CN101022097A - 环流热管式散热器 - 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虹吸原理、环流结构的热管式散热器。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，对肋片进行优化设计。不仅降低了原材料和制造工艺成本，还有效地提高了散热量，使散热器尺寸更紧凑。采用离心式风扇，直接将热风排出机箱外，有效地提高整体散热效果。

Description

环流热管式散热器

所属技术领域

本发明涉及电子器件的散热技术领域，尤其是用于半导体集成电路器件和半导体功率器件的散热，主要由吸热块、空气换热器和风扇组成，采用热管原理的散热器。

背景技术

随着半导体集成电路晶体管数量的增加，以及半导体功率器件的功率的提高，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。由于台式计算机中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端，实现工质在热管内循环流动，将热量从蒸发端输送到冷凝端，再经冷凝端上的扩展换热肋片(简称肋片)由风扇驱动空气带走散出。如果冷凝的工质不能回流到蒸发端(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爆炸的危险。一片一片地套，问题有：对热管外径精度要求高，接触不可靠，生产效率太低。热管内的毛细管结构不能破坏，热管的最小弯曲半径受限制，因而散热器的尺寸不易实现紧凑设计。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)高温(上千度)烧结，有烧结成品率的问题，因而热管本身成本价格非常高。

发明内容

本发明提供一种散热器，采用热虹吸原理、环流式结构，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，提高散热效率。

本发明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，空气换热器中有数多平行的换热管，换热管上设置有扩展换热肋片，这和现CPU热管式散热器类似，本发明的特征在于：吸热块中有和空气换热器中的换热管相对应的蒸发水道，蒸发水道之间有相互贯通的通孔；换热管的两端分别与吸热块中相对应的蒸发水道的两端相联通，形成环形结构。

其工作过程是：当发热器件水平放置，其散热面朝上时，散热器的吸热块紧贴在器件的散热面上，空气换热器在吸热块的上端，液态工质在吸热块中的蒸发水道受热蒸发成汽态，通过两端与换热管连通的连接管道进入换热管，风扇驱动空气流经换热管上的肋片，将热量带走散出；汽态的工质在换热管被冷凝成液态，从两端由于重力作用回流到吸热块中的蒸发水道。当空气换热器被放置成换热管两端一端高出另一端(蒸发水道自然也是一端高出另一端)时，如发热器件的散热面垂直放置(通常台式计算机的CPU的散热面就是垂直放置的)，被冷凝成液态的工质由于重力作用向低端流动，再由于罐装的工质足够多，换热管与蒸发水道之间的下端连接管道(被称为回流管)充满了被冷凝成液态的工质，倒流进入吸热块中，汽态比重小，被加热蒸发成汽态的工质自然在高处，蒸发水道高的一端与换热管的连接管道(被称为蒸汽管)则将蒸发水道中被加热蒸发成汽态的工质输送到换热管中，工质的流动成环形流动，在换热管中，汽态和液态工质流动的方向一致，液态工质和汽态工质分别在回流管和蒸汽管中分开流动，液态工质靠重力回流，因而和现CPU热管散热器中的热管相比，工质循环流动阻力低，循环流量大，因而热管输送的热量也就大。

吸热块中的蒸发水道之间相互贯通有非常重要的作用：一、平衡各蒸发水道与换热管所组成的单元热管之间的工质循环量，即散热量，比如，如果某组单元热管中液态工质太多，以至换热管中充有许多液态工质，那么换热管的换热量下降，冷凝成液态工质的量就减小，蒸发水道中液态工质液面越高，即蒸发水道被液态工质浸没的面积越多，换热效率越高，则蒸发量也越高，多出换热管中冷凝的那部分汽态工质则通过通孔流到液态工质少的单元热管中，这样该组的液态工质减少。又比如，某单元热管中的液态工质很少，少到以致蒸发水道中没有液态工质，即没有液态工质受热蒸发，但换热管中冷凝过程没有中断，所需的蒸汽通过通孔由另外的蒸发水道供应，这样该单元热管中的液态工质不断增多；二、只需一个孔和细管就可以对所有的单元热管进行灌装工质和抽真空，这样工艺简单，密封可靠。

本发明的散热器制造工艺主要流程是：一、在换热管上设置肋片，二、焊接蒸发水道与换热管连通的连接管道(蒸汽管和回流管)，三、灌加工质，抽真空。采用套片式肋片，肋片上的带翻边的孔比换热管大一点，则可以一次将所有的肋片套入换热管中，再采用胀管工艺，将换热管直径胀大，就可以保证肋片与换热管紧密接触，解决了接触热阻的问题；采用焊接工艺，由于没有密封，不存在高温膨胀爆炸的危险(不受温度限制)，因而可以采用各种方便的焊接方法。

由于蒸汽管和回流管以及换热管内不需毛细管结构，因而：一、管道成本低；二、管道弯曲半径可以非常小，可以使散热器更紧凑。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1、3、4是本发明的特征剖面示意图。

图2是套片式结构空气换热器特征剖面示意图。

图5是叉列短肋形强化传热结构肋片的特征剖面示意图。

图6是图5中A-A剖视图。

图7是百叶窗短肋形强化传热结构肋片的特征剖面示意图。

图8是图6中B-B剖视图。

图9是波形强化传热结构扩展换热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、蒸汽管，5、换热管，6、风扇，7、肋片，8、空气换热器，9、回流管，10、毛细管结构，11、辅扇叶，12、箭头表示空气流动的方向。

具体实施方式

计算机中的CPU通常都是垂直放置，图1、3、4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。吸热块(1)都设在靠散热器的低端，这样设置既有利于吸热块(1)中的蒸发水道(2)被液态工质浸湿的面积更多，有利于蒸发传热，又有利于减小液态工质浸没换热管(5)内面积，有利于冷凝传热。图3所示的散热器，空气换热器(8)高于吸热块(1)，因而在蒸发水道(2)全被液态工质浸没的情况下，换热管(5)内不存留液态工质，这种设计，有利于蒸发传热和冷凝传热，但不紧凑。

图4所示的散热器中的蒸发水道(2)增设了毛细管结构(10)，如沟槽结构、烧结成的多孔结构、丝网结构，就可依靠虹吸力，增加蒸发水道(2)被液态工质浸湿面积。蒸发水道(2)之间相互贯通的通孔(3)最好在蒸发水道(2)两端都有，这样所有的蒸发水道内的液态工质的液面高度一致，平衡了通入各散热管内的汽态工质流量。

图1、4所示的散热器中，一根换热管(5)对应着一蒸发水道(2)，并且蒸汽管(4)和回流管(9)是换热管(5)两端的延伸，这样的设计，减少了焊接口的数量。图3所示的散热器，两根换热管(5)对应着一蒸发水道(2)，这样的设计减少了回流管(9)、蒸汽管(4)以及蒸发水道(2)的数量，但增加了焊接口的数量和难度。

图2示出了套片式结构，肋片(7)通过肋片根部的翻边与换热管(5)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。只有肋片和换热管都为铜材时，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。

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尺寸体积，即主要是扩展换热肋片所占的空间，采用强化空气对流传热结构的肋片。图5、6、7、8示出了短肋形强化传热结构，图5、6为叉列短肋形，图7、8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9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，内空间小，为了降低机箱内空气温度，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，本发明提出这样的一款设计：风扇采用离心式，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，有效地降低机箱内空气温度，提高了总散热效果。采用离心式风扇的原因是风压高，出风口尺寸小，降低了排风管口径，使之紧凑，便于安装。

对于计算机，除了CPU散热外，主板上还有其它器件也需散热冷却，采用这种带排气管的离心式风扇的散热器，如果将风扇电机轴延长伸出，在壳外增设一扇叶，如图4所示，即风扇有两个扇叶，内扇叶为主扇叶，驱动空气流经空气换热器，直接将热量带出机箱；外扇叶为辅扇叶(12)，驱动机箱内CPU附近空气流动，有利于附近其它器件散热。

Claims (7)

1、一种用于冷却半导体集成电路器件和半导体功率器件的散热器，包括有：吸热块(1)、空气换热器(8)和风扇(6)，空气换热器(8)中有换热管(5)，换热管(5)上设置有肋片(7)，其特征在于：吸热块(1)中有和换热管相对应的蒸发水道(2)，蒸发水道(2)之间有相互贯通的通孔(3)；空气换热器(8)中的换热管(5)两端分别与吸热块(1)中的相对应的蒸发水道(2)的两端相连通，形成环形结构。

2、根据权利要求1所述的散热器，其特征在于：风扇(6)为离心式，风扇(6)的出风口设置有与机箱外相通的排风管。

3、根据权利要求1所述的散热器，其特征在于：吸热块(1)上设置有抽真空管。

4、根据权利要求1或2所述的散热器，其特征在于：空气换热器(8)采用了套片结构。

5、根据权利要求4所述的散热器，其特征在于：肋片(7)采用了短肋形或波形结构。

6、根据权利要求4所述的散热器，其特征在于：肋片(7)为平板肋片结构，片距不小于0.7毫米，不大于1.5毫米。

7、根据权利要求5所述的散热器，其特征在于：片距不小于0.7毫米，不大于2.0毫米。

Images