CN102637654B - 基于泡沫金属强化沸腾换热的芯片冷却装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于泡沫金属强化沸腾换热的芯片冷却装置，包括密封腔体、底层泡沫金属、制冷剂、收缩管、喷气转动件、传动轴及风扇；密封腔体中盛有制冷剂，底层泡沫金属呈锯齿状设置于密封腔体内，并紧贴密封腔体的底部；收缩管位于密封腔体中并罩住底层泡沫金属，喷气转动件的一端与收缩管的顶部相连接，另一端与传动轴相连接，喷气转动件具有气腔及多根喷气管，气腔与收缩管及这些喷气管相连通，这些喷气管各自具有方向一致的喷嘴；传动轴与风扇相连接。本发明所提供的芯片冷却装置利用锯齿状泡沫金属结构来强化沸腾，使散热量显著增大，还利用沸腾蒸汽为外部风冷风扇提供动力，大大增强了冷却能力。

Description

基于泡沫金属强化沸腾换热的芯片冷却装置

技术领域

本发明涉及一种芯片冷却装置，特别是一种基于泡沫金属强化沸腾换热的芯片冷却装置。

背景技术

随着电子技术的发展，电子芯片性能迅速提高，随之而来的发热功率也急剧增大。目前普通芯片的最大发热功率超过100W，而芯片外壳与散热装置间的平均散热热流密度可达7.1W/cm²以上，并且还在不断的增长，这对芯片冷却装置的散热能力提出了很高的要求。沸腾换热是一种高效的相变换热方式，其换热系数比单相换热高1～2个数量级。泡沫金属是一种高孔隙率(最高达98％)、高比表面积(500～10000m²/m³)的多孔介质，可强化沸腾换热。因此，在芯片冷却装置中采用沸腾换热的换热方式，并用泡沫金属进行强化，可显著提高芯片冷却装置的散热能力。

目前，已存在相关的专利。如申请号为200820180252.7、名称为“开孔泡沫金属热管针翅组合式CPU散热器”的专利，在沸腾面上布置了泡沫金属以强化换热，相变后的蒸汽在开孔针翅中与外界环境进行热交换，针翅外侧安装了风扇用以强化对流换热。申请号为200820113570.1、名称为“平板式热管机器与多孔介质一体化设计的散热装置”的专利，也在沸腾面和冷凝面上均布置了泡沫金属，并在冷凝面的外侧加装了风扇，强化对流换热。

以上专利中的结构虽然改善了芯片冷却装置的散热效果，但仍存在不足：1)在这些专利中，都在冷凝面外侧设置了风扇，风扇强制空气对流，加强了换热，但风扇都是电力驱动，需要从外界输入额外的电能，这一方面增加了装置的能耗，提高了运行成本，另一方面也需要外接导线，使装置结构不够紧凑。2)在上述专利中，泡沫金属加工成平板状，虽然总体上强化了沸腾换热，但已有研究结果表明泡沫金属纤维会阻碍沸腾过程中气泡的生长，进而影响强化沸腾的效果，使泡沫金属强化沸腾换热的潜力没有充分发挥。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于锯齿状泡沫金属强化沸腾换热的芯片冷却装置，以提高芯片冷却效率，并利用蒸汽为外部风冷风扇提供动力，节省电能消耗，降低运行成本。

本发明所提供的基于泡沫金属强化沸腾换热的芯片冷却装置包括密封腔体、底层泡沫金属、制冷剂、收缩管、喷气转动件、传动轴及风扇；所述密封腔体中盛有所述制冷剂，所述底层泡沫金属呈锯齿状设置于所述密封腔体内，并紧贴所述密封腔体的底部；所述收缩管位于所述密封腔体中并罩住所述底层泡沫金属，所述喷气转动件的一端与所述收缩管的顶部相连接，另一端与所述传动轴相连接，所述喷气转动件具有气腔及多根喷气管，所述气腔与所述收缩管及所述这些喷气管相连通，所述这些喷气管各自具有方向一致的喷嘴；所述传动轴与所述风扇相连接。

进一步地，所述芯片冷却装置还包括顶层泡沫金属强化层，所述顶层泡沫金属强化层包括外层泡沫金属强化层及内层泡沫金属强化层，分别通过焊接的方式设置在所述密封腔体的顶部的外表面和所述顶部的内表面上。

进一步地，所述密封腔体为圆柱形腔体，所述密封腔体的所述顶部为抛物面且所述顶部的内表面上具有疏水涂层，所述密封腔体的底面为平面。

进一步地，所述顶层泡沫金属强化层的形状为与所述密封腔体的顶部相对应的抛物线形。

进一步地，所述收缩管包括收缩段和圆筒段，所述收缩段的轮廓为上窄下宽的光滑曲线，所述收缩段与所述圆筒段相连接，所述圆筒段的底部具有多个孔洞。

进一步地，所述气腔为顶部呈半球状的圆柱体，所述喷气管均匀分布在所述气腔的周围。

进一步地，所述密封腔体的顶部还装有第一滚动轴承，用于固定所述传动轴；所述喷气转动件与所述收缩管通过第二滚动轴承相连接，所述第一滚动轴承和所述第二滚动轴承中填充有固态润滑油。

进一步地，所述密封腔体由金属制成。

进一步地，所述芯片冷却装置还包括导管，所述导管穿透所述密封腔体的顶部，安装于所述密封腔体上，所述导管还具有阀门，用于控制所述密封腔体与外界的连通。

进一步地，制冷剂为相变材料，制冷剂的充注量为所述密封腔体的体积的1/8至1/3，并浸没所述底层泡沫金属。

本发明所提供的基于泡沫金属强化沸腾换热的芯片冷却装置利用制冷剂沸腾相变换热这一高效换热方式来吸收芯片所散发的热量，使芯片冷却，用锯齿状泡沫金属结构来强化沸腾，使散热量显著增大，还利用沸腾蒸汽为外部风冷风扇提供动力，不但大大增强了冷却能力，而且充分利用了芯片散发的废热，其效果明显优于普通的单相冷却装置。

附图说明

图1为本发明较佳实施例中的基于泡沫金属强化沸腾换热的芯片冷却装置的结构示意图。

图2为图1中的收缩管的结构示意图。

图3为图1中的喷气转动件的局部剖面示意图。

图4为图3中的i部分的局部放大图。

图5为图3中的ii部分的局部放大图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的较佳实施例中的基于泡沫金属强化沸腾换热的芯片冷却装置的主要组成部件为：密封腔体1、底层泡沫金属2、低沸点制冷剂3、收缩管4、顶层泡沫金属强化层5、喷气转动件6、传动轴7、风扇8、导管9及第一滚动轴承10。整个冷却装置可以放置在芯片上，用于冷却芯片，图中底部箭头代表芯片的散热。

收缩管4设置在密封腔体1中，其底部焊接在密封腔体1的底部上。底层泡沫金属2设置于密封腔体1的底面，收缩管4罩住底层泡沫金属2。制冷剂3通过导管9注入密封腔体1中。顶层泡沫金属强化层5包括外层泡沫金属强化层51及内层泡沫金属强化层52，与密封腔体1的顶层紧密贴合。喷气转动件6的一端与收缩管4的顶部相连接，另一端与传动轴7相连接，用于驱动风扇8转动。

以下将详细介绍各部件以及各部件的连接关系。

如图1所示，密封腔体1为圆柱形腔体，且其顶部加工为抛物面，底面为平面。在顶部的内表面上涂有疏水涂层，以利于制冷剂3在顶部冷凝后可迅速沿抛物面成股流下。顶部上装有第一滚动轴承10，用以固定传动轴7，第一滚动轴承10中填有固态润滑油，起润滑和密封的作用。密封腔体1可由金属板焊接而成，金属板的材料可以为铜、铝或其他金属。

在本较佳实施例中，密封腔体1的各个壁面都由厚度为1mm的铜板焊接而成，密封性良好。密封腔体1的圆柱段的半径为50mm，抛物面高20mm，抛物面底端到密封腔体1的底面的距离为170mm。制冷剂3可以采用乙醇或R123，导管9为一根圆管，其穿透密封腔体1的顶部，从而安装在密封腔体1上，其直径为6mm，其装有阀门，以进行使密封腔体1真空、充注制冷剂3及使密封腔体1密封等操作。

底层泡沫金属2和顶层泡沫金属强化层5中的泡沫金属采用泡沫铜，其孔径为0.05mm～5mm，孔隙率为90％。泡沫金属通过焊接的方式与密封腔体1的壁面连接。焊接方式为：在壁面板与泡沫金属之间铺一层焊锡，然后高温加热使焊锡熔化，熔融的焊锡填补了泡沫金属与壁面之间的间隙，冷却以后，泡沫金属与壁面板紧密贴合。

底层泡沫金属2加工成锯齿状，以利于形成发泡核心和使气泡的脱离，强化了沸腾换热。顶层泡沫金属5的外层泡沫金属强化层51及内层泡沫金属强化层52分别布置在密封腔体1的顶部的内表面和顶部的外表面上，厚度均为10mm。顶层泡沫金属5不进行特殊加工，仅切割成与顶部一样的抛物线形，使泡沫金属与顶层紧密贴合。内层泡沫金属强化层52的作用是强化腔体内沸腾形成的制冷剂蒸汽冷凝，外层泡沫金属强化层51的作用是增强外壁面与外部环境的换热。

如图1及图2所示，收缩管4罩在底层泡沫金属2上，分为收缩段41和圆筒段42，在本实施例中，收缩段41与圆筒段42通过焊接的方式相连接，过渡光滑。

收缩管4的作用是收集沸腾蒸汽，如图1中的细箭头所示，并将蒸汽引入喷气转动件6。收缩段41的轮廓为上窄下宽的光滑曲线，顶部与喷气转动件6相连接。圆筒段42的底部与密封腔体1的底面焊接在一起，且具有多个孔洞421，这些孔洞421的高度低于制冷剂3的高度，从而既可使制冷剂3自由通过，又可防止蒸汽经过孔洞421进入收缩管4与密封腔体1的间隙中。在本较佳实施例中，收缩管4高130mm，收缩段41高80mm，圆筒段42高50mm，半径45mm。

请同时参考图3至图5，喷气转动件6包括气腔61及三根中空的喷气管62，每根喷气管62的末端皆具有喷嘴621，且三个喷嘴的方向一致。气腔61的顶部通过传动轴7与外部的风扇8相连，三根喷气管均匀分布在气腔61的周围并与气腔61相连通。为了减少转动阻力，喷气转动件6可由塑料等轻质材料制成。

喷气转动件6与收缩管4的收缩段41通过第二滚动轴承11相连接，第二滚动轴承11中填充有固态润滑油，起润滑和密封的作用，由于收缩管4的内外压差不大，填充的固态润滑油可以实现有效的密封，接触处经光滑处理，并涂有润滑油。在本较佳实施例中，气腔61为顶部呈半球状的圆柱体，其直径为10mm，高20mm；喷气管62长35mm，内外径分别为4mm、6mm。

以下介绍冷却装置具体的工作原理。在操作前需打开导管3的阀门，进行抽真空，待密封腔体1真空后，通过导管9充注制冷剂3，充注结束后关闭阀门，使腔体密封。当冷却装置工作时，密封腔体1的底部紧贴芯片。当芯片向腔体底面散热，热量由紧贴密封腔体1的底面的底层泡沫金属2传至制冷剂3中，制冷剂3中积累的热量不断增加，温度不断升高，当达到制冷剂3的沸点温度时，制冷剂3开始沸腾。由于相变换热的换热系数远大于单相的换热，而且泡沫金属具有很大的比表面积，具有极大的强化换热的作用，因此可以显著的增加换热量，使芯片快速冷却。

产生的沸腾蒸汽增加了收缩管4内的压力，使收缩管4内外产生压差，收缩管4内外仅通过上部的喷嘴10相连通，在压差的作用下，蒸汽沿着收缩管4向上流动。在收缩管4的引流作用下，蒸汽进入气腔61，并经过喷气管62，最后由喷嘴621喷出。喷出的蒸汽产生了与蒸汽方向相反的转矩，三根喷气管62的转矩方向相同，相加成为总转矩，使喷气转动件6转动，并通过传动轴7将转动传递给密封腔体1外部的风扇8，驱动风扇8转动。

喷嘴621喷出的蒸汽流到顶部时与外部环境发生热交换，蒸汽放热冷凝，热量散发到外部空间，冷凝液沿着密封腔体1的弧形顶部流下，进入底部液池中。密封腔体1的顶部内外两侧的泡沫金属层5都增大了换热面积、增强了气体扰动，强化了换热。外部风扇8被蒸汽驱动而转动，强制空气对流，增大了顶部外侧与空气的对流换热系数，使喷嘴621喷出的蒸汽更易冷凝。

综上所述，本较佳实施例中的芯片冷却装置利用锯齿状泡沫金属强化沸腾传热，不但使散热量显著增大，而且沸腾蒸汽还为外部风冷风扇提供动力。这样不但大大增强了装置的冷却能力，而且充分利用了芯片散发的废热来增强换热，其效果明显优于普通的单相冷却装置。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于泡沫金属强化沸腾换热的芯片冷却装置，其特征在于，包括密封腔体、底层泡沫金属、制冷剂、收缩管、喷气转动件、传动轴及风扇；所述密封腔体中盛有所述制冷剂，所述底层泡沫金属呈锯齿状，设置于所述密封腔体内，并紧贴所述密封腔体的底部；所述收缩管位于所述密封腔体中并罩住所述底层泡沫金属，所述喷气转动件的一端与所述收缩管的顶部相连接，另一端与所述传动轴相连接，所述喷气转动件具有气腔及多根喷气管，所述气腔与所述收缩管及所述这些喷气管相连通，所述这些喷气管各自具有方向一致的喷嘴；所述传动轴与所述风扇相连接。

2.根据权利要求1所述的芯片冷却装置，其特征在于，还包括顶层泡沫金属强化层，所述顶层泡沫金属强化层包括外层泡沫金属强化层及内层泡沫金属强化层，分别通过焊接的方式设置在所述密封腔体的顶部的外表面和所述顶部的内表面上。

3.根据权利要求2所述的芯片冷却装置，其特征在于，其中所述密封腔体为圆柱形腔体，所述密封腔体的所述顶部为抛物面且所述顶部的内表面上具有疏水涂层，所述密封腔体的底面为平面。

4.根据权利要求3所述的芯片冷却装置，其特征在于，其中所述顶层泡沫金属强化层的形状为与所述密封腔体的所述顶部相对应的抛物线形。

5.根据权利要求1所述的芯片冷却装置，其特征在于，其中所述收缩管包括收缩段和圆筒段，所述收缩段的轮廓为上窄下宽的光滑曲线，所述收缩段与所述圆筒段相连接，所述圆筒段的底部具有多个孔洞。

6.根据权利要求1所述的芯片冷却装置，其特征在于，其中所述气腔为顶部呈半球状的圆柱体，所述喷气管均匀分布在所述气腔的周围。

7.根据权利要求6所述的芯片冷却装置，其特征在于，其中所述密封腔体的顶部还装有第一滚动轴承，用于固定所述传动轴；所述喷气转动件与所述收缩管通过第二滚动轴承相连接，所述第一滚动轴承和所述第二滚动轴承中填充有固态润滑油。

8.根据权利要求1所述的芯片冷却装置，其特征在于，其中所述密封腔体由金属制成。

9.根据权利要求1所述的芯片冷却装置，其特征在于，还包括导管，所述导管穿透所述密封腔体的顶部，安装于所述密封腔体上，所述导管还具有阀门，用于控制所述密封腔体与外界的连通。

10.根据权利要求1所述的芯片冷却装置，其特征在于，其中所述制冷剂为乙醇或R123，所述制冷剂的充注量为所述密封腔体的体积的1/8至1/3，并浸没所述底层泡沫金属。