CN1489204A - 热管装置和热管型换热器 - Google Patents

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Abstract

一种热管装置包括一个集箱；许多直立并与集箱一侧相连且与所述集箱连通的管，所述的管在与集箱连接端的相反末端被封闭；一种被密封在集箱内部的工作流体，该工作流体可在上述的许多管和集箱间流动；许多固定装配在上述的多根管上的翅片。这种热管装置的集箱嵌入金属基块中形成热管型换热器。许多热管装置可以在基块上排成一列。集箱优选由具有圆横截面的管形成，并且集箱内表面有螺旋槽。这种热管装置和热管型换热器结构简单，冷却性能极佳，而且易于制造。

Description

热管装置和热管型换热器
技术领域
本发明涉及一种用于冷却的热管型换热器，例如，半导体装置等。
相关技术的描述
背景技术
热管型换热器广泛地用于冷却利用一个半导体装置的控制装置，半导体装置可以是电力晶体管或者车载晶体管，或者闸流晶体管。
如图14所示，传统的热管型换热器20由接收发热体热量的热接收块21，许多按一定间距设置的、根部嵌入热接收块21的热管13，和由热管13的根部到顶部按次序地装配在热管13的暴露部分的一个中间分隔板18、多个翅片24和一个导板17组成。翅片24用于热管13散热，中间分隔板18将装有例如闸流晶体管等的半导体装置(图中未示)的外壳与室外分离，同时，与导板17一起使热管13彼此固定。热接收块21和翅片24由具有高热传导率的材料制成，例如铜，铝等。
这样的热管型换热器在日本专利申请未审查的公开号Hei 8-210789(附图4)中披露，具有重量轻，体积小、易维护等特点。
近年来，由于半导体装置的发展并且广泛使用，冷却具有高热值的半导体装置的必要性逐步上升。换热器通常根据需要的容量进行选用，例如散热片用于小容量，热管用于中等容量，热虹吸管型换热器用于大容量。
附图15图示了一种热虹吸管型换热器的一个例子。图15是一个热虹吸管型换热器100的局部分解透视图，各种组件分解图示。所述的热虹吸管型换热器100的形状概略地为两个矩形平行六面体堆叠在一起，包括一个大体上呈长形平行六面体的冷凝器区27，一个设在冷凝器区27下部的大体上呈矩形平行六面体的容器区30，一个矩形平行六面体前挡板区40由双向箭头A所示的来回方向的前侧伸出。
冷凝器区27包括按照双箭头A所示的来回方向层压在一起的一个分隔板31、一个由翅片41和集箱50的组成的联合体、一个分隔板31、一个框体26和一个分隔板31，以一个末端板37与前端相连。所述的冷凝器区27因此包括许多由框体26和固定框体26也固定许多翅片41的两个分隔板31，31形成的矩形空间26a。为了增强散热，翅片41安装在两个分隔板31，31之间。而且，在顶部末端，其中形成许多可以使得工作流体以气相流过的通道，所述的许多通道可以是设置在集箱50内的许多蒸气通道55，设在每一个分隔板31内的许多蒸气通道35和许多矩形空间26a。
容器区30包括分隔板31，容器段25，分隔板31，框体26和分隔板31以这种顺序，在来回方向上连接在一起，由此在容器段25中形成工作流体通道38与相应的在每一个分隔板31内形成的液体通道34结合在一起，以一末端板32在前端相连。容器区30因此形成许多局部向上开口接收液相工作流体的液体接收器。一个发热体(图中未示)被连接在容器区30的下侧。
前挡板区40由一个末段28和两个角段23，23组成，并且该前挡板区40主要用于连接热虹吸管型换热器100。
通过上述提到的结构，可以形成一个大型换热面积从而增强冷却效果(参见公开号为2002-13467的未经审查的日本专利申请(附图1))。
大容量热虹吸管型换热器具有极好的性能，但如附图15所示的结构很复杂并且也昂贵。为了使结构比热虹吸管型换热器简单的传统热管型换热器也获得与热虹吸管型换热器相同的性能，需要许多热管，最终由于增大换热器尺寸、制造的困难等问题导致成本增加。
发明内容
本发明是在这样的情况下做出的，因此本发明的一个目的是提供一种热管装置和一个结构简单、易于制造、且尺寸紧凑并可以增强换热效率的热管型换热器。
为了获得上述目的，根据本发明的一个方面，这里提供一种热管装置包括：一个集箱；多根直立并与所述集箱一侧相连且与所述集箱连通的管，所述管在与集箱连接端的相反末端被封闭；一种被密封在所述集箱内部的工作流体，该工作流体可在上述的许多管和集箱之间流动；和许多翅片，每个翅片都安装在所述多根管上。
通过细管彼此与集箱的连接，将提高翅片侧的冷却效果，从而可以实现整个热管型换热器冷却效率的提高。
优选地，集箱由具有圆横截面的管组成，并且集箱内部表面有槽。优选地，所述槽的深度为0.01mm至0.5mm，间距为4mm或更少。
通过在集箱内设置槽，可以增大换热表面积，得到更好的换热效果。
根据本发明的另一个方面，这里提供一种热管型换热器包括：一个集箱；多根直立并与所述集箱一侧相连且与所述集箱连通的管，所述管在与集箱连接端的相反末端被封闭；一种被密封在所述集箱内部工作流体，该工作流体可在上述的许多管和集箱之间流动；一个金属基块，集箱嵌入其中；和许多翅片，每一个翅片都安装在所述许多管上。
优选地，集箱由具有圆横截面的管组成，并且集箱内部表面有槽。优选地，所述槽的深度为0.01mm至0.5mm，间距为4mm或更少。
具有如此构造的热管型换热器，产生在半导体装置上的热量以好的热传导率传递给基块，在基块内均匀地分配，经由许多的细管向大气中散热，使得小尺寸热管型换热器换热性能的增强成为可能。
尤其是当一个由具有大横截面积并且其内部表面有槽的管用于组成集箱时，在工作流体和集箱之间的接触面积得到增加，这样使得易于由集箱传递热量并可增强换热效果。
根据本发明的更进一步方面，这里提供一种热管型换热器包括：多个集箱；多根直立并与每一个所述集箱一侧相连且与对应的一个所述集箱连通的管，所述的多根管在与其对应的一个集箱连接端的相反末端被封闭；一种被密封在每一个所述集箱内部的工作流体，该工作流体并可在上述的多根管和与之对应的一个集箱之间流动；一个金属基块，所述的多个集箱嵌入其中；和多个翅片，该多个翅片安装在至少一些一个或多个所述集箱的所述管上。
通过许多热管装置并列嵌入至基块中，增加了换热面积，此外，通过这样一种结构使得在需要时增加冷却能力成为可能。因此许多热管装置并列在可用的空间范围内，容许大容量半导体装置可以被有效率地冷却，这样保证了半导体装置的稳定操作。
同时在这样一种情况下，每一个集箱优选由具有圆横截面的管组成，并且集箱内部表面有深度为0.01mm至0.5mm，间距为4mm或更小的槽。这样，增加了工作流体和集箱之间的接触面积，这样使得易于由集箱传递热量并可增强换热效果。
优选的是，当热管装置并列放置时，许多集箱的许多管由顶视图看上去排成类似格子形式或交错形式。
尤其是当两个或多个类型的热管装置的细管被布置在不同位置时，这样在顶视图中细管交错排列，冷却性能将比按类似格子状排列的细管的冷却性能更强。
优选地，集箱或每一个集箱通过安装件与基块相连。
允许热管型换热器用于冷却车载半导体装置，优选所述的集箱或许多集箱通过安装件与基块螺纹连接。
通过这样将集箱许多集箱通过安装件与基块相连，可以获得一个车载热管型换热器，并能经受住车辆运行期间激烈的振动。
根据本发明的另一个方面，这里提供一种热管型换热器包括：一个集箱；许多直立并与所述集箱一侧相连且与所述集箱连通的管，所述管在其与集箱连接端的相反末端被封闭；一种被密封在所述集箱内部的工作流体，该工作流体可在上述的许多管和集箱之间流动；一个金属基块，所述的集箱嵌入其中；和许多翅片，每个翅片安装在所述许多管上。当所述基块垂直安装时，所述的管与所述基块成一定角度，所述管相对于水平面延伸角度为5至10°。
一个采用半导体装置的控制装置用作不同机器和装置的附件，这样控制装置的安装位置和安装方向经常受到限制。因此，为了安装热管型换热器，集箱嵌入的基块必须经常垂直安装，管优选与相对于水平面向侧面延伸角度为5至10°。管的倾斜使得管内的工作流体易于流回集箱。
本发明上述和其它的目的和特点将在之后的说明书和附上的权利要求中更加清楚看出。
附图说明
附图1是根据本发明第一个具体实施方式的热管装置和热管型换热器的透视图；
附图2是如附图1中所示的本发明热管装置的局部剖面侧视图；
附图3图示了如附图1所示的本发明的热管装置的空气吹动方向；
附图4根据本发明的第二个具体实施方式的热管装置的局部剖面侧视图；
附图5是如附图4所示的热管装置集箱内槽的放大图；
附图6图示了当改变槽的尺寸时，所获得的热阻的变化；
附图7A和7B图示了固定基块和集箱的方法的一个例子，其中集箱采用具有圆形横截面的管组成；
附图8图示了固定基块和集箱的方法的一个例子，其中集箱采用具有正方形横截面的管组成；
附图9图示了增强每一个直立细管方法的一个例子；
附图10是根据本发明第三个具体实施方式的热管型换热器的侧视图；
附图11是附图10所示的热管型换热器布置的顶视图；
附图12是根据本发明第三个具体实施方式的热管型换热器布置的顶视图；
附图13是根据本发明第四个具体实施方式的热管型换热器的侧视图；
附图14图示了一种传统热管型换热器一个例子的透视图；和
附图15图示了一种传统热虹吸管型换热器结构的透视图。
具体实施方式
本发明的具体实施方式将参照附图进行描述。
附图1是根据本发明第一个具体实施方式的热管装置和热管型换热器的透视图；
这个具体实施方式的热管装置10包括一个具有圆形横截面的集箱2；多根细的或者小直径直立于集箱2之上的管3，该多根管3与集箱2连通；由具有良好热传导率的材料例如铝或铜制成的薄板翅片4，每一个翅片按照一定间距布置在细管3上。每一个翅片4都可以安装在细管3上，例如在每一个翅片上的预定位置预先留有孔，通过除毛刺和压入配合将翅片4在孔处固定在管3上。可选择的，每一个管3也可以在装配位置处加大直径用于装配翅片4。
如附图1所示的第一个具体实施方式，细管3之间按照合适的间距布置成一排。集箱2和每一根管3钎接在一起，形成一个完整的内部空间。每根管和容器通过末端焊接被封闭，由此密封一种工作流体，工作流体是例如水，(全)碳氟化合物等。
而且如附图1中虚线所示的这个具体实施方式的热管型换热器11，集箱2通过焊接等方法嵌入基块1中并整体与基块1连接，基块1由具有好的热传导性和大的热容量的金属例如铝、铜等制成。因此基块1和集箱2之间的热传递非常的平稳。
一个发热的半导体装置5被安装在基块1的、与集箱2埋入基块1的表面相反侧的表面上。
带有这样结构的热管型换热器11，半导体装置5产生的热量传递至基块1中，然后在基块上分配，使得热量进入集箱2中并使集箱2内的工作流体蒸发。工作流体蒸发上升至细管3内，由此热量传递至翅片4并释放到大气中。工作流体在细管3内上升，释放热量后，在细管3内冷凝下降返回集箱2。
上述的工作流体的循环将半导体装置5产生的热量释放到大气中，由此抑制半导体装置5的温度上升并使得半导体装置5工作稳定。
如上所述的基块1用于使热量传导至每一个细管3，因此增强冷却能力。
附图2是如附图1中所示的本发明的热管型换热器11的局部剖面侧视图。热管装置10的集箱2的高度h的一半被嵌入至基块1中，细管3按预定间距在集箱2顶部直立排成一行。许多薄翅片4设置为将细管3相互连接。
在本具体实施方式，如上所述的集箱的横截面形状可以是圆形或者正方形。圆形横截面的集箱具有高强度，而且易于制造，优点是可以降低成本。当正方形截面的集箱嵌入基块时，可以增加集箱和基块的接触面积从而实现冷却效果的提高。
每一种情况，集箱和基块最好通过焊接或与之相类似的方法连接在一起。这是因为紧密的接缝能够具有更好的热传导率并可以提高冷却效果。
附图3图示了附图1所示的本发明的热管装置的空气吹动方向。风扇使空气吹向翅片4的侧向，由此实现强制冷却，更进一步增强冷却效果。
上述是本发明的热管装置和热管型换热器基本的结构和操作。
附图4根据本发明的第二个具体实施方式的热管装置的局部剖面侧视图。第二个具体实施方式的热管装置12与如附图2所示的第一个具体实施方式的热管装置10的区别在于集箱2，热管装置12的集箱具有大的横截面积，由具有圆形横截面的管组成，管的内部表面带有槽8因此可以增大换热面积并可以增强换热效果。附图5图示了集箱2内部表面的放大视图。集箱2的内部表面可以由螺纹梳刀形成，形成的螺旋槽8具有深度d，宽度w和间距p。θ表示槽8相对于集箱组成的管的轴向的倾斜角度。
注意，尽管本具体实施方式中圆形横截面的管，具有大的横截面积并在内部表面形成螺旋槽8，然而具有其他形状横截面的例如正方形等横截面的管也可以使用。同样地，槽也不仅限于螺旋状，其他形式例如沿管纵向范围延伸的直槽也可以适合用于增加换热表面的面积。由效果观点来看，螺旋槽是优选的。而且，槽可以形成在具有大横截面积的管的全部或部分内部表面。
为了确定槽8的最适宜的尺寸，改变槽8的尺寸进行试验并且进行热阻测量。换句话说，附图4所示的集箱2采用外径22.22mm，壁厚1.2mm的铜管，细管3采用外径为12.7mm，壁厚为1mm的铜管。水平集箱2的下半部被嵌入并被焊接在一个铝制的基块(图中未示)上，基块宽度70mm，长度170mm，厚度为20mm。翅片(图中未示)由铝制成，翅片上有以压入配合来固定细管3的孔。集箱2的内部表面螺纹形成的螺旋槽的深度d，宽度w和间距p示于表1的试验序号1-8和11。同样但是具有沿纵向延伸的直槽的管示于试验序号9。而且，用于比较，相同的不带槽的管示于试验序号10。
通过这些换热模型，采用假设的换热器向基块施加的热量为370W，并且测量热阻(开/瓦：K/W)。细管3有一个水冷套，通过有多少热量由基块传递到水冷套确定热阻。热阻越低，冷却效果越好。结果如表1和图6所示。
表1
实验序号     1     2     3     4     5     6     7     8     9     10     11
槽类型     螺旋     螺旋     螺旋     螺旋     螺旋     螺旋     螺旋     螺旋     纵向直槽     无槽     螺旋
槽形状     三角形     三角形     三角形     三角形     三角形     三角形     三角形     三角形     梯形     -     三角形
间距：p(mm)     1.5     2.5     4     4     4     8     8     8     1.2     -     1
深度d(mm)     0.09     0.09     0.59     0.34     0.09     0.59     0.34     0.09     0.36     -     0.09
宽度w(mm)     0.18     0.18     1.18     0.68     0.18     1.18     0.68     0.18     0.84     -     0.18
角θ(°)     85.67     82.81     78.59     78.59     78.59     68.02     68.02     21.98     -     -     85.67
热阻：R(K/W)     0.0646     0.0654     0.0692     0.0695     0.0697     0.0743     0.0743     0.0746     0.0778     0.0908     0.0646
表1和附图6中的结果可以显然看出，实验序号1-8和11内部带有螺旋槽的管以及实验序号9带有纵向延伸的直槽的管比实验序号10内部没有槽的的管的热阻要低。当槽是螺旋状且间距为4mm或更少时(参见试验序号1-5和11)，这种效果更加明显。因此显然，当具有大的横截面的管内部表面有螺旋槽或者沿纵向延伸的直槽的冷却效果与不带槽的管相比要强。显然槽的深度和宽度对冷却能力影响很小。槽越深，切割力越大，因此浅槽就这点具有优势。槽的深度和宽度受所采用管的壁厚的限制。槽的横截面不仅限于三角形，可以采用梯形，圆形，多边形，正方形等任何形状，但是三角形横截面槽优点是可以通过普通的螺纹梳刀形成。
在另一个具体实施方式中，由铜等制成的金属网可以***管中来代替在具有大的横截面区域的管的内表面形成槽，或者连同槽一起，以获得相同的效果和优点。
而且，不仅在具有大横截面积的管内，而且在细管3内也有槽和/或上述的金属网，由此可以增大换热表面的面积。
考虑到热管型换热器将有许多用途用于冷却车载半导体控制装置，优选地是集箱通过安装件与基块相连。
同样地基于相同理由，细管优选通过安装件与基块相连。
如果集箱和细管如此通过安装件与基块相连，可以获得一个车载热管型换热器，并能经受住车辆运行期间激烈的振动。
附图7图示了将集箱2与基块1连接的方法的一个例子，其中集箱2由有圆横截面的管组成。
如附图7A所示，当使用圆形横截面的集箱时，一个U形安装件14和螺钉16优选用于将集箱2螺纹连接到基块1，以增加强度。而且，如附图7B所示，一个板形安装件15和螺钉16也可以用于将集箱2螺纹连接到基块1上。
附图8图示了将集箱安装在基块上的方法的一个例子，其中集箱2由有正方形横截面的管组成。正方形横截面的管组成集箱，如果如附图8所示集箱2直到它的侧面的顶端都嵌入基块1中，那么集箱2和基块1之间将会获得最大接触面积。
同样地，当集箱采用如附图8所示的正方形横截面时，一个板状的安装件15和螺钉16优选用于将集箱2螺纹连接到基块1上，以增加强度。
集箱可以通过管子挤压成形，也可以由板焊接在一起形成。
在任一种情况下，从热传导的观点来看，基块1和集箱2优选在连接处通过焊接紧密接合。
而且，由稳定的观点来看，每一根直立的管优选通过安装件等在上部加固。安装件的例子包括如附图9所示的U形安装件7。如附图9所示，如果集箱2和细管3通过采用安装件14和7螺纹连接到基块1上，就能够获得足够的强度抵抗强烈震动。
根据本发明第三个具体实施方式的热管型换热器包括一个金属基块和多个热管装置，后面的集箱2被嵌入至基块内的一排中。这样一种热管型换热器，在空间范围与基块相连，根据半导体装置产生的热量可选择任何任何数量的热管装置，使得可以处理大容量的半导体装置。
附图10和11图示了热管型换热器的一个例子，其中许多热管装置22在金属基块1中以一排嵌入。附图10是侧视图，附图11是显示布置的顶视图。在这个例子中，四个热管装置22被布置成一排，嵌入至基块1。沿纵向隔开一定距离的两组翅片4，固定在两个相邻热管装置的细管3上。在本具体实施方式中，从顶视图看去细管3整体布置成类似格子形式。这样布置的热管型换热器要比下面将要进行描述的细管错排布置的热管型换热器具有易于制造的优点。
附图12图示了根据本发明第四个具体实施方式的热管型换热器42的顶视图。这是包括许多热管装置的热管型换热器的另一个例子。这种热管型换热器42采用5个热管装置，他们的集箱2平行布置而且间距均匀。
在本具体实施方式中，直立在每一个热管装置集箱2上的细管3按照一定的间距排列，当从顶视图看去，它们布置成一种交错排列形式。如果细管3布置成顶视图那样的交错排列形式，由于扰动流的作用可以实现增强的冷却效果。尽管在附图12所示的例子中翅片4安装在全部的细管3上，但是翅片4也可以被分成几个区，并安装在对应的管3上。
附图13所示的本发明的第五个具体实施方式允许垂直安装热管型换热器。
例如一个车载半导体控制装置，具有以下情况：热管型换热器的安装位置被限制，并且热管型换热器必须被垂直安装在一个受限的、垂直延伸的空间中。在这种情况，如附图13所示连接有半导体装置5的基块1大体垂直安装，许多集箱2嵌入至基块1并在水平方向上伸出。每一根细管3以相对于水平面成角θ被安装在对应的热管装置上。因此这样结构的热管型换热器43可以垂直安装在一个受限空间内。每根细管3相对于水平面倾斜θ°的原因是，可以使得在每根细管3内的冷凝液工作流体更容易地返回对应的集箱2中。角θ优选为5°-10°，更优选地为7°左右。
本发明所述的热管装置，许多细管彼此在其根部与集箱相连，这样每根热管均匀地参与散热。而且，本发明的热管型换热器构造成热管装置集箱的一部分嵌入具有大热容量的基块内，这样的结构可以使散热进一步增强。
本发明的热管装置和热管型换热器结构简单，易于制造，紧凑的尺寸具有高的热效率。
发明的优点
本发明所述的热管装置结构简单，易于制造，并且有高的热效率。而且，通过在需要时增加热管装置的数目，能够制造一种热管型换热器用于冷却具有高热值的半导体装置。
现在已经完全描述了本发明，本领域普通技术人员可以在不脱离附上的权利要求所阐明的本发明的精神范围内，对本发明进行改动和修改。

Claims (17)

1.一种热管装置包括：
一个集箱；
多根直立并与所述集箱一侧相连且与所述集箱连通的管，所述管在与集箱连接端的相反末端被封闭；
一种被密封在所述集箱内部的工作流体，该工作流体可在所述的多根管和集箱之间流动；和
许多翅片，每个翅片安装在所述许多管上。
2.根据权利要求1所述的热管装置，其中所述集箱的横截面积比所述的多根管的横截面积大。
3.根据权利要求1所述的热管装置，其中所述的集箱由具有圆横截面的管组成，并且集箱内部表面上有槽。
4.根据权利要求3所述的热管装置，其中所述槽的深度为0.01mm至0.5mm，间距为4mm或更少。
5.一种热管型换热器包括：
一个集箱；
多根直立并与所述集箱一侧相连且与所述集箱连通的管，所述管在与集箱连接端的相反末端被封闭；
一种密封在所述集箱内部的工作流体，该工作流体可在上述的许多管和集箱之间流动；
一个金属基块，所述的集箱嵌入其中；和
许多翅片，每个翅片安装在所述许多管上。
6.根据权利要求5所述的热管型换热器，其中所述集箱的横截面积比所述的多根管的横截面积大。
7.根据权利要求5所述的热管型换热器，其中所述的集箱由具有圆横截面的管组成，并且集箱内部表面上有槽。
8.根据权利要求7所述的热管型换热器，其中所述槽的深度为0.01mm至0.5mm，间距为4mm或更少。
9.一种热管型换热器包括：
多个集箱；
多根直立并与每一个所述集箱一侧相连且与对应的一个所述集箱连通的管，所述的多根管在与其对应的一个集箱的连接端的相反末端被封闭；
一种密封在每一个所述集箱内部的工作流体，该工作流体可在上述的许多管和与之对应的一个集箱之间流动；
一个金属基块，所述的许多集箱嵌入其中；和
许多翅片，该翅片安装在至少一些一个或多个所述集箱的所述管上。
10.根据权利要求9所述的热管型换热器，其中每一个所述的集箱由具有圆横截面的管组成，并且集箱内部表面上有槽。
11.根据权利要求10所述的热管型换热器，其中所述槽的深度为0.01mm至0.5mm，间距为4mm或更少。
12.根据权利要求9所述的热管型换热器，其中一个或多个所述集箱的所述管由顶视图看上去排列成类似格子形式或者交错形式。
13.根据权利要求5所述的热管型换热器，其中所述的集箱通过安装件螺纹连接在所述基块上。
14.根据权利要求9所述的热管型换热器，其中每一个所述的集箱通过安装件螺纹连接在所述基块上。
15.一种热管型换热器包括：
一个集箱；
许多直立并与所述集箱一侧相连且与所述集箱连通的管，所述管在其与集箱连接端的相反末端被封闭；
一种被密封在所述集箱内部的工作流体，该工作流体可在上述的多根管和集箱之间流动；
一个金属基块，所述的集箱嵌入其中；和
许多翅片，该翅片安装在所述多根管上；
其中当所述基块垂直安装时，所述的管与所述基块成一定角度，所述管相对于水平面以角度为5至10°延伸。
16.根据权利要求15所述的热管型换热器，其中所述集箱的横截面积比所述的多根管的横截面积大。
17.根据权利要求15所述的热管型换热器，其中所述的集箱由具有圆横截面的管组成，并且集箱内部表面上有槽。
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