專利名稱：一種大功率平板整體式相變散熱方法及散熱器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用熱傳導(dǎo)散熱的散熱器散熱方法及裝置，尤其是指 一種相變(或熱管)散熱技術(shù)散熱的散熱器散熱方法及散熱器，國際專利分類號(hào)為F28B1/00，由于相變散熱技術(shù)有高效節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，該類型的散熱 器有了廣泛的應(yīng)用(如熱管散熱器)，本發(fā)明的技術(shù)主要用于大功率半導(dǎo)體 元件用散熱器。
背景技術(shù)：
大功率整流(變流)裝置中使用半導(dǎo)體元件作開關(guān)器件，為了減少單 個(gè)橋臂元件并聯(lián)的數(shù)量，均趨向于使用大元件，如電力機(jī)車用整流裝置由 原來一個(gè)橋臂用6個(gè)2英寸晶閘管串、并聯(lián)，到現(xiàn)在的一個(gè)橋臂只用一個(gè) 5英寸晶閘管，單個(gè)半導(dǎo)體元件的發(fā)熱功耗達(dá)數(shù)千瓦。所以，要求配套的 散熱器有更高的散熱能力，而且要在有限的空間里實(shí)現(xiàn)散熱。由于相變類 散熱器具有高效節(jié)能的特點(diǎn)，所以，在大功率半導(dǎo)體元件散熱領(lǐng)域有了越 來越多的應(yīng)用。目前一般使用的相變類散熱器由圓形熱管、散熱翅片和基板(固定發(fā) 熱元件)組成，優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟。其不足之處由于熱管與散熱片及基板 的連接是一種裝配結(jié)構(gòu)，在散熱器的熱阻要求很小的應(yīng)用場(chǎng)合，接觸熱阻 影響較大，受工藝的影響也較大，散熱效率受到限制；另外，通過多根熱 管的排列來實(shí)現(xiàn)較大熱功率的傳輸，基板的溫度會(huì)不均勻，而且這種溫差 會(huì)隨功率增加而變大，對(duì)半導(dǎo)體元件的影響是不利的。為了有效解決大功 率半導(dǎo)體元件散熱問題，很有必要對(duì)此加以研究。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是為了解決大功率半導(dǎo)體元件散熱問題，提出一種散熱 效果更好，且溫差小，能滿足機(jī)車整流裝置用大功率半導(dǎo)體元件的散熱要 求的散熱方法及散熱器。本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的 一種大功率半導(dǎo)體散熱 器，應(yīng)用相變散熱的原理，采用平板整體式相變散熱的方式進(jìn)行散熱的散 熱器。并在平板整體式散熱器內(nèi)腔的蒸發(fā)段增加毛細(xì)吸液芯，在毛細(xì)吸液 芯在元件所在的發(fā)熱區(qū)域均布開有垂直窄槽，通過窄槽露出的內(nèi)腔發(fā)熱表 面形成的液態(tài)工質(zhì)膜實(shí)現(xiàn)高效的相變換熱。所述的散熱器散熱具體方式是采用垂直放置的平板整體式散熱器， 通過在散熱器內(nèi)腔下部的蒸發(fā)段增加毛細(xì)吸液芯，且毛細(xì)吸液芯在元件所 在的區(qū)域均布開垂直窄槽，通過毛細(xì)吸液芯含水，在窄槽露出的內(nèi)腔發(fā)熱 表面形成液態(tài)工質(zhì)膜，這層液態(tài)工質(zhì)膜從發(fā)熱表面吸熱，相變成氣態(tài)工質(zhì) 后直接進(jìn)入散熱器空腔，通過散熱器內(nèi)腔上部冷凝段放熱相變成液態(tài)工 質(zhì)，從散熱器內(nèi)腔表面分布的垂直的微形溝槽流回蒸發(fā)段，實(shí)現(xiàn)循環(huán)相變 散熱；對(duì)于單面發(fā)熱源的情形，將散熱器內(nèi)腔的3面回流截流并導(dǎo)入蒸發(fā) 段的發(fā)熱面，將傳熱路徑降致最低。通過散熱器內(nèi)腔上部冷凝段放熱相變 成液態(tài)工質(zhì)，從散熱器內(nèi)腔表面分布的垂直的微形溝槽流回蒸發(fā)段實(shí)現(xiàn)高 效的相變散熱。根據(jù)上述原理所開發(fā)的大功率半導(dǎo)體散熱器，為平板整體式結(jié)構(gòu)，垂 直放置，包括散熱本體、散熱翅片和銅板臺(tái)面，散熱本體內(nèi)為空腔結(jié)構(gòu)，
外部為散熱翅片，在散熱本體空腔結(jié)構(gòu)的蒸發(fā)段內(nèi)設(shè)有能提高散熱效率的 均布垂直窄槽的毛細(xì)吸液芯，整個(gè)空腔內(nèi)表面分布垂直的微形溝槽起液態(tài) 工質(zhì)的回流作用。散熱本體的內(nèi)腔下端為蒸發(fā)段，毛細(xì)吸液芯安裝在散熱 本體內(nèi)腔下端蒸發(fā)段上。毛細(xì)吸液芯為腔體結(jié)構(gòu)，由銅粉燒結(jié)而成。在毛細(xì)吸液芯對(duì)應(yīng)元件發(fā)熱的高度位置均布有垂直窄槽，槽寬0.8 1.5mm， 能保證此處的內(nèi)腔表面形成液態(tài)工質(zhì)膜，液態(tài)工質(zhì)膜吸熱相變成蒸汽能直 接進(jìn)入散熱本體的空腔。對(duì)單面發(fā)熱源的散熱，在毛細(xì)吸液芯上設(shè)有截流 塊，截流塊位于毛細(xì)吸液芯的上部，截流塊在散熱本體內(nèi)腔內(nèi)形成三面截 流結(jié)構(gòu)，并將回流液態(tài)工質(zhì)導(dǎo)入唯一的發(fā)熱面。在所述的散熱本體內(nèi)腔中間有加強(qiáng)筋，保證銅板臺(tái)面的剛性。內(nèi)腔的 整個(gè)表面分布有垂直均布的微形(毛細(xì))溝槽，起液態(tài)工質(zhì)的回流作用。 散熱本體外面是散熱翅片，散熱翅片表面為曲面能增加散熱面積。在散熱本體上、下設(shè)有堵頭，散熱本體通過上、下堵頭與本體焊接形 成密封內(nèi)腔。散熱本體及散熱翅片材料均為鋁合金，整體化學(xué)鍍鎳，臺(tái)面 釬焊銅板，發(fā)熱元件就安裝在此臺(tái)面，實(shí)現(xiàn)銅一銅接觸，降低接觸熱阻。散熱本體內(nèi)腔的上部為冷凝段，冷凝段的外部為一體的散熱翅片，由 翅片將熱量傳入空氣中。銅板臺(tái)面位于散熱本體的下部。主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在于1.用擠壓成形工藝將平板矩形內(nèi)腔，包括內(nèi)腔表面的垂直毛細(xì)溝槽， 以及外部散熱翅片一次性成型，獲得整體式結(jié)構(gòu)，再用機(jī)加工形成元件安 裝平臺(tái)和安裝孔。2. 在內(nèi)腔的蒸發(fā)段增加均布垂直窄槽的毛細(xì)吸液芯。本散熱器是垂直 放置和垂直通風(fēng)，由于啟動(dòng)時(shí)，液態(tài)工質(zhì)的回流尚未形成，如果沒有吸液 芯將液態(tài)工質(zhì)分布到元件發(fā)熱區(qū)，就會(huì)產(chǎn)生較大溫升。毛細(xì)吸液芯在元件 所在的區(qū)域均布開垂直窄槽，窄槽露出的內(nèi)腔發(fā)熱表面能形成液態(tài)工質(zhì) 膜，盡管液態(tài)工質(zhì)導(dǎo)熱性能差，但這層膜很薄，其形成的熱阻也很小，而 且，液態(tài)工質(zhì)膜吸熱相變成氣態(tài)工質(zhì)，直接進(jìn)入空腔，阻力小。3. 對(duì)于散熱器只有一面有元件發(fā)熱的情形，要將液態(tài)工質(zhì)的回流會(huì)集 到蒸發(fā)段的發(fā)熱面。在散熱器內(nèi)腔毛細(xì)吸液芯的上部增加截流塊，將回流 導(dǎo)入唯一的發(fā)熱面，減小傳熱路徑，提高效率。4. 散熱器的基材用鋁合金，整體化學(xué)鍍鎳封 L，與元件接觸的安裝臺(tái) 面釬焊銅板，保證與元件的接觸是銅—銅接觸，降低與元件的接觸熱阻。5. 散熱器兩頭焊接堵頭形成密封腔，其中一個(gè)堵頭上開孔，用排水法 一次性完成排氣和加液態(tài)工質(zhì)，采用復(fù)合密封。


圖1是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)側(cè)向示意圖；圖3是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的毛細(xì)吸液芯示意圖；圖4是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的型材截面示意圖；圖5是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的型材截面A部分的放大示意圖；圖6是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的型材截面B部分的放大示意圖。圖中1、毛細(xì)吸液芯，2、截流塊，3、銅板臺(tái)面，4、上堵頭，5、
下堵頭，6、散熱本體，7、散熱翅片，8、 V型溝槽，9、窄槽。
具體實(shí)施方式
附圖給出了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，應(yīng)用于機(jī)車整流大功率元件的散 熱，下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。實(shí)施例一一種大功率半導(dǎo)體散熱器，應(yīng)用相變散熱的原理，采用平板整體式相 變散熱的方式進(jìn)行散熱器的散熱。并在平板整體式散熱器內(nèi)腔的蒸發(fā)段增 加毛細(xì)吸液芯，在毛細(xì)吸液芯在元件所在的發(fā)熱區(qū)域均布開有垂直窄槽, 通過窄槽露出的內(nèi)腔發(fā)熱表面形成的液態(tài)工質(zhì)膜實(shí)現(xiàn)高效的相變換熱。由 于本實(shí)施例的散熱器只有單面發(fā)熱元件，在毛細(xì)吸液芯上部設(shè)有截流塊， 截流塊固裝在毛細(xì)吸液芯上部，通過截流塊將內(nèi)腔的三面截流，并將回流 的液態(tài)工質(zhì)導(dǎo)入內(nèi)腔的發(fā)熱面。采用垂直放置的平板整體式散熱器，通過在散熱器內(nèi)腔下部的蒸發(fā)段 增加毛細(xì)吸液芯，且毛細(xì)吸液芯在元件所在的區(qū)域均布開垂直窄槽，通過 毛細(xì)吸液芯含水，在窄槽露出的內(nèi)腔發(fā)熱表面形成液態(tài)工質(zhì)膜，這層液態(tài) 工質(zhì)膜從發(fā)熱表面吸熱，相變成氣態(tài)工質(zhì)后直接進(jìn)入散熱器空腔，通過散 熱器內(nèi)腔上部冷凝段放熱相變成液態(tài)工質(zhì)，從散熱器內(nèi)腔表面分布的垂直 的微形溝槽流回蒸發(fā)段，實(shí)現(xiàn)循環(huán)相變散熱。散熱器為平板整體式結(jié)構(gòu)，包括散熱本體6、散熱翅片7和銅板臺(tái)面 3，散熱本體6為空腔結(jié)構(gòu)，空腔中間有加強(qiáng)筋，保證銅板臺(tái)面3的剛性。 整個(gè)空腔表面分布垂直的V型(毛細(xì))溝槽8，起液態(tài)工質(zhì)的回流作用。 散熱本體6外面是散熱翅片7，與散熱本體6為一整體結(jié)構(gòu)，散熱翅片7
表面為曲面能增加散熱面積。散熱本體6與上、下堵頭4、 5焊接形成密 封內(nèi)腔。散熱本體6上部為冷凝段，由外部的散熱翅片7將熱量傳入空氣 中。銅板臺(tái)面3位于下部，元件就安裝在此。在散熱本體6下端為蒸發(fā)段， 蒸發(fā)段的內(nèi)腔處安有毛細(xì)吸液芯1,毛細(xì)吸液芯1上設(shè)有截流塊2。毛細(xì) 吸液芯1為腔體結(jié)構(gòu)，由銅粉燒結(jié)而成。在毛細(xì)吸液芯1對(duì)應(yīng)元件發(fā)熱的 高度位置均布有垂直窄槽9，槽寬0.8 1.5mm，能保證窄槽處露出的內(nèi)腔 表面形成水膜，水膜吸熱相變成蒸汽直接進(jìn)入散熱本體的空腔。位于毛細(xì) 吸液芯1上部的截流塊2將與內(nèi)腔的三面焊接截流，將回流液態(tài)工質(zhì)導(dǎo)入 蒸發(fā)段內(nèi)腔的發(fā)熱面。除銅板臺(tái)面3、毛細(xì)吸液芯l以外，均為鋁合金， 表面化學(xué)鍍鎳。實(shí)施例二一種大功率半導(dǎo)體散熱器，應(yīng)用相變散熱的原理，采用平板整體式相 變散熱的方式進(jìn)行散熱器的散熱。并在平板整體式散熱器內(nèi)腔的蒸發(fā)段增 加毛細(xì)吸液芯，在毛細(xì)吸液芯在元件所在的發(fā)熱區(qū)域均布開有垂直窄槽， 通過窄槽露出的內(nèi)腔發(fā)熱表面形成的液態(tài)工質(zhì)膜實(shí)現(xiàn)高效的相變換熱。采 用垂直放置的平板整體式散熱器，通過在散熱器內(nèi)腔下部的蒸發(fā)段增加毛 細(xì)吸液芯，且毛細(xì)吸液芯在元件所在的區(qū)域均布開垂直窄槽，通過毛細(xì)吸 液芯含水，在窄槽露出的內(nèi)腔發(fā)熱表面形成液態(tài)工質(zhì)膜，這層液態(tài)工質(zhì)膜 從發(fā)熱表面吸熱，相變成氣態(tài)工質(zhì)后直接進(jìn)入散熱器空腔，通過散熱器內(nèi) 腔上部冷凝段放熱相變成液態(tài)工質(zhì)，從散熱器內(nèi)腔表面分布的垂直的微形 溝槽流回蒸發(fā)段，實(shí)現(xiàn)循環(huán)相變散熱。散熱器為平板整體式結(jié)構(gòu)，與實(shí)施 例一不同的是，在毛細(xì)吸液芯上沒有截流塊，以適應(yīng)兩面發(fā)熱元件的需要。
權(quán)利要求
1、一種大功率平板整體式相變散熱方法，其特征在于應(yīng)用相變散熱的原理，采用平板整體式相變散熱的方式進(jìn)行散熱的散熱器，并在平板整體式散熱器內(nèi)腔的蒸發(fā)段增加毛細(xì)吸液芯，在毛細(xì)吸液芯在元件所在的發(fā)熱區(qū)域均布開有垂直窄槽，通過窄槽露出的內(nèi)腔發(fā)熱表面形成的液態(tài)工質(zhì)膜實(shí)現(xiàn)高效的相變換熱。
2、 如權(quán)利要求1所述的大功率平板整體式相變散熱方法，其特征在 于所述的相變換熱是采用垂直放置的平板整體式散熱器，通過在散熱器 內(nèi)腔下部的蒸發(fā)段增加毛細(xì)吸液芯，且毛<細(xì)吸液芯在元件所在的區(qū)域均布 開垂直窄槽，通過毛細(xì)吸液芯含水，在窄槽露出的內(nèi)腔發(fā)熱表面形成液態(tài) 工質(zhì)膜，這層液態(tài)工質(zhì)膜從發(fā)熱表面吸熱，相變成氣態(tài)工質(zhì)后直接進(jìn)入散 熱器空腔，通過散熱器內(nèi)腔上部冷凝段放熱相變成液態(tài)工質(zhì)，從散熱器內(nèi) 腔表面分布的垂直的微形溝槽流回蒸發(fā)段，實(shí)現(xiàn)循環(huán)相變散熱。
3、 如權(quán)利要求1或2所述的大功率平板整體式相變散熱方法，其特 征在于所述的相變換熱是對(duì)于單面發(fā)熱源的情形，將散熱器內(nèi)腔的3 面回流截流并導(dǎo)入蒸發(fā)段的發(fā)熱面，將傳熱路徑降致最低，通過散熱器內(nèi) 腔上部冷凝段放熱相變成液態(tài)工質(zhì)，從散熱器內(nèi)腔表面分布的垂直的微形 溝槽流回蒸發(fā)段實(shí)現(xiàn)高效的相變散熱。
4、 一種實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述大功率平板整體式相變散熱方法的散熱 器，包括散熱本體、散熱翅片和銅板臺(tái)面，其特征在于所述的散熱器為 平板整體式結(jié)構(gòu)，散熱本體為空腔結(jié)構(gòu)，在散熱器本體空腔結(jié)構(gòu)內(nèi)表面分 布垂直的微型槽，為液態(tài)工質(zhì)的回流通道，在蒸發(fā)段增加了毛細(xì)吸液芯。
5、 如權(quán)利要求4所述的散熱器，其特征在于所述的散熱器本體的 內(nèi)腔下端為蒸發(fā)段，內(nèi)腔上端為冷凝段，垂直放置。
6、 如權(quán)利要求4所述的散熱器，其特征在于所述的毛細(xì)吸液芯為 腔體結(jié)構(gòu)，或一面開口的腔體結(jié)構(gòu)，由金屬粉末燒結(jié)而成。
7、 如權(quán)利要求4所述的散熱器，其特征在于在所述的毛細(xì)吸液芯 對(duì)應(yīng)元件發(fā)熱的高度位置均布有垂直窄槽。
8、 如權(quán)利要求4所述的散熱器，其特征在于所述的垂直窄槽槽寬 0. 8 1. 5腿。
9、 如權(quán)利要求4所述的散熱器，其特征在于對(duì)單面發(fā)熱的散熱器在所述的毛細(xì)吸液芯上設(shè)有截流塊，截流塊在散熱本體內(nèi)腔內(nèi)形成三面截 流結(jié)構(gòu)，并將回流工質(zhì)導(dǎo)入發(fā)熱面。
全文摘要
一種大功率平板整體式相變散熱方法及散熱器，應(yīng)用相變散熱的原理，采用平板整體式相變散熱的方式進(jìn)行散熱的散熱器。并在平板整體式散熱器內(nèi)腔的蒸發(fā)段增加毛細(xì)吸液芯，在毛細(xì)吸液芯在元件所在的發(fā)熱區(qū)域均布開有垂直窄槽，通過窄槽露出的內(nèi)腔發(fā)熱表面形成的液態(tài)工質(zhì)膜實(shí)現(xiàn)高效的相變換熱。散熱器為平板整體式結(jié)構(gòu)，包括散熱本體、散熱翅片和銅板臺(tái)面，散熱本體內(nèi)為空腔結(jié)構(gòu)，外部為散熱翅片，在散熱本體空腔結(jié)構(gòu)的蒸發(fā)段內(nèi)設(shè)有能提高散熱效率的均布垂直窄槽的毛細(xì)吸液芯，在毛細(xì)吸液芯對(duì)應(yīng)元件發(fā)熱的高度位置均布有垂直窄槽，能保證此處的內(nèi)腔表面形成液態(tài)工質(zhì)膜，液態(tài)工質(zhì)膜吸熱相變成蒸汽能直接進(jìn)入散熱本體的空腔。
文檔編號(hào)H01L23/34GK101105377SQ20071003545
公開日2008年1月16日 申請(qǐng)日期2007年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月27日
發(fā)明者付成勇, 徐達(dá)清 申請(qǐng)人:株洲南車時(shí)代電氣股份有限公司