專利名稱：一種熱管強(qiáng)化的電子器件散熱器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及電子器件的散熱技術(shù)領(lǐng)域，特別是有由導(dǎo)熱塊、熱管、肋片和風(fēng)扇組成 的散熱器。
技術(shù)背景隨著半導(dǎo)體功率器件、半導(dǎo)體發(fā)光器件的功率提高，特別是半導(dǎo)體集成電路晶體管數(shù)量 的增加，以及工作頻率的增加，其發(fā)熱量也隨著增加，當(dāng)前計算機(jī)CPU以及GPU芯片散熱 問題已經(jīng)成了計算機(jī)發(fā)展過程中的障礙。長期以來，電子器件的散熱不被重視，技術(shù)一直處 于原始的傳熱概念階段，上世紀(jì)六十至七十年代，傳熱技術(shù)的研究已經(jīng)非常完善，只要將其 中的研究成果，采用正確的方法，引入電子器件的散熱技術(shù)，就可以得到顯著的結(jié)果?，F(xiàn)有一種CPU芯片鋁材散熱器圓柱的一端面為吸熱面，它緊貼在芯片的散熱面上， 肋片在圓柱的側(cè)面，采用鋁擠出成形，也稱之為太陽花式，風(fēng)扇在圓柱的另一端吸熱面背對 的一側(cè)，風(fēng)扇和圓柱同軸；芯片產(chǎn)生的熱量通過芯片上的散熱面與圓柱上的吸熱面接觸導(dǎo)熱， 傳到圓柱，熱量在圓柱內(nèi)以導(dǎo)熱的方式傳到圓柱側(cè)面，再傳到肋片上，風(fēng)扇驅(qū)動空氣，流經(jīng) 肋片，以對流傳熱方式將熱量傳到空氣中散出，圓柱在此僅起導(dǎo)熱作用，因而就稱之為導(dǎo)熱 塊。這種結(jié)構(gòu)優(yōu)點有由于風(fēng)扇和圓柱(導(dǎo)熱塊)同軸，風(fēng)扇驅(qū)動空氣，順著圓柱側(cè)面、以 及肋片流動，有效地減小風(fēng)扇電機(jī)引起的在肋片中空氣流動死區(qū)的存在，而嚴(yán)重影響肋片內(nèi) 空氣對流傳熱。這種太陽花式結(jié)構(gòu)的散熱器，當(dāng)散熱量不高時，有其優(yōu)點。但一旦散熱量非常高時，問 題就會出現(xiàn)，如果通過增加肋片的肋長(肋片根處、靠導(dǎo)熱塊處，到肋片尖處的長度)來加 大散熱面積，將導(dǎo)致肋效率下降，既使散熱器外徑加大了，肋片材料用量加大了，而散熱量 卻并沒有有效提高；如果通過增加肋片的肋寬(導(dǎo)熱塊高度方向的長度)來增加散熱面積， 又會引起空氣流動阻力增大，流經(jīng)肋片的空氣量減小，還有導(dǎo)熱塊高度增加，這又增加了導(dǎo) 熱塊內(nèi)的導(dǎo)熱熱阻，這都將不利于散熱，最終的結(jié)果散熱器高度尺寸增加，重量增加，成 本增加，而散熱量卻得不到有效提高，有可能還會降低。因而說明，簡單的太陽花式結(jié)構(gòu)不 適合用于大功率的散熱器?，F(xiàn)用于臺式計算機(jī)中的這種CPU散熱器，為了提高散熱量，只好增加整體尺寸，散熱 器外徑達(dá)到90mm，肋長和肋寬達(dá)到30mm，目的就是增加肋片總面積(散熱面積)，達(dá)到提 高散熱量。這樣大的散熱器，是計算機(jī)主板上占主要空間尺寸的器件，散熱器所占的空間， 已經(jīng)成為減小計算機(jī)尺寸、緊湊設(shè)計中的障礙。 發(fā)明內(nèi)容本實用新型在上述類型的散熱器基礎(chǔ)上進(jìn)行重大改進(jìn)，采用熱管增強(qiáng)熱量傳輸，通過在 熱管上加設(shè)肋片，再加上巧妙的布置，實現(xiàn)增加肋片數(shù)量，在達(dá)到增加散熱面積的目的同時， 不降低肋效率，又保留原類型的優(yōu)點。引入強(qiáng)化傳熱結(jié)構(gòu)，優(yōu)化尺寸，進(jìn)一步減小散熱器尺 寸，降低材料成本的同時，又有效地提高散熱量。通過采用高風(fēng)壓的離心式風(fēng)扇或多級軸流 式風(fēng)扇，提高風(fēng)量，進(jìn)一步提高散熱量。本實用新型的技術(shù)方案是散熱器主要部件包括有導(dǎo)熱塊、內(nèi)肋片、外肋片、熱管和 風(fēng)扇，導(dǎo)熱塊上有一平整的吸熱面，內(nèi)肋片設(shè)置在導(dǎo)熱塊側(cè)面，外肋片在熱管上，風(fēng)扇設(shè)置 在和吸熱面背對的一側(cè)，本實用新型的特征在于熱管的蒸發(fā)段設(shè)置在導(dǎo)熱塊上，熱管的蒸發(fā)段和冷凝段之間的熱管中段彎曲，在熱管的冷凝段上設(shè)置有外肋片，組成空氣換熱單元， 一起呈圓弧形，圍著內(nèi)肋片，好似外肋片是內(nèi)肋片在肋長方向上的加長；圍著內(nèi)肋片，至少 有兩段分開的由熱管和外肋片組成的空氣換熱單元。本實用新型好像是在現(xiàn)太陽花式產(chǎn)品的肋片外圍，增設(shè)了一層肋片，所以稱之為外肋片， 保留了原類型產(chǎn)品的優(yōu)點避免風(fēng)扇電機(jī)所造成的在肋片內(nèi)空氣流動死區(qū)的存在。熱管的蒸 發(fā)段在導(dǎo)熱塊上，通過接觸導(dǎo)熱，吸取導(dǎo)熱塊上的熱量。由于熱管彎曲半徑受限制，設(shè)置在 導(dǎo)熱塊上的熱管蒸發(fā)段，和呈圓弧圍著內(nèi)肋片的熱管冷凝段之間的熱管中段，必須呈圓弧線 彎曲，彎曲半徑不應(yīng)低于規(guī)定的值。傳到外肋片的熱量是熱管從導(dǎo)熱塊上傳輸來的，利用了 熱管的高效熱傳輸特性，外肋片的肋長則是靠熱管冷凝段處到肋尖處的長度，因而外肋片內(nèi) 的熱傳導(dǎo)距離短，肋效率高。說明本實用新型在保留整個散熱器高水平的肋效率的情況下， 有效地提高了肋片面積，這將大大地提高散熱量。依據(jù)傳熱學(xué)，肋效率是mL的函數(shù)，隨著mL的增大而下降，mL為1.0時，肋效率下降 速度最快，對于直肋，此時肋效率大致為76%， 一般設(shè)計時取mL的值不大于1.0，其中L 為肋長，m和肋片的厚度的平方根成反比。如果肋片厚度減小4倍，肋長L減小2倍，則肋 效率不變。說明減小肋片厚度，能有效地減小肋片材料用量，現(xiàn)空調(diào)里的空氣換熱器(蒸發(fā) 器和冷凝器)中的肋片(鋁材)厚度減小到O.lmm以下?，F(xiàn)產(chǎn)品采用鋁擠出工藝，肋厚最 小也有0.5mm，如果采用其他工藝加工設(shè)置肋片，將肋厚減小到如0.12mm時，為了保證肋 效率不降低，肋長要減短一倍，也就是說，雖然肋片材料減了有4倍，但散熱面積減小了， 只有原來的一半。如果采用本實用新型，則就能解決此矛盾，實現(xiàn)材料用量顯著降低，散熱 器重量降低，而散熱量不降低。本實用新型限定至少有兩段分開的由熱管冷凝段和外肋片組成的空氣換熱單元，原因 是如果只有一段空氣換熱單元，則熱管的冷凝段長度基本上是冷凝段所在的圓的整個周長， 熱管內(nèi)的液態(tài)工質(zhì)回流到蒸發(fā)段的平均距離太長；如果分成兩段，則回流平均距離減少了一 半；還有，在器件散熱面垂直放置時，采用兩段分開的空氣換熱單元，熱管內(nèi)的液態(tài)工質(zhì)虹 吸升高回流平均高度也減少了一半，這些都對熱管傳輸熱量有至關(guān)重要的影響。如果液態(tài)工 質(zhì)回流距離太遠(yuǎn)，特別是回流高度太高，超過了虹吸高度限制，遠(yuǎn)離蒸發(fā)段的外肋片，就可 能失去散熱作用，或效果顯著下降。分開的空氣換熱單元數(shù)量越多，液態(tài)工質(zhì)回流平均距離 和虹吸回流平均高度就越短，熱管傳輸熱量的阻礙越小，越有利于充分發(fā)揮外肋片的作用。


以下結(jié)合附圖和實施例對本實用新型進(jìn)一步說明。 圖l、 2是本實用新型散熱器的基本結(jié)構(gòu)示意圖。圖3、 5、 6、 9、 IO是本實用新型散熱器中由內(nèi)外肋片、導(dǎo)熱塊以及熱管組成的傳熱部 件的特征結(jié)構(gòu)俯視示意圖。圖4是波紋形肋片的特征結(jié)構(gòu)示意圖。圖7是套片式肋片的特征結(jié)構(gòu)示意圖。圖8、 11是疊片式肋片的特征結(jié)構(gòu)示意圖。圖12是叉列式短肋形強(qiáng)化傳熱結(jié)構(gòu)的特征結(jié)構(gòu)示意圖。圖13是百葉窗式短肋形強(qiáng)化傳熱結(jié)構(gòu)的特征結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，1、風(fēng)扇，2、外肋片，3、內(nèi)肋片，4、導(dǎo)熱塊，5、熱管，6、定位折邊。圖l、 2示出了本實用新型的基本結(jié)構(gòu)組成，吸熱面就在導(dǎo)熱塊(4)的下面，風(fēng)扇(1)設(shè)置在導(dǎo)熱塊(4)的上側(cè)吸熱面背對的一側(cè)，內(nèi)肋片(3)在導(dǎo)熱塊(4)的側(cè)面上。在內(nèi) 肋片(3)外圍是由外肋片(2)和熱管(5)組成的空氣換熱單元，在熱管(5)內(nèi)、外側(cè)都 設(shè)置有外肋片(2),這樣散熱面積得到極大提高。設(shè)計時，盡可能使內(nèi)肋片(3)和外肋片 (2)靠風(fēng)扇(1)處，在同一平面上，使得風(fēng)扇(1)和內(nèi)肋片G)以及外肋片(2)之間 沒有空置的空間，整體緊湊。導(dǎo)熱塊(4)高出(軸向)內(nèi)外肋片，是便于空氣流通，均勻 地流經(jīng)內(nèi)外肋片，因為常常被冷卻的電子器件大都是扁平的，或其上的散熱面大于導(dǎo)熱塊的 吸熱面(橫截面)，導(dǎo)熱塊高出肋片所形成的空間，就成了空氣流動通道，這樣可消除肋片 內(nèi)的空氣流動死區(qū)，這些和現(xiàn)太陽花式CPU散熱器結(jié)構(gòu)有類似之處，保留了原類型的優(yōu)點。為了減少熱管的冷凝段和中段所占的空氣流通面積，增加外肋片(2)和內(nèi)肋片(3)的 散熱面積，熱管(5)冷凝段和中段應(yīng)該采用扁管，如圖1所示。冷凝段采用扁管，還可以 增大外肋片與熱管的有效接觸面積。如果，單根熱管要求過扁，太扁的熱管制造工藝難度大， 成本高，則可以采用兩根或兩根以上的熱管并排來替代。圖3示出了由內(nèi)外肋片和導(dǎo)熱塊以及熱管組成的傳熱部件的俯視圖，采用有兩根熱管， 熱管(5)的蒸發(fā)段可采用焊接或鑲嵌方法，設(shè)置在導(dǎo)熱塊(4)上，這兩種方法能有效解決 蒸發(fā)段和導(dǎo)熱塊(4)之間的接觸熱阻。熱管(5)冷凝段和外肋片(2) —起呈圓弧形，緊 靠內(nèi)肋片(3),將其圍著，這樣結(jié)構(gòu)緊湊。熱管(5)中段的彎曲半徑最小，注意不得小于規(guī)定的最小允許值。導(dǎo)熱塊(4)在肋片 處的橫截面設(shè)計成圓形，也可以設(shè)計成橢圓形、多邊形，但圓形最合理，導(dǎo)熱塊(4)上的 內(nèi)肋片(3)是采用鋁擠出工藝成形，整個內(nèi)肋片(3) —起擠出，連成一體，形成整體式結(jié) 構(gòu)。內(nèi)肋片(3)和導(dǎo)熱塊(4)可以一起擠出成形，得到一整體部件，再去掉肋片中的一部 分，使導(dǎo)熱塊(4)高；內(nèi)肋片(3)和導(dǎo)熱塊(4)也可以分成兩個零件，內(nèi)肋片(3)根部 是一環(huán)，使所有的內(nèi)肋片連成一體，中心部分的導(dǎo)熱塊是另一零件，比如采用過盈緊配合， 壓入內(nèi)肋片根部的環(huán)內(nèi)。圖3中，在熱管(5)的冷凝段的內(nèi)外側(cè)都設(shè)置有外肋片(2)，圖中所示的外肋片(2) 采用的是波紋形結(jié)構(gòu)，圖4為放大的波紋形結(jié)構(gòu)肋片的示意圖，其特征結(jié)構(gòu)是帶狀肋片材 料(一般采用鋁帶和銅帶)被加工成連續(xù)的波紋形，再采用焊接工藝(一般采用釬焊工藝)， 焊在熱管(5)上，波紋形可采用兩齒輪碾壓成形，加工成形簡單，生產(chǎn)效率高。外肋片可 以采用波紋形結(jié)構(gòu)，內(nèi)肋片同樣也可以采用波紋形結(jié)構(gòu)。圖5中外肋片(2)是套片式結(jié)構(gòu)，圖7是其放大的特征示意圖，其特征結(jié)構(gòu)是肋片 上有帶翻邊的孔，熱管插入該孔，熱管(5)上的熱量就通過翻邊與熱管(5)的接觸導(dǎo)熱傳 入外肋片(2)上，為了有效解決翻邊與熱管(5)之間的接觸熱阻，應(yīng)該采用焊接工藝，一 般采用錫釬焊。圖5和圖3之間還有一區(qū)別，圖3中采用有兩根熱管，而圖5中只有一根熱 管，兩端是冷凝段，中間的蒸發(fā)段為兩端冷凝段共有，由冷凝段和外肋片(2)組成的空氣 換熱單元被蒸發(fā)段和熱管中段分開成兩段。在圖6中，采用有四根熱管，有四段由熱管冷凝段和外肋片組成的空氣換熱單元，它們 相互獨立。四段分開的空氣換熱單元與兩段相比，熱管中液態(tài)工質(zhì)從冷凝段回流到蒸發(fā)段的 流動平均距離可減小近一半，當(dāng)元器件的散熱面垂直放置時，液態(tài)工質(zhì)依靠虹吸力回流平均 高度降低，這非常有利于熱管中的熱量傳輸，因而本實用新型認(rèn)為，設(shè)計時盡可能采用不少 于四段分開的由熱管冷凝段和外肋片組成的空氣換熱單元。圖6所示的外肋片(2)被稱為疊片式結(jié)構(gòu)肋片，圖8為其放大的特征示意圖，其特征結(jié)構(gòu)是外肋片(2)由一片片單獨的散片累疊起來，外肋片(2)根處折邊，該折邊緊靠熱管(5)，熱管上的熱量就是通過該折邊與熱管(5)接觸傳到外肋片(2)上，外肋片(2) 焊接在熱管(5)上。圖6、 8中示出在肋片根處還有一折邊——定位折邊(6)，肋片之間的 片距就是靠定位折邊(6)確定，在外肋片(2)的尖處也有定位折邊(6)。有了肋片根處和 尖處的定位折邊(6)，就容易保證肋片之間的片距均勻，便于裝配，生產(chǎn)效率高。內(nèi)肋片(3)同樣可以采用疊片式結(jié)構(gòu)，如圖11所示。鋁擠出工藝限制了肋片的最小厚 度， 一般為0.5mm，這非常厚，內(nèi)肋片如果采用疊片式結(jié)構(gòu)或前面所述的波紋形結(jié)構(gòu)，由于 肋片是采用薄帶(鋁帶或銅帶)加工制成，肋片厚度不受限制，可以減小到0.1mm，這樣可 大大地減小內(nèi)肋片的材料用量及重量，減小肋片厚度所占的空氣流通面積，增加內(nèi)肋片數(shù)量。在圖9中，只在熱管(5)冷凝段內(nèi)側(cè)設(shè)有外肋片(2)，在圖10中只在熱管(5)的冷 凝段外側(cè)設(shè)有外肋片(2)，這兩種結(jié)構(gòu)，只有當(dāng)散熱器外形尺寸受到限制時才適合采用。在圖3、 5、 6、 9、 IO中還示出有相同的特征 一、內(nèi)肋片(3)順著周向朝一個方向彎 曲，這樣的彎曲肋片，優(yōu)點是肋片根處和尖處的片距之差減小，可以設(shè)計制造出，從根處 到尖處的片距一致，這樣能保證空氣流經(jīng)肋片均勻，有利于整體散熱面得到充分發(fā)揮。如果 根處片距小、尖處片距大，則流經(jīng)靠尖處的的空氣量大，但由于肋片內(nèi)的導(dǎo)熱熱阻，肋片尖處的溫度低于根處的溫度，因而根處散熱優(yōu)勢得不到有效利用。片距均勻還有一優(yōu)點是相同的肋長，相同的肋片數(shù)，即總肋片面積相同，在導(dǎo)熱塊外徑相同的情況下，散熱器外徑小，更緊湊。因而本實用新型認(rèn)為選取肋片尖處片距和根處片距之比不得大于1.5。二、熱管(5)的蒸發(fā)段和冷凝段之間的熱管中段，彎曲方向和內(nèi)肋片(3)的彎曲方向 一致，設(shè)計時，盡可能將熱管中段的彎曲半徑靠近內(nèi)肋片(3)的彎曲半徑，這樣，可減少 熱管中段與內(nèi)肋片(3)之間的干涉，減少熱管中段所占內(nèi)肋片(3)的空間，保證內(nèi)肋片(3) 的數(shù)量和其散熱面積，也便于熱管的安裝配合。根據(jù)傳熱學(xué)和空氣動力學(xué)，可得知本實用新型中肋片內(nèi)的空氣對流傳熱屬于窄縫內(nèi)對 流傳熱，空氣對流換熱系數(shù)和肋片之間的間隙尺寸成反比，也就是說間隙越小，即肋片越密 (散熱器越緊湊)，空氣對流換熱系數(shù)越高。因而減小片距，不僅增大了散熱面積，而且還 提高空氣對流換熱系數(shù)，效應(yīng)是雙倍地提高，最佳間隙是lmm以下，但考慮到運行時的塵 埃污染問題， 一般不把間隙設(shè)計到lmm以下， 一般取1.5mm的間隙，空調(diào)里換熱器中的肋 片之間的間隙在1.5mm左右。如果肋片厚0.4mm，肋片之間的間隙為1.5mm，則肋片片距 為1.9mm.本實用新型認(rèn)為，肋片片距選取2.0mm以下為合理值，由于肋片片距不一定是均 勻的，此處所述的片距是平均片距。為了進(jìn)一步提高肋片的空氣對流換熱量，減小散熱器尺寸，在肋片上采用強(qiáng)化對流傳熱 結(jié)構(gòu)。圖12、 13示出了短肋形強(qiáng)化傳熱結(jié)構(gòu)，圖12為叉列式短肋形，圖10為百葉窗式短 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。短肋的寬度在2.0毫米左右為好。肋片加密，采用強(qiáng)化換熱結(jié)構(gòu)，將大大地提高了空氣流動阻力。單級軸流式風(fēng)扇風(fēng)壓不 足，克服不了肋片的空氣流動阻力，導(dǎo)致風(fēng)量急劇下降，流經(jīng)肋片內(nèi)的空氣溫度迅速上升， 空氣對流換熱的換熱溫差下降，則散熱量下降。單級軸流式風(fēng)扇滿足不了要求，可采用多級 軸流式風(fēng)扇和離心式風(fēng)扇，風(fēng)壓高，能滿足以上要求。
權(quán)利要求1、一種用于冷卻電子器件的散熱器，包括有導(dǎo)熱塊(4)、內(nèi)肋片(3)、外肋片(2)、熱管(5)和風(fēng)扇(1)，導(dǎo)熱塊(4)上有一平整的吸熱面，內(nèi)肋片(3)設(shè)置在導(dǎo)熱塊(4)的側(cè)面，外肋片(2)在熱管(5)上，風(fēng)扇(1)設(shè)置在吸熱面背對的一側(cè)，其特征在于熱管(5)的蒸發(fā)段設(shè)置在導(dǎo)熱塊(4)上，熱管中段彎曲，在熱管(5)的冷凝段上設(shè)置有外肋片(2)，一起呈圓弧形，圍著內(nèi)肋片(3)；圍著內(nèi)肋片(3)，至少有兩段分開的由熱管(5)的冷凝段和外肋片(2)組成的空氣換熱單元。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的散熱器，其特征在于風(fēng)扇(1)為離心式風(fēng)扇，或多級軸 流式風(fēng)扇。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的散熱器，其特征在于內(nèi)肋片(3)順著周向朝一個方向彎曲，熱管中段彎曲方向和內(nèi)肋片(3)彎曲方向一致。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的散熱器，其特征在于熱管(5)的冷凝段和中段采用扁管，或熱管(5)為兩根或兩根以上并排的熱管。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的散熱器，其特征在于圍著內(nèi)肋片(3)，至少有四段分開的由熱管(5)的冷凝段和外肋片(2)組成的空氣換熱單元。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的散熱器，其特征在于熱管(5)的蒸發(fā)段是焊接或鑲嵌在 導(dǎo)熱塊(4)上的。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1至6中任何一項所述的散熱器，其特征在于內(nèi)肋片(3)采用了波紋形結(jié)構(gòu)，或疊片式結(jié)構(gòu)，或鋁擠出成形的整體式結(jié)構(gòu)。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1至6中任何一項所述的散熱器，其特征在于外肋片(2)采用了 疊片式結(jié)構(gòu)、或波紋形結(jié)構(gòu)、或套片式結(jié)構(gòu)；外肋片(2)焊在熱管上。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1至6中任何一項所述的散熱器，其特征在于外肋片(2)或內(nèi)肋 片(3)采用了短肋形強(qiáng)化傳熱結(jié)構(gòu)。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1至6中任何一項所述的散熱器，其特征在于內(nèi)肋片(3)和外肋 片(2)的平均片距不大于2.0mm。
專利摘要本實用新型提出了一種用于電子器件的散熱器，以現(xiàn)太陽花式CPU散熱器為基本原型結(jié)構(gòu)，引入熱管，利用熱管的高效熱傳輸特性，強(qiáng)化熱量傳輸，通過在熱管(5)上加設(shè)外肋片(2)，散熱面積得到極大的提高的同時，肋效率不降低，并保留原型散熱器的優(yōu)點。采用強(qiáng)化傳熱結(jié)構(gòu)，優(yōu)化設(shè)計，進(jìn)一步使散熱器小巧、緊湊。采用離心式風(fēng)扇或多級軸流式風(fēng)扇，提高風(fēng)壓，增大空氣流量，進(jìn)一步提高散熱量。
文檔編號H01L23/367GK201119226SQ20072017058
公開日2008年9月17日 申請日期2007年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月7日
發(fā)明者彪 秦 申請人:彪 秦