CN101340799A - 流线型电子设备散热器 - Google Patents

Abstract

本发明属于一种流线型电子设备散热器，涉及电子设备散热技术领域。它包括流线型肋片和热沉块。为了解决大功率高热流密度极端化散热问题，采用风扇和散热器一体化设计思想，根据风扇特性设计了与风扇出口风向一致的流线型散热器。其特点是：流线型肋片表面与风扇出流速度场矢量相切，顺应风扇出口风向，减少了流动阻力；扭曲表面有效增大了散热面积，从而提高了对流换热能力；同时流线型散热器起到风扇静导叶效果，降低整体噪音。

Description

流线型电子设备散热器

技术领域

本发明涉及空气强迫对流的电子设备散热装置，特别是一种流线型肋片的放射状散热器。可用于电力电子和通讯设备空气强迫对流冷却系统的散热器高效散热设计，特别是电脑CPU散热器。

背景技术

目前，电子组件制造技术都朝轻、薄、短、小的方向发展，电子设备的结构设计也趋向紧密性，这种趋势会使得单位容积下热载荷急剧增加，因此必须配置适当的散热装置将热量排除，以维持组件运转的稳定性与可靠性。

近些年来，电子散热行业相继出现了许多不同的散热冷却技术，如空气强迫对流换热、液体冷却换热和相变循环系统等。空气冷却具有方便、设备简单、高可靠度及低成本等特性，所以应用相当广泛。其中风扇冲击射流在局部冷却及快速散热等方面具有优势，配合散热器对高功率电子组件进行冷却，将是解决组件散热问题的有效途径。冷却系统的合理设计，对于传热效率的提高与工作温度的降低，有着决定性的影响。

CPU散热器是将CPU核心热量迅速导出的关键。目前CPU散热器及风扇设计制造者大都是各行设计，通过选配性能实验或经验确定散热器与风扇组件。而对于同时拥有散热器及风扇的少数制造厂商而言，只知一味追求高风量风扇，却忽略散热器肋片设计对风扇性能的影响。另一方面，风扇性能缺陷本也可能藉由肋片的优化设计而获得一定程度的补偿。一般传统设计的CPU散热器肋片是笔直的，风扇出口流场不是均匀流，存在一定流向角，因而流体进入笔直肋片的散热器流道时，由于受阻会在肋片上方会产生回流，无法顺利地进入散热器最底端将热量带走。传统散热器的设计已经不能经受高热流密度带来的严峻挑战，风扇与散热器一体化设计是当前空气强迫对流散热极端化设计的必然趋势。

发明内容

针对传统设计技术缺点，本发明的目的是提供一种电子设备散热器。它的肋片外形为顺着风扇出风口流场流线，风扇出流速度场矢量与散热器肋片入口表面相切，能够有效地使冷空气气流平顺地流至散热器底部，快速且有效地将热量散开而达到高效散热目的。同时，散热器对风扇可以起到静导叶的作用，改善了风扇外特性和降低风扇散热器组件噪音。

技术方案

为了达到上述的发明目的，根据本发明的一个实施例，提供了一种流线型电子设备散热器，它包括流线型散热片和热沉块，其结构特点是，肋片是基于风扇和散热器一体化设计概念根据风扇出口流场分布设计的扭曲型曲面。

为了进一步实现本发明的目的，还可以通过以下技术方案来完成：中心吸热热沉块是圆柱或是圆台形状。流线型散热片围绕在热沉块周围，肋片数为30片，肋片厚度1mm。在流线型散热器底部添加1mm厚度的圆盘。整体流线型电子设备散热器外形为放射状。

本发明能够产生的有益效果：为了能从整体上提高空气对流系统散热性能，基于场协同理论，提出一体化设计的理念。根据风扇出口流场分布设计流线型散热器，使得风扇流场与散热器流场匹配。合理设计的散热器内部流动比较平顺，流场与温度场协调，改善了换热效果的同时也降低了流动阻力，整体设计的散热器熵产减少，风扇的有用功损失降低。同时相对风扇而言，流线型散热器可以起到静导叶的作用，改善了风扇外特性和降低风扇散热器组件噪音。本发明的广泛应用能够产生明显的社会和经济效益。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

附图说明

图1为本发明的风扇和散热器结构的总体示意图；

图2为本发明的流线型散热器结构示意图；

图3为图2中的圆柱形中心吸热热沉块；

图4为图2中的圆台形中心吸热热沉块；

图5用于说明轴流风扇基元级速度三角形；

图6用于说明CPU风扇的流体出流角度随半径r变化规律；

图7和图8用于说明扭曲型肋片设计过程；

图9为斜肋片散热器；

具体实施方式

参见图1和2，本发明的一个实施例的流线型电子设备散热器2包括流线型散热肋片3和热沉块4和5。肋片3是基于风扇1和散热器一体化设计概念根据风扇1的出口流场分布设计的扭曲型曲面。中心吸热热沉块4是圆柱或是光滑过渡的圆台形状(例如，弧度半径为20mm)，热沉块4和5可以采用铝铜材料组合，或者热沉块4也可采用热管。流线型散热片3围绕在热沉块4周围。在一个应用例子中，肋片数为30片，肋片厚度1mm。流线型散热器2底部添加例如1mm厚度的、用良导热材料制作的圆盘6。整体流线型电子设备散热器外形为放射状。

设计时，首先可以根据风扇空气动力学设计理论(轴流风扇基元级的速度三角形，见图5)，或用计算流体力学或实验方法得到额定工况下风扇出口流场特性，也就是不同半径处的风扇流体出流角度7。

在图5中，C1表示进口气流绝对速度，W1表示进口气流相对速度，Cm表示气流轴向速度，u表示圆周速度，tp表示叶栅节距，C2表示出口气流绝对速度，W2表示出口气流相对速度，β表示风扇流体出流角度，也就是出口气流与水平线夹角在半径为r的柱面(与热沉块4、5同轴)上的投影。

图6显示了利用计算流体力学方法对9238风扇进行数值模拟得到的结果，其为一条出流角度β-半径r关系曲线。

现在描述一种具体的肋片设计方法。接着按照风扇的设计方法参见图7和8，取图6中的出流角度β-半径r关系曲线上某一截面的流体出流角度7(例如r＝40mm的流体出流角度β＝55度)，并考虑该点所对应的圆柱面9(r＝40mm)，把包含了该圆柱9的轴(即热沉4和5的轴)的平面8，以该平面内和所述轴相垂直的一条直线为转动轴，进行转动，直到该平面与水平线的夹角等于在所述柱面上的出流角度β；此时，我们获得了该平面与该柱面的一条相交曲线10。

然后，再取出流角度β-半径r关系曲线上的另一个点，并重复上述操作，而获得在另一个对应柱面上的一条相交曲线。

在对出流角度β-半径r关系曲线上的多个点(例如5个点)进行上述操作并获得了相应的柱面上的相交曲线后，利用诸如PROE或CATIA的设计软件，将这些相交曲线混合成扭曲型肋片3。

作为一种具体的方法，取图6中某一截面的流体出流角度7(例如r＝40mm的流体出流角度β＝55度)，在PROE或CATIA软件里将1mm厚度的矩形肋片8在圆柱中心平面内旋转至流体出流角度7，然后投影到对应的圆柱截面9(例如r＝40mm)，形成三维的空间曲线10。采用相同的方法做作出其它圆柱截面上的空间曲线10，通过混合各截面空间曲线形成扭曲型肋片3。

与风扇设计方法不同的是，散热器肋片的不同半径截面是等厚度的矩形条8，而不是翼型。最后封闭扭曲型肋片并实体化，采用旋转阵列复制单个扭曲型肋片形成流线型电子设备散热器2。

其中，作为上述转动轴的直线可以取任意高度，但一般在应该在从热沉4和5的顶部到它们的底部范围里。而且，上述对出流角度β-半径r关系曲线上的多个点的操作一般应采用同一条转动轴。制作时，可以先制作各个扭曲肋片，然后通过整体焊接方式将多个肋片连接到中心热沉块4上，最后在底部焊接圆盘6。

值得说明的是，所采用的扭曲型肋片数量和厚度应视CPU的功率和风扇性而定。圆盘6的厚度可以视具体情况进行调整，也可以根据具体情况省略掉圆盘。图4所示的是光滑过渡的圆台形状的中心吸热热沉块4，其圆台弧度也可适当调整。在CPU的功耗和风扇功率大时，则肋片数可以应当相应增加，由此形成的技术方案属本发明的保护范围。

图9显示了本发明的另一个技术方案。在图9的方案中，根据风扇出风口处的流场分布，取半径加权流向出口平均角度作为斜板肋片设计参数，即，和图2、7和8所示的肋片及其设计、制作方法相比，图9的肋片只取了单一的加权平均出流角度，而不是在多个半径点上的出流角度。每个矩形肋片的安装角度相同且都按照该出口平均角度确定。与如图2所示的流线型散热器不同的是其肋片是平直的，但其与传统垂直型的放射状散热器不同之处，在于肋片是倾斜放置，从而使得风扇出流口附件的肋片表面大体沿着风扇流场的矢量方向。发明人所进行的测试表明，这样的倾斜平直肋片的技术方案，与现有技术的垂直型的放射状散热器方案相比，在散热效率上有显著的改善。

Claims (8)

1.一种电子设备散热器，包括：

与发热元件相热接触的中心热沉(4，5)；以及

设置在所述中心热沉周边上的多个散热肋片(3)，所述多个散热肋片用于被置于一个冷却风扇(1)的冷却气流中，从而受到来自所述冷却风扇的冷却气流的冷却

其特征在于

所述多个散热肋片靠近所述冷却风扇的一端的肋片表面，与来自所述风扇的冷却气流的方向大致相切。

2.根据权利要求1所述的电子设备散热器，其中所述散热肋片(3)是平板形的，且每个所述散热肋片都被倾斜设置，每个所述散热肋片的倾斜方向使得所述肋片的表面与来自所述风扇的冷却气流的方向大致相切。

3.根据权利要求2所述的电子设备散热器，其中所述散热肋片的倾斜角度大致等于所述风扇的冷却气流在所述散热肋片靠近所述冷却风扇的一端处的冷却气流出流角度-半径分布的半径加权平均出流角度。

4.根据权利要求1所述的电子设备散热器，其中所述散热肋片(3)是曲面形的，每个所述散热肋片靠近所述风扇的端部部分的倾斜方向使得所述端部部分的表面与来自所述风扇的冷却气流的方向大致相切。

5.根据权利要求4所述的电子设备散热器，其中所述散热肋片(3)是按照如下方法确定的：

取所述冷却气流出流角度-半径分布在某一半径上的的流体出流角度，将一个圆柱中心平面旋转至该流体出流角度，

将旋转后的该圆柱中心平面投影到与该半径对应的圆柱截面上，从形成一条三维的空间曲线，

采用相同的方法做作出若干不同半径值的圆柱截面上的三维空间曲线，以及

通过混合各圆柱截面的三维空间曲线，形成曲面肋片(3)。

6.根据权利要求1-5中任何一项的电子设备散热器，其中所述中心热沉是圆柱形的，且所述电子设备散热器进一步包括一个底部圆盘(6)。

7.根据权利要求1-5中任何一项的电子设备散热器，其中所述中心热沉是光滑过渡的圆台形的。

8.一种电子设备散热器的散热肋片的设计方法，所述电子设备散热器包括：

与发热元件相热接触的中心热沉(4，5)；以及

设置在所述中心热沉周边上的多个散热肋片(3)，所述多个散热肋片用于被置于一个冷却风扇(1)的冷却气流中，从而受到来自所述冷却风扇的冷却气流的冷却

其特征在于所述方法包括：

取所述冷却气流出流角度-半径分布在某一半径上的的流体出流角度，将一个圆柱中心平面旋转至该流体出流角度，

将旋转后的该圆柱中心平面投影到与该半径对应的圆柱截面上，从形成一条三维的空间曲线，

采用相同的方法做作出若干不同半径值的圆柱截面上的三维空间曲线，以及

通过混合各圆柱截面的三维空间曲线，形成曲面肋片(3)。

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