传热设备和构件的制作方法

1.本发明涉及传热设备和电气或电子构件。


背景技术：

2.电气或电子构件能够是布置在载板上的集成电路的部分。在此，电气或电子构件(例如电阻或功率半导体)能够产生热量，热量不能够经由载板充分导出的。因此，在现有技术中冷却板是已知的，冷却板布置在电气/电子构件与载板之间，或布置在载板处用于热耦合，以便将热量从电气/电子构件散发。
3.电气/电子构件的功率密度和因此连接的允许的使用范围通过半导体元件的所谓的阻挡层温度被限制，电气或电子构件由半导体元件形成。因此，最大允许的温度限制电气或电子构件的使用和结构。此外，大的温度变化减小半导体元件的使用寿命和其连接以及因此减小总的电气或电子构件的使用寿命。因此，在电气或电子构件处并且尤其在其半导体元件处的热连接很重要。尤其通过下面的参数影响热连接：用于电气或电子构件的冷却面和接触面的尺寸、材料参数(例如热传导系数)、传热系数和热源(例如电气或电子构件的半导体元件)与散热片(例如冷却元件)之间的温度差。
4.为改进热连接，因此已知在电气或电子构件处产生的热量在大的面积上散布。为此，传热设备是已知的，传热设备包括中心的加热室、尤其是蒸汽室，从蒸汽室引出对称的微通道，并且蒸汽室根据脉动的加热结构(热管原理)原则由于泵送冷却工作。这种传热设备例如在由s.xu等人(shanglong xu,weijie wang,juang fang,chun
‑
nam wong)在international journal of heat and mass transfer 81，2015中33至40页的文章“heat transfer performance of a fractal silicon microchannel heat sink subjected to pulsation flow”，期刊网页：www.elsevier.com/locate/ijhmt中描述。
5.在此，如果过多的液体位于加热室的内部，脉动的加热结构不能开启。如果过多的蒸汽位于加热室的内部，电气/电子构件能够过度被加热。
6.从us 5937936已知用于便携式的电子设备的散热片，其中，流体在热管的热接收区域中蒸发，热量通过热管传输到另外的区域中，在此，重新液化并且回流至热接收区域。


技术实现要素：

7.因此，本发明基于目的，安全地提出一种能够实现传热和导热的传热设备、尤其是传热设备的安全开启。
8.根据本发明的目的通过具有权利要求1的特征的传热设备实现。关于电子的构件，根据本发明的目的通过权利要求11的特征实现。
9.本发明的改进方案是从属权利要求的主题。
10.根据本发明的传热设备包括至少一个散热结构和至少一个加热室、尤其是热室，其中，散热结构和加热室与封闭的热循环耦合，其中，散热结构包括输出通道，输出通道从加热室引出并且在一个远离加热室的端部处通入至少一个回流通道中，并且其中，回流通
道在尺寸方面小于输出通道并且通入加热室中。
11.在此，至少一个加热室或热室是沸腾室或蒸汽室，并且至少一个散热结构是具有蒸汽区域和液体区域的通道结构，其中，加热室和散热结构共同形成具有两相流的脉动的或振荡的加热结构机制(也被称为脉动热管机制)。
12.在脉动的加热结构机制(脉动热管机制)的情况下，借助于在通道、(例如输出通道和回流通道、热管或所谓的脉动热管)中的毛细力，进行例如冷却介质的流体的脉动的或振荡的引导或回流。脉动的加热结构机制代表高效的传热可行性。在此，例如液体、尤其是冷却介质(例如水、丙酮、甲醇或乙醇)在此蒸发，在此即热量在流体的热量接收的区域中被吸收，例如加热室中并且因此在电气或电子构件的功率元件的区域中，并且例如在热量被释放的地方被液化，例如已经在加热室和/或散热结构、尤其是对称的或非对称的通道结构中。因此，通过解冻、蒸发、汽化或相位转变的每个类型产生传热。在流体中的热量接收导致流体的能量级升高，尤其是在热循环中的压力升高，并且由于压力升高导致流体的相过渡、例如由固态到液态或由液态到气态或相反。
13.因此流体、如冷却介质或冷却媒介以两相存在于封闭的循环中。此外，散热结构、尤其是通道(例如微通道结构或毛细结构)对称地围绕加热室布置。此外，加热室和散热结构首先真空密封并且随后部分地填满流体、冷却介质。由此，在传热设备的开始运行时两相在循环中已经存在。
14.具有这种散热结构的这种传热设备以通道、尤其是微通道结构或毛细结构的形式通过具有大的传热面积的散热片示出，其中，在流体(如冷却介质)的脉动的或振荡的流中，通过散热结构还能够实现对流的传热。从加热室或热室中引出的大尺寸的输出通道的设计能够实现从加热室出来的热流的改进的分布和导出，由此，得到改进的散热。
15.另一方面提出，在此，输出通道在远离加热室的端部处被划分为两个或更多回流通道，回流通道在尺寸方面分别小于输出通道并且彼此分离地通入传热室。在两个或更多的回流通道中的热流的这种设计和分布能够实现改进的传热和改进的液化。在此，回流通道和输出通道设计为，使得输出通道的质量流等于回流通道的部分质量流的总和。
16.另一方面提出，在传热设备的外部的边缘的区域中分形地分布或继续分支更小的回流通道，尤其在其他的子回流通道中分布。因此，在同时最大面积使用和面积分布的情况下产生具有最小压力损失的流分布。这导致在回流通道中的液化的改进并且因此改进传热。
17.另一个可行的实施方式提出，输出通道和至少一个回流通道在一个平面中。这能够实现传热设备的扁平的结构。
18.替代的实施方式提出，输出通道在至少一个第一平面中伸展并且至少一个回流通道在至少一个相对于第一平面偏移的第二平面中伸展。换句话说，一个回流通道或多个回流通道被更低地引回到一个或多个平面。由此产生具有两个或多个彼此重叠的通道结构的散热结构，即至少一个上部的输出通道结构和至少一个在其下部的回流通道结构。此外，散热结构的其他的分形的和/或三维的几何形状是可行的。这种传热设备的三维的几何形状允许传热设备与待冷却的构件的肋条结构的结合、尤其是热耦合。
19.简单的实施方式提出，输出通道的内直径大于至少一个回流通道的内直径。这能够在同时最大面积使用和面积分布的情况下实现具有最小压力损失的传热。此外，这种横
截面收缩部能够实现从输出通道到相邻的回流通道的流动加速。这引起在封闭的热循环中的脉动的或振荡的流。
20.另一方面提出，加热室或热室构造为沸腾室或蒸汽室，沸腾室或蒸汽室在至少一个或彼此相对置的内表面处设有结构。通过这种伸入加热室中的内侧的表面结构，能够在加热室中调节液体/流体和蒸汽的最佳比例。结构例如构造为，使得加热室、尤其是沸腾室或蒸汽室的内室具有变化的横截面。
21.加热室、尤其是沸腾室或蒸汽室的内室例如能够沿着其纵向扩展、例如加热室的水平的扩张具有多个彼此间隔的收缩部。通过这种逐点的横截面变化、尤其是收缩部(如横截面收缩部)，加热室中所谓的毛细力升高。
22.在可行的实施方式中，收缩部(例如横截面收缩部)通过彼此相对置的突出部来形成，突出部从彼此相对置的内表面、例如内室壁伸入内室。加热室或热室的内室中的内部结构的这种样式促进在冷冻的流体(如冷却介质)、例如冷却流体或冷却媒介的所谓的开始。
23.另一方面提出，传热设备能够包括多于一个加热室，加热室是单独的封闭的热循环的部分。替代地，每个加热室能够具有配属的封闭的热循环，其中，封闭的热循环能够再次间接或直接热耦合。替代地，热的部分循环还能够彼此分离。散热结构的通道还能够对称地围绕一个或多个加热室布置。
24.本发明的另一方面涉及电气或电子构件，电气或电子构件包括功率元件、尤其是功率半导体，电气或电子构件与传热设备热耦合。
25.在可行的实施方式中，传热设备能够布置在功率元件的下部、上部或内部。这能够实现直接的和快速的传热并且因此实现热的功率元件的快速排热。加热室例如布置在功率元件的下部与功率元件平行。
26.在此，散热结构在径向方向上远离加热室和功率元件在一个或多个平面中延伸。这能够针对改进的热传导和改进的传热实现改进的面积使用和面积分布。
附图说明
27.根据下面结合附图对实施例的描述，更清楚地解释本发明以上描述的特性、特征和优点以及实现他们的方式和方法。在此，示出：
28.图1示出布置在电气或电子构件下部的传热设备的示意性剖视图；
29.图2示出具有电气或电子构件的传热设备的示意性立体图；
30.图3示出具有散热结构的加热室的示意性俯视图，加热室彼此连接以形成封闭的热循环；
31.图4至图7分别示出具有替代的散热结构的加热室的示意性俯视图，散热结构彼此连接形成封闭的热循环；
32.图8示出具有内侧的表面结构的加热室的示意性剖视图；
33.图9示出具有内侧的表面结构的加热室和由此产生的改进的、尤其在加热室中对称的流体占据的示意性剖视图；和
34.图10示出根据现有技术没有内侧的表面结构的常规的加热室和由此产生的在加热室中非对称的流体占据的示意性剖视图。
35.在所有附图中彼此对应的部分设有相同的附图标记。
具体实施方式
36.图1示出传热设备1的示意性剖视图。
37.传热设备1包括至少一个散热结构2和至少一个加热室3。
38.传热设备1布置在电气或电子构件4(下面简写为构件4)的下部。替代地，传热设备1还能够布置在构件4的上部或内部(未进一步示出)。
39.构件4例如是集成电路的部分，还可以是载板5、尤其是印刷电路板的部分。构件4例如是功率元件、尤其是在运行中产生热量w并且根据箭头pf1辐射热量的功率半导体元件。
40.理想地，能够设置冷却体6用于热导出，冷却体例如布置在载板5的与构件4相对置的一侧上。冷却体6能够具有肋条6.1用于热量w的分布以及改进的导出，因此，热量w在大的表面上被分布和导出。
41.图2示出具有电气或电子构件4、尤其是功率半导体元件(如功率芯片)的传热设备1的可行的实施方式的示意性立体图。
42.传热设备1包括散热结构2和加热室3，加热室与封闭的热循环7耦合，流体7、尤其是冷却介质(例如水、甲醇、乙醇或丙酮)在热循环中流动。
43.加热室3尤其是热室，热室直接布置在构件4的下部并且通过构件4辐射的热量w被加载热负荷。布置在加热室3中的流体f能够根据辐射的热量w的程度被加热到沸点或蒸发点，由此，热循环7中的压力升高并且脉动的流s在具有液相fp或汽相dp的热循环7中在没有泵的情况下进行调节。在此，在部分充满流体f之后，热循环7处在热力学平衡中，在该平衡中存在两个相(液相fp或汽相dp)。热循环7中的压力通过局部的加热而升高。这导致在没有泵的情况下脉动的或振荡的流s。在此，流体f能够局部地蒸发并且液化，因此，热传导升高。因此，脉动的或振荡的流s(下面简写为脉动的流s)是两相流，其中，流体f沿着封闭的热循环7存在于液相fp和/或汽相dp中。因此，散热结构2具有蒸汽区域2.4和液体区域2.5。
44.加热室3根据液体f的相还能够被称为蒸汽室或沸腾室。
45.散热结构2包括输出通道2.1，输出通道从加热室3引出并且在一个远离加热室3的端部2.2处通入至少一个回流通道2.3中，回流通道然后通入加热室3中。
46.从加热室3流出的流体f例如经由输出通道2.1和回流通道2.3以冷却回路8的方式回流到加热室3中，因此，形成封闭的热循环7。
47.在此，多个冷却回路8能够围绕尤其布置在中间或中心的加热室3对称分布布置。冷却回路8尤其基本具有相同的形状、大小和尺寸。替代地，冷却回路也能够彼此不同。
48.在此，回流通道2.3在尺寸方面小于输出通道2.1，如其在图3中详细示出的。
49.图3详细示出具有中心的加热室3和散热结构2的封闭的热循环7的冷却回路8之一，散热结构彼此连接到冷却回路8并且因此连接到封闭的热循环7的部分回路。
50.从加热室3引出的更大尺寸的输出通道2.1的设计方案能够实现从加热室3出来的流体流的改进的分布和导出，因此，得到改进的传热。
51.所有冷却回路8例如是相同的，即冷却回路的输出通道2.1在尺寸方面大于冷却回路的回流通道2.3。
52.输出通道2.1的内直径d1例如大于回流通道2.3的内直径d2。这能够在同时最大面积使用和面积分布的情况下实现具有最小压力损失的热传导。此外，这种横截面收缩部13
能够实现从输出通道2.1到相邻的回流通道2.3的流动加速。这引起且促进在封闭的热循环7中的脉动的流s。
53.具有这种以通道结构、尤其是微通道结构或毛细结构的形式的散热结构2的这种传热设备1能够实现具有大的传热面积的散热片，其中，根据流体f的脉动的流s通过散热结构2也能够实现对流传热。
54.图4示出具有以双冷却回路9的形式的替代的散热结构2的加热室3的示意性俯视图，双冷却回路由两个单个的冷却回路8组成。
55.在此，输出通道2.1在远离加热室3的端部2.2处划分为至少两个回流通道2.3，回流通道在尺寸方面分别小于输出通道2.1，并且彼此分离地通入传热室3。因此，形成两个冷却回路8，冷却回路通过共同的输出通道2.1和两个划分的回流通道2.3组成。在此，共同的输出通道2.1在尺寸方面大于两个引出的回流通道2.3。特别地，共同的输出通道2.1具有一个比相应的回流通道2.3的内直径d2更大的内直径d1。在此，回流通道2.3能够基本具有相同的形状、大小和尺寸。回流通道2.3的内直径d2尤其是相同的。
56.在两个或更多的回流通道2.3中，输出通道2.1的脉动的或振荡的流s的这种设计和分布能够实现改进的传热和改进的液化。在此，回流通道2.3和共同的输出通道2.1设计为，使得输出通道2.1的质量流等于回流通道2.3的部分质量流的总和。
57.图5详细示出根据图4的具有多个围绕加热室3对称分布布置的双冷却回路9的传热设备1。传热设备1例如布置在基板10上，基板布置在载板5上。基板10和载板5根据实施方式能够是构件4或分离的构件4。
58.图6以将回流通道2.3分形划分为更多子回流通道2.6的形式示出具有替代的散热结构2的加热室3的示意性俯视图。
59.在此，共同的输出通道2.1首先划分为两个回流通道2.3，子回流通道2.6分别从两个回流通道引出。在此，通道划分在散热结构2的远离加热室3的端部2.2处实现。这种分形的通道划分能够在同时最大面积使用和面积分布的情况下实现具有最小压力损失的流分布。
60.根据图1至图6，在传热设备1的不同的实施方式中，散热结构2布置在平面e中。这表示，输出通道2.1和回流通道2.3在相同的平面e中伸展。
61.图7示出具有散热结构2的传热设备1的另一替代的实施方式的示意性俯视图，散热结构在两个平面e1、e2中伸展。输出通道2.1例如在第一平面e1中伸展并且在相对于第一平面e1偏移的第二平面e2中从输出通道2.1引出的回流通道2.3和从回流通道2.3再次引出的子回流通道2.6。
62.换句话说，一个或多个回流通道2.3和子回流通道2.6被引回到比第一平面e1更低的第二平面e2中。由此，产生具有至少两个彼此重叠的通道结构(即一个上部的输出通道结构和一个在其下部的回流通道结构)散热结构2。在此，散热结构2的其他的分形的和/或三维的几何形状是可行的。图7示出以具有强烈分支的回流通道2.3和子回流通道2.6的毛细通道结构的形式的散热结构2，子回流通道在尺寸方面小于相应的输出通道2.1。
63.根据图1至图7的所有实施方式是相同的，即散热结构2在径向方向上远离加热室3延伸，其中，加热室3布置在构件4的下部。
64.图8示出具有结构12的加热室3的示意性剖视图。结构12以表面结构的形式设置在
加热室3的至少一个或在彼此相对置的内部表面3.1处。
65.结构12是伸入加热室3中的内侧的表面结构。结构12例如构造为，使得加热室3的内室3.2具有变化的横截面。
66.内室3.2例如能够沿着纵向扩展具有多个横截面收缩部13。横截面收缩部13例如通过伸入内室3.2的突出部3.3(例如肋条、结块、连接片)形成。在此，突出部3.3成对地布置，其中，突出部3.3的一对从彼此相对置的内表面3.1伸入内室3.2。在此，突出部3.3的对伸入内室3.2，使得其自由的突出部端部彼此间隔，由此，在内室3.2中形成横截面收缩部13之一。在封闭的热循环7的通道中的流体f的所谓的毛细力通过这种逐点的横截面收缩部13而升高。
67.图9示出具有内侧的结构12的加热室3和由此产生的改进的、尤其在加热室3中对称的流体占据的示意性剖面图。在加热室3中的流体f的毛细力通过横截面收缩部13而升高，使得流体f在相应的横截面收缩部13的区域中以液相fp形式存在。
68.加热室3的内室3.2中的内部结构12的这种样式引起加热室3中的对称的流体占据，并且因此在起始相位在冷冻的流体f的情况下简化传热设备1和脉动的加热结构机制的所谓的开始。
69.图10示出根据现有技术没有内侧的结构12的常规的加热室和由此产生的在加热室3的内部非对称的流体占据的示意性剖视图。
70.尽管通过优选的实施例进一步详细图示并且描述本了发明，但是本发明不被公开的实例限制，并且本领域技术人员在不脱离本发明保护范围的情况下能够推导出另外的变体方案。