CN108156791A - 一种平板热管回路及其散热模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种平板热管回路以及使用这种平板热管回路的散热模块。其中平板热管回路结构，包括上盖金属板、下盖金属板、毛细结构以及工作液体。上、下盖金属板的中间部位皆呈现中间挖空的相对应多边形环状结构，并且具有至少一个不等宽度的多边形封闭回路结构。而所述的平板热管回路散热模块，至少包含一不等宽度的多边形平板热管回路以及散热鳍片并且固定于电路板上，还有使用风扇协助散热。所述平板热管回路散热模块，具有宽度较宽的边提供消散较大的热负荷，而宽度较窄的边提供消散较小的热负荷。此外本发明的平板热管回路具有自我调节散热机制。

Description

一种平板热管回路及其散热模块

技术领域

本发明涉及属于热导管的散热装置及散热模块，特别有关一种具有自我调节回路的散热装置及使用该装置之相关散热模块。

背景技术

在数据中心、基地台中心的机房，拥有数个或数十个机架及其上摆有服务器、工业计算机及大量的发热电子零组件。在过去的数十年间，虽然有各种方式的空调及智能型散热设计，但是只能解决一部分的散热能力，对于局部区域大量发热的电子零组件仍有待进一步改良的空间。服务器、工业计算机等耗电较高的较高功耗的电子机器设备，通常有一壳体将它包住，壳体内部亦设有通风设备，也设有热管及适当散热设备，但是因为热管本身所能带走的热量有限，而设置多支热管会使得成本增加，因此有必要引进新的散热设施。

热管回路(heat pipe loop，以下简称HPL)是一种完全被动传热装置，但是它兼具有热管及回路热管(loop heat pipe)这两种传热装置的功能的优点。HPL的蒸发器就像是一个热管的蒸发器，具有一个毛细结构在内壁上，工作流体被毛细结构表面的热量输入蒸发变成蒸气，由于蒸气通道完全导通形成回路，蒸气除了传向具散热鳍片的冷凝部传输之外，同时通过此回路式封闭结构引导剩余的热源以自我调节方式平衡此回路式散热部的轴向传输至此回路式散热部的其他位置。蒸发器毛细结构再将冷凝的工作流体吸取回来以完成HPL内的流体循环。HPL还有一个优点是它不会对重力产生敏感，也就是几乎不受重力影响，不会因为重力作用而影响到它的传热性能。

HPL与热管不同之处在于它没有两个端部，因此它是借着回路式的导通空间让工作流体不断蒸气-液体-蒸气的相变循环操作来进行散热。而HPL与回路式热管(loop heatpipe)不同之处在于它不具有补偿室，并且在HPL内部是具有毛细结构，藉由毛细结构的热温差将工作流体蒸发，同样也藉由毛细结构补充工作流体。

发明内容

为了要解决电路板上大面积布局芯片群组以及部分电子零件如CPU、GPU或其他电子零组件所产生热点(hot spot)的散热问题，所影响到整个电路板的性能，一个热管回路需要兼顾多数个电子零组件的散热问题还是有不足之处，本发明提出了一个不用泵的平板热管回路(Plate Heat Pipe Loop，以下简称PHPL)解决方案来解决上述问题，其方法如下:

一种PHPL包含：

一上盖金属板，中间部位呈挖空之多边形环状板体结构，并且具有至少一个以上不等宽度的多边形环状板体，所述的上盖金属板具有外表面及内表面，外表面呈平整状态，内表面上设有至少两条以上沿着边长方向(通常称为轴向)切割或蚀刻的环状凹槽；

一下盖金属板，中间部位呈挖空之多边形环状板体结构，对应于上盖金属板，具有内表面及外表面，外表面呈平滑状，内表面呈环状凹槽

工作流体；以及

毛细结构，形成于下盖金属板之内表面内部环状凹槽之上；

其中，所述的上盖金属板系的内表面的边框与所述的下盖金属板的内表面的边框系以扩散键合方式接合固定，形成一环状多边形封闭的回路壳体，所述的工作流体在所述的封闭壳体内部，此一多边形环状的封闭回路结构具有自我调节散热机制。

如上所述的毛细结构，可以是铜粉烧结、吸液芯、泡沫金属(metalfoam)、金属网、编织网或者金属纤维团等。

如上所述的毛细结构是形成于所述的下盖金属板的内表面凹槽内部。

如上所述的上盖金属板的复数条沟槽，提供所述的PHPL蒸气通道。

如上所述为了增加PHPL之蒸气通道更进一步将原来上盖板的轴向切割或蚀刻的沟槽之外更加上复数条垂直于轴向方向切割或蚀刻形成复数个矩阵式排列的短柱。

如上所述的边宽度设计稍微大一点就是一种类似于均热板(vapor chamber)的结构，其效果却是优于均热板的设计，这是因为蒸气通道是形成一种封闭回路的关系。

如上所述的一种PHPL，其形状为多边形环状不等宽度的平板封闭结构体，所述的板体宽度系依照散热需求而设计的，宽度较宽的边提供消散占据面积较大或者热流密度较高芯片群组的热负荷，宽度较窄的边提供消散较小的热负荷。

本发明PHPL散热模块第一实施例的内容为：

一种PHPL散热模块，包含：

一电路板，具有至少一个以上的芯片群组；

一PHPL，具有至少一个以上不等宽度的多边形环状封闭回路结构；

至少一个散热鳍片部，其上有复数个鳍片，贴附并固定于所述的PHPL表面上；

其中所述的PHPL贴附在电路板的至少一个芯片群组上，其中所述PHPL的边宽较宽的边贴附于所述电路板上占据面积较大或者热流密度较大的芯片群组以利消散大量的热负荷。

所述PHPL散热模块最终是固定(通常是以螺丝钉锁住固定)在电路板并且通常是贴附在电路板的芯片群组上，并且所述的PHPL散热模块的散热鳍片最靠近这芯片群组，使得整个散热路径是最短的，而达到散热的优化。

本发明PHPL散热模块第二实施例的内容包含：

一PHPL，具有至少一个以上不等宽度的多边形环状封闭回路结构；

复数个螺丝；

一底板，其形状配合所述的PHPL并且比PHPL的宽度稍微宽，其边缘处有凸起的边框，所述边框上面有复数个钻孔，所述边框把所述的PHPL框起来固定住；以及

至少一个散热鳍片部，其上有复数个鳍片，其底部边缘有相对应于电路板的钻孔；

其中所述散热鳍片部与底板夹住所述PHPL，并使用螺丝锁住散热鳍片部与底板，并且固定住所述PHPL。

所述的PHPL散热模块的底板最终是锁在电路板并且直接贴附在电路板的芯片群组上，并且所述的PHPL散热模块的散热鳍片最靠近这芯片群组，使得整个散热路径是最短的，而达到散热的优化。

如前面第二实施例的稍微变化，本发明的第三实施例乃是在底板与PHPL之间设一电路板，所述电路板上有复数个芯片，所述电路板被夹在底板与PHPL之间，当实际操作时，电路板上的芯片所产生的热量，直接传递给PHPL，再将热传递给散热鳍片部，而由鳍片周边的对流空气将热带走。

如上所述的一种多边形环状不等宽度的PHPL，所述的多边形环状板体的宽度系依照散热需求而设计的，宽度较宽的边提供消散占据面积较大或者热流密度较高芯片群组的热负荷，宽度较窄的边提供消散较小的热负荷。

如上所述第一至第三实施例的一种PHPL散热模块，还可使用风扇组件以增加最高可达30％的散热功率。

与现有技术的比较，本发明的优势在于：

一般平板型热管的散热能力大约只有40-50瓦，本发明PHPL可承载散热能力约200瓦以上。

一般回路式热管虽可以承载散热能力约100-200瓦，但是由于会受到重力的影响，导致放置的方式一改变就影响到散热能力，另一个回路式热管的重大缺点就是低功率无法启动散热效能。本发明PHPL基本上不受重力或者低功率无法启动的影响。

本发明PHPL及其散热模块，可根据复数个芯片的位置、大小及形状等要求，利用并调整PHPL的边宽度来布局设计解决散热需求。

本发明PHPL，由于回路通道皆为导通状态，具备自我调节的功能，可达到整体温度差很小的散热效果；而依此种PHPL设计之散热模块更可以很快速达成PHPL的整体温度均匀分布的效果。

本发明PHPL可比照均热板来使用，由于具有多边形封闭回路结构，可引导剩余热源以自我调节方式输送至其它边的位置帮助均衡散热，其效果优于均热板。

本发明所属技术领域中具有通常知识者，在阅读此说明书之后，将可理解本发明其它目的及优点。

附图说明

本发明所公开的将参考附图的描述，显示本发明的重要实施例，并且并入本说明书中作为参考，其中：

图1为本发明PHPL的分解图；

图2为本发明PHPL的组合图；

图3为本发明PHPL图2的C-C’剖面结构图；

图4为本发明PHPL上盖金属板的第2表面结构示意图；

图5为本发明PHPL图4的B-B’剖面结构图；

图6为本发明PHPL下盖金属板的内表面结构示意图；

图7为本发明PHPL图6的A-A’剖面结构图；

图8为本发明PHPL的蒸气流向及冷凝液体回流示意图；

图9为本发明PHPL散热模块示意图；

图10为本发明PHPL散热模块第一实施分例解图；

图11为本发明PHPL散热模块第二实施分例解图；

图12为本发明PHPL散热模块第三实施例分解图。

1 底板 2 PHPL

21 下盖金属板 211 下盖焊接边框

212 凹槽 22 上盖金属板

221 上盖焊接边框 222 凸柱

223 支撑柱 224 蒸气通道

23 毛细结构 24 注液管

3 鳍片 4 风扇

5 芯片接触位置 6 螺丝钉

7 HPL散热模块 8 电路板

81 电路板 9 芯片

10 边框 w,x,y,z 边宽

具体实施方式

以下将参照图标及组件符号将根据本发明之实施例做详细说明。俾使本发明一般从业人员在详细读本发明说明书之后能够据以实施。

根据本发明的实施例，图1显示本发明PHPL的立体分解图。如图1所示，一PHPL包括上盖金属板22、毛细结构23、下盖金属板21以及注液管24。这些在经过扩散键合之后形成于图2PHPL 2之封闭腔体，注液管24的功能是在形成封闭腔体后工作流体(未显示)进入此封闭腔体之管道，待填入足够量的工作流体之后就可将此注液管24用点焊的方式完全封闭。

图2为本发明PHPL的示意图，整个PHPL的纵长约为30cm，横长约为25cm，而PHPL的厚度约为3mm，w,x,y,z分别为PHPL的4个边的宽度值，分别为w＝39mm,x＝22mm,y＝66mm,以及z＝24mm，本发明的PHPL是4个边的宽度都不相等值，但是在实际设计可视实际芯片群组所占据的面积分布形状或者热流密度大小的功耗需求的状况而定，而多边形状也不一定只限定于4个边，可以是3个边或5个边及以上，这完全视实际需求设计而定。而边宽的大小也需要靠实际贴附于电路板芯片群组所要传递的热负荷(heat load)而定，较小的热负荷的边宽度则比较不需要设计得很宽，而热负荷较大的边则需要较宽的边宽度，而此处所述的热负荷代表电路板上的芯片群组，在单位时间内，所产生的热量。

图3为图2的C-C’线的剖面结构图，从图3的剖面可以得知上盖金属板可以是沟槽面或者其他形状，本发明的设计主要是让这个沟槽成为蒸气通道223，而下盖金属板被设计成为一个大凹槽，其上面铺设有金属网、金属编织网、铜粉烧结吸液芯或者其他，但以铜粉烧结的效果最好。本发明的实施例是以50-200目的铜粉烧结在下盖金属板的凹槽212处。当工作流体在毛细结构23处遇热时就蒸发成蒸气，因为经过扩散作用而走蒸气信道223的路径。但是当蒸气走到冷凝段时遇冷就冷凝成液滴，而被毛细结构23吸走，由于本发明PHPL为一个回路结构，因此藉由毛细力而回归到蒸发段成为补充液体，如此形成周而复始的循环变化而让本发明的PHPL成为良好的设计。

图4为本发明PHPL的上盖22金属板内表面的示意图(外表面是平整的)，上盖的壳体厚度约为1.5mm，其内表面有许多小凸柱222呈数组方式排列，小凸柱222旁边是凹陷进去的，这是经过光学或化学蚀刻或者CNC工具机切割刻划的结果，其作用主要是成为PHPL的蒸气通道223，另外周边则是上盖板焊接边框221。图5为图4的B-B’线的剖面结构图，其功能如上所述。

图6为本发明PHPL的下盖21金属板内表面的示意图(外表面是平整的)，下盖的壳体厚度约为1.5mm，其内表面中间为下盖凹槽212呈现凹槽状，凹槽的高度约为1.0mm，在本发明的实施范例是要填入50-200目的铜金属粉末做为烧结的毛细结构，或者铺设200-400目的金属网，而在周边处则呈现凸起状，是下盖焊接边框211，其作用是准备与上盖金属板的上盖焊接边框221封焊。另外在左下角位置的一缺角处留有一钻孔是准备接纳注液管24，作为上下金属板封焊之后的封闭腔体注入液体的所在。图7为图6的A-A’线的剖面结构图，其功能如上所述。

本发明所述PHPL散热结构具有包含一回路式散热部与一对设所述的回路式散热部的冷凝部，其中所述的回路式散热部具有一回路式封闭结构，而所述的回路式冷凝部是贴附复数个散热鳍片所构成的，对设于所述的回路式散热部；其中所述的回路式散热部进一步具有一冷凝面与一对设于所述的冷凝面的蒸发面，而所述的冷凝面用以接附所述的冷凝部，而所述的蒸发面用以接触至少一热源，通过所述的冷凝面平行对应所述的蒸发面，以将所述的蒸发面的部分热源以垂直于所述的回路式散热部的轴向输送至所述的冷凝面上的冷凝部的散热鳍片，同时通过所述的回路式封闭结构引导剩余热源以自我调节方式平行于所述的回路式散热部的轴向输送至所述的回路式散热部的其它位置，因此能迅速达到均温效果。

图10为本发明PHPL散热模块的第一实施例的分解图，本实施例并不采用底板，而是将PHPL 2直接与电路板上发热的芯片9的群组直接接触，并且在PHPL 2的周边设计成便于将PHPL 2固定(通常是以螺丝钉锁住)在电路板81的设计，而散热鳍片3是设计并且固定在PHPL 2上面，并且要使得距离芯片9的群组是最近的，如此使得芯片9的群组所产生的热量以最短的路径传送到散热鳍片3，最终由周边环境的热对流将热带走。若再加上使用风扇4可以增加到最高达30％左右的散热能力。

图9为本发明PHPL散热模块的结构图，而图11为本发明PHPL散热模块的第二实施例的分解图。将这两个图示一起说明可以让本领域从业人员能够更清楚的了解本发明。如图11所示，底板1(通常是以铝底板或铜底板等金属形成的底板为主)的形状配合所述的PHPL并且比PHPL的宽度稍微宽，其边缘处有凸起的边框10，所述边框10上面有复数个钻孔，所述边框10刚好把所述的PHPL 2框起来并且固定住，边框10上面有复数个钻孔，而散热鳍片部3及底板1正好把PHPL 2夹住固定，再藉由螺丝钉可以被锁住或者以其他固定方式固定在电路板81上，由所述的PHPL散热模块贴附到耗能较高的芯片群组上面，而宽度较宽的边提供消散占据面积较大或者热流密度较高芯片群组的热负荷，宽度较窄的边提供消散较小的热负荷。在实际操作上，由芯片9的群组所产生的热透过底板1传递给PHPL 2，而PHPL 2再将热传递给散热鳍片部3，最后由周边环境的对流空气将热带走。但由于如此虽然有不错的散热能力，但是还有不足之处，就必须考虑使用到风扇4。

图12为本发明PHPL散热模块的第三实施例的分解图，结合图9之后将这两个图式一起说明可以让本领域从业人员能够更清楚的了解本发明的此一实施例。如图12所示，底板1其周边设有边框10，边框10设计成刚好框住电路板8以及本发明的PHPL 2，使不至于晃动，电路板8被底板1及PHPL 2夹在中间，边框10上面有复数个钻孔，而散热鳍片部3及底板1正好把的PHPL 2以及电路板8固定住，电路板上有复数个芯片9的群组焊在上面。再藉由螺丝钉可以被锁在或者以其他方式固定在电路板81上，由所述的PHPL散热模块贴附到耗能较高的电子零组件上面，宽度较宽的边提供消散占据面积较大或者热流密度较高芯片群组的热负荷，宽度较窄的边提供消散较小的热负荷。与图11比较，本实施例的底板1的边框10高度至少要增加电路板8再加上芯片9的厚度。在实际操作上，由芯片9的群组所产生的热透过底板1传递给PHPL 2，而PHPL 2再将热传递给散热鳍片部3，最终由周边环境的对流空气将热带走。但由于如此虽然有不错的散热能力，但是如果还有不足之处，就必须考虑使用到风扇4，而风扇约可增加最高达30％左右的散热能力。

图8为本发明PHPL的蒸气走向及冷凝工作液体的回流走向显示图。依正常常识判断从图8的左边作为起点，因为这边的边宽比起图上的上下横边的边宽要来的宽，所以依据本发明的实施例，这部分需要承受一些热负荷，在实际的操作范例由外界将热传到毛细结构23，因此在此处的工作液体遇热开始蒸发，热蒸气便往上扩散到上面的横边并沿着这边的蒸气通道到达右边处，由于这右边处的边宽是最宽的，所承受的热负荷也是最大的，因此此处必须与散热鳍片部接触便开始不断的散热及加热的复杂演变，由于到右下角处此种演变也进入尾声，所以是散热的比重较高，因此就会有比较多的冷凝液体逐渐集结，因此工作液体经由下方的管道回流到左边的起始点。如此周而复始不断循环，也带动本发明的优越性。而由于本发明PHPL 2的回路式的封闭结构，在热源处的水气蒸发是可以往左或右两边扩散，因此除了上述的传热方式之外还会引导剩余的热源的蒸气往另一方向扩散，这就是以自我调节的方式平衡此回路式散热部的轴向输送至此回路式散热部的其他位置。这也与一般所谓的回路式热管(loop heat pipe)不同之处。

依据本发明的做法在经过一连串的实验及模拟得知，在不使用到风扇的情况下大约可散热在200瓦以上，如果再加上本发明关于风扇的设计更可增加散热到250瓦以上。

以上所述仅系本发明的实施例及其应用范例，当不可用以限定本发明可实施的范围，而任何熟知此技艺一般技术者根据本文内容所能完成的各种改良及变化，均应视为不脱离本发明实质内容而涵盖于下文所申请专利范围内者。凡是利用本文内容及所附图式而达成的等效结构，不论是直接或间接应用于此技艺或其他相关技术领域，均应视为属于本发明的申请专利范围内。

Claims (10)

1.一种平板热管回路，其特征在于：包含：

一上盖金属板，中间部位呈中间部位挖空之多边形环状结构，并且具有至少一个以上不同宽度的多边形环状板体，所述的上盖金属板具有外表面及内表面，外表面呈平整状态，内表面上设有至少两条以上沿着边长轴向方向切割或蚀刻的环状凹槽；

一下盖金属板，中间部位呈中间部位挖空之多边形环状板体结构，对应于上盖金属板，具有内表面及外表面，外表面呈平整状态，内表面则呈环状凹槽状；

工作流体；以及

毛细结构，形成于下盖金属板之内表面凹槽部位；

其中，所述的上盖金属板的内表面的边框与所述的下盖金属板的内表面的边框以扩散键合方式接合固定，形成一多边形封闭的回路壳体，所述的工作流体在所述的封闭壳体内部，此一多边形封闭的回路结构具有自我调节散热机制。

2.根据权利要求1所述的平板热管回路，其特征在于：所述的上盖金属板除了沿着边长方向的沟槽外，更增加复数条垂直于边长方向切割或蚀刻所形成矩阵式排列的凸柱。

3.根据权利要求1所述的平板热管回路，其特征在于：所述的下盖金属板的凹槽其上面含有一薄层的铜粉烧结部或金属网做为所述的平板热管回路的毛细结构。

4.根据权利要求1所述的平板热管回路，其特征在于：所述的板体宽度系依照散热需求而设计的，宽度较宽的边提供消散较大的热负荷，宽度较窄的边则提供消散较小的热负荷。

5.一种平板热管回路散热模块，其特征在于：包含：

一电路板，具有至少一个以上的芯片群组；

一种平板热管回路，具有至少一个以上不等宽度的多边形环状封闭回路结构，所述的多边形环状回路结构具有散热的自我调节散热机制；

至少一个散热鳍片部，其上有复数个散热鳍片，贴附并固定于所述的平板热管回路表面上；

其中所述的平板热管回路贴附在电路板的至少一个芯片群组上，并且所述的平板热管回路散热模块系固定于所述的电路板上。

6.根据权利要求5所述的平板热管回路散热模块，其特征在于：其中边宽较宽的边贴附于所述电路板上占据面积较大或者热流密度较大的芯片群组以消散大量的热负荷。

7.一种平板热管回路散热模块，其特征在于：包含：

一电路板，具有至少一个以上的芯片群组；

一平板热管回路，具有至少一个以上不等宽度的多边形环状封闭回路结构，所述的多边形环状回路结构具有散热的自我调节散热机制；

一底板，其形状配合所述的平板热管回路，并且比平板热管回路的宽度稍微宽，其边缘处有凸起的边框，所述边框把所述的平板热管回路框固定住；以及

至少一个散热鳍片部，其上有复数个鳍片；

其中所述散热鳍片部与底板夹住所述平板热管回路,并使用螺丝锁住散热鳍片部与底板，并且固定住所述的平板热管回路，其中底板接触到所述电路板上的芯片群组并且固定于所述的电路板。

8.根据权利要求7所述的平板热管回路散热模块，其特征在于：所述底板宽度较大的边接触面积较大或者热流密度较大的芯片群组。

9.根据权利要求7所述的平板热管回路散热模块，其特征在于：在所述的底板与所述的平板热管回路之间还可以增加一电路板，电路板上面包含复数个芯片所组合成的芯片群组，使得一第二电路板电路板及其上面的芯片群组夹在底板与所述的平板热管回路之间，并且所述第二电路板的复数个芯片直接贴附在所述的平板热管回路。

10.根据权利要求5或7所述的平板热管回路散热模块，其特征在于：更增加风扇以增加散热效果。