CN103403863A - 散热装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于发热部件的散热装置，包括具有一定长度的至少一个螺旋形空气管。该至少一个空气管热耦合至发热部件，以从该发热部件散热。还公开了用于从发热部件散热的散热装置和方法的其他实施方式。

Description

散热装置和方法

发明背景

1.发明领域

本公开大体上涉及电子学的领域，且更具体地，涉及从电子部件散热的装置和方法。

2.相关技术的讨论

现代电子部件在运转期间产生过多量的热。为了确保部件不会过热，系统设计者附接对流散热器（heat sink）以通过提供从装置到环境的高效率热传递路径使这些部件冷却。典型的对流散热器被设计成将热能从高温部件传递到温度较低的周围空气。这样的典型散热器通过基底附接至该部件，且包括鳍状物（fin）或引脚（pin）来增加散热器在给定空间内的表面积。

图1显示了散热器100的众所周知的实施方式。该散热器可以从铝伸出且包含散热部件102，散热部件102具有从基底106垂直地延伸的平行鳍状物104。通过增加散热器100的表面积，散热器100的热传递能力增加。散热器100的表面积可以通过使鳍状物104在远离电子部件的一个方向上延伸从而产生伸出的鳍状物轮廓来增加，或者通过提供更多的较小鳍状物来增加。被部件102加热的空气穿过鳍状物104，从而将热远离该装置传递到周围环境。

然而，由于鳍状物104本质上是平板，在与沿着该板的表面同一方向上流动的空气形成了微停滞空气层。该微空气层引起空气流在鳍状物的表面附近减少，减少了穿过散热器的总的空气流。该效应导致从电子部件消散并传递到周围环境的热的量减少。

散热器设计的效率通过散热器与环境空气之间的热阻来测量。微停滞空气层使穿过散热器的空气流减少，因此增加了散热器的热阻并降低了散热器的效率。为了补偿较低的效率，迫使设计者创建用于消散大量的热的电子部件的更大且更重的散热器。尽管散热器有不同的设计，但一般而言，散热器的表面积越大，热阻就越低。特别地要求的冷却应用可能需要同时使用许多散热器，这进一步增加了散热器系统的体积和重量。通过增加散热器的体积、重量和部件数量，由于增加的材料和更复杂的工具作业，增加了成本。大型散热器可能也难以在空间受限的情况下实现。

发明简述

因此，存在对于改进从电子装置到周围环境的热传递的更高效且更小的散热系统和方法的需要。本公开的方面和实施方式指向减轻重量并提高冷却解决方案的效率的散热装置、系统和方法。

本公开的一个方面指向一种用于发热部件的散热装置。在一种实施方式中，散热装置包含具有一定长度的至少一个螺旋形空气管。该至少一个空气管热耦合至发热部件以从发热部件散热。

散热装置的实施方式还包含耦合至该至少一个螺旋形空气管和发热部件的基板。该至少一个螺旋形空气管包括被配置成沿着空气管的长度延伸的壁。基板被配置成固定于壁。散热装置还包含由该至少一个螺旋形空气管、壁和基板形成的至少一个通路。从发热部件散发的热流过该至少一个通路的一定长度。散热装置还包含至少两个空气管。被配置成沿着该至少两个空气管的长度延伸的壁形成另一个空气管。该至少一个螺旋形空气管包括在空气管中形成的沿着空气管的长度纵长地延伸的至少一个通道。该至少一个通道在空气管中形成为螺旋状物。该至少一个螺旋形空气管包括设置在该至少一个空气管的一端上的入口和设置在该至少一个空气管的相对端上的出口，其中由发热部件产生的热空气从入口流动至出口。根据权利要求8所述的散热装置还包含被配置成将空气从入口推进至出口的风扇。根据权利要求1所述的散热装置，其中该至少一个螺旋形空气管包括内表面，其中由发热部件产生的热空气沿着内表面流动以在内表面上形成微空气层。根据权利要求10所述的散热装置，其中该至少一个螺旋形空气管被配置成搅动沿着螺旋形空气管的内表面流动的微空气层。散热装置还包含被配置成包围该散热装置的壳体。

本公开的另一个方面指向一种从发热部件散热的方法。在一种实施方式中，该方法包含：提供具有一定长度的至少一个螺旋形空气管；将该至少一个螺旋形空气管耦合至发热部件；以及用该至少一个螺旋形空气管从发热部件散热。

该方法的实施方式还包含将基板耦合至该至少一个螺旋形空气管。基板被耦合至发热部件。从发热部件散热还包含搅动在该至少一个螺旋形空气管的内表面上形成的微空气层。提供至少一个螺旋形空气管包括提供在空气管中形成的沿着空气管的长度纵长地延伸的至少一个通道。该至少一个通道形在空气管中形成为螺旋状物。将至少一个螺旋形空气管耦合至发热部件还包括用该至少一个螺旋形空气管形成壁，并且将壁附接至该至少一个螺旋形空气管。该方法还包含在该至少一个螺旋形空气管与壁之间形成至少一个通路，并且通过该至少一个通路的长度从发热部件散热。该方法还包含用风扇使由发热部件产生的热空气移动。

还有的其它方面、实施方式和这些示范性方面和实施方式的优点将在下文中详细地讨论。本文所公开的任一种实施方式可以以与本文所公开的目的、目标和需求中的至少一个一致的任一种方式与任何其它的实施方式结合，并且对“实施方式”、“一些实施方式”、“替代实施方式”、“各种实施方式”、“一种实施方式”或类似术语的参考不一定是互相排斥的，且意在表明与该实施方式结合所描述的特定特征、结构或特性可以被包括在至少一种实施方式中。本文中这样的术语的出现不一定全部指同一实施方式。附图被包含以提供示例说明以及对各种方面和实施方式的进一步理解，并且附图并入在本说明书中且构成本说明书的一部分。附图连同本说明书的其余部分一起用来解释所描述并要求保护的方面和实施方式的原理和操作。

附图简述

在下文中参照附图来讨论至少一种实施方式的各个方面，附图并不意在是依比例绘制的。在附图、详细说明或任一项权利要求中的技术特征后面跟有参考符号的情况下，参考符号被包括的唯一目的是提高附图、详细说明和权利要求的可理解性。因此，参考符号及其存在都不意在具有在任何权利要求要素的范围上的任何限制作用。在附图中，在各个附图中图示的每一个相同或几乎相同的部件用相同的数字来表示。为了清楚起见，可能不是每一个部件都在每一幅附图中标示。附图被提供以用于举例说明和解释的目的，而不意在作为对本公开的范围的限定。在附图中：

图1是根据现有技术的方面的典型散热器的一个例子的透视图；

图2是根据本公开的方面的散热装置的一个例子的透视图；

图3是根据本公开的方面的散热装置的另一个例子的透视图；以及

图4是根据本公开的方面的从发热部件散热的方法的一个例子的流程图。

发明详述

如上文所讨论的，传统的散热器有多个缺点，诸如越来越大、越来越重，且成本越来越高。因此，存在对于将更轻且更易于构造的更有效率的散热装置、系统和方法的需要。多个方面和实施方式指向克服传统解决方案的限制和弊端的散热装置和方法，同时提供一种功能简单且易于实现的解决方案。如本文所使用，术语“发热部件”可以指发热的任何电子部件或部件组，例如，半导体装置，诸如，双极面结型晶体管、MOS-FET、二极管或IGBT。

根据一种实施方式，一种散热装置附接至一个或多个发热部件。该散热装置包括基板和螺旋形空气管。在一种实施方式中，基板附接至发热部件，使得热能通过空气管传导到周围环境中。螺旋形空气通道可以在空气管的形状内形成。热空气流经这些空气通道的路径可被改为螺旋方向的流动路径，该螺旋方向的流动路径搅动在空气管的最接近表面（immediatesurface）上形成的微停滞空气层，从而提升空气流的速度并且增加通过散热装置的散热。

应该领会的是，本文所讨论的装置和方法的实施方式在应用中并不限于以下说明中提出或附图中图示的部件的构造和布置的细节。该装置和方法能够在其他实施方式中实现且能够以各种方式来实施或实行。本文提供具体实施方式的例子只是为了举例说明且并不意在是限制性的。特别地，与任一个或多个实施方式结合讨论的动作、元件和特征都不意在被排除在任何其他实施方式中的类似角色之外。

而且，本文使用措辞和术语的目的在于说明且不应被视为限制。对在本文中以单数提及的系统和方法的实施方式或元件或动作的所有参考也可以包含包括多个这样的元件的实施方式，且对在本文中的任一种实施方式或元件或动作的所有复数参考也可包含只包括单个元件的实施方式。以单数或复数形式的参考不意在限制本公开的系统或方法、其部件、动作或元件。“包括”、“包含”、“具有”、“含有”、“涉及”及其变化形式在本文中的使用意味着囊括其后列出的项及其等同物以及另外的项。对“或者”的参考可被理解为是包含的，使得使用“或者”描述的任何术语可指示单个、多于一个以及全部所描述术语中的任一个。对前和后、左和右、顶部和底部、上和下，以及垂直和水平的所有参考意在为了说明的方便，而不是将本系统和方法或其部件限制于任一个位置或空间定向。

参考图2，图示了散热装置200的一个例子，散热装置200能够从发热部件202诸如半导体装置散热。如所示出的，存在四个发热部件202。然而，应领会的是，可提供任何数目的部件，且散热装置200可根据本文所教导的原理来按比例绘制，以从发热部件202移除热。在图示的例子中，散热装置包括附接至发热部件202的基板204。散热装置200还包括固定于一个或多个壁208的多个空气管206。如所示出的，壁208固定于基板204，且在某些实施方式中，可由形成管206的材料形成。在一种实施方式中，每一个空气管206具有由一个或多个空气通道210形成的螺旋形状，该一个或多个空气通道210沿着空气管206的长度的一部分或整个长度延伸。

在一个例子中，每一个空气管206通过绕纵向轴线将矩形薄片轧制成圆柱形管而形成，使得空气管206具有预定直径。每一个管具有在管的相对侧上形成的入口212和出口214。薄片还可以在薄片的表面上形成有间隔开的凹槽。凹槽可以从薄片的一侧成对角线地伸展到另一侧，且可以包含沿着凹槽的长度的一个或多个弯曲部。在一个例子中，当薄片和凹槽可能绕纵向轴线弯曲时，凹槽形成设置在空气管206上的螺旋形空气通道210。凹槽可能是凸起的并形成沿着凹槽的长度的连续的三角形。然而，可以使用任何形状的凹槽来形成螺旋形空气通道210。薄片和通道可以被铣削、压铸、按压、轧制或挤出。在某一实施方式中，薄片可由任何合适的金属诸如铝制成。

如图2中所示，存在三个空气管206，每一个都具有大体相等的直径。然而，空气管206的数目和直径可以取决于由发热部件202所产生的热来确定的特定冷却解决方案。每一个空气管206的直径可以是对于每一个空气管206来说相同的，或者其可以是因管而异的。空气管206可被布置成靠近在一起，空气管206中的每一个之间有最小间距。在另一个例子中，空气管206可能彼此隔开，在每一个空气管之间形成间隔。

如上文所讨论的，薄片的与空气管206相对的一侧可形成纵向地延伸穿过空气管206的长度的一部分或整个长度并且附接至基板20或多个壁208。壁208可以在与空气管206相对的一侧上是平坦的，且可以结合在一起以形成基板204。可选择地，基板204可能是分开的材料薄片。空气管206的壁208可以然后连接至分离的板。壁208可能是竖直的或者可能朝着装置200的中心向内或向外弯曲。在另一个例子中，空气管206直接附接至基板204，而没有使用壁208。

在一个例子中，当矩形薄片绕纵向轴线轧制时，薄片的边缘连接至壁208。可选择地，空气管206可以是部分地打开的，在薄片的边缘与壁208之间产生沿着空气管206的长度的狭缝。

基板204和空气管206可以由铝、铜、其合金或具有合适的热导率和重量的任何其他的材料组成。基板204和空气管206可以由不同的材料制成。例如，基板204可以是铜或陶瓷且空气管206可以是铝，并且可结合在一起。

在热通过空气管206消散到周围环境之前，所产生的热可通过基板204从发热部件传导。散热装置200的基板204可以通过安装螺钉216安装到部件202。然而，得益于本公开的本领域技术人员将理解的，基板204可以以适合于所使用的部件的类型的任何方式安装到部件202。

因为空气具有较高的热阻，所以可能希望缩小散热装置200与发热部件202之间的任何空气间隙。在一个例子中，热界面材料可以被布置于基板204与发热部件202之间，以帮助有助于散热或实现电绝缘。热界面材料起提供最小热阻路径或实现从部件202到散热装置200的电绝缘的作用。该材料可以是油脂、凝胶、导热粘合剂、导热垫或胶带。然而，得益于本公开的本领域技术人员将理解的，可以使用具有非常低的热阻的任何典型的热界面材料。

在一个例子中，每一个发热部件202都产生热能，热能通过装置200的基板204和空气管206传导。通过流经空气管206的空气，该热能可以然后从空气管206消散到周围环境。空气通过装置200的这种转移可形成空气路径或通路。当移动穿过空气管206时，热空气可以形成相应于以不同速度流动的空气的多个微层。由于热对流的原理，在空气管206的最接近表面上形成的微层可以具有最低速度的空气流。如果空气流持续在同一竖直的流动路径中，则该微层可能变得停滞。停滞空气可以使散热装置200的总的热传递和散热减少。在一个例子中，螺旋形空气通道210将热空气从竖直的空气流路径引至螺旋形空气流路径。该螺旋形定向的流动路径搅动微停滞空气层，增加了空气流的速度，从而增加了通过散热装置200的散热。

在另一个实施方式中，散热装置200可以是散热系统的一部分。该系统可以包含有助于散热的其他部件。在一个例子中，提供了风扇。风扇可以协助空气从空气管的入口212移动至空气管的出口214，以促进从空气管206散热。如本领域技术人员得益于本公开将理解的，可以使用与散热装置200兼容的任何类型和尺寸的风扇。散热装置200还可包含绕装置的长度包围散热装置和发热部件202的壳体218。壳体218可以是在包含空气管入口和出口的侧部上打开的。热空气可以在空气管206的外表面与壳体218内部之间流动，并消散到周围环境。

参考图3，图示了散热装置300的另一种实施方式的透视图。在所图示的例子中，散热装置包括附接至发热部件302的基板304。如所示出的，散热装置300包括固定于一个或多个壁308的两个空气管306。与散热装置200一样，对散热装置300而言，可使用任何数目的空气管306。在一个例子中，每一个空气管306通过绕纵向轴线将矩形薄片轧制成圆柱形管而形成，使得空气管306具有预定直径。每一个管可具有在管的相对侧上形成的入口312和出口314。薄片可以包含在薄片的表面上形成的间隔凹槽。

如所示出的，壁308固定于基板304，且在某些实施方式中，壁308可由形成空气管306的薄片形成。壁308可以在与空气管306相对的一侧上是平坦的且可以结合在一起以形成基板304。可选择地，基板304可以是分离的板。空气管306的壁308可以然后连接至该分离的板。壁308可以是竖直的或可以朝着装置300的中心向内或向外地弯曲。在另一个例子中，空气管306直接附接至基板304，而没有使用壁308。

在一种实施方式中，每一个空气管306具有由沿着空气管306的整个长度延伸的一个或多个空气通道310形成的螺旋形状。壁308中的每一个也可以具有一个或多个空气通道310。散热装置300还可以包含绕该装置的长度包围散热装置300和发热部件302的壳体318。壳体318可以是在包含空气管入口和出口的侧部上打开的。

如在该例子中所图示的，壁308是弯曲的且延伸远离空气管306。壁308的弯曲部可以形成邻近发热部件302布置的通路316。通路316与空气管306配合地作用，以通过通路316和空气管306来消散热空气。因为壁308具有凹槽，如上所述，通路316可以具在通路316的壁的内部形成的螺旋形通道310。螺旋形通道310搅动在通路316以及空气管306的最接近的表面上形成的微空气层。

仍然参考图3，风扇320被作为散热系统300的一部分来提供。风扇320可协助将空气从空气管的入口312穿过空气管306引至空气管的出口314，以促进从空气管散热。如得益于本公开的本领域技术人员将理解的，可以使用与散热装置300兼容的任何类型和尺寸的风扇。

现在参考图4描述了根据一种实施方式从发热部件散热的方法400。该方法包括提供螺旋形空气管（步骤402），将基板耦合至该螺旋形空气管（步骤404），将基板耦合至发热部件（步骤406），以及用基板和该至少一个螺旋形空气管从发热部件散热（步骤408）。在一些实施方式中，空气管可直接固定于发热部件。

该方法可以包括在作为螺旋状物的空气管内形成一个或多个空气通道。如上所述，流经这些空气通道的空气可以被这些空气通道从竖直的气流路径被引导至成螺旋形地定向的流动路径。因此，在一个或多个螺旋形空气管的内表面上形成的微空气层被搅动，以增强从散热部件的热移除。

虽然已经描述了至少一种实施方式的多个方面，但是应领会，本领域技术人员将容易想到各种改动、修改和改进。这样的改动、修改和改进意在作为本公开的一部分且意在落入本公开的范围内。因此，前述说明和附图仅仅是以例子的方式，且本公开的范围应由对所附权利要求及其等同物的恰当解释来确定。

Claims (20)

1.一种用于发热部件的散热装置，所述散热装置包含：

至少一个螺旋形空气管，其具有一定长度，所述至少一个空气管热耦合至所述发热部件，以从所述发热部件散热。

2.根据权利要求1所述的散热装置，还包含耦合至所述至少一个螺旋形空气管和所述发热部件的基板。

3.根据权利要求2所述的散热装置，其中所述至少一个螺旋形空气管包括被配置成沿着所述空气管的所述长度延伸的壁，所述基板被配置成固定于所述壁。

4.根据权利要求3所述的散热装置，还包含由所述至少一个螺旋形空气管、所述壁和所述基板形成的至少一个通路，其中从所述发热部件消散的热流经所述至少一个通路的一定长度。

5.根据权利要求3所述的散热装置，还包含至少两个空气管，其中被配置成沿着所述至少两个空气管的长度延伸的壁形成另一个空气管。

6.根据权利要求1所述的散热装置，其中所述至少一个螺旋形空气管包括在所述空气管中形成的至少一个通道，所述至少一个通道沿着所述空气管的所述长度纵长地延伸。

7.根据权利要求6所述的散热装置，其中所述至少一个通道在所述空气管中形成为螺旋状物。

8.根据权利要求1所述的散热装置，其中所述至少一个螺旋形空气管包括设置在所述至少一个空气管的一端上的入口和设置在所述至少一个空气管的相对端上的出口，其中由所述发热部件产生的热空气从所述入口流动至所述出口。

9.根据权利要求8所述的散热装置，还包含被配置成将空气从所述入口推动至所述出口的风扇。

10.根据权利要求1所述的散热装置，其中所述至少一个螺旋形空气管包括内表面，其中由所述发热部件产生的热空气沿着所述内表面流动，以在所述内表面上形成微空气层。

11.根据权利要求10所述的散热装置，其中所述至少一个螺旋形空气管被配置成搅动沿着所述螺旋形空气管的所述内表面流动的所述微空气层。

12.根据权利要求1所述的散热装置，还包含被配置成包围所述散热装置的壳体。

13.一种从发热部件散热的方法，所述方法包括：

提供具有一定长度的至少一个螺旋形空气管；

将所述至少一个螺旋形空气管耦合至所述发热部件；以及

用所述至少一个螺旋形空气管从所述发热部件散热。

14.根据权利要求13所述的方法，还包含将基板耦合至所述至少一个螺旋形空气管，且其中所述基板被耦合至所述发热部件。

15.根据权利要求13所述的方法，其中从所述发热部件散热还包含搅动在所述至少一个螺旋形空气管的内表面上形成的微空气层。

16.根据权利要求13所述的方法，其中提供至少一个螺旋形空气管包括提供在所述空气管中形成的至少一个通道，所述至少一个通道沿着所述空气管的所述长度纵长地延伸。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述至少一个通道在所述空气管中形成为螺旋状物。

18.根据权利要求13所述的方法，其中将所述至少一个螺旋形空气管耦合至所述发热部件还包括用所述至少一个螺旋形空气管形成壁，并且将所述壁附接至所述至少一个螺旋形空气管。

19.根据权利要求18所述的方法，还包含在所述至少一个螺旋形空气管与所述壁之间形成至少一个通路，以及从所述发热部件经过所述至少一个通路的一定长度散热。

20.根据权利要求13所述的方法，还包含用风扇使由发热部件产生的热空气移动。

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