CN103547118A - 多级散热器、具有该多级散热器的冷却系统及控制该冷却系统的方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种多级散热器，该多级散热器包括：至少一个沿冷却空气注入的表面方向的台阶表面，其中所述台阶表面为任何一个台阶表面，该台阶表面具有设置有多个散热板的楼梯形状，且每一个散热板都具有弯曲部；设置有多个散热板的台阶表面，该多个散热板具有流线型光滑弯曲部；设置有多个散热翅片的台阶表面，该多个散热翅片具有高度差。根据本发明的优选实施方式，具有所述多级散热器的冷却系统能够使用多级散热器和空气注入部冷却从散热件产生的热量，以提高散热效率。

Description

多级散热器、具有该多级散热器的冷却系统及控制该冷却系统的方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2012年7月10日提交的、名称为“Multi-Stage Heat Sink,Cooling System With the Same and Method for Controlling the Same（多级散热器、具有该多级散热器的冷却系统及控制该冷却系统的方法）”的韩国专利申请No.10-2012-0075121的优先权，该申请的全部内容作为参考结合于本申请中。

技术领域

本发明涉及一种多级散热器，具有该多级散热器的冷却系统及控制该冷却系统的方法。

背景技术

光通信元件以及电气和电子元件是通过使用半导体装置来实现小型化的，由于小型化导致的发热会引起噪音、寿命缩短和输出特性不稳定，因此这些元件完全有必要冷却并保持在恒定的温度下。例如，因为对高性能和高速电脑的需求增加，所以电脑的集成度逐渐增加。然而，尚未开发用于有效地散去和冷却由高集成度导致的发热量的增加而产生的热量的技术。

同时，由于电子装置随着电子芯片的高集成度而小型化，有必要解决电子元件或电子系统中的复杂的热量问题（thermal problem）。去除由电子芯片的高度集成而产生的热量的问题日趋重要，但是该问题却由于芯片的尺寸和形状、发热量以及内热阻而复杂且多样化。

所以，电子芯片的寿命或可靠性很大程度上取决于芯片的工作温度。具体地，已知每当电子芯片的工作温度高过设定温度10℃时，电子芯片的寿命减少50%或更多。

因此，需要开发出多种能够去除高热通量并且将电子芯片保持在低温下的冷却技术，以延长电子装置的寿命并促进电子装置的发展。

通常，如韩国专利公开号2002-0048844（公开日期为：2002年6月24日）所描述的，散热片基本上使用的是矩形直翅片（rectangular straight fin）（RSF）型，在该矩形直翅片中每一个垂直散热翅片为板状的，但普遍使用的是分割矩形直翅片（splitted rectangular straight fin）（SRSF）型、针翅片（pinfin）（PF）型等。此外，韩国专利公开号2002-0048844公开了用于增加单位面积的散热效率的多孔型的结构。

现有技术中的散热器使用的是从发热源到为散热器底面的散热板、从散热器底面到散热翅片、并再使散热翅片接触空气以冷却热量的热传导型。

大部分现有技术中使用的散热器被用作挤压式（extrusion type），但因为散热效率的问题而受限地使用。作为解决该问题的方法，除了增加散热器，没有特别的替代方式。

也就是说，因为水平散热板的端部与构成现有技术的散热器的垂直散热翅片的端部之间的温差增大，所以传热量可能相对地减少且散热器具有非常有限的散热效率。

发明内容

本发明致力于提供一种具有多个台阶的结构的多级散热器。

此外，本发明还致力于提供一种包括具有多个台阶的结构的多级散热器的冷却系统。

此外，本发明还致力于提供一种使用包括具有多个台阶的结构的多级散热器的冷却系统进行冷却的控制方法。

根据本发明的优选实施方式，提供了一种多级散热器，该多级散热器沿冷却空气注入的表面方向形成为具有至少一个台阶表面。

所述台阶表面可以为设置有多个散热板的楼梯形状的台阶表面，且每一个散热板都具有曲线。

所述台阶表面可以设置有多个散热板，该多个散热板具有流线型光滑曲线。

所述台阶表面可以设置有多个散热翅片，该多个散热翅片具有高度差。

根据本发明的另一种优选实施方式，提供了一种冷却系统，该冷却系统包括：多级散热器，该多级散热器包括具有至少一个台阶的表面；空气注入部，该空气注入部与所述多级散热器的台阶表面相连并且提供冷却空气；以及控制单元，该控制单元连接至所述多级散热器以使用所述多级散热器和空气注入部控制冷却。

所述多级散热器可以设置有板状件，该板状件的每一个散热板都具有弯曲部，以使得所述多级散热器形成为具有沿冷却空气注入的表面方向的台阶表面。

所述多级散热器可以设置有多个散热板，该多个散热板具有流线型光滑弯曲部，以使得所述多级散热器形成为具有沿冷却空气注入的表面方向的台阶表面。

所述多级散热器可以形成为具有多个散热翅片，该多个散热翅片具有高度差，以使得所述多级散热器形成为具有沿冷却空气注入的表面方向的台阶表面。

所述冷却系统可以进一步包括：温度传感器，该温度传感器安装在所述多级散热器的一个部位，其中通过所述温度传感器检测的所述多级散热器的温度信息传递至所述控制单元。

所述空气注入部可以从该空气注入部的底部分开地设置有多个注入孔，并且所述空气注入部将冷却空气由所述注入孔从连接至所述控制单元的气泵注入所述多级散热器的每一个阶梯表面。

所述控制单元可以通过所述气泵控制冷却空气的气流量、初始温度和流速。

所述多级散热器可以通过导热浆料安装在散热对象的一部分上。

根据本发明的另一种优选实施方式，提供了一种控制冷却的方法，该控制冷却的方法包括：通过控制单元控制气泵以开始冷却过程，从而由空气注入部将冷却空气注入多级散热器；通过所述控制单元确定多级散热器或冷却空气的温度是否高于设定的冷却参考温度；如果确定多级散热器或冷却空气的温度高于设定的冷却参考温度，则通过所述控制单元校正冷却条件；以及通过所述控制单元使用多级散热器和冷却空气根据校正后的冷却条件进行冷却。

在所述冷却过程开始时，所述空气注入部可以包括沿着所述多级散热器的台阶的多个注入孔，并且每一个所述注入孔与所述多级散热器的台阶表面接合。

在所述冷却过程开始时，所述控制单元可以实时地接收通过温度传感器检测到的所述多级散热器的温度信息，其中所述温度传感器安装在所述多级散热器的一部分上。

在校正冷却条件时，所述冷却条件包括冷却空气的气流量、初始温度和流速。

附图说明

通过下面结合附图的详细说明，本发明的上述和其它目的、特征以及优点将会更加清楚地得到理解，其中：

图1是用来说明具有根据本发明的第一种优选实施方式的多级散热器的冷却系统的结构图；

图2A是根据本发明的第二种优选实施方式的多级散热器的立体图；

图2B是根据本发明的第三种优选实施方式的多级散热器的立体图；

图3是根据本发明的第一种优选实施方式的多级散热器的侧剖视图；

图4是根据本发明的第一种优选实施方式的多级散热器应用在功率半导体模块上的情况下的立体图；

图5是说明具有根据本发明的另一种优选实施的多级散热器的冷却系统的控制冷却的方法的流程图；

图6是分别在具有根据本发明的第一种实施方式的多级散热器的冷却系统和具有根据现有技术的散热器的冷却系统中检测的冷却曲线图；以及

图7是用来说明根据本发明的第一种实施方式的多级散热器的散热特性的模拟图。

具体实施方式

通过以下结合附图的详细描述，可更为清晰地理解本发明的目的、特征以及优点。在附图中，相同的附图标记用于指代相同或相似的组件，且略去了对组件多余的描述。此外，在下面的说明说中，术语“第一”、“第二”、“一侧”、“另一侧”等用于将特定元件与其他元件进行区分，但是这些组件的构造不应解释为被这些术语所限制。此外，在本发明的说明书中，当确定相关技术的详细描述会掩盖本发明的宗旨时，这些描述将被省略。

下文中，将参考附图，详细描述根据本发明的优选实施方式。

图1是具有根据本发明的第一种优选实施方式的多级散热器的冷却系统的结构图，图2A是根据本发明的第二种优选实施方式的多级散热器的立体图，图2B是根据本发明的第三种优选实施方式的多级散热器的立体图，以及图3是根据本发明的优选实施方式的多级散热器应用在功率半导体模块上的实施例的侧剖视图。

如图1所示，具有根据本发明的一种优选实施方式的多级散热器的冷却系统包括：多级散热器100，该多级散热器100具有多个台阶；空气注入单元200，该空气注入单元200与多级散热器100的台阶表面相连并且通过气泵300将冷却空气提供至多级散热器100；以及控制单元400，该控制单元400主要使用多级散热器100控制冷却过程。

多级散热器100通过导热浆料101安装在例如功率半导体模块等散热对象的一部分上，其中板状件沿冷却空气注入的表面方向安装，该板状件的多个散热板都具有弯曲部并且每个散热板都包括具有至少三个台阶的楼梯形状，以及空气注入部200与台阶表面相连，该台阶表面由其上形成有台阶的多个散热板上构成。

如图3所示，在多级散热器100内，温度传感器110可以安装在表面的一个部位上，注入的空气通过该表面释放，其中，所述表面与台阶表面相对且通过温度传感器110检测的温度信息可以传递给控制单元400。

此外，除了图1中显示为楼梯形状的多级散热器100之外，可以选择性地使用根据本发明的第二种实施方式的多级散热器100-2或者根据本发明的第三种实施方式的多级散热器100-3，在根据本发明的第二种实施方式的多级散热器100-2中，如图2A所示，形成有具有流线型光滑曲线的多个散热板，在根据本发明的第三种实施方式的多级散热器100-3中，如图2B所示，多个散热翅片105有具有高度差并形成台阶表面。

图2A中显示的根据本发明的第二种实施方式的多级散热器100-2可以通过平稳地将空气注入具有流线型光滑曲线的台阶表面而容易地进行热交换，而图2B中显示的根据本发明的第三种实施方式的多级散热器100-3可以通过增加与空气相接触的散热面积而增加热交换效率，该空气由多个散热翅片105注入。

空气注入部200为与多级散热器100的台阶表面相连且通过例如第一注入孔210、第二注入孔220和第三注入孔230将由气泵300提供的冷却空气注入到多级散热器100的每一个台阶表面的元件。空气注入部200可以将冷却空气注入到多级散热器100的每一个台阶表面并利用第一注入孔210、第二注入孔220和第三注入孔230来保持冷却空气的初始温度。

详细地，如图3所示，通过第一注入孔210注入的冷却空气最先在多级散热器100的底部进行热交换。

然后，经过多级散热器100的底部的温度升高的冷却空气通过与由第二注入孔220注入的冷却空气混合而降低温度，并且与由第二注入孔220注入的冷却空气一起在多级散热器100的中间台阶部分进行热交换。

接着，经过多级散热器100的中间台阶部分的温度升高的冷却空气通过与由第三注入孔230注入的冷却空气混合而再次降低温度，并且与由第三注入孔230注入的冷却空气一起在多级散热器100的顶部进行热交换。

此外，空气注入部200可以根据多级散热器100的台阶而包括至少三个注入孔，以更好地提高冷却效率。

控制单元400为与多级散热器100的温度传感器110、气泵300等连接的部分，控制单元400主要使用多级散热器100控制冷却过程，并且可以根据从温度传感器110传递出的温度信息来控制通过气泵300从空气注入部200注入的冷却空气的气流量（airflow rate）、初始温度、流速等。

如图4所示，在如上述所配置的根据本发明的优选实施方式的冷却系统中，可以使用包括安装在底座10上的功率半导体装置50的功率半导体模块，且根据本发明的优选实施方式的多级散热器100安装在功率半导体装置50的顶面上，从而通过空气注入部200将冷却空气注入。

因此，根据本发明的优选实施方式的冷却系统可以使用多级散热器100和空气注入部200来提高散热效率以减少从功率半导体装置50产生的热量。

下面，将参照图5描述一种控制使用根据本发明的另一种优选实施的多级散热器进行的冷却的方法。图5是说明用来控制具有根据本发明的另一种优选实施的多级散热器的冷却系统的冷却的方法的流程图。

在使用根据本发明的另一种优选实施的多级散热器控制冷却的方法中，在多级散热器100安装在待冷却的对象内的状态下，控制单元400通过由空气注入部200注入冷却空气来控制气泵300开始冷却（S510）。

这里，除了图4中显示的功率半导体装置50外，待冷却的对象还可以包括例如发光二极管（LED）、个人计算机（PC）等本质上容易冷却以散热的封装或装置。

控制单元400实时地接收从安装在多级散热器100的一侧的温度传感器110发出的包括空气或者多级散热器100的温度的温度信息，并且由空气注入部200注入冷却空气。

控制单元400确定包括在所述温度信息内的冷却空气或者多级散热器100的温度是否高于根据接收的温度信息而设定的冷却参考温度（S520）。

也就是说，例如，在使用多级散热器100和空气注入部200进行的冷却过程中，当20℃(即室温)被设定为冷却参考温度时，控制单元400可以确定实时从温度传感器110接收的冷却空气或者多级散热器100的温度是否被检测为高于为20℃的冷却参考温度。

当冷却空气或者多级散热器100的温度通过测定被检测为高于所述冷却参考温度时，控制单元400使用多级散热器100和空气注入部200来校正冷却条件（S530）。

具体地，为了将检测为高于冷却参考温度的冷却空气或多级散热器的温度降低至冷却参考温度或更低的温度，控制单元400可以使用多级散热器100和空气注入部200来校正冷却条件，例如冷却空气的气流量、初始温度、流速等。

特别地，控制单元400可以调整由气泵300传递至空气注入部200的冷却空气的流量，以容易地将多级散热器100的温度降低至冷却参考温度或更低的温度。

也就是说，通过关于散热量（Q）与气流量（W）之间的关系的等式1，能够得到由空气注入部200注入的冷却空气的气流量与多级散热器100的温度之间的关系。

【等式1】

Q＝WCdt

（Q=散热量，W=冷却空气的气流量（Kg/h），C=空气比热容（0.24Kcal/Kg），dt=冷却空气和待冷却对象之间的温差）

通过修改上面的[等式1]，可以清楚地表示冷却空气的气流量和多级散热器110的温度之间的关系，该关系可以由下面的[等式2]表示。

【等式2】

$W=\frac{Q}{\mathrm{Cdt}}$

在所述关系等式中，冷却空气的气流量W和多级散热器100的散热量Q具有比例关系。根据上述特征，控制单元400可以增加由空气注入部200注入的冷却空气的气流量以将多级散热器100的温度降低至冷却参考温度或更低的温度。

在校正冷却条件之后，控制单元400根据校正后的冷却条件使用多级散热器100和空气注入部200进行冷却（S540）。

冷却系统通过冷却过程进行冷却，该冷却过程通过如图5中显示的冷却曲线“I”来表示。

具体地，在A时段随着冷却空气流由第一注入孔210以高速注入，热交换在多级散热器100的底部进行且所述冷却空气具有初始冷却温度，且在B时段所述冷却空气由第二注入孔220直接注入多级散热器100的中间台阶部分，以使得冷却空气与多级散热器100的中间台阶部分接触，从而使冷却效果最佳。

这样，在经历A时段时，由第二注入孔220注入的冷却空气的一部分与温度升高的空气混合，从而在经过A时段时降低空气的温度。

接着，在C时段中由第三注入孔230注入的冷却空气也是同样如此，所述冷却空气具有初始冷却温度且在多级散热器100的顶部进行热交换。

这样，从第一注入孔210到第三注入孔230的每一个注入孔彼此分开，因此，在冷却空气注入多级散热器100的每一个台阶表面之前，冷却空气彼此之间不混合。

结果满足图7显示的模拟结果。因此，热交换可以通过由每一个注入孔210,、220和230注入的空气在多级散热器100的每一个台阶依次进行，从而使用多级散热器100提高冷却效率。

另一方面，图6中显示的曲线“Ⅱ”即在根据现有技术的没有设置台阶的散热片的情况下的冷却曲线，该曲线显示了在空气注入矩形直翅片（RSF）型的散热器后检测的流出的冷却空气的温度，其中，矩形直翅片（RSF）型的散热片中每一个散热板由于没有台阶而为板状。

如图6所示，当将根据现有技术的没有设置台阶的散热片中的冷却曲线“Ⅱ”与使用根据本发明的实施方式的多级散热器100的冷却曲线“Ⅰ”进行比较时可以得到，检测到从根据现有技术的散热片流出的空气的温度高于从根据本发明的实施方式的多级散热器100流出的空气的温度。

因此，可以得出使用根据本发明的实施方式的多级散热器100的冷却效率比使用根据现有技术的散热片的冷却效率更加优良。

根据本发明的优选实施方式，具有多级散热器的冷却系统能够使用多级散热器和空气注入部来冷却从散热件发出的热量，以提高散热效率。

此外，使用根据本发明的优选实施方式的多级散热器进行的冷却的控制方法，能够使用多级散热器和空气注入部来提高冷却效率。

虽然出于说明的目的公开了本发明的实施方式，但是可以理解的是，根据本发明的散热器并不限于这些实施方式，本领域的技术人员可以理解的是，在不脱离本发明的范围和精神的情况下，可以做出各种修改、添加和替换。

因此，任意以及所有的修改、变化或等同布置都应该理解为落在本发明范围内，本发明的具体范围在所附的权利要求书中公开。

Claims (16)

1.一种多级散热器，其特征在于，该多级散热器形成为沿冷却空气注入的表面的方向具有至少一个台阶表面。

2.根据权利要求1所述的多级散热器，其中，所述台阶表面为设置有多个散热板的楼梯形状的台阶表面，且每一个所述散热板都具有弯曲部。

3.根据权利要求1所述的多级散热器，其中，所述台阶表面设置有多个散热板，该多个散热板具有流线型光滑弯曲部。

4.根据权利要求1所述的多级散热器，其中，所述台阶表面设置有多个散热翅片，该多个散热翅片具有高度差。

5.一种冷却系统，其特征在于，该冷却系统包括：

多级散热器，该多级散热器包括具有至少一个台阶的表面；

空气注入部，该空气注入部与所述多级散热器的台阶表面相连并且提供冷却空气；以及

控制单元，该控制单元连接至所述多级散热器以使用所述多级散热器和所述空气注入部控制冷却。

6.根据权利要求5所述的冷却系统，其中，所述多级散热器设置有板状件，该板状件的每一个散热板具有弯曲部，以使得所述多级散热器形成为具有沿冷却空气注入的表面的方向的台阶表面。

7.根据权利要求5所述的冷却系统，其中，所述多级散热器设置有多个散热板，该多个散热板具有流线型光滑弯曲部，以使得所述多级散热器形成为具有沿冷却空气注入的表面的方向的台阶表面。

8.根据权利要求5所述的冷却系统，其中，所述多级散热器形成为具有多个散热翅片，该多个散热翅片具有高度差，以使得所述多级散热器形成为具有沿冷却空气注入的表面的方向的台阶表面。

9.根据权利要求5所述的冷却系统，其中，该冷却系统还包括：

温度传感器，该温度传感器安装在所述多级散热器的一部分上；

其中通过所述温度传感器检测的所述多级散热器的温度信息传递至所述控制单元。

10.根据权利要求5所述的冷却系统，其中，所述空气注入部从该空气注入部的底部分开地设置有多个注入孔，并且所述空气注入部将冷却空气由所述注入孔从连接至所述控制单元的气泵注入所述多级散热器的每一个阶梯表面。

11.根据权利要求10所述的冷却系统，其中，所述控制单元通过所述气泵控制冷却空气的气流量、初始温度和流速。

12.根据权利要求5所述的冷却系统，其中，所述多级散热器通过导热浆料安装在散热对象的一部分上。

13.一种控制冷却的方法，其特征在于，该控制冷却的方法包括：

通过控制单元控制气泵以开始冷却过程，从而由空气注入部将冷却空气注入多级散热器；

通过所述控制单元确定所述多级散热器或所述冷却空气的温度是否高于设定的冷却参考温度；

如果确定所述多级散热器或所述冷却空气的温度高于所述设定的冷却参考温度，则通过所述控制单元校正冷却条件；以及

通过所述控制单元使用所述多级散热器和所述冷却空气根据校正后的冷却条件进行冷却。

14.根据权利要求13所述的控制冷却的方法，其中，在所述冷却过程开始时，所述空气注入部包括沿着所述多级散热器的台阶的多个注入孔，并且每一个所述注入孔与所述多级散热器的台阶表面相连。

15.根据权利要求13所述的控制冷却的方法，其中，在所述冷却过程开始时，所述控制单元实时地接收通过温度传感器检测到的所述多级散热器的温度信息，其中所述温度传感器安装在所述多级散热器的一部分上。

16.根据权利要求13所述的控制冷却的方法，其中，在校正冷却条件时，所述冷却条件包括冷却空气的气流量、初始温度和流速。

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