空腹熱管散熱器的制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種空腹熱管散熱器，所述散熱器包括冷凝器，與熱源接觸的取熱器母板，冷凝器位于取熱器母板之上并與之直接連接，所述冷凝器與取熱器母板均為中空結構，并且冷凝器包括多個中空的翅片，所述取熱器母板具有兩個表面，其中的一個表面直接接觸熱源的光滑平面，并在取熱器上設置有安裝熱源的多個盲孔，在該多個中空的翅片與中空的取熱器母板中填充有用于散熱的相變材料的工質，在該相變材料中也可添加納米碳管以增加導熱能力，該多個中空的翅片空腔與中空的取熱器母板的空腔相互聯通，其該翅片與母板為一體成型形成的一個整體結構，且在散熱器母板上設置多個微槽群，以提高散熱器對熱源的散熱效果,或者為了簡單而不設置微槽群而采用平面或其他曲面均可。
【專利說明】空腹熱管散熱器
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種新型高效散熱器，特別適用于發熱量較大而散熱能力不夠，又受到空間尺寸約束的大功率電子元器件，如lgbt, igct等。以及led, tec, cpu, gpu等器件。本散熱器一改傳統的實心翅片散熱器而米用空心翅片散熱器，并佐以微槽技術，復合納米技術，重力熱管技術等多項新技術，故稱之為空腹熱管散熱器。與傳統平面重力熱管散熱器相比，其熱阻僅它的五分之一左右。因而在同等體積的散熱條件下，其散熱能力提高了百分之四十至百分之九十五左右。
【背景技術】
[0002]眾所周知，諸如開關電源，變頻電源，IGBT, IGCT及LED，TEC, GPU等大功率器件的能耗較高。其中僅極少一部分電能轉換成為有用的功率能夠為人類服務，如led的光亮等。而大部分的能耗卻變為熱能，如果不將這些熱量散發出去，器件將無法正常工作。因此，高效的散熱器對于大功率器件的工作性能起到至關重要的作用。
[0003]現代常用的散熱技術主要有:自然對流散熱，加裝風扇強制散熱，液冷散熱，熱管散熱，半導體制冷散熱等。自然對流散熱方式的熱阻大，傳熱性能差，當器件熱密度大于
0.08W/cm2時，這種冷卻方法已不能滿足實際要求。通常不得不采用加大散熱器尺寸的方式才能勉強應用。而加裝風扇的散熱方式所占空間較大，噪聲也大，往往限制了其應用。液冷散熱系統較復雜，其壽命受到水泵密封圈的制約，一旦冷卻液外漏會浸濕線路板，可靠性難以保證。熱管作為一種高效傳熱元件，熱量傳遞很快，但由于散熱器的翅片熱阻較大，散熱能力跟不上而難以達到良好的效果，而有芯熱管技術直接應用在大功率器件的散熱上還存在制造成本高、體積寵大，加工困難等缺點，不利于產品的市場化。半導體制冷易產生冷端結露，造成主板短路，且制冷效率低，消耗功率較大。因此，開發一種可應用于大功率器件且價格適中，體積不大，高效，可靠性高的新型散熱器顯得尤為迫切。
[0004]目前應用較為廣泛的散熱方式有:A，圖1所示的翅片型散熱器，主要是將高導熱材料(如鋁型材或銅)擠壓成型形成翅片4，然后翅片通過空氣自然對流將熱源I的熱量散發出去，或增加強迫風冷措施以提高散熱效果。B，如圖2所示的平面熱管散熱器。其翅片為實心的銅鋁等金屬材料，和空心的平面熱管基板連成一體。上述散熱器在將熱量導出的過程中，接觸熱阻2較大，發熱體的溫度往往比翅片的溫度高十幾攝氏度乃至幾十攝氏度。而半導體PN結所能承受的溫度希望不高于65°C。國際上普遍認為，高于該溫度時每增加5°C，器件壽命會縮短一倍，且可靠性將明顯降低。因此，人們希望開發一種既不增大散熱器外型尺寸，也不增加散熱器重量的高效散熱器。
實用新型內容
[0005]為了提高散熱器對大功率器件的散熱效果， 申請人:通過多年研究實用新型了一種空腹熱管散熱器。所述散熱器包括冷凝器，與熱源接觸的取熱器母板。冷凝器位于取熱器母板之上并與之直接連接。其特征在于:所述冷凝器與取熱器母板均為中空結構，并且冷凝器包括多個中空的翅片。所述取熱器母板具有兩個表面，其中的一個表面為直接接觸熱源的光滑平面，并在取熱器上設置有安裝熱源的多個盲孔。另一個表面為平面或微槽形狀的表面，在該多個中空的翅片與取熱器母板空腔中填充有用于相變散熱的工質。
[0006]該多個中空的翅片空腔與取熱器母板的空腔為一體結構。所述取熱器母板中設置有多個與中空翅片相適應的微槽，中空翅片被收納于該容納槽中，中空翅片的側壁底部分別與該母板容納槽的側壁相連接。其中所述散熱的工質為相變材料，為了進一步提高散熱效果還可以在相變材料中加入納米碳管；所述相變材料包括蒸餾水、甲醇、丙酮，HFC制冷劑，氯化鈣，硝酸鈣，硝酸錳，硫酸納等多種工質，根據實際要求選取其中一種或幾種的組合。其中所述取熱器母板底部包括采用多個利用機加工，型材擠出，蝕刻，鍛壓等技術形成的微槽，或者平面或其他曲面。所述翅片與母板的材料包括鋁、銅以及其他高導熱金屬材料或高導熱的非金屬材料。所述熱源包括大功率的LED、TEC、IGBT, IGCT等多種規格型號的電子元器件，以及除此之外的需散發熱量的芯片，如cpu，gpu等。所述翅片的數目與尺寸并無特別限定，可以根據實際散熱需要而設置。
[0007]本實用新型的空腹熱管散熱器在不增大散熱器外型尺寸以及重量的基礎上，將中空翅片冷凝器與中空取熱器母板成型為空腔相互連通的一體結構，也可在該取熱器母板的底部設置微槽，以進一步提高灌裝在該空腔中的重力冷卻相變介質的散熱能力，從而提高了對大功率器件的散熱效率。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0008]圖1:普通散熱器；
[0009]圖2:平面熱管散熱器；
[0010]圖3:重力熱管的基本工作原理示意圖；
[0011]圖4:重力熱管散熱器；
[0012]圖5:空腹熱管散熱器；
[0013]圖6:錐形翅片空腹熱管散熱器；
[0014]圖7:矩形翅片空腹熱管散熱器；
[0015]圖8:圓形翅片空腹熱管散熱器；
[0016]圖9:輸入功率對三種不同散熱器裝配的LED表面溫度的影響曲線圖；
[0017]圖10:環境溫度對三種不同散熱器裝配的LED表面溫度的影響曲線圖；
[0018]圖11:空腹熱管散熱器的制造方法示意圖；
[0019]圖12-圖16:—種空腹熱管散熱器的成品圖。
[0020]1:熱源，2:接觸熱阻，3:母板，4:翅片，5:工質，6:容納槽，3_1:蒸發段，3_2:絕熱段，3-3:冷凝段，3-4:管殼，3-5:放熱，3-6:蒸汽，3_7:回流液體，3_8:吸熱，11_1:微槽群，11-2:用于抽真空，充入工質的管道。
具體實施例
[0021]首先結合說明書及附圖介紹本實用新型空腹熱管散熱器。所述散熱器的基本工作原理如圖3所示，它是一種依靠重力回液的高效平面重力熱管散熱器，傳熱方向不可逆。重力熱管的工作介質積蓄在熱管管殼3-4的底部，蒸發段3-1處于熱管下半部，凝結段3-3在熱管的上半部，絕熱段3-2在中間。工質在蒸發段通過吸熱3-8吸收了熱源供給的熱量后蒸發。蒸汽3-6向上流動，通過絕熱段后，在凝結段將汽化潛熱交給冷源放熱3-5，從而凝結成液體。凝結液由于重力的作用形成回流液體3-7，回流液體3-7回流到下半部蒸發段完成一個工作循環。借助工質連續不斷的循環，將下半部熱源的熱量源源不斷地傳到上半部的冷源。
[0022] 申請人:根據上述原理開發了新型的熱管散熱器。在一個實施例中，該新型熱管散熱器為如圖4所示的平面重力熱管散熱器。所述重力熱管散熱器包括N個中空的翅片4以及與熱源I接觸的取熱器母板3。其中中空的高導熱材料構成的翅片中充滿了包括相變材料的導熱工質5，如蒸餾水、甲醇、丙酮、HFC制冷劑，氯化鈣，硝酸鈣，硝酸錳，硫酸納等多種工質中的一種或幾種。為了進一步提高散熱效率，可以在相變材料中添加納米碳管。在母板3中有N個與中空翅片相適應的容納槽6，中空翅片被收納于該容納槽中，中空翅片4的側壁和底部分別與容納槽的側壁與底部接觸，有較大的散熱接觸面積。相比于如附圖1和2的普通翅片散熱器，空腹熱管散熱器在散熱的過程中，不僅可以像普通散熱器一樣依靠翅片4對熱源I進行散熱，更重要的是在中空翅片內部的工質5在散熱過程中發生了相變，因此能帶走的熱量比僅依靠翅片散熱的普通平面熱管散熱器帶走的熱量更多，溫度更高，傳熱溫差更低。所以空腹熱管散熱器的散熱能力比普通平面熱管散熱器的散熱效果更好。
[0023]為了提高散熱器與熱源的集成度(也就是說在不增大散熱器的尺寸的情況下)以及進一步提高新型熱管散熱器的散熱能力， 申請人:實用新型了空腹熱管散熱器，該空腹熱管散熱器集中了微槽技術，熱管技術，納米技術，低熱阻技術。
[0024]結合說明書附圖5和11來說明該空腹熱管散熱器。所述空腹熱管散熱器包括取熱器母板3，包括相變介質材料的工質5，冷凝器翅片4。取熱器母板3具有兩個表面，其中的一個表面直接接觸熱源I的光滑平面，其中熱源可以為LED、TEC、IGBT、IGCT等大功率器件，或者cpu，gpu芯片。取熱器母板3采用包括銅、鋁或其它金屬材料形成，并在取熱器上設置有便于安裝熱源的盲孔。為了增大取熱器母板與工質的接觸面積，在取熱器母板的另一個表面上利用微槽技術形成若干個微槽群11-1。相變材料視熱源I的實際溫度要求而定。冷凝器是具有中空的N組翅片結構，所述中空翅片4的內側面具體幾何形狀沒有特別的限定，可以為三角錐形，矩形，圓形或者其它任何合適的形狀，如說明書附圖6-8所示。其中附圖6為錐形翅片，附圖7為矩型翅片，附圖8為圓形翅片，其外側面則設計成各種形狀的翅。翅片的腹部是中空的，因而其熱阻明顯低于普通翅片型散熱器。
[0025]相比于平面重力熱管散熱器，空腹熱管散熱器的中空的取熱器母板3與整個中空的冷凝器翅片4 一體成型形成一個整體，將翅片與母板的空腔相互連通在一起，如附圖5所示。取熱器母板3中還存在如附圖4所示的容納翅片4的收納槽6。空腹熱管散熱器內部工質液體與管壁內表面的接觸面積比重力熱管散熱器內部工質液體與管壁內表面的接觸面積大很多，因此能帶走的熱量比重力熱管散熱器帶走的熱量更多，表面溫度更高，傳熱溫差更大，所以空腹熱管散熱器散熱能力比平面重力熱管散熱器的更強。
[0026]比較例
[0027]為了說明本實用新型的空腹熱管散熱器具有較高的散熱效率，現將圖5中的空腹熱管散熱器與圖1、2中的普通散熱器和平面熱管散熱器進行比較。
[0028]散熱器的熱阻=接觸熱阻R1+散熱母板熱阻R 2 +翅片熱阻R 3。就一般而言，R1=KFoR總，R2=10%R總，翅片熱阻=80% R總。從中可以看出，翅片的熱阻成為影響散熱器散熱效率的最大因素，而翅片的結構直接決定著其熱阻的大小。從上可以看出:Rla= Rlb= Rlc ；R2a> R2b> R2c ；R3a> R3b> R3。；并且 申請人:根據大量的實驗數據分析經測算得到:R3。= R3bl/4=R3al/6 ;其中:Rla為圖1中普通散熱器的接觸熱阻，Rlb為圖2中普通平面熱管散熱器的接觸熱阻，R1。為圖5中空腹熱管散熱器的接觸熱阻；R2a為圖1中普通散熱器母板的熱阻；R2b為圖2中普通平面熱管散熱器母板的熱阻；R2。為圖5中空腹熱管散熱器母板的熱阻；R3a為圖1中普通散熱器翅片的熱阻；R3b為圖2中普通平面熱管散熱器翅片的熱阻；R3。為圖5中空腹熱管散熱器翅片的熱阻。
[0029] 申請人:通過具體實驗將附圖1、2、5中的散熱器應用于對大功率LED進行散熱，分別安裝了附圖1、2、5所示三種散熱器的大功率LED燈，在不同的環境溫度和不同輸入功率條件下，對應的表面溫度的測試結果如圖9-10所示。從圖9中可以得知，當環境溫度設定為30°C時，在不同輸入功率下，圖1的普通散熱器與大功率LED燈的接觸面的溫度均較高，圖5中的空腹熱管散熱器與大功率LED燈的接觸面的溫度較低，而圖2中的平面熱管散熱器的接觸面溫度則介于兩者之間；LED燈表面溫度隨著LED燈的發熱功率的增加而升高，但使用不同的散熱器LED燈的表面溫度升高的程度不一樣。圖5中的空腹熱管散熱器接觸面的溫度升幅較小，而圖1中的普通散熱器隨接觸面的溫度升幅較大，圖4中的平面熱管散熱器接觸面溫度居于兩者之間；即空腹熱管散熱器的散熱效果較好。
[0030]從圖10中可以得知，當大功率LED燈的輸入功率設為14W時，隨著環境溫度的升高，大功率LED燈的表面溫度也升高，應用不同散熱器LED燈的表面溫度升幅基本一樣。在相同環境溫度下，圖1中的普通散熱器與LED燈的接觸面的溫度均較高，圖5中空腹熱管散熱器與LED燈的接觸面的溫度均較低，而圖4中的平面熱管散熱器介于兩者之間。因此空腹熱管散熱器可以使大功率LED工作于更低的溫度，對環境溫度的改變也有更好的適應性。
[0031]現結合說明書附圖11詳細描述本實用新型空腹熱管散熱器的制造方法。首先選用例如鋁或銅等高導熱率的材料加工形成散熱器的中空翅片冷凝器以及中空的取熱器母板，再將所述冷凝器與取熱器母板用焊接或粘接或其他辦法形成為一體結構，并引出一條便于清洗，抽真空，灌裝工質的管道11-2，也可采用特種模具壓鑄成型或類似方式一次性將冷凝器翅片和母板制成一體；特別需要說明的是，為了更進一步提高散熱能力，最好在取熱器母板上利用微槽技術設置多個微槽群11-1，而翅片冷凝器中翅片個數或大小可以根據實際需要和空間大小而定，然后以高壓液體清洗翅片冷凝器和取熱器母板中空的腔體，并對其鈍化后抽成真空，再罐注適量的工質，最好再摻入一定數量的納米碳管材料以提高散熱效果。最后再對散熱器外部表面進行陽極氧化，電泳涂漆或采取其他防護措施，即可制成本實用新型如圖12-16所示的空腹熱管散熱器成品。
[0032]本實用新型的空腹熱管散熱器制作工藝較常規平面熱管散熱器復雜，但大大降低了現有散熱器的翅片熱阻；其散熱能力較同尺寸的普通平面熱管散熱器提高了 40%?95% ;在極限熱流密度內，具有業內無可比擬的散熱性能，對環境溫度的改變有更好的適應性。由上述結論可以預期，本新型空腹熱管散熱器將會以較高的性價比、穩定且高效的換熱性能得到廣泛的應用。
【權利要求】
1.一種空腹熱管散熱器，包括冷凝器及與熱源接觸的取熱器母板，所述冷凝器位于取熱器母板之上并與之直接連接，其特征在于:所述冷凝器與取熱器母板均為中空結構，并且所述冷凝器包括多個中空的翅片，所述取熱器母板具有兩個表面，其中的一個表面直接接觸熱源的光滑平面，并在取熱器上設置有用于安裝熱源的多個盲孔，在該多個中空的翅片與中空的取熱器母板中填充有用于相變散熱的工質。
2.如權利要求1所述的散熱器，其特征在于:該多個中空的翅片空腔與中空的取熱器母板的空腔相互聯通，其中該翅片與取熱器母板為一體成型形成的一個整體結構。
3.如權利要求1所述的散熱器，其特征在于:所述取熱器母板中設置有多個與中空翅片相適應的容納槽，中空翅片被收納于該容納槽中，中空翅片的側壁和底部分別與該母板容納槽的側壁和底部接觸。
4.如權利要求1-3任一所述的散熱器，其特征在于:其中所述用于相變散熱的工質包括相變材料。
5.如權利要求4所述的散熱器，其特征在于:所述散熱的工質還包括納米碳管。
6.如權利要求4所述的散熱器，其特征在于:所述相變材料包括蒸餾水、甲醇、丙酮、HFC制冷劑、氯化鈣、硝酸鈣、硫酸納及硝酸錳中的任意一種。
7.如權利要求2所述的散熱器，其特征在于:其中所述取熱器母板底部包括具有多個利用微槽技術形成的微槽，或平面或其他形狀的曲面。
【文檔編號】F28D15/02GK203523220SQ201320547379
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年9月4日 優先權日:2013年9月4日
【發明者】何少云 申請人:中山佳一電子技術有限公司