左侧出口与内框上通道523连通，其中内框下通道521与气态工质释放通道511相连，冷凝段520框体连通内框下通道521和气态工质释放通道511的通口即为冷凝段入口525，内框上通道523与储液区513连通，冷凝段520框体连通内框上通道523和储液区513的通口即为冷凝段出口526。

外部大功率半导体元件开始工作时产生的热量通过蒸发段外侧台面传到蒸发段的平板式内框里，中部蒸发区里下开口的微槽内的液态工质由于吸热相变，相变后迅速产生气态工质，这些气态工质使得中部蒸发区的饱和蒸汽压力增加，迫使气态工质从毛细吸液芯的开口向下的微槽内进入下部的气态工质释放通道；由于气态工质释放通道与冷凝段内框下通道连通，因此气态工质释放通道内的气态工质从冷凝段入口进入内框下通道内，并经由内框下通道的左侧出口进入内框上通道内，同时气态工质在分隔体上部的凹槽内冷凝成液态工质，由于分该隔体的凹槽向右下倾斜，液态工质就沿斜坡从冷凝段出口流入蒸发段的上部储液区中，并且充满了毛细吸液芯上区的水平通孔，进一步通过重力和毛细吸液芯的综合作用，最终将上部储液区的液态工质补充到中部蒸发区的毛细吸液芯的微槽内，实现了工质的循环流动。

进一步的，适当调整内框下通道的横截面积，可以调节气态工质在该内框下通道内的流动速度，将积留在冷凝段底部的液态工质携带入内框上通道中，保证蒸发区完全处于高效的相变换热，而非沸腾换热。当气态工质的流动速度超过携带限，即传递的散热功率大时还能将内框下通道的液态工质携带到内框上通道并储存在分隔体的凹槽内，使气态工质的释放通道中没有积留的液态工质，从而实现整个蒸发段的散热表面处于高效的相变换热。而且，在重力和毛细吸液芯的双重作用下，较好的解决了现有技术中从下往上传递液态工质无法满足大功率半导体元件散热需求的问题。

本发明第三实施例：

本发明板式结构热管散热器的第三实施例的侧视图如图6所示，该实施例示出的冷凝段分隔体分出的内框下通道为锯齿形的通道。

图6中右侧蒸发段610为平板式内框结构，该平板式内框分成上、中、下三部分，中部的蒸发区612覆盖放热元件，上部的储液区613储存液态工质，蒸发区612和储液区613通过毛细吸液芯614的烧结连接在一起。毛细吸液芯614环绕上部储液区613的上区有水平通孔，这些通孔中充满了液态工质，用于向中部蒸发区612补充液态工质，毛细吸液芯614在中部内框发热面的接触处布满垂直的微槽，这些微槽开口向下，与下部的气态工质释放通道611连通，微槽的上端封闭。

左侧的冷凝段620也为平板式内框结构，该平板式内框中有一与该内框右侧框壁连体的分隔体622，该分隔体622左侧部分与内框左侧框壁之间留有一定的空隙，并且该分隔体622左侧上部有一小块突起，使该分隔体622上表面形成凹槽，该分隔体上表面略向右侧倾斜，使其与水平面之间产生角度。该分隔体622将冷凝段620分隔成内框下通道621和内框上通道623，内框下通道621为等横截面的锯齿形通道，且该内框下通道621的左侧出口与内框上通道623连通，这种下通道的形式与本发明实施例一中的水平通道和实施例二中的平直倾斜通道相比，由于在有限的空间内伸长了内框下通道的总体长度，因此能够增加冷凝段的散热效率。该内框下通道621的左侧出口与内框上通道623连通，其中内框下通道621与气态工质释放通道611相连，冷凝段620框体连通内框下通道621和气态工质释放通道611的通口即为冷凝段入口625，内框上通道623与储液区613连通，冷凝段620框体连通内框上通道623和储液区613的通口即为冷凝段出口626。

热管散热器在初始冲入液态工质时，要保证液态工质覆盖上部储液区的通孔。在相变换热的启动过程中，中部蒸发区的毛细吸液芯微槽内的液态工质吸热相变成为气态工质，这些气态工质在蒸发区内形成饱和蒸汽压。由于毛细吸液芯内的微槽向下部的气态工质释放通道开口，因此饱和蒸汽压会使蒸发区内的气态工质进入气态工质释放通道。由于气态工质释放通道与冷凝段的内框下通道连通，因此气态工质释放通道的气态工质从冷凝段入口进入内框下通道，并且由于内框下通道与内框上通道之间连通，因此气态工质进入内框上通道后，在冷凝段的分隔体凹槽内冷却成液态工质，由于分隔体上表面形成的凹槽向右下倾斜，液态工质便沿该斜坡从冷凝段出口流入蒸发段上部储液区中，然后通过毛细吸液芯上区的水平通孔进入毛细吸液芯中，进一步通过重力和毛细吸液芯的综合作用，最终将上部储液区的液态工质补充到中部蒸发区的毛细吸液芯的微槽内，实现了工质的循环流动。

由以上实施例可见，本发明的热管散热器，包括蒸发段和冷凝段，其中蒸发段分为上部储液区、中部蒸发区以及下部气态工质释放通道，储液区、蒸发区和气态工质释放通道通过毛细吸液芯连接；与蒸发段相连的冷凝段内连接有分隔体，该分隔体将该冷凝段分为内框下通道和内框上通道，内框上通道与上部储液区连通，内框下通道与下部气态工质释放通道连通。应用本发明的热管散热器可以解决板式整体结构的垂直蒸发面靠毛细吸液芯将液态工质吸过蒸发面的速度难以满足较大散热功率的要求，通过扩大板式整体结构的应用范围，满足了大功率半导体元件的散热要求。

虽然通过实施例描绘了本发明，本领域普通技术人员知道，本发明有许多变形和变化而不脱离本发明的精神，希望所附的权利要求包括这些变形和变化而不脱离本发明的精神。

Claims (8)

1、一种热管散热器，包括蒸发段和冷凝段，其特征在于，所述蒸发段分为上部储液区、中部蒸发区以及下部气态工质释放通道，所述储液区、蒸发区和气态工质释放通道通过毛细吸液芯连接；

与蒸发段相连的所述冷凝段内连接有分隔体，所述分隔体将该冷凝段分为内框下通道和内框上通道，所述分隔体的一端与所述冷凝段的内框侧壁相连，所述分隔体的另一端与所述冷凝段的另一内框侧壁之间留有空隙，连通所述内框上通道和内框下通道，所述内框上通道与所述上部储液区连通，所述内框下通道与所述下部气态工质释放通道连通。

2、根据权利要求1所述的热管散热器，其特征在于，所述毛细吸液芯上区环绕所述储液区，在所述毛细吸液芯的上区分布水平通孔，所述毛细吸液芯与蒸发区连接处分布垂直微槽，所述垂直微槽的上端封闭，且该垂直微槽的下端开口与气态工质释放通道连通。

3、根据权利要求2所述的热管散热器，其特征在于，所述蒸发段内充入的液态工质覆盖所述毛细吸液芯与储液区连接处分布的水平通孔。

4、根据权利要求1所述的热管散热器，其特征在于，所述蒸发段和冷凝段的结构为平板式内框。

5、根据权利要求1所述的热管散热器，其特征在于，所述分隔体的另一端有突起，所述突起与该分隔体上表面之间形成凹槽，该上表面向所述蒸发段的上部储液区倾斜。

6、根据权利要求1所述的热管散热器，其特征在于，所述内框下通道为与冷凝段下框体平行的水平通道。

7、根据权利要求1所述的热管散热器，其特征在于，所述内框下通道为向所述蒸发段倾斜的平直通道。

8、根据权利要求1所述的热管散热器，其特征在于，所述内框下通道为锯齿形的通道。

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