CN1263591A - 板式热管及采用热管的冷却装置 - Google Patents

Abstract

一种板式热管,包括:两个彼此面对以形成气密容器的板件,在该两个板件的任一个之上安装至少一个发热部件;至少一个传热块,其截面积等于或大于发热部件的截面积,该传热块设置在空心部分内一规定的位置,该位置相当于热连接有发热部件的板件上的位置,以及封闭在容器内的工作流体。

Description

板式热管及采用热管的冷却装置

发明领域

本发明涉及一种板式热管，特别是具有很高冷却效率而不导致所谓烤干现象的板式热管；本发明还涉及采用该板式热管的冷却装置以有效地冷却诸如半导体芯片等发热部件。

发明背景

安装在包括电力设备、如个人计算机等各种装置的电气或电子装置上的半导体芯片等电子部件使用时在某种程度上产生热量。当电子部件过热时，其性能降低，或者其寿命缩短。因此冷却电子部件的技术是一项重要的技术课题。冷却发热部件的方法是已知的，例如，借助采用风扇在装置的内部通风以冷却该部件的冷却方法，借助连接于发热部件的散热片以冷却该部件的冷却方法，或借助采用热管以冷却该部件的冷却方法。

象铜、铝等具有较高导热率的金属材料、象碳材料、氮化铝等具有较高导热率的陶瓷优选用作连接于发热部件的散热片。然而，借助连接于发热部件的散热片的冷却方法不能使其得到充分的冷却。因此，一种板式热管被用来冷却发热部件。

下文简述热管。该热管包括一具有气密的空心部分即内腔的容器和一封闭在该容器内的工作流体。借助容纳在空心部分内的工作流体的相变和运动使热量由吸热部分传递至散热部分，该吸热部分与散热部分是彼此分开的。容器的内部借助抽成真空保持在减压下以便于工作流体的相变。

当构造成热管的容器的一部分变热时，热量被传递至存在于空心部分中相应部分内的工作流体(这部分称之为吸热侧或吸热部分)，从而工作流体受热而蒸发。这样产生的工作流体的蒸气在空心部分中流至例如连接有散热片的热管的部分(这部分称之为散热侧或散热部分)，于是蒸气在该部分中冷却到足以变成液相。这样变成液相的工作流体通过重力等作用流回到(循环到)吸热侧。因此，如上所述热量是借助工作流体的相变和运动传递的。

为确保工作流体的连续循环，吸热侧通常设置在散热侧的下方。当这样设置时，在散热侧变回到液相的工作流体通过重力流回到吸热侧。然而，例如象笔记本式个人计算机这样的电气或电子装置基本上倾斜使用，或者有时个人计算机按照待使用的情况而倒置。在那些情况下，发生工作流体依靠重力难以流回这样的情况。

为了解决上述问题，在热管的内部(空心部分)设置具有毛细作用的芯子(wick)。金属网或金属丝用作为芯子，而且在空心部分的内壁上形成有细的纵向沟以实现毛细作用。

铝材、铜材、不锈钢材等通常用作为形成热管的容器的材料。但是，容器从总体来看不一定由同一材料形成。不同的材料可以组合使用来形成容器。此外，水、取代氟里昂(Freon)、乙醇等可用作工作流体。

待冷却的发热部件一般是例如半导体芯片等。象半导体芯片这样的发热部件一般用作以一种方式安装在一印刷布线板上。作为发热部件的一种冷却方法，有一种适当的冷却方法，其中一板式热管和印刷布线板面对面地设置，以使安装在印刷布线板上的发热部件与热管的相面对表面相接触。发热部件可与热管的表面直接接触。发热部件可以通过设置在其与热管表面之间以减小接触阻力的传热脂等与该热管的表面接触。在某种情况下，将发热部件用焊接等方法连接于热管的表面。

然而，象半导体等这样的发热部件的尺寸是小的。因此，即使使发热部件与板式热管接触，其接触面积也是小的。结果，当发热部件的发热密度高时，易于导致在连接有发热部件的热管内的相应部分或其附近发生所谓烤干现象，在这种现象下工作流体被完全蒸发并且没有液相工作流体存在于这部分中。

当所谓烤干现象实际发生时，由发热部件产生的热量不能完全传递到热管内部的工作流体，从而发热部件不能得到有效地冷却以致引起故障。

发明概述

本发明的目的是提供一种板式热管。该热管即使在发热部件具备高发热密度的情况下也能够有效地冷却发热部件而不导致所谓烤干现象。

发明者们对克服上述常规热管的缺点进行了深入的研究。结果发现：当将其截面积等于或大于发热部件截面积且具有较高导热率的传热块设置在热连接有发热部件的热管内部的相应位置时，即使在高发热密度的情况下也能改善在同一截面积上的冷却效率，因为热量沿传热块的纵轴线扩散。本发明是在以上发现的基础上形成的。

本发明板式热管的第一实施方案包括：

两个彼此面对以形成气密容器的板件，在该两个板件的任一个之上安装至少一个发热部件；

至少一个其截面积等于或大于所述发热部件截面积的传热块，该块设置在所述空心部分内一规定的位置，该位置相当于热连接有所述发热部件的所述板件位置；以及

封闭在所述空心部分内的工作流体。

板式热管的第二实施方案包括：

两个彼此面对以形成气密容器的板件，在该两个板件的任一之个上安装至少一个发热部件；

一传热块，该块设置在所述容器内一规定的位置，该位置相当于所述板件上的热连接有发热密度最高的发热部件的位置，该传热块的截面积等于或大于所述具有最高发热密度的发热部件的截面积；以及

封闭在所述容器内的工作流体。

在本发明板式热管的第三实施方案中，各个传热块设置在所述容器内所述规定的位置，该位置相当于热连接有多个所述发热部件的所述板件上的位置，所述各个传热块的相应截面积等于或大于各相应发热部件的截面积。

在本发明板式热管的第四实施方案中，热连接有发热部件的所述板件的至少一部分向所述容器以外延伸以形成凸出部分。

在本发明板式热管的第五实施方案中，一个与所述传热块接触的芯子设置在所述容器内。

在本发明板式热管的第六实施方案中，所述传热块的棱边部分被切除。

在本发明板式热管的第七实施方案中，所述传热块与所述两个板件相接触。

在本发明板式热管的第八实施方案中，一散热片设置在未连接有发热部件的其中一个所述板件之上。

在本发明板式热管的第九实施方案中，将所述凸出部分设置成使该凸出部分与安装在一印刷布线板上的所述发热部件紧密接触。

本发明冷却装置的一个实施方案包括在以上任一实施方案中所描述的设置用来面对一印刷布线板的板式热管，至少其中一个发热部件以使该发热部件与所述板式热管的其中一个板件紧密接触的方式安装在该印刷布线板上，一散热片设置在所述板式热管的另一板件上。

附图简述

图1为本发明板式热管的一个实施方案的示意侧视图；

图2为本发明板式热管的另一实施方案的示意侧视图；

图3为本发明板式热管的又一实施方案的示意侧视图；

图4为本发明板式热管的再一个实施方案的示意侧视图；

图5为表示本发明板式热管的一个实施方案的主要部分的说明图；

图6为表示本发明板式热管的另一实施方案的主要部分的说明图；以及

图7为表示采用本发明板式热管的冷却装置的一个实施方案的说明图。

优选实施方案详述

本发明的板式热管包括(1)两个彼此面对以形成气密容器的板件，在该两个板件的任一个板件上安装至少一个发热部件，(2)至少一个传热块，其截面积等于或大于发热部件的截面积，该传热块设置在容器内一规定的位置，该位置相应于热连接有发热部件的板件上的位置，以及(3)封闭在所述容器内的工作流体。

此外，本发明的板式热管可以包括(1)两个彼此面对以形成气密容器的板件，在该两个板件的任一个板件上安装至少一个发热部件，(2)一传热块，它设置在容器内一规定的位置，该位置相应于热连接有发热部件的板件上的位置，该传热块的截面积等于或大于具有最大发热密度的发热部件的截面积，以及(3)封闭在所述容器内的工作流体。

更确切地说，在本发明的板式热管中，发热部件的数目可能与传热块的数目相同，例如，三个具有同样尺寸的发热部件热连接于容器的板件，并且传热块分别设置在容器的内部即空心部分中的一个位置，该位置相应于连接有发热部件的位置。

并且，在本发明的板式热管中，发热部件的数目和传热块的数目可能不同，例如，三个具有同样尺寸的发热件热连接于容器的板件，并且一个传热块设置在容器内部的三个位置中的一个位置处，该三个位置相应于连接有发热部件的位置，而在其余的两个相应位置没有传热块。

此外，在本发明的板式热管中，可能有这样的情况，即多个发热部件热连接于容器的板件，并且一个传热块设置在容器内部的与连接有具有最高发热密度的发热部件的位置相应的位置处，而在其余的其他相应位置没有传热块。

另外，在本发明的板式热管中，可能有这样的情况，例如三个发热部件热连接于容器的板件，并且一个传热块设置在容器内部的与连接有具有最高发热密度的发热部件的位置相应的位置处，而且，一个传热块设置在容器内部的与连接有两个其余发热部件之一的位置相应的位置处，而在其余的相应位置处没有传热块。

在上述任一情况中，设置在本发明的板式热管中的传热块的截面积等于或大于相应发热部件的截面积。

在本发明的板式热管中，连接有发热部件的容器板件的至少一部分可以向容器以外延伸以形成凸出部分。一发热部件连接成与该凸出部分的外表面紧密接触。传热块可以设置在容器内部的与设置有凸出部分的位置相应的位置处。凸出部分的高度定为相当于发热部件的高度。更确切地说，将凸出部分设置成使其与安装在一印刷布线板上的相应发热部件紧密接触。

并且，在本发明的板式热管中，可能在容器的内部即空心部分中附加设置一个至少与传热块接触的芯子。芯子可以设置在所有的容器内壁上和所有的传热块侧壁上。芯子包括由金属等制成的网或丝。此外，在本发明的板式热管中，可以切除传热块的棱边部分。当传热块的棱边部分被切除时，芯子将不会被卡在传热块的棱边部分内，从而使芯子在其设置在容器内部的情况下免遭损坏。优选地是，传热块与形成容器的两个板件相接触。

此外，在本发明的板式热管中，一散热片可连接于未连接有发热部件的板件的外表面上。

本发明的板式热管设置成使每一凸出部分与安装在印刷布线板上的相应发热部件紧密接触。

此外，在本发明的冷却装置中，将本发明的板式热管面对着安装有发热部件的印刷布线板设置，并且使发热部件与热管的板件相接触，而且，一散热片连接于热管的另一板件的外表面上。

参照附图描述本发明的板式热管。图1为本发明板式热管的一个实施方案的示意侧视图。待冷却的发热部件20热连接于本发明板式热管10的一个主表面(即图中下表面)。在该实施方案中，发热部件20通过传热脂与板式热管10相接触。标号21表示安装有发热部件20的印刷布线板，而标号22表示一导线。

本发明的板式热管10包括位于容器11内部的空心部分，和以规定的量封闭在空心部分12内的工作流体(图中未示出)。在本发明的板式热管中，传热块13设置在容器内部的与热连接有发热部件20的板件位置相应的位置处。上述传热块的截面积等于或大于发热部件20的截面积。在该实施方案中，传热块13的截面积差不多等于发热部件20的截面积。但是，传热块13的截面积可以大于发热部件20的截面积。此外，在该实施方案中，传热块13与容器的下内壁和上内壁都接触。

图2为本发明板式热管的另一实施方案的示意侧视图。凸出部分310、311在与连接有发热部件230、232的位置相应的位置处形成在构成板式热管30的容器32的其中一个板件上。各凸出部分的高度设置成使板式热管与印刷布线板基本上是平行的，更确切地说，各凸出部分的高度和相应发热部件的高度的总高度基本上是相等的。在该实施方案中，在连接有发热部件231的位置相应的位置处未形成凸出部分。

在上述板式热管的实施方案中，传热块33设置在板式热管30的容器32内与连接有发热部件231的位置相应的位置处(未示出容器内部的工作流体)。传热块33的截面积稍大于发热部件231的截面积。在本发明中，如上所述，传热块33的尺寸(即截面积)等于或大于发热部件231的尺寸(即截面积)。在该实施方案中，设有三个发热部件230、231和232，并且发热部件231的发热密度较大于另两个发热部件230、232的发热密度。更确切地说，优选地将传热块设置在容器内部的与连接有具有最大发热密度的发热部件的位置相应的位置处。

图3所示的板式热管包括一具有金属网的芯子38，将其设置成能沿容器的内壁和传热块的侧壁布置。通过这样设置芯子，即使在所谓热管的顶热模式的情况下(即热管的吸热侧位于热管的散热侧的上方)，工作流体的循环流动也可以通过毛细作用保持到某种程度，因而这是优选的，标号35、37分别表示容器和传热块。

图4为本发明板式热管的又一实施方案的示意侧视图，其中传热块设置在连接有发热部件的所有相应位置。更确切地说，板式热管具有分别连接有发热部件230、232的凸出部分410、411。发热部件231连接于未设置有凸出部分的部分。三个传热块430、431和432分别设置在容器内部的与连接有三个发热部件230、231和232的位置相应的位置处，如图4中所示。标号41、42分别表示容器和空心部分。

如果将芯子设置在容器的内部，优选地是使芯子与传热块相接触。其原因在于通过上述这样设置芯子，能使通过毛细作用流回吸热侧的工作流体易于流向传热块的表面。因此，将芯子优选设置成使其与传热块紧密接触。

图5为表示本发明板式热管的一个实施方案的主要部分的说明图。在图5中，示出了芯子被设置成使其与传热块紧密接触。在该图中，主要部分，即传热块及其邻近部分被放大示出。发热部件24连接于在容器50上形成的凸出部分501的外表面。传热块51设置在凸出部分的内部。将芯子52设置成使其夹紧在凸出部分501的内壁与传热块51的外表面之间，从而其与传热块51紧密接触。

将金属网等用作芯子。当使芯子与传热块紧密接触时，存在芯子被传热块的棱角卡住的情况，从而损坏了芯子的元件。因此，如图6所示，在传热块61的棱角被切除时，可使芯子免遭损坏。标号60、25分别表示容器和发热部件。

图7为表示采用本发明的板式热管的冷却装置的一个实施方案的说明图。实际上安装在印刷布线板26上的发热部件270、271和272被连接于板式热管7的其中一个板件的表面(即主表面之一)上。标号28表示导线。具有最大截面积的传热块72设置在容器70内部与连接有具有最大发热密度的发热部件271的位置相应的位置处。并且，散热片73设置在板式热管的另一板件的表面(即另一主表面)上。

实施例

本发明的板式热管通过实施例加以详述。

例1：

图1所示板式热管的容器是采用厚度为1.0mm的铜平板材料制作的，该容器的尺寸为长100mm、宽70mm和高6mm。长25mm、宽25mm和高4mm，即方柱形的铜传热块设置在这样制成的容器内部的中心部分。将容器的内部抽成真空并充满工作流体(未示出)以制作本发明的板式热管。传热块的截面积(即25mm×25mm)等于发热部件的截面积。

将本发明这样制作的板式热管设置成使安装在印刷布线板21上的发热部件20通过容器11的下板件在同一位置与传热块13紧密接触，如图1所示。发热部件的发热量为130W，其发热密度是高的。采用本发明的板式热管可使具有这种高发热密度的发热部件得到有效的冷却而不会产生过热。

例2：

图2所示板式热管的容器是采用厚度为1.0mm的铜平板材料制作的，该容器的尺寸为长100mm、宽70mm和高6mm，在容器的两端部分设有凸出部分。容器在凸出部分处的高度为9mm，凸出部分的宽度为10mm。长25mm、宽25mm和高4mm，即方柱形的铜传热块设置在这样制成的容器内部的中心部分。

将容器的内部抽成真空并充满工作流体(未示出)以制作本发明的板式热管。传热块的截面积(即25mm×25mm)大于发热部件的截面积。

将本发明这样制作的在两端部分设有凸出部分的板式热管设置成使安装在印刷布线板21上具有最大发热密度的中心发热部件231通过容器32的下板件在同一位置与传热块33紧密接触，并且不同的发热部件分别设置成与凸出部分紧密接触，如图2所示。

中心发热部件产生的发热量为130W，其发热密度是高的。采用本发明的板式热管可使具有这种高发热密度的中心发热部件以及位于两端部分处的其他发热部件得到有效的冷却而不会产生过热。

例3：

制造有如例2中制作的同样的容器，只是在容器的内壁和传热块的所有侧壁设置了芯子。更确切地说，图3所示板式热管的容器是采用厚度为1.0mm的铜平板材料制作的，该容器的尺寸为长100mm、宽70mm和高6mm，在容器的两端部分设有凸出部分。

容器在凸出部分处的高度为9mm，凸出部分的宽度为10mm，长25mm、宽25mm和高4mm，即方柱形的铜传热块设置在这样制成的容器内部的中心部分。此外，在容器的内壁和传热块的所有侧壁设置了芯子。

将容器的内部抽成真空并充满工作流体(未示出)以制作本发明的板式热管。传热块的截面积(即25mm×25mm)大于发热部件的截面积。将本发明这样制作的、在两端部分设有凸出部分的板式热管设置成使安装在印刷布线板21上具有最大发热密度的中心发热部件231通过容器35的下板件在同一位置与传热块37紧密接触，并且不同的发热部件230、232分别设置成与凸出部分紧密接触，如图3所示。

中心发热部件的发热量为130W，其发热密度是高的。采用本发明的板式热管可使具有这种高发热密度的中心发热部件以及位于两端部分处的其他发热部件得到有效的冷却而不会产生过热。

例4：

图4所示板式热管的容器是采用厚度为1.0mm的铜平板材料制作的，该容器的尺寸为长100mm、宽70mm和高6mm，在容器的两端部分设有凸出部分。容器在凸出部分处的高度为9mm，凸出部分的宽度为15mm。长25mm、宽25mm和高4mm，即方柱形的铜传热块431设置在这样制成的容器内部的中心部分。

此外，长10mm、宽10mm和高7mm，即方柱形的铜传热块430、432在容器的内部设置在每个凸出部分处。将容器的内部抽成真空并充满工作流体(未示出)以制作本发明的板式热管。中心传热块431的截面积(即25mm×25mm)等于中心发热部件231的截面积。此外，传热块430、432的截面积分别等于发热部件230、232的截面积。

将本发明制作的在两端部分设有凸出部分的板式热管设置成使安装在印刷布线板21上的中心发热部件和位于各端部分处的发热部件分别通过容器41的下板件在同一位置与三个传热块431、430和432紧密接触，如图4所示。

中心发热部件的发热量为130W，位于各端部分处的发热部件的发热量为120W。采用本发明的板式热管可使三个发热部件得到有效的冷却而不会产生过热。

如以上所详述，本发明的板式热管即使在发热部件的高发热密度的情况下也能有效地冷却象半导体芯片这样的发热部件而不会导致所谓烤干现象。采用本发明板式热管的冷却装置能够实现有效的冷却。

Claims (12)

1.一种板式热管，包括：

两个彼此面对以形成气密容器的板件，在该两个板件的任一个板件上安装至少一个发热部件；

至少一个其截面积等于或大于所述发热部件截面积的传热块，该块设置在空心部分内一规定的位置，该位置相应于热连接有所述发热部件的所述板件上的位置；以及

封闭在所述空心部分内的工作流体。

2.一种板式热管，包括：

两个彼此面对以形成气密容器的板件，在该两个板件的任一个板件上安装至少一个发热部件；

一传热块，该块设置在所述容器内一规定的位置，该位置相应于热连接有具有最高发热密度的发热部件的所述板件上的位置，该传热块的截面积等于或大于所述具有最高发热密度的发热部件的截面积；以及

封闭在所述容器内的工作流体。

3.如权利要求1所述的板式热管，其特征在于，各个传热块设置在所述容器内所述规定的位置，该位置相应于热连接有多个所述发热部件的所述板件上的位置，所述各个传热块的截面积等于或大于相应发热部件的截面积。

4.如权利要求1或2所述的板式热管，其特征在于热连接有所述发热部件的所述板件的至少一部分向所述容器以外延伸以形成凸出部分。

5.如权利要求4所述的板式热管，其特征在于一个与所述传热块接触的芯子设置在所述容器内。

6.如权利要求5所述的板式热管，其特征在于所述传热块的棱边部分被切除。

7.如权利要求5所述的板式热管，其特征在于所述传热块与所述两板件相接触。

8.如权利要求5至7中任一项所述的板式热管，其特征在于一散热片设置在未连接有所述发热部件的其中一个所述板件上。

9.如权利要求5至7中任一项所述的板式热管，其特征在于所述凸出部分被设置成使该凸出部分与安装在一印刷布线板上的所述发热部件紧密接触。

10.如权利要求8所述的板式热管，其特征在于所述凸出部分被设置成使该凸出部分与安装在一印刷布线板上的所述发热部件紧密接触。

11.一种冷却装置，包括如权利要求1、2、3、5、6或7所述的被设置成用来面对一印刷布线板的板式热管，至少其中一个发热部件以使该发热部件与所述板式热管的其中一个板件紧密接触的方式安装在所述印刷布线板上，并且一个散热片设置在该板式热管的另一板件上。

12.一种冷却装置，包括如权利要求4所述的被设置成用来面对一印刷布线板的板式热管，至少其中一个发热部件以使该发热部件与所述板式热管的其中一个板件紧密接触的方式安装在所述印刷布线板上，并且一个散热片设置在该板式热管的另一板件上。

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