CN1971195A - 一种热扩散用平板热管 - Google Patents
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Abstract
一种热扩散用平板热管，包括金属翅片或翅柱散热器和将其四周密封的金属盖板，金属翅片或翅柱的顶端与金属盖板内壁面相连接，且在翅片或翅柱散热器与金属盖板构成的空腔内设置有液体工质，在翅片或翅柱的表面以及翅片或翅柱基底、金属盖板内壁面上均设有供液体工质回流的毛细芯。金属翅片或翅柱可以起到加强热管机械强度的作用，其表面设置的供液体回流的毛细芯可以缩短液体回流的路径，提高传热效果。使用时功率器件产生的热量使加热壁面上的液体蒸发，蒸汽通过翅片或翅柱间相互连通的通道到达散热壁面，在散热壁面上冷凝放出热量，冷凝的液体经过毛细芯回到加热壁面。
Description
技术领域
本发明涉及功率模块的封装和散热技术，特别涉及一种高热密度热扩散用的平板热管。
背景技术
现代电力电子技术的进步，使得电力电子装置在有限空间内集成的元器件数目越来越多，装置的功能越来越强大。而随之在装置内部产生的高热流密度成为影响装置性能和可靠性，制约装置朝小型化、微型化方向发展的重大障碍。排除这一障碍的关键在于采用高效的散热装置，将高热密度热源产生的热量排出。
解决高热密度热源散热问题首先要将集中热源扩散至大面积上，只有先将集中热源扩散，才能保证散热器(风冷、水冷等装置)的充分利用，热扩散的效果极大地影响散热器的散热效率。在微电子电路中甚至采用高成本的金箔、金刚石膜来进行热扩散。功率模块内的大功率器件，例如IGBT的热流密度可达400W/cm2，目前功率模块采用的热扩散装置主要是高导热率的金属基板，如铜板、铝板等。虽然金属基板的导热率较高，但基板底面仍存在温差，散热器的效率较低。另外，由于受到金属基板的热扩散能力的限制，大功率器件之间的距离不能太近，以免造成热集中。然而，对减小寄生参数而言，又希望功率器件之间的距离越近越好。因此，采用比金属基板热扩散能力更强而成本又低的热扩散装置对提高模块的功率和电性能非常有利。
热管在电力电子装置中也常被用来进行热量的扩散和传输。其中平板热管的形状非常有利于对集中热源进行扩散。该平板热管的结构是将金属基板中心部分做成空腔，空腔内壁设有毛细结构，腔内抽真空，注入一定容量的工质。热源产生的热量使加热壁面附近的液态工质气化，带走热量，蒸汽在冷却壁面上凝结成液体放出热量，液态工质依靠毛细力的作用回到加热壁面上，如此循环便能带走热源产生的热量。由于热管的当量热导率远高于金属，平板热管的热扩散能力也远高出实体金属基板。热源热流密度较高时，平板热管散热表面的温差仅在1℃左右(洪宇平，李强，宣益民，小型平板热管传热实验研究，南京理工大学学报，2001，25(1)：32-35)。一些专利文献中提出了各式各样的平板热管，如下所述：
台达电子工业股份有限公司庄明德等人申请的发明专利“平板式热管及其支撑结构”(申请号：200410089845.9)，提出了一种平板热管，该热管的蒸汽腔内广布支撑结构用以避免毛细组织剥离。支撑结构是一多层或单层的多孔材料。支撑结构不仅可支撑毛细组织，降低毛细组织与热管内壁的热阻，还可以提供蒸汽流动空间，进一步提供毛细力使工作流体回流。但是由于支撑结构为多孔材料，在热传导和机械强度方面都不如金属材料。
财团法人工业技术研究院徐金城等人申请的发明专利“平板型热管的热传加强结构”(申请号：200310121710.1)，在热管腔体内较高温度处设有若干个抵接于上、下壁面的导热柱，以作为热传导的加强结构，降低热传路径上的热阻。该结构在设计上重点考虑到加强热管腔体上下壁面的热传导，因此导热柱只设在热管腔体内较高温度处，该结构并未做缩短蒸汽回流路径和加强热管机械强度方面的考虑。
发明内容
本发明的目的在于提供一种既能够充分保证热管的机械强度，又能够使工作液体的回流路径大大降低，从而提高热管的传热性能的一种热扩散用平板热管。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括翅片或翅柱散热器和一个将其四周密封的金属盖板，其特点是，所说的翅片或翅柱散热器的翅片或翅柱的顶端与金属盖板内壁面相连接，且在翅片或翅柱散热器与金属盖板构成的空腔内设置有液体工质，在翅片或翅柱的表面以及与翅片或翅柱基底、金属盖板内壁面上均设有供液体工质回流的毛细芯。
本发明的翅片或翅柱为有圆柱形翅柱、方柱形翅柱或矩形翅片；毛细芯为烧结金属粉末、金属丝网、导热纤维、纳米纤维或细凹槽结构；翅片或翅柱散热器由高导热率的金属制成；金属翅片或翅柱间的通道相互连通；液体工质为去离子水、乙醇或丙酮。
由于本发明的翅片或翅柱表面设有供液体回流的毛细芯，这样既可以缩短液体回流的路径，提高传热效果，又可以起到加强热管机械强度的作用。使用时功率器件产生的热量使加热壁面上的液体蒸发，蒸汽通过翅片或翅柱间相互连通的通道到达散热壁面，在散热壁面上冷凝放出热量，冷凝的液体通过金属盖板内壁面、翅片或翅柱表面以及翅片或翅柱基底上的毛细结构回到加热壁面。采用该平板热管代替金属基板，既可以提高基板的热扩散能力，提高功率模块的功率密度，又可以降低功率模块的重量。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明翅片或翅柱散热器的结构示意图，其中图2a为圆柱形翅柱式散热器，图2b为方柱形翅柱式散热器，图2c为矩形翅片式散热器；
图3为本发明的功率模块的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作进一步详细说明。
参见图1，本发明包括由高导热率的金属制成的翅片或翅柱散热器8和一个将翅片或翅柱散热器8四周密封的金属盖板9，在翅片或翅柱散热器8内设置有若干组分别与翅片或翅柱散热器基底801及金属盖板9内壁面相连接的金属翅片或翅柱802，金属翅片或翅柱802间的通道相互连通，且在翅片或翅柱散热器8与金属盖板9构成的空腔内设置有去离子水、乙醇或丙酮液体工质10，在翅片或翅柱802的表面以及与翅片或翅柱基底801、金属盖板内壁面901上均设有供液体工质10回流的毛细芯11，该毛细芯11为烧结金属粉末、金属丝网、导热纤维、纳米纤维或细凹槽结构。
参见图2，本发明的翅片或翅柱802为圆柱形翅柱、方柱形翅柱或矩形翅片。
参见图3，本发明提出的平板热管可作为大功率器件的热扩散基板。大功率器件12焊接在平板热管13翅片或翅柱基底的一面上，散热器14装在与其相对的另一面上，平板热管13通过螺钉15与散热器14连接。功率器件12产生的热量使加热壁面上的液体蒸发，蒸汽通过翅片或翅柱802间相互连通的通道到达散热壁面，在散热壁面上冷凝放出热量，冷凝的液体通过金属盖板内壁面以及翅片或翅柱表面的毛细芯11回到加热壁面。
金属翅片或翅柱802可以增强平板热管的机械强度，其上的毛细芯11可以缩短液体的回流路径。由于平板热管的热扩散能力远高于实体金属基板，热管基板可以使功率器件产生的集中热量高效地扩散，较好地解决了高热密度功率模块的热集中问题。另外，采用平板热管代替实体金属基板也使模块的重量大大降低。
Claims (6)
1、一种热扩散用平板热管，包括翅片或翅柱散热器(8)和一个将其四周密封的金属盖板(9)，其特征在于：所说的翅片或翅柱散热器(8)的翅片或翅柱(802)的顶端与金属盖板(9)内壁面相连接，且在翅片或翅柱散热器(8)与金属盖板(9)构成的空腔内设置有液体工质(10)，在翅片或翅柱(802)的表面以及与翅片或翅柱基底(801)、金属盖板内壁面(901)上均设有供液体工质(10)回流的毛细芯(11)。
2、根据权利要求1所述的一种热扩散用平板热管，其特征在于：所说的翅片或翅柱(802)为有圆柱形翅柱、方柱形翅柱或矩形翅片。
3、根据权利要求1所述的一种热扩散用平板热管，其特征在于：所说的毛细芯(11)为烧结金属粉末、金属丝网、导热纤维、纳米纤维或细凹槽结构。
4、根据权利要求1所述的一种热扩散用平板热管，其特征在于：所说的翅片或翅柱散热器(8)由高导热率的金属制成。
5、根据权利要求1所述的一种热扩散用平板热管，其特征在于：所说的金属翅片或翅柱(802)间的通道相互连通。
6、根据权利要求1所述的一种热扩散用平板热管，其特征在于：所说的液体工质(10)为去离子水、乙醇或丙酮。
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