CN201054349Y - 一种热管式电子芯片散热器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于传热、电子器件散热技术领域。本实用新型是一种采用热虹吸原理的热管式散热器。吸热块(1)内有蒸发水道(2),蒸发水道(2)之间有通孔(3),冷凝段(4)放热凝结成液态的工质靠重力回流到蒸发水道(2)内。可采用高效低廉的胀管工艺,解决接触热阻问题,引入强化空气对流传热结构,降低了原材料和制造工艺成本,使散热器尺寸更紧凑。采用高风压的多级轴流式风扇或离心式风扇,提高风量,进而有效地提高散热量。
Description
所属技术领域
本实用新型涉及电子器件的散热技术,尤其是采用热管原理、主要由吸热块、空气换热器和风扇组成的、用于冷却半导体集成芯片的散热器。
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。当前计算机芯片CPU发热和散热问题已经成了计算机发展过程中的障碍,单纯的翅片加风扇结构的散热器已经满足不了要求,目前普遍采用热管式散热器。
目前用于CPU散热器中的热管的基本结构是:两端封死,内有毛细管结构的铜制管。台式计算机中CPU全是垂直放置,热管式散热器中的热管放置,一是水平,二是U形,热管中的工质完全靠管内的毛细管结构,如多孔结构、丝网结构、沟槽结构,产生的虹吸原理,使凝成液态的工质回流到蒸发段,实现工质在热管内循环流动。如果冷凝的工质不能回流到蒸发段(倒U型放置的热管就有这样的问题),或回流量减小,则散热器完全不能工作,或散热量减小。由于虹吸力量非常有限,因而这种热管传输的热量不高,和依靠重力回流式(热虹吸原理)相比,热量传输相差非常大。
现一般都采用铜管内烧结成的多孔结构实现虹吸,由于工艺要求,热管必须完成抽真空、灌入工质、封焊成品后才能进行后续工序,因而设置扩展换热肋片的套片工艺,不能采用现有的高效胀管工艺来保证肋片与热管有效接触,即解决接触热阻问题。采用锡焊,生产效率不高,焊接时的高温可能导致热管***的危险。一片一片地紧配合套入,问题有:对热管外径精度要求高,接触不可靠,生产效率太低。为保证热管内的毛细管结构不被破坏,热管的最小弯曲半径受限制,一般要3倍的热管直径,因而散热器的尺寸不易实现紧凑化设计(尺寸小、重量轻在CPU散热器中非常重要)。另外,现热管本身的生产工艺非常复杂,要求非常高,无氧铜管多次在还原性气体(氢气)中高温(上千度)烧结,有烧结成品率的问题,因而热管本身***格非常高。
发明内容
本实用新型提供一种散热器,采用热虹吸原理,提高了热管输送热量的能力,可采用高效、低价的胀管工艺套片,或安全简易的焊接工艺,大大提高生产效率,并显著地降低成本造价。引入强化传热结构,使散热器尺寸更紧凑。采用高风压的风扇,有效提高散热量。
本实用新型所采用的技术方案是:散热器主要部件有:吸热块、空气换热器和风扇。空气换热器中有多根冷凝管,冷凝管上设置有肋片,肋片为套片式,这和现CPU热管式散热器类似。本实用新型的特征在于:吸热块中有蒸发水道,蒸发水道之间有相互贯通的通孔;冷凝管的一头封堵,另一头在吸热块的一端,或靠近一端,与蒸发水道连通;冷凝管与吸热块之间成95°~140°角;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
其工作过程是:散热器的吸热块紧贴在发热器件的散热面上,当器件的散热面为水平放置时,吸热块水平放置,空气换热器在上方,由于冷凝管与吸热块之间的夹角不大于140°,冷凝管向着蒸发水道方向下倾40°以上;当器件的散热面垂直放置,即吸热块垂直放置,安装散热器时要求冷凝管在上方,由于冷凝管与吸热块之间的夹角不小于95°,则冷凝管向着与蒸发水道连通的那头下倾5°以上,因而在蒸发水道吸热蒸发成汽态的工质进入冷凝管,放热凝结成液态工质,液态工质在重力作用下,顺着冷凝管壁向下流动,回到蒸发水道,实现工质循环。
重力回流比虹吸作用回流量大、距离远,则热管内热量传输量高、距离远,有利于减小冷凝段和蒸发段之间的温差,提高散热量。在冷凝管内壁面设置有毛细管结构,使得冷凝管内壁形成厚厚的液膜,蒸汽凝结放出的热量必须通过液膜,因而不利于凝结传热。当为了减小空气换热器的尺寸,冷凝管外高度肋化时,冷凝管内的凝结传热的热阻将高于外部空气对流热阻,这不利于缩小空气换热器尺寸。本实用新型由于靠重力回流,冷凝管内壁不需设置毛细管结构,有效的减少液膜传热过程,并且还可以采用强化凝结传热结构,如采用螺旋内肋管,提高凝结传热,有效的提高散热量,减小散热器尺寸,冷凝管的成本也降低。
吸热块中的蒸发水道之间相互贯通有非常重要的作用:一、平衡各蒸发水道的吸热蒸发量,和各冷凝管的放热凝结量。如果蒸发水道液态工质不足,但吸热蒸发量大,液态工质则通过通孔,从液态工质多的蒸发水道补充到少的地方,如果在蒸发水道内表面设置毛细管结构,则更能充分发挥所有蒸发水道的吸热蒸发能力;通过通孔,汽态工质根据各冷凝管放热凝结速度,平衡进入各冷凝管,如放热凝结速度高的冷凝管,则管内气压低,进入该冷凝管的汽态工质就多,反之亦反。
二、只需一个充液管,一次充液、抽真空,一个封焊头,这样工艺简单,密封可靠,而现热管式散热器,每根都需充液、抽真空、封焊。另外,本实用新型的散热器,如果封焊头漏气失效,还可以修补,成品率高,而现产品则不能这样,一旦有一根热管漏气失效,则除风扇外,整个散热器不可修补,成为废品。
本实用新型的散热器制造工艺主要流程是:一、在冷凝管上设置肋片,二、焊接蒸发水道与冷凝管,三、灌加工质,抽真空,封焊充液管,四、安装风扇。由于冷凝管上设置肋片工序在前,就可以采用套片式肋片胀管工艺,肋片上的套管孔比冷凝管大一点,则可以一次将所有的肋片套入冷凝管中,再胀管,将冷凝管直径胀大,就可以保证肋片与冷凝管紧密接触,解决了接触热阻的问题,该工艺简单且效率高;采用焊接工艺,由于不存在高温膨胀***的危险(不受温度限制),因而可以采用各种方便的焊接方法,如高温回流焊。
空气散热器紧凑化设计,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,流经空气换热器的空气温度迅速上升,空气换热器的换热温差下降,则散热量下降,单级轴流式风扇已经满足不了要求。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,本实用新型和现产品相比,原材料成本降低,制造工艺简单,效率高,降低制造成本,结构紧凑,尺寸小巧,散热量得到有效提高。
下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
附图说明
图1、2是本实用新型的特征剖面示意图。
图3是套片式结构空气换热器特征剖面示意图。
图4是叉列短肋形强化传热结构肋片的特征示意图。
图5是图4中A-A剖视图。
图6是百叶窗短肋形强化传热结构肋片的特征示意图。
图7是图6中B-B剖视图。
图8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、蒸发水道,3、通孔,4、冷凝管,5、空气换热器,6、肋片,7、导向叶,8、动叶,9、风扇,10、侧风口,11、毛细管结构,12、定位扩边,13、套管孔翻边。
具体实施方式
计算机中的CPU通常都是垂直放置,图1、2所示的散热器的放置都是配合发热器件散热面为垂直放置的。图1所示的散热器,风扇(9)为两级动叶(8)之间设置有导向叶(7)的多级(两级)轴流式风扇;第一级风扇靠吸热块(1)处开有侧风口(10),其作用是:冷却CPU芯片周围的器件,如果在吸热块(1)的背面设置散热肋片,侧风口(10)出来的风直接吹在背面的肋片上;冷凝管(4)的接头被弯曲,在吸热块(1)的一端(上端),从蒸发水道(2)的轴上方向与其接通。蒸发水道(2)中工质液面可以非常高,蒸发水道(2)被液态工质浸没的面积也就高,因而可以不设置毛细管结构。冷凝管(4)与吸热块(1)的连接,可采用钎焊方法焊接,必须牢固,不允许慢性漏气。
图2所示的散热器,风扇(9)为离心式风扇,冷凝管(4)从吸热块(1)的背面,直接***蒸发水道(2),与其接通。为了充分发挥整个蒸发水道内表面的吸热蒸发传热作用,蒸发水道(2)增设了毛细管结构(11),如沟槽结构、烧结成的多孔结构、丝网结构,就可依靠虹吸力,尽可能使整个蒸发水道(2)内表面被液态工质湿润;蒸发表面设置有毛细管结构,还能强化蒸发传热,这都有利于蒸发传热,降低蒸发段的热阻。
图1、2所示的散热器中,一根冷凝管对应一蒸发水道,为了增大蒸发面积,降低蒸发热阻,可通过增加吸热块(1)中蒸发水道(2)的数量来实现,蒸发水道(2)的数量将多于冷凝管(4)的数量。
蒸发水道(2)之间相互贯通的通孔(3),最好在蒸发水道(2)上端设置一个,平衡通入各冷凝管内的汽态工质流量;在蒸发水道(2)中部再设置一个通孔,保证在各种情况下,所有的蒸发水道内至少保持有一定量的液态工质,如图2所示。
图1、2所示的散热器,冷凝管与吸热块之间的夹角大致为120°,针对现应用最广泛的台式计算机,冷凝管与吸热块之间的夹角的合理选取值应该是110°~130°。夹角太大,冷凝管太斜,散热器不紧凑,对安装不利;夹角太小,当计算机主机倾斜时,可能会出现冷凝管中的液态工质靠重力不能回流到蒸发水道内。
图3示出了套片式结构,肋片(6)通过肋片的套管孔翻边(13)与冷凝管(4)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。
图3示出了在套管孔翻边(13)上有定位扩边(12),其作用有:肋片之间的片距定位,对采用胀管工艺,定位扩边(12)非常重要,它保证胀管前套管孔翻边(13)不会***相邻肋片的套管孔里,否则不能保证相邻肋片的套管孔翻边(13)与冷凝管壁之间的有效接触,将导致接触热阻问题。
空气换热器占整个散热器的主要体积,为了减小空气换热器的体积尺寸,即主要是肋片所占的空间,可采用强化空气对流传热结构的肋片。图4、5、6、7示出了短肋形强化传热结构,图4、5为叉列短肋形,图6、7为百叶窗短肋形,它们的基本特征是: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。
如图8所示的波形结构,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。
现有散热器仅仅考虑将发热器件(如CPU)产生的热量传到其附近周围的空气中,如果没有足量的空气对流,周围的空气将上升,像计算机这样的电子设备,机箱尺寸紧凑小巧,内部空间小,为了降低机箱内部空气温度,有效降低CPU以及其它器件的工作温度,在机箱上增设风扇,增加机箱内外的空气对流。这样的设计不仅增加了成本、体积,还增加了噪音、以及设备的不可靠性。
为了克服以上问题,可以采用以下方案:风扇采用离心式(多级轴流式也可以),在风扇的出风口设置有与机箱外相通的排风管,这样可以将发热器件产生的热量直接排放到机箱外,有效地降低机箱内部空气温度,提高了总散热效果。
Claims (7)
1.一种用于冷却半导体集成芯片的散热器,包括有:吸热块(1)、空气换热器(5)和风扇(9),空气换热器(5)中有冷凝管(4),冷凝管(4)上设置有肋片(6),肋片(6)为套片式,其特征在于:吸热块(1)中有蒸发水道(2),蒸发水道(2)之间有相互贯通的通孔(3);冷凝管(4)的一头封堵,另一头在吸热块(1)的一端,或靠近一端,与蒸发水道(2)连通;冷凝管(4)与吸热块(1)之间的夹角为95°~140°;风扇采用了离心式风扇,或相邻两级的动叶(8)转向相反或之间设置有导向叶(7)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:在蒸发水道(2)内设置有毛细管结构。
3.根据权利要求1所述的散热器,其特征在于:蒸发水道(2)的数量多于冷凝管(4)的数量。
4.根据权利要求1所述的散热器,其特征在于:肋片(6)采用了短肋形或波形强化传热结构。
5.根据权利要求1所述的散热器,其特征在于:肋片(6)为平板式,片距不大于1.5毫米,不小于0.7毫米。
6.根据权利要求1所述的散热器,其特征在于:风扇(9)在靠吸热块(1)处开有侧风口(10)。
7.根据权利要求1所述的散热器,其特征在于:肋片(6)上的套管孔翻边(13)上有定位扩边(12)。
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