CN101075592A - 热管式电子器件散热器 - 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的热管式散热器。吸热块内有蒸发水道，蒸发水道之间有通孔，在冷凝段放热凝结成液态的工质，靠重力顺冷凝管回流到蒸发水道内，蒸发水道内设置有毛细管结构。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，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。采用多个风扇，提高风量，进而提高散热量。

Description

热管式电子器件散热器

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电路器件的散热器。

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。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段，实现工质在热管内循环流动，将热量从蒸发段输送到冷凝段，再经冷凝段上的扩展换热肋片(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爆炸的危险。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，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。引入强化传热结构，优化结构设计，使散热器尺寸更紧凑。

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。空气换热器中有多根冷凝管，冷凝管上设置有肋片；吸热块有与发热器件散热面紧贴的面，称之为吸热面，其背面即为吸热块的背面，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，另一头与蒸发水道连通，冷凝管与吸热块之间的夹角在95°～175°之间。

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小于175°，冷凝管与水平线的夹角是5°以上；当器件的散热面垂直放置，即吸热块垂直放置，由于冷凝管与吸热块之间的夹角大于95°，则安装散热器时可实现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。本发明由于靠重力回流，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，本发明的散热器，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。

本发明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，肋片上的带翻边的孔比冷凝管大一点，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，如整体锡钎焊工艺。

综上所述，本发明和现产品相比，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发明进一步说明。

附图说明

图1、2是本发明的特征剖面示意图。

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、风扇，8、毛细管结构。

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，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，冷凝管(4)从吸热块(1)的背面，靠近中部，蒸发水道(2)的径向方向插入，与其接通。为保证汽态工质顺利流进冷凝管(4)，蒸发水道(2)内的工质液面高度不能淹没冷凝管(4)与蒸发水道(2)接通的管口，因而有近半的蒸发水道(2)不能被液态工质直接浸湿。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(8)，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；在冷凝管(4)与蒸发水道(2)接口下端附近再设置一个通孔，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135°～110°。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1和图2相比较，图2所示的散热器，整个结构更紧凑。尽可能减小散热器吸热面方向上的尺寸面积，这在计算机CPU散热器安装中非常重要，因为计算机主板尺寸有限，CPU散热器安装占有相当大的面积，减小其所占面积，对整体性能有益。图2中的散热器设置有两个风扇(7)，分别设置在空气换热器(5)的两侧，这样可提高风量，进而提高散热量。

图3示出了套片式结构，肋片(6)通过肋片根部的翻边与冷凝管(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。

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，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，有效地降低机箱内部空气温度，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。

Claims (9)

1、一种用于冷却半导体集成电路器件的散热器，包括有：吸热块(1)、空气换热器(5)和风扇(7)，空气换热器(5)中有冷凝管(4)，冷凝管(4)上设置有肋片(6)，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，另一头与蒸发水道(2)连通；冷凝管(4)与吸热块(1)之间的夹角在95°～175°之间。

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：风扇为离心式，风扇出风口设置有与机箱外相通的排风管。

5、根据权利要求2所述的散热器，其特征在于：冷凝管(4)从吸热块(1)的背面，蒸发水道(2)径向方向与蒸发水道(2)相连通；空气换热器(5)两侧都设置有风扇(7)。

6、根据权利要求1至5中任一权利要求所述的散热器，其特征在于：空气换热器(5)采用了套片式结构。

7、根据权利要求6所述的散热器，其特征在于：空气换热器(5)中的肋片(6)采用了波形强化传热结构。

8、根据权利要求6所述的散热器，其特征在于：空气换热器(5)中的肋片(6)采用了短肋形强化传热结构。

9、根据权利要求6所述的散热器，其特征在于：空气换热器(5)中的肋片(6)为平板式，片距不大于1.5毫米，不小于0.7毫米。

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