CN1115498A - 热管式冷却器 - Google Patents

Abstract

改进了一种具有多支热管的冷却器，当环境温度很低时可降低所选择的热管的冷凝能力，使冷却器自热管内的工质已冻结的状态下易于启动。该冷却器有一块高导热系数的板块，作为热管蒸发段的热管的一端埋置于其内。热辐射翅片连接到暴露在板块外的热管部分，故热管的暴露部分用作相应的热管的冷凝段。有两类热辐射翅片：第一类翅片连接到所有的热管，而第二类翅片只连接到所选择的热管。

Description

热管式冷却器

本发明涉及一种用于冷却，例如，半导体器件的热管式冷却器。

通常，冷却半导体或类似的器件的热管式冷却器使用多支热管。图36示出了这类冷却器的基本部分。因为每支热管1的传热能力是有限的，故这种冷却器的结构是这样，多支热管与一公共的具有优良导热性的板块联接，并紧贴被冷却的半导体器件。当这类冷却器充的水作为工质，这种工质当温度降到0℃以下时会冻结。冻结了的热介质的冷却器不能实现所期望的功能：即它不允许半导体器件被加到超过最高允许的温度，即100℃或更高些。

未经审查的日本专利NO.2—229455公开了一种热管式冷却器，其中多支热管分成两组，管中充装不同类型的传热介质。例如，第一组充装氟里昂R—113作为工质，而另一组充装纯水。氟里昂R—113即使温度降到0℃以下不会冻结，因而提供了在低温下的优异的启动特性，和在常温下稳定运行时的优异性能。而，从全球环境保护的角度，不推荐使用氟里昂类的传热介质。

用于冷却，例如，半导体器件的一种热管式冷却器假设为夏季，即最高环境温度为40℃左右，使用而设计的即半导体温度要维持在不超过预定的标准温度，即100℃。当在冬季打算使用冷却器时，而当在冬季亦使用同类型的冷却器时，工质有可能冻结，取决于其类型。例如，用水作工质的热管式冷却器，当环境温度低到-30℃时，就不能很好地启动，因为水在该温度下冻结了。当半导体器件开始工作，就会发热，但是要在固态的水，即冰，融化之后，热量才开始传递出去。若在冷凝段的热耗散能力在该空气温度下是很大的话，工质在冷凝段内再次冻结，其后果是工质不再回到蒸发段。于是，热管式冷却器由于缺少液体而不再运行，使半导体器件过热到超过最高的允许温度。

因此，该已知的热管式冷却器不能发挥作用，因为它由于工质的冻结而不能启动。为了使热管式冷却器在温度不高于工质的冻结温度下启动，就必须降低热管冷凝段的热耗散效应。

本发明的目的是，提供一种热管式冷却器1在例如冬季，其冷凝段的冷凝能力降低，使热管即使自工质的冻结态也能平稳启动，以保证大的传热能力。

为了这个目的，按照本发明的一个方面，提供了一种热管式冷却器，包含：多支热管；和由有高的导热系数的材料制成的板块，被冷却物与该板块连接，每支热管有一端埋置于板块内；热管自板块外露的部分备有热辐射翅片作为热耗散元件以构成热管的冷凝段，在那里，改进点包括，具有热耗散元件的热管分为至少两组，不同的组有不同的热耗散能力。

不同的热耗散能力可由设计不同的热管组、其连带的翅片有不同的总传热面积来实现。

不同的热耗散能力可以由设计不同热管组有不同的长度来实现。在这种情况下，有较长长度的热管，其辐射翅片具有较大的面积。可使用两种不同型式的热辐射翅片：第一类翅片是连接在冷却器的所有的热管上，而第二类翅片是仅连接在被选择的热管上。

不同的热耗散能力还可以由布置这两类翅片来实现，即有两类热辐射翅片，每个翅片有多个被热管穿过的孔，所定的翅片尺寸可容纳所有的热管，在那里，两种类型的翅片中的一种，其与所选热管相对应的孔其内径要扩大到大于热管的外径。

热管式冷却器在翅片径向外伸的区域内有隔断以阻止空气流入在翅片间的空隙内。

热管式冷却器可以这样布置，即热辐射翅片均独立地连接在每支热管上，在那里的不同组的热管有不同数量的连接在它上面的翅片，故不同组的热管有不同的热耗散能力。

热管式冷却器可以这样布置，即热辐射翅片均独立地连接在每支热管上，在那里连接不同组的热管上的热辐射翅片是由不同材料制成。

本发明的热管式冷却器可以这样建造，即不同组的热管由不同材料制成。

本发明的热管式冷却器可以这样布置，即不同组的热管有不同的内表面构造。在这种情况下，可以这样安排即，每支第一组的热管有在长度方向伸展的槽的内表面，而每支第二组的热管具有光滑的内表面。

本发明的热管式冷却器可以这样建造，即热管分成至少两组，每组热管充以不同量的工质。

在热管组中的一组热管的冷凝段内表面上可涂以斥水材料的涂层。

本发明的热管式冷却器可以这样建造，即不同组的热辐射翅片由不同材料制成，其中的一种材料是一种形状记忆合金。至少有一组的热管可以，除工质外，含有不可压缩性气体。热管式冷却器还包含至少一个置于两相邻热辐射翅片间的元件，该元件在热管的长度方向上具有比热辐射翅片大的截面并具有高的导热系数，故可促进不同热管间的传热。上述具有高的导热系数的插件可以是一叠多片热辐射翅片一片片地紧密层叠而成。具有高的导热系数的该元件还可用作连接热管端的加强件。

本发明的热管式冷却器可以这样建造，即具有高的导热系数的该元件可以用作连接冷却器的固定支架的一部分。

本发明的热管式冷却器还可包含一个连接在热管冷凝段上的发热元件。

本发明的热管式冷却器还可包含一个装置，当环境温度或热管温度下降到低于预定的温度时，该装置激发发热元件。

本发明的热管式冷却器可包含一个冷却风扇，该风扇将空气吹入相邻热辐射翅片间的空隙内以冷却热辐射翅片，和一个当环境温度或热管温度低于预定温度时，控制冷却风扇运行的控制器。

本发明的热管式冷却器还可包含一个挡板以形成对空气流入相邻热辐射翅片间的间隙中的障碍。在这种情况下，可用轮流置换挡板的位置的办法，使当环境温度或热管温度下降到低于预定温度时，挡板对进入相邻热辐射翅间的空隙的气流形成障碍。挡板可以附着在冷却器的外壳上。热管可以是弯曲的，故热辐射翅片可在垂直方向伸展。被冷却物可以是一个IGBT的组件或可控硅开关(GTO)。热管式冷却器还可适用于冷却机动车，如铁路机车的控制系统。

按照本发明，由于上面列出的特征，构成冷却器的一部分的热管的热耗散能力可对环境温度和发热率最佳地设置，故注入热管冷凝段的工质可以凝结而不会被冷却到冻结温度，于是可使热管式冷却器能平稳地启动，并在启动后很快地进入稳定状态。当作为冷源的环境温度是低时，不需要冷却器的所有的热管投入冷却运行。此外，为了获得冷却器的所要求的性能而又不引起工质的冻结，以这样方式设计冷却器是有效的，即从冷却器的热管中选出适量的热管，将它们设计成比其它热管具有较小的热耗散能力。这种设计可使冷却器能在一较宽的温度范围内运行。

按照本发明，冷却器可以设计成当环境温度降低时其热耗散能力也降低。这类设计可使冷却器能在一较宽的温度范围内有效地运行。此外，按照本发明，该设计可以是这样的，即所选的热管的热耗散能力是可变的，并对一些变量，如环境温度或热负荷，亦即来自被冷却对象所产生的热，有最佳的关系，并使用比辐射翅片有更大传热能力的元件作为相邻热管的联接件。按照这种安排，万一具有较大热耗散能力的热管由于传热介质的冻结而启动失败，这类热管可从其它热管传出的热安全地重新启动，故可为降低被冷却对象的温度而安全地投入运行。

按照本发明，其布置可以是这样的，即在每支热管的冷凝段处备有一发热元件，该元件的发热率是这样受控的，当在冷凝段或环境温度变低时，发热率增加，由此防止了由于热管内工质的冻结而使热管运行失败。

下面参照附图对本发明实施例作一详细描述：

图1是本发明的冷却器的一个实施例的透视图；

图2是热管式冷却器的一个剖面图，表示冷却器的热管内部的工作流体的状况；

图3是热管式冷却器的瞬态特性曲线；

图4是热管式冷却器的一个剖面图，亦表示冷却器的热管内部的工作流体的状况；

图5是热管式冷却器的瞬态特性曲线；

图6是冷却器的另一个实施例的透视图；

图7是冷却器的又一个实施例的纵剖面；

图8是冷却器的还有一个实施例的纵剖面；

图9是本发明的冷却器的又有一个实施例的纵剖面；

图10是本发明的冷却器的还有一个实施例的纵剖面；

图11是本发明的冷却器的一个不同的实施例的纵剖面；

图12是本发明的冷却器的一个不同的实施例的纵剖面；

图13是本发明的冷却器的一个不同的实施例的纵剖面；

图14是本发明的冷却器的一个不同的实施例的纵剖面；

图15是本发明的冷却器的一个不同的实施例的纵剖面；

图16是本发明的冷却器的一个不同的实施例的纵剖面，以放大比例表明在侧面高度方向上的冷却器的一部分；

图17是本发明的冷却器的一个不同的实施例的纵剖面；

图18是图17的热管的横剖面；

图19是本发明的冷却器的一个不同的实施例的纵剖面；

图20是本发明的冷却器的一个不同的实施例的纵剖面；

图21是本发明的冷却器的一个不同的实施例的纵剖面；

图22是本发明的冷却器的一个不同的实施例的纵剖面；

图23是本发明的冷却器的一个不同的实施例的纵剖面；

图24是本发明的冷却器的一个不同的实施例的纵剖面；

图25是本发明的冷却器的一个不同的实施例的纵剖面；

图26是本发明的冷却器的一个不同的实施例的纵剖面；

图27是本发明的冷却器的一个不同的实施例的纵剖面；

图28是一个壳体的剖面，壳体内装有实施本发明的冷却器；

图29是本发明的冷却器的一个不同的实施例的纵剖面；

图30是本发明的冷却器的一个不同的实施例的纵剖面；

图31是本发明的冷却器的一个不同的实施例的纵剖面；

图32是本发明的热管式冷却器的纵剖面，也表示出冷却器的热管内部工作流体的状况；

图33是本发明的热管式冷却器的瞬态特性曲线；

图34是本发明的冷却器的一个不同的实施例的纵剖面；

图35应用于一实际产品的本发明的一个实施例的一个正视图；

图36是一个常规的热管式冷却器的纵剖面。

图1是本发明的冷却器的一个实施例的透视图。可从图中看到，本发明的热管式冷却器的一个实施例主要由连接板块3的热管1a、1b装备在热管1a和1b上的热辐射翅片2a、2b，和一个冷却对象，即置于板块3上的半导体器件4。

每支热管1a、1b有一由高的导数系数的材料制成的管状元件或是管子，并在真空下烘烤管材，在除气时充装少量的工质5，将管材两端封死而制成。多支热管1a、1b，在本实施例中是5支，其一端插入在板块3中的相应的孔中，板块亦由导热系数大的材料制成。在进入板块3中的孔的热管1a、1b的部分作为这些热管1a、1b的蒸发段。热管1a、1b的这些蒸发段由焊接或可替代的压胀技术固定到板块3上，压胀技术是指增加管子的内压将管子的一端与在板块中形成的孔壁紧配合。

板块3具有矩形平行六面体的形状。在本实施例中，与热管1a、1b的阵列的平面垂直的板块3的表面不用于冷却的目的。也就是说，仅平行于热管1a、1b阵列的板块3的表面用于冷却目的。于是，冷却对象，如半导体4，置于平行于热管1a、1b阵列的板块3的表面之一上。多片具有为接受热管1a、1b而设的多个孔的热辐射翅片如此地装到热管1a、1b的冷凝段上，即这些热辐射翅片2a、2b与热管1a、1b的轴垂直。在所示的实施例中用了19片翅片，并作等间距布置可以看到，所有的5支热管1a、1b均装入翅片2a，而翅片2b仅与3支热管1a连接。热辐射翅片2a、2b以焊接或压力配合与热管1a、1b固定。为了促进工质的循环，热管是如此安放的，即其冷凝段置于蒸发段的上面，或者热管平放。然而，在某些场合，热管被安放成其冷凝段低于蒸发段。

在运行过程中，冷却对象，如半导体4，当它被供以电力时就发热。所发的热通过板块3被传递到埋置于板块3中的热管1a、1b的蒸发段，在热管的蒸发段中，在热管内部的工质5被加热而蒸发，并产生汽态的工质5，随同蒸发潜热一起携带至热管1a、1b的冷凝段。在热管1a、1b的冷凝段中，工质5由于自热辐射翅片2a、2b的耗散热而被冷却：也就是工质的蒸汽所拥有的热传到热管的内表面，然后再传到辐射翅片2a、2b，工质5在那里凝结。凝结了的工质5通过重力作用回到热管的蒸发段，当热管的内壁被加工形成毛细作用时，工质5内这种毛细作用加速使其返回蒸发段。于是，冷却对象所携带出的热通过热管冷凝段的壁的导热，再传至热辐射翅片，来自翅片的热，通过自然冷却或由风扇的强制冷却而散失。

在该实施例中，有两类热辐射翅片，即第一组热辐射翅片2a，其尺寸适用于固定所有的5支热管，而第二组热辐射翅片2b，其尺寸仅运用于固定在中央的3支热管。第一组的热辐射翅片2a比第二组的热辐射翅片2b被置于更靠近蒸发段。换句话说，第二组的热辐射翅片2b被置于靠近热管冷凝段。从而，中间的3支热管1a比其它2支热管有更大的热耗散能力。故有可能无需改变管长来改变热耗散能力。虽然冷却器被描述成有五支热管和两组热辐射翅片，可以理解，这些热管和热辐射翅片的数目不是唯一的，可以自由确定。

该实施例的热管式冷却器的运行可参考图2至5来描述。

图2是一个冷却器的纵剖面图，该冷却器的热耗散能力相当于该实施例的冷却器中的单支在中央位置的热管1a的能力。该图亦示出了在热管中的工质的状况，该热管具有相当于单支热管1a的热耗散能力。这里作了假设，即工质5是，例如，水，当环境温度为-30℃时在蒸发段中已经冻结。也作了整个系统在等热流输入下启动的假设。输入的热使在蒸发段中冻结的工质的温度逐渐上升，致使冻结的工质开始融化并变成蒸汽，并开始向冷凝段传热。与热管1a相连的热辐射翅片2a、2b的数目多于与热管1b相连的热辐射翅片2a的数目，它以后将在图4中描绘。于是，图2所示的热管1a比图4所示的热管1b有更大的热耗散能力。故工质在冷凝段中再次冻结为固态5c，形成在蒸发段中的液态工质的短缺，于是引起工质回流的障碍，其结果是图2所示的热管运行失效。

图3表示了热管在板块部分中的端部的温度随时间变化的关系，时间座标的零点设在开始释热的时刻。“热管端的温度”术语是指有热辐射翅片的热管的端部区域的温度，而“板块部分的温度”术语是指在板块外表面上固定的点上所测得的温度，热管的蒸发段埋置于该板块内。在开始释热后过了一定时间后，工质开始融解，因此开始传热。热管端的温度暂时升高，由于在冷凝段中的冻结又开始下降。一旦发生冻结，该热管不能转入稳定运行，并终止传热，使整个板块的温度很快升高，结果是半导体器件4过热，其温度超过最高的允许温度，例如，100℃。

图4是上述的冷却器的纵剖面图。该冷却器的冷凝能力相当于在实施例中所用的五支热管中的露置于每一外侧的单支热管1b的冷凝能力。该图亦示出了在热管内的工质的状况。如图2中所描述的冷却器的情况一样，这里作了以水为工质的假设，当环境温度低到-30℃时工质在蒸发段中冻结。还假设了冷却器的等热流输入而启动。在冷却器启动后的紧接着的时刻，在蒸发段内已冻结的工质的温度升高，故冻结的工质开始融解并蒸发为汽相，于是开始传热至冷凝段。在这种情况下，仅是热辐射翅片中的一类，即翅片2a，与热管1b相连。故图4所示的热管1b比图2所示的热管1a有更小的热耗散能力，故在热管1b中的被蒸发的工质不在冷凝段内冻结而能返回到蒸发段。在这种情况下，以5d表示的凝结成液相的工质能稳定地，连续地返回蒸发段，如图4所示，从而热管以不短缺工质液相而能运行。

图5示出热管温度和板块温度变化与时间的关系，将零点设在开始释热的时刻。释热开始经过一段时间后，工质开始融解以开始传热。热管端的温度急剧升高几乎等于板块部分的温度。因为热管在该状态下继续运行，板块温度趋于稳定水平。

从以上的描述可以理解，所示的实施例使用了热管的多种组合。当，例如，以水作为工质时，当环境温度低到使工质冻结时，具有较小的热耗散能力的热管1b先启动，故冷却器可有效地运行以提供所要求的冷却性能，反之，当环境温度不很低而不引起冻结，所有的热管1a，1b从一开始均启动来提供所要求的冷却效果。于是，所描述的本发明的冷却器可在较宽的温度范围内运行。

参照该实施例的透视图6，将给出作为本发明的另一个实施例的冷却器的描述。

该实施例的构造，除了热管1a，1b在板块3与热辐射翅片2a，2b之间的部位，在装配半导体4的表面的相反方向上弯曲了90°之外，它与图1所示的实施例基本相同。

在该实施例中，当热管蒸发段是垂直安装时，热辐射的翅片2a，2b可垂直地伸展，故在相邻翅片间的间隙中的气流由于自然对流而被激励，以提供更大的热耗散效果。热管弯曲的角度不限于90°左右，而是根据冷却器安装的形态，以热辐射翅片基本垂直伸展的方式采用任意的所希望的弯曲角。

参看图7和8，将对实施本发明的冷却器进行描述，该两图是这些冷却器的纵剖面图。这些实施例的构造，除了与所有热管连接的热辐射翅片2a布置在远离热管的蒸发段处，而仅与所选择的热管相固定的热辐射翅片2b被布置在靠近蒸发段处之外，与以上图1中所描述的实施基本相同。

特别是，在图8所示的实施例中，靠近热管蒸发段的热辐射翅片不设置在中央的热管上而是独立地设在每支靠外边的热管上。

按照图8所示的布置，中央热管和外侧的热管起的作用相应地是在图1中的实施例中外侧的和中央的热管的作用，而且该布置所产生的效果相当于在图1中所示的实施例所获得的效果。

参看图9和图10，将对实施本发明的不同的冷却器进行描述。该二图是这类冷却器的纵剖面图。

这些实施例的布置与以上所描述的图1的实施例基本相同。然而，在图9的实施例中，热辐射翅片2a，2b是以在沿热管1a，1b的长度上交替或交错方式与热管1a，1b连接。在图10的实施例中，热辐射翅片2a与所有的热管连接，而两支外侧热管中的每一支有独立的热辐射翅片2c以这样方式布置，即热辐射翅片2a与热辐射翅片2c在热管长度方向上交替出现。

按照图10所示的布置，中央的热管和外侧的热管起的作用相应地是图1中的实施例中的外侧的热管和中央的热管的作用，而由该布置所产生的效果相当于图1的实施例所获得的效果。

参看图11至15，将对本发明的不同的实施例进行描述，这些图是实施本发明的冷却器的纵剖面图。这些实施例有共同的特征，即热管的冷凝段的长度根据热管的位置而变化。即，在图11所示的实施例中，两支外热管1c的冷凝段的长度比三支中央热管1b的冷凝段要短些。尺寸足够地大以包容所有的热管的热辐射翅片2与热管1a，1c的冷凝段连接。必然地，由于外侧热管1c的长度比中央热管1a的长度短些，故两支外侧热管1c所带有的热辐射翅片数目比三支中央热管所带有的要少些。可以看到，按照该布置，两支外侧热管1c的热耗散能力比三支中央热管1a要小。于是有可能仅用一种热辐射翅片，由使用不同长度的热管来实现具有不同热耗散能力的热管的冷却器。

图12所示的实施例有两支具有较长的冷凝段的外侧热管1a和三支具有较短冷凝段的热管1c。如图11和12所示的具有不同的冷凝段长度的热管的布置仅是一种示意，并可自由地变动。

图13示出一个与图1所示的类似的实施例。然而，在该实施例中，靠近蒸发段的热辐射翅片2a与所有的热管1a、1c连接，而一组尺寸恰好包容三支中央热管1a的热辐射翅片2b与三支中央热管的末端连接。可以理解，该布置缩小了冷却器的尺寸。

图14所示的实施例与前面图12中所描述的实施例类似。在该实施例中，热辐射翅片2a与所有的热管1a，1c连接，而热辐射翅片2c仅与热管1a连接，而热管1a位于热管1c组的两外侧。热管1a可有不同数目的独立的热辐射翅片2c。

图15所示的实施例使用三支其一端埋置于板块3的热管1d，1e。独立的翅片2d，2e与这些热管的每一支连接。按照该布置，有可能任意选择热辐射翅片的数目和这些翅片的材料，因为不同的热管可以有不同的热耗散能力。即翅片数目可按热管而异，翅片材料也可以不一样，诸如与热管1d连接的翅片是由铜制成，而与热管1e连接的翅片由铝制成。

参看图1b，将对本发明的一个不同的实施例进行描述，该图是该冷却器的纵剖面图。

从图16中可以理解，该实施例有两类热辐射翅片2a，2f，它们具有相同的外围尺寸。然而，从垂直方向看，如图16的下方所示，一类热辐射翅片2f是这样构成的，即其中对五支热管中的两支热管1b所形成的孔是放大3其内径大于热管1b的外径。即在每支热管1b与翅片2f间形成环形隙。很自然地，自热管1b与热辐射翅片2f几乎没有传热，故热管1b的热耗散能力比热管1a要小。

在该实施例中，上述的热辐射翅片2f与其它类型的固定到所有热管上的热辐射翅片2a是这样布置的，即这两类翅片沿热管长度交替地出现。没有必要总是对所有的翅片2f的放大了的孔有相同数目和相同的位置。于是，在该实施例中，使用了相同长度的热管，其热耗散能力根据热管而异，其原因是使用了两类热辐射翅片，它们有同样的外围尺寸，但有可选择的放大了的接受热管的孔的结构。

在所描述的实施例中所采用的多种类型的热辐射翅片的布置不是唯一的。此外，这些翅片的布置不一定是规则的。

参看图17至21，将对实施本发明的不同的冷却器进行描述。图17是本发明的实施例的纵剖面图，图18是应用于图17所示的冷却器中的每一种热管1f，19的横剖面，而图19至21是本发明的冷却器的不同的实施例的纵剖面。

参看图17，冷却器使用了五支热管，包括三支靠里的或中央的热管1f和两支置于热管组两侧的热管1g。三支中央热管1f中的每一支在其内表面具有多个沿热管长度方向开的凹槽，而两支外侧热管1g中的每一支具有光滑内表面。多片热辐射翅片2共同固定到所有热管1f、1g上。图18的横断面示出该两类热管1f、1g中的每一种的断面。显然，内中带有凹槽的热管1f比光滑内表面的热管有较大的冷凝能力。于是，有可能在冷凝段处控制热管的性能。

图19所示的实施例使用了多支热管，热辐射翅片2将它们一起固定。在两外侧的热管的冷凝段的内表面涂以斥水剂，以6所示。按照该布置，具有涂层6的热管的凝结能力比其它设有涂层的热管的要小。以对不同的热管使用不同的材料可获得类似的效果。例如，由铜制成的热管和由铝制成的热管的组合可提供类似于示于图19的实施例所产生的效果。

示于图20的实施例使用了相同长度的热管，以热辐射翅片2将它们共同固定。在热管组外侧的两支热管被充以不凝气体7。不凝气体在热管中占了一定的部分，故充以该类气体的热管呈现出比不含该气体的热管有较小的凝结能力和较小的热耗散能力。当环境温度低时，不凝气体所占的体积变大。反之，当环境温度高时，不凝气体所占的体积变小。于是，图20所示的实施例有这样的优点，即当冷却器启动时，而环境温度低到使工质冻结，充以不凝气体的热管的冷凝能力和热耗散能力保持很低，以避免冻结的危险，而随着环境温度升高该类热管的性能逐渐接近没有不凝气体的热管的性能。不凝气体可以是，举例说，氮或空气。

示于图21的实施例，除了有一个与充以不凝气体的热管连接的容器外，基本上与图20所示的实施例相同。显然，该容器可用伸缩软管或类似物替代。

参看图22，将对本发明的冷却器的不同的实施例进行描述，该图是该实施例的纵剖面图。该实施例用了多支相同长度的热管，有等面积的热辐射翅片2将热管1共同连接起来。布置在热管组两外侧的热管比布置在热管组中间部位的靠里的三支热管有较多的工质5的充装量。在运行时，在两支外侧的热管中的每一支的工质由于沸腾所产生流体的空穴将液位升高到高于中间的三支热管的液位水平，故使冷凝段有效传热面积变小，因此，含有较大的工质充装量的热管的凝结能力和热耗散能力比含有较少的工质充装量的热管的要小。

参看图23和24，给出对实施本发明的不同的冷却器的描述，这些图是实施例的纵剖面图。

从图23中看到，几乎有相同面积的热辐射翅片2与相同长度的热管连接。由隔断8阻碍空气进入在两支外侧热管端部的围绕热辐射翅片2的区域，隔断8局部地设置在这些热辐射翅2之间的空隙部位，以对两支外侧热管实现比其它热管有较小的热耗散能力。隔断8集体地附加在热辐射翅片末端区域。这种布置可以做到容易地降低所选择的热管的热耗散能力。

显然，隔断8可以由其它类型的元件来替代，这些元件能阻止空气进入热辐射翅片周围的区域，如隔板。

图24所示的实施例，除了隔断8以等间隔地被安置在热管冷凝段外，基本上与图23所示的实施例相同。示于图23和24的隔断的布置仅是示意性质的，并可以按所希望的变动。

参看图25和26，对实施本发明的一种不同的冷却器进行描述，这些图是从平行于热管排列的平面的方向去看冷却器在不同的形态的侧视图。

这些实施例有共同的特征，即多支热管的每支的一个端部固定到板块3上，而多片热辐射翅片2a连接到热管1的另一端，其中某些热辐射翅片用形状记忆合金9制成。

形状记忆合金的工作情况如下，当环境温度属正常时，由形状记忆合金制成的热辐射翅片保持了与其它翅片相同的形状。图26示出了当环境温度下降后所观察到的冷却器的形态。由形状记忆合金制成的翅片由于低温如此地改变了它们的形状，即每片这类的翅片在管孔下面的部分向邻近的翅片偏移，于是形成了对空气进入翅片间空隙的障碍。从而降低了热耗散能力。所以，在该实施例中，当环境温度低时，热管的热耗散能力下降而又不削弱在正常环境温度下的性能。

参看图27，对按照本发明的冷却器的一个不同的实施例进行描述，该图是冷却器的剖面图。从图中看到，该实施例的冷却器用了多支热管1，这些热管其每支的端部插入板块3的一个孔中。多片热辐射翅片2与热管1的另一端固定。热辐射翅片2由一可移走的罩10覆盖。当环境温度低时，将罩覆盖在热辐射翅片2上以阻止空气与热辐射翅片2接触或减少空气的进入量。反之，当环境温度不太低时，将罩10拿掉让空气流入接触热辐射翅片，从而增加热耗散能力。显然，可移走的罩10可由与热管式冷却器连成一体的固定罩替代，该固定罩口装有控制空气流进入热辐射翅片间的空隙的机构，也就是百叶窗，阻隔板或类似物。

参看图28，对一个不同的实施例的冷却器进行描述，该图是冷却器连接到的一个外壳的侧视图。

很特别的是，图28示出了外壳，以11表示，可以是包容悬挂在铁路机车底盘的控制器的外壳，并与部分控制器一并示出。多支热管的每支的一端与板块相连。多片热辐射翅片2与热管固定。此外，热管1是这样地弯曲，使热辐射翅片基本与地面垂直地伸展。用了两个单元的这类冷却器：一个置于另一个的上面，以冷却一对半导体器件4。包围热辐射翅片2的外壳11的部分有多个孔或由细目丝网板构成以促进外壳11内的空间中的通风。用了一种百叶窗机构开启和关闭孔或丝网的细孔。当环境温度低时，即在冬季、百叶窗关闭以减少热管的热耗散能力。如图27所示的上述另一实施例的情况，控制空气流进出围绕翅片的区域的机构不限于是百叶窗。

参看图29和30，将对本发明的不同的冷却器进行解释，这些图是这些冷却器的纵剖面图。参看图29，多支热管的每一支其一端固定至板块3。多片热辐射翅片2与热管1的冷凝段固定，发热元件14和热传感器13与热管的末端连接。温度传感器13所感受到的热管的温度通过放大器15输入比较器16与温度设置器17中的已设定的温度进行比较。当热管末端的被感受到的温度低于设定温度时，根据温差由驱动电路18供给发热元件以电能。由将设定温度确定为等于工质冻结的温度，有可能避免热管内部工质的冻结。

现在参看图30，多支热管的每一支的一端固定在板块3上，而多片热辐射翅片2连接着这些热管。将冷却风扇19置于热辐射翅片附近，此迫使冷却空气流入翅间的空隙中，由此造成受迫冷却。置于热管末端的温度传感器13感受到该末端的温度。对应于末端温度的信号通过放大器15传给比较器16，以与设置在温度设置器17内的温度进行比较。驱动电路18根据感受的温度与设置温度间的温差启动以开动风扇19，由此形成风扇的速度控制。有可能通过这种安排来有选择地降低热管的热耗散能力，即在环境温度低于设置值时，风扇不工作或以低速运转。

参看图31，将对本发明的冷却器的一个不同的实施例进行描述，该图是该冷却器的纵剖面图。

该实施例与图1中的以前所描述的实施例基本相同。在该实施例中，铜块20的厚度大于固定在热管的中间部位在末端的翅片的厚度。按照这种布置，促进了热管间的传热以降低具有较大热耗散能力的热管在其中的工质冻结后重新启动的温度。

参看图32和图33，现将给出该实施例运行的描述。

图32示出了当以水为工质的冷却器在-30℃很低的环境温度下运行时所观察到的工质的状况和传热状况。在该状态下，在中间的三支具有较大热耗散能力的热管不能运行，因为工质5c在冷凝段内冻结了。同时，置于热管组的两侧或外侧的两支具有较小热耗散能力的热管正常运行。在这种情况下，热管1a的冷凝段的温度低于热管1b的冷凝段的温度。在这种情况下，外侧热管1b通过铜块20将热传至中间热管1a，致使在中间的三支热管的冷凝段的温度升高到高于环境温度，虽然热管1a并不运行。

图33示出当环境温度自-30℃升高时板块3的温度状况。实线的曲线表示设有铜块20的冷却器的板块中测到的温度，而虚线表示用铜块20时的温度。当不用铜块20时，热管1a内的工质冻结以造成在热管1a中的液态工质的短缺。于是中间的三支热管1a对传热不起作用。其结果是冷凝段的温度保持在几乎与环境温度相等的水平。

为了使热管1a重新启动，必须使环境温度升高到0℃左右。图33中的实线表示，当环境温度已达到0℃时，由于中间热管的启动，板块的温度暂时降低，然后随着环境温度的升高而开始再次升高。从图33中将可看到当环境温度在0℃左右时在板块部分的温度可高达80℃左右。另一方面，当使用铜块时，在中间的三支具有较大的热耗散能力的热管的冷凝段的温度已被升到高于环境温度的水平，其理由，图32在上面已陈述过了。可以设想，由于铜块20的作用，中间的三支热管1a的冷凝段温度被提高到比环境温度高出10℃的水平。这意味着，当环境温度仍在-10℃的低温时，中间的热管1a的冷凝段温度已被升高到0℃左右，故这些热管可以重新启动。图33中的虚线指出，当环境温度达到-10℃左右，在中间的三支热管1a启动，暂时地降低了板块的温度，之后，板块部分的温度随着环境温度的升高而升高。图33示出，当环境温度为-10℃时，板块温度达60℃。于是，通过使用铜块20，有可能在当环境温度低于0℃时降低板块的最高温度。在某些场合，可以在冷却器的整个使用温度范围内获得这种最高温度的降低。

参看图34，将对实施本发明的一个不同的冷却器进行描述，该图是该冷却器的纵剖面图。在该实施例中，图31所示的实施例所用的铜块20由热辐射翅片叠层29所代替，每一叠层包括多片翅片，这些翅片的大小要包容所有的热管并密实堆叠，在相邻翅片间不留空隙。按照该布置，每一叠层的翅片的表面隐蔽的，不与空气接触，故该叠层起到促进热管间的传热的作用。该实施例有可能毋需制备或使用任何特殊元件，如铜块，而促进热管的导热，因为热辐射翅片叠层可很容易地由热辐射翅片来形成。实用上，具有大导热系数的元件可用作装配冷却器的元件，装在构成冷却器的热管的端部。

参看图35，将对实施本发明的一个不同的冷却器进行描述，该图示出了冷却器在铁路机车上的应用。更为特别的是，图35示意了铁路机车的一部分。机车的控制器悬挂在那里。

参看图35，冷却器置于机车车框21的地板下面，为了冷却半导体器件，这些器件是控制机车发动机控制电路的主要组成部分。该冷却器是实施本发明的冷却器的放大的尺寸示于图35的下部。可从该图中了解，被冷却了半导体器件设想是平板式插件，即IGBT组件。当被冷却的半导体器件是层式的，若是可控硅开关(GTO)时，半导体器件和冷却器的板块是交错地层叠。

本发明的冷却器可不仅应用于铁路机车的控制装置，而且还可应用于冷却各种类型的半导体器件，这些器件希望在低的环境温度下，亦即寒冷地区使用。例如，本发明的冷却器可适用于冷却在寒冷地区使用的控制直流电动机的一般用途的逆变器，或冷却在寒冷地区使用的通讯用光缆传输系统。

虽然通过特殊的形式描述了本发明，但可理解，所描述的本发明仅是作为举例说明性质的，并可赋予多种变化和修正。例如，虽然每个实施例被描述成由五支热管构成冷却器，但本发明的冷却器可以有任何所希望有的热管数。虽然所描述的本发明使用了一种或两种热辐射翅片，但在每个实施例中使用三种或更多类型的热辐射翅片也是可能的。

从上述的描述中可以理解，本发明提供了具有多支热管的热管式冷却器，这些热管即使在环境温度低于工质的冻结温度下能有效地起冷却作用，以及在常温下运行时有高的传热能力，于是为冷却半导体器件，IGBT组件，GTO可控硅开关等提供了有效的手段。

Claims (29)

1.一种热管式冷却器包含：多支热管；一块由高导热系数的材料制成的并与被冷却对象连接的板块；每支所述的热管有一端埋置在所述板块中；所述的热管暴露在所述的板块外的部分备有热辐射翅片作为热耗散元件，从而构成所述热管的冷凝段，在那里所作的改进包括，具有所述的热耗散元件的热管至少分成两组，不同组的热管具有不同的热耗散能力。

2.按照权利要求1的热管式冷却器，其特征是，所述的不同的热管组与之相连的热辐射翅片具有不同的总面积。

3.按照权利要求1的一种热管式冷却器，其特征是，不同组的热管有不同的长度。

4.按照权利要求2的一种热管式冷却器，其特征是，有两类所述的热辐射翅片，每个所述的翅片有让热管能从中穿过的孔并其所定的尺寸可包容所有的热管，而且，在那里，在所述的两类翅片中的一种翅片中，对应于所选择的热管的所述的孔是扩大了的，其内径大于所述热管的外径。

5.按照权利要求1的热管式冷却器，其特征是，所述的热辐射翅片的尺寸定为要包容所有的热管，在那里的隔断置于所述的翅片径向外部区域处以阻止空气流进入所述的翅片之间的空隙内。

6.按照权利要求2的热管式冷却器，其特征是，所述的热辐射翅片独立地连接到所述的热管上，并且在那里的不同组的热管有不同数目的与之连接的热辐射翅片，故不同组的热管有不同的热耗散能力。

7.按照权利要求1的热管式冷却器，其特征是，所述的热辐射翅片均独立地连接到每支所述的热管上，而且那里的连接到不同组的热管上的热辐射翅片由不同的材料制成。

8.按照权利要求1的热管式冷却器，其特征是，不同组的所述的热管由不同的材料制成。

9.按照权利要求8的热管式冷却器，其特征是，所述的热管分组成第一和第二组，所述第一组的热管由铝制成，而所述第二组的热管由铜制成。

10.按照权利要求1的热管式冷却器，其特征是，不同组的热管有不同的内表面构造。

11.按照权利要求10的热管式冷却器，其特征是，所述的热管被分成第一组和第二组，所述的第一组的每支所述的热管的内表面有在长度方向伸展的槽，而所述第二组的每支热管有光滑的内表面。

12.一种热管式冷却器包含：多支热管；一块由高导热系数的材料制成的并与被冷却对象连接的板块；每支所述的热管有一端作为蒸发段并埋置于所述板块内；以及所述热管具有作为热耗散元件。热辐射翅片，故具有热辐射翅片的所述热管的那部分构成所述热管的冷凝段，其特征是，所述的热管至少被分成两组，不同组的热管充以不等的工质充装量。

13.按照权利要求1的一种热管式冷却器，其特征是，在热管组中的一组的热管的冷凝段的内表面涂以斥水涂层。

14.按照权利要求1的一种热管式冷却器，其特征是，所述的热辐射翅片至少分成两组，不同组的热辐射翅片由不同材料制成，其中一种材料是形状记忆合金。

15.一种热管式冷却器包含：多支热管；一块由高导热系数的材料制成的并与被冷却对象连接的板块；每支所述的热管有一端作为蒸发段并埋置于所述板块内；以及所述的热管有作为热耗散元件的热辐射翅片，具有热辐射翅片的热管部分构成所述热管的冷凝段，其特征是，所述的热管组中至少一组的热管，除有工质外，还含有不可压缩气体。

16.按照权利要求2的热管式冷却器，其特征是，至少一个置于两相邻热辐射翅片之间的元件，所述元件在沿热管长度方向上有比所述的热辐射翅片大的横截面，并有高的导热系数的促进不同热管间的传热。

17.按照权利要求16的热管式冷却器，其特征是，所述的具有高导热系数的元件是一片片紧挨着的所述的多片热辐射翅片的叠层。

18.按照权利要求16的热管式冷却器，其特征是，所述的具有高导热系数的元件亦用作与所述的热管端部连接的加强件。

19.按照权利要求16的热管式冷却器，其特征是，所述的具有高导热系数的元件用作与所述冷却器连接的固定框架的一部分。

20.一种热管式冷却器包含：多支热管；一块由高导热系数的材料制成的并连接被冷却对象的板块；所述热管的每一支有一端作为蒸发段并埋置于所述板块内，和所述热管具有作为热耗散元件的热辐射翅片，故具有热辐射翅片的所述的热管部分构成所述热管的冷凝段，其特征是，所述的冷却器还包含一个与所述热管的冷凝段连接的发热元件。

21.按照权利要求20的热管式冷却器，还包含，当环境温度或所述热管的温度降到低于预定温度时，启动所述的发热元件的装置。

22.一种热管式冷却器包含：多支热管；一块由高导热系数材料制成的并与被冷却对象连接的板块；所述的热管的每一支有一端作为蒸发段并埋置于所述的板块内；以及所述的热管有作为热耗散手段的热辐射翅片，故具有所述的热辐射翅片的热管的那部分构成所述热管的冷凝段，其特征是，所述的冷却器还包含一冷却风扇用于将空气吹入相邻热辐射翅片之间的空隙中以冷却所述的热辐射翅片，和当环境温度或所述热管温度降到低于预定温度时控制所述风扇运行的控制器。

23.一种热管式冷却器包含：多支热管；一块由高导热系数的材料制成的并与被冷却对象连接的板块；每支所述的热管有一端作为蒸发段并埋置于所述板块内；和所述的热管具有作为热耗散手段的热辐射翅片，故具有所述的热辐射翅片的所述热管的那部分构成所述热管的冷凝段，其特征是，所述的冷却器还包含一块挡板，它阻碍空气流入相邻的热辐射翅片之间的空隙中去。

24.按照权利要求23的热管式冷却器，还包含变换所述挡板位置的装置当环境温度或所述热管温度降到低于预定值时使所述挡板形成对空气流入相邻热辐射翅片之间的空隙的障碍。

25.按照权利要求23的热管式冷却器，其特征是，所述的挡板与包容所述的冷却器的外壳相连。

26.按照权利要求1至25中的任一项所述的热管式冷却器，其特征是，所述的热管是这样弯曲的，使所述的热辐射翅片在垂直方向伸展。

27.按照权利要求1至26中的任一项所述的热管式冷却器，其特征是，所述的被冷却对象是一个IGBT组件。

28.按照权利要求1至26中的任一项所述的热管式冷却器，其特征是，所述的被冷却对象是一个(GTO)可控硅开关。

29.一个机车控制器，其特征是，含有按照权利要求1至26中的任一项所述的热管式冷却器。

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