CN101340800A - 加入热管技术的针形/复合翅片散热器 - Google Patents

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杨春信
张丽娜
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Abstract

一种加入热管技术的针形/复合翅片散热器，它包括热沉基板，热管和翅片。该散热器的特征是将两种新的强化换热方法运用到新型散热器中；其中热管可以是在基板中嵌入的热管2或与基板整体成形的平板热管8，翅片可以全部是椭圆截面的针形翅片2，也可以是针形翅片2和锯齿形翅片13的组合，或其它不同翅片型式的组合。本发明的散热器能有效地解决电子设备散热中的热斑现象。其中，椭圆截面的针形翅片是通过流体的流动和传热特性综合优化的结果。

Description

加入热管技术的针形/复合翅片散热器
技术领域
本发明涉及采用新颖结构的、用于为电子元件进行散热的空气强迫对流散热器，尤其是用于大功率高热流密度情况下的散热器。本发明属于电子和通讯领域的电子设备冷却技术领域。
背景技术
在电子和通讯技术迅猛发展的今天，一方面，电子设备和电子器件的功率不断增大，发热量不断升高；另一方面，有限的空间又要求电子器件向小型化、微小型化的方向发展，这两方面的要求使得电子器件的集成度越来越高，热流密度越来越大，电子设备的冷却需求也日益迫切。因为过大的热流密度必然会引起电子器件发热、升温，过高的温度将使电子器件寿命大大缩短，甚至烧毁器件。电子设备的失效多半以上是由于温度超过规定值引起的，而且随着温度的增加，电子设备的失效率呈指数增长。所以，有效的散热是保障器件可靠性的关键问题，也是整个系统安全稳定运行的基础。强迫风冷系统是解决电子设备冷却问题的途径之一，如何设计出最高效的风冷系统，使其发挥最佳效率、节省能源、提高经济效益是业界共同追求的目标。
由于电子器件的体积小，而发热功率和热流密度非常大；例如发射机中常用的功率管，工作功率在300W以上，热流密度通常可达35W/cm2以上，所以靠近功率管(热源)的区域极易形成明显的热斑现象，使热沉基板上呈现很大的温度梯度。根据以往的计算和实验结果发现热斑问题对热沉的散热效果影响很大，而一般的热沉基板采用铜或铝，在很高的热流密度下其材质的导热性能很难避免热源附近热斑现象的发生，因此如何解决热斑现象是改善整个散热系统性能的基础。其次，通常使用的平板肋片热沉的散热能力也有很大的局限性。因为较长的平板使得流体流动过程中出现较厚的边界层，阻碍了流体与平板肋片的换热，所以更高效的紧凑式换热表面是进一步提高散热器换热效果的有效手段，而且出于风机设计方面的考虑，该换热表面的阻力也要尽可能小，以便选择更经济的风机，节约成本和能源，并降低噪音。
中国专利02104294.2“散热翅片、热管或穿管、母板金属一体化散热器”中提出了一种由散热翅片、热管或穿管、母板三者组合成一体的散热器，其中，若干翅片以一定间隔平行分布，热管以蛇行方式垂直穿过翅片，来改善翅片上的温度均匀性，提高散热效率。由于热管不直接接触热源，对大功率的发热元件，很难将热源的热量迅速带出，虽然提高了翅片效率，但由于散热底板温度梯度很大，散热器的整体效率仍然有待改善。
发明内容
针对目前常用的空气强迫对流散热器存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种新型的散热器，用于大功率高热流密度条件下的电子设备的冷却，以为电子设备工作的有效性和可靠性提供有利的保障。
本发明的加入热管技术的针形/复合翅片散热器的主要特征包括：
散热器金属基板中镶嵌热管或金属基板由整体热管形式的平板热管基板代替；
采用了椭圆截面的针形翅片或由几种不同的翅片型式共同组成的复合翅片形式。
根据本发明的一个方面，将热管技术运用到传统的电子元件散热器中，并依热源位置设置热管，将热管嵌入到散热器基板中或采用平板热管基板来进行强化传热，以迅速导出热源热量，解决芯片的局部高热流密度问题。
根据本发明的另一个方面，提出了针形翅片型式的设计，相对于普通的平直肋片，不仅破坏了连续稳定的粘性层流层，而且大大增加了流道中的素流度，极大地增强了换热系数。
根据本发明的又一个方面，提出了翅片的椭圆截面设计，其相对圆形截面减小了流动阻力，并减小了尾流的负面影响，有利于换热的进行。
根据本发明的又一个方面，根据基板的温度分布情况，设计不同的翅片形式(即复合翅片形式)来进行散热，能够在有效散热的同时最大程度节约材料的使用，降低成本。
按照本发明的一个实施例，提供了一种带有热管的散热器，包括
用导热材料制作的散热器基板，用于与热源进行热接触，
其特征在于：
设置在基板中的热管，所述热管经过基板与所述热源相热接触的部位；
设置在基板上的、用导热材料制成的多个翅片。
附图说明
图1是本发明热管嵌入式针形散热器的一个实施例的结构示意图。
图2是图1的实施例中热管嵌入式针形散热器的分解图。
图3是本发明的一个实施例中平板热管针形散热器的结构示意图。
图4是图3的实施例中平板热管针形散热器的详细构造图。
图5是本发明的一个实施例中热管嵌入式复合翅片散热器的结构示意图。
图6是图5的实施例中热管嵌入式复合翅片散热器的详细构造图。
具体实施方式
图1和2显示了本发明的一个实施例。由图2可见，本发明的该实施例的新颖散热器包括如下几个部分：散热器基板1，优选材料为铝或类似的导热材料；椭圆截面的针形翅片2，优选材料也是铝或类似导热材料；热管3(优选材料为铜或类似的导热材料)若干；基板上的凹槽4(根据热源而定)。首先根据设计需求切割出矩形的基板1，然后根据与基板1热接触的热源的部位5在基板上沿长度方向加工出圆形槽子4；例如，在一个具体的设计例子中，基板1的厚度为11mm，圆形槽子4的直径为8mm的。加工的热管3的外径和圆形槽子4的直径相同，因此可将热管3挤压到槽4中。热管3和槽4之间的缝隙中填入高导热性的焊接涂料，将二者焊接起来。按照设计的尺寸轧制出椭圆截面的针形翅片，将其按照设计要求直接焊接在基板上，翅片的截面形状优选为椭圆形；例如，在一个具体的设计例子中，其为长轴10mm，短轴2mm。椭圆形翅片的长轴方向沿着冷却气体的流动方向布置，这样有助于减小流阻。
图3和4显示了本发明的另一个实施例。由图4可见，该实施例中的散热器包括：散热器基板6(优选材料为铝或类似的导热材料)；优选为椭圆截面的针形翅片7，优选材料也是铝或类似的导热材料。在图3和4的实施例里，采用了整体成形于平板中的蛇形热管8，而不是图1和2的实施例中的在铝基板内嵌入热管的模式。这样就无须再嵌入若干根小的热管，该方法较图1和2的实施例加工更简便散热更有效，更加有利于基板6与热源接触的部位9处的热斑问题的解决。
图5和6显示了本发明的又一个实施例。由图6可见，该实施例中的散热器包括：散热器基板11，优选材料为铝或类似导热材料；优选为椭圆截面的针形翅片12，优选材料也是铝或类似导热材料；三层的锯齿形翅片13，优选材料也是铝或类似导热材料，图5中也显示了其放大的结构；热管14若干(优选材料为铜或类似导热材料)；基板上的凹槽15，其位置根据与热源热接触的基板部位16而定。由于散热器基板上的不同位置所需要的散热量是不同的，所以可以根据具体散热量在不同位置处设计不同的翅片形式，这样可以使流体的流阻更小，散热器所用材料更少，重量更轻。因此，图1和2所示的实施例中的椭圆针形翅片可以由多种翅片形式组成的复合翅片形式替代，此方案称为热管嵌入式复合翅片散热器。如在图5所示的具体涉及例子中，该散热器的翅片沿流体流动方向的前部为椭圆针形翅片，远离热源的一端是三层的锯齿形翅片，它所用的材料比椭圆形翅片的更少，因此重量更轻。
除了以上描述的翅片形式外，还可以根据热源发热量在基板的分布情况，在基板不同位置设计不同的翅片形式，形成散热和经济性最优的复合翅片形式。
本发明的优点在于：
(1)通过散热器基板内的热管将电子元件的发热量迅速带走，使其迅速分布到基板的其他部分上；
(2)通过椭圆截面的针形翅片或复合翅片等高效的紧凑式翅片表面将热量从基板传给空气。
这两个创新之处能够最大程度地消除散热器基板上的热斑现象，有效提高散热器的换热效率。整个散热器的加工采用全焊接工艺实现，因而接触热阻小，可靠性高。此外，复合翅片形式还能够在保证散热能力的同时，最大限度地减少材料消耗，有利于提高经济性。
需要说明的是方案中的热管数目以及翅片形式、尺寸和数目都是根据具体的设计要求确定的，由此形成的技术方案也属本发明的保护范围。而且，本发明中散热器设计和风机选型是作为一个系统同时进行优化选择的。

Claims (8)

1.一种带有热管的散热器，包括
用导热材料制作的散热器基板，用于与热源进行热接触，
其特征在于：
设置在基板中的热管，所述热管经过基板与所述热源相热接触的部位；
设置在基板上的、用导热材料制成的多个翅片。
2.根据权利要求1所述的散热器，其特征在于：
所述热管包括多根独立的热管，每根热管分别经过基板与所述热源相热接触的一个部位。
3.根据权利要求1所述的散热器，其特征在于：
所述热管包括一根热管，该热管呈蛇形经过所述基板，并经过所述基板与所述热源相热接触的至少一个部位。
4.根据权利要求2所述的散热器，其特征在于：
所述热管是通过把导热材料制成的管子挤压到在所述基板上开出的槽中而形成的。
5.根据权利要求3所述的散热器，其特征在于：
所述热管是在所述基板上整体形成的。
6.根据权利要求1所述的散热器，其特征在于所述翅片包括多个截面形状为椭圆形的翅片，椭圆形翅片的长轴方向沿着冷却气体的流动方向。
7.根据权利要求6所述的散热器，其特征在于所述翅片进一步包括锯齿形翅片，所述锯齿形翅片被设置在椭圆形翅片沿着冷却气体的流动方向的下游。
8.根据权利要求6所述的散热器，其特征在于根据热源发热量在基板的分布情况，在基板不同位置设置不同的翅片形式，形成散热和经济性最优的复合翅片形式。
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