CN107658279A - 一种带封条的肋片型散热器 - Google Patents

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杨景珊
刘伟
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Abstract

本发明属于散热器领域，并公开了一种带封条的肋片型散热器。该散热器包括基板、肋片和封条，基板和肋片均由高导热系数材料制成，每块肋片均与基板垂直，相邻的肋片之间的空隙形成空气流道，其中，肋片的侧面为进风口，该肋片的顶端为出风口，空气从肋片的侧面流入，经过空气流道从肋片的顶端流出，或者肋片的侧面为出风口，顶端为进风口；封条设置在肋片侧面的上端，该封条与基板等宽，使得肋片的出风口/进风口的面积减小，从而改变空气在空气流道中的流向和速度大小。通过本发明，有效强化散热器的传热性能，降低电子器件的热点温度。

Description

一种带封条的肋片型散热器
技术领域
本发明属于散热器领域，更具体地，涉及一种带封条的肋片型散热器。
背景技术
随着电子技术的进步，单个电子器件在运行时释放的热功率急剧上升。例如，单个中央处理器(CPU)的发热功率早已突破100W，单位面积的功率更是高达104-105W/m2。电子器件的工作性能受温度影响较大，高温下金属的电子迁移会给电子元件造成不可逆的伤害。为了保证电子器件的正常工作，延长其使用寿命，必须保证电子器件的最高温度不能超过某个临界值。例如，CPU的最高温度不能超过85℃。目前，电子器件冷却有风冷、水冷、热管(相变)、半导体制冷等多种方式，但是，最普遍的冷却方式仍然是风冷散热器，这是因为这种方式具有安全可靠，成本低等显著优点。其基本工作原理是：将肋片型散热器的基板粘接(或焊接)在电子器件上，再由风扇产生的气流与散热器的肋片表面进行对流换热，达到对电子器件冷却降温的目的。其中，风扇的运行方式主要分为吹风式和吸风式两种。
由于空气的导热系数低，传统的平直翅片型散热器越来越难以满足更高的散热需求，为此，许多学者在散热器优化方面做了大量工作。文献调研表明，这些优化方法大都是通过改变翅片形状、削减边界层厚度、增加扰流，以增大对流换热系数。例如，李小跃等对翅片开缝的散热器在不同功率和不同风速下进行了数值研究，发现由于边界层的减薄，翅片开缝后散热器性能明显提高，并且存在一个最佳的开缝间距。伊丽娜等提出一种打断翻折型翅片结构，这种新型结构减薄了边界层、增加了流体扰动，使得散热器上的温度场和换热更加均匀，秦襄培等研究了翅片不同角度对CPU散热效果的影响，发现不同角度的翅片对散热器的效果均有一定影响。
以上这些改进方式虽然均具有一定的效果，但由于翅片结构变得非常复杂，对加工技术提出了更高的要求，需要改变原来的加工工艺；另一方面，散热器的成本也随之增加，使得整个电子设备的价格升高，更为重要的是，已有的设计没有针对电子器件散热的核心问题，即器件并不是整体超温，而往往只是由于不恰当的散热器结构设计，造成流场不合理而导致电子器件局部过热。因此，设计开发结构简单合理、能够有效消除局部热点的新型肋片型散热器，对于高热流密度的电子器件的发展仍然是一个重要而迫切的课题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种带封条的肋片型散热器，通过在肋片的上端设置封条的形式，减小进风口/出风口的面积，使得散热器中的空气的流向和流速发生改变，由此解决电子器件局部过热的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种带封条的肋片型散热器，所述散热器包括基板、肋片和封条，其特征在于，
所述基板上设置有多个并行排列的肋片，并且每块所述肋片均与所述基板垂直，相邻的所述肋片之间的空隙形成空气流道，其中，所述肋片的侧面为进风口，该肋片的顶端为出风口，空气从所述肋片的侧面流入，经过所述空气流道从所述肋片的顶端流出，或者所述肋片的侧面为出风口，顶端为进风口；
所述封条设置在所述多个并行排列的肋片侧面的上端，该封条与所述基板等宽，使得所述出风口/进风口的面积减小，从而改变空气在所述空气流道中的流向和速度大小。
进一步优选地，所述封条的高度优选采用为所述肋片高度的1/2～1/3。
进一步优选地，所述空气流道的高度宽度之比优选采用1/30～1/10。
进一步优选地，进入所述进风口的风速优选采用1m/s～5m/s。
进一步优选地，所述金属基板的热流密度优选采用13000W/m2～17000W/m2。
进一步优选地，所述基板和肋片所采用的材料均优选采用铝或者铜。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明通过在肋片的上端设置封条，与现有技术相比，在流量相同的前提下，由于进风口(或出风口)截面积的减小，空气的进口(或出口)速度增大，贴近散热器基板(即靠近电子器件)的气流速度大大增加，起到强化换热的效果，同时，气流在肋片间行程和停留时间变长，且气流在散热器中心区域的速度增大，有效地降低了热点温度，带走更多的热量，提高冷却效果；
2、本发明通过采用高度为肋片高度1/2～1/3的封条，一方面能够有效地提高空气通道内中心高温区域的流速，另一方面可以避免在封条后面形成较大的回流区和低速区，达到较好的降低电子器件热点温度的目的；
3、本发明通过采用高宽比为1/30～1/10的空气流道，一方面能够保证空气与肋片间较好的对流换热效果，另一方面能够获得较高的肋片热效率，从而获得理想的散热效果；
4、本发明通过采用风速为1m/s～5m/s的空气进入进风口，既能达到降温要求，不会造成电子器件超温；也不至于超出风扇的最大压头，同时还可以避免产生较大的噪声；
5、本发明通过采用13000W/m2～17000W/m2的金属基板热流密度，可以充分体现本发明在较大热流密度下与传统技术的比较优势。
附图说明
图1是按照本发明的优选实施例所构建的现有技术中的散热器结构示意图；
图2是按照本发明的优选实施例所构建的本发明的散热器结构示意图；
图3是按照本发明的优选实施例所构建的一个肋片上封条的结构示意图；
图4是按照本发明的优选实施例所构建的现有技术散热器中的速度场示意图；
图5是按照本发明的优选实施例所构建的本发明散热器中速度场示意图；
图6是按照本发明的优选实施例所构建的空气流量为100ml/s时，不同封条高度下本发明的散热器最高温度的降低幅度随热负荷的变化图；
图7是按照本发明的优选实施例所构建的空气流量为200ml/s时，不同封条高度下本发明的散热器最高温度的降低幅度随热负荷的变化图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-基板 2-封条 3-肋片
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1是按照本发明的优选实施例所构建的现有技术中的散热器结构示意图，如图1所示，现有技术的散热器由一块基板和25块矩形直肋片组成24个空气流道。其中肋片长度为L＝100mm、肋片宽度为b＝1.05mm、肋片高度为hf＝35mm，散热器总的高度为H＝40mm，材料为铝金属，空气从两侧进风，顶部流出。
图2是按照本发明的优选实施例所构建的本发明的散热器结构示意图，图3是按照本发明的优选实施例所构建的一个肋片上封条的结构示意图，如图2和3所示，散热器包括基板1、封条2和肋片3，hp为封条高度，金属基板1上设置有多个并行排列的肋片，并且每块肋片均与基板垂直，相邻的肋片之间的空隙形成空气流道。其中，肋片的侧面为进风口，该肋片的顶端为出风口，空气从肋片的侧面流入，经过空气流道从肋片的顶端流出；封条设置在肋片侧面的上端，该封条与基板等宽，使得肋片的进风口面积减小，从而改变空气在流道中的流向和速度大小。此外，加装的两块封条既可以采用与金属基板相同的材料薄片做成，也可以采用更廉价和更轻质的材料，因此，基本上不会增加散热器的重量和成本，此外，基板与肋片均采用高导热系数材料制作，譬如铝或者铜，高导热系数的材料采用使得散热更快。
图4是按照本发明的优选实施例所构建的现有技术散热器中的速度场示意图，如图4所示，图中是以热负荷Q＝30W，进风量为300ml/s的工况作为算例，传统肋片型散热器的单个流道内的速度场，从图3可以看出，空气进入肋片间的流道后，在顶部风扇的抽吸作用下，流动方向逐渐转向上方(即出风口)，速度大小也从两侧进风口向流道中心区域逐渐降低，其中最大速度为3m/s，中间偏下方区域流速非常低，使得此处的散热发生恶化，是固体壁面和电子器件温度最高的地方，即“热点”。
图5是按照本发明的优选实施例所构建的本发明散热器中速度场示意图，如图5所示，图中是与图4对应工况下、加装进口封条的本发明散热器的单个通道内的流场图；与图4相比较可以发现，散热器进口上端加装15mm的封条后，流道下部和中心区域的气流速度显著增大，最大速度变成了6m/s。因此，有望降低热点温度，本发明中的散热器着眼于降低电子器件的热点温度，而不是整个温度场。具体效果见图6和图7。
图6是按照本发明的优选实施例所构建的空气流量为100ml/s时，不同封条高度下本发明的散热器最高温度的降低幅度随热负荷的变化图，如图6所示，图中是空气流量为100ml/s时，不同封条高度下散热器最高温度的降低幅度(与无封条散热器相比较)随热负荷的变化图。从图6可见，加装进口封条后，散热器最高温度均有不同幅度的降低，且热负荷越大，降温幅度越大，Q＝120W时，最高温度降低幅度达7.5℃。这说明本发明对高热负荷的电子器件散热有很好的改善效果。此外，由图6还可以看出，空气流量为100ml/s时，封条宽度hp＝20mm的降温效果最佳。
图7是按照本发明的优选实施例所构建的空气流量为200ml/s时，不同封条高度下本发明的散热器最高温度的降低幅度随热负荷的变化图，如图7所示。从图可见，仍然是高热负荷工况下(Q＝120W)加装封条的降温效果最好。但是，该流量下对应的最佳封条宽度为hp＝15mm。这说明最佳封条高度随空气流量而变化。
由上述可知，散热器的进风口(或出风口)上部加装了一定高度的封条，该封条的最佳高度与空气的流量以及空气通道的高宽比有密切关系：空气流量越大，封条最佳高度变小；空气通道的高宽比增大，封条最佳高度随之变大。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种带封条的肋片型散热器，该散热器包括基板、肋片和封条，其特征在于，
所述基板上设置有多个并行排列的肋片，并且每块所述肋片均与所述基板垂直，相邻的所述肋片之间的空隙形成空气流道，其中，所述肋片的侧面为进风口，该肋片的顶端为出风口，空气从所述肋片的侧面流入，经过所述空气流道从所述肋片的顶端流出，或者所述肋片的侧面为出风口，顶端为进风口；
所述封条设置在所述多个并行排列的肋片侧面的上端，该封条与所述基板等宽，使得所述出风口/进风口的面积减小，从而改变空气在所述空气流道中的流向和速度大小。
2.如权利要求1所述的一种带封条的肋片型散热器，其特征在于，所述封条的高度优选采用为所述肋片高度的1/2～1/3。
3.如权利要求1或2所述的一种带封条的肋片型散热器，其特征在于，所述空气流道的高度与宽度之比优选采用1/30～1/10。
4.如权利要求1-3任一项所述的一种带封条的肋片型散热器，其特征在于，进入所述进风口的风速优选采用1m/s～5m/s。
5.如权利要求1-4任一项所述的一种带封条的肋片型散热器，其特征在于，所述金属基板的热流密度优选采用13000W/m2～17000W/m2。
6.如权利要求1-5任一项所述的一种带封条的肋片型散热器，其特征在于，所述基板和肋片所采用的材料均优选采用铝或者铜。
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