CN102157468A - 一种大功率环路热管散热器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明是有关于一种大功率环路热管散热器及其制作方法。该散热器包括蒸发器、冷凝器以及连接蒸发器、冷凝器的一根以上蒸汽管路和液体管路，其中：液体管路还与抽真空及工质灌装管路连通；蒸发器为平板蒸发器，内部固定有多孔材料，多孔材料内形成多条相通的蒸汽排泄通道。该散热器的制作方法包括：制备多孔材料；冲压平板蒸发器的上盖和底板；把多孔材料置于上盖和底板之间，并将上盖和底板固定连接；焊接连通；清洗、抽真空、灌装工质、密封。本发明能够很好地满足大功率电力电子器件的散热以及安装使用要求，达到和电力电子器件充分、有效接触的目的，特殊的蒸发器结构更节省空间，更利于强化换热，从而可最大程度地降低了散热热阻。

Description

一种大功率环路热管散热器及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种电力电子产品领域的散热装置，特别是涉及一种大功率环路热管散热器及其制作方法。

背景技术

电力电子技术在交直流电机、交通运输、电力系统以及电源系统中起着重要作用。目前，电力电子控制技术已经发展到以IGBT和功率集成器件为主要技术手段的阶段。IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，即绝缘栅双极型晶体管，是由双极型三极管和绝缘栅型场效应管组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有高输入阻抗和低导通压降两方面的优点。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

IGBT功率模块采用集成电路驱动，由各种驱动保护电路、高性能IGBT芯片、新型封装技术组成，从复合功率模块发展到智能功率模块。智能功率模块向高压大电流发展。IGBT同时也是一种大功率电子元件，发热量可达数千瓦，而电子元件特有的性质又要求IGBT在正常使用时温度不能超过某一界限(例如IGBT壳温不超过80℃)，而环境使用范围为5-35℃，因此IGBT的散热问题是电力电子设备中非常重要的一环。

大功率IGBT功率模块的冷却是电力电子设备中非常重要的一个技术环节。目前市场上针对大功率电力电子器件散热常用的方法包括以下几种：(1)风扇+散热器；(2)风扇+热管+散热器；(3)风扇+液冷技术。他们在一定程度上可以解决大功率器件的散热问题，但是存在如下缺点：(1)风扇+散热器，为了增强散热装置的散热能力，只有通过增大散热翅片的面积以及提高风扇转速，导致的结果是噪音大，散热装置大而且厚重，不利于安装以及对电子器件会产生很大的压力；(2)风扇+热管+散热器，可以解决方法1中的缺点，但是其本身会增加机构复杂度，热管的设计以及安装常常受到实际结构的限制，并且在有限根热管作用下，其散热能力还是有限的；3)液冷技术，在性能上超越以上两种方式，并且液冷散热技术的潜力是非常高的，但是液冷技术存在机构极其复杂、长期运行中易氧化、需增设驱动液体工质循环的泵以及目前尚无能够完全保证管道连接不泄漏等缺陷，都将影响到液冷散热装置的实际使用寿命，还有，液冷散热装置的造价最高，同样散热能力下造价是普通热管散热器的3倍以上。

环路热管技术发明于1974年，目前广范应用于航空航天领域，近5年来环路热管技术逐渐进入电子芯片散热领域但是大规模商业应用还没有到来，不过可以预见，当全面提升了环路热管的性能(热性能和可靠性)以及有效地降低其加工成本以后，环路热管将在电子设备散热领域将大展身手。环路热管是集合了热管以及液冷散热技术的优点同时抛弃了各自的缺点的一种散热方式，散热潜力同液冷技术一样，环路热管散热器还具有以下优点：(1)性能受重力影响小于普通热管；(2)结构形状可以多样化，满足不同使用需求；(3)可以远距离传递热量，等等。由于环路热管制造工艺和普通热管类似，因此其可靠性和使用寿命和普通热管一样，可以广泛使用在一些要求比较苛刻的环境中。

一款环路热管散热器主要包括带有毛细结构的蒸发器，供工作介质循环的蒸汽管道和液体管道，以及把热量释放到环境的冷凝器。工作时，蒸发器底面接收从发热器件传递过来的热量，工作介质在毛细结构内部蒸发，蒸汽离开蒸发器，通过弯曲的蒸汽管道流到带有翅片的冷凝器，蒸汽在冷凝器通过，把热量释放到流过冷凝器的环境介质中(例如空气)，蒸汽经自然冷却或风扇强制冷却后转变为液体，液体在毛细力的作用下经由液体管道返回蒸发器，完成一次热力学循环，据此循环往复，持续不断地把热量从发热器件释放到周围空气中。

目前已经公开的环路热管技术，其蒸发器结构要么不利于与带有大功率器件的电路板的安装(例如，对于圆筒形结构蒸发器，必须引入一个连接件，才能保证与IGBT电路板可靠贴合，这样造成散热器热阻升高、性能下降)；要么是其蒸发器内壳结构复杂，制造加工难度大、成本高，并且由此产生产品质量不可靠性等问题。另外，目前所有的已经公开的环路热管结构，很少看到带有多条液体管路以及蒸汽管路，而多条连接管路有利于提高环路热管散热器的可靠性。最后，由于针对大功率IGBT功率模组的散热，在大约几十平方厘米的面积上产生几千瓦的热量，热流密度很高，而现有的环路热管散热结构还没有能够深入挖掘此类技术的散热潜能。

由此可见，上述现有的大功率电力电子器件散热装置在结构与使用上，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。如何能创设一种可将先进的环路热管散热技术应用在大功率IGBT功率模块上，提高散热效率，节省安装空间，并且具有高可靠性的新的大功率环路热管散热器及其制作方法，实属当前本领域的重要研发课题之一。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种大功率环路热管散热器，使其可将先进的环路热管散热技术应用在大功率IGBT功率模块上，且散热效率更高，安装空间更小，制作方法能够最大化提高产品环路热管产品质量的可靠性，能够充分开拓环路热管的散热潜能，从而克服现有的大功率电力电子器件散热装置的不足。

为解决上述技术问题，本发明一种大功率环路热管散热器，包括蒸发器、冷凝器以及连接蒸发器、冷凝器的一根以上蒸汽管路和液体管路，其中：液体管路还与抽真空及工质灌装管路连通；所述的蒸发器为平板蒸发器，内部固定有多孔材料，多孔材料内形成多条相互连通的蒸汽排泄通道。

作为本发明的一种改进，所述的平板蒸发器包括底板和上盖，多孔材料固定在底板和上盖之间；上盖两侧分别设有蒸汽管路接口和液体管路接口，蒸汽管路接口和液体管路接口分别通过蒸汽管路、液体管路与冷凝器连通。

所述的上盖与多孔材料之间形成有补偿腔和蒸汽收集腔，补偿腔位于液体管路接口一侧，蒸汽收集腔位于蒸汽管路接口一侧、并与补偿腔相隔离。

所述的蒸汽排泄通道近蒸汽管路接口一端开放，近液体管路接口一端为盲端。

所述的上盖设有凹陷，凹陷一侧为补偿腔，另一侧为蒸汽收集腔；底板上表面设有凸台，下表面在凸台对应处设有盲端螺孔；多孔材料在与凸台对应位置处设有凹陷。

所述的多孔材料为金属材质或陶瓷材质，所述的上盖和底板为铜质、铝质或者钢质。

所述的上盖与底板焊接固定，平板蒸发器、冷凝器与蒸汽管路、液体管路焊接连通，抽真空及工质罐装管路通过三通与液体管路焊接连通。

本发明还提供一种大功率环路热管散热器的制作方法，使其制程简单可靠，成本较低，从而更加适于实用。

为解决上述技术问题，本发明一种上述大功率环路热管散热器的制作方法，包括以下步骤：制备多孔材料，将高导热金属粉末或陶瓷粉末填充到多孔模具中，并烧结成型；冲压平板蒸发器的上盖和底板；把多孔材料置于上盖和底板之间，并将上盖和底板固定连接；将平板蒸发器、蒸汽管路、冷凝器、液体管路、抽真空及工质灌装管路焊接连通；清洗、抽真空、灌装工质、密封。

作为本发明的一种改进，所述的模具为钢、石墨或高温陶瓷材质。

所述的上盖和底板均为金属材质，上盖通过冷冲压、热冲压或压铸并配以后续机加工成型，底板通过机加工、冲压或铸造加上后续机加工成型，上盖与底板焊接固定。

采用这样的设计后，本发明至少具有以下优点：

1、可以尽可能地增大环路热管散热功率，本发明蒸发器内部包含多孔材料，该多孔材料中，设有复杂的蒸汽排泄通道，该通道为互相相连通的多组通道，其功能是提供尽可能多的蒸发面以及液体蒸发所产生的蒸汽出口，以达到进一步强化蒸发换热的目的；

2、本发明的制造工艺更加简单可靠，成本更低，蒸发器上盖和蒸发器底板可以通过冷冲压或者热冲压加工工艺一次成型，蒸发器、冷凝器、灌装用接口以及液体管路和蒸汽管路皆可通过焊接同时完成，尽可能地节省了加工时间和成本；

3、本发明能够解决多热源散热问题，本发明中的蒸发器底板与热源(例如IGBT功率模组)接触的一面，设有螺钉孔，另外一面设有凸台，而烧结多孔材料所用模具时考虑了避让凸台，这样可以实现环路热管散热器与热源的结合安装问题，同时可以利用一组环路热管散热器为多热源提供散热；

4、本发明提出的多条蒸汽管路和液体管路，可以在不增加蒸发器的高度条件下，增大蒸汽和液体流动面积，降低流动阻力，进而降低环路热管热阻，同时提高环路热管运行可靠性。

综上所述，本发明能够很好地满足大功率电力电子器件的散热以及安装使用要求，达到和电力电子器件充分、有效接触的目的，特殊的蒸发器结构更节省空间，更利于强化换热，从而可最大程度地降低了散热热阻，并增加环路热管产品制造以及运行可靠性。

附图说明

上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明大功率环路热管散热器的结构示意图。

图2是本发明大功率环路热管散热器的分解结构示意图。

图3是本发明大功率环路热管散热器的平板蒸发器分解结构示意图。

图4是本发明大功率环路热管散热器平板蒸发器的上盖剖面示意图。

图5是本发明大功率环路热管散热器平板蒸发器的多孔材料仰视图。

图6是本发明带有多条蒸汽管路以及液体管路的大功率环路热管散热器的结构示意图。

图7是本发明大功率环路热管散热器应用于IGBT器件冷却的示意图。

图8是图7的仰视示意图。

具体实施方式

请参阅图1、图2所示，本发明一种大功率环路热管散热器，主要包括蒸发器1、冷凝器2以及连接蒸发器1、冷凝器2的一条以上蒸汽管路3和液体管路4，液体管路4还与抽真空及工质灌装管路5连通。

其中，请配合参阅图3所示，蒸发器1为平板蒸发器，外形可为一近长方体或正方体形，包括固定连接的底板11和上盖12，以及固定在底板11和上盖12之间的多孔材料13。

底板11为铜质、铝质或钢质，上表面设有凸台111，下表面在凸台111对应处设有盲端螺孔112。凸台111的作用是满足另一侧盲端螺孔112的加工空间，盲端螺孔112的作用是将本发明环路热管散热器与外部设备的热源，例如布置有IGBT功率模组的集成电路板，通过螺钉安装固定。

请配合参阅图4所示，上盖12为铜质、铝质或钢质，中部设有凹陷121，两侧分别设有蒸汽管路接口122和液体管路接口123。上盖12与多孔材料13之间具有一定的空间，凹陷121将该空间分隔为两部分，凹陷121与液体管路接口123之间的空间为补偿腔124，凹陷121与蒸汽管路接口122之间的空间为蒸汽收集腔125，从而实现工作介质在平板蒸发器1内部单向流动的目的。

请配合参阅图5所示，多孔材料13由铜、铝、镍、钢或合金等金属或者陶瓷粉末烧结成型，具有多条复杂的内部互相连通的蒸汽排泄通道131，并在设有蒸汽排泄通道131的侧面上布置有避让凸台111的不烧结的空间132(例如为一凹陷)，以配合底板12的形状，满足蒸发器的整体组合安装需要。蒸汽排泄通道131的截面形状可以为图所示的拱形，也可以为矩形或着其它形状，可以是平行排列(parallel)，也可以交错排列(staggered)，这些蒸汽排泄通道131相互连通，提供尽可能多的蒸发面以及液体蒸发所产生的蒸汽出口，以达到进一步强化蒸发换热的目的。此外，蒸汽排泄通道131在近蒸汽管路接口122一端开放，近液体管路123接口一端为盲端133，与补偿腔124和蒸汽收集腔125的共同作用下，可以保证蒸汽排泄的方向为朝向蒸汽收集腔125的单向流动。

冷凝器2可根据需要选用，其外形结构以及制备方法同普通空调用冷凝器的结构以及制作方法相同，也可采用中国专利ZL200820123487.2中所公开的冷凝器。

蒸汽管路3为普通金属管材，该金属管材内壁可以是光滑壁面，也可以是带有不同内结构的壁面，例如直沟槽或者螺旋沟槽结构等。一端与冷凝器2的一侧焊接连通，另一端与平板蒸发器的蒸汽管路接口122焊接连通。

液体管路4为普通金属管材，该金属管材内壁可以是光滑壁面，也可以是带有不同内结构的壁面，例如直沟槽或者螺旋沟槽结构等。一端与冷凝器2的另一侧焊接连通，另一端与平板蒸发器的液体管路接口123焊接连通。

抽真空及工质罐装管路5为普通金属管材，通过金属三通件51与液体管路焊接连通。

上述大功率环路热管散热器的制作方法主包括以下步骤。

步骤一，制备多孔材料，原料为金属粉末或者是陶瓷粉末等无机材料，制备工艺为烧结成型。在烧结多孔材料的过程中，需要特殊的模具和治具用来形成蒸汽排泄通道131以及不烧结空间132。模具的材料为钢、石墨或者高温陶瓷，模具的内腔结构同多孔材料的外部几何结构相同，配合同蒸汽排泄通道截面形状一致的模具使用，用来形成带有所需蒸汽排泄通道的多孔材料。把整个填充有烧结粉末的摸具放到烧结炉中烧结，之后移走模具，就可以得到所需的多孔材料。

步骤二，冲压平板蒸发器的上盖和底板。其中，上盖可通过冷冲压、热冲压或压铸并配以后续机加工成型，例如在两端面通过钻孔加工出液体管路接口和蒸汽管路接口。底板通过机加工、冲压或铸造加上后续机加工成型，底板上的凸台也可以单独制备，之后通过焊接方式与底板相结合。

步骤三，把多孔材料置于上盖和底板之间，并将上盖和底板固定连接，完成蒸发器的加工。具体来说，可以先把多孔材料和底板放入真空炉或者还原气氛保护炉，通过治具夹紧并加热到一定温度，使多孔材料和底板结合在一起(即利用真空钎焊或者二次烧结的方法)，然后把蒸发器的上盖和带有多孔材料的底板相结合，完成蒸发器的加工。当上盖和底板为金属时，可以通过通用焊接方式(包括软焊接soldering，硬焊接brazing，或者扩散焊接diffusion Bonding等方式)完成连接。

步骤四，将加工好的平板蒸发器同蒸汽管路、冷凝器、液体管路、抽真空及工质灌装管路焊接连通。

步骤五，按照标准热管生产工艺，进行后续的清洗、抽真空、灌装工作介质以及密封操作，带有平板蒸发器的环路热管即制作完成。

本发明在工作时，蒸发器1底面接收从发热器件(例如多组IGBT功率模组)传递过来的热量，工作介质在蒸发器内部蒸发，蒸汽离开蒸发器1，通过弯曲的蒸汽管路3流到带有翅片的冷凝器2，蒸汽在冷凝器2通过，把热量释放到流过冷凝器2的环境介质中(例如空气)，蒸汽经自然冷却或风扇强制冷却后转变为液体，液体在毛细力(由蒸发器的多孔材料提供此作用力)的作用下经由液体管路4返回蒸发器1，完成一次热力学循环，据此循环往复，持续不断地把热量从发热器件释放到周围空气中。

为了进一步提高该环路热管的性能，本发明提出了如图6所示的带有多条蒸汽管路3及液体管路4的环路热管结构，其优点是在不增加蒸发器1高度情况下，提供蒸汽以及液体更大的流动截面，降低流动阻力，进而降低环路热管热阻，并且由于多条回路的形成可以增加环路热管运行的可靠性。该结构不限于蒸汽管路以及液体管路的数目，可以是一条，或者大于两条等。

请配合参阅图7、图8所示，将本发明应用在IGBT功率模块和功率集成器件散热上时，蒸发器1吸收来自布置在集成电路板6上的IGBT功率模组61或者晶体管整流器件62所产生的热量，液体在蒸发器1内部受热蒸发，然后进入蒸汽管路3，通过蒸汽管路3再进入冷凝器2，冷凝器2向冷空气环境释放热量，内部蒸汽变成液体，然后回到液体管路4，并在重力作用下返回蒸发器1，循环往复从而实现连续散热的目的。

本发明适用于电力电子产品领域的散热，同时本发明也可以适用于计算机芯片散热，发光二极管照明设备(LED)，无线通讯或者有线通讯行业的高能电子芯片或者光电芯片或者射频器件的冷却，同时本发明可以适用到军用雷达，激光设备，医疗器械或者航空航天设备内部高能发热部件的冷却。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种大功率环路热管散热器，其特征在于包括蒸发器、冷凝器以及连接蒸发器、冷凝器的一根以上蒸汽管路和液体管路，其中：

液体管路还与抽真空及工质灌装管路连通；

所述的蒸发器为平板蒸发器，内部固定有多孔材料，多孔材料内形成多条相互连通的蒸汽排泄通道。

2.根据权利要求1所述的一种大功率环路热管散热器，其特征在于所述的平板蒸发器包括底板和上盖，多孔材料固定在底板和上盖之间；

上盖两侧分别设有蒸汽管路接口和液体管路接口，蒸汽管路接口和液体管路接口分别通过蒸汽管路、液体管路与冷凝器连通。

3.根据权利要求2所述的一种大功率环路热管散热器，其特征在于所述的上盖与多孔材料之间形成有补偿腔和蒸汽收集腔，补偿腔位于液体管路接口一侧，蒸汽收集腔位于蒸汽管路接口一侧、并与补偿腔相隔离。

4.根据权利要求2所述的一种大功率环路热管散热器，其特征在于所述的蒸汽排泄通道近蒸汽管路接口一端开放，近液体管路接口一端为盲端。

5.根据权利要求2所述的一种大功率环路热管散热器，其特征在于所述的上盖设有凹陷，凹陷一侧为补偿腔，另一侧为蒸汽收集腔；底板上表面设有凸台，下表面在凸台对应处设有盲端螺孔；多孔材料在与凸台对应位置处设有凹陷。

6.根据权利要求1所述的一种大功率环路热管散热器，其特征在于所述的多孔材料为金属材质或陶瓷材质，所述的上盖和底板为铜质、铝质或钢质。

7.根据权利要求1所述的一种大功率环路热管散热器，其特征在于所述的上盖与底板焊接固定，平板蒸发器、冷凝器与蒸汽管路、液体管路焊接连通，抽真空及工质罐装管路通过三通与液体管路焊接连通。

8.一种权利要求1-7中任一项所述的大功率环路热管散热器的制作方法，其特征在于包括以下步骤：

制备多孔材料，将高导热金属粉末或陶瓷粉末填充到多孔模具中，并烧结成型；

冲压平板蒸发器的上盖和底板；

把多孔材料置于上盖和底板之间，并将上盖和底板固定连接；

将平板蒸发器、蒸汽管路、冷凝器、液体管路、抽真空及工质灌装管路焊接连通；

清洗、抽真空、灌装工质、密封。

9.根据权利要求8所述的一种大功率环路热管散热器的制作方法，其特征在于所述的模具为钢、石墨或高温陶瓷材质。

10.根据权利要求8所述的一种大功率环路热管散热器的制作方法，其特征在于所述的上盖和底板均为金属材质，上盖通过冷冲压、热冲压或压铸并配以后续机加工成型，底板通过机加工、冲压或铸造加上后续机加工成型，上盖与底板焊接固定。

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