CN104733603B - 用于半导体芯片散热的热管换热器 - Google Patents
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Abstract
一种用于半导体芯片散热的热管换热器，包括基座、中间腔体和外联管路，所述基座的吸热面与待散热的半导体芯片连接，所述基座的散热面与所述中间腔体连接，受热后气化吸热的液态制冷剂位于所述中间腔体内，所述中间腔体开有出气口和回液口，所述出气口与所述外联管路的进口连通，所述外联管路的出口与所述回液口连通。本发明提供了一种有效提升散热能力、可靠性良好、成本较低的用于半导体芯片散热的热管换热器。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体芯片的散热部件，尤其是一种LED芯片或其他电子电器上的半导体芯片的散热部件。
背景技术
现有的半导体芯片，对于小功率的场合，现有的铝型材散热器能利用自然对流进行散热，也可以保证半导体芯片在理想工作温度区间下进行稳定的工作；但是，对于中功率或者高功率的场合，现有的散热器的散热性能显得不足，半导体芯片的工作温度往往会超出理想工作温度区间，导致半导体芯片无法正常工作。
以LED照明灯为例，LED照明因其节能高效、明亮等特点近年发展迅速，成为照明行业升级换代的替代性产品，但制约LED产品发展的是其可靠性和使用寿命，特别是LED芯片节点温度的控制至关重要。目前LED发光芯片的散热主要采用铝型材散热器，利用自然对流进行散热，由于铝型材散热器效率低，在低功率LED上可以勉强使用，但对于大功率LED因其散热能力不佳，导致LED照明度和使用寿命大幅下降，严重影响了LED产品的推广使用。
发明内容
为了克服已有半导体芯片的散热部件的散热能力较差、可靠性较低、成本较高的不足，本发明提供了一种有效提升散热能力、可靠性良好、成本较低的用于半导体芯片散热的热管换热器。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种用于半导体芯片散热的热管换热器，包括基座、中间腔体和外联管路，所述基座的吸热面与待散热的半导体芯片连接，所述基座的散热面与所述中间腔体连接，受热后气化吸热的液态制冷剂位于所述中间腔体内，所述中间腔体开有出气口和回液口，所述出气口与所述外联管路的进口连通，所述外联管路的出口与所述回液口连通。
进一步，所述外联管路包括直管和盘管，所述直管的下端与所述出气口连通，所述直管的上端与所述盘管的上端相接，所述盘管的下端与所述回液口连接。当然，外联管路可以根据安装空间的需要，设计为其他的不同形状；再例如盘管的层数，也可以根据散热性能需要进行不同的设计。
再进一步，所述外联管路的横截面呈圆形、三角形、方形、椭圆形或多孔截面。当然，也可以是其他截面形状。
所述外联管路的外壁设置散热翅片。
或者是：所述外联管路的内壁设置直条。
所述中间腔体的下部敞口位于所述基座的散热面上，所述中间腔体的上部敞口安装端盖。
所述端盖上开有所述出气口，所述中间腔体的中下部侧壁上开有回液口。
所述中间腔体的侧壁上开有用以实现抽真空的封尾管，便于实现冷媒介质的抽真空操作。
所述制冷剂为下列之一或其中两种以上的组合：(1)水、(2)酒精、(3)甲醇、(4)R11、(5)R21、(6)R22、(7)R134a，(8)R407C、(9)R600a、(10)R410a、(11)R290、(12)R1270、(13)丙酮、(14)乙醚、(15)R32。
所述基座的散热面设有气化核心，所述气化核心为粗糙状、锯齿状或多孔材料粘附层。
本发明的技术构思为：开发一种新型结构的小型热管，利用热管传热效率高可实现低温差传热的特性，使半导体芯片(例如LED芯片)工作时产生的热量及时散去，控制半导体芯片节点的温度，从而实现电子电器(例如LED灯)稳定可靠长寿命。另外，随着计算机行业的快速发展，特别是移动互联、运计算的快速发展，机房机站设备中大量的半导体芯片的散热问题成为行业发展的制约瓶颈，同时可用于解决机房机站设备中半导体芯片的温度控制和热量传递。
本发明的有益效果主要表现在：有效提升散热能力、可靠性良好、成本较低。
附图说明
图1是用于半导体芯片散热的热管换热器的立体图。
图2是用于半导体芯片散热的热管换热器的结构图。
图3是外联管路的示意图。
图4是一种外联管路的A-A剖面图。
图5是另一种外联管路的A-A剖面图。
图6是再一种外联管路的A-A剖面图。
图7是外联管路为扁管时和铝箔翅片使用焊接方式结合一起示意图。
图8是外联管路为圆管时和铝箔翅片使用焊接、压延结合示意图。
图9是基座结构示意图。
图10是基座的底面示意图。
图11是基座的顶面示意图。
图12是基座顶面的一种气化核心的结构示意图。
图13是基座顶面的另一种气化核心的结构示意图。
图14是基座顶面的再一种气化核心的结构示意图。
图15是散热过程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图15，一种用于半导体芯片散热的热管换热器，包括基座1、中间腔体2和外联管路5，所述基座1的吸热面与待散热的半导体芯片连接，所述基座1的散热面与所述中间腔体2连接，受热后气化吸热的液态制冷剂位于所述中间腔体2内，所述中间腔体2开有出气口和回液口，所述出气口与所述外联管路5的进口连通，所述外联管路5的出口与所述回液口连通。
进一步，所述外联管路5包括直管和盘管，所述直管的下端与所述出气口连通，所述直管的上端与所述盘管的上端相接，所述盘管的下端与所述回液口连接。当然，外联管路5可以根据安装空间的需要，设计为其他的不同形状；再例如盘管的层数，也可以根据散热性能需要进行不同的设计。
再进一步，所述外联管路5的横截面呈圆形、三角形、方形、椭圆形或多孔截面。当然，也可以是其他截面形状。
所述外联管路5的外壁设置散热翅片6。
或者是：所述外联管路5的内壁设置直条。
所述中间腔体2的下部敞口位于所述基座1的散热面上，所述中间腔体2的上部敞口安装端盖4。
所述端盖4上开有所述出气口，所述中间腔体2的中下部侧壁上开有回液口。
所述中间腔体2的侧壁上开有用以实现抽真空的封尾管3，便于实现冷媒介质的抽真空操作。
所述制冷剂为下列之一或其中两种以上的组合：(1)水、(2)酒精、(3)甲醇、(4)R11、(5)R21、(6)R22、(7)R134a，(8)R407C、(9)R600a、(10)R410a、(11)R290、(12)R1270、(13)丙酮、(14)乙醚、(15)R32。
所述基座的散热面设有气化核心，所述气化核心为粗糙状、锯齿状或多孔材料粘附层。
本实施例中，以LED芯片为例进行说明，基座1、中间腔体2，端盖4，外联管路5、封尾管3组成了一个密闭的循环系统，在这个系统里制冷剂完成蒸发冷凝的循环过程。
封尾管作用是将该密闭的循环系统抽真空并注入制冷剂。
基座的作用有两个，一个是将该散热器通过机械方式和LED可靠固定一起，第二个是作为吸热板，通过热传导的方式将LED工作时产生的热量吸走，作为热传导部件，基座可以是铝、铜、钢或者几种材料的优化组合。
基座的上表面中被中间腔体包络的面也就是图示的A面(散热面)，负责由B面(吸热面)吸收的热量传给中间腔体的制冷剂。基座的下表面也就是图示的B面，贴在LED灯珠，直接导热。
A面的形式主要考虑增强制冷剂气化能力，可以是平面，也可以加工出肋、筋、突点或者黏附金属泡沫等，如图11～14所示(包含不仅限于以下几种形式)。
中间腔体是制冷剂存储和蒸发的场所，使得LED产生的热量完全有效的传入空腔中，其高度的确定由传热计算所得。
端盖起到密封作用，可以是单独也可以是和中间空腔一体。
外联管路是制冷剂对外放热，自身由气态转化为液态的场所，其长度、外部和内孔的形状和尺寸同样由由传热计算确定。外联管路的形状多种多样，内孔可以是圆孔，三角形、多孔性、椭圆形、方形等，为了增加液体的回流速度，可以在内壁上加工出多个直条、螺旋、异性直条(如截面是Ω形的直条)。
外部的形状的设计在兼顾安装尺寸的要求下，尽量增加与空气的接触面积，为此外部性状可能加工出螺旋，直条或者箍套、焊接翅片来增加换热面积等。通过焊接、粘结的方式将散热铝箔和外联管路结合一起，达到增加换热面积。以及使用焊接、粘结或者整体压延的方式使得外联管路上有散热翅片。
整个热管循环系统通过以下几个部分，将LED灯珠的热量散发出去：
(1)：基座吸收LED灯珠的热量
金属基座从灯珠工作时产生的热量以传导的方式带走，从而达到控制灯珠温升的目的。为了降低接触热阻，可以在接触面上黏涂导热硅胶等类似物质。
基座的材质较为优选的是铝材，考虑到铜、银等材料的热传导速率较快，在一些要求传热速率较高的场所也可以采用全铜、铜铝复合等方案。
同时基座可以设计的比灯珠的包络面更大，留出部分以便固定螺丝安装，降低整个散热器的复杂程度。
(2)：冷媒(液态制冷剂)从基座吸热：
空腔中的冷媒从基座上吸收来自于灯珠的热量，产生气化相变，气化过程中大量吸走热量，这个相变过程吸热量大，过程高效，需要的温差小，可以有效控制基座温升，从而控制了LED灯珠的温升，这也是本发明的一个重要优点，目前用于LED散热的铝材散热器吸热速度和吸热量远不及本专利的产品性能。
因为冷媒气化相变的关键是气化核心数量的多少，为了增强气化能力，强化换热，我们可以在与冷媒接触的基座部分加工出肋、筋、刻痕或者增加一些金属细颗粒、泡沫金属等来达到目的。
(3)；冷媒(液态制冷剂)对环境的放热：
气化的冷媒从空腔顶部的端盖小孔进入外接冷却管路，高温高压的气体将热量通过外接管路辐射到空气中，而自身变成液体，在管壁浸润力和自身的重力双重作用下重新回流至空腔，参与下一轮循环。这个过程也是相变过程，高效地将携带的热量散发到空气中。
参照图15，换热循环步骤如下：
第一步：基座从LED灯珠上吸收热量；
第二步：中间腔体的液相制冷剂收到基座传导来的热量，温度升高，气化吸热；
第三步：气化的制冷剂上升通过端盖进入外链管路；
第四步：气相制冷剂温度高于外部温度，通过外链管路向外散发热量，本身温度降低重新转化为液相；
第五步：液相制冷剂因重力、管路对液态制冷剂的毛细力、表面张力等作用下重新流回腔体，进行下一轮的循环。
Claims (9)
1.一种用于半导体芯片散热的热管换热器，其特征在于：包括基座、中间腔体和外联管路，所述基座的吸热面与待散热的半导体芯片连接，所述基座的散热面与所述中间腔体连接，受热后气化吸热的液态制冷剂位于所述中间腔体内，所述中间腔体开有出气口和回液口，所述出气口与所述外联管路的进口连通，所述外联管路的出口与所述回液口连通；所述外联管路包括直管和盘管，所述直管的下端与所述出气口连通，所述直管的上端与所述盘管的上端相接，所述盘管的下端与所述回液口连接。
2.如权利要求1所述的用于半导体芯片散热的热管换热器，其特征在于：所述外联管路的横截面呈圆形、三角形、方形、椭圆形或多孔截面。
3.如权利要求1所述的用于半导体芯片散热的热管换热器，其特征在于：所述外联管路的外壁设置散热翅片。
4.如权利要求1所述的用于半导体芯片散热的热管换热器，其特征在于：所述外联管路的内壁设置直条。
5.如权利要求1所述的用于半导体芯片散热的热管换热器，其特征在于：所述中间腔体的下部敞口位于所述基座的散热面上，所述中间腔体的上部敞口安装端盖。
6.如权利要求5所述的用于半导体芯片散热的热管换热器，其特征在于：所述端盖上开有所述出气口，所述中间腔体的中下部侧壁上开有回液口。
7.如权利要求5所述的用于半导体芯片散热的热管换热器，其特征在于：所述中间腔体的侧壁上开有用以实现抽真空的封尾管。
8.如权利要求1所述的用于半导体芯片散热的热管换热器，其特征在于：所述制冷剂为下列之一或其中两种以上的组合：(1)水、(2)酒精、(3)甲醇、(4)R11、(5)R21、(6)R22、(7)R134a，(8)R407C、(9)R600a、(10)R410a、(11)R290、(12)R1270、(13)丙酮、(14)乙醚、(15)R32。
9.如权利要求1所述的用于半导体芯片散热的热管换热器，其特征在于：所述基座的散热面设有气化核心，所述气化核心为粗糙状、锯齿状或多孔材料粘附层。
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