CN101478868B - 散热装置 - Google Patents

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Abstract

一种散热装置，其包括平板蒸发器、蒸汽管路、液体管路及冷凝器。其中该平板蒸发器系具有一由底板、多孔材料和上盖所组成之主体，该多孔材料上系设有供蒸汽排泄的通道并设置于底板上，上盖和底板相组接，上盖之两侧系分别各设有蒸气接口及液体接口，该蒸汽管路和液体管路的两端分别与平板蒸发器之蒸汽接口、液体接口及冷凝器的两侧相连通。本发明可使蒸发器与电子芯片有效全面贴合，节省安装空间，降低热量传递的阻力，且其工艺简单可靠，成本较低。可适用于计算机芯片散热，也可用于发光二极管照明设备，通讯行业的芯片冷却及军用、医疗、航空航天设备内部高能发热部件的冷却。

Description

散热装置
技术领域
本发明涉及一种电子产品领域的散热装置，具体涉及一种有关环路热管之散热装置的结构及加工方法。 
背景技术
大功率电子芯片的冷却是电子，计算机，通讯和光电设备中非常重要的一个技术环节。目前市场上针对大功率电子器件散热常用的方法包括以下几种：(1)风扇+散热器；(2)风扇+热管+散热器；(3)风扇+液冷技术。虽然这几种方法在一定程度上可以解决大功率器件的散热问题，但是仍存在如下缺点：(1)风扇+散热器，为了增强散热装置的散热能力，只有通过增大散热翅片的面积以及提高风扇转速，导致的结果是噪音大，散热装置体积大而且厚重，不利于安装以及对电子器件会产生很大的压力；(2)风扇+热管+散热器，虽可以解决方法1中的缺点，但是其本身会增加机构复杂度，热管的设计以及安装常常受到实际结构的限制，并且在有限根热管作用下，其散热能力仍还是有限的；3)液冷技术，在性能上超越以上两种方式，并且液冷散热技术的潜力是非常高的，一款小型液冷散热装置，如果经过性能优化，在控制噪声前提下，散发1000瓦的热量已经能够实现(液冷散热器整体热阻可以低到0.12℃/W以下)。但是液冷技术存在机构极其复杂，其增加的驱动液体工质循环的泵以及目前还没有一种能够完全保证不泄漏的管道连接技术，都将影响到液冷散热装置的实际使用寿命，还有，液冷散热装置的造价最高，是普通热管散热器的3倍以上(同样散热能力下)。 
亦此，即有了一种可以解决上述诸缺失之环路热管技术的产生。环路热管技术发明于1974年，目前广范应用于航空航天领域，近5年来环路热管技术逐渐进入电子芯片散热 领域。环路热管是集合了热管以及液冷散热技术的优点同时抛弃了各自的缺点的一种散热方式，散热潜力同液冷技术一样，一款紧促型微小环路热管，可以轻松实现500瓦及以上的散热(环路热管整体热阻可以低到0.15℃/W以下)，同时其造价远低于液冷技术。环路热管散热器还具有以下优点：(1)性能受重力影响小于普通热管；(2)结构形状可以多样化，满足不同使用需求；(3)可以远距离传递热量，等.由于环路热管制造工艺和普通热管类似，因此其可靠性和使用寿命和普通热管一样，可以广泛使用在一些要求比较苛刻的环境中. 
传统的环路热管散热器主要包括带有毛细结构的蒸发器，提供工作介质循环的蒸汽管道和液体管道，以及把热量释放到环境的冷凝器.工作时，蒸发器底面接收从发热器件(例如，电子芯片)传递过来的热量，工作介质在毛细结构内部蒸发，蒸汽离开蒸发器，通过弯曲的蒸汽管道流到带有翅片的冷凝器，蒸汽在冷凝器通过，把热量释放到流过冷凝器的环境介质中(例如空气)，蒸汽经自然冷却或风扇强制冷却后转变为液体，液体在毛细力的作用下经由液体管道返回蒸发器，完成一次热力学循环，据此循环往复，持续不断地把热量从发热器件释放到周围空气中. 
目前，环路热管使用在电子散热领域的产品及专利并不多，如中国专利01259718.X；200810028106.7。现有专利涉及蒸发器的设计，其基本结构基本包括以下两种形式：(1)圆筒形结构(cylinder type)；(2)平板结构(flat plate type)。其中圆筒形结构是传统环路热管的基本结构，如图1A和图1B。平板结构目前有两种形式：(1)盘状平板形式(disktype)，如图1C、图1D、图1E；(2)利用微加工技术制成的平板形式(ZL01259718.X)，如图1F、图1G。 
由于普通电子芯片的形状基本为四方形(正方体或者长方体)，圆筒形蒸发器因圆筒管径不利于和芯片的平表面接触，而盘状平板形式则因蒸发器的制程复杂，并且在安装时会占用额外的空间.截至到目前，使用通过微加工技术制成的平板形式蒸发器的环路热管的散热性能都还没有达到商业使用的要求。 
发明内容
为了克服现有的环路热管存在的缺陷，本发明的目的在于：提供一种散热装置及其制作方法，该散热装置所能解决的技术问题是：(1)能够很好地满足电子芯片散热的安装使用，达到和电子芯片充分并且有效地接触的目的；(2)最大程度地降低了散热热阻；(3)其蒸发器结构节省空间，利于微小型化。所设计的结构制程简单可靠，成本较低，从而更加适于实用。并且本发明所提供的设计结构及制造工艺能够充分开拓环路热管的散热潜能。 
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下： 
一种散热装置，它包括至少一蒸发器、一蒸汽管路、一液体管路及一冷凝器。所述的蒸发器为平板蒸发器，该平板蒸发器的外形为矩形或多角形体或几何形体，该平板蒸发器系具有一主体及至少一多孔材料，该主体由一底板及一上盖所组成，其中该多孔材料可设置在底板上，该上盖和底板相组接，底板下表面系为一平面，可用以与电子芯片对应贴合；所述多孔材料系设有供蒸汽排泄的管道，而上盖之两侧各分别设有一蒸汽接口及一液体接口，可分别与蒸汽管路及液体管路相连通。 
此外，所述的平板蒸发器上盖中系设有一隔板，令该隔板与液体接口之间形成补偿腔，该隔板与蒸汽接口之间形成蒸汽收集腔，隔板将补偿腔与蒸汽收集腔完全隔开；在蒸发器的补偿腔的上盖顶面设有一抽真空和工作介质灌装的接口。 
一种生产上述散热装置的制作方法，该方法包括以下次序的工艺步骤： 
(1)制备多孔材料：该多孔材料是具有高导热性能的金属粉末或金属网，或者是陶瓷粉末无机材料；当用金属粉末制作多孔材料时，多孔材料采用单独烧结方式得到，或者直接烧结在底板上；在烧结多孔材料的过程中需要一组用来填充烧结粉末的治具，该治具材料为钢或者高温陶瓷，治具的内腔结构同多孔材料的外部几何结构相同，配合同蒸汽排泄通道截面形状一致的中心棒使用，用来形成带有所需蒸汽排泄通道的多孔材料，中心棒的材料可以为石墨或者钢，然后把整个填充有烧结粉末的摸具放到烧结炉中，经过烧结，然后移走中心棒以及治具，就可以得到所需的多孔材料；该多孔材料也可通过微电子加工工艺制备，或采用纳米棒制备多孔材料， 
(2)制造上盖：上盖材料是铜或铝，或者是半导体材料，当上盖为金属材料时，通过机加工或者压铸加上后续机加工的方式制成上盖；当上盖为半导体材料时，用微电子加工方法获得； 
(3)制造底板：底板由具有高导热性能的材料铜、铝或硅制成，通过机加工、冲压或铸造制成，或者用微电子加工方法获得； 
(4)当多孔材料制备完成以后，把蒸发器的上盖和底板结合，完成蒸发器的加工；当上盖和底板均为金属材料时，采用焊接将两者结合在一起；当上盖和底板均为半导体材料时，采用键合的方式将两者结合在一起； 
(5)把加工好的平板蒸发器同冷凝器通过管路焊接在一起，然后进行标准热管生产工艺，其基本步骤包括清洗，抽真空，灌装工作介质以及密封，则带有平板蒸发器的环路热管散热装置制作完成. 
由于采用上述技术方案，使本发明与现有技术相比，具有以下有益效果： 
1、可满足与电子芯片的有效贴合及大面积接触，节省安装空间 
由于普通电子芯片的形状基本为四方形体，本发明中的平板蒸发器的外形可为矩形体、多角体或几何形体，其与电子芯片接合之侧系为一平面，因此更可以和芯片的表面充分有效贴合，使其有效地全面接触贴合，藉以节省安装空间，利于微小型化。 
2、可以降低热量传递的阻力 
本发明中的蒸发器内部包含多孔材料，也就是产生毛细结构的材料，采用将该多孔材料与蒸发器基板相结合的结构，通过把多孔材料直接烧结在基板上，使之可以最大程度地降低散热热阻，充分开拓环路热管的散热潜能。经发明人测试，其环路热管散热器的系统热阻达到0.15℃/W，环路热管自身的热阻小于0.05℃/W，其散热能力大于600W。 
3、制造工艺简单可靠，成本较低 
本发明中的蒸发器上盖，蒸发器底板，灌装用接口，液体管路和蒸汽管路皆可通过焊接同时完成，节省加工时间和成本。 
附图说明
下面通过附图和实施例对本发明进一步说明。 
图1A是现有的圆筒形蒸发器的结构示意图。 
图1B是图1A的A-A剖视图。 
图1C是现有的环状平板蒸发器的结构示意图。 
图1D是图1C的A-A剖视图。 
图1E是图1C的B-B剖视图。 
图1F是现有的用微加工技术制成的平板蒸发器的结构示意图。 
图1G是图1F的A-A剖视图。 
图2是本发明带有平板蒸发器的环路热管散热装置的立体结构示意图。 
图3A是图2中平板蒸发器的结构示意图。 
图3B是图3A的A-A剖视图。 
图4是图3A中的底板结构示意图。 
图5A是本发明中平板蒸发器的多孔材料中拱形蒸汽排泄通道的立体结构示意图。 
图5B是本发明中平板蒸发器的多孔材料中矩形蒸汽排泄通道的立体结构示意图。 
图5C是本发明中平板蒸发器的多孔材料中椭圆形蒸汽排泄通道的立体结构示意图。 
图5D是本发明中平板蒸发器的多孔材料中圆形蒸汽排泄通道的侧视示意图。 
图5E是本发明中多孔材料加工示意图 
图6A是本发明中平板蒸发器的上盖立体结构俯视示意图。 
图6B是本发明中平板蒸发器的上盖立体结构仰视示意图。 
图7是本发明中的平板蒸发器的结构分解示意图。 
图8是本发明环路热管散热装置的结构分解示意图。 
图中，1.平板蒸发器，2.蒸汽管路，3.液体管路，4.冷凝器，5.风扇，6.支架，8.中心棒，9.粉末材料，11.底板，12.多孔材料，13.上盖，111.凸台，121.蒸汽排泄通道，131.蒸汽管路接口，132.液体管路接口，133.工质灌装接口，134.隔板，135.补偿腔，136.蒸汽收集腔，71.下板，72.上板，73.围框。 
具体实施方式
请参阅图2所示，本发明一种散热装置系为平板蒸发器的环路热管散热装置的具体结构示意图，本创作之散热装置的实施例主要系包括一平板蒸发器1，一蒸汽管路2，一液体管路3，一冷凝器4和/或者一提供空气流过冷凝器4的风扇5，该风扇5安装在冷凝器4的一侧。平板蒸发器1的外形为矩形或多角形体或几何形体。 
请参阅图3A和图3B和图7所示，平板蒸发器1系具有一主体，该主体系包括一底板11、一多孔材料12和一上盖13所构成。多孔材料置设在主体所具有的容置空间内。在主体两侧各设有一接口，该接口分别为蒸汽接口和液体接口。如图4所示，该底板11下侧面系为一平面(图中未示出)，可用与以电子芯片对应贴合，该底板11上侧面则设有一凸台111，该凸台111之截面可为勾状或针状或锚状等几何形体，该凸台111系用以将多孔材料12直接烧结在底板11上以达到定位和夹具的作用。如图3A和图3B所示，在底板11的上方系设置有一多孔材料12，其材料可以是具有高导热性 能的金属粉末或者金属网，例如铜粉末，也可以是其它无机材料，例如陶瓷粉末材料等。且该多孔材料12上设有用于蒸汽流动的孔道-蒸汽排泄通道121，该蒸汽排泄通道121的截面形状可以为图5A所示的拱形，也可以为图5B所示的矩形，或图5C所示的椭圆形或图5D所示的圆形或类圆形或蜂巢形或多角型及任意几何形体者(图中未示出)。 
本发明中的平板蒸发器中的上盖的结构如图6A和图6B所示，在上盖13的内部有一隔板134，在上盖13的顶面设有一抽真空和工作介质灌装的接口133。在该接口处需要连接一管道，该管道是通往真空泵以及工质贮存容器的管路，当工质灌装完毕，散热装置内部真空度达到要求，该管道将封口并夹断，封口处焊接(参阅图2).该管道在最终成品后并不存在，因此没有在图6中图示.关于热管类产品的工质灌装的具体程序可以参考相关教科书或者文献等，本文不再赘述。上盖13的两侧分别设有液体接口132和蒸汽接131。如图3A所示，隔板134与液体接132之间形成补偿腔135，隔板134与蒸汽接131之间形成蒸汽收集腔136，隔板134将补偿腔135与蒸汽收集腔136完全隔开，从而实现工作介质在蒸发器内部单向流动的目的。蒸汽管路2的两端分别与平板蒸发器上盖上的蒸汽接口131及冷凝器4的一侧相连通，液体管路3的两端分别与平板蒸发器上盖上的液体接口132及冷凝器4的另一侧相连通。 
本发明散热装置的制作步骤的实施例如下： 
(1)制备多孔材料：该多孔材料12可以是具有高导热性能的金属粉末如铜粉末，或者金属网，也可以是其它无机材料，例如陶瓷粉末材料等.如图5A所示，在多孔材料内部有用于蒸汽流动的孔道-蒸汽排泄通道121.如果是利用金属粉末制作多孔材料12，多孔材料12可以采用单独烧结的方式得到，也可以直接烧结在底板11上.在烧结的工程中，需要特殊的治具和中心棒8用来形成蒸汽排泄通道121，治具和中心棒的材料可以为高温石墨，高温陶瓷或者碳钢等.另外多孔材料也可以通过微电子加工工艺制备，例如多孔硅，还有可以 采用纳米棒制备多孔材料，皆在本发明专利保护范围。具体制备过程，如图5E所示，把治具和中心棒8组合在一起，治具包括下板71，上板72，围框73，其中下板71和中心棒8可以是一个整体材料加工出来，这样就不需要特殊的定位结构，然后把粉末材料9均匀投放到治具中，然后利用上板72平滑放置在围框73上，使得粉末材料填满治具内腔，最后(类似与普通烧结热管加工过程)把整个治具放置到烧结炉中烧结，使得粉末材料固定成型，去掉治具和中心棒，这样多孔材料制备完成。该多孔材料也可通过微电子加工工艺制备，例如利用多孔半导体材料经过标准蚀刻工艺得到，或采用纳米棒制备多孔材料，例如利用标准掠角沉积技术得到所需结构的多孔材料。 
(2)制造上盖：上盖材料是铜或铝，或者是半导体材料，当上盖为金属材料时，通过机加工或者压铸加后续机加工的方式制成上盖；当上盖为半导体材料时，用微电子加工方法获得； 
(3)制造底板：底板由具有高导热性能的材料铜、铝或硅制成，通过机加工、冲压或铸造制成，或者用微电子加工方法获得； 
蒸发器的上盖的材料可以是和底板一致，例如都为铝和铜；也可以不一致，例如上盖为铝，底板为铜； 
(4)当多孔材料制备完成以后，把蒸发器的上盖和底板结合，完成蒸发器的加工；当上盖和底板为金属(例如铜)时，可以通过焊接(软焊接soldering，硬焊接brazing，或者扩散焊接diffusion Bonding)完成.如果为半导体材料(例如硅)时，可以通过键合(bonding)的方式完成； 
(5)把加工好的平板蒸发器同冷凝器通过管路焊接在一起，然后进行标准热管生产工艺，其基本步骤包括清洗，抽真空，灌装工作介质以及密封等，则带有平板蒸发器的环路热管散热装置制作完成. 
本发明散热装置中的冷凝器和管路均为现有的外购件。 
在工作时，蒸发器1底面接收从发热器件传递过来的热 量，工作介质在蒸发器内部蒸发，蒸汽离开蒸发器，通过弯曲的蒸汽管路2流到带有翅片的冷凝器4，蒸汽在冷凝器通过，把热量释放到流过冷凝器的环境介质中(例如空气)，蒸汽经自然冷却或风扇5强制冷却后转变为液体，液体在毛细力(由蒸发器的多孔材料提供此作用力)的作用下经由液体管路3返回蒸发器1，完成一次热力学循环，据此循环往复，持续不断地把热量从发热器件释放到周围空气中。 
本发明适用于计算机芯片散热，包括中央处理单元(CPU)和图形处理单元(GPU)，同时本发明也可以适用于发光二极管照明设备(LED)，无线通讯或者有线通讯行业的高能电子芯片或者光电芯片或者射频芯片的冷却，同时本发明可以适用到军用雷达，激光设备，医疗器械或者航空航天设备内部高能发热部件的冷却。 
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。 

Claims (8)

1.一种散热装置，它包括至少一蒸发器、一蒸汽管路、一液体管路及一冷凝器，其特征在于：所述的蒸发器系为平板蒸发器，该平板蒸发器包括一主体及至少一多孔材料，其中主体系具有一容置空间用以置设上述之多孔材料，且该主体两侧各设有一接口，该接口可分别与该蒸气管路及液体管路之一端相连接，所述之多孔材料系设有可供蒸汽排泄的通道，其中该主体系由一上盖及底板所构成者，该上盖中设有一隔板，该隔板与液体接口之间形成补偿腔，该隔板与蒸汽管路接口之间形成蒸汽收集腔，通过该隔板将补偿腔与蒸汽收集腔完全隔开。
2.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于：其中该底板下侧面系为一平面，可用以与电子芯片对应贴合。
3.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于：其中该底板上侧面则设有一凸台，该凸台系用以将多孔材料固定在底板上者。
4.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于：其中该主体两侧之接口分别系为蒸汽接口及液体接口。
5.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于：其中冷凝器一侧面可以装有一风扇。
6.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于：其中该蒸发器的补偿腔的上盖顶面设有一抽真空和工作介质灌装的接口。
7.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于：所述的平板蒸发器的外形为矩形体或多角体。
8.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于：其中蒸汽排泄通道的截面为拱形或矩形或类圆形或蜂巢形或多角形。
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