專利名稱：一種大功率環(huán)路熱管散熱器及其制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種電力電子產品領域的散熱裝置，特別是涉及一種大功率環(huán)路熱管散熱器及其制作方法。
背景技術：
電力電子技術在交直流電機、交通運輸、電力系統(tǒng)以及電源系統(tǒng)中起著重要作用。目前，電力電子控制技術已經發(fā)展到以IGBT和功率集成器件為主要技術手段的階段。 IGBTdnsulated Gate Bipolar Transistor)，即絕緣柵雙極型晶體管，是由雙極型三極管和絕緣柵型場效應管組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件，兼有高輸入阻抗和低導通壓降兩方面的優(yōu)點。非常適合應用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機、 變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域。IGBT功率模塊采用集成電路驅動，由各種驅動保護電路、高性能IGBT芯片、新型封裝技術組成，從復合功率模塊發(fā)展到智能功率模塊。智能功率模塊向高壓大電流發(fā)展。 IGBT同時也是一種大功率電子元件，發(fā)熱量可達數千瓦，而電子元件特有的性質又要求 IGBT在正常使用時溫度不能超過某一界限(例如IGBT殼溫不超過80°C )，而環(huán)境使用范圍為5-35°C，因此IGBT的散熱問題是電力電子設備中非常重要的一環(huán)。大功率IGBT功率模塊的冷卻是電力電子設備中非常重要的一個技術環(huán)節(jié)。目前市場上針對大功率電力電子器件散熱常用的方法包括以下幾種(1)風扇+散熱器；(2)風扇+熱管+散熱器；(3)風扇+液冷技術。他們在一定程度上可以解決大功率器件的散熱問題，但是存在如下缺點(1)風扇+散熱器，為了增強散熱裝置的散熱能力，只有通過增大散熱翅片的面積以及提高風扇轉速，導致的結果是噪音大，散熱裝置大而且厚重，不利于安裝以及對電子器件會產生很大的壓力；( 風扇+熱管+散熱器，可以解決方法1中的缺點，但是其本身會增加機構復雜度，熱管的設計以及安裝常常受到實際結構的限制，并且在有限根熱管作用下，其散熱能力還是有限的；幻液冷技術，在性能上超越以上兩種方式，并且液冷散熱技術的潛力是非常高的，但是液冷技術存在機構極其復雜、長期運行中易氧化、 需增設驅動液體工質循環(huán)的泵以及目前尚無能夠完全保證管道連接不泄漏等缺陷，都將影響到液冷散熱裝置的實際使用壽命，還有，液冷散熱裝置的造價最高，同樣散熱能力下造價是普通熱管散熱器的3倍以上。環(huán)路熱管技術發(fā)明于1974年，目前廣范應用于航空航天領域，近5年來環(huán)路熱管技術逐漸進入電子芯片散熱領域但是大規(guī)模商業(yè)應用還沒有到來，不過可以預見，當全面提升了環(huán)路熱管的性能(熱性能和可靠性)以及有效地降低其加工成本以后，環(huán)路熱管將在電子設備散熱領域將大展身手。環(huán)路熱管是集合了熱管以及液冷散熱技術的優(yōu)點同時拋棄了各自的缺點的一種散熱方式，散熱潛力同液冷技術一樣，環(huán)路熱管散熱器還具有以下優(yōu)點(1)性能受重力影響小于普通熱管；(2)結構形狀可以多樣化，滿足不同使用需求； (3)可以遠距離傳遞熱量，等等。由于環(huán)路熱管制造工藝和普通熱管類似，因此其可靠性和使用壽命和普通熱管一樣，可以廣泛使用在一些要求比較苛刻的環(huán)境中。
一款環(huán)路熱管散熱器主要包括帶有毛細結構的蒸發(fā)器，供工作介質循環(huán)的蒸汽管道和液體管道，以及把熱量釋放到環(huán)境的冷凝器。工作時，蒸發(fā)器底面接收從發(fā)熱器件傳遞過來的熱量，工作介質在毛細結構內部蒸發(fā)，蒸汽離開蒸發(fā)器，通過彎曲的蒸汽管道流到帶有翅片的冷凝器，蒸汽在冷凝器通過，把熱量釋放到流過冷凝器的環(huán)境介質中(例如空氣)，蒸汽經自然冷卻或風扇強制冷卻后轉變?yōu)橐后w，液體在毛細力的作用下經由液體管道返回蒸發(fā)器，完成一次熱力學循環(huán)，據此循環(huán)往復，持續(xù)不斷地把熱量從發(fā)熱器件釋放到周圍空氣中。目前已經公開的環(huán)路熱管技術，其蒸發(fā)器結構要么不利于與帶有大功率器件的電路板的安裝(例如，對于圓筒形結構蒸發(fā)器，必須引入一個連接件，才能保證與IGBT電路板可靠貼合，這樣造成散熱器熱阻升高、性能下降)；要么是其蒸發(fā)器內殼結構復雜，制造加工難度大、成本高，并且由此產生產品質量不可靠性等問題。另外，目前所有的已經公開的環(huán)路熱管結構，很少看到帶有多條液體管路以及蒸汽管路，而多條連接管路有利于提高環(huán)路熱管散熱器的可靠性。最后，由于針對大功率IGBT功率模組的散熱，在大約幾十平方厘米的面積上產生幾千瓦的熱量，熱流密度很高，而現有的環(huán)路熱管散熱結構還沒有能夠深入挖掘此類技術的散熱潛能。由此可見，上述現有的大功率電力電子器件散熱裝置在結構與使用上，顯然仍存在有不便與缺陷，而亟待加以進一步改進。如何能創(chuàng)設一種可將先進的環(huán)路熱管散熱技術應用在大功率IGBT功率模塊上，提高散熱效率，節(jié)省安裝空間，并且具有高可靠性的新的大功率環(huán)路熱管散熱器及其制作方法，實屬當前本領域的重要研發(fā)課題之一。

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種大功率環(huán)路熱管散熱器，使其可將先進的環(huán)路熱管散熱技術應用在大功率IGBT功率模塊上，且散熱效率更高，安裝空間更小，制作方法能夠最大化提高產品環(huán)路熱管產品質量的可靠性，能夠充分開拓環(huán)路熱管的散熱潛能， 從而克服現有的大功率電力電子器件散熱裝置的不足。為解決上述技術問題，本發(fā)明一種大功率環(huán)路熱管散熱器，包括蒸發(fā)器、冷凝器以及連接蒸發(fā)器、冷凝器的一根以上蒸汽管路和液體管路，其中液體管路還與抽真空及工質灌裝管路連通；所述的蒸發(fā)器為平板蒸發(fā)器，內部固定有多孔材料，多孔材料內形成多條相互連通的蒸汽排泄通道。作為本發(fā)明的一種改進，所述的平板蒸發(fā)器包括底板和上蓋，多孔材料固定在底板和上蓋之間；上蓋兩側分別設有蒸汽管路接口和液體管路接口，蒸汽管路接口和液體管路接口分別通過蒸汽管路、液體管路與冷凝器連通。所述的上蓋與多孔材料之間形成有補償腔和蒸汽收集腔，補償腔位于液體管路接口 一側，蒸汽收集腔位于蒸汽管路接口一側、并與補償腔相隔離。所述的蒸汽排泄通道近蒸汽管路接口一端開放，近液體管路接口一端為盲端。所述的上蓋設有凹陷，凹陷一側為補償腔，另一側為蒸汽收集腔；底板上表面設有凸臺，下表面在凸臺對應處設有盲端螺孔；多孔材料在與凸臺對應位置處設有凹陷。所述的多孔材料為金屬材質或陶瓷材質，所述的上蓋和底板為銅質、鋁質或者鋼質。
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所述的上蓋與底板焊接固定，平板蒸發(fā)器、冷凝器與蒸汽管路、液體管路焊接連通，抽真空及工質罐裝管路通過三通與液體管路焊接連通。本發(fā)明還提供一種大功率環(huán)路熱管散熱器的制作方法，使其制程簡單可靠，成本較低，從而更加適于實用。為解決上述技術問題，本發(fā)明一種上述大功率環(huán)路熱管散熱器的制作方法，包括以下步驟制備多孔材料，將高導熱金屬粉末或陶瓷粉末填充到多孔模具中，并燒結成型； 沖壓平板蒸發(fā)器的上蓋和底板；把多孔材料置于上蓋和底板之間，并將上蓋和底板固定連接；將平板蒸發(fā)器、蒸汽管路、冷凝器、液體管路、抽真空及工質灌裝管路焊接連通；清洗、 抽真空、灌裝工質、密封。作為本發(fā)明的一種改進，所述的模具為鋼、石墨或高溫陶瓷材質。所述的上蓋和底板均為金屬材質，上蓋通過冷沖壓、熱沖壓或壓鑄并配以后續(xù)機加工成型，底板通過機加工、沖壓或鑄造加上后續(xù)機加工成型，上蓋與底板焊接固定。采用這樣的設計后，本發(fā)明至少具有以下優(yōu)點1、可以盡可能地增大環(huán)路熱管散熱功率，本發(fā)明蒸發(fā)器內部包含多孔材料，該多孔材料中，設有復雜的蒸汽排泄通道，該通道為互相相連通的多組通道，其功能是提供盡可能多的蒸發(fā)面以及液體蒸發(fā)所產生的蒸汽出口，以達到進一步強化蒸發(fā)換熱的目的；2、本發(fā)明的制造工藝更加簡單可靠，成本更低，蒸發(fā)器上蓋和蒸發(fā)器底板可以通過冷沖壓或者熱沖壓加工工藝一次成型，蒸發(fā)器、冷凝器、灌裝用接口以及液體管路和蒸汽管路皆可通過焊接同時完成，盡可能地節(jié)省了加工時間和成本；3、本發(fā)明能夠解決多熱源散熱問題，本發(fā)明中的蒸發(fā)器底板與熱源(例如IGBT功率模組)接觸的一面，設有螺釘孔，另外一面設有凸臺，而燒結多孔材料所用模具時考慮了避讓凸臺，這樣可以實現環(huán)路熱管散熱器與熱源的結合安裝問題，同時可以利用一組環(huán)路熱管散熱器為多熱源提供散熱；4、本發(fā)明提出的多條蒸汽管路和液體管路，可以在不增加蒸發(fā)器的高度條件下， 增大蒸汽和液體流動面積，降低流動阻力，進而降低環(huán)路熱管熱阻，同時提高環(huán)路熱管運行
可靠性。綜上所述，本發(fā)明能夠很好地滿足大功率電力電子器件的散熱以及安裝使用要求，達到和電力電子器件充分、有效接觸的目的，特殊的蒸發(fā)器結構更節(jié)省空間，更利于強化換熱，從而可最大程度地降低了散熱熱阻，并增加環(huán)路熱管產品制造以及運行可靠性。


上述僅是本發(fā)明技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術手段，以下結合附圖與具體實施方式
對本發(fā)明作進一步的詳細說明。圖1是本發(fā)明大功率環(huán)路熱管散熱器的結構示意圖。圖2是本發(fā)明大功率環(huán)路熱管散熱器的分解結構示意圖。圖3是本發(fā)明大功率環(huán)路熱管散熱器的平板蒸發(fā)器分解結構示意圖。圖4是本發(fā)明大功率環(huán)路熱管散熱器平板蒸發(fā)器的上蓋剖面示意圖。圖5是本發(fā)明大功率環(huán)路熱管散熱器平板蒸發(fā)器的多孔材料仰視圖。圖6是本發(fā)明帶有多條蒸汽管路以及液體管路的大功率環(huán)路熱管散熱器的結構示意圖。圖7是本發(fā)明大功率環(huán)路熱管散熱器應用于IGBT器件冷卻的示意圖。圖8是圖7的仰視示意圖。
具體實施例方式請參閱圖1、圖2所示，本發(fā)明一種大功率環(huán)路熱管散熱器，主要包括蒸發(fā)器1、冷凝器2以及連接蒸發(fā)器1、冷凝器2的一條以上蒸汽管路3和液體管路4，液體管路4還與抽真空及工質灌裝管路5連通。其中，請配合參閱圖3所示，蒸發(fā)器1為平板蒸發(fā)器，外形可為一近長方體或正方體形，包括固定連接的底板11和上蓋12，以及固定在底板11和上蓋12之間的多孔材料13。底板11為銅質、鋁質或鋼質，上表面設有凸臺111，下表面在凸臺111對應處設有盲端螺孔112。凸臺111的作用是滿足另一側盲端螺孔112的加工空間，盲端螺孔112的作用是將本發(fā)明環(huán)路熱管散熱器與外部設備的熱源，例如布置有IGBT功率模組的集成電路板，通過螺釘安裝固定。請配合參閱圖4所示，上蓋12為銅質、鋁質或鋼質，中部設有凹陷121，兩側分別設有蒸汽管路接口 122和液體管路接口 123。上蓋12與多孔材料13之間具有一定的空間，凹陷121將該空間分隔為兩部分，凹陷121與液體管路接口 123之間的空間為補償腔124，凹陷121與蒸汽管路接口 122之間的空間為蒸汽收集腔125，從而實現工作介質在平板蒸發(fā)器 1內部單向流動的目的。請配合參閱圖5所示，多孔材料13由銅、鋁、鎳、鋼或合金等金屬或者陶瓷粉末燒結成型，具有多條復雜的內部互相連通的蒸汽排泄通道131，并在設有蒸汽排泄通道131的側面上布置有避讓凸臺111的不燒結的空間132(例如為一凹陷)，以配合底板12的形狀， 滿足蒸發(fā)器的整體組合安裝需要。蒸汽排泄通道131的截面形狀可以為圖所示的拱形，也可以為矩形或著其它形狀，可以是平行排列(parallel)，也可以交錯排列(staggered)，這些蒸汽排泄通道131相互連通，提供盡可能多的蒸發(fā)面以及液體蒸發(fā)所產生的蒸汽出口， 以達到進一步強化蒸發(fā)換熱的目的。此外，蒸汽排泄通道131在近蒸汽管路接口 122—端開放，近液體管路123接口一端為盲端133，與補償腔IM和蒸汽收集腔125的共同作用下， 可以保證蒸汽排泄的方向為朝向蒸汽收集腔125的單向流動。冷凝器2可根據需要選用，其外形結構以及制備方法同普通空調用冷凝器的結構以及制作方法相同，也可采用中國專利ZL200820123487. 2中所公開的冷凝器。蒸汽管路3為普通金屬管材，該金屬管材內壁可以是光滑壁面，也可以是帶有不同內結構的壁面，例如直溝槽或者螺旋溝槽結構等。一端與冷凝器2的一側焊接連通，另一端與平板蒸發(fā)器的蒸汽管路接口 122焊接連通。液體管路4為普通金屬管材，該金屬管材內壁可以是光滑壁面，也可以是帶有不同內結構的壁面，例如直溝槽或者螺旋溝槽結構等。一端與冷凝器2的另一側焊接連通，另一端與平板蒸發(fā)器的液體管路接口 123焊接連通。抽真空及工質罐裝管路5為普通金屬管材，通過金屬三通件51與液體管路焊接連通。上述大功率環(huán)路熱管散熱器的制作方法主包括以下步驟。
步驟一，制備多孔材料，原料為金屬粉末或者是陶瓷粉末等無機材料，制備工藝為燒結成型。在燒結多孔材料的過程中，需要特殊的模具和治具用來形成蒸汽排泄通道131 以及不燒結空間132。模具的材料為鋼、石墨或者高溫陶瓷，模具的內腔結構同多孔材料的外部幾何結構相同，配合同蒸汽排泄通道截面形狀一致的模具使用，用來形成帶有所需蒸汽排泄通道的多孔材料。把整個填充有燒結粉末的摸具放到燒結爐中燒結，之后移走模具， 就可以得到所需的多孔材料。步驟二，沖壓平板蒸發(fā)器的上蓋和底板。其中，上蓋可通過冷沖壓、熱沖壓或壓鑄并配以后續(xù)機加工成型，例如在兩端面通過鉆孔加工出液體管路接口和蒸汽管路接口。底板通過機加工、沖壓或鑄造加上后續(xù)機加工成型，底板上的凸臺也可以單獨制備，之后通過焊接方式與底板相結合。步驟三，把多孔材料置于上蓋和底板之間，并將上蓋和底板固定連接，完成蒸發(fā)器的加工。具體來說，可以先把多孔材料和底板放入真空爐或者還原氣氛保護爐，通過治具夾緊并加熱到一定溫度，使多孔材料和底板結合在一起(即利用真空釬焊或者二次燒結的方法)，然后把蒸發(fā)器的上蓋和帶有多孔材料的底板相結合，完成蒸發(fā)器的加工。當上蓋和底板為金屬時，可以通過通用焊接方式(包括軟焊接soldering，硬焊接brazing，或者擴散焊接diffusion Bonding等方式)完成連接。步驟四，將加工好的平板蒸發(fā)器同蒸汽管路、冷凝器、液體管路、抽真空及工質灌裝管路焊接連通。步驟五，按照標準熱管生產工藝，進行后續(xù)的清洗、抽真空、灌裝工作介質以及密封操作，帶有平板蒸發(fā)器的環(huán)路熱管即制作完成。本發(fā)明在工作時，蒸發(fā)器1底面接收從發(fā)熱器件(例如多組IGBT功率模組)傳遞過來的熱量，工作介質在蒸發(fā)器內部蒸發(fā)，蒸汽離開蒸發(fā)器1，通過彎曲的蒸汽管路3流到帶有翅片的冷凝器2，蒸汽在冷凝器2通過，把熱量釋放到流過冷凝器2的環(huán)境介質中(例如空氣)，蒸汽經自然冷卻或風扇強制冷卻后轉變?yōu)橐后w，液體在毛細力(由蒸發(fā)器的多孔材料提供此作用力)的作用下經由液體管路4返回蒸發(fā)器1，完成一次熱力學循環(huán)，據此循環(huán)往復，持續(xù)不斷地把熱量從發(fā)熱器件釋放到周圍空氣中。為了進一步提高該環(huán)路熱管的性能，本發(fā)明提出了如圖6所示的帶有多條蒸汽管路3及液體管路4的環(huán)路熱管結構，其優(yōu)點是在不增加蒸發(fā)器1高度情況下，提供蒸汽以及液體更大的流動截面，降低流動阻力，進而降低環(huán)路熱管熱阻，并且由于多條回路的形成可以增加環(huán)路熱管運行的可靠性。該結構不限于蒸汽管路以及液體管路的數目，可以是一條， 或者大于兩條等。請配合參閱圖7、圖8所示，將本發(fā)明應用在IGBT功率模塊和功率集成器件散熱上時，蒸發(fā)器1吸收來自布置在集成電路板6上的IGBT功率模組61或者晶體管整流器件 62所產生的熱量，液體在蒸發(fā)器1內部受熱蒸發(fā)，然后進入蒸汽管路3，通過蒸汽管路3再進入冷凝器2，冷凝器2向冷空氣環(huán)境釋放熱量，內部蒸汽變成液體，然后回到液體管路4， 并在重力作用下返回蒸發(fā)器1，循環(huán)往復從而實現連續(xù)散熱的目的。本發(fā)明適用于電力電子產品領域的散熱，同時本發(fā)明也可以適用于計算機芯片散熱，發(fā)光二極管照明設備(LED)，無線通訊或者有線通訊行業(yè)的高能電子芯片或者光電芯片或者射頻器件的冷卻，同時本發(fā)明可以適用到軍用雷達，激光設備，醫(yī)療器械或者航空航天設備內部高能發(fā)熱部件的冷卻。 以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，本領域技術人員利用上述揭示的技術內容做出些許簡單修改、等同變化或修飾，均落在本發(fā)明的保護范圍內。
權利要求
1.一種大功率環(huán)路熱管散熱器，其特征在于包括蒸發(fā)器、冷凝器以及連接蒸發(fā)器、冷凝器的一根以上蒸汽管路和液體管路，其中液體管路還與抽真空及工質灌裝管路連通；所述的蒸發(fā)器為平板蒸發(fā)器，內部固定有多孔材料，多孔材料內形成多條相互連通的蒸汽排泄通道。
2.根據權利要求1所述的一種大功率環(huán)路熱管散熱器，其特征在于所述的平板蒸發(fā)器包括底板和上蓋，多孔材料固定在底板和上蓋之間；上蓋兩側分別設有蒸汽管路接口和液體管路接口，蒸汽管路接口和液體管路接口分別通過蒸汽管路、液體管路與冷凝器連通。
3.根據權利要求2所述的一種大功率環(huán)路熱管散熱器，其特征在于所述的上蓋與多孔材料之間形成有補償腔和蒸汽收集腔，補償腔位于液體管路接口一側，蒸汽收集腔位于蒸汽管路接口一側、并與補償腔相隔離。
4.根據權利要求2所述的一種大功率環(huán)路熱管散熱器，其特征在于所述的蒸汽排泄通道近蒸汽管路接口一端開放，近液體管路接口一端為盲端。
5.根據權利要求2所述的一種大功率環(huán)路熱管散熱器，其特征在于所述的上蓋設有凹陷，凹陷一側為補償腔，另一側為蒸汽收集腔；底板上表面設有凸臺，下表面在凸臺對應處設有盲端螺孔；多孔材料在與凸臺對應位置處設有凹陷。
6.根據權利要求1所述的一種大功率環(huán)路熱管散熱器，其特征在于所述的多孔材料為金屬材質或陶瓷材質，所述的上蓋和底板為銅質、鋁質或鋼質。
7.根據權利要求1所述的一種大功率環(huán)路熱管散熱器，其特征在于所述的上蓋與底板焊接固定，平板蒸發(fā)器、冷凝器與蒸汽管路、液體管路焊接連通，抽真空及工質罐裝管路通過三通與液體管路焊接連通。
8.—種權利要求1-7中任一項所述的大功率環(huán)路熱管散熱器的制作方法，其特征在于包括以下步驟制備多孔材料，將高導熱金屬粉末或陶瓷粉末填充到多孔模具中，并燒結成型；沖壓平板蒸發(fā)器的上蓋和底板；把多孔材料置于上蓋和底板之間，并將上蓋和底板固定連接；將平板蒸發(fā)器、蒸汽管路、冷凝器、液體管路、抽真空及工質灌裝管路焊接連通；清洗、抽真空、灌裝工質、密封。
9.根據權利要求8所述的一種大功率環(huán)路熱管散熱器的制作方法，其特征在于所述的模具為鋼、石墨或高溫陶瓷材質。
10.根據權利要求8所述的一種大功率環(huán)路熱管散熱器的制作方法，其特征在于所述的上蓋和底板均為金屬材質，上蓋通過冷沖壓、熱沖壓或壓鑄并配以后續(xù)機加工成型，底板通過機加工、沖壓或鑄造加上后續(xù)機加工成型，上蓋與底板焊接固定。
全文摘要
本發(fā)明是有關于一種大功率環(huán)路熱管散熱器及其制作方法。該散熱器包括蒸發(fā)器、冷凝器以及連接蒸發(fā)器、冷凝器的一根以上蒸汽管路和液體管路，其中液體管路還與抽真空及工質灌裝管路連通；蒸發(fā)器為平板蒸發(fā)器，內部固定有多孔材料，多孔材料內形成多條相通的蒸汽排泄通道。該散熱器的制作方法包括制備多孔材料；沖壓平板蒸發(fā)器的上蓋和底板；把多孔材料置于上蓋和底板之間，并將上蓋和底板固定連接；焊接連通；清洗、抽真空、灌裝工質、密封。本發(fā)明能夠很好地滿足大功率電力電子器件的散熱以及安裝使用要求，達到和電力電子器件充分、有效接觸的目的，特殊的蒸發(fā)器結構更節(jié)省空間，更利于強化換熱，從而可最大程度地降低了散熱熱阻。
文檔編號H01L21/48GK102157468SQ20111006536
公開日2011年8月17日 申請日期2011年3月17日 優(yōu)先權日2011年3月17日
發(fā)明者李驥 申請人:北京芯鎧電子散熱技術有限責任公司