專利名稱：構(gòu)形樹狀式熱管散熱器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種散熱裝置，具體涉及的是一種為實現(xiàn)高效快速散熱而設(shè)計的具有 構(gòu)形樹狀結(jié)構(gòu)特征的熱管散熱器，本發(fā)明可用于解決多熱源電子元器件的散熱問題。
背景技術(shù)：
隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，半導體器件集成化程度越來越高，其熱可靠性指標也 越來越苛刻，進而對電子元器件的冷卻、散熱提出的更高的要求。目前，由于成本和可靠性 方面要求，采用風扇和散熱器組件的空氣強迫對流冷卻方式在實際中得到了廣泛使用。采 用放射狀散熱器對于高功率的電子元器件進行冷卻，是目前解決散熱問題的主要途徑。但 是，在實際應用中，這種放射狀散熱器也存在著如下問題(1)基體材料的導熱性能差異導 致散熱速率慢，使得電子元器件表面溫度高，不能很好的滿足電子設(shè)備運行的穩(wěn)定性和可 靠性要求；( 肋片頂部與根部溫差較大，即肋片上溫度分布不均勻，未能充分高效地利用 散熱面積，使得散熱效果不夠理想；C3)對于距離熱源有一定距離的散熱肋片，其散熱效果 較距離熱源較近的散熱效果遜色較多，不能發(fā)揮整體散熱肋片的最佳散熱性能，只能以提 高受熱面的溫度水平來實現(xiàn)向外界散熱，這將影響到電子設(shè)備運行的穩(wěn)定性和可靠性。因 此，傳統(tǒng)的放射狀散熱器并不是電子設(shè)備高效散熱的最佳解決方案，迫切需要尋求一種新 型高效的散熱方案和技術(shù)。
受構(gòu)形理論成功應用于解決流傳遞結(jié)構(gòu)體內(nèi)優(yōu)化設(shè)計問題的思想啟迪，本發(fā)明 將散熱器設(shè)計成構(gòu)形樹狀結(jié)構(gòu)特征，并將之與熱管技術(shù)緊密結(jié)合起來，以達到散熱能力強、 溫度均勻性高、可較大距離對熱源散熱的目的。發(fā)明內(nèi)容
為解決現(xiàn)有的電子元器件散熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計上存在的散熱效率有限、溫度均勻性差 和散熱肋片散熱性能受熱源距離影響的問題，本發(fā)明提供了一種新型的具有構(gòu)形樹狀結(jié)構(gòu) 特征的熱管散熱器。由于該型散熱器，實現(xiàn)了流傳遞結(jié)構(gòu)體優(yōu)化設(shè)計和熱管技術(shù)的緊密結(jié) 合，大大提高散熱器的散熱速率、均溫性，同時對熱源與散熱器的距離也不受到過多限制， 能滿足多熱源和高功率的電子設(shè)備運行的穩(wěn)定性和可靠性要求，為電子設(shè)備系統(tǒng)的安全、 穩(wěn)定、高效運行提供可靠保證。
技術(shù)方案為解決傳統(tǒng)放射狀散熱器設(shè)計上存在的上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的技術(shù)方案是 一種構(gòu)形樹狀式熱管散熱器，由高導熱基板、吸液芯、散熱肋片和工作介質(zhì)構(gòu)成，在所 述基板內(nèi)設(shè)置有窄空腔，在所述的窄空腔上連接所述的散熱肋片，在所述的散熱肋片的內(nèi) 部設(shè)置有貫穿空腔，在所述的窄空腔里填充所述的吸液芯，在所述的窄空腔和貫穿空腔中 充著所述的工作介質(zhì)，其主要特征在于所述的散熱肋片為構(gòu)形樹狀結(jié)構(gòu)，它由主貫穿通道 和分叉連接肋片組成，所述的分叉連接肋片至少為兩片，且呈圓環(huán)狀布置在所述的主貫穿通道的外圍，所述的分叉連接肋片內(nèi)部貫穿空腔與所述的主貫穿通道貫通。
所述的分叉連接肋片含有m級分叉肋片為大于等于2的整數(shù))，且每級分叉肋片 含有#個肋片0V=2或3)，所述的第一級分叉連接肋片與主貫穿通道連接，所述的上下級分 叉連接肋片內(nèi)的貫穿空腔直徑之比為(直徑維數(shù)D取大于等于7/3且小于等于3)，所述 的上下級分叉連接管道的長度之比為(長度維數(shù)i/取大于1且小于等于2的實數(shù))。
所述散熱肋片和所述高導熱基板已成為一個整體，工作時其內(nèi)部工質(zhì)的工作原理 與熱管內(nèi)部工質(zhì)工作原理相同。該型熱管散熱器工作時，高導熱基板作為該熱管散熱器的 蒸發(fā)段，分叉連接肋片組作為該熱管散熱器的冷凝段。
所述的分叉連接肋片通過分叉產(chǎn)生越來越多的分支，使得在有限空間最大程度地 布置了散熱肋片，進而大幅增加了熱管散熱器與外界冷源之間的對流換熱面積，同時使更 多氣流從散熱器上端流經(jīng)肋片后從肋片下端排出，消除了可能存在的肋片與冷卻流體的對 流換熱死區(qū)。用所述分叉連接肋片和主貫穿通道組成的散熱肋片代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬體作為散 熱肋片，實際上是用汽液兩相換熱的方式代替的了傳統(tǒng)的金屬導熱，使散熱的效率很穩(wěn)定 性得到了大大提高。
所述的填充于窄空腔內(nèi)的吸液芯為多孔金屬泡沫、金屬絲網(wǎng)、燒結(jié)金屬粉末和復 合吸液芯等。所述的窄空腔和貫穿空腔的表面可設(shè)置有小槽道，其形狀可為V形、矩形、梯 形等任意形狀。所述的熱管散熱若應用于逆重力條件，貫穿空腔的表面需嵌有多孔金屬泡 沫、燒結(jié)金屬粉末等吸液芯，通過吸液芯內(nèi)的微孔產(chǎn)生毛細驅(qū)動力來抵消重力作用以保證 凝結(jié)液及時回流到窄空腔內(nèi)的吸液芯(即蒸發(fā)段)。
所述的基板材料為銅(銅合金)、鋁(鋁合金)、鋼(合金鋼)、銀等多種高導熱性能金屬。
所述的熱管散熱器的工作介質(zhì)為水、氨、丙酮、乙醇、甲醇、液態(tài)金屬或制冷劑等各 種類型流體工質(zhì)，該流體工質(zhì)在腔體內(nèi)維持飽和狀態(tài)。
所述的熱管散熱器的冷卻方式可采用自然對流和強制對流，對于大功率電子元器 件應采用風扇強制對流方式，該方式通過流體與所述構(gòu)形肋片發(fā)生的強制對流換熱，能高 效快速地將電子元器件產(chǎn)生的熱量通過熱管散熱器將熱量帶走。
本發(fā)明涉及到的熱管散熱器的技術(shù)方案在于熱管技術(shù)與構(gòu)形樹狀結(jié)構(gòu)散熱肋片 緊密結(jié)合。窄空腔吸液芯和貫穿空腔中的工作流體處于飽和狀態(tài)，一旦有多個局部高熱流 密度熱源從外界輸入熱量，基板窄空腔吸液芯內(nèi)浸著的工作液體因吸收熱量而發(fā)生蒸發(fā)相 變，從多個熱源點蒸發(fā)相變產(chǎn)生的蒸汽迅速通過窄空腔向各自的四周擴散進而達到呈環(huán)狀 布置的叉連接肋片內(nèi)部貫穿空腔。在外界冷源對流換熱作用下，蒸汽在叉連接肋片內(nèi)部貫 穿空腔表面冷凝，釋放出的熱量直接傳輸給外界冷源。在順重力條件下，冷凝下來的凝結(jié)液 通過重力作用直接回流到窄空腔內(nèi)的吸液芯(即蒸發(fā)段)；在逆重力條件下，通過貫穿空腔 的表面嵌著的吸液芯內(nèi)的微孔產(chǎn)生毛細驅(qū)動力推動冷凝液返回到窄空腔內(nèi)的吸液芯(即蒸 發(fā)段)。冷凝回來的凝結(jié)液再通過蒸發(fā)相變作用帶走熱量，這樣，熱管散熱器就完成了實現(xiàn) 了熱管內(nèi)工質(zhì)毛細相變換熱循環(huán)。由于該發(fā)明所涉及到的熱管散熱器能將多個(含單個)局 部高熱流熱源點產(chǎn)生的熱量通過工質(zhì)相變將熱量迅速帶走，由于汽化潛熱大，因此能瞬時 降低受熱面的溫度水平，并可有效消除局部熱點的產(chǎn)生，使得熱管散熱器受熱面具有優(yōu)越 等溫性能，進而保證電子元器件的安全、穩(wěn)定、高效工作。
在外界冷源對流換熱作用(即強制風冷和自然冷卻)下，降低熱管散熱器受熱面溫 度水平的關(guān)鍵因素在于散熱肋片的有效換熱面積。本發(fā)明將散熱肋片設(shè)計成構(gòu)形樹狀結(jié) 構(gòu)，它由主貫穿通道和分叉連接肋片組成，分叉連接肋片繞主貫穿通道呈圓環(huán)狀布置。在每 個的分叉連接肋片內(nèi)，分叉連接肋片通過分叉產(chǎn)生越來越多的分支，使得在有限空間內(nèi)最 大程度地布置了散熱肋片，進而大幅增加了熱管散熱器與外界冷源(空氣)之間的對流換熱 面積。并且，分叉連接肋片內(nèi)部是通過相變換熱實現(xiàn)熱量的輸送，使得肋片頂部和根部基本 沒有溫差。另外，由于構(gòu)形肋片沿徑向的外端處的肋片間隙變小，具有屏蔽效應，減少了肋 片間氣流旁通量，使更多氣流從散熱器上端流經(jīng)肋片后從肋片下端排出，消除了可能存在 的肋片與冷卻流體的對流換熱死區(qū)。以上這些因素大大強化了熱管散熱的散熱性能，降低 了熱管散熱器受熱面溫度水平，進而保證了電子設(shè)備運行的穩(wěn)定性和可靠性。
由于熱量傳遞在本發(fā)明提供的熱管散熱器內(nèi)是通過毛細蒸發(fā)相變來實現(xiàn)的，使得 散熱肋片散熱各個部位的溫度幾乎不存在溫差，使得本發(fā)明提供的各個部位的散熱肋片的 散熱性能不再受熱源距離影響，大大提升了整體散熱肋片的散熱性能，進而降低了受熱面 的溫度水平提高了電子設(shè)備運行的穩(wěn)定性和可靠性。
有益效果本發(fā)明涉及的一種構(gòu)形樹狀式熱管散熱器，其散熱肋片通過分叉產(chǎn)生越來越多的分 支，使得在有限空間內(nèi)最大限度地布置了散熱肋片，進而大幅度增加了熱管散熱器與外界 冷源(空氣)之間的對流換熱面積。分叉連接肋片內(nèi)部通過毛細蒸發(fā)相變換熱來實現(xiàn)熱量的 輸送，使得肋片頂部和根部基本沒有溫差，使得本發(fā)明提供的各個部位的散熱肋片的散熱 性能不再受熱源距離影響。另外，由于構(gòu)形肋片沿徑向的外端處的肋片間隙變小，具有屏蔽 效應，減少了肋片間氣流旁通量，使更多氣流從散熱器上端流經(jīng)肋片后從肋片下端排出，消 除了可能存在的肋片與冷卻流體的對流換熱死區(qū)。該發(fā)明所涉及到的熱管散熱器能將多個 (含單個)局部高熱流熱源點產(chǎn)生的熱量通過工質(zhì)相變將熱量迅速帶走，有效消除了局部熱 點的產(chǎn)生，以上這些因素大大強化了熱管散熱的散熱性能，降低了熱管散熱器受熱面溫度 水平，進而保證了電子設(shè)備運行的安全、穩(wěn)定、高效工作。


圖1本發(fā)明的散熱器立體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2本發(fā)明中散熱肋片局部結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3本發(fā)明中散熱肋片局部結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4本發(fā)明的局部工作原理示意圖。
圖5本發(fā)明工作原理示意圖。
圖中，1.分叉連接肋片；2.主貫穿通道；3.吸液芯；4.導熱基板；5.窄空腔； 6.貫穿空腔；7.蒸汽；8.冷源；9.冷凝液；10.熱源。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖進行更進一步的詳細說明圖1給出了所述熱管散熱器的立體結(jié)構(gòu)示意圖。一種結(jié)合構(gòu)形樹狀結(jié)構(gòu)特征肋片的熱管散熱器，由高導熱基板4、吸液芯3、散熱肋片1和工作介質(zhì)組成。分叉連接肋片1繞主貫 穿通道2呈圓環(huán)狀布置。呈圓環(huán)狀布置的分叉連接肋片1組成散熱肋片。高導熱基板4內(nèi) 設(shè)置窄空腔5，窄空腔5內(nèi)填充吸液芯4，窄空腔上連接分叉連接肋片1，在窄空腔5和散熱 肋片的貫穿空腔6中充著工作介質(zhì)。高導熱基板4與電子元器件熱源緊密接觸。
圖2給出了散熱肋片的俯視圖。在該實施例中，分叉連接肋片1含有3級分叉肋 片，且每級分叉肋片含有2個肋片，分叉連接肋片1能充分利用肋片分叉產(chǎn)生的分支獲得較 大空間，在有限空間內(nèi)最大程度地布置了散熱肋片，進而大幅增加了熱管散熱器與外界冷 源(空氣)之間的對流換熱面積。由于分叉連接肋片1的特殊形狀，其沿徑向的外端處的肋 片間隙變小，對流體具有屏蔽效應，減少了肋片間氣流旁通量，使更多氣流從散熱器上端流 經(jīng)肋片后從肋片下端排出，消除了可能存在的肋片與冷卻流體的對流換熱死區(qū)，使散熱器 效率大大提高。
圖3給出了分叉連接肋片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。分叉連接肋片1的內(nèi)部設(shè)置有貫穿空腔6， 為所述工作介質(zhì)提供相變換熱產(chǎn)生的蒸汽流動通道。
圖4、圖5給出了所述熱管散熱器工作原理示意圖。熱管散熱器工作時，熱源10將 熱量輸入到高導熱基板4下端后，高導熱基板內(nèi)部工質(zhì)吸熱蒸發(fā)，產(chǎn)生的蒸汽迅速擴散流 向整個貫穿空腔6。在分叉連接肋片和主貫穿通道內(nèi)部的壓差作用下，蒸汽9從窄空腔向四 周流動。在外界冷源作用下，蒸汽在貫穿空腔6的表面凝結(jié)。冷凝下來的冷凝液9在重力 的作用下沿貫穿空腔6的表面向下流至高導熱基板的窄空腔5內(nèi)，完成整個工作循環(huán)，實現(xiàn) 將熱量從熱源10通過汽液相變換熱傳至分叉連接肋片。此熱管散熱器可用于對熱源溫度 的穩(wěn)定性和散熱強度要求很高的場合。具有安全、高效、穩(wěn)定的優(yōu)勢，也可應用于熱源與散 熱肋片有一定距離的場合。
權(quán)利要求
1.一種構(gòu)形樹狀式熱管散熱器，由高導熱基板、吸液芯、散熱肋片和工作介質(zhì)構(gòu)成，在 所述基板內(nèi)設(shè)置有窄空腔，在所述的窄空腔上連接所述的散熱肋片，在所述的散熱肋片的 內(nèi)部設(shè)置有貫穿空腔，在所述的窄空腔里填充所述的吸液芯，在所述的窄空腔和貫穿空腔 中充著所述的工作介質(zhì)，其特征在于所述的散熱肋片為構(gòu)形樹狀結(jié)構(gòu)，它由主貫穿通道和 分叉連接肋片組成；所述的分叉連接肋片至少為兩片，且呈圓環(huán)狀布置在所述的主貫穿通 道的外圍，所述的分叉連接肋片內(nèi)部貫穿空腔與所述的主貫穿通道貫通。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的構(gòu)形樹狀式熱管散熱器，其特征在于所述的分叉連接肋片 含有m級分叉肋片，其中 為大于等于2的整數(shù)，且每級分叉肋片含有#個肋片，其中N:1 或3，所述的第一級分叉連接肋片與主貫穿通道連接，所述的上下級分叉連接肋片內(nèi)的貫穿 空腔直徑之比為#1Λ)，其中直徑維數(shù)D為大于等于7/3且小于等于3，所述的上下級分叉連 接管道的長度之比為，其中長度維數(shù)J為大于1且小于等于2的實數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種構(gòu)形樹狀式熱管散熱器，由高導熱基板、吸液芯、散熱肋片和工作介質(zhì)構(gòu)成，在基板內(nèi)設(shè)置有窄空腔，在窄空腔上連接所述的散熱肋片，在散熱肋片的內(nèi)部設(shè)置有貫穿空腔，在窄空腔里填充所述的吸液芯，在窄空腔和貫穿空腔中充著所述的工作介質(zhì)，散熱肋片為構(gòu)形樹狀結(jié)構(gòu)，它由主貫穿通道和分叉連接肋片組成，分叉連接肋片至少為兩片，且呈圓環(huán)狀布置在主貫穿通道的外圍，分叉連接肋片內(nèi)部貫穿空腔與所述的主貫穿通道貫通。該發(fā)明所熱管散熱器能將多個(含單個)局部高熱流熱源點產(chǎn)生的熱量通過工質(zhì)相變將熱量迅速帶走，有效消除了局部熱點的產(chǎn)生，降低了熱管散熱器受熱面溫度水平，進而保證了電子設(shè)備運行的安全、穩(wěn)定、高效工作。
文檔編號H01L23/367GK102034773SQ20101053416
公開日2011年4月27日 申請日期2010年11月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月8日
發(fā)明者張程賓, 施明恒, 眭佳佳, 陳永平 申請人:東南大學