環流熱管式散熱器的製作方法

2023-10-25 04:54:07

專利名稱：環流熱管式散熱器的製作方法
技術領域：
本發明涉及電子器件的散熱技術領域，尤其是用於半導體集成電路器件和半導體功率器件的散熱，主要由吸熱塊、空氣換熱器和風扇組成，採用熱管原理的散熱器。
背景技術：
隨著半導體集成電路電晶體數量的增加，以及半導體功率器件的功率的提高，器件的發熱量也隨著增加。當前計算機晶片CPU發熱和散熱問題已經成了計算機發展過程中的障礙，單純的翅片加風扇結構的散熱器已經滿足不了要求，目前普遍採用熱管式散熱器。
目前用於CPU散熱器中的熱管的基本結構是兩端封死，內有毛細管結構的銅製管。由於臺式計算機中CPU全是垂直放置，熱管式散熱器中的熱管放置，一是水平，二是U形，熱管中的工質完全靠管內的毛細管結構，如多孔結構、絲網結構、溝槽結構，產生的虹吸原理，使凝成液態的工質回流到蒸發端，實現工質在熱管內循環流動，將熱量從蒸發端輸送到冷凝端，再經冷凝端上的擴展換熱肋片(簡稱肋片)由風扇驅動空氣帶走散出。如果冷凝的工質不能回流到蒸發端(倒U型放置的熱管就有這樣的問題)，或回流量減小，則散熱器完全不能工作，或散熱量減小。由於虹吸力量非常有限，因而這種熱管傳輸的熱量不高，和依靠重力回流式(熱虹吸原理)相比，熱量傳輸相差非常大。
現一般都採用銅管內燒結成的多孔結構實現虹吸，由於工藝要求，熱管必須完成抽真空、灌工質、封焊成品後才能進行後續工序，因而設置擴展換熱肋片的套片工藝，不能採用現有的高效脹管工藝來保證肋片與熱管有效接觸，即解決接觸熱阻問題。採用錫焊，生產效率不高，焊接時的高溫可能導致熱管爆炸的危險。一片一片地套，問題有對熱管外徑精度要求高，接觸不可靠，生產效率太低。熱管內的毛細管結構不能破壞，熱管的最小彎曲半徑受限制，因而散熱器的尺寸不易實現緊湊設計。另外，現熱管本身的生產工藝非常複雜，要求非常高，無氧銅管多次在還原性氣體(氫氣)高溫(上千度)燒結，有燒結成品率的問題，因而熱管本身成本價格非常高。

發明內容
本發明提供一種散熱器，採用熱虹吸原理、環流式結構，提高了熱管輸送熱量的能力，可採用高效、低價的脹管工藝套片，或安全簡易的焊接工藝，大大提高生產效率，並顯著地降低成本造價，提高散熱效率。
本發明所採用的技術方案是散熱器主要部件有吸熱塊、空氣換熱器和風扇，空氣換熱器中有數多平行的換熱管，換熱管上設置有擴展換熱肋片，這和現CPU熱管式散熱器類似，本發明的特徵在於吸熱塊中有和空氣換熱器中的換熱管相對應的蒸發水道，蒸發水道之間有相互貫通的通孔；換熱管的兩端分別與吸熱塊中相對應的蒸發水道的兩端相聯通，形成環形結構。
其工作過程是當發熱器件水平放置，其散熱面朝上時，散熱器的吸熱塊緊貼在器件的散熱面上，空氣換熱器在吸熱塊的上端，液態工質在吸熱塊中的蒸發水道受熱蒸發成汽態，通過兩端與換熱管連通的連接管道進入換熱管，風扇驅動空氣流經換熱管上的肋片，將熱量帶走散出；汽態的工質在換熱管被冷凝成液態，從兩端由於重力作用回流到吸熱塊中的蒸發水道。當空氣換熱器被放置成換熱管兩端一端高出另一端(蒸發水道自然也是一端高出另一端)時，如發熱器件的散熱面垂直放置(通常臺式計算機的CPU的散熱面就是垂直放置的)，被冷凝成液態的工質由於重力作用向低端流動，再由於罐裝的工質足夠多，換熱管與蒸發水道之間的下端連接管道(被稱為回流管)充滿了被冷凝成液態的工質，倒流進入吸熱塊中，汽態比重小，被加熱蒸發成汽態的工質自然在高處，蒸發水道高的一端與換熱管的連接管道(被稱為蒸汽管)則將蒸發水道中被加熱蒸發成汽態的工質輸送到換熱管中，工質的流動成環形流動，在換熱管中，汽態和液態工質流動的方向一致，液態工質和汽態工質分別在回流管和蒸汽管中分開流動，液態工質靠重力回流，因而和現CPU熱管散熱器中的熱管相比，工質循環流動阻力低，循環流量大，因而熱管輸送的熱量也就大。
吸熱塊中的蒸發水道之間相互貫通有非常重要的作用一、平衡各蒸發水道與換熱管所組成的單元熱管之間的工質循環量，即散熱量，比如，如果某組單元熱管中液態工質太多，以至換熱管中充有許多液態工質，那麼換熱管的換熱量下降，冷凝成液態工質的量就減小，蒸發水道中液態工質液面越高，即蒸發水道被液態工質浸沒的面積越多，換熱效率越高，則蒸發量也越高，多出換熱管中冷凝的那部分汽態工質則通過通孔流到液態工質少的單元熱管中，這樣該組的液態工質減少。又比如，某單元熱管中的液態工質很少，少到以致蒸發水道中沒有液態工質，即沒有液態工質受熱蒸發，但換熱管中冷凝過程沒有中斷，所需的蒸汽通過通孔由另外的蒸發水道供應，這樣該單元熱管中的液態工質不斷增多；二、只需一個孔和細管就可以對所有的單元熱管進行灌裝工質和抽真空，這樣工藝簡單，密封可靠。
本發明的散熱器製造工藝主要流程是一、在換熱管上設置肋片，二、焊接蒸發水道與換熱管連通的連接管道(蒸汽管和回流管)，三、灌加工質，抽真空。採用套片式肋片，肋片上的帶翻邊的孔比換熱管大一點，則可以一次將所有的肋片套入換熱管中，再採用脹管工藝，將換熱管直徑脹大，就可以保證肋片與換熱管緊密接觸，解決了接觸熱阻的問題；採用焊接工藝，由於沒有密封，不存在高溫膨脹爆炸的危險(不受溫度限制)，因而可以採用各種方便的焊接方法。
由於蒸汽管和回流管以及換熱管內不需毛細管結構，因而一、管道成本低；二、管道彎曲半徑可以非常小，可以使散熱器更緊湊。


下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
圖1、3、4是本發明的特徵剖面示意圖。
圖2是套片式結構空氣換熱器特徵剖面示意圖。
圖5是叉列短肋形強化傳熱結構肋片的特徵剖面示意圖。
圖6是圖5中A-A剖視圖。
圖7是百葉窗短肋形強化傳熱結構肋片的特徵剖面示意圖。
圖8是圖6中B-B剖視圖。
圖9是波形強化傳熱結構擴展換熱肋片的特徵剖面示意圖。
圖中，1、吸熱塊，2、蒸發水道，3、通孔，4、蒸汽管，5、換熱管，6、風扇，7、肋片，8、空氣換熱器，9、回流管，10、毛細管結構，11、輔扇葉，12、箭頭表示空氣流動的方向。
具體實施例方式
計算機中的CPU通常都是垂直放置，圖1、3、4所示的散熱器的放置都是配合發熱器件散熱面為垂直放置的。吸熱塊(1)都設在靠散熱器的低端，這樣設置既有利於吸熱塊(1)中的蒸發水道(2)被液態工質浸溼的面積更多，有利於蒸發傳熱，又有利於減小液態工質浸沒換熱管(5)內面積，有利於冷凝傳熱。圖3所示的散熱器，空氣換熱器(8)高於吸熱塊(1)，因而在蒸發水道(2)全被液態工質浸沒的情況下，換熱管(5)內不存留液態工質，這種設計，有利於蒸發傳熱和冷凝傳熱，但不緊湊。
圖4所示的散熱器中的蒸發水道(2)增設了毛細管結構(10)，如溝槽結構、燒結成的多孔結構、絲網結構，就可依靠虹吸力，增加蒸發水道(2)被液態工質浸溼面積。蒸發水道(2)之間相互貫通的通孔(3)最好在蒸發水道(2)兩端都有，這樣所有的蒸發水道內的液態工質的液面高度一致，平衡了通入各散熱管內的汽態工質流量。
圖1、4所示的散熱器中，一根換熱管(5)對應著一蒸發水道(2)，並且蒸汽管(4)和回流管(9)是換熱管(5)兩端的延伸，這樣的設計，減少了焊接口的數量。圖3所示的散熱器，兩根換熱管(5)對應著一蒸發水道(2)，這樣的設計減少了回流管(9)、蒸汽管(4)以及蒸發水道(2)的數量，但增加了焊接口的數量和難度。
圖2示出了套片式結構，肋片(7)通過肋片根部的翻邊與換熱管(5)接觸傳熱，這裡有接觸熱阻的問題，解決該問題有兩種工藝一、焊接，二、脹管。只有肋片和換熱管都為銅材時，才適合採用錫焊。脹管工藝是一種簡單、效率高、成本低的工藝，在許多其它產品生產中普遍採用，如空調中的空氣換熱器(冷凝器、蒸發器)，並且不受材料限制，因而降低了製造工藝成本和原材料成本。
空氣換熱器佔整個散熱器的主要體積，為了減小空氣換熱器的尺寸體積，即主要是擴展換熱肋片所佔的空間，採用強化空氣對流傳熱結構的肋片。圖5、6、7、8示出了短肋形強化傳熱結構，圖5、6為叉列短肋形，圖7、8為百葉窗短肋形，它們的基本特徵是空氣流經的表面被衝切成一段段不連續的表面，空氣每流經一段(短肋)，其上的邊界層都處在邊界層的起始段，使整個對流換熱表面充分利用了邊界層起始段較薄、熱阻小、換熱係數高的有利特點。
如圖9所示的波形結構，其強化傳熱原理是在空氣流動方向上，肋片被加工成波形，空氣流經波形表面的凹面時會形成旋渦，在下遊的凸面處會形成局部地區的流體脫離現象，這些現象都能使傳熱得到強化提高。
空氣換熱器設計中還必須認真考慮肋片之間的片距這一參數，依據實驗研究，空氣對流換熱係數與片距的大致-0.7次方成正比，也就是說減小片距不僅可以增加肋片數量，即換熱面積，還可以極大地提高空氣對流換熱係數。最佳片距應低於1毫米，但在實際設計中還要考慮其它因素。對於平板肋片，片距應該不大於1.5毫米，考慮到生產工藝，以及塵埃聚集汙染的危險因素，片距不應小於0.7毫米。對於採用了波形和短肋形強化傳熱結構的肋片，片距應該不小於0.7，不大於2.0毫米，短肋的寬度在2.0毫米左右。
現有散熱器僅僅考慮將發熱器件(如CPU)產生的熱量傳到其附近周圍的空氣中，如果沒有足量的空氣對流，周圍的空氣將上升，像計算機這樣的電子設備，機箱尺寸緊湊小巧，內空間小，為了降低機箱內空氣溫度，有效降低CPU以及其它器件的工作溫度，在機箱上增設風扇，增加機箱內外的空氣對流。這樣的設計不僅增加了成本、體積，還增加了噪音、以及設備的不可靠性。
為了克服以上問題，本發明提出這樣的一款設計風扇採用離心式，在風扇的出風口設置有與機箱外相通的排風管，這樣可以將發熱器件產生的熱量直接排放到機箱外，有效地降低機箱內空氣溫度，提高了總散熱效果。採用離心式風扇的原因是風壓高，出風口尺寸小，降低了排風管口徑，使之緊湊，便於安裝。
對於計算機，除了CPU散熱外，主板上還有其它器件也需散熱冷卻，採用這種帶排氣管的離心式風扇的散熱器，如果將風扇電機軸延長伸出，在殼外增設一扇葉，如圖4所示，即風扇有兩個扇葉，內扇葉為主扇葉，驅動空氣流經空氣換熱器，直接將熱量帶出機箱；外扇葉為輔扇葉(12)，驅動機箱內CPU附近空氣流動，有利於附近其它器件散熱。
權利要求
1.一種用於冷卻半導體集成電路器件和半導體功率器件的散熱器，包括有吸熱塊(1)、空氣換熱器(8)和風扇(6)，空氣換熱器(8)中有換熱管(5)，換熱管(5)上設置有肋片(7)，其特徵在於吸熱塊(1)中有和換熱管相對應的蒸發水道(2)，蒸發水道(2)之間有相互貫通的通孔(3)；空氣換熱器(8)中的換熱管(5)兩端分別與吸熱塊(1)中的相對應的蒸發水道(2)的兩端相連通，形成環形結構。
2.根據權利要求1所述的散熱器，其特徵在於風扇(6)為離心式，風扇(6)的出風口設置有與機箱外相通的排風管。
3.根據權利要求1所述的散熱器，其特徵在於吸熱塊(1)上設置有抽真空管。
4.根據權利要求1或2所述的散熱器，其特徵在於空氣換熱器(8)採用了套片結構。
5.根據權利要求4所述的散熱器，其特徵在於肋片(7)採用了短肋形或波形結構。
6.根據權利要求4所述的散熱器，其特徵在於肋片(7)為平板肋片結構，片距不小於0.7毫米，不大於1.5毫米。
7.根據權利要求5所述的散熱器，其特徵在於片距不小於0.7毫米，不大於2.0毫米。
全文摘要
本發明屬於傳熱、電子器件散熱技術領域。本發明是一種採用熱虹吸原理、環流結構的熱管式散熱器。可採用高效低廉的脹管工藝，解決接觸熱阻問題；引入強化空氣對流傳熱結構，對肋片進行優化設計。不僅降低了原材料和製造工藝成本，還有效地提高了散熱量，使散熱器尺寸更緊湊。採用離心式風扇，直接將熱風排出機箱外，有效地提高整體散熱效果。
文檔編號H05K7/20GK101022097SQ20071007350
公開日2007年8月22日 申請日期2007年3月13日 優先權日2007年3月13日
發明者秦彪 申請人:秦彪