CN101141871A

CN101141871A - 与平板热管均热器一体化设计的散热装置

Info

Publication number: CN101141871A
Application number: CNA2007101763630A
Authority: CN
Inventors: 刘中良; 张明
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2007-10-26
Filing date: 2007-10-26
Publication date: 2008-03-12

Abstract

与平板热管均热器一体化设计的散热装置属于电子器件冷却领域。本发明旨在解决传统的平板热管均热器与热沉分体化设计中接触热阻较大等缺点，整个装置由风冷翅片式热沉或液冷式热沉与平板热管底板(5)上下焊接而成；能够消除传统分体化设计中的接触热阻，小面积热源放出的热量被均匀分散到整个热沉的底面，能够较大的改善热沉边缘处的换热效果。并且在平板热管内部设计了槽道式毛细结构，有利于强化平板热管内部的相变换热和工质循环。同时，还在液冷式热沉的折线型换热通道内设计了微型肋结构，这种设计不仅能增加传热面积，而且还能对介质的流动起到扰动作用，从而增强流动液体的对流换热。

Description

与平板热管均热器一体化设计的散热装置

技术领域

本发明涉及一种与平板热管均热器一体化设计的散热装置，可被用于冷却电子器件。

背景技术

微电子芯片的应用遍及日常生活、生产乃至国家安全的各个层面，在现代文明中扮演着极其重要的角色。芯片发展的趋势是进一步提高集成度、减小芯片尺寸及增大时钟频率。1971年Intel公司生产的第一个芯片只含2300个晶体管，而如今在一枚Intel奔腾4芯片上，就集成有4200万个晶体管。高集成度对于计算机性能的升级是有利的。然而，与此同时芯片耗能和散热问题也凸现出来。电子技术迅速发展，电子器件的高频、高速以及集成电路的密集和小型化，使得电子器件的发热功率与功率密度也急剧增加。CPU芯片的发热量已由几年前的10W/cm²左右猛增到现在的将近100W/cm²。因此，如果散热不良，产生的过高温度会降低芯片的工作稳定性，增加出错率，同时模块内部与其外部环境间所形成的热应力会直接影响到芯片的电性能、工作频率、机械强度及可靠性。因此，电子器件的冷却技术将是影响微电子技术发展的关键因素。

电子芯片小型化与高发热量的趋势，使电子设备的散热凸现出以下几个显著特点：(1)局部热流密度非常大，热量容易在局部发生聚集，导致局部温度过高。(2)热流密度分布不均匀，高热流密度通常仅仅局限在很小的空间范围内。(3)在电子设备启动过程中，容易出现瞬时功率“飙升”，烧坏电子设备。(4)需要散失的总热流量并不是很大。所以，解决电子设备冷却的关键是如何减小过高的局部热流密度，防止出现热点而导致设备故障。为了增强散热效果，一般都会在电子芯片上加装一个比芯片体积大得多的热沉。这样很容易在芯片表面产生热点。而且使热沉具有较大的扩散热阻，内部截面上的热流密度分布非常不均匀，热沉的散热效果受到了一定的影响。

现在为了防止电子芯片内部由于热量聚积而产生热点的基本手段仍是在芯片表面贴附具有高导热系数的实心纯铜板均热器，将电子芯片内部产生的热量以热传导的方式引出到散热器翅片上，再借翅片与其周围空气的对流作用将热量传入气流中带走。实心纯铜板均热器在一定程度上能起到使热流量分布均匀，消除热点的作用。但是由于铜的导热系数有限，其均热效果并不是非常明显。如果采用钻石之类的超导热材料制造均热器，其昂贵的价格将使其难以普及到实际应用中。因此提出了平板热管式均热器。

平板热管式均热器能最大限度的使热流密度趋于均匀，这是因为其利用了热管高效导热的原理。热管是人们所知的最有效的传热元件之一，它可将大量热量通过很小的截面积进行远距离的传输而无需外加动力。热管的一端为蒸发段，另一端为冷凝段。当热管的一端受热时毛细芯中的液体蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向另一端放出热量凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段。如此循环往复，热量由热管的一端传至另一端。传统的热管呈管状，依据热管内部毛细结构的不同可以分为：丝网热管，槽道热管和烧结热管。平板热管均热器是一种异型热管，它的冷凝段和蒸发段被两个平面(蒸发面和冷凝面)所代替，又叫做扁平热管。在这种热管中，在垂直于热流方向上的尺寸较大，但在平行于热流方向上的尺寸很小。蒸发面与冷凝面之间的距离一般只有几毫米。

现在的平板热管均热器与热沉都是分开设计和制造，如图1所示。平板热管上盖板2和平板热管底板5焊接密封形成平板热管腔体。应用时，要在接触面涂抹导热硅脂后，再将平板热管均热器贴附在热沉的底面。分体化设计虽然便于加工制造，但是均热器和热沉之间的接触热阻较大，极大的影响了整个散热装置的工作性能。并且传统的设计主要将平板热管均热器应用于风冷翅片式热沉，而将之应用于液冷式热沉的设计还几乎没有。液冷式热沉为了增加换热面积，其体积也同样会比电子芯片表面积大得多。在液体对流换热面上也会出现温度不均匀现象，从而影响液冷式热沉的换热效率。因此，平板热管均热器与风冷翅片式热沉以及液冷式热沉的一体化设计将会有效的减少接触热阻，使换热表面温度趋于均匀，从而提高电子散热装置的换热效率。

发明内容

本发明旨在解决传统的平板热管均热器与热沉分体化设计中接触热阻较大等缺点，对平板热管均热器和热沉进行了一体化设计。并且在平板热管内部设计了槽道式毛细结构，有利于强化平板热管内部的相变换热和工质循环。同时，还在液冷式热沉的换热通道内采用了微型肋结构，能较大的提高液冷式热沉的对流换热效率。

本发明所采用的技术方案参见图2。整个散热装置由由风冷翅片式热沉或液冷式热沉与平板热管底板5上下焊接而成。

热沉4的底面和平板热管底板5的上表面都具有微槽道式毛细结构。热沉4的底面作为平板热管的冷凝面与平板热管底板5共同形成蒸汽腔。平板热管工作过程中，工质在平板热管底板5的毛细结构蒸发面上沸腾，气态工质扩散运动到整个冷凝面(热沉的底面)上凝结并放出热量。由小面积热源放出的热量被均匀分散到整个热沉的底面，能够较大的改善热沉边缘处的换热效果。一体化设计直接将热沉4的底面当作平板热管的冷凝面，能够消除传统分体化设计中平板热管均热器和热沉底面之间的接触热阻。

平板热管内部的微槽道毛细结构参见图3。为了强化平板热管内部的相变换热和工质循环，蒸发面和冷凝面(热沉的底面)设计有相对称的纵横交错的微槽道式毛细结构7。蒸发面和冷凝面边缘处留有充液口6。毛细结构与热管壁面的整体设计，强化了平板热管形状的稳定性，使平板热管可以做的更薄。蒸发面和冷凝面上槽道结构的肋端面相接触，不但起到了支撑作用，还强化了平板热管的轴向导热。

液冷热沉的液体流动通道结构参见图4。通道的出口和入口同在一侧，通道呈折线型布置。为了强化液冷装置的对流换热效果，在液冷通道9上设计了微型肋结构8。微型肋结构8与通道的高度相同。微型肋结构8可以是微型柱状肋，微型矩形肋、微型三角肋、微型针状肋等各种可能的结构。其排列方式可以是差排或者顺排。微型肋结构不仅能增加传热面积，而且还能对介质的流动起到扰动作用，从而增强流动液体的对流换热。

本发明的有益效果：

1.平板热管均热器和热沉进行了一体化设计，能够消除传统分体化设计中平板热管均热器和热沉底面之间的接触热阻。小面积热源放出的热量被均匀分散到整个热沉的底面，能够较大的改善热沉边缘处的换热效果。

2.蒸发面和冷凝面(热沉的底面)设计有相对称的纵横交错的微槽道结构，强化了平板热管内部的相变换热和工质循环。毛细结构与热管壁面的整体设计，加强了平板热管形状的稳定性，使平板热管可以做的更薄。蒸发面和冷凝面上槽道结构的肋端面相接触，不但起到了支撑作用，还强化了平板热管的轴向导热。

3.液冷热沉的液体流动通道呈折线型布置，并且在液体通道上设计了微型肋结构。这种设计不仅能增加传热面积，而且还能对介质的流动起到扰动作用，从而增强流动液体的对流换热。

附图说明

图1：分体式设计的平板热管均热器和热沉

图2：平板热管均热器和热沉的一体化设计；

图3：蒸发面和冷凝面上的微槽道毛细结构；

图4：液冷热沉的液体流动通道；

图5：平板热管均热器与液冷式热沉的一体化设计；

图1～图5中标号为：1.翅片热沉，2.平板热管上盖板，3.电子芯片，4.热沉，5.平板热管底板，6.充液口，7.微槽道式毛细结构，8.微型肋结构，9.液冷通道，10.液冷热沉底板，11.液冷热沉上盖板。

具体实施方式

在实际应用中，本发明的中所述的热沉4可以是液冷式热沉、风冷翅片式热沉或者其它底面积比热源面积大的热沉。

下面结合附图具体说明本发明的实施例：

实例一：平板热管均热器与热沉的一体化设计

平板热管均热器与热沉的一体化设计结构参见图2。整个散热装置由铜制热沉和一块厚1mm的铜板焊接而成。铜制热沉的底面和铜板表面的尺寸相同，同为边长70mm的正方形。铜制热沉的底面作为平板热管的冷凝面，铜板做为平板热管的蒸发面共同形成蒸汽腔。实例一的一体化设计和传统的分体化设计相比，完全消除了平板热管均热板和热沉之间的接触热阻。接触热阻与导热硅脂的质量和两个接触表面之间的压力有关，在我们的实验中，接触热阻占整个散热器热阻的20％左右。因此，通过对平板热管均热器与热沉进行一体化设计，完全消除了均热板和热沉之间接触热阻，可以使整个散热装置的轴向热阻减小20％左右。

实例二：采用微槽道毛细结构的平板热管均热器与热沉的一体化设计

微槽道毛细结构如图3所示。整个散热装置由铜制热沉和一块厚1mm的铜板焊接而成。铜制热沉的底面和铜板表面的尺寸相同，同为边长70mm的正方形。在铜板上表面(蒸发面)和铜制热沉的底面(冷凝面)设计有相对称的纵横交错的微槽道式毛细结构。铜板上表面和铜制热沉的底面边缘处留有充液口。微槽道的宽度、深度和槽间距同为0.2mm。毛细结构与热管壁面的整体设计，强化了平板热管形状的稳定性，使平板热管可以做的更薄。蒸发面和冷凝面上槽道结构的肋端面相接触，不但起到了支撑作用，还强化了平板热管的轴向导热。微槽道结构的毛细结构，还强化了平板热管内部的相变换热和工质循环。实例二中描述的平板热管均热器在反重力条件下也能正常工作。

实例三：采用微槽道毛细结构的平板热管均热器与采用微型肋结构的液冷热沉的一体化设计

采用微槽道毛细结构的平板热管均热器与采用微型肋结构的液冷热沉的一体化设计如图5所示。整个散热装置由液冷热沉上盖板11、液冷热沉底板10、平板热管底板5三块厚1mm的纯铜板焊接而成，三板表面的形状同为边长60mm的正方形。液冷热沉上盖板11在上，液冷热沉底板10在中，平板热管底板5在下。平板热管底板5的上表面和液冷热沉底板10的下表面加工有如图3所示的纵横交错的微槽道结构。微槽道的宽度、深度和槽间距同为0.2mm。平板热管底板5和液冷热沉底板10之间形成了平板热管的腔体结构。平板热管底板5的上表面为平板热管的蒸发面，液冷热沉底板10的下表面为冷凝面。液冷热沉底板10的上表面加工有如图4所示的流体通道结构，通过与液冷热沉上盖板11焊接就形成了液冷热沉的流动通道。为了强化液冷装置的对流换热效果，在液冷通道上设计了微型肋结构。微型肋结构与通道的高度相同。微型肋是直径0.2mm柱状肋。排列方式为正三角形差排。每个柱状肋圆心与相邻肋圆心的距离为0.4mm。微型肋结构不仅能增加传热面积，而且还能对介质的流动起到扰动作用，从而增强流动液体的对流换热。如实例三中所述的微型肋结构比没有肋结构的同尺寸通道的表面积增加了58.9％。同时肋结构对流动液体的扰动作用也能大大加强换热。

Claims

1.与平板热管均热器一体化设计的散热装置，其特征在于：整个装置由风冷翅片式热沉或液冷式热沉与平板热管底板(5)上下焊接而成。

2.根据权利要求1所述的与平板热管均热器一体化设计的散热装置，其特征在于：上述热沉(4)底面和平板热管底面(5)的上表面都加工有相对称的纵横交错的微槽道式毛细结构(7)，微槽道式毛细结构(7)边缘处留有充液口(6)。

3.根据权利要求1所述的与平板热管均热器一体化设计的散热装置，其特征在于：热沉采用液冷式热沉时，由液冷热沉上盖板(11)、液冷热沉底板(10)、平板热管底板(5)依次焊接而成；液冷热沉底板(10)的上表面加工有液冷通道(9)结构，液冷通道(9)呈折线型布置，液冷通道(9)上加工了微型肋结构(8)，微型肋结构(8)与液冷通道(9)的高度相同，并以差排或顺排方式排列。