专利名称：蒸发冷凝冷却器及应用的制作方法
蒸发冷凝冷却器及应用 本发明的"蒸发冷凝冷却器"是一种电至发热元件冷却器.
电至发热元件包括半导体芯片;发光二级管;可控硅及其它由于电工率引起 发热元件.对电至发热元件进行冷却是保证其正常工作的基本方法.现有冷却方 式有1.空冷换热器由导热金属紧贴电至发热元件绝缘层外面构成吸热板，导热 金属背面布置有肋化传热面构成冷却板，吸热板以导热方式向冷却板传递热量， 由于吸热板面积有限，冷却板无法布置更多散热面，散热能力有限.2热管空冷 换热器由导热金属紧贴电至发热元件绝缘层外面构成吸热板，热管光管端表面 紧贴导热金属槽，另一端部置肋片换热器构成冷却板，由于热管与导热金属接合 面积小，管内通道狭窄，沸腾传热量受限制，由于热管内部传热通路长，存在温度 梯度.3水冷空冷换热器由电至发热元件绝缘层外的导热金属局部紧贴水循环管， 循环水将热量传到异地布置的空冷器,系统复杂.电至发热元件安装空间狭小, 冷却器受热面布置困难,成为限制大工效率电子元件发展和正常可靠工作的制约 因素,电至发热元件冷却技术的发展方向是能够克服空间限制，灵活布置空冷受 热面,尽量减少发热器件与空气的温差.釆用蒸发冷凝方式传递热量由于蒸汽和 冷凝液能够自由流动,为扩展部置冷却受热面创造了条件，但蒸发冷凝方式传递 热量对换热器设计有特殊要求:要有可靠的蒸汽和冷凝水循环通道以及保持一定 液面高度和液体容积.
本发明的目的是提供一种在同一封闭空间内真空条件下工质蒸发吸热，等 温冷凝放热的蒸发冷凝冷却器，汽水通道的设置能够保证蒸汽和凝结水的可靠
循环,通过蒸汽等温传热便于在狭小空间扩展布置更多散热面积,提供的安装方 式保证蒸发受热面与电至发热元件的可靠连接，冷却效果电至发热元件与环境 温差最小。
本发明的"蒸发冷凝冷却器"其特征在于:有一个与电至发热元件散热表面积 紧贴的工质蒸发室与汽液循环通道连通的冷凝室构成的封闭壳体结构，封闭壳 体结构内部抽真空灌液体工质，液体工质充液量为空间体积的10-50% ,液面以 上预流高度空间〉1-20MM作为蒸汽通道，电至发热元件热量通过蒸发室加热液 体工质蒸发,蒸汽通过蒸汽通道将热量带到冷凝室在空气冷却下冷凝，冷凝水自 动回流到蒸发室,由于热量通过蒸汽通道传递，通过延长蒸汽通道可以增加布置 风冷肋化散热面的表面积，封闭腔体内部工质处于饱和沸腾吸热等温冷凝放热状 态，没有温度梯度,液体工质是去离子水;防冻液;防腐液混合物,或是饱和沸点温 度低于90°C的低沸点工质与防腐液混合物，蒸发室在导热材料板上制作一凹 坑构成，或蒸发室在导热材料板上加工相互连通的深度大于1MM的多道管沟式 汽液通道槽构成，或蒸发室由深度大于1MM沟槽且沟槽相互贯通的部件与上下 两面及四周封板通过粘接或钎焊后构成，蒸发室与电子发热件绝缘层表面无间 隙重合表面为吸热面,吸热面液体侧有孔状坑状条状肋化受热面,肋化比大于一， 吸热面基板型状是平面或曲面，冷凝室由冷板基板；空气侧高密度肋化受热面; 蒸汽侧低肋化受热面构成，冷凝室或整体压制成型，或由冷板基板与高密度肋化 受热面先粘接钎焊连接为一体后再与蒸发室结合面粘接钎焊连接构成，或由与 蒸发室贯通的管肋式换热器构成，冷凝室空气侧高密度肋化受热面由多组单个 肋片或U型肋片构件钎焊或粘贴成型，空气侧高密度肋化受热面肋化比5-20, 空气侧高密度肋化受热面构成的空气通道与水平面平行或竖直布置，冷凝板
基板布置风冷肋化受热面的表面积是蒸发室吸热板贴近电热元件表面积的2-20
倍，或冷凝室传热表面镀上辐射发射率>80%凃层构成辐射散热板，"蒸发冷凝
冷却器"预留安装孔和避让孔，安装孔和避让孔周边封焊或粘接接合面宽度不小
于2MM,安装孔和避让孔周边汽液通道相互连通。
本发明的"蒸发冷凝冷却器"用于半导体芯片冷却时其特征在于在导热 材料板上加工深度大于1MM宽度大于1MM管沟通道，管沟通道相互连通，构 成蒸发室及汽液通道，蒸发室与冷凝室共同粘接或钎焊型成的薄型平板状封闭 壳体结构；或在导热材料板上压制出凹槽作为蒸发室，凹槽外表面紧贴半导体芯 片，凹槽周围制有管沟状汽水共用通道，与冷凝室共同粘接或钎焊型成的薄型平 板状封闭壳体结构；或半导体芯片朝下电路板在上安装时(笔记本电脑常釆用 结构)"蒸发冷凝冷却器"的构成是在一导热材料平板上制作纵横贯通的沟状 结构，在另 一导热材料同一恻平板一部分表面积上粘接或钎焊肋片另 一部分表 面积保持平整，另一导热材料没有肋片的平整表面盖在沟状结构表面与其钎焊 或粘接为一个整体封闭薄壳构件后，需要与半导体芯片贴紧作为吸热面部分弯 曲180度型成开口方位在零度或180度的U型蒸发冷凝冷却器，U型结构下边 作为蒸发室上边作为冷凝室，"蒸发冷凝冷却器"安装方式是在薄型平板状封 闭壳体结构上预留安装孔和避让孔，连接螺栓穿过预留安装孔并固定在电路板 上，弹簧套在螺栓上，蒸发冷凝冷却器的蒸发室吸热板压在弹簧上穿过螺栓， 通过螺母下压蒸发冷凝冷却器下压弹簧调节与半导体芯片的压紧程度，或"蒸 发冷凝冷却器"为开口方位在零度或180度的U型结构，在U型结构下边预留安 装孔和避让孔，安装螺栓穿出U型结构下边安装孔穿出电路板，橡胶弹簧垫安 在U型结构下边与电路板之间。
本发明的"蒸发冷凝冷却器用于LED半导体器件其特征在于蒸发冷凝冷却 器釆用夹套式容器结构，夹套式容器结构部置LED半导体器件部位的型状是球 面；圆简周面；锥面；平面周面，夹套内部空间抽真空灌液体工质，液体工质 淹没以下部位作蒸发室，蒸发室以上部位部置风冷肋化受热面作为冷凝室，或 冷凝室散热表面镀辐射发射>80%凃层构成辐射放热板.LED半导体器件接头 分别与高低电位导电环连通，导电环与绝缘导热材料钎焊或粘接，绝缘导热材 料与蒸发室外表面钎焊或粘接。
本发明的"蒸发冷凝冷却器"的积极效果在于:单位吸热面积上可部置更多 沸腾传热面，冷凝室与蒸发室之间汽液通道数量多汽液循环畅通，蒸汽传热距 离短没有温差,冷凝室表面积方便扩展可布置更多冷却传热面,传热学试验可以 证明本发明的"蒸发冷凝冷却器"用于电子发热件冷却由于传热热阻小,其工作温 度与环境空气温度的温差较小，
图l是一种带有凹型蒸发槽的"蒸发冷凝冷却器"用于半导体芯片冷却水平 布置时的示意图
图2是一种带有凹型蒸发槽的"蒸发冷凝冷却器"用于半导体芯片冷却垂直 布置时的示意图
图3是一种带有管沟式汽液通道的薄型板状结构"蒸发冷凝冷却器"用于
半导体芯片冷却垂直布置时的示意图
图4是一种带有管沟式汽液通道的薄型板状结构"蒸发冷凝冷却器"用于
半导体芯片冷却水平布置时的示意图
图5是一种带有管沟式汽液通道的薄型板状结构蒸发室折弯180度用于朝
下水平安装的半导体芯片冷却的布置示意6是一种带有管沟式汽液通道的薄型板状结构"蒸发冷凝冷却器"用于
LED芯片平面布置时冷却示意图
图7是一种带有夹层充满液体的反射罩结构的"蒸发冷凝冷却器"用于LED 芯片冷却在曲面上部置的示意8是一种带有夹层充满液体的球面结构的"蒸发冷凝冷却器"用于LED 芯片冷却在曲面上部置的示意图
所有例图只是说明"蒸发冷凝冷却器"结构与应用的个例,并不限制具有发明 特征的其它结构与应用.图l中l工质蒸发室2蒸汽3管沟式汽液循环通道4液体工质
5半导体芯片 6空气侧高密度肋化受热面图2中l工质蒸发室2蒸汽3管沟式汽液循环通道4液体工质 5半导体芯片 6空气侧高密度肋化受热面图3中l工质蒸发室2蒸汽3管沟式汽液循环通道4液体工质 5半导体芯片 6空气侧高密度肋化受热面
图4中l工质蒸发室2蒸汽3管沟式汽液循环通道4液体工质 5半导体芯片 6空气侧高密度肋化受热面图5中l工质蒸发室2蒸汽3管沟式汽液循环通道4液体工质 5半导体芯片 6空气侧高密度肋化受热面图6中l工质蒸发室2蒸汽3管沟式汽液循环通道4液体工质 5半导体芯片 6空气侧高密度肋化受热面图7中 l工质蒸发室2蒸汽3管沟式汽液循环通道4液体工质 5半导体芯片 6空气侧高密度肋化受热面
图8中 l工质蒸发室2蒸汽3管沟式汽液循环通道4液体工质 5半导体芯片 6空气侧高密度肋化受热面
实施例1.计算机CPU芯片8(^80MM,垂直布置,需冷却散热工率116W,釆 用图2提供的部置方式，实现冷却方法为在平板压制出凹槽作为蒸发室，凹槽 外表面紧贴半导体芯片，凹槽周围有管状汽水共用通道封闭空心壳体内部液面 高过80MM,凹槽内表面布置了肋化比大于l的蒸发受热面，传热板外表面至封 闭空心腔体内液体的传热温差不大于3.6。C，冷凝温差0.6。C,冷却板投影面积是 芯片表面积的6.5倍可以布置肋化传热面积0.55M2,大部空冷肋化传热面部置
在液位以上,空气温度35。c，空冷肋片与空气温差约8.rc，凹槽外表面温度约
48°C.实施例2.大工率LED半导体器件，需冷却散热工率116W,导热材料 封闭采用图8提供的安装方式,紧贴壳体为绝缘层，绝缘层外是导电环,LED半导 体组件焊接在两条导电环之间构成传热板，导电环之间的壳体内表面有肋化受 热面积大于0.0064M2，封闭空心壳体上部冷凝室其表面积不小于0.04M2,部置 肋化受热面积不少于0.45M2,采用自然风冷，传热板外表面至封闭空心腔体内
液体的传热温差不大于3.6。c，冷凝温差o.6。c，空冷肋片与空气温差约io.rc,
空气温度35'C时，LED半导体器件工作温度约50°C.
权利要求
1.本发明的“蒸发冷凝冷却器”其特征在于有一个与电至发热元件散热表面积紧贴的工质蒸发室与汽液循环通道连通的冷凝室构成的封闭壳体结构，封闭壳体结构内部抽真空灌液体工质，液体工质充液量为空间体积的10-50％，液面以上预流高度空间＞1-20MM作为蒸汽通道，电至发热元件热量通过蒸发室加热液体工质蒸发，蒸汽通过蒸汽通道将热量带到冷凝室在空气冷却下冷凝，冷凝水自动回流到蒸发室，由于热量通过蒸汽通道传递，通过延长蒸汽通道可以增加布置风冷肋化散热面的表面积，封闭腔体内部工质处于饱和沸腾吸热等温冷凝放热状态，没有温度梯度，液体工质是去离子水；防冻液；防腐液混合物，或是饱和沸点温度低于90℃的低沸点工质与防腐液混合物，蒸发室在导热材料板上制作一凹坑构成，或蒸发室在导热材料板上加工相互连通的深度大于1MM的多道管沟式汽液通道槽构成，或蒸发室由深度大于1MM沟槽且沟槽相互贯通的部件与上下两面及四周封板通过粘接或钎焊后构成，蒸发室与电子发热件绝缘层表面无间隙重合表面为吸热面，吸热面液体侧有孔状坑状条状肋化受热面，肋化比大于一，吸热面基板型状是平面或曲面，冷凝室由冷板基板；空气侧高密度肋化受热面；蒸汽侧低肋化受热面构成，冷凝室或整体压制成型，或由冷板基板与高密度肋化受热面先粘接钎焊连接为一体后再与蒸发室结合面粘接钎焊连接构成，或由与蒸发室贯通的管肋式换热器构成，冷凝室空气侧高密度肋化受热面由多组单个肋片或U型肋片构件钎焊或粘贴成型，空气侧高密度肋化受热面肋化比5-20，空气侧高密度肋化受热面构成的空气通道与水平面平行或竖直布置，冷凝板基板布置风冷肋化受热面的表面积是蒸发室吸热板贴近电热元件表面积的2-20倍，或冷凝室传热表面镀上辐射发射率＞80％涂层构成辐射散热板，“蒸发冷凝冷却器”预留安装孔和避让孔，安装孔和避让孔周边封焊或粘接接合面宽度不小于2MM，安装孔和避让孔周边汽液通道相互连通。
2.本发明的"蒸发冷凝冷却器"用于半导体芯片冷却时其特征在于在导 热材料板上加工深度大于1MM宽度大于1MM管沟通道，管沟通道相互连通， 构成蒸发室及汽液通道，蒸发室与冷凝室共同粘接或钎焊型成的薄型平板状封 闭壳体结构；或在导热材料板上压制出凹槽作为蒸发室，凹槽外表面紧贴半导体 芯片，凹槽周围制有管沟状汽水共用通道，与冷凝室共同粘接或钎焊型成的薄型 平板状封闭壳体结构；或半导体芯片朝下电路板在上安装时(笔记本电脑常釆 用结构)"蒸发冷凝冷却器"的构成是在一导热材料平板上制作纵横贯通的沟 状结构，在另一导热材料同一恻平板一部分表面积上粘接或钎焊肋片另一部分 表面积保持平整，另一导热材料没有肋片的平整表面盖在沟状结构表面与其钎 焊或粘接为一个整体封闭薄壳构件后，需要与半导体芯片贴紧作为吸热面部分 弯曲180度型成开口方位在零度或180度的U型蒸发冷凝冷却器，U型结构下 边作为蒸发室上边作为冷凝室，"蒸发冷凝冷却器"安装方式是在薄型平板状 封闭壳体结构上预留安装孔和避让孔，连接螺栓穿过预留安装孔并固定在电路 板上，弹簧套在螺栓上，蒸发冷凝冷却器的蒸发室吸热板压在弹簧上穿过螺栓, 通过螺母下压蒸发冷凝冷却器下压弹簧调节与半导体芯片的压紧程度，或"蒸 发冷凝冷却器"为开口方位在零度或180度的U型结构，在U型结构下边预留安 装孔和避让孔，安装螺栓穿出U型结构下边安装孔穿出电路板，橡胶弹簧垫安 在U型结构下边与电路板之间。
3.本发明的"蒸发冷凝冷却器"用于LED半导体器件冷却其特征在于蒸发 冷凝冷却器釆用夹套式容器结构，夹套式容器结构部置LED半导体器件部位的 型状是球面；圆简周面；锥面；平面周面，夹套内部空间抽真空灌液体工质， 液体工质淹没以下部位作蒸发室，蒸发室以上部位部置风冷肋化受热面作为冷 凝室，或冷凝室散热表面镀辐射发射〉80%凃层构成辐射放热板，LED半导体器 件接头分别与高低电位导电环连通，导电环与绝缘导热材料钎焊或粘接，绝缘 导热材料与蒸发室外表面钎焊或粘接。
全文摘要
本发明的”蒸发冷凝冷却器”是一种对半导体芯片；发光二极管；可控硅及其它电至发热元件进行可靠冷却的冷却器，其特征在于与电至发热元件散热表面积紧贴的工质蒸发室与汽液循环通道连通的冷凝室构成封闭壳体结构，封闭壳体结构内部抽真空灌液体工质，电至发热元件热量通过蒸发室加热液体工质蒸发，蒸汽通过蒸汽通道将热量带到冷凝室在对流和辐射冷却下冷凝，通过延长蒸汽通道可以增加散热面表面积提高冷却效果。
文档编号H01L23/34GK101340798SQ20071007869
公开日2009年1月7日 申请日期2007年7月6日 优先权日2007年7月6日
发明者王卫民 申请人:王卫民