CN217182170U - 虹吸散热装置和处理器组件 - Google Patents

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周永
刘焘
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Abstract

本申请提供了一种虹吸散热装置和处理器组件。虹吸散热装置包括：蒸发装置，所述蒸发装置限定蒸发腔室，所述蒸发腔室包括蒸发腔流体入口和蒸发腔流体出口；冷凝装置，所述冷凝装置包括：冷凝装置入口、冷凝装置出口和所述冷凝装置入口和所述冷凝装置出口之间延伸的多个并列的微通道，由此限定从所述冷凝装置入口至所述冷凝装置出口的多个单向流体路径；以及从所述冷凝装置出口至所述蒸发腔流体入口的第一管道和从所述蒸发腔流体出口至冷凝装置入口第二管道。根据本申请的实施例的虹吸散热装置能够在高度空间受限的情况下提供足够的散热能力。

Description

虹吸散热装置和处理器组件
技术领域
本申请涉及处理器散热领域，更具体地，本申请涉及一种应用于紧凑空间的虹吸散热装置和具有该种虹吸散热装置的处理器组件。
背景技术
正如摩尔定律，芯片的集成度越来越高，但也伴随着其发热量变的越来越大。为了保证芯片的正常工作和寿命，有效散热是非常重要的。由于成本考虑和空间限制，常规的风扇散热已难以满足更高集成度芯片的散热需求。水冷散热存在液体泄漏的风险，而浸没式散热技术尚不成熟。
热虹吸散热装置可具有良好的性能，并且由于工作流体为非导电的，即使泄漏其危害性也较小。图1示出了现有的热虹吸散热装置，包括布置在芯片95上的蒸发腔91，通过由风机输送的气流F散热的冷凝腔92，蒸发腔91和冷凝腔92之间的蒸汽管道93和液体管道94。由芯片95散发的热量而蒸发的工作流体蒸汽通过蒸发腔91顶部的蒸汽管道93流至冷凝腔92，在冷凝腔92换热而冷凝，随后冷凝腔92与蒸发腔91之间存在液面高度差P，由此驱动冷凝液体回流至蒸发腔91。然而，这类热虹吸散热装置需要一定的高度差，而在高度受限的情况下难以实现较高的效率。
实用新型内容
本申请的目的在于解决或至少缓解现有技术所存在的问题。
根据一方面，提供了一种虹吸散热装置，包括：
蒸发装置，所述蒸发装置限定蒸发腔室，所述蒸发腔室包括蒸发腔流体入口和蒸发腔流体出口；
冷凝装置，所述冷凝装置包括：冷凝装置入口、冷凝装置出口和所述冷凝装置入口和所述冷凝装置出口之间延伸的多个并列的微通道，由此限定从所述冷凝装置入口至所述冷凝装置出口的多个单向流体路径；以及
从所述冷凝装置出口至所述蒸发腔流体入口的第一管道和从所述蒸发腔流体出口至冷凝装置入口第二管道。
可选地，在所述的虹吸散热装置中，所述冷凝装置包括一个或多个微通道扁管，可选地，所述一个或多个微通道扁管为直微通道扁管或者包括迂回部，可选地，所述一个或多个微通道扁管经折弯，可选地，所述一个或多个微通道扁管呈U型、V型、S型或W型，可选地，所述一个或多个微通道扁管为铝合金材质或为铜质。
可选地，在所述的虹吸散热装置中，所述一个或多个微通道扁管包括基本相互平行的第一区段和第二区段以及所述第一区段和第二区段之间的弧形区段，可选地，在所述虹吸散热装置处于安装定向时，所述第一区段位于所述第二区段上方，所述冷凝装置还包括布置在所述第一区段和第二区段之间的第一散热翅片组和布置在所述第二区段下方的第二散热翅片组。
可选地，在所述的虹吸散热装置中，所述蒸发装置包括底壁，限定所述蒸发腔流体入口和所述蒸发腔流体出口的侧壁以及顶壁，所述顶壁从与所述侧壁的连接处斜向下地向所述底壁延伸，可选地，所述顶壁与底壁的倾斜角在30°至60°的范围内。
可选地，在所述的虹吸散热装置中，所述蒸发腔流体入口位于所述蒸发腔流体出口下方，所述蒸发腔室中包括将来自所述蒸发腔流体入口的流体向所述底壁引导的挡板，可选地，所述挡板从所述侧壁上所述蒸发腔流体入口和蒸发腔流体出口之间的位置向所述底壁方向延伸，可选地所述挡板延伸至低于所述蒸发腔流体入口的下沿的高度。
可选地，在所述的虹吸散热装置中，在所述虹吸散热装置处于安装定向时，所述第一管道从所述冷凝装置出口逐步向下地延伸至所述蒸发腔流体入口，所述第二管道从所述蒸发腔流体出口逐步向上地延伸至所述冷凝装置入口，可选地，所述第一管道和所述第二管道基本平行。
可选地，在所述的虹吸散热装置中，所述第一管道和所述第二管道分别为独立的两个管子，或者，所述第一管道和所述第二管道为集成在单个管子中的两个通道。
可选地，在所述的虹吸散热装置中，在所述虹吸散热装置处于安装定向时，所述蒸发装置和所述冷凝装置的高度相差百分之十以内。
可选地，在所述的虹吸散热装置中，所述微通道的水利直径满足：
Figure 743039DEST_PATH_IMAGE001
，
其中，
Figure 367179DEST_PATH_IMAGE002
为工作流体的表面张力, 单位为N/m3; g为重力加速度，单位为m/s2;
Figure 360542DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure 114872DEST_PATH_IMAGE004
分别为工作流体在液态和气态下的密度，单位为kg/m3。
还提供了一种处理器组件，其包括：
芯片；
散热装置；以及
根据各个实施例的虹吸散热装置，其中所述蒸发装置附接至所述芯片，所述散热装置为所述冷凝装置散热。
根据本申请的实施例的虹吸散热装置能够在高度空间受限的情况下提供足够的散热能力。
附图说明
参照附图，本申请的公开内容将变得更易理解。本领域技术人员容易理解的是：这些附图仅仅用于说明的目的，而并非意在对本申请的保护范围组成限制。此外，图中类似的数字用以表示类似的部件，其中：
图1示出了现有的虹吸散热装置的示意图；
图2示出了根据本申请的实施例的虹吸散热装置的立体图；
图3示出了根据本申请的实施例的虹吸散热装置的截面示意图；
图4示出了根据本申请的另一实施例的虹吸散热装置的冷凝装置的截面示意图；
图5示出了根据本申请的另一实施例的虹吸散热装置的冷凝装置的截面示意图；
图6示出了根据本申请的多种实施例的示例性微通道扁管;以及
图7示出了根据本申请的实施例的方案与现有方案的热阻对比。
具体实施方式
下面将结合附图详细描述本实用新型的若干个实施例。需要说明的是，在本说明书中提到或可能提到的上、下、左、右、前、后、内侧、外侧、顶部、底部等方位用语是相对于各附图中所示的构造进行定义的，它们是相对的概念，因此有可能会根据其所处不同位置、不同使用状态而进行相应地变化。所以，也不应当将这些或者其他的方位用语解释为限制性用语。
参考图2和图3来介绍根据本申请的实施例的虹吸散热装置。虹吸散热装置包括蒸发装置1，其用于与芯片等需散热的元件接触，冷凝装置3，其用于散热，如风冷或水冷散热，以及连接在蒸发装置1和冷凝装置3之间的第一管路21和第二管路22。如图3所示，根据本申请的实施例，冷凝装置3包括冷凝装置入口301、冷凝装置出口302和冷凝装置入口301和冷凝装置出口302之间延伸的多个并列微通道，由此限定从冷凝装置入口301至冷凝装置出口302的多个单向流体路径。通过该多个单向流体路径30，气态工作流体在冷凝装置3中逐渐被冷凝成液态工作流体，在重力和气泡推动力共同作用下让工作流体从冷凝装置3向蒸发装置1流动，由于气态工作流体提供驱动力的作用，冷凝装置3和蒸发装置1的管路端口之间的高度差可更小，由此在高度受限的空间中实现良好的散热能力。
蒸发装置1可限定蒸发腔室10，蒸发腔室10包括蒸发腔流体入口13和蒸发腔流体出口14。在图3中示出了单个蒸发腔室10，然而可构思存在多个蒸发腔室，例如如图2所示的，蒸发装置1可包括位于管路另一侧的蒸发腔室1'。如需要，可沿图2中所示出的X方向布置更多组蒸发腔室，而不增加蒸发装置1的高度。在一些实施例中，蒸发装置1可包括底壁11、侧壁16和顶壁12。在安装定向中，底壁11位于底部并用于与待散热部件，如芯片接触。在侧壁16处分别限定蒸发腔流体入口13和蒸发腔流体出口14。顶壁12从与侧壁16的连接处斜向下地向底壁11延伸，该设计用于引导蒸汽流入蒸发腔流体出口14。在一些实施例中，侧壁16与底壁11呈30度至60度之间的夹角。在一些实施例中，在蒸发装置1中，在安装定向上，蒸发腔流体出口14位于蒸发腔流体入口13的上方，即蒸发腔流体出口14高于蒸发腔流体入口13。在一些实施例中，蒸发腔室10中还包括将来自蒸发腔流体入口13的流体向底壁引导的挡板15，其位于侧壁16上蒸发流体入口13和蒸发腔流体出口14之间并向底壁11延伸，以将蒸发流体入口13和蒸发腔流体出口14隔开，由此避免流体直接从蒸发腔流体出口14通至蒸发流体入口13。在一些实施例中，挡板15向底壁11延伸至低于蒸发流体入口13的下沿的高度。
第一管道21从冷凝装置出口302延伸至蒸发腔流体入口13，而第二管路22从蒸发腔流体出口14延伸至冷凝装置入口301。在一些实施例中，在冷凝装置3中，冷凝装置入口301和冷凝装置出口302位于同一侧。在另一些实施例中，微通道扁管可为直的微通道扁管，且冷凝装置入口301和冷凝装置出口302位于冷凝装置3的两侧，冷凝装置入口301可高于冷凝装置出口302。在一些实施例中，在安装定向上，冷凝装置入口301位于冷凝装置出口302的上方，即冷凝装置入口301高于冷凝装置出口302。在一些实施例中，冷凝装置3包括如图6所示的一个或多个微通道扁管，例如，一个或多个微通道扁管为铝合金材质或铜质或其他适合的材料。在一些实施例中，在一些实施例中，在冷凝装置入口301和冷凝装置出口302位于同一侧时，一个或多个微通道扁管可包括迂回部。一个或多个微通道扁管被折弯以形成迂回部，以限定多个单向流体路径。在一些实施例中，一个或多个微通道扁管呈U型，例如通过单次180度左右的折弯以形成U型形状，其可包括：大致相互平行的第一区段31和第二区段33以及第一区段31和第二区段33之间的弧形区段32。在虹吸散热装置处于安装定向时，第一区段31位于第二区段33上方，第一区段31的端部与冷凝装置入口301连通，第二区段33的端部与冷凝装置出口302连通。在一些实施例中，冷凝装置3还包括连接在第一区段31和第二区段32之间的第一散热翅片组35和连接在第二区段33下方的第二散热翅片组34。在一些实施例中，如空间允许，可在第一区段31上方设置额外的散热翅片组。在一些实施例中，一个或多个微通道扁管可通过两次180度左右的折弯以形成S型形状，或三次180度左右的折弯以形成W型形状。
在一些实施例中，在虹吸散热装置安装就位时，例如在所示示例中，在蒸发装置1和冷凝装置3布置在同一水平面上时，第一管道21从冷凝装置出口302逐步向下地延伸至蒸发腔流体入口13。在一些实施例中，在虹吸散热装置安装就位，第二管道22从蒸发腔流体出口14逐步向上地延伸至冷凝装置入口301。如图2所示，第一管道21和第二管道22可具有倾斜部分和弯曲部分。在一些实施例中，第一管道21和第二管道22可基本平行地设置。在一些实施例中，第一管道21和第二管道22分别为独立的两个管子，或者第一管道21和第二管道22可为集成在单个管子中的两个通道。在一些实施例中，在虹吸散热装置安装就位时，例如在所示示例中，在蒸发装置1和冷凝装置3布置在同一水平面上时，蒸发装置1和冷凝装置3的高度相差百分之十以内。
继续参考图4，其中示出了冷凝装置3的另一种布置，其中冷凝装置3由两个呈夹角的直管道部分31,33构成，其中直管道部分31,33之间的夹角可在5°至30°之间，并且可共同构成V型结构。在该结构中，冷凝装置的微管道中的工作流体全程均为向下流动，使可更好地利用工作流体的重力来驱动工作流体流动，避免工作流体停滞在微管道中。在该部分中，可选地，可在第一区段31上方增加额外的散热翅片36，本领域技术人员可构思除了V型和U型管道外的其他结构，例如管道的部分为平行设置而接近折弯区段处为V型设置等。
尽管在图2所示的实施例中，示出了单个微通道扁管的冷凝装置，如图5所示，可设置第一管道21和第二管道22两侧的两个单个微通道扁管，即在图2所示的情况中，在第一管道21和第二管道22的另一侧增设一个微通道扁管30'。如需要，则可沿图2中的X方向增设更多组的微通道扁管，而不增加整个冷凝装置3的高度。
继续参考图6，其中示出了不同的微通道扁管的实施例。其中在微通道扁管的实施例310中，微通道扁管中部具有矩形通道311而两侧具有半圆形通道312。在微通道扁管的实施例320中，区别在于在矩形通道321和半圆形通道322中增设了一对肋条323。在微通道扁管的实施例330中，两个如图1的微通道扁管331由腹板332连接在一起。在微通道扁管340中，微通道扁管中部具有三角形通道341而两侧具有半圆形通道342。可以构思具有其他截面形状的微通道的微通道扁管，例如圆形，椭圆形，星形等。
根据本申请的实施例的虹吸散热装置在工作时，蒸发腔室10中的工作流体由于吸热蒸发成蒸汽并通过第二管道22进入冷凝装置3，在冷凝装置3中通过与散热器如风扇或水冷换热而逐步冷凝成液态，液态制冷剂由于后来的蒸汽气泡的驱动以及其自身的重力而经过冷凝装置3的微通道，并经过第一管道21返回蒸发装置1，由此往复。
在一些实施例中，为了优化微通道的流体动力，微通道的水利直径d应满足：
Figure 789567DEST_PATH_IMAGE001
，其中，
Figure 312952DEST_PATH_IMAGE002
为工作流体的表面张力, 单位为N/m3; g为重力加速度，单位为m/s2;
Figure 742796DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure 922105DEST_PATH_IMAGE004
分别为工作流体在液体和气态下的密度，单位为kg/m3。
下表示出了针对常规的制冷剂作为工作流体时的微通道的管径范围。
25℃ R134a R123 R245fa R1233zd R1234ze
dmin (mm) 0.58 0.69 0.68 0.73 0.59
dmax (mm) 1.67 1.96 1.95 2.07 1.70
根据另一方面，提供了一种处理器组件，其包括：芯片；散热装置；以及根据各个实施例所述的虹吸散热装置，其中所述蒸发装置附接至所述芯片，所述散热装置如为风机或水冷换热器，其为所述冷凝装置散热。
下表示出了根据实施例的虹吸散热装置的性能表现，其中性能通过CPU热性能实验装置(TTV Thermal Test Vehicle)及风道进行测试。在CPU以相同功率工作时，散热风机通过风道提供不同的风量，此时通过将CPU壳体温度相对于环境温度的壳体温升除以CPU功率来计算热阻，进而得到了热阻和风量的关系。继续参考图7，根据实施例的虹吸散热装置，例如以图3示出的虹吸散热装置为例，其在典型应用工况下，也即35CFM风量下，在相同的占用空间的情况下，相比于图1所示的现有散热装置，热阻降低约30%。因此，根据实施例的虹吸散热装置提供改善的散热性能。
CPU功率/W 散热风机风量/CFM 壳体温度/℃ 壳体温升/℃ 冷凝装置入口气体温度/℃ 冷凝装置出口气体温度/℃ 气体温升/℃ 热阻/℃/W
272.2 53.6 53.0 30.2 22.8 31.8 9.0 0.111
272.2 43.6 55.0 32.2 22.8 33.9 11.1 0.118
272.2 34.8 58.7 35.2 23.6 37.4 13.9 0.129
272.2 29.7 60.7 36.6 24.1 40.3 16.3 0.134
以上所描述的具体实施例仅为了更清楚地描述本申请的原理，其中清楚地示出或描述了各个部件而使本申请的原理更容易理解。在不脱离本申请的范围的情况下，本领域的技术人员可容易地对本申请进行各种修改或变化。故应当理解的是，这些修改或者变化均应包含在本申请的专利保护范围之内。

Claims (19)

1.一种虹吸散热装置，其特征在于，包括：
蒸发装置，所述蒸发装置限定蒸发腔室，所述蒸发腔室包括蒸发腔流体入口和蒸发腔流体出口；
冷凝装置，所述冷凝装置包括：冷凝装置入口、冷凝装置出口和所述冷凝装置入口和所述冷凝装置出口之间延伸的多个并列的微通道，由此限定从所述冷凝装置入口至所述冷凝装置出口的多个单向流体路径；以及
从所述冷凝装置出口至所述蒸发腔流体入口的第一管道和从所述蒸发腔流体出口至冷凝装置入口第二管道。
2.根据权利要求1所述的虹吸散热装置，其特征在于，所述冷凝装置包括一个或多个微通道扁管。
3.根据权利要求2所述的虹吸散热装置，其特征在于，所述一个或多个微通道扁管为直微通道扁管或者包括迂回部。
4.根据权利要求2所述的虹吸散热装置，其特征在于，所述一个或多个微通道扁管经折弯。
5.根据权利要求2所述的虹吸散热装置，其特征在于，所述一个或多个微通道扁管呈U型、V型、S型或W型。
6.根据权利要求2所述的虹吸散热装置，其特征在于，所述一个或多个微通道扁管为铝合金材质或为铜质。
7.根据权利要求1或2所述的虹吸散热装置，其特征在于，所述一个或多个微通道扁管包括基本相互平行的第一区段和第二区段以及所述第一区段和第二区段之间的弧形区段。
8.根据权利要求7所述的虹吸散热装置，其特征在于，在所述虹吸散热装置处于安装定向时，所述第一区段位于所述第二区段上方，所述冷凝装置还包括布置在所述第一区段和第二区段之间的第一散热翅片组和布置在所述第二区段下方的第二散热翅片组。
9.根据权利要求1或2所述的虹吸散热装置，其特征在于，所述蒸发装置包括底壁，限定所述蒸发腔流体入口和所述蒸发腔流体出口的侧壁以及顶壁，所述顶壁从与所述侧壁的连接处斜向下地向所述底壁延伸。
10.根据权利要求9所述的虹吸散热装置，其特征在于，所述顶壁与底壁的倾斜角在30°至60°的范围内。
11.根据权利要求9所述的虹吸散热装置，其特征在于，所述蒸发腔流体入口位于所述蒸发腔流体出口下方，所述蒸发腔室中包括将来自所述蒸发腔流体入口的流体向所述底壁引导的挡板。
12.根据权利要求11所述的虹吸散热装置，其特征在于，所述挡板从所述侧壁上所述蒸发腔流体入口和蒸发腔流体出口之间的位置向所述底壁方向延伸。
13.根据权利要求12所述的虹吸散热装置，其特征在于，所述挡板延伸至低于所述蒸发腔流体入口的下沿的高度。
14.根据权利要求1或2所述的虹吸散热装置，其特征在于，在所述虹吸散热装置处于安装定向时，所述第一管道从所述冷凝装置出口逐步向下地延伸至所述蒸发腔流体入口，所述第二管道从所述蒸发腔流体出口逐步向上地延伸至所述冷凝装置入口。
15.根据权利要求14所述的虹吸散热装置，其特征在于，所述第一管道和所述第二管道基本平行。
16.根据权利要求14所述的虹吸散热装置，其特征在于，所述第一管道和所述第二管道分别为独立的两个管子，或者，所述第一管道和所述第二管道为集成在单个管子中的两个通道。
17.根据权利要求1或2所述的虹吸散热装置，其特征在于，在所述虹吸散热装置处于安装定向时，所述蒸发装置和所述冷凝装置的高度相差百分之十以内。
18.根据权利要求1或2所述的虹吸散热装置，其特征在于，
所述微通道的水利直径d满足：
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE001
，
其中，
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE002
为工作流体的表面张力, 单位为N/m3; g为重力加速度，单位为m/s2;
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE004
分别为工作流体在液态和气态下的密度，单位为kg/m3。
19.一种处理器组件，其特征在于，包括：
芯片；
散热装置；以及
如权利要求1-18中任一项所述的虹吸散热装置，其中所述蒸发装置附接至所述芯片，所述散热装置为所述冷凝装置散热。
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