CN103796489B - 使用多孔微通道模块的热收集端及散热装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热收集端，其包括盖板、微通道模块以及底座，所述微通道模块具有多个圆柱形孔，该多个圆柱形孔用于通过工作介质；所述底座具有相对设置的入口和出口。所述微通道模块固定设置于所述盖板和所述底座之间，其中，所述微通道模块的多个圆柱形孔从所述底座入口侧向出口侧延伸，所述底座入口与所述微通道模块入口之间为一上坡体，所述微通道模块出口与所述底座出口之间为一下坡体。另外，本发明还提供一种包含上述热收集端的散热装置。

Description

使用多孔微通道模块的热收集端及散热装置

技术领域

本发明涉及一种热收集端以及使用该热收集端的散热装置，尤其涉及一种使用藕状多孔材料的热收集端以及散热装置。

背景技术

近年来，高集成度化引发的热障问题已经成为了制约计算机芯片、光电器件等发展的重要问题和技术瓶颈之一，如何高效安全的对芯片进行散热成为了电子器件研究的重要课题之一。

例如，CPU散热设计的总原则是在CPU与环境之间，提供一条尽可能低的热阻通路，目的是控制核心温度，使之在允许的温度范围内工作。经过多年发展，单相流体回路散热技术得益于其散热量大以及装配便捷等特点，在高端CPU散热领域有广泛应用。

该形式散热装置的热阻通路包括热收集端、热排散端以及二者之间的传输通道，工作时，热收集端中的液体通过对流作用吸收由盖板传导来的CPU热量，在泵的驱动下传输至热排散端进而将热量排散至环境中。由于热排散端可通过密集歧管配合大风量风扇的方式将热量全部排散至环境中，使得热收集端液体入口温度近乎恒定在环境温度，因而影响散热器性能的关键就在于热收集端的换热效率。

热收集端换热效率与其内部参与对流换热的流道有关，流道复杂化与微小化可以使流体通过时的换热能力提升。复杂化的流道使流体与基体的接触面增大，进而增强对流作用，微小化的流道容易使流体吸热发展为核态沸腾，进而获得更大的吸热容量。目前常见流道形式有密排铜柱、单层微槽道和多层微槽道等。然而，公知的微通道压降大，往往需要高功率的泵与之相配，故成本难以控制，市场应用价值不高。

发明内容

有鉴于此，确有必要提供一种热收集端以及使用该热收集端的散热装置，以实现热收集端以及散热装置的微通道压降小，且成本相对低廉的效果。

一种使用多孔微通道模块的热收集端，其包括：一盖板；一微通道模块，该微通道模块具有多个圆柱形孔，该多个圆柱形孔用于通过工作介质；一底座，该底座具有相对设置的入口和出口。所述微通道模块固定设置于所述盖板和所述底座之间，其中，所述微通道模块的多个圆柱形孔从所述底座入口侧向出口侧延伸，所述底座入口与所述微通道模块入口之间为一上坡体，所述微通道模块出口与所述底座出口之间为一下坡体。

一种散热装置，其包括如上所述的热收集端、热排散端、连接所述热收集端和热排散端的管路，以及至少设置于所述热收集端、热排散端或管路的工作介质。

与现有技术相比较，本发明提供的热收集端以及具有该热收集端的散热装置由于微通道模块微通道为多个圆柱形孔，其内壁光滑，所以沿程压力损失小；所述底座入口与所述微通道模块入口之间为一上坡体，所述微通道模块出口与所述底座出口之间为一下坡体，减少了微通道入口处的涡流，降低了压力损失；故不需要高功率的泵与之相配，所以成本相对低廉。

附图说明

图1是本发明实施方式提供的散热装置的组成示意图。

图2是本发明实施方式提供的热收集端的整体结构示意图。

图3是本发明实施方式提供的热收集端的分解图。

图4是本发明实施方式提供的热收集端中盖板倒置的结构示意图。

图5是本发明实施方式提供的热收集端沿图2中Ⅴ-Ⅴ线剖开的剖面图。

主要元件符号说明

散热装置 10

热收集端 11

热排散端 12

管路 13

泵 14

工作介质 15

盖板 21

微通道模块 22

底座 23

中心部 211

边缘部 212

凹槽 213

螺纹孔 214

圆柱形孔 221

凹槽 222

密封槽 230

顶面 231

底面 232

侧面 233

凹槽 234

入口 235

出口 236

螺纹孔 239

液体混合段 237、238

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施例，对本发明提供的热收集端以及散热装置作进一步的详细说明。

请参阅图1，本发明实施方式提供一种散热装置10，该散热装置10用于计算机芯片、光电器件等散热。

所述散热装置10包括热收集端11、热排散端12、连接所述热收集端和热排散端的管路13，设置于所述管路13的泵14，以及至少设置于所述热收集端11、热排散端12或管路13的工作介质15。所述热收集端11、热排散端12以及泵14通过管路13连接形成闭合通路。

请参阅图2、图3以及图5，所述热收集端11包括盖板21、微通道模块22以及底座23。

请一并参阅图4，所述盖板21的材料可以为铜、镁或硅等。该盖板21由中心部211以及边缘部212构成，该中心部211的厚度优选为1毫米，该中心部211的外侧面突出于所述边缘部212，该中心部211的内侧面低于所述边缘部212形成一圆柱形凹槽213。所述中心部211的外侧面是吸热面，用于与所述CPU接触，所述凹槽213的内侧面用于与微通道模块22焊接。在所述盖板21的边缘部212形成有多个螺纹孔214。当然，所述盖板21也可以为一个平板。

所述微通道模块22的材料可以为铜、镁或硅等，该微通道模块22具有多个圆柱形孔221，该多个圆柱形孔221构成微通道用于通过工作介质15。所述微通道模块22的表面尺寸与待散热器件大小相当。该微通道模块22通过扩散焊连接至所述盖板中心部211具有凹槽213的表面上，扩散焊的作用是在保证焊接强度条件下不添加任何异种材料，可以将结合处热阻降至最低。

所述微通道模块22是利用金属-气体共晶定向凝固工艺所制得的藕状多孔材料，该藕状多孔材料内部拥有大量平行排布且内壁光滑的圆柱形孔，平均孔径可通过改变制备工艺参数而控制在0到1毫米之间，从横截面视角看，布满了细小的圆孔，面孔隙率即全部圆孔面积占横截面积的比例在40％左右，比表面积巨大。因此，在通以工作介质15时能够发挥出高效的换热性能，且成本的相对低廉提升了其市场应用价值。

所述微通道模块22的换热性能受孔径的影响较大，根据模拟计算与实验测试结果来看，水作为工作介质时，可以采用小孔径的微通道模块22，也就是说该微通道模块22内的圆柱形孔221的平均孔径要小于600微米，较优的平均孔径范围是300微米至500微米，最优的平均孔径是400微米左右。低熔点金属或低熔点合金作为工作介质时，可以采用大孔径的微通道模块22，也就是说该微通道模块22内的圆柱形孔221的平均孔径要大于600微米，较优的平均孔径范围是700微米至900微米，最优的平均孔径是800微米左右。

由于目前金属-气体共晶定向凝固工艺水平不足以在25毫米以上的长度方向上保证所有圆柱形孔221通透，意味着在实际应用中会存在堵塞的圆柱形孔221，那么实际参与对流作用的微通道数目就会减少，换热性能便大打折扣。所以，在垂直于圆柱形孔221的长度方向上可以采用线切割方式开设若干凹槽222，目的是在每一分段上增大圆柱形孔221的通透比率，使更多的微通道参与对流作用，同时减小工作介质15的流动阻力，从而增强换热效果，凹槽222的宽度为0.5毫米左右，凹槽222并未完全切开，目的是保证微通道模块22的整体性，方便扩散焊时的固定与装卡，开槽一侧为焊接面，目的是保证最上方一层圆柱形孔221通透良好。

所述底座23的材料为金属或有机玻璃。该底座23具有相对设置的顶面231和底面232，以及设置于该顶面231和底面232之间的侧面233。所述顶面231开设有一凹槽234，该凹槽234用于放置所述微通道模块22，所述侧面233具有相对设置的入口235和出口236。所述入口235和出口236均与所述凹槽234连通。所述底座入口235与微通道模块22的入口之间设有液体混合段237，在微通道模块22的出口与所述底座出口236之间设有液体混合段238，液体混合段237、238的结构直接影响工作介质流体进入微通道的方式，对微通道的换热性能影响重大，此处液体混合段237、238均被加工成斜坡形状，即，所述底座入口235与所述微通道模块入口之间为一上坡体，所述微通道模块出口与所述底座出口236之间为一下坡体。且所述上坡体与所述底座入口235之间的夹角为45度至55度，优选为50度左右。所述下坡体与所述底座出口236之间的夹角为45度至55度，优选为50度左右。其作用是减少液体混合段237、238内的涡流与气旋，保证工作介质流体进入微通道时平缓稳定，同时降低了整个行程工作介质流体的压力损失。

所述顶面231开设有多个螺纹孔239，本实施例中，该螺纹孔239的数量与所述盖板21上螺纹孔214的数量相等。在所述顶面231上螺纹孔239的内侧设置有密封槽230，用于放置密封圈24。

所述微通道模块22通过螺钉25固定设置于所述盖板21的凹槽213和所述底座23的凹槽234之间，其中，所述微通道模块22的多个圆柱形孔221从所述底座入口侧向出口侧延伸。且所述盖板21和所述底座23之间设置有密封圈24，可以使热收集端11与外界隔绝，达到密封效果。

所述工作介质15可以为水、低熔点金属或低熔点合金。所述低熔点金属如镓等，所述低熔点合金如镓铟合金、镓铟锡合金、钠钾合金等。

所述管路13为紫铜管或塑料管。

所述热收集端盖板中心部211的外侧表面涂有导热硅脂，在外置卡具压力下与待散热器件的发热面紧密贴合。所述待散热器件发出的热量通过热传导方式传导至所述盖板21。工作介质液体在泵14的驱动下经过所述底座入口235进入入口液体混合段237，通过入口液体混合段237中斜坡的过渡流入微通道模块22的圆柱形孔221中，在圆柱形孔内部与壁面进行对流换热后流出圆柱形孔221进入出口液体混合段238，在这个过程中，工作介质液体吸收来自待散热器件发出的热量，温度升高，最终从所述底座出口236流出，经过管路13流入热排散端12进行远端散热。然后经过泵14进入下一轮循环。

所述热收集端11从待散热器件吸收热量时的效率与所述盖板21的厚度和散热装置10的卡具压力有关，较小的盖板厚度和较大的卡具压力会降低这一部分热阻，但在实际使用中盖板21容易出现变形，导致密封效果受到影响，甚至引起工作介质液体泄漏。所述盖板中心部211的厚度优选为1毫米左右，这主要是从盖板21的机械强度和导热效果来综合考量的，即，该中心部211的厚度为1毫米左右时，该盖板21具有较好机械强度的同时具有较优的导热效果。

另外，将所述盖板21设计成具有中心部211和边缘部212，且所述中心部211要高于所述边缘部212的形状，具有以下效果：

(1)当将所述盖板21通过所述螺钉25与所述底座23紧固时，拧螺钉的作用力作用于所述盖板边缘部212与所述底座23之间的密封圈24，由于所述盖板中心部211与作为螺钉紧固面的边缘部212不处于同一平面，所以，所述作用力不会传递至所述中心部211，而是一部分作用力会分散到连接所述中心部211与边缘部212的竖直部分。因此，所述竖直部分可能会发生形变，但中心部211不会发生形变，故不会影响所述述热收集端11的密封性。

(2)当将所述热收集端11装夹到待散热器件，卡具施以较大压力时，所述盖板中心部211将受到较大压力，由于盖板中心部211与作为螺钉紧固面的边缘部212不处于同一平面，所以，压力不会传递至所述边缘部212，而是一部分压力传递至连接所述中心部211与边缘部212的竖直部分，又所述密封圈24距离所述该竖直部分较近，所以该压力作用至密封圈24所在处，故，盖板21不仅不易产生变形，还会提升所述热收集端11的密封性。

本发明实施例提供一种用于i7-4960x型号CPU散热的散热装置，该散热装置中的盖板、微通道模块以及底座的材料均为纯铜。其中，所述微通道模块采用长宽高为28×32×5毫米的微通道模块，该微通道模块的孔隙率为40.68％，平均孔径596微米，沿圆柱形孔长方向用线切割四等分，分割槽宽0.5毫米，分割槽留有0.5毫米未切断，开槽一侧作为接触面与所述盖板凹槽的表面进行扩散焊。采用水作为工作介质，在微通道模块入口流量为65mL/s时，可实现该CPU在超频条件下功耗达到300W时的良好散热，此时CPU表面温度仅为66℃，远低于CPU正常工作所允许的最高温度。

本发明实施例提供的热收集端以及散热装置由于微通道模块微通道内壁光滑，所以沿程压力损失小；微通道孔径尺寸小，且孔隙率高，所以散热表面积大；微通道进行切槽分段处理，所以通孔比例大，散热效率高；进出口液体混合段设有斜坡，减少了微通道入口处的涡流，降低了压力损失，故不需要高功率的泵与之相配，所以成本相对低廉。所述盖板设计成具有中心部和边缘部，且所述中心部高于所述边缘部的形状适应较大卡具压力，密封性良好；微通道模块采用金属-气体共晶定向凝固工艺制备，所以工艺简单，加工成本低。由此可见，本发明的热收集端以及散热装置非常适用于大功耗待散热器件的散热。

另外，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其它变化，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (14)

1.一种使用多孔微通道模块的热收集端，其包括：

一盖板；

一微通道模块，该微通道模块具有多个圆柱形孔，该多个圆柱形孔用于通过工作介质；

一底座，该底座具有相对设置的入口和出口；

所述微通道模块固定设置于所述盖板和所述底座之间，其中，所述微通道模块的多个圆柱形孔从所述底座入口侧向出口侧延伸，所述底座入口与所述微通道模块入口之间为一上坡体，所述微通道模块出口与所述底座出口之间为一下坡体，所述工作介质从所述底座入口进入，通过所述上坡体的过渡流入到所述微通道模块的多个圆柱形孔中，在所述圆柱形孔中与该圆柱形孔的壁面进行对流换热后流出，再通过所述下坡体的过渡流入到所述底座的出口，最终从所述底座出口流出。

2.如权利要求1所述的使用多孔微通道模块的热收集端，其特征在于，所述上坡体与所述底座入口之间的夹角为45至55度，所述下坡体与所述底座出口之间的夹角为45至55度。

3.如权利要求2所述的使用多孔微通道模块的热收集端，其特征在于，所述上坡体与所述底座入口之间的夹角优选为50度，所述下坡体与所述底座出口之间的夹角优选为50度。

4.如权利要求1所述的使用多孔微通道模块的热收集端，其特征在于，所述盖板由中心部以及边缘部构成，该中心部的外侧突出于所述边缘部，该中心部的内侧低于所述边缘部形成一凹槽，所述微通道模块固定设置于所述盖板凹槽和所述底座之间。

5.如权利要求1所述的使用多孔微通道模块的热收集端，其特征在于，所述工作介质为水时，所述微通道模块的多个圆柱形孔的孔径小于600微米。

6.如权利要求1所述的使用多孔微通道模块的热收集端，其特征在于，所述工作介质为水时，所述微通道模块的多个圆柱形孔的孔径为300微米至500微米。

7.如权利要求1所述的使用多孔微通道模块的热收集端，其特征在于，所述工作介质为低熔点金属或合金时，所述微通道模块的多个圆柱形孔的孔径大于600微米。

8.如权利要求1所述的使用多孔微通道模块的热收集端，其特征在于，所述工作介质为低熔点金属或合金时，所述微通道模块的多个圆柱形孔的孔径为700微米至900微米。

9.如权利要求1所述的使用多孔微通道模块的热收集端，其特征在于，所述微通道模块间隔开设有多个凹槽，该多个凹槽的延伸方向垂直于所述多个圆柱形孔的延伸方向，且所述微通道模块具有多个凹槽的表面扩散焊至所述盖板凹槽的表面。

10.如权利要求1所述的使用多孔微通道模块的热收集端，其特征在于，所述底座表面开设有密封槽，所述热收集端进一步包括密封圈，该密封圈设置于所述密封槽。

11.一种散热装置，其包括如权利要求1至10任意一项所述的热收集端、热排散端、连接所述热收集端和热排散端的管路，以及至少设置于所述热收集端、热排散端或管路的工作介质。

12.如权利要求11所述的散热装置，其特征在于，所述工作介质为水、低熔点金属或低熔点合金。

13.如权利要求12所述的散热装置，其特征在于，所述低熔点金属为镓。

14.如权利要求12所述的散热装置，其特征在于，所述低熔点合金为镓铟合金、镓铟锡合金或钠钾合金。