CN203523220U

CN203523220U - 空腹热管散热器

Info

Publication number: CN203523220U
Application number: CN201320547379.9U
Authority: CN
Inventors: 何少云
Original assignee: ZHONGSHAN JIAYI ELECTRONIC TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: ZHONGSHAN JIAYI ELECTRONIC TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2013-09-04
Filing date: 2013-09-04
Publication date: 2014-04-02
Anticipated expiration: 2023-09-04

Abstract

本实用新型涉及一种空腹热管散热器，所述散热器包括冷凝器，与热源接触的取热器母板，冷凝器位于取热器母板之上并与之直接连接，所述冷凝器与取热器母板均为中空结构，并且冷凝器包括多个中空的翅片，所述取热器母板具有两个表面，其中的一个表面直接接触热源的光滑平面，并在取热器上设置有安装热源的多个盲孔，在该多个中空的翅片与中空的取热器母板中填充有用于散热的相变材料的工质，在该相变材料中也可添加纳米碳管以增加导热能力，该多个中空的翅片空腔与中空的取热器母板的空腔相互联通，其该翅片与母板为一体成型形成的一个整体结构，且在散热器母板上设置多个微槽群，以提高散热器对热源的散热效果,或者为了简单而不设置微槽群而采用平面或其他曲面均可。

Description

空腹热管散热器

技术领域

本实用新型涉及一种新型高效散热器，特别适用于发热量较大而散热能力不够，又受到空间尺寸约束的大功率电子元器件, 如igbt,igct等。以及led, tec,cpu,gpu等器件。本散热器一改传统的实心翅片散热器而采用空心翅片散热器, 并佐以微槽技术，复合纳米技术, 重力热管技术等多项新技术, 故称之为空腹热管散热器。与传统平面重力热管散热器相比，其热阻仅它的五分之一左右。因而在同等体积的散热条件下，其散热能力提高了百分之四十至百分之九十五左右。

背景技术

众所周知，诸如开关电源，变频电源，IGBT，IGCT及LED，TEC,GPU等大功率器件的能耗较高。其中仅极少一部分电能转换成为有用的功率能够为人类服务, 如led的光亮等。而大部分的能耗却变为热能, 如果不将这些热量散发出去，器件将无法正常工作。因此，高效的散热器对于大功率器件的工作性能起到至关重要的作用。

现代常用的散热技术主要有: 自然对流散热，加装风扇强制散热，液冷散热，热管散热，半导体制冷散热等。自然对流散热方式的热阻大,传热性能差，当器件热密度大于0.08W/cm2时,这种冷却方法已不能满足实际要求。通常不得不采用加大散热器尺寸的方式才能勉强应用。而加装风扇的散热方式所占空间较大，噪声也大,往往限制了其应用。液冷散热系统较复杂, 其寿命受到水泵密封圈的制约, 一旦冷却液外漏会浸湿线路板, 可靠性难以保证。热管作为一种高效传热元件，热量传递很快, 但由于散热器的翅片热阻较大, 散热能力跟不上而难以达到良好的效果，而有芯热管技术直接应用在大功率器件的散热上还存在制造成本高、体积宠大，加工困难等缺点,不利于产品的市场化。半导体制冷易产生冷端结露,造成主板短路，且制冷效率低,消耗功率较大。因此，开发一种可应用于大功率器件且价格适中,体积不大,高效,可靠性高的新型散热器显得尤为迫切。

目前应用较为广泛的散热方式有:A,图1所示的翅片型散热器，主要是将高导热材料（如铝型材或铜）挤压成型形成翅片4，然后翅片通过空气自然对流将热源1的热量散发出去，或增加强迫风冷措施以提高散热效果。B,如图2所示的平面热管散热器。其翅片为实心的铜铝等金属材料，和空心的平面热管基板连成一体。上述散热器在将热量导出的过程中，接触热阻2较大，发热体的温度往往比翅片的温度高十几摄氏度乃至几十摄氏度。而半导体PN结所能承受的温度希望不高于65℃。国际上普遍认为，高于该温度时每增加5℃，器件寿命会缩短一倍，且可靠性将明显降低。因此，人们希望开发一种既不增大散热器外型尺寸，也不增加散热器重量的高效散热器。

实用新型内容

为了提高散热器对大功率器件的散热效果，申请人通过多年研究实用新型了一种空腹热管散热器。所述散热器包括冷凝器，与热源接触的取热器母板。冷凝器位于取热器母板之上并与之直接连接。其特征在于：所述冷凝器与取热器母板均为中空结构，并且冷凝器包括多个中空的翅片。所述取热器母板具有两个表面，其中的一个表面为直接接触热源的光滑平面，并在取热器上设置有安装热源的多个盲孔。另一个表面为平面或微槽形状的表面，在该多个中空的翅片与取热器母板空腔中填充有用于相变散热的工质。

该多个中空的翅片空腔与取热器母板的空腔为一体结构。所述取热器母板中设置有多个与中空翅片相适应的微槽，中空翅片被收纳于该容纳槽中，中空翅片的侧壁底部分别与该母板容纳槽的侧壁相连接。其中所述散热的工质为相变材料，为了进一步提高散热效果还可以在相变材料中加入纳米碳管；所述相变材料包括蒸馏水、甲醇、丙酮，HFC制冷剂，氯化钙，硝酸钙，硝酸锰，硫酸纳等多种工质，根据实际要求选取其中一种或几种的组合。其中所述取热器母板底部包括采用多个利用机加工，型材挤出，蚀刻，锻压等技术形成的微槽，或者平面或其他曲面。所述翅片与母板的材料包括铝、铜以及其他高导热金属材料或高导热的非金属材料。所述热源包括大功率的LED、TEC、IGBT、IGCT等多种规格型号的电子元器件，以及除此之外的需散发热量的芯片，如cpu,gpu等。所述翅片的数目与尺寸并无特别限定，可以根据实际散热需要而设置。

本实用新型的空腹热管散热器在不增大散热器外型尺寸以及重量的基础上，将中空翅片冷凝器与中空取热器母板成型为空腔相互连通的一体结构，也可在该取热器母板的底部设置微槽，以进一步提高灌装在该空腔中的重力冷却相变介质的散热能力，从而提高了对大功率器件的散热效率。

附图说明

图1：普通散热器；

图2：平面热管散热器；

图3：重力热管的基本工作原理示意图；

图4：重力热管散热器；

图5：空腹热管散热器；

图6：锥形翅片空腹热管散热器；

图7：矩形翅片空腹热管散热器；

图8：圆形翅片空腹热管散热器；

图9：输入功率对三种不同散热器装配的LED表面温度的影响曲线图；

图10：环境温度对三种不同散热器装配的LED表面温度的影响曲线图；

图11：空腹热管散热器的制作方法示意图；

图12-图16：一种空腹热管散热器的成品图。

1：热源，2：接触热阻，3：母板，4：翅片，5：工质，6：容纳槽，3-1：蒸发段，3-2：绝热段，3-3：冷凝段，3-4：管壳，3-5：放热，3-6：蒸汽，3-7：回流液体，3-8：吸热，11-1：微槽群，11-2：用于抽真空，充入工质的管道。

具体实施例

首先结合说明书及附图介绍本实用新型空腹热管散热器。所述散热器的基本工作原理如图3所示，它是一种依靠重力回液的高效平面重力热管散热器，传热方向不可逆。重力热管的工作介质积蓄在热管管壳3-4的底部，蒸发段3-1处于热管下半部，凝结段3-3在热管的上半部，绝热段3-2在中间。工质在蒸发段通过吸热3-8吸收了热源供给的热量后蒸发。蒸汽3-6向上流动，通过绝热段后，在凝结段将汽化潜热交给冷源放热3-5，从而凝结成液体。凝结液由于重力的作用形成回流液体3-7，回流液体3-7回流到下半部蒸发段完成一个工作循环。借助工质连续不断的循环，将下半部热源的热量源源不断地传到上半部的冷源。

申请人根据上述原理开发了新型的热管散热器。在一个实施例中，该新型热管散热器为如图4所示的平面重力热管散热器。所述重力热管散热器包括N个中空的翅片4以及与热源1接触的取热器母板3。其中中空的高导热材料构成的翅片中充满了包括相变材料的导热工质5，如蒸馏水、甲醇、丙酮、HFC制冷剂, 氯化钙, 硝酸钙，硝酸锰，硫酸纳等多种工质中的一种或几种。为了进一步提高散热效率，可以在相变材料中添加纳米碳管。在母板3中有N个与中空翅片相适应的容纳槽6，中空翅片被收纳于该容纳槽中，中空翅片4的侧壁和底部分别与容纳槽的侧壁与底部接触，有较大的散热接触面积。相比于如附图1和2的普通翅片散热器，空腹热管散热器在散热的过程中，不仅可以像普通散热器一样依靠翅片4对热源1进行散热，更重要的是在中空翅片内部的工质5在散热过程中发生了相变，因此能带走的热量比仅依靠翅片散热的普通平面热管散热器带走的热量更多，温度更高，传热温差更低。所以空腹热管散热器的散热能力比普通平面热管散热器的散热效果更好。

为了提高散热器与热源的集成度（也就是说在不增大散热器的尺寸的情况下）以及进一步提高新型热管散热器的散热能力，申请人实用新型了空腹热管散热器，该空腹热管散热器集中了微槽技术，热管技术，纳米技术，低热阻技术。

结合说明书附图5和11来说明该空腹热管散热器。所述空腹热管散热器包括取热器母板3，包括相变介质材料的工质5，冷凝器翅片4。取热器母板3具有两个表面，其中的一个表面直接接触热源1的光滑平面，其中热源可以为LED、TEC、IGBT、IGCT等大功率器件，或者cpu,gpu芯片。取热器母板3采用包括铜、铝或其它金属材料形成，并在取热器上设置有便于安装热源的盲孔。为了增大取热器母板与工质的接触面积，在取热器母板的另一个表面上利用微槽技术形成若干个微槽群11-1。相变材料视热源1的实际温度要求而定。冷凝器是具有中空的N组翅片结构，所述中空翅片4的内侧面具体几何形状没有特别的限定，可以为三角锥形，矩形，圆形或者其它任何合适的形状，如说明书附图6-8所示。其中附图6为锥形翅片，附图7为矩型翅片，附图8为圆形翅片，其外侧面则设计成各种形状的翅。翅片的腹部是中空的，因而其热阻明显低于普通翅片型散热器。

相比于平面重力热管散热器，空腹热管散热器的中空的取热器母板3与整个中空的冷凝器翅片4一体成型形成一个整体，将翅片与母板的空腔相互连通在一起，如附图5所示。取热器母板3中还存在如附图4所示的容纳翅片4的收纳槽6。空腹热管散热器内部工质液体与管壁内表面的接触面积比重力热管散热器内部工质液体与管壁内表面的接触面积大很多，因此能带走的热量比重力热管散热器带走的热量更多，表面温度更高，传热温差更大，所以空腹热管散热器散热能力比平面重力热管散热器的更强。

比较例

为了说明本实用新型的空腹热管散热器具有较高的散热效率，现将图5中的空腹热管散热器与图1、2中的普通散热器和平面热管散热器进行比较。

散热器的热阻=接触热阻R₁+散热母板热阻R₂+翅片热阻R₃。就一般而言，R₁=10%R总，R₂=10%R_总，翅片热阻=80% R_总。从中可以看出，翅片的热阻成为影响散热器散热效率的最大因素，而翅片的结构直接决定着其热阻的大小。从上可以看出：R_1a= R_1b= R_1c；R_2a> R_2b> R_2C；R_3a> R_3b> R_3c；并且申请人根据大量的实验数据分析经测算得到：R_3c= R_3b1/4= R_3a1/6；其中：R_1a为图1中普通散热器的接触热阻，R_1b为图2中普通平面热管散热器的接触热阻，R_1c为图5中空腹热管散热器的接触热阻；R_2a为图1中普通散热器母板的热阻；R_2b为图2中普通平面热管散热器母板的热阻；R_2c为图5中空腹热管散热器母板的热阻；R_3a为图1中普通散热器翅片的热阻；R_3b为图2中普通平面热管散热器翅片的热阻；R_3c为图5中空腹热管散热器翅片的热阻。

申请人通过具体实验将附图1、2、5中的散热器应用于对大功率LED进行散热，分别安装了附图1、2、5所示三种散热器的大功率LED灯，在不同的环境温度和不同输入功率条件下，对应的表面温度的测试结果如图9-10所示。从图9中可以得知，当环境温度设定为30℃时，在不同输入功率下，图1的普通散热器与大功率LED灯的接触面的温度均较高，图5中的空腹热管散热器与大功率LED灯的接触面的温度较低，而图2中的平面热管散热器的接触面温度则介于两者之间；LED灯表面温度随着LED灯的发热功率的增加而升高，但使用不同的散热器LED灯的表面温度升高的程度不一样。图5中的空腹热管散热器接触面的温度升幅较小，而图1中的普通散热器随接触面的温度升幅较大，图4中的平面热管散热器接触面温度居于两者之间；即空腹热管散热器的散热效果较好。

从图10中可以得知，当大功率LED灯的输入功率设为14W时，随着环境温度的升高，大功率LED灯的表面温度也升高，应用不同散热器LED灯的表面温度升幅基本一样。在相同环境温度下，图1中的普通散热器与LED灯的接触面的温度均较高，图5中空腹热管散热器与LED灯的接触面的温度均较低，而图4中的平面热管散热器介于两者之间。因此空腹热管散热器可以使大功率LED工作于更低的温度，对环境温度的改变也有更好的适应性。

现结合说明书附图11详细描述本实用新型空腹热管散热器的制作方法。首先选用例如铝或铜等高导热率的材料加工形成散热器的中空翅片冷凝器以及中空的取热器母板，再将所述冷凝器与取热器母板用焊接或粘接或其他办法形成为一体结构, 并引出一条便于清洗, 抽真空, 灌装工质的管道11-2, 也可采用特种模具压铸成型或类似方式一次性将冷凝器翅片和母板制成一体；特别需要说明的是，为了更进一步提高散热能力，最好在取热器母板上利用微槽技术设置多个微槽群11-1，而翅片冷凝器中翅片个数或大小可以根据实际需要和空间大小而定，然后以高压液体清洗翅片冷凝器和取热器母板中空的腔体，并对其钝化后抽成真空，再罐注适量的工质，最好再掺入一定数量的纳米碳管材料以提高散热效果。最后再对散热器外部表面进行阳极氧化,电泳涂漆或采取其他防护措施，即可制成本实用新型如图12-16所示的空腹热管散热器成品。

本实用新型的空腹热管散热器制作工艺较常规平面热管散热器复杂，但大大降低了现有散热器的翅片热阻；其散热能力较同尺寸的普通平面热管散热器提高了40％～95％；在极限热流密度内，具有业内无可比拟的散热性能，对环境温度的改变有更好的适应性。由上述结论可以预期，本新型空腹热管散热器将会以较高的性价比、稳定且高效的换热性能得到广泛的应用。

Claims

1.一种空腹热管散热器，包括冷凝器及与热源接触的取热器母板，所述冷凝器位于取热器母板之上并与之直接连接，其特征在于：所述冷凝器与取热器母板均为中空结构，并且所述冷凝器包括多个中空的翅片，所述取热器母板具有两个表面，其中的一个表面直接接触热源的光滑平面，并在取热器上设置有用于安装热源的多个盲孔，在该多个中空的翅片与中空的取热器母板中填充有用于相变散热的工质。

2.如权利要求1所述的散热器，其特征在于：该多个中空的翅片空腔与中空的取热器母板的空腔相互联通，其中该翅片与取热器母板为一体成型形成的一个整体结构。

3.如权利要求1所述的散热器，其特征在于：所述取热器母板中设置有多个与中空翅片相适应的容纳槽，中空翅片被收纳于该容纳槽中，中空翅片的侧壁和底部分别与该母板容纳槽的侧壁和底部接触。

4.如权利要求1-3任一所述的散热器，其特征在于：其中所述用于相变散热的工质包括相变材料。

5.如权利要求4所述的散热器，其特征在于：所述散热的工质还包括纳米碳管。

6.如权利要求4所述的散热器，其特征在于：所述相变材料包括蒸馏水、甲醇、丙酮、HFC制冷剂、氯化钙、硝酸钙、硫酸纳及硝酸锰中的任意一种。

7.如权利要求2所述的散热器，其特征在于：其中所述取热器母板底部包括具有多个利用微槽技术形成的微槽, 或平面或其他形状的曲面。