CN108615714A - 一种重力回流热柱式芯片散热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种重力回流热柱式芯片散热器，它包括具有密闭真空腔室的热柱和翅片，所述翅片安装在所述热柱上，在热柱内充装有相变工质，所述真空腔室的底面为与芯片相贴合的受热面，相变工质吸热后蒸发，经过翅片风冷换热冷凝成液态，依靠自身重力沿真空腔室内壁回流，完成一个循环过程。本发明采用安全环保且与电子设备兼容的相变工质作为传热工质，为简单的蒸发回流结构，杜绝了泄露安全隐患，运行安全可靠，且散热效率高，简化了散热器结构，本发明只需要使用简单的机加工设备、焊接设备和抽真空灌装设备即可制作完成，相比于现有热管散热器由于具有毛细芯结构而需要采用烧结工艺、使用烧结设备相比，使得制作成本大大降低，适于大规模应用。

Description

一种重力回流热柱式芯片散热器

技术领域

本发明涉及一种芯片散热器，尤其涉及一种重力回流热柱式芯片散热器。

背景技术

目前，个人电脑和服务器等计算通讯设备的风冷散热装置，多采用热管翅片式的热管散热器，经过多年的发展，热管散热器以其重量轻、散热效果好，并随着规模化生产、成本不断下降的优势，成为了风冷散热的不二选择。

热管散热器为了实现高效传热特性，需要烧结毛细结构，并且要求抽真空之后，灌装防冻工作介质(一般为水或乙二醇混合液)。热管散热器依靠规模化生产降低成本，但是热管的制作工艺较为复杂，生产设备和人工投入成本高，而且防冻工作介质为水或乙二醇，如果泄露，会对设备造成严重损坏，因此存在安全隐患。

近来，随着电脑和服务器性能飙升，单机功率密度呈逐年递增趋势，而风冷散热器囿于电脑服务器空间有限，使其散热性能的提升无法与设备功率的增加相匹配。液冷散热器是一种能够实现良好散热和节能效果的散热方式。液冷散热器包括冷板、喷淋和浸没式液冷。其中，冷板是采用液冷板贴合芯片的方式，防冻液体工质在冷板内流动，将芯片热量带到外部换热，但是，防冻液体工质中含有水，对电子设备存在着安全隐患，所以冷板散热器的密封要求高，使得服务器非常昂贵，喷淋液冷的工质采用与电子设备兼容的导热油类物质，在不改变现有服务器结构的前提下，需要解决设备密封问题，防止工质散溢。浸没式液冷是一种新兴的液冷方式，需要改变现有服务器结构，对现有机房形式改动较大，浸没式液冷技术正处于技术完善上升期。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、成本低、散热效率高、运行可靠、无安全隐患的重力回流热柱式芯片散热器。

本发明的上述目的可以通过以下措施来实现：一种重力回流热柱式芯片散热器，其特征在于：它包括具有密闭真空腔室的热柱和翅片，所述翅片安装在所述热柱上，在所述热柱内充装有相变工质，所述真空腔室的底面为与芯片相贴合的受热面，相变工质吸热后蒸发，经过翅片风冷换热冷凝成液态，依靠自身重力沿真空腔室内壁回流，完成一个循环过程。

本发明采用安全环保且与电子设备兼容的相变工质作为传热工质，为简单的蒸发回流结构，杜绝了泄露安全隐患，运行安全可靠，且散热效率高，简化了散热器结构，本发明只需要使用简单的机加工设备、焊接设备和抽真空灌装设备即可制作完成，相比于现有热管散热器由于具有毛细芯结构而需要采用烧结工艺、使用烧结设备相比，使得制作成本大大降低，适于大规模应用。

作为本发明的一种优选实施方式，所述相变工质采用全氟己酮，分子式C6F12O，熔点-108℃，沸点48℃，也可以采用改性石蜡；如果热柱可以承受更高的压力，还可以选用七氟丙烷、R134a和R410a等安全环保无毒低温制冷剂，这些工质都与电子元件兼容，不用担心泄露事故，保证电子元件的稳定性。

本发明所述相变工质的充装量占所述热柱容积的20％～95％。

作为本发明的一种实施方式，所述热柱主要由一筒体状的空心柱、盖板和用于与芯片贴合的基板组成，所述盖板设于空心柱的上端，所述基板设于空心柱的下端形成所述的密闭真空腔室，所述翅片为数片且套装在所述空心柱上，各翅片沿空心柱的高度方向排布。

作为本发明的另一种实施方式，所述热柱主要由多根顶端封闭的空心柱和具有空腔的底座组成，所述空心柱和底座相通，所述底座的空腔和空心柱内部形成所述的密闭真空腔室，所述底座的底面为用于与芯片贴合的基板，所述翅片为数片且套装在所述空心柱上，各翅片沿空心柱的高度方向排布。

作为本发明的一种改进，在所述空心柱的内壁上设有数条竖向的沟槽，可以增大换热面积和便于相变工质回流，各沟槽沿空心柱内壁圆周平行排布。

作为本发明的一种优选实施方式，所述基板的内表面上分布有凹坑。所述凹坑的深度为0.2～1.0mm，孔径为0.1～1.0mm，凹坑内液态的相变工质相对独立，可以在加热瞬间达到更高的温度，以提高液体过热度从而加快相变，因此可强化相变效果。

为了克服现有液冷散热器结构所存在的缺陷，作为本发明的一种改进，在所述空心柱内设有至少一个冷却盘管，所述冷却盘管内充装有冷却液，所述冷却盘管主要由盘绕部分、用于接入冷却液的进液管和用于将与相变工质换热后的冷却液导出的出液管组成，所述盘绕部分与进液管、出液管相连通，且所述盘绕部分与真空腔室的内壁不接触，所述进液管和出液管分别穿出真空腔室用于连接外部的液冷管路；相变工质吸热后蒸发，由翅片风冷换热，实现低热量的散热，同时/或者通过冷却液流经冷却盘管，与热柱内相变工质换热带走热量实现高热量的散热。

本发明采用风冷相变换热和液冷换热复合形式，类似于液冷板方式，相变工质是与电子设备兼容的低沸点工质，当芯片发热功率小时或是冷却泵出现故障时，单靠风冷换热可解决换热问题或是支撑一段时间，以便数据保存或是系统不停机维修；当芯片发热量增大时，可关闭风机，开启冷却泵，冷却液流经冷却盘管内部，将热柱内的热量通过冷却液带走。或者也可不关闭风机，同时使用风冷相变换热和液冷换热，系统稳定性更佳，服务器或电脑没有安全风险，相对于单纯风冷和冷板的方案，系统的节能性更好。

作为本发明的一种改进，所述冷却盘管的进液管和出液管的管口位于服务器机箱上，外部的液冷管路与进液管和出液管的管口之间采用快接插头形式，因此，不需要因为液冷结构而改变现有服务器结构，系统安装可维护性好。

本发明所述冷却液是全氟己酮或高闪点导热油，高闪点导热油可采用硅油等。如果真空腔室的承压密封性允许，相变工质和冷却液也可以是七氟丙烷、R134a和R410a等低温安全环保工质。

与现有技术相比，本发明具有如下显著的效果：

⑴本发明采用安全环保且与电子设备兼容的相变工质作为传热工质，为简单的蒸发回流结构，杜绝了泄露安全隐患，运行安全可靠。

⑵本发明散热效率高，简化了散热器结构，本发明只需要使用简单的机加工设备、焊接设备和抽真空灌装设备即可制作完成，相比于现有热管散热器由于具有毛细芯结构而需要采用烧结工艺、使用烧结设备相比，使得制作成本大大降低，适于大规模应用。

⑶本发明采用风冷相变换热和液冷换热复合形式，系统稳定性更佳，服务器或电脑没有安全风险，相对于单纯风冷和冷板的方案，系统节能性更好。

⑷本发明在空心柱的内壁上设有数条竖向的沟槽，可以增大换热面积和便于相变工质回流。

⑸本发明的基板的内表面上分布有可强化相变效果的凹坑。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对发明作进一步的详细说明。

图1是本发明实施例1的立体结构示意图；

图2是本发明实施例1的侧视图；

图3是本发明实施例1的热柱的装配结构示意图；

图4是本发明实施例1的基板的结构示意图；

图5是本发明实施例2的立体结构示意图；

图6是本发明实施例2的侧视图；

图7是本发明实施例3的立体结构示意图；

图8是本发明实施例3的侧视图；

图9是本发明实施例3的装配结构示意图。

具体实施方式

实施例1

如图1～4所示，是本发明一种重力回流热柱式芯片散热器，它包括具有密闭真空腔室的热柱1和翅片2，热柱1采用紫铜材料或铝材制作，翅片2采用铝材制作，热柱1主要由一筒体状的空心柱3、盖板4和用于与芯片贴合的基板5组成，盖板4焊接在空心柱3的上端，基板5焊接在空心柱3的下端形成密闭真空腔室，基板5即为真空腔室的底面，其是与芯片相贴合的受热面，翅片2为数片且套装在空心柱3上，各翅片2沿空心柱3的高度方向平行排布。在空心柱3内充装有相变工质，相变工质通过盖板4上焊接的充装口12装入空心柱3中。相变工质的充装量占空心柱3容积的20％～95％。相变工质吸热后蒸发，经过翅片2风冷换热冷凝成液态，依靠自身重力沿真空腔室内壁回流，完成一个循环过程。

热柱抽真空后，充装相变工质，相变工质首选全氟己酮，分子式C6F12O，熔点-108℃，沸点48℃，具有抗冻，易蒸发，沸腾压力低等优点，对热柱结构强度，密封要求都较低，且性能并不比低温工质差；在其它实施例中，相变工质也可以采用改性石蜡。如果热柱可以承受更高的压力，还可以选用七氟丙烷、R134a和R410a等安全环保无毒低温制冷剂，这些工质都与电子元件兼容，杜绝了泄露安全隐患，保证电子元件的稳定性，运行安全可靠。

在空心柱3的内壁上设有数条竖向的沟槽6，各沟槽6沿空心柱内壁圆周平行排布。沟槽可以增大换热面积和便于工质回流。

基板5的内表面上分布有凹坑8。凹坑8的深度为0.2～1.0mm，横截面为圆形或其它各种形状，直径为0.1～1.0mm，凹坑内液态的相变工质相对独立，可以在加热瞬间达到更高的温度，以提高液体过热度从而加快相变，因此可强化相变效果。在凹坑8的外围设有环形的卡槽9，空心柱3的下端卡合在卡槽9内并焊接固定连为一体，基板5的边缘由空心柱3的下端边沿向外延伸成一为环形面的延伸边7，以增大与芯片的接触面，提高散热效率。

实施例2

如图5和6所示，本实施例与实施例1的不同之处在于：热柱1主要由多根顶端封闭的空心柱10和具有空腔的底座11组成，空心柱10和底座11相通，底座11的空腔和空心柱10内部形成密闭真空腔室，底座11的底面为用于与芯片贴合的基板5，翅片2为数片且套装在空心柱10上，各翅片2沿空心柱10的高度方向平行排布。

实施例1中的热柱是一根较粗的空心柱，而本实施例的热柱包括多根空心柱，这些空心柱是较细的沟槽铜管，即在空心柱的内壁上设有数条竖向的沟槽，各沟槽沿空心柱内壁圆周平行排布。与实施例1相比，本实施例虽然制作复杂一些，但是可以利用增大换热面积及减小流动阻力，提高换热效果。

实施例3

如图7～9所示，本实施例与实施例1的不同之处在于：在空心柱3内设有一个冷却盘管13，冷却盘管13内充装有冷却液，冷却液是全氟己酮或高闪点导热油，高闪点导热油可采用硅油等。冷却盘管13主要由盘绕部分14、用于接入冷却液的进液管15和用于将与相变工质换热后的冷却液导出的出液管16组成，盘绕部分14与进液管15、出液管16相连通，具体是冷却盘管13由进液管15向上盘绕成盘绕部分14，再从盘绕部分14所围括的空间内向下伸出直管段与出液管16相连，盘绕部分14与真空腔室的内壁不接触，进液管15和出液管16分别穿出真空腔室用于连接外部的液冷管路；相变工质吸热后蒸发，由翅片2风冷换热，实现低热量的散热，同时/或者通过冷却液流经冷却盘管13，与热柱1内相变工质换热带走热量实现高热量的散热。

热柱内的相变工质是与电子设备兼容的低沸点工质，可具体采用全氟己酮或改性石蜡，如果真空腔室的承压密封性允许，相变工质和冷却液也可以是七氟丙烷、R134a和R410a等低温安全环保工质。

本实施例采用风冷相变换热和液冷换热复合形式，当芯片发热功率小时或是冷却泵出现故障时，单靠风冷换热可解决换热问题或是支撑一段时间，以便数据保存或是系统不停机维修；当芯片发热量增大时，可关闭风机，开启冷却泵，冷却液流经冷却盘管内部，将热柱内的热量通过冷却液带走。或者也可不关闭风机，同时使用风冷相变换热和液冷换热，系统稳定性更佳，服务器或电脑没有安全风险，相对于单纯风冷和冷板的方案，系统的节能性更好。

冷却盘管13的进液管15和出液管16的管口位于服务器机箱上，外部的液冷管路与进液管15和出液管16的管口之间采用快接插头形式，因此，不需要因为液冷结构而改变现有服务器结构，系统安装可维护性好。

根据实际需要的散热效果，也可以在空心柱内设有两个或两个以上的冷却盘管。

本发明的实施方式不限于此，根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明的热柱和翅片的具体结构、相变工质、冷却液等还具有其它的实施方式。因此，本发明还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更，均落在本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种重力回流热柱式芯片散热器，其特征在于：它包括具有密闭真空腔室的热柱和翅片，所述翅片安装在所述热柱上，在所述热柱内充装有相变工质，所述真空腔室的底面为与芯片相贴合的受热面，相变工质吸热后蒸发，经过翅片风冷换热冷凝成液态，依靠自身重力沿真空腔室内壁回流，完成一个循环过程。

2.根据权利要求1所述的重力回流热柱式芯片散热器，其特征在于：所述相变工质采用全氟己酮或改性石蜡。

3.根据权利要求2所述的重力回流热柱式芯片散热器，其特征在于：所述热柱主要由一筒体状的空心柱、盖板和用于与芯片贴合的基板组成，所述盖板设于空心柱的上端，所述基板设于空心柱的下端形成所述的密闭真空腔室，所述翅片为数片且套装在所述空心柱上，各翅片沿空心柱的高度方向排布。

4.根据权利要求2所述的重力回流热柱式芯片散热器，其特征在于：所述热柱主要由多根顶端封闭的空心柱和具有空腔的底座组成，所述空心柱和底座相通，所述底座的空腔和空心柱内部形成所述的密闭真空腔室，所述底座的底面为用于与芯片贴合的基板，所述翅片为数片且套装在所述空心柱上，各翅片沿空心柱的高度方向排布。

5.根据权利要求3所述的重力回流热柱式芯片散热器，其特征在于：在所述空心柱内设有至少一个冷却盘管，所述冷却盘管内充装有冷却液，所述冷却盘管主要由盘绕部分、用于接入冷却液的进液管和用于将与相变工质换热后的冷却液导出的出液管组成，所述盘绕部分与进液管、出液管相连通，且所述盘绕部分与真空腔室的内壁不接触，所述进液管和出液管分别穿出真空腔室用于连接外部的液冷管路；相变工质吸热后蒸发，由翅片风冷换热，实现低热量的散热，同时/或者通过冷却液流经冷却盘管，与热柱内相变工质换热带走热量实现高热量的散热。

6.根据权利要求4或5所述的重力回流热柱式芯片散热器，其特征在于：在所述空心柱的内壁上设有数条竖向的沟槽，各沟槽沿空心柱内壁圆周平行排布。

7.根据权利要求6所述的重力回流热柱式芯片散热器，其特征在于：所述基板的内表面上分布有可强化相变效果的凹坑，所述凹坑的深度为0.2～1.0mm，孔径为0.1～1.0mm。

8.根据权利要求7所述的重力回流热柱式芯片散热器，其特征在于：所述相变工质的充装量占所述热柱容积的20％～95％。

9.根据权利要求8所述的重力回流热柱式芯片散热器，其特征在于：所述冷却盘管的进液管和出液管的管口位于服务器机箱上，外部的液冷管路与进液管和出液管的管口之间采用快接插头形式。

10.根据权利要求5所述的重力回流热柱式芯片散热器，其特征在于：所述冷却液是全氟己酮或高闪点导热油或低温安全环保工质。