專利名稱：環(huán)流熱管式電子器件散熱器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電子器件的散熱技術(shù)領(lǐng)域，尤其是采用熱管原理、主要由吸熱塊、空氣換熱器和風(fēng)扇組成的、用于冷卻半導(dǎo)體集成電路器件的散熱器。
背景技術(shù)：
隨著半導(dǎo)體集成電路晶體管數(shù)量的增加，器件的發(fā)熱量也隨著增加。當前計算機芯片CPU發(fā)熱和散熱問題已經(jīng)成了計算機發(fā)展過程中的障礙，單純的翅片加風(fēng)扇結(jié)構(gòu)的散熱器已經(jīng)滿足不了要求，目前普遍采用熱管式散熱器。
目前用于CPU散熱器中的熱管的基本結(jié)構(gòu)是兩端封死，內(nèi)有毛細管結(jié)構(gòu)的銅制管。由于臺式計算機中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(zhì)完全靠管內(nèi)的毛細管結(jié)構(gòu)，如多孔結(jié)構(gòu)、絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)、溝槽結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生的虹吸原理，使凝成液態(tài)的工質(zhì)回流到蒸發(fā)段，實現(xiàn)工質(zhì)在熱管內(nèi)循環(huán)流動，將熱量從蒸發(fā)段輸送到冷凝段，再經(jīng)冷凝段上的擴展換熱肋片(簡稱肋片)由風(fēng)扇驅(qū)動空氣帶走散出。如果冷凝的工質(zhì)不能回流到蒸發(fā)段(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。由于虹吸力量非常有限，因而這種熱管傳輸?shù)臒崃坎桓撸鸵揽恐亓亓魇?熱虹吸原理)相比，熱量傳輸相差非常大。
現(xiàn)一般都采用銅管內(nèi)燒結(jié)成的多孔結(jié)構(gòu)實現(xiàn)虹吸，由于工藝要求，熱管必須完成抽真空、灌入工質(zhì)、封焊成品后才能進行后續(xù)工序，因而設(shè)置擴展換熱肋片的套片工藝，不能采用現(xiàn)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。采用錫焊，生產(chǎn)效率不高，焊接時的高溫可能導(dǎo)致熱管爆炸的危險。一片一片地緊配合套入，問題有對熱管外徑精度要求高，接觸不可靠，生產(chǎn)效率太低。為保證熱管內(nèi)的毛細管結(jié)構(gòu)不被破壞，熱管的最小彎曲半徑受限制，一般要3倍的熱管直徑，因而散熱器的尺寸不易實現(xiàn)緊湊化設(shè)計(尺寸小、重量輕在CPU散熱器中非常重要)。另外，現(xiàn)熱管本身的生產(chǎn)工藝非常復(fù)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(jié)，有燒結(jié)成品率的問題，因而熱管本身成本價格非常高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種散熱器，采用熱虹吸原理、環(huán)流式結(jié)構(gòu)，提高了熱管輸送熱量的能力，可采用高效、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(chǎn)效率，并顯著地降低成本造價，提高散熱效率。引入強化傳熱結(jié)構(gòu)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，使散熱器尺寸更緊湊。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是散熱器主要部件有吸熱塊、空氣換熱器和風(fēng)扇?？諝鈸Q熱器中有多根冷凝管，冷凝管上設(shè)置有肋片；吸熱塊有與發(fā)熱器件散熱面緊貼的面，稱之為吸熱面，其背面即為吸熱塊的背面，這和現(xiàn)CPU熱管式散熱器類似。本發(fā)明的特征在于吸熱塊中有蒸發(fā)水道，蒸發(fā)水道之間有相互貫通的通孔；冷凝管通過彎管分成兩段，兩段夾角不大于30°，兩段上都設(shè)置有肋片；冷凝管第一段的接頭在吸熱塊一端，或靠近一端，與蒸發(fā)水道相連通；冷凝管第二段的接頭從吸熱塊背面，蒸發(fā)水道徑向方向與蒸發(fā)水道相連通，形成環(huán)形結(jié)構(gòu)。
其工作過程是當發(fā)熱器件的散熱面為垂直放置，散熱器的吸熱塊緊貼在器件的散熱面上，則吸熱塊為垂直放置，安裝要求冷凝管第一段在上，第二段在下。在蒸發(fā)水道內(nèi)的液態(tài)工質(zhì)受熱蒸發(fā)成汽態(tài)，向上流動，流進第一段冷凝管，部分汽態(tài)工質(zhì)在第一段冷凝管內(nèi)冷凝成液態(tài)。如果第一段冷凝管向上傾，則由于重力作用，有液態(tài)工質(zhì)逆汽態(tài)工質(zhì)流動方向，回流到蒸發(fā)水道內(nèi)；如果第一段冷凝管向下傾，則由于重力作用，液態(tài)工質(zhì)和其余的汽態(tài)工質(zhì)，一同流入第二段冷凝管；如果第一段冷凝管水平放置，則由汽態(tài)工質(zhì)流動攜帶作用，大部份冷凝成液態(tài)的工質(zhì)，隨汽態(tài)工質(zhì)流進第二段冷凝管。第二段冷凝管必須向下傾，在第二段冷凝管內(nèi)，所剩的汽態(tài)工質(zhì)被冷凝成液態(tài)，由重力作用，液態(tài)工質(zhì)從冷凝管的另一頭(下端)，回流到吸熱塊中的蒸發(fā)水道內(nèi)，工質(zhì)這樣走了一個循環(huán)。冷凝管上的熱量是通過肋片，由被風(fēng)扇驅(qū)動的空氣流經(jīng)肋片而帶走散出的。
如果發(fā)熱器件的散熱面水平向上，散熱器水平地設(shè)置在上面，則蒸發(fā)水道在下，兩段冷凝管在上。蒸發(fā)水道產(chǎn)生的汽態(tài)工質(zhì)從冷凝管的兩頭分別進入冷凝管的兩段，在兩段冷凝管內(nèi)冷凝成液態(tài)的工質(zhì)，由于重力作用，分別順著冷凝管的兩段回流到蒸發(fā)水道內(nèi)，實現(xiàn)循環(huán)。
以上說明，冷凝成液態(tài)的工質(zhì)，靠重力回流實現(xiàn)工質(zhì)循環(huán)，是熱虹吸工作原理，靠重力回流與毛細管虹吸結(jié)構(gòu)相比，液態(tài)工質(zhì)回流速度高，因而熱管內(nèi)熱量傳輸量高。在冷凝管內(nèi)壁面設(shè)置有毛細管結(jié)構(gòu)，冷凝管內(nèi)壁形成厚厚的液膜，凝結(jié)時蒸汽放出的潛熱必須通過液膜至壁面，即毛細管結(jié)構(gòu)層的存在，不利于凝結(jié)傳熱。在冷凝管外的肋化(即設(shè)置肋片)程度高時，凝結(jié)傳熱的熱阻將高于外部空氣對流熱阻，這都不利于提高散熱器的散熱量和實現(xiàn)散熱器的小巧、緊湊化設(shè)計。本發(fā)明由于靠重力回流，冷凝管內(nèi)壁不需設(shè)置毛細管結(jié)構(gòu)，有效的減少液膜傳熱過程，并且還可以采用強化凝結(jié)傳熱結(jié)構(gòu)，如采用螺旋內(nèi)肋管，提高凝結(jié)傳熱，有效的提高散熱量，減小散熱器尺寸，也降低了冷凝管的成本。
冷凝管分成兩段，兩段之間夾角小于30°，其目的是結(jié)構(gòu)緊湊，這在計算機CPU散熱應(yīng)用中非常重要，減少冷凝管與吸熱塊之間的連接管長度，既降低成本，又減小了冷凝段和蒸發(fā)段之間的距離，有利于工質(zhì)循環(huán)流動。吸熱塊的長度小于冷凝管，如果冷凝管不分成兩段，必然需要長的連接管，將冷凝管的一端或兩端與吸熱塊連接。冷凝管分成兩段，空氣換熱器也就分成兩段，如果兩段平行，即兩段之間的夾角為0°，兩段可以緊貼一起，或留有空間，放置風(fēng)扇，這樣的設(shè)計，空氣換熱器和風(fēng)扇整體結(jié)構(gòu)最緊湊。從散熱器整體結(jié)構(gòu)考慮，如果兩段之間有夾角，兩段之間就留有三角形空間，三角形空間不宜利用，夾角越大，不宜利用的空間越大，兩段之間的夾角不宜大于30°，本發(fā)明選取兩段之間夾角不大于30°。
冷凝管第二段從吸熱塊背面接入蒸發(fā)水道，冷凝管好像立在吸熱塊背面，其目的是降低吸熱塊位置，則可提高蒸發(fā)水道內(nèi)工質(zhì)液面，使蒸發(fā)水道被液態(tài)工質(zhì)浸濕的而積更多，有利于蒸發(fā)傳熱，減少液態(tài)工質(zhì)進入第二段冷凝管內(nèi)，這樣有利于凝結(jié)傳熱；另外，冷凝管第二段的接頭不必大彎曲，減小了所占空間尺寸、接頭長度，使結(jié)構(gòu)緊湊。
吸熱塊中的蒸發(fā)水道之間相互貫通有非常重要的作用一、平衡各蒸發(fā)水道的吸熱蒸發(fā)量，和各冷凝管的放熱凝結(jié)量。如果蒸發(fā)水道液態(tài)工質(zhì)不足，但吸熱蒸發(fā)量大，液態(tài)工質(zhì)則通過通孔，從液態(tài)工質(zhì)多的蒸發(fā)水道補充到少的地方，如果在蒸發(fā)水道內(nèi)表面設(shè)置毛細管結(jié)構(gòu)，則更能充分發(fā)揮所有蒸發(fā)水道的吸熱蒸發(fā)能力；通過通孔，汽態(tài)工質(zhì)根據(jù)各冷凝管放熱凝結(jié)速度，平衡進入各冷凝管，如放熱凝結(jié)速度高的冷凝管，則管內(nèi)氣壓低，進入該冷凝管的汽態(tài)工質(zhì)就多，反之亦反。
二、只需一個充液管，一次充液、抽真空，一個封焊頭，這樣工藝簡單，密封可靠，而現(xiàn)熱管式散熱器，每根都需充液、抽真空、封焊。另外，本發(fā)明的散熱器，如果封焊頭漏氣失效，還可以修補，成品率高。而現(xiàn)產(chǎn)品則不能這樣，一旦有一根熱管漏氣失效，則除風(fēng)扇外，整個散熱器不可修補，成為廢品。
本發(fā)明的散熱器制造工藝主要流程是一、在冷凝管上設(shè)置肋片，二、焊接蒸發(fā)水道與冷凝管，三、灌加工質(zhì)，抽真空，封焊充液管，四、安裝風(fēng)扇。由于冷凝管上設(shè)置肋片工序在前，就可以采用套片式肋片，脹管工藝，肋片上的帶翻邊的孔比冷凝管大一點，則可以一次將所有的肋片套入冷凝管中，再脹管，將冷凝管直徑脹大，就可以保證肋片與冷凝管緊密接觸，解決了接觸熱阻的問題，該工藝簡單且效率高；采用焊接工藝，由于沒有密封，不存在高溫膨脹爆炸的危險(不受溫度限制)，因而可以采用各種方便的焊接方法，如整體錫釬焊工藝。
由于冷凝管內(nèi)不需毛細管結(jié)構(gòu)，因而一、降低冷凝管的成本；二、管道彎曲半徑可以非常小，可以使散熱器更緊湊。
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。


圖1、2是本發(fā)明的特征剖面示意圖。
圖3是套片式結(jié)構(gòu)空氣換熱器特征剖面示意圖。
圖4是叉列短肋形強化傳熱結(jié)構(gòu)肋片的特征示意圖。
圖5是圖4中A-A剖視圖。
圖6是百葉窗短肋形強化傳熱結(jié)構(gòu)肋片的特征示意圖。
圖7是圖6中B-B剖視圖。
圖8是波形強化傳熱結(jié)構(gòu)肋片的特征剖面示意圖。
圖中，1、吸熱塊，2、蒸發(fā)水道，3、通孔，4、冷凝管，5、空氣換熱器，6、肋片，7、風(fēng)扇，8、毛細管結(jié)構(gòu)。
具體實施例方式
計算機中的CPU通常都是垂直放置，圖1、2所示的散熱器的放置都是配合發(fā)熱器件散熱面為垂直放置的。如圖所示，由冷凝管(4)和肋片(6)構(gòu)成的空氣換熱器(5)好像立在吸熱塊(1)上，冷凝管(4)第一段的接頭大彎曲(近90°)，在吸熱塊(1)的一端(上端)，從蒸發(fā)水道(2)的軸上方向與其接通，冷凝管(4)第二段的接頭從背面直接插入吸熱塊(1)，從蒸發(fā)水道(2)的徑向方向與其接通。這樣接頭短，減小冷凝段和蒸發(fā)段之間的距離，盡可能降低吸熱塊的位置，又能保證散熱器整體緊湊、小巧。盡可能減小散熱器吸熱面方向上的尺寸面積，這在計算機CPU散熱器安裝中非常重要，因為計算機主板尺寸有限，CPU散熱器安裝占有相當大的面積，減小其所占面積，對整體性能有益。
冷凝管(4)與吸熱塊(1)的連接，可采用釬焊方法焊接，必須牢固，不允許慢性漏氣。
圖1所示的散熱器，冷凝管(4)兩段之間留有夾角，夾角大致12°。第一段是水平放置。圖2所示的散熱器，冷凝管(4)兩段之間平行，空氣換熱器(5)兩段之間設(shè)置有風(fēng)扇(7)，并且安裝有兩個風(fēng)扇，提高風(fēng)量，提高散熱量。為了進一步提高風(fēng)量，還可以再增加風(fēng)扇的數(shù)量。
圖2所示的散熱器中的蒸發(fā)水道(2)增設(shè)了毛細管結(jié)構(gòu)(8)，如溝槽結(jié)構(gòu)、燒結(jié)成的多孔結(jié)構(gòu)、絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)，就可依靠虹吸力，盡可能使整個蒸發(fā)水道(2)內(nèi)表面被液態(tài)工質(zhì)濕潤；蒸發(fā)表面設(shè)置有毛細管結(jié)構(gòu)，還能強化蒸發(fā)傳熱，這都有利于蒸發(fā)傳熱，降低蒸發(fā)段的熱阻。
圖1、2所示的散熱器中，一根冷凝管對應(yīng)一蒸發(fā)水道，為了增大蒸發(fā)面積，降低蒸發(fā)熱阻，采用增加吸熱塊(1)中蒸發(fā)水道(2)的數(shù)量的措施，蒸發(fā)水道(2)的數(shù)量將多于冷凝管的數(shù)量。蒸發(fā)水道(2)之間相互貫通的通孔(3)最好在蒸發(fā)水道(2)上端設(shè)置一個，平衡進入各冷凝管內(nèi)的汽態(tài)工質(zhì)流量；在冷凝管(4)第二段與蒸發(fā)水道(2)接口下端附近再設(shè)置一個通孔(3)，保證在各種情況下，所有的蒸發(fā)水道內(nèi)至少保持有一定量的液態(tài)工質(zhì)，如圖1、2所示。
圖3示出了套片式結(jié)構(gòu)，肋片(6)通過肋片根部的翻邊與冷凝管(4)接觸傳熱，這里有接觸熱阻的問題，解決該問題有兩種工藝一、焊接，二、脹管。只有肋片和冷凝管都為銅材時，才適合采用錫焊。脹管工藝是一種簡單、效率高、成本低的工藝，在許多其它產(chǎn)品生產(chǎn)中普遍采用，如空調(diào)中的空氣換熱器(冷凝器、蒸發(fā)器)，并且不受材料限制，因而降低了制造工藝成本和原材料成本。
空氣換熱器占整個散熱器的主要體積，為了減小空氣換熱器的體積尺寸，即主要是肋片所占的空間，采用強化空氣對流傳熱結(jié)構(gòu)的肋片。圖4、5、6、7示出了短肋形強化傳熱結(jié)構(gòu)，圖4、5為叉列短肋形，圖6、7為百葉窗短肋形，它們的基本特征是空氣流經(jīng)的表面被沖切成一段段不連續(xù)的表面，空氣每流經(jīng)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、換熱系數(shù)高的有利特點。
如圖8所示的波形結(jié)構(gòu)，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(jīng)波形表面的凹面時會形成旋渦，在下游的凸面處會形成局部地區(qū)的流體脫離現(xiàn)象，這些現(xiàn)象都能使傳熱得到強化提高。
空氣換熱器設(shè)計中還必須認真考慮肋片之間的片距這一參數(shù)，依據(jù)實驗研究，空氣對流換熱系數(shù)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(shù)量，即換熱面積，還可以極大地提高空氣對流換熱系數(shù)。最佳片距應(yīng)低于1毫米，但在實際設(shè)計中還要考慮其它因素。對于平板肋片，片距應(yīng)該不大于1.5毫米，考慮到生產(chǎn)工藝，以及塵埃聚集污染的危險因素，片距不應(yīng)小于0.7毫米。對于采用了波形和短肋形強化傳熱結(jié)構(gòu)的肋片，片距應(yīng)該不小于0.7，不大于2.0毫米，短肋的寬度在2.0毫米左右。
現(xiàn)有散熱器僅僅考慮將發(fā)熱器件(如CPU)產(chǎn)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(shè)備，機箱尺寸緊湊小巧，內(nèi)部空間小，為了降低機箱內(nèi)部空氣溫度，有效降低CPU以及其它器件的工作溫度，在機箱上增設(shè)風(fēng)扇，增加機箱內(nèi)外的空氣對流。這樣的設(shè)計不僅增加了成本、體積，還增加了噪音、以及設(shè)備的不可靠性。
為了克服以上問題，本發(fā)明提出這樣的一款設(shè)計風(fēng)扇采用離心式，在風(fēng)扇的出風(fēng)口設(shè)置有與機箱外相通的排風(fēng)管，這樣可以將發(fā)熱器件產(chǎn)生的熱量直接排放到機箱外，有效地降低機箱內(nèi)部空氣溫度，提高了總散熱效果。采用離心式風(fēng)扇的原因是風(fēng)壓高，出風(fēng)口尺寸小，降低了排風(fēng)管口徑，使之緊湊，便于安裝。
權(quán)利要求
1.一種用于冷卻半導(dǎo)體集成電路器件的散熱器，包括有吸熱塊(1)、空氣換熱器(5)和風(fēng)扇(7)，空氣換熱器(5)中有冷凝管(4)，冷凝管(4)上設(shè)置有肋片(6)，其特征在于吸熱塊(1)中有蒸發(fā)水道(2)，蒸發(fā)水道(2)之間有相互貫通的通孔(3)；冷凝管(4)通過彎管分成兩段，兩段之間的夾角不大于30°，兩段上都設(shè)置有肋片(6)；冷凝管(4)第一段的接頭在吸熱塊(1)的一端或靠近一端，與蒸發(fā)水道(2)相連通；冷凝管(4)第二段的接頭從吸熱塊(1)的背面，蒸發(fā)水道(2)徑向方向與蒸發(fā)水道(2)相連通。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的散熱器，其特征在于在蒸發(fā)水道(2)內(nèi)設(shè)置有毛細管結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的散熱器，其特征在于蒸發(fā)水道(2)的數(shù)量多于冷凝管(4)的數(shù)量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的散熱器，其特征在于風(fēng)扇為離心式，風(fēng)扇出風(fēng)口設(shè)置有與機箱外相通的排風(fēng)管。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的散熱器，其特征在于散熱器設(shè)置有多個風(fēng)扇，空氣換熱器(5)兩段之間設(shè)置有風(fēng)扇(7)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一權(quán)利要求所述的散熱器，其特征在于空氣換熱器(5)采用了套片式結(jié)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的散熱器，其特征在于空氣換熱器(5)中的肋片(6)采用了波形強化傳熱結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的散熱器，其特征在于空氣換熱器(5)中的肋片(6)采用了短肋形強化傳熱結(jié)構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的散熱器，其特征在于空氣換熱器(5)中的肋片(6)為平板式，片距不大于1.5毫米，不小于0.7毫米。
全文摘要
本發(fā)明屬于傳熱、電子器件散熱技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明是一種采用熱虹吸原理、環(huán)流式結(jié)構(gòu)的熱管式散熱器。冷凝管彎折成兩段，第二段冷凝管從吸熱塊背面插入，接入蒸發(fā)段，減少管道長度，使結(jié)構(gòu)更緊湊?？刹捎酶咝У土拿浌芄に?，解決接觸熱阻問題，引入強化空氣對流傳熱結(jié)構(gòu)，不僅降低了原材料和制造工藝成本，還有效地提高了散熱量，使散熱器尺寸更緊湊。采用多個風(fēng)扇，提高風(fēng)量，進而提高散熱量。
文檔編號H05K7/20GK101075593SQ20071007456
公開日2007年11月21日 申請日期2007年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月25日
發(fā)明者秦彪 申請人:秦彪