CN105792607A - 立体热超导散热器 - Google Patents

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    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H05K7/2029—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating using a liquid coolant with phase change in electronic enclosures
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    • H05K7/2039—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating characterised by the heat transfer by conduction from the heat generating element to a dissipating body
    • H05K7/20409—Outer radiating structures on heat dissipating housings, e.g. fins integrated with the housing

Abstract

本发明涉及一种立体热超导散热装置，属于高端装备制造领域。本发明壳体具有一定长度、外设轴向散热翅片，壳体中心位置设置内管，内管内设有翅片并且有通孔，壳体底板及内侧壁上分别设有金属丝网层，金属丝网层紧紧压贴于外壳内壁及底板，形成内部毛细结构，壳体上端盖设有中心孔，所述内管穿过上端盖中心孔，内管与中心孔间焊接密封，上端盖外延和外壳体焊接，形成密闭的环形壳体。本发明首创利用内置弹簧，压紧多层丝网紧密贴合于管内壁，形成接触热阻小、有效导热系数高、工质流体传输能力强的毛细结构，延展了热源热量蒸发扩散面，显著降低热源热流密度，而且延展扩散面和热源温度几乎相等（等温扩散），体积小，重量轻（铝散热器的1/4），散热效率高，安装使用方便。

Description

立体热超导散热器
技术领域：
本发明涉及一种立体热超导散热装置，可广泛用于LED照明装置，计算机芯片，IGBT，激光发射器的大功率、低热阻散热和温度控制，属于高端装备制造技术领域。
技术背景
现代先进微电子装置是由大量的芯片和电子元器件组成的，元器件的热量主要来自自身的阻性载荷，如变压器、集成电路、大功率晶体管、大功率电阻等，它们所产生的热量大部分以热传导、对流和辐射的形式散发到周围介质中，只有少部分以电磁波的形式散出。随着电子元器件集成度的提高和制造工艺的完善电子设备的体积越来越小；同时为了满足用户对高性能的需求，电子装置的功率也越来越大；另外为了美观和防潮、防雨雪等电子设备都采取了必要的封装措施。基于这三个方面的原因电子装置的热流密度越来越大。如何对它们进行有效的散热已经成为众多厂家面临的一个难题，因为散热技术的高低决定了电子产品销售的成败。
电子产品的发展趋势要求散热手段应具有紧凑性、可靠性、灵活性、散热效率高、不需要维修等特点。电子设备的热耗随功率的增加而增加，这使得单位容积内电子器件的发热量不断增大，有些电子器件工作时的表面热流度已达数十瓦每平方厘米。当温度升高到一定温度时，电子元件将无法正常使用，电子设备的可靠性受到影响。电子设备的运行实践表明:随温度的增加，电子元器件的失效率呈指数增长，对于有些电子器件，环境温度每升高10℃，失效率甚至会增大一倍以上，这在不同程度上降低了设备的可靠性。此外，由于设计理念的转变，电子器件的封装度不断提高，小型化、模块化成为电子设备的发展趋势，这就对电子设备的热设计提出了更高的要求，科学、有效的冷却系统设计就显得尤为重要，导致电子设备失效的因素中，温度占55%。
随着LED功率和光效的增加，LED的散热问题显得越来越突出，大量实际应用表明，LED不能加大输入功率的基本原因，是由于LED在工作过程中会放出大量的热，使管芯结温迅速上升，热阻变大。输入功率越高，发热效应越大。温度的升高将导致器件性能变化与衰减，非辐射复合增加，器件的漏电流增加，半导体材料缺陷增长，金属电极电迁移，封装用环氧树脂黄化等，严重影响LED的光电参数。甚至使功率LED失效。因此，对于LED器件，降低热阻与结温、对发光二极管的热特性进行研究显得日趋重要。
LED照明装置是由大量的半导体元件和电子元器件组成的，电子元器件所产生的热量大部分以热传导、对流和辐射的形式散发到周围环境中，只有少部分以电磁波的形式散出。随着LED照明装置光效越来越高，体积越来越小，装置的功率也越来越大，同时为了美观、防尘、防潮、防雨雪等必要的封装措施，有效解决散热问题已经成为规模化制造、降低成本和保证受用寿命面临的一个难题。
现代军事装备中的能量转化系统，需要超大功率和超导热流面度的冷却散热技术，实现能量的转换，需要非常规的热控技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种立体热超导散热器，该装置能够形成有效导热系数超高、各向均匀的散热装置，整体热阻低，散热能力高，体积小型化，重量轻。
立体热超导散热器，包括：壳体，壳体具有一定长度、外设轴向散热翅片，外壳上设有充液管，壳体中心位置设置内管，内管内设轴向翅片，壳体底板及内侧壁上分别设有金属丝网层，金属丝网层紧紧压贴于外壳内壁及底板，形成内部毛细结构，壳体上端盖设有中心孔，所述内管穿过上端盖中心孔，内管与中心孔间焊接密封，上端盖外延与壳体焊接密封，形成密闭的环形壳体。
所述内管内表面具有轴向翅片。
所述内管外壁上紧贴有金属丝网。
所述金属丝网烧结、点焊或由弹簧固定且紧帖于壳体的底板、内壁及内管外壁上。
本发明密闭环形壳体在真空状态下，通过充液管充入工质，液相工质充满金属丝网毛细结构的空隙，气化工质在壳体及内管空间中。
本发明针对在高热流密度（50W/cm2以上）和大功率条件下，严格控制热源节点温度这一技术难点，开发设计一种立体热超导散热装置，利用独特设计的毛细结构和外部散热翅片，通过相变传热，拓展了热源等温散热面，能够显著提高装置散热功率，降低热源节点温度，可广泛用于大功率LED照明、计算机芯片超频、IGBT功率转换、激光发射器等高端装备制造技术领域。
发明创新点：
1．本发明首创利用外带轴向翅片的金属管，沿中心设置内管，通过底部焊接水平底板、顶部焊接端盖，形成内部为环形腔体、外部为轴向翅片、且中心通孔的金属壳体。在焊接顶部端盖之前，在形成的环状腔体内设置多层金属丝网芯，并且利用弹簧压紧，形成丝网层紧密贴合于管内壁的毛细结构。在真空状态下充入工质后，形成导热系数超高的各向均匀的一体散热器。
2．本发明首创利用内置弹簧，压紧多层丝网紧密贴合于管内壁，形成接触热阻小，有效导热系数高，工质流体传输能力强的毛细结构。
3．装置中心设置内管，内管管内设计轴向翅片，强化自然或强制对流散热。
4、环状密闭腔体内设计的毛细结构层，延展了热源热量蒸发扩散面，显著降低热源热流密度，而且延展扩散面和热源温度几乎相等（等温扩散），确保热源温度控制。
5、装置的有效导热系数可达20000W/mK以上，没有任何材料相比。
6、装置集导热-蒸发吸热-等温传输-等温散热为一体，体积小，重量轻（铝散热器的1/4），散热效率高，安装使用方便。
附图说明
图1为本发明的主视图；
图2为图1的俯视图；
图3为图1的剖面图；
图4为图1的另一种实施方式结构示意图；
图5为图4的俯视图；
图6为图4的剖面图。
具体实施方式
本发明的新型立体热超导散热装置，是由一定长度的外设轴向散热翅片1的圆形或方形外壳体2，在中心位置设置带内置翅片9的内管3后，首先焊接具有导热性能的底板4密封底部，然后在外壳2的内壁、底板4的内面上和内管3的外壁，铺设和缠绕多层金属丝网6，利用内置弹簧7，把金属丝网层紧紧压贴于外壳2内壁和内管3外壁上，形成连续的内部毛细结构层。上端盖5中心孔穿过内管3置于外壳2上端，并且沿边焊接密封，形成密闭的环形壳体。密闭环状壳体在真空状态下，通过充液管10充入一定量的工质8，工质部分气化充满没有毛细结构的空间，液相充满毛细结构的空隙。充液管10被密封后，形成内部为环形、外带轴向散热翅片的热超装置。
本发明装置的工作原理是，热源紧密贴合于散热器的底部，当热源输出功率时，热源表面温度迅速升高，热量以导热的形式通过热超导散热器的底板，底板内部上面的金属丝网毛细结构内充吸的液相工质8，工质8吸收热量后在毛细结构表面迅速等温蒸发成为气相，在压差的作用下，扩散到装置内部的侧面和顶面，当装置外部环境温度低于气相蒸发工质温度时，气相工质在毛细结构表面等温冷凝（液相）放热，热流通过热传导方式传递给外部翅片1，外部轴向翅片1在自然对流或强制对流条件下，把热量散失到周围环境中。气相工质8在毛细结构表面冷凝成为液相，液体工质在毛细力的作用下，迅速回流到热超导散热器的底面，继续吸收热源热量蒸发，如此往复循环，在等温状态下，快速移走热源散发的热量。由于热量主要以等温相变传递热量，把热源高热流密度的能量迅速扩散到内部有毛细结构的表面，显著降低了热流密度，实现小温差大功率能量传输。
所述工质8可以采用超纯水、甲醇、乙醇、丙酮或R134a。
．中间孔强化立体热超导散热器
本发明的立体热超导散热器可广泛用于大功率LED照明装置、IGBT模块、电磁装置、计算机芯片、激光发射装置、中继雷达以及军事装备等的功率转换和冷却散热等，具有体积小，热阻低，散热功率大，可靠性好等特点。
装置设计：
外形尺寸：
外径：Φ20-200
高：20-800mm
内孔直径：Φ10-50
主要材料：AL6063、AL5053、AL3003、C1100
毛细结构：200-600目丝网，材质：AL1100、AL3003、C1100
工质：丙酮、甲醇、乙醇、R134a、超纯水等。
技术性能参数：
热流密度：>50W/cm2
等温性：<4℃
使用温度：25-200℃
环境温度：-60-+120℃。
．立体热超导散热器
本发明的立体热超导散热器可广泛用于大功率LED照明装置、IGBT、电磁装置、计算机芯片、激光发射装置、中继雷达以及军事装备等的功率转换和冷却散热等，具有体积小，热阻低，散热功率大，可靠性好等特点。
装置设计：
外形尺寸：
外径：Φ20-200
高：20-800mm
主要材料：AL6063、AL5053、AL3003、C1100
毛细结构：200-600目丝网，材质：AL1100、AL3003、C1100
工质：丙酮、甲醇、乙醇、R134a、超纯水等。
技术性能参数：
热流密度：>50W/cm2
等温性：<4℃
使用温度：25-200℃
环境温度：-60-+120℃。

Claims (5)

1.立体热超导散热器，包括：壳体（2），其特征在于，壳体（2）具有一定长度、外设轴向散热翅片（1），外壳（2）上设有充液管（10），壳体（2）中心位置设置内管（3），壳体（2）内设紧紧压贴内壁及底板的金属丝网（6）形成内部毛细结构，壳体（2）上端盖（5）设有中心孔，所述内管（3）穿过上端盖（5）中心孔，且与上端盖（5）中心孔间密封连接，上端盖外延和外壳焊接密封，形成密闭的环形壳体。
2.根据权利要求1所述的立体热超导散热器，其特征在于，内管（3）内表面具有翅片（9）。
3.根据权利要求1或2所述的立体热超导散热器，其特征在于，内管（3）外壁上紧贴有金属丝网（6）。
4.根据权利要求3所述的立体热超导散热器，其特征在于，金属丝网（6）烧结、点焊或由弹簧（7）固定且紧帖于壳体（2）的底板、内壁及内管（3）外壁上构成内部毛细结构。
5.根据权利要求1所述的立体热超导散热器，其特征在于，密闭环形壳体（2）在真空状态下，通过充液管（10）充入工质（8），工质（8）液相充满金属丝网（6）构成的毛细结构的空隙，气相气化在壳体（2）及内管（3）形成的空间中。
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