CN104779226B - 带有导流通道的液冷式高热流密度器件散热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有导流通道的液冷式高热流密度器件散热器，其技术方案是：散热器由两层上盖和底托构成，底托作为注液腔，腔上顶面为正方形，从上顶面至腔底为斜坡状。注液腔内设有多边形的针柱矩阵列，矩阵列由四个宽边和四个窄边围成。阵列中每个针柱均为各自独立的柱体，矩阵列的四周均设有导流通道，注液腔上顶面的四个角设有开口盲孔，盲孔的开口处与注液腔相通。冷却液从两层上盖进液口进入，针柱矩阵列浸没在腔内，冷却液从中心向四周流动从第一层上盖出液通道排出。由于注液腔设有导流片，冷却液能够形成均匀的流场，可有效减小流动阻力。该液冷方式与传统水冷散热器相比可明显提高换热效率25％，可更有效地降低CPU芯片工作温度。

Description

带有导流通道的液冷式高热流密度器件散热器

技术领域

本发明属于热能工程领域，具体涉及一种具有高效传热效应的液冷式散热器装置。

背景技术

高性能计算机的CPU芯片可以作为高热流密度发热器件的典型代表，一台大型服务器通常具有几十枚甚至数百枚多核式CPU芯片，在强劲性能的背后，伴随着更高的发热量和热流密度，可以说CPU芯片的高效冷却问题已成为计算机性能进一步发展的桎俈。目前施用于高热流密度器件冷却的散热技术主要还是以风冷为主，即在被冷却器件的表面加装一个散热器，热量通过散热器上的翅片被强迫流动的冷风带走。众所周知，采用液冷却方式具有较高的传热效率，但是液冷式散热具有两大难点，一个是冷却液的渗漏；另外一个是因散热腔内液的流动阻力过大导致散热效率降低。前者属于加工的精度以及安装的问题，而后者将涉及到传热和流动的理论与技术。例如目前常用的一类液冷散热器，在液腔内加工(刻画状)出一个正方形或多边形的针柱矩阵，其主要作用是增大液腔内的换热面积以提高冷却效果。但是该类型散热器的缺陷是，每个针柱并不是各自独立的结构，并且针柱矮小、液腔底部相对较厚，该结构导致在针柱矩阵内无法形成液流通道。因此该结构除了加工问题以外，关键是传热和流动理论方面的欠缺。因此如何能够提高液冷式散热器的效率及性能，就成为国内外研究高热流密度器件冷却问题的难点。

发明内容

本发明的目的是，提出一种具有可减低流动阻力的液冷式高热流密度器件散热器，可有效提高高热流密度发热器件的散热性能。

为实现此发明目的而采取的技术方案是：散热器由第一、第二两层上盖和底托构成，第一层上盖的中心设有进液通道；进液通道的旁边设有出液通道。第二层上盖背面的中心设有凸台式进液口；第二层上盖的四角设有出液孔。底托内部作为注液腔，注液腔为正方形池，注液腔内设有多边形的针柱矩阵列，每个针柱均为各自独立的柱体。注液腔内的四个顶角设有开口盲孔，盲孔的开口处与注液腔相通。矩阵列的四周均设有导流通道，第二层上盖四个角的出液孔与第一层上盖的出液通道在水平方向错开。

除了底托的结构以外，在冷却液的流动方式上与已有技术的对比：散热器底托的底部与高热流密度器件紧密贴在一起，冷却液体从第一层上盖进液通道及第二层上盖的进液口进入。第二层上盖的作用是使流体在注液腔内的流动更加均匀，冷却液经第二层上盖四角的出液孔，返回第一层上盖的出液通道流出。这种冷却液的流动方式可使与散热器底面接触的CPU芯片得到充分冷却。注液腔是一个正方形的池体，针柱矩阵列浸没在腔内，由于注液腔设有导流片，所以冷却液能够形成非常均匀的流场。针柱的作用等同于热交换器的翅片，发热器件(以CPU芯片为例)的热量通过导热传至底托本体以及注液腔内的针柱，最后热量以(流体)对流的方式将热量散出。

根据发热器件的热负荷(热流密度)来调整冷却液的温度和流量，通过计算使其达到良好的参数匹配。由于导流的作用使得注液腔内产生的压降很小，根据传热学的原理可知，温度的分布或者说散热量的传递是由底托以及针柱的根部(翅根)向上进行，而冷却液体是由顶端向下流动，形成逆流换热，所以该结构能够具有较好的散热效果。针柱的主要作用并非是直接散热，而是将底托的热量以高导热的方式传出，最后通过冷却液将此热量散掉。

本发明的特点以及产生的有益效果是，底托注液腔内针柱矩阵列以及导流通道的设计，具有强化散热器传热的作用，尤其是矩阵列中的针柱加工为各自独立的结构，每一根针柱的温度梯度与来流液体的温度梯度相反，因而具有较强的换热效果。导流结构能够形成非常均匀的流场，可有效减小流动阻力。该液冷方式与传统水冷散热器相比可明显提高换热效率25％。该结构不仅可以散热器的体积大为减小，适用于计算机服务器窄小的空间，而且使得CPU芯片的均温效果更好，可以更有效地降低工作温度。

附图说明

图1是本发明中底托注液腔的原理与结构平面简图。

图2是图1的立体结构图。

图3是本发明中第一层上盖的立体结构图。

图4是本发明中第二层上盖的立体结构图。

图5是本发明中第一和第二层上盖组装后的结构图。

具体实施方式

以下结合附图并通过具体实施例对本发明的原理与结构作进一步的说明。需要说明的是本实施例是叙述性的，而不是限定性的，不以此实施例限定本发明的保护范围。

带有导流通道的液冷式高热流密度器件散热器，其具体结构是：散热器由第一层上盖1-1、第二层上盖1-2和底托2构成，第一层上盖的中心设有进液通道1-3；进液通道的旁边设有出液通道1-4。第二层上盖背面的中心设有凸台式进液口1-5，第二层上盖的四角设有出液孔1-6。底托内部作为注液腔3，注液腔为正方形池。注液腔内设有多边形的针柱矩阵列4，每个针柱均为各自独立的柱体，注液腔内的四个顶角设有开口盲孔5，盲孔的开口处与注液腔相通。矩阵列的四周均设有(由导流片构成的)导流通道6，第二层上盖四个角的出液孔与第一层上盖的出液通道在水平方向错开。

多边形的针柱矩阵列由四个宽边和四个窄边围成，宽边与注液腔四角的导流通道相对应；窄边与注液腔周边的导流通道相对应。底托四角方向的导流通道设有N个内弧形导流片7；注液腔周边的导流通道设有M个小椭圆形导流片8。多边形的针柱矩阵列其中心圆形区域针柱的高度低于周围针柱的高度；多边形的针柱矩阵列外围的高度低于注液腔上顶面；多边形的针柱矩阵列中部圆形区域所占的面积是多边形针柱矩阵列总面积的1/3～1/2。

第一层和第二层上盖的背面均是内凹形平面，第一层上盖的进液通道与第二层上盖的凸台式进液口位于同一中心线，并且第一层上盖的进液通道插入第二层上盖凸台式的进液口内，第二层上盖凸台式进液口的直径与多边形针柱矩阵列中部的圆形区域相等。冷却液由第一层进液通道和第二层凸台式进液口进入底托注液腔，然后沿导流通道向四角流动，升温后的冷却液经第二层上盖四角的出液口返回第一层上盖的出液通道。第一层上盖的进液通道以及出液通道均设有直角管路通道接口。

上盖是不透明的塑料材质，或者是透明的塑料材质。第一和第二层上盖之间，以及底托与第二层上盖之间均设有密封槽，密封槽内设有密封圈，两层上盖和底托通过螺钉紧固密封。

作为实施例，注液腔四个角的导流通道设有5个内弧形导流片；注液腔周边的导流通道设有2个窄小的小椭圆形导流片。两个上盖采用不透明的塑料材质。注液腔为典型的池状结构。多边形的针柱矩阵列中部针柱所占的面积是多边形针柱矩阵列总面积的1/3，针柱矩阵列其它部分占2/3。多边形的针柱矩阵列中心圆形区域针柱的高度为3mm；外围的高度为4mm；翅柱直径0.8mm；每个针柱间的距离为0.7mm。两个上盖与底托的面积为50×50mm；第一层上盖的厚度为11mm；第二层上盖等厚度为9mm；底托厚度为6mm。底托采用紫铜材料，注液腔内工作的液体是水。

使用时散热底托与被散热器件紧密接触固定，底托与被散热器件之间设有高导热率的热结合层材料。作为实施例，两个上盖采用透明的塑料材质进行实验检测与观察，证明液体的流动不存在“死区”。

Claims (8)

1.带有导流通道的液冷式高热流密度器件散热器，其特征是：散热器由第一层上盖(1-1)、第二层上盖(1-2)和底托(2)构成，第一层上盖的中心设有进液通道(1-3)；进液通道的旁边设有出液通道(1-4)，第二层上盖背面的中心设有凸台式进液口(1-5)；第二层上盖的四个角设有出液孔(1-6)，底托内部作为注液腔(3)，注液腔为正方形池，注液腔内设有多边形的针柱矩阵列(4)，每个针柱均为各自独立的柱体，注液腔内的四个顶角设有开口盲孔(5)，盲孔的开口处与注液腔相通，矩阵列的四周均设有导流通道(6)，第二层上盖四个角的出液孔与第一层上盖的出液通道在水平方向错开。

2.按照权利要求1所述的带有导流通道的液冷式高热流密度器件散热器，其特征是：所述多边形的针柱矩阵列由四个宽边和四个窄边围成，宽边与所述注液腔四角的导流通道相对应；窄边与注液腔周边的导流通道相对应。

3.按照权利要求1所述的带有导流通道的液冷式高热流密度器件散热器，其特征是：所述多边形的针柱矩阵列其中心圆形区域针柱的高度低于周围针柱的高度；多边形的针柱矩阵列外围的高度低于注液腔上顶面；多边形的针柱矩阵列中部圆形区域所占的面积是多边形针柱矩阵列总面积的1/3～1/2。

4.按照权利要求1或2所述的带有导流通道的液冷式高热流密度器件散热器，其特征是：所述底托四角方向的导流通道设有N个内弧形导流片(7)；所述注液腔周边的导流通道设有M个小椭圆形导流片(8)。

5.按照权利要求1或2或3所述的带有导流通道的液冷式高热流密度器件散热器，其特征是：所述第一层和第二层上盖的背面均是内凹形平面，第一层上盖的进液通道与第二层上盖的凸台式进液口位于同一中心线，并且第一层上盖的进液通道插入第二层上盖凸台式的进液口内，第二层上盖凸台式进液口的直径与多边形针柱矩阵列中部的圆形区域相等，冷却液由第一层进液通道和第二层凸台式进液口进入所述底托注液腔，然后冷却液沿导流通道向四角流动，升温后的冷却液经第二层上盖的四角出液孔返回第一层上盖的出液通道，所述第一层上盖的进液通道和出液通道均设有直角管路通道接口。

6.按照权利要求1所述的带有导流通道的液冷式高热流密度器件散热器，其特征是：所述第一和第二层上盖之间，以及底托与第二层上盖之间均设有密封槽，密封槽内设有密封圈，所述两层上盖和底托通过螺钉紧固密封。

7.按照权利要求1所述的带有导流通道的液冷式高热流密度器件散热器，其特征是：所述上盖是不透明的塑料材质，或者是透明的塑料材质。

8.按照权利要求1所述的带有导流通道的液冷式高热流密度器件散热器，其特征是：所述底托采用紫铜材料；所述注液腔内的冷却液体是水。