CN101646327A - 散热装置及散热方法 - Google Patents

Abstract

一种散热装置，包括具有蒸发部和冷凝部的腔室，所述腔室装载有冷却剂，所述腔室内还包括对应蒸发部设置的蒸发部刮刷，所述蒸发部刮刷能够相对蒸发部内表面扫动，在蒸发部内表面形成冷却剂液膜。由于将液态冷却剂均匀涂布于蒸发部的内表面形成液膜，使得散热装置的散热能力提高，也使得散热装置的散热均匀性提高。另外，还提供散热方法。

Description

散热装置及散热方法

技术领域

本申请涉及散热装置及散热方法。

背景技术

随着超大规模集成电路制造技术的进步，芯片的体积越来越小，而发热功率却越来越大，导致芯片散热的热通量急剧增大。

根据热力学原理，液体的导热效率大于空气的导热效率。基于这种理论，水冷等管道散热技术逐步应用于CPU和GPU等大功率器件，但所有这些散热技术都存在着种种局限性。

发明内容

散热装置的实施方式，包括具有第一部分和第二部分的腔室，紧靠所述第一部分内表面设置的第一刮刷，其中，所述第一刮刷扫动所述第一部分的内表面。

散热方法的实施方式包括步骤：在腔室的第一部分内表面形成冷却剂液膜；加热冷却剂液膜；由冷却剂液膜形成冷却剂蒸汽；在腔室第二部分的内表面冷凝冷却剂蒸汽。

上述实施方式中，将液态冷却剂均匀涂布于蒸发部的内表面形成液膜，使得散热装置的散热能力提高。另外，液态冷却剂在蒸发部的内表面均匀涂布，使得散热装置的散热均匀性提高。

发明内容部分的描述仅仅是举例说明，不应该用于解释或限制权利要求的范围。

附图说明

图1为散热装置一个实施例的正视剖视示意图；

图2a和图2b分别为两种刮刷实施例的形状示意图；

图3为一个实施例中散热装置的原理示意图；

图4为散热装置另一个实施例俯视剖视示意图；

图5为散热装置又一个实施例俯视剖视示意图；

图6为散热装置一个实施例的正视剖视示意图；

图7为散热方法一个实施例流程图。

具体实施方式

下面以发热体是半导体芯片为例，结合附图对散热装置实施例的结构以及散热方法实施例的步骤进行详细说明。

图1为一个实施例中散热装置正视剖视图。如图1所示，散热装置100包括腔室101。腔室101为中空的封闭或基本封闭体，至少能隔绝气体在腔室101和环境之间的传质。腔室101的外观形状常见为圆柱形，也可以为正方体、长方体等多面立方体型。相应地，腔室101的中空部分也可以为圆柱形或正方体、长方体等多面立方体。腔室101一般由导热较好的材料，如金属材料制造。

腔室101内盛装有冷却剂。冷却剂的装填量可以根据散热装置100的工作温度和散热功率以及冷却剂本身的物性来决定。作为冷却剂的物质可以是水、氨以及甲醇等。

腔室101适于与发热单元120，例如电路或半导体芯片，接触的一个或多个侧壁为蒸发部102。腔室101适于与辅助散热装置(图未示)接触的一个或多个侧壁为冷凝部103。发热单元120发出的热量通过蒸发部102传递给腔室101内的冷却剂，冷却剂在蒸发部102的内表面蒸发，吸收从蒸发部102传递来的热量。吸热后的冷却剂形成冷却剂蒸汽。冷却剂蒸汽通过扩散到达冷凝部103的内表面，在冷凝部103的内表面放热冷凝，形成液态的冷却剂。从而完成将热量从蒸发部到冷凝部的转移。在其他实施例中，还可以在冷凝部103的外表面安装风冷、水冷或翅片等辅助散热装置(图未示)，以加快热量从冷凝部向外界传递。

腔室101的内部还包括对应于蒸发部102设置的蒸发部刮刷104。蒸发部刮刷104能够扫过蒸发部102的内表面。在这种扫动的作用下，蒸发部刮刷104上的液态冷却剂被均匀地涂布到蒸发部102的内表面，使蒸发部刮刷104扫过的蒸发部102内表面形成冷却剂液膜111。因此，从发热单元120传递至蒸发部102的热量被均匀地吸走，使得散热装置100的散热均匀性提高。

所述的蒸发部刮刷104的外形可以是长条形，也可以是图2a所示的单扇面型，或者图2b所示的对称扇面等形状。蒸发部刮刷104与蒸发部102相对的表面与蒸发部102的内表面接触或保持一定的距离。并且在蒸发部刮刷104的扫动过程中，蒸发部刮刷104的上述表面仍然与蒸发部102接触或保持一定的距离。

在蒸发部102的内表面均匀地形成较薄的冷却剂液膜111的原因在于，发明人发现：冷却剂从蒸发部102内表面吸热蒸发的热通量为

$q^{\′\′}=\frac{2\mathrm{\λ\ΔT}}{{\mathrm{\δ}}_0+{\mathrm{\δ}}^{\′}}---\left(1\right)$

其中，λ为冷却剂的导热系数。ΔT为蒸发部102超出环境温度值。如图3所示，δ₀为冷却剂液膜111的初始厚度。δ’为冷却剂液膜111的停止蒸发厚度，即冷却剂液膜111由于分子间作用力在该过热温度下不再继续蒸发的厚度。δ’的厚度大致在10^-9m的数量级上，但是为提高式(1)的可靠性，δ’的厚度可以设定在10^-7m的数量级上。发明人从式(1)推出，δ₀+δ’代表液膜的传热阻力，在冷却剂液膜111的停止蒸发厚度δ’一定的情况下，冷却剂液膜111的初始厚度δ₀越小，冷却剂从蒸发部102内表面吸热蒸发的热通量越大，即散热装置100的散热能力越大。当冷却剂液膜111的初始厚度δ₀为10μm，且ΔT为10℃时，热通量q”可以达到200W/cm²；当冷却剂液膜111的初始厚度δ₀达到1μm，且ΔT为10℃时，热通量q”可以达到800W/cm²。因此，通过蒸发部刮刷104将液态冷却剂均匀地涂布到蒸发部102的内表面，形成冷却剂液膜111，可以提高散热装置100的散热能力。

发明人还发现，为避免液膜111在蒸发一段时间到达停止蒸发厚度δ’后，无法从蒸发部102再带走热量，需要周期性地让蒸发部刮刷104扫过蒸发部102的内表面，使蒸发部102的内表面保持有可蒸发的冷却剂液膜111。该周期由下式决定：

$t^{\′}=\frac{({\mathrm{\δ}}_0^2-{\mathrm{\δ}}^{\′2}){\mathrm{\ρh}}_{\mathrm{fg}}}{2\mathrm{\λ\ΔT}}---\left(2\right)$

其中，t’为周期，δ₀为冷却剂液膜111的初始厚度，δ’为冷却剂液膜111的停止蒸发厚度，ρ为冷却剂的密度，h_fg为冷却剂的蒸发潜热，λ为冷却剂的导热系数，ΔT为蒸发部超出环境温度值。

为实现蒸发部刮刷104周期性地扫过蒸发部102的内表面，在一个实施例中，采用参考图1和图4所示的结构。腔室101内还设置有与蒸发部102的内表面垂直或接近垂直的旋转轴106，蒸发部刮刷104固定在旋转轴106靠近蒸发部102的一端。旋转轴106带动蒸发部刮刷104以给定速度旋转，从而使蒸发部刮刷104周期性地扫过蒸发部102的内表面。在这种情况下，腔室101可以相应地设计成以旋转轴106为轴线的圆柱形。当然，如果蒸发部102的内表面不为平面而是半球面、圆锥面或圆台面等旋转体表面时，蒸发部刮刷104可以相应地设计成弧形、∧型或ㄏ型，且旋转轴106与上述旋转体的轴共线。旋转轴106可以由外力驱动，例如将旋转轴106靠近冷凝部103的一端延伸至腔室101之外，并用电机(图未示)等驱动设备带动旋转轴106旋转。

图4所示的实施例中，旋转轴106设置在蒸发部刮刷104的中心。旋转轴106转动一周后，蒸发部102的内表面同一位置会被蒸发部刮刷104扫过2次。当然，在其他实施例中，旋转轴106可以设置在蒸发部刮刷104的一侧。

旋转轴106的转动速度由下式确定：

$\mathrm{\ω}=\frac{4\mathrm{\π\λ\ΔT}}{({\mathrm{\δ}}_0^2-{\mathrm{\δ}}^{\′2}){\mathrm{\ρh}}_{\mathrm{fg}}N}---\left(3\right)$

其中，N为旋转轴106转动一周后蒸发部102的内表面同一位置被蒸发部刮刷104所扫过的次数，其余各字母的含义与式(1)和式(2)中相应字母的含义一致。

发明人发现，冷却剂从蒸发部102内表面吸热蒸发的热通量q”与旋转轴106的转动速度ω之间的关系为：

$q^{\′\′}=\frac{({\mathrm{\δ}}_0-{\mathrm{\δ}}^{\′}){\mathrm{\ρh}}_{\mathrm{fg}}\mathrm{\ωN}}{2\mathrm{\π}}---\left(4\right)$

上式中字母的含义与式(1)、式(2)和式(3)中相应字母的含义一致。从式(4)可知，冷却剂从蒸发部102内表面吸热蒸发的热通量q”与旋转轴106的转动速度ω成正比。因此可以通过控制转速来控制散热装置的散热能力。

在上述实施例中，蒸发部刮刷104只有一个，但是不限于此。在如图5所示的另一个实施例中，蒸发部刮刷104可以为一个以上，并且多个蒸发部刮刷104可以旋转轴106为中心呈等角度排列。在这种情况下，旋转轴106转动一周后蒸发部102的内表面同一位置被蒸发部刮刷104所扫过的次数与蒸发部刮刷104的数量成正比。

在又一个实施例中，旋转轴106设置在蒸发部刮刷104的中心和边缘之间，即蒸发部刮刷104的一端距离旋转轴106的距离小于另一端距离旋转轴106的距离。这样的结构使得当旋转轴106转动一周后，以旋转轴106为中心旋转轴106至蒸发部刮刷104最近端的长度为半径的圆形区域会被蒸发部刮刷104扫过2次，而剩余区域只被蒸发部刮刷104扫过1次。当发热单元120的中心发热量较高，而边缘发热量较低时，可以采用上述结构强化对发热单元120中心的散热。

在上述实施例中，为实现蒸发部刮刷104周期性地扫过蒸发部102的内表面，采用旋转轴106带动蒸发部刮刷104选择的方式来实现。但并不限于此，本领域技术人员知道，利用直线电机或平面电机或直线铰链等动力装置带动蒸发部刮刷104沿直线做往复运动，也可以实现蒸发部刮刷104周期性地扫过蒸发部102的内表面。在另一个实施例中，两个以上的蒸发部刮刷104成平行排列，从而提高蒸发部刮刷104的扫动频率。

如图6，腔室101内还可以包括冷凝部刮刷105。冷凝部刮刷105周期性地扫过冷凝部103的内表面。在这种扫动的作用下，冷凝部刮刷105不断收集冷凝部103内表面上冷凝下来的冷却剂液滴112。防止冷却剂液滴112在积累足够重量后随意滴落到蒸发部102的内表面上，造成散热装置100的散热性能波动。

所述的冷凝部刮刷105的外形可以是长条形，也可以是图2a所示的单扇面型，或者图2b所示的对称扇面等形状。冷凝部刮刷105与冷凝部103相对的表面与冷凝部103的内表面接触或保持一定的距离。并且在冷凝部刮刷105的扫动过程中，冷凝部刮刷105的上述表面仍然与蒸发部102接触或保持一定的距离。

实现冷凝部刮刷105周期性地扫过冷凝部103内表面的方法可以与蒸发部刮刷104相适应。当蒸发部刮刷104采用如图4所示的旋转方式运动时，也可以将冷凝部刮刷105安装至旋转轴106上。用旋转轴106带动蒸发部刮刷104和冷凝部刮刷105一起旋转。在另一个实施例中，冷凝部刮刷105也可以采用单个，或多个冷凝部刮刷105以旋转轴106为中心等角度排列的方式。

当蒸发部刮刷104的运动方式为直线往复运动时，可以利用连杆等连接装置将冷凝部刮刷105与带动蒸发部刮刷104运动的动力装置连接，也可以实现冷凝部刮刷105周期性地扫过冷凝部103内表面。在又一个实施例中，两个以上的冷凝部刮刷105成平行排列，从而提高冷凝部刮刷105的扫动频率。

冷凝部刮刷105与蒸发部刮刷104均可以用多孔材料制造，以提高这两种刮刷的储液能力，进而提高冷凝部刮刷105收集冷却剂液滴112的能力，以及蒸发部刮刷104涂布冷却剂液膜111的能力。

参考图6，腔室101内还包括由多孔材料制造的导液桥107。导液桥107连接冷凝部刮刷105和蒸发部刮刷104。由于导液桥107采用多孔材料制造，使得导液桥107内部形成大量毛细管通道，冷凝部刮刷105收集到的液态冷却剂可以经过导液桥107内的毛细管通道到达蒸发部刮刷104，形成从冷凝部刮刷105到蒸发部刮刷104的冷却剂毛细管通路，从而实现冷却剂的循环利用，进而使得散热装置100可以持续工作。

在一个实施例中，发热单元120与蒸发部102外表面的接触区在蒸发部102内表面的投影与蒸发部刮刷104扫过的蒸发部102内表面区域相同，或者在区域内。从而避免发热单元120的局部温度过高。

在上述散热装置中，冷却剂液膜111通过分子间的吸引力而吸附在蒸发部102的内表面；冷却剂蒸汽通过热膨胀和扩散作用到达冷凝部103内表面冷凝；液态冷却剂利用毛细管作用自冷凝部刮刷105经导液桥107到达蒸发部刮刷104，上述过程形成冷却剂的循环。因此，在散热装置100的工作过程中，没有重力参与其中。所以整个散热装置100和散热方法可以应用在无重力环境下，并且在导液桥107内的毛细管通道足够小的情况下，散热装置100也可以在顺置、侧置或倒置的情况下使用，这样的效果对于本领域技术人员来说是意想不到的。

散热方法实施例的流程如图7所示，该方法包括步骤：

S201，扫动第一刮刷在腔室第一部分的内表面形成冷却剂液膜；

S202，加热冷却剂液膜；

S203，由冷却剂液膜形成冷却剂蒸汽；

S204，在腔室第二部分的内表面冷凝冷却剂蒸汽；

S205，扫动第二刮刷，收集第二部分内表面的液体冷却剂；

S206，引导液态冷却剂从第二刮刷至第一刮刷。

在一个实施例中，所述形成冷却剂液膜是通过蒸发部刮刷扫过所述蒸发部内表面所实现的。

在另一个实施例中，所述蒸发部刮刷扫过所述蒸发部内表面的动作具有周期性。所述的周期由式(2)确定。

所述蒸发部刮刷扫过蒸发部内表面的动作具有周期性，在一个实施例中是旋转轴带动蒸发部刮刷以给定速度旋转而实现的。

另外，散热方法还可以包括步骤：采用冷凝部刮刷扫过冷凝部内表面，收集冷凝部内表面的液体冷却剂。在其他实施例中，冷凝部刮刷扫过冷凝部内表面，是通过旋转轴带动蒸发部刮刷和冷凝部刮刷以给定速度旋转来实现的。另外，旋转轴的转动角速度可以由式(3)决定。

在又一个实施例中，液态冷却剂从由多孔材料制造的导液桥内的毛细管通路到达蒸发部刮刷，形成冷却剂的循环。

在散热方法中，冷却剂液膜通过分子间的吸引力而吸附在蒸发部的内表面；冷却剂蒸汽通过热膨胀和扩散作用到达冷凝部内表面冷凝；液态冷却剂利用毛细管作用自冷凝部刮刷经导液桥到达蒸发部刮刷，上述过程形成冷却剂的循环。因此，在散热装置的工作过程中，没有重力参与其中。所以整个散热装置和散热方法可以应用在无重力环境下，并且在导液桥内的毛细管通道足够小的情况下，散热装置也可以在顺置、侧置或倒置的情况下使用，这样的效果对于本领域技术人员来说是意想不到的。

Claims (14)

1.一种散热装置，包括具有第一部分和第二部分的腔室，紧靠所述第一部分内表面设置的第一刮刷，其中，所述第一刮刷扫动所述第一部分的内表面。

2.如权利要求1所述的散热装置，其中，还包括设置于腔室内的旋转轴，所述第一刮刷固定在所述旋转轴靠近第一部分的一端。

3.如权利要求1所述的散热装置，其中，还包括紧靠所述第二部分内表面设置的第二刮刷，所述第二刮刷扫动第二部分的内表面。

4.如权利要求3所述的散热装置，其中，还包括连接所述第一刮刷和第二刮刷的通路。

5.如权利要求4所述的散热装置，其中，还包括设置于腔室内的旋转轴，所述第一刮刷固定在所述旋转轴靠近第一部分的一端，所述第二刮刷固定在所述旋转轴靠近第二部分的另一端。

6.一种散热方法，包括：

在腔室的第一部分内表面形成冷却剂液膜；

加热冷却剂液膜；

由冷却剂液膜形成冷却剂蒸汽；

在腔室第二部分的内表面冷凝冷却剂蒸汽。

7.如权利要求6所述的散热方法，其中，还包括扫动第一刮刷形成所述冷却剂液膜。

8.如权利要求7所述的散热方法，其中，所述第一刮刷周期性地扫动。

9.如权利要求11所述的散热方法，其中，所述的周期由下式确定

$t^{\′}=\frac{({\mathrm{\δ}}_0^2-{\mathrm{\δ}}^{\′2})\mathrm{\ρ}{h}_{\mathrm{fg}}}{2\mathrm{\λ\ΔT}}$

其中，t’为周期，δ₀为所述液膜的初始厚度，δ’为所述液膜的停止蒸发厚度，ρ为所述冷却剂的密度，h_fg为所述冷却剂的蒸发潜热，λ为所述冷却剂的导热系数，ΔT为所述蒸发部超出环境温度值。

10.如权利要求9所述的散热方法，其中，第一刮刷由以给定速度转动的旋转轴所驱动。

11.如权利要求6所述的散热方法，其中，还包括：扫动第二刮刷，收集所述第二部内表面冷凝的冷却剂。

12.如权利要求11所述的散热方法，其中，还包括：引导液体冷却剂从第二刮刷至第一刮刷。

13.如权利要求11所述的散热方法，其中，第一刮刷和第二刮刷由以给定速度转动的旋转轴所驱动。

14.如权利要求13所述的散热方法，其中，所述旋转轴的转动角速度为

$\mathrm{\ω}=\frac{4\mathrm{\π\λ\ΔT}}{({\mathrm{\δ}}_0^2-{\mathrm{\δ}}^{\′2})\mathrm{\ρ}{h}_{\mathrm{fg}}N}$

其中，δ₀为所述液膜的初始厚度，δ’为所述液膜的停止蒸发厚度，ρ为所述冷却剂的密度，h_fg为所述冷却剂的蒸发潜热，λ为所述冷却剂的导热系数，ΔT为所述蒸发部超出环境温度值，N为所述旋转轴转动一周后蒸发部的内表面同一位置被蒸发部刮刷所扫过的次数。

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