CN103348422A

CN103348422A - 热管和具有热管的电子部件

Info

Publication number: CN103348422A
Application number: CN2012800072121A
Authority: CN
Inventors: 古田纪文
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-02-03
Filing date: 2012-02-01
Publication date: 2013-10-09
Also published as: JP5553040B2; JP2012163227A; US20130308272A1; EP2671235A1; WO2012104714A1

Abstract

热管（20）包括：层压体（21），该层压体通过层压多个平板而形成，并且具有形成在该层压体的内部的毛细管（30）；和工作流体，该工作流体被容纳在毛细管中，并且可操作用于传热。在热管中，层压体具有由绝缘材料制成的绝缘层（28）和由金属材料制成的金属层（26），该绝缘层（28）和金属层（26）被交替地层压。

Description

热管和具有热管的电子部件

技术领域

本发明涉及一种热管，所述热管包括平板的层压体和被容纳在层压体中的工作流体，并且本发明还涉及包括热管的电子部件。

背景技术

众所周知热管作为冷却装置。如在现有技术中广为人知的，热管具有提供封闭的空间的毛细管，用作工作流体的水或替代地氯氟烃被不透流体地容纳在毛细管中。当热管的一端发热时，容纳在其中的工作流体汽化，使得热作为潜热（汽化热）被引入到热管中。然后，汽化的工作流体移动到热管的另一端处的低温部分，在低温部分处工作流体被冷却，返回到液体状态，且释放热。液化的工作流体由于毛细效应而移动到热发生器（或热源）附近，并且再次从热发生器接收热以被汽化。然后，工作流体以相同的方式重复汽化和液化的循环，以连续地以高效率传热并且冷却热发生器。

热管的一些示例整体地合并到其他电子部件中。例如，日本专利申请公开No.2006-41024（JP-A-2006-41024）公开了一种印刷线路板，在该印刷线路板内放置了由金属制成的并且容纳工作流体的毛细管。在JP-A-2006-41024中描述的毛细管用作所谓的热管。通过如在JP-A-2006-41024中所述由此形成在印刷线路板内的热管，热可有效地从安装在印刷线路板上的电子部件释放到外部。

然而，JP-A-2006-41024的技术开发用于改进与印刷线路板相结合的冷却效率，并且难于将相同的技术应用于其他类型的电子部件。具体地，难于将以上技术应用于诸如电抗器、变压器和马达/发电机的定子的要求具有电感的电子部件的冷却。

日本专利申请公开No.2007-129817和No.2009-212384公开了用于对被要求具有电感的电子部件进行冷却的技术。更具体地，JP-A-2007-129817公开了使用设置在电抗器芯的外周表面上的散热片来冷却电抗器芯的技术。JP-A-2009-212384也公开了使用设置在电抗器芯中部的热管冷却电抗器芯的技术，所述电抗器芯在顶视平面图中观察时具有大致环形的形状。然而，在JP-A-2007-129817和JP-A-2007-129817中描述的冷却装置都布置为从电抗器芯的外表面冷却电抗器芯，且因此受到不良的冷却效率的影响。

发明内容

本发明提供了可更有效地冷却被要求具有电感的电子部件的热管，并且提供了包括热管的电子部件。

本发明的第一方面提供了一种热管，该热管包括：层压体，该层压体通过层压多个平板而形成，并且具有形成在所述层压体的内部的毛细管；和工作流体，所述工作流体被容纳在毛细管中，并且可操作用于传热。在热管中，层压体包括由绝缘材料制成的绝缘层和由金属材料制成的金属层，绝缘层和金属层被交替地层压。

在根据本发明的第一方面的热管中，层压体的平板中的至少一个平板可形成有沟槽或孔，该沟槽或孔提供了毛细管，并且层压体的平板可包括多个金属平板，每个金属平板均具有形成有绝缘膜的表面，所述绝缘膜提供了绝缘层。

本发明的第二方面提供了一种电子部件，其包括以上所述的热管；和被缠绕到热管的外周的线圈。

在该情况中，电子部件可进一步包括芯材料，线圈被缠绕在芯材料上，并且热管可包括发热部分和散热部分，发热部分插在芯材料中并且被布置成接收热，而散热部分从芯材料向外突出并且被布置成将所接收的热释放到外部。将热释放到外部的冷却构件也可被安装在热管的散热部分的外表面上。此外，线圈可以是电抗器线圈，而芯材料可以是电抗器芯。

根据本发明，金属层和绝缘层被交替地层压，并且金属层和绝缘层的层压体大体上与电磁钢片的层压体执行相同的功能。因此，当热管用于冷却芯材料时，电感可保持在高水平。

附图说明

将在下文中参考附图描述本发明的示例性实施例的特点、优点和技术与工业意义，其中相同的附图标号指示相同的元件，其中：

图1是作为本发明的一个实施例的电抗器的示意性透视图；

图2是在图1的实施例的电抗器中使用的热管的示意性透视图；

图3是沿图2中的线A-A截取的示意性横截面视图；和

图4是热管的另一示例的示意性透视图。

具体实施方式

将参考附图描述本发明的一个实施例。图1是作为本发明的一个实施例的电抗器10的示意性透视图。

如在现有技术中已熟知，电抗器10是用作使用线圈绕组的无源元件的电子部件，并且被要求具有电感。电抗器10例如被安装在升压转换器中以用于转换电磁能。该实施例的电抗器10包括：电抗器芯12，该电抗器芯12成形为在顶视平面图中观察时类似于框架的形状；缠绕在电抗器芯12上的电抗器线圈14；和热管20，该热管的一部分插在电抗器芯12中。

电抗器芯12具有成矩形平行六面体形式的两个相对的部分，和将矩形平行六面体的对应的端部相互连接的连接部分，并且每个矩形平行六面体的部分或全部提供了线圈缠绕部分，在所述线圈缠绕部分上缠绕了电抗器线圈14。电抗器芯12通过将多个磁性构件通过缝隙部分（未示出）结合而形成。例如，将软磁粉末的生坯或电磁钢片的层压体用作磁性构件中的每个磁性构件。介于磁性构件之间的间隙部分用于控制电抗器芯12的电感，并且由诸如氧化铝的非磁性材料形成。

电抗器线圈14中的每个线圈由缠绕在框架状的电抗器芯12的线圈缠绕部分中的对应的一个线圈缠绕部分上的绕组线构成。绕组线由导体和覆盖导体的外周的绝缘膜组成。导体可由具有高导电性的金属材料形成，而绝缘膜例如可由珐琅形成。绕组线的横截面形状可从多种形式中选出，例如圆形、椭圆形和多边形。

一般地，在电抗器10中，电抗器芯12根据电磁能量转化而发热。由于在电抗器芯12中产生的热而导致的温度升高带来问题，诸如在使用电抗器10的升压转换器中的电压转换效率的下降。

为解决以上问题，在相关技术中提出在电抗器芯的表面上整体地形成散热片或散热鳍片，或者将热管布置在两个线圈缠绕部分之间。然而，这些技术仅允许从电抗器芯的外表面散热，并且电抗器芯的内部的温度可能上升。

为解决以上问题，该实施例的电抗器10被构造成使得热管20的一部分插在电抗器芯12中，以从电抗器芯12的内部对其进行冷却。

然而，如果广泛使用的已知热管，例如具有容纳工作流体的一个圆形管或多个圆形管的热管，插在电抗器芯12中，则电抗器芯12的其中插入热管的部分的电感值不希望地降低。为补偿电感的降低，电抗器芯12的尺寸需要增加。在该实施例中，插入到电抗器芯12中的热管20被特别地构造成解决以上问题。在下文中，将详细描述热管20。

图2是在该实施例中使用的热管20的示意性透视图。图3是沿图2中的线A-A截取的示意性横截面视图。

该实施例的热管20包括通过将多个金属平板26层压或堆叠而形成的层压体21和工作流体（未示出），该工作流体被不透流体地容纳在形成在层压体21的内部的毛细管30中。如在图2和图3中所示，层压体21具有在一个方向上具有大长度的矩形平行六面体的形式，层压体21的一部分插在电抗器芯12中，而剩余部分从电抗器芯12向外突出。层压体21的插在电抗器芯12中的部分用作发热部分22，所述发热部分从作为热发生器的电抗器芯12接收热。此外，层压体21的从电抗器芯12向外突出的部分用作散热部分24，所述散热部分将从发热部分22传递的热向外部发散。诸如散热器或冷却片的、有效地将热向外部发散的散热构件16安装在散热部分24上。

在纵向方向上（其中发热部分22和散热部分24被连接的方向）延伸的多个毛细管30形成在层压体21的内部。工作流体被不透流体地容纳在毛细管30中。工作流体是将在发热部分22中产生的热传递到散热部分24的液体，水、作为替代的氯氟烃等可用作工作流体。在操作中，工作流体重复蒸发（汽化）和凝结（液化）的循环，使得在发热部分22中产生的热被有效地向外部发散或释放。

即，工作流体作为潜热吸收在层压体21的发热部分22中产生的热，且蒸发（汽）。汽化的工作流体移动到具有相对低的温度的散热部分24或其附近，释放潜热，且凝结（液化）。液化的工作流体例如由于毛细管效应、重力或由于工作流体的沸腾而导致的自激振动而移动到发热部分22或其附近，且再次汽化。然后，工作流体重复蒸发和凝结的循环，以将从发热部分22接收的热通过散热部分24释放到外部，使得在发热部分22中产生的热可被有效地发散或释放。

层压体21是如上所述的金属平板26的堆叠。孔和/或沟槽提前形成在构成层压体21的金属平板26的至少部分中，使得当具有孔和/或沟槽的金属平板26层压或堆叠在一起时在层压体21中形成毛细管30。

金属平板26中的每个金属平板是由金属制成的薄板或片，并且诸如聚酰亚胺膜或陶瓷膜的绝缘膜28形成在金属平板26的表面上。虽然为方便观察在图2和图3中图示的每个金属平板26的厚度与层压体21的尺寸相比相对大，但实际上通过堆叠更大数目的、每个均具有小于图示的厚度的金属平板26来形成层压体21。

该实施例的层压体21通过堆叠金属平板26而形成，在所述金属平板26上形成有绝缘膜28，使得通过绝缘膜28形成的绝缘层和通过金属平板26形成的金属层交替地堆叠，类似于以上所述的电磁钢片的层压体。当由此构造的层压体21插在电抗器芯12中时，可有效地防止涡电流的出现，并且如在电磁钢片的层压体的情况中，电感可保持在高水平。虽然具有高导热性的铜制金属平板在该实施例中用作金属平板26，但作为铜的替代，金属平板26也可由铁磁性材料形成，诸如由铁形成，以提供更高的电感。在任何情况中，绝缘膜28形成在金属平板26中的每个金属平板的表面上，金属平板26层压或堆叠在一起，使得类似于电磁钢片的层压体，电感可保持在高水平。

虽然在该实施例中绝缘层通过形成在金属平板26上的绝缘膜28而形成，但绝缘层可通过作为由绝缘材料制成的薄板的绝缘板形成。即其上不形成绝缘膜的金属平板和绝缘板可相互交替地叠置，以形成层压结构，在该层压结构中绝缘层（绝缘板）和金属层（金属平板）交替地层压。

如下将描述由此构造的电抗器10的运行。当安装有电抗器10的升压转换器等被驱动时电流通过电抗器线圈14时，在电抗器线圈14和电抗器芯12中产生热。在电抗器10中产生的热的一部分从电抗器线圈14和电抗器芯12的外表面传递到外部空间，且被发散。然而，从外表面的散热可能注定是不满意的，并且如果仅从外表面散热则大量的热可能保留在电抗器芯12中。这导致电抗器芯12的温度升高，这带来了问题，例如升压转换器的电压转换效率的降低。具体地，电抗器芯内的热更不可能或不能从其外表面发散，且可能保留在电抗器内部。

然而，在该实施例中，如上所述，热管20插在电抗器芯12中。相应地，保留在电抗器芯12中的热被有效地传递到热管20。即，在电抗器芯12中产生的热通过热管20的发热部分22（层压体21的与电抗器芯12接触的部分）被传递到容纳在毛细管30中的工作流体。工作流体将所传递的热作为潜热吸收并且汽化。汽化的工作流体移动到处于低温散热部分24（层压体21的从电抗器芯12突出的部分）的位置处，且与散热器部分24热交换。通过热交换，工作流体将潜热散发或释放且液化。接收来自工作流体的热的散热部分24通过设置用于散热的散热构件16（诸如冷却片或散热器）将热散发或释放到外部。液化的工作流体又由于例如重力、毛细作用或自激振动的效应而移动到处于发热成部分22的位置处。然后，工作流体以相同的方式重复汽化和液化的循环，以有效地将电抗器芯12的热向外部发散。

在许多现有技术的示例中，电抗器芯仅从外部被冷却但很少从其内部被冷却。然而，在该实施例中，热管20的发热部分22插入到电抗器芯12中，并且如从以上描述中显见的，电抗器芯12从其内部被冷却。作为结果，电抗器芯12可被有效地冷却。相应地，可防止电抗器芯12的温度过度升高，并且可防止安装有电抗器10的各种电子部件（诸如，升压转换器）的效率恶化。

然而，具有铜制圆形管的形式的广泛使用的已知的热管的使用可能导致电抗器的电感降低的问题。即，电抗器芯的横截面积减小了与插在电抗器芯中的热管的体积对应的量，从而导致电感的降低。

另一方面，在该实施例中，使用如下热管20：该热管20具有类似于电磁钢片的如上所述的层压体的、金属层和绝缘层交替层压的层压体21的形式。在该情形中，提供热管20功能的层压体21自身用作电抗器芯12的一部分；因此防止了否则将产生的可能的电感降低。因此，根据该实施例，可有效地冷却电抗器芯12，同时将电感维持在高水平，而不增加电抗器芯12的尺寸。

虽然在图1的实施例中热管20仅插在电抗器芯12的位于电抗器线圈14中的一个电抗器线圈处的一部分中，但另一热管20也可以插在电抗器芯12的位于另一电抗器线圈14处的一部分中。即两个热管20可在两个不同的位置处插在一个电抗器芯12中。

虽然在该实施例中热管20插在电抗器芯12中，但热管20自身可用作电抗器芯12。即电抗器线圈14可直接缠绕在该实施例中使用的层压型热管20上。

虽然在该实施例中热管20与电抗器10一起使用，但本发明的技术也可应用于其他要求具有电感的电子部件，诸如变压器和马达的定子。即，在该实施例中使用的层压型热管20的一部分可插在变压器芯或马达的定子芯中，或者热管20自身可用作芯。

虽然在以上的描述中已阐述了具有矩形平行六面体的形式的热管20，但只要热管20具有金属层和绝缘层交替层压或堆叠在一起的堆叠或层压的结构，热管20的形状就可按需要改变。此外，形成在热管20中的毛细管30不必需为直管，而是可以是弯曲的或蜿蜒的管。

如从以上描述中显而易见，该实施例的热管20的顶层由绝缘层提供。顶面由绝缘层提供的热管20不仅用于冷却芯，而且也用于冷却电子部件，诸如半导体装置。

即，当电子部件，诸如半导体装置被热管20冷却时，电子部件通常安装在热管20的发热部分22上。在许多已知的示例中，热管的上表面由金属形成，因此绝缘体需要另外地被设置在热发生器（半导体装置）和热管的发热部分之间。绝缘体的安装不仅是麻烦的，而且导致（热发生器和工作流体之间的）热阻的增加和冷却效率的恶化。

另一方面，当安装有半导体装置的顶层由绝缘层提供时，不需要另外在热发生器和发热部分22之间提供绝缘体。作为结果，在热管上安装半导体装置所需的时间和精力可降低。不存在另外的绝缘体也导致热发生器和发热部分22之间的距离降低与绝缘体的厚度对应的量，且导致热发生器和工作流体之间的热阻的降低。相应地，半导体装置可有效地被冷却。

在冷却半导体装置的情况中，希望使用由绝缘材料制成的平板（绝缘板），以用于形成作为热管的顶层的绝缘层，来替代形成在金属平板26的表面上的绝缘膜28。即，如在图4中所示，由诸如硅的绝缘材料制成的绝缘板32安装在热管20的上表面上。绝缘板32的使用使得能够以改进的可靠性将半导体装置绝缘。

Claims

1.一种热管，包括：

层压体，所述层压体通过层压多个平板而形成，并且具有形成在所述层压体的内部的毛细管；和

工作流体，所述工作流体被容纳在所述毛细管中，并且可操作用于传热，其中

所述层压体包括由绝缘材料制成的绝缘层和由金属材料制成的金属层，所述绝缘层和所述金属层被交替地层压。

2.根据权利要求1所述的热管，其中：

所述层压体的所述平板中的至少一个平板形成有沟槽或孔，所述沟槽或孔提供了所述毛细管；并且

所述层压体的所述平板包括多个金属平板，每个金属平板均具有形成有绝缘膜的表面，所述绝缘膜提供了所述绝缘层。

3.一种电子部件，包括：

热管，所述热管包括：层压体，所述层压体通过层压多个平板而形成，并且具有形成在所述层压体的内部的毛细管；和工作流体，所述工作流体被容纳在所述毛细管中，并且可操作用于传热；和

被缠绕到所述热管的外周的线圈，其中

所述层压体包括由绝缘材料制成的绝缘层和由金属材料制成的金属层，所述绝缘层和所述金属层被交替地层叠。

4.根据权利要求3所述的电子部件，其中：

所述层压体的平板中的至少一个平板形成有沟槽或孔，所述沟槽或孔提供了所述毛细管；并且

所述层压体的所述平板包括多个金属平板，每个金属平板均具有形成有绝缘膜的表面。

5.根据权利要求3或4所述的电子部件，进一步包括芯材料，所述线圈被缠绕在所述芯材料上，其中：

所述热管包括发热部分和散热部分，所述发热部分被插在所述芯材料中并且被布置成接收热，而所述散热部分从所述芯材料向外突出并且被布置成将所接收的热释放到外部。

6.根据权利要求5所述的电子部件，其中，将热释放到外部的冷却构件被安装在所述热管的所述散热部分的外表面上。

7.根据权利要求3至6中的任一项所述的电子部件，其中，所述线圈是电抗器线圈，并且所述芯材料是电抗器芯。