專利名稱：一種熱管強化的電子器件散熱器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及電子器件的散熱技術領域，特別是有由導熱塊、熱管、肋片和風扇組成 的散熱器。
技術背景隨著半導體功率器件、半導體發光器件的功率提高，特別是半導體集成電路晶體管數量 的增加，以及工作頻率的增加，其發熱量也隨著增加，當前計算機CPU以及GPU芯片散熱 問題已經成了計算機發展過程中的障礙。長期以來，電子器件的散熱不被重視，技術一直處 于原始的傳熱概念階段，上世紀六十至七十年代，傳熱技術的研究已經非常完善，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，就可以得到顯著的結果。現有一種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， 肋片在圓柱的側面，采用鋁擠出成形，也稱之為太陽花式，風扇在圓柱的另一端吸熱面背對 的一側，風扇和圓柱同軸；芯片產生的熱量通過芯片上的散熱面與圓柱上的吸熱面接觸導熱， 傳到圓柱，熱量在圓柱內以導熱的方式傳到圓柱側面，再傳到肋片上，風扇驅動空氣，流經 肋片，以對流傳熱方式將熱量傳到空氣中散出，圓柱在此僅起導熱作用，因而就稱之為導熱 塊。這種結構優點有由于風扇和圓柱(導熱塊)同軸，風扇驅動空氣，順著圓柱側面、以 及肋片流動，有效地減小風扇電機引起的在肋片中空氣流動死區的存在，而嚴重影響肋片內 空氣對流傳熱。這種太陽花式結構的散熱器，當散熱量不高時，有其優點。但一旦散熱量非常高時，問 題就會出現，如果通過增加肋片的肋長(肋片根處、靠導熱塊處，到肋片尖處的長度)來加 大散熱面積，將導致肋效率下降，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，流經肋片的空氣量減小，還有導熱塊高度增加，這又增加了導 熱塊內的導熱熱阻，這都將不利于散熱，最終的結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，簡單的太陽花式結構不 適合用于大功率的散熱器。現用于臺式計算機中的這種CPU散熱器，為了提高散熱量，只好增加整體尺寸，散熱 器外徑達到90mm，肋長和肋寬達到30mm，目的就是增加肋片總面積(散熱面積)，達到提 高散熱量。這樣大的散熱器，是計算機主板上占主要空間尺寸的器件，散熱器所占的空間， 已經成為減小計算機尺寸、緊湊設計中的障礙。 發明內容本實用新型在上述類型的散熱器基礎上進行重大改進，采用熱管增強熱量傳輸，通過在 熱管上加設肋片，再加上巧妙的布置，實現增加肋片數量，在達到增加散熱面積的目的同時， 不降低肋效率，又保留原類型的優點。引入強化傳熱結構，優化尺寸，進一步減小散熱器尺 寸，降低材料成本的同時，又有效地提高散熱量。通過采用高風壓的離心式風扇或多級軸流 式風扇，提高風量，進一步提高散熱量。本實用新型的技術方案是散熱器主要部件包括有導熱塊、內肋片、外肋片、熱管和 風扇，導熱塊上有一平整的吸熱面，內肋片設置在導熱塊側面，外肋片在熱管上，風扇設置 在和吸熱面背對的一側，本實用新型的特征在于熱管的蒸發段設置在導熱塊上，熱管的蒸發段和冷凝段之間的熱管中段彎曲，在熱管的冷凝段上設置有外肋片，組成空氣換熱單元， 一起呈圓弧形，圍著內肋片，好似外肋片是內肋片在肋長方向上的加長；圍著內肋片，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太陽花式產品的肋片外圍，增設了一層肋片，所以稱之為外肋片， 保留了原類型產品的優點避免風扇電機所造成的在肋片內空氣流動死區的存在。熱管的蒸 發段在導熱塊上，通過接觸導熱，吸取導熱塊上的熱量。由于熱管彎曲半徑受限制，設置在 導熱塊上的熱管蒸發段，和呈圓弧圍著內肋片的熱管冷凝段之間的熱管中段，必須呈圓弧線 彎曲，彎曲半徑不應低于規定的值。傳到外肋片的熱量是熱管從導熱塊上傳輸來的，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 的熱傳導距離短，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。依據傳熱學，肋效率是mL的函數，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，現空調里的空氣換熱器(蒸發 器和冷凝器)中的肋片(鋁材)厚度減小到O.lmm以下。現產品采用鋁擠出工藝，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， 熱管內的液態工質回流到蒸發段的平均距離太長；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，熱管內的液態工質虹 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重要的影響。如果液態工 質回流距離太遠，特別是回流高度太高，超過了虹吸高度限制，遠離蒸發段的外肋片，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量越多，液態工質回流平均距離 和虹吸回流平均高度就越短，熱管傳輸熱量的阻礙越小，越有利于充分發揮外肋片的作用。
以下結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。 圖l、 2是本實用新型散熱器的基本結構示意圖。圖3、 5、 6、 9、 IO是本實用新型散熱器中由內外肋片、導熱塊以及熱管組成的傳熱部 件的特征結構俯視示意圖。圖4是波紋形肋片的特征結構示意圖。圖7是套片式肋片的特征結構示意圖。圖8、 11是疊片式肋片的特征結構示意圖。圖12是叉列式短肋形強化傳熱結構的特征結構示意圖。圖13是百葉窗式短肋形強化傳熱結構的特征結構示意圖。圖中，1、風扇，2、外肋片，3、內肋片，4、導熱塊，5、熱管，6、定位折邊。圖l、 2示出了本實用新型的基本結構組成，吸熱面就在導熱塊(4)的下面，風扇(1)設置在導熱塊(4)的上側吸熱面背對的一側，內肋片(3)在導熱塊(4)的側面上。在內 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、外側都 設置有外肋片(2),這樣散熱面積得到極大提高。設計時，盡可能使內肋片(3)和外肋片 (2)靠風扇(1)處，在同一平面上，使得風扇(1)和內肋片G)以及外肋片(2)之間 沒有空置的空間，整體緊湊。導熱塊(4)高出(軸向)內外肋片，是便于空氣流通，均勻 地流經內外肋片，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熱塊的 吸熱面(橫截面)，導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 內的空氣流動死區，這些和現太陽花式CPU散熱器結構有類似之處，保留了原類型的優點。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)和內肋片(3)的 散熱面積，熱管(5)冷凝段和中段應該采用扁管，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示出了由內外肋片和導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)的蒸發段可采用焊接或鑲嵌方法，設置在導熱塊(4)上，這兩種方法能有效解決 蒸發段和導熱塊(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 靠內肋片(3),將其圍著，這樣結構緊湊。熱管(5)中段的彎曲半徑最小，注意不得小于規定的最小允許值。導熱塊(4)在肋片 處的橫截面設計成圓形，也可以設計成橢圓形、多邊形，但圓形最合理，導熱塊(4)上的 內肋片(3)是采用鋁擠出工藝成形，整個內肋片(3) —起擠出，連成一體，形成整體式結 構。內肋片(3)和導熱塊(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，使導熱塊(4)高；內肋片(3)和導熱塊(4)也可以分成兩個零件，內肋片(3)根部 是一環，使所有的內肋片連成一體，中心部分的導熱塊是另一零件，比如采用過盈緊配合， 壓入內肋片根部的環內。圖3中，在熱管(5)的冷凝段的內外側都設置有外肋片(2)，圖中所示的外肋片(2) 采用的是波紋形結構，圖4為放大的波紋形結構肋片的示意圖，其特征結構是帶狀肋片材 料(一般采用鋁帶和銅帶)被加工成連續的波紋形，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，生產效率高。外肋片可 以采用波紋形結構，內肋片同樣也可以采用波紋形結構。圖5中外肋片(2)是套片式結構，圖7是其放大的特征示意圖，其特征結構是肋片 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，熱管中液態工質從冷凝段回流到蒸發段的 流動平均距離可減小近一半，當元器件的散熱面垂直放置時，液態工質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，因而本實用新型認為，設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)被稱為疊片式結構肋片，圖8為其放大的特征示意圖，其特征結構是外肋片(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，生產效率高。內肋片(3)同樣可以采用疊片式結構，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，內肋片如果采用疊片式結構或前面所述的波紋形結構，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，增加內肋片數量。在圖9中，只在熱管(5)冷凝段內側設有外肋片(2)，在圖10中只在熱管(5)的冷 凝段外側設有外肋片(2)，這兩種結構，只有當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、內肋片(3)順著周向朝一個方向彎 曲，這樣的彎曲肋片，優點是肋片根處和尖處的片距之差減小，可以設計制造出，從根處 到尖處的片距一致，這樣能保證空氣流經肋片均勻，有利于整體散熱面得到充分發揮。如果 根處片距小、尖處片距大，則流經靠尖處的的空氣量大，但由于肋片內的導熱熱阻，肋片尖處的溫度低于根處的溫度，因而根處散熱優勢得不到有效利用。片距均勻還有一優點是相同的肋長，相同的肋片數，即總肋片面積相同，在導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)的蒸發段和冷凝段之間的熱管中段，彎曲方向和內肋片(3)的彎曲方向 一致，設計時，盡可能將熱管中段的彎曲半徑靠近內肋片(3)的彎曲半徑，這樣，可減少 熱管中段與內肋片(3)之間的干涉，減少熱管中段所占內肋片(3)的空間，保證內肋片(3) 的數量和其散熱面積，也便于熱管的安裝配合。根據傳熱學和空氣動力學，可得知本實用新型中肋片內的空氣對流傳熱屬于窄縫內對 流傳熱，空氣對流換熱系數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，效應是雙倍地提高，最佳間隙是lmm以下，但考慮到運行時的塵 埃污染問題， 一般不把間隙設計到lmm以下， 一般取1.5mm的間隙，空調里換熱器中的肋 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，在肋片上采用強化對流傳熱 結構。圖12、 13示出了短肋形強化傳熱結構，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的表面被沖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、換熱系數高的有利特點。短肋的寬度在2.0毫米左右為好。肋片加密，采用強化換熱結構，將大大地提高了空氣流動阻力。單級軸流式風扇風壓不 足，克服不了肋片的空氣流動阻力，導致風量急劇下降，流經肋片內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。單級軸流式風扇滿足不了要求，可采用多級 軸流式風扇和離心式風扇，風壓高，能滿足以上要求。
權利要求1、一種用于冷卻電子器件的散熱器，包括有導熱塊(4)、內肋片(3)、外肋片(2)、熱管(5)和風扇(1)，導熱塊(4)上有一平整的吸熱面，內肋片(3)設置在導熱塊(4)的側面，外肋片(2)在熱管(5)上，風扇(1)設置在吸熱面背對的一側，其特征在于熱管(5)的蒸發段設置在導熱塊(4)上，熱管中段彎曲，在熱管(5)的冷凝段上設置有外肋片(2)，一起呈圓弧形，圍著內肋片(3)；圍著內肋片(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、 根據權利要求1所述的散熱器，其特征在于風扇(1)為離心式風扇，或多級軸 流式風扇。
3、 根據權利要求1所述的散熱器，其特征在于內肋片(3)順著周向朝一個方向彎曲，熱管中段彎曲方向和內肋片(3)彎曲方向一致。
4、 根據權利要求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、 根據權利要求1所述的散熱器，其特征在于圍著內肋片(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、 根據權利要求1所述的散熱器，其特征在于熱管(5)的蒸發段是焊接或鑲嵌在 導熱塊(4)上的。
7、 根據權利要求1至6中任何一項所述的散熱器，其特征在于內肋片(3)采用了波紋形結構，或疊片式結構，或鋁擠出成形的整體式結構。
8、 根據權利要求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 疊片式結構、或波紋形結構、或套片式結構；外肋片(2)焊在熱管上。
9、 根據權利要求1至6中任何一項所述的散熱器，其特征在于外肋片(2)或內肋 片(3)采用了短肋形強化傳熱結構。
10、 根據權利要求1至6中任何一項所述的散熱器，其特征在于內肋片(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，以現太陽花式CPU散熱器為基本原型結構，引入熱管，利用熱管的高效熱傳輸特性，強化熱量傳輸，通過在熱管(5)上加設外肋片(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點。采用強化傳熱結構，優化設計，進一步使散熱器小巧、緊湊。采用離心式風扇或多級軸流式風扇，提高風壓，增大空氣流量，進一步提高散熱量。
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 優先權日2007年11月7日
發明者彪 秦 申請人:彪 秦