CN101068008A - Cpu散热器 - Google Patents

Abstract

本发明属于传热、电子器件散热技术领域。本发明是一种采用热管的散热器，热管成L形，肋片(4)采用了对流强化传热结构，优化了结构设计，有效地减小散热器的尺寸，使其更紧凑，更便于在电脑主板上安装；采用高风压的离心式风扇，或高效结构的多级轴流式风扇(5)，提高风量，有效地提高散热量。对吸热块(1)和蒸发段(6)的配合进行了改进，降低了材料和制造成本。

Description

CPU散热器

所属技术领域

本发明涉及电子器件散热技术，尤其是采用热管原理、主要由吸热块、热管加肋片和风扇组成的、用于冷却CPU的散热器。

背景技术

随着半导体集成电路晶体管数量的增加，器件的发热量也随着增加。当前电脑CPU芯片的发热和散热问题已经成了计算机发展过程中的障碍，单纯的铝基翅片加风扇结构的散热器已经满足不了要求，热管式散热器都普遍被台式电脑CPU散热器采用了。

目前台式电脑CPU散热器的基本问题有：尺寸庞大，笨重，散热量不高，价格高。如华硕V-NARDO散热器的体积为90(L)×98(W)×101(H)mm，净重0.52Kg，价格高达400多元人民币。这些问题阻碍了热管式散热器在台式电脑中更广泛的应用。这些问题的产生，是由于设计不合理，表现出传热原理不清晰，制造加工工艺、工序更不合理，低效，成本高。

在散热器所有传热过程中，空气对流传热热阻最大，现散热器一味地增加肋片的尺寸和数量，希望通过增加散热面来提高散热量，这样不仅增大了散热器的体积，还增加了成本造价，而散热量并没有因此而得到有效地提高，有时反而还会降低，这是因为，散热面积增加，空气流经肋片的阻力也增加，从而导致空气流量下降，使得流经肋片的空气温度提高，流经散热器的平均温度和冷凝段管壁的温度差下降，还有肋效率下降，这样就影响了空气对流传热效果。

对于电脑CPU散热器中所用的风扇都是微型风扇，风压非常低，如70×70mm，厚20mm的轴流风扇，转速为3000RPM时的无阻力最大风量为0.7m³/min，风压为2.5mm水柱，当肋片密度和面积大、阻力大时，风量将迅速下降。通过增大风扇尺寸和空气换热器流通面积，来解决风量、散热面积的问题，其结果是散热器尺寸庞大，造价提高。由于电脑主板上散热器的安装尺寸面积有限，为了满足安装要求，普遍采用了U型热管，热管折弯成U型，冷凝段和蒸发段之间距离远，这不仅不利于热管内导热，而且热管的造价也提高了。

还有蒸发段和吸热块之间的传热不被重视，如采用锡焊，需要铜材，不仅吸热块造价高，蒸发段只有一半的受热面积；采用上下块压紧，由于上下块之间有缝隙，因而也只有与下块的接触面积才起作用，没有发挥整个蒸发段内的蒸发面。

发明内容

本发明提供一种热管式散热器，强化空气对流换热，减小空气对流换热器(肋片部分)尺寸，采用高风压风扇，克服空气换热器紧凑化带来的高风阻，提高风量，提高散热量，优化整个散热器的结构，使之紧凑、小巧，成本造价也降低，减小散热器在主板上的安装尺寸，便于各种电脑主板安装。

本发明所采用的技术方案是：散热器主要部件有：吸热块、热管、肋片和风扇。肋片为套片式，肋片设置在热管的冷凝段上，热管的蒸发段紧固在吸热块上，这和现热管式散热器类似，本发明的特征在于：吸管成L型，一端为冷凝段，另一端为蒸发段，冷凝段和蒸发段之间成80°～120°角；吸热块采用铝或铝合金制成，有嵌孔，热管的蒸发段嵌在嵌孔中；肋片采用了短肋形或波形强化传热结构，或片距为0.7至1.5mm的平板肋；风扇采用了离心式风扇，或相邻两级的动叶转向相反或之间设置有导向叶的多级轴流式风扇。

现台式电脑，主板都是垂直放置，CPU芯片的散热面也就垂直，散热器的吸热块也就垂直放置。本发明的散热器，安装要求热管的蒸发段垂直，冷凝段在上，这样在热管弯曲段和蒸发段，热管内液态工质回流能最大地利用重力作用。当蒸发段和冷凝段的夹角大于90°时，冷凝段内液态工质回流可利用重力作用；当两者夹角小于90°时，热管冷凝段内液态工质回流必须依靠管内的毛细管结构产生的虹吸力，夹角越小，虹吸压差要求越大，不利于热管内导热，同时，空间利用不紧凑，本发明取夹角不小于80°。为尽可能利用重力作用回流，设计时应取夹角大于90°，但夹角太大，整体尺寸加大，结构不紧凑，倾斜的空气换热器可能与主板上的其它元件或部件产生干涉，一般取100°～110°为佳，最大不超过120°。如果芯片水平放置，则热管蒸发段水平，冷凝段树立，热管完全处于重力回流状态。

虽然纯铜比纯铝导热系数高近1.7倍，但对于吸热块中的导热，铜材和铝材制成的吸热块没有明显的区别。但是，铜的重量是铝的3.2倍，单位重量铜的价格比铝贵2倍多，因而铜制的吸热块比铝制的材料成本要多近6倍。另外，铝加工成型要容易得多，采用挤制工艺，挤制成横截面与吸热块一致的长条型材(嵌孔也就是挤制成型)，再裁切成一块块的，稍作加工则变成了吸热块，这样的制造效率高，因而采用铝材制造吸热块，不仅原料成本低，而且加工费用也低。

短肋形强化传热结构，是肋片空气对流强化传热最有效的结构，分有叉列短肋形和百叶窗短肋形，其基本特征是：空气流经的表面被冲切成一段段不连续的表面，空气每流经一段(短肋)，其上的边界层都处在边界层的起始段，使整个对流换热表面充分利用了边界层起始段较薄、热阻小、换热系数高的有利特点。

波形结构，其强化传热原理是：在空气流动方向上，肋片被加工成波形，空气流经波形表面的凹面时会形成旋涡，在下游的凸面处会形成局部地区的流体脱离现象，这些现象都能使传热得到强化提高。

空气换热器设计中还必须认真考虑肋片之间的片距这一参数，依据实验研究，空气对流换热系数与片距的大致0.7次方成正比，也就是说减小片距不仅可以增加肋片数量，即换热面积，还可以极大地提高空气对流换热系数。最佳片距应低于1毫米，但在实际设计中还要考虑其它因素。对于平板肋片，片距应该不大于1.5毫米，考虑到生产工艺，以及尘埃聚集污染的危险因素，片距不应小于0.7毫米。对于采用了波形和短肋形强化传热结构的肋片，片距应该不小于0.7，不大于2.0毫米，短肋的宽度在2.0毫米左右。

肋片加密，采用强化换热结构，大大地提高了空气流动阻力。单级轴流式风扇风压不足，克服不了肋片的空气流动阻力，导致风量急剧下降，已经满足不了要求。离心式风扇，风压高，能满足以上要求。单级轴流式风扇不行，可采用多级，但是不能简单地将现两个或多个轴流式风扇叠加在一起，这样效果非常低。因为空气经过一级风扇，被风扇扇叶(此称为动叶)驱动，有轴向速度，还有周向速度，成螺旋流动，如果后一级风扇动叶转向相同，则进一步增大周向速度，即增大了螺旋流动，螺旋流动不利于提高风压、风量。如果在两级动叶之间设置导向叶，空气流经导向叶，周向速度被消除，空气的部分速度动能转换成压力势能，空气流动方向更适合后一级动叶相对空气的冲角，这种两相邻动叶之间设置导向叶的结构，是多级轴流式风机、空压机的标准结构。采用另一种结构，两相邻级动叶转向相反，后一级动叶不仅起着进一步驱动空气、向空气提供动能的作用，还起着导向叶的作用，扩压，将动能转换成压力势能，消除周向速度和螺旋流动增长，有效提高风扇的风压、风量，有利于提高散热量。

综上所述，本发明将使散热器结构紧凑，体积小巧，安装面积减小，材料成本和制造成本下降，散热量得到有效提高。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

附图说明

图1、3是本发明的特征剖面示意图。

图2、4、5是吸热块横截面特征剖面示意图。

图6是套片式结构空气换热器特征剖面示意图。

图7是叉列短肋形强化传热结构肋片的特征示意图。

图8是图7中A-A剖视图。

图9是百叶窗短肋形强化传热结构肋片的特征示意图。

图10是图9中B-B剖视图。

图11是波形强化传热结构肋片的特征剖面示意图。

图中，1、吸热块，2、热管，3、冷凝段，4、肋片，5、风扇，6、蒸发段，7、嵌孔，8、导向叶，9、动叶，10、底块，11、压块。

具体实施方式

图1所示的散热器，风扇(5)为离心式风扇，热管(2)弯折成L型，冷凝段(3)和蒸发段(6)成90°角。图2示出了其吸热块(1)的横截面图，热管(2)的蒸发段(6)镶嵌在吸热块(1)的嵌孔(7)中。设计时要尽可能减小蒸发段(6)和冷凝段(3)之间的距离，图中仅为热管(1)的弯曲段的距离，这样不仅可以提高热管内的热传输率，还可以缩短热管长度，即降低成本，减小散热器尺寸。管内毛细管结构层为铜粉烧结成型的热管，最小弯曲半径有限制，大至三倍于热管直径，太大，为缩短蒸发段和冷凝段之间的距离，热管的弯曲段上可以部分设置肋片。

图3所示的散热器，风扇(5)为多级(两级)轴流式风扇，两级动叶(9)之间设置有导向叶(8)。图4示出了其吸热块(1)的横截面，嵌孔(7)有一缺口，开在吸热块的背面，嵌孔像有两唇，缺口像唇口，将热管蒸发段包嵌在里面。此结构方便了热管蒸发段与吸热块的快速装配，前工序(挤制工艺)制造的嵌孔(7)比蒸发段的直径稍大，便于热管蒸发段***吸热块嵌孔，采用一契形工件压在嵌孔的两唇上，施加压力，使嵌孔两唇变形，缺口缝间距减小，缺口的作用就在此，嵌孔缩小，热管蒸发段受径向挤压，这样能使蒸发段周圈与吸热块接触配合均匀，有效地解决它们之间的接触热阻问题。如果插装时涂有导热膏，则接触导热更可靠。蒸发段尽可能大的面积被吸热块包嵌住，有利于吸热块与蒸发段之间的传热，有效地发挥蒸发段内的所有蒸发传热面。

图5示出了另一种吸热块结构，吸热块由两种部件构成，底块(10)和压块(11)，两者之间的结合面采用了凹凸相配的结构，底块(10)和压块(11)配合后构成的嵌孔(7)比热管蒸发段要小，压装压块(11)前，蒸发段可以很容易地***，压装压块(11)后，蒸发段周圈被紧密地包嵌在吸热块中，可靠地解决了其间的接触热阻问题。凹凸结合面的作用，是解决底块(10)和压块(11)之间的接触热阻问题，由于制造加工有公差，不可能保证热管蒸发段与底块(10)和压块(11)紧密配合的同时，又保证底块(10)和压块(11)之间上下面的紧密接触，存在接触热阻问题。采用凹凸结构结合面，凹凸为紧配合，就保证凹凸侧面紧密接触，底块(10)的热量通过凹凸侧面传到压块(11)上，这样就解决了其间的接触热阻问题。

图6示出了套片式结构，肋片(4)通过肋片根部的翻边与冷凝管(3)接触传热，这里有接触热阻的问题，解决该问题有两种工艺：一、焊接，二、胀管。只有肋片和冷凝管都为铜材时，才适合采用锡焊。胀管工艺是一种简单、效率高、成本低的工艺，在许多其它产品生产中普遍采用，如空调中的空气换热器(冷凝器、蒸发器)，并且不受材料限制，因而降低了制造工艺成本和原材料成本。

为了能适合现各种电脑主板，便于安装，并满足冷凝段和肋片在上方的要求，散热器安装尺寸最大不要大于80×80mm，最好取70×70mm，这样肋片的长度不要超过70mm，热管选用直径为6mm，热管之间的中心距离应该在18～24mm。取中心距为23mm，则用三根管，肋片长为69mm，肋片宽取14mm，片距1.0mm。空气换热器高70mm，则空气对流换热面积为0.14m²，采用叉列短肋形肋片，风速达到2m/s，空气对流换热系数可达100W/m²·℃，空气换热器的温差只要10℃，散热量就达到140W。

Claims (4)

1、一种用于冷却CPU的散热器，包括有：吸热块(1)、热管(2)、肋片(4)和风扇(5)，肋片(4)为套片式，肋片(4)设置在热管(2)的冷凝段(3)上，热管(2)的蒸发段(6)紧固在吸热块(1)上，其特征在于：热管(2)成L型，蒸发段(6)和冷凝段(3)之间成80°～120°角；吸热块(1)采用铝或铝合金制成，有嵌孔(7)；肋片(4)采用了短肋形或波形强化传热结构，或片距为0.7mm至1.5mm的平板肋；风扇(5)采用了离心式风扇，或相邻两级的动叶(9)转向相反或之间设置有导向叶(8)的多级轴流式风扇。

2、根据权利要求1所述的散热器，其特征在于：吸热块(1)中的嵌孔(7)带缺口，开在吸热块(1)背面；蒸发段(6)与吸热块(1)之间的装配，采用了挤压径向变形缩孔工艺。

3、根据权利要求1所述的散热器，其特征在于：吸热块(1)由一个底块(10)和一个或多个压块(11)构成，底块(10)和压块(11)之间的结合面采用了凹凸相配的结构。

4、根据权利要求2或3所述的散热器，其特征在于：吸热块(1)的制造采用了挤制工艺，嵌孔(7)由挤制工艺形成。

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