专利名称：一种扁形电子芯片散热器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及电子器件散热的装置，特别是外形扁平，采用有热管和离心式风扇，主 要用于便携式电子产品，如笔记本式计算机中的电子芯片的散热。
背景技术：
笔记本式计算机的厚度越来越薄，计算机中的发热量越来越大，特别是中央处理器芯片
CPU和图像处理器芯片GPU的发热量显著增加。散热已成为笔记本式计算机性能提高发展 的瓶颈，散热器的体积已占笔记本式计算机中相当大的空间，笔记本式计算机厚度减小，受 到散热器厚度尺寸的限制。减小散热器尺寸，减小其所占的有效空间，使之更紧凑，并有效 提高计算机整体散热量以及减轻重量，是笔记本式计算机进一步发展的关键之一。
现笔记本式计算机中用的散热器的结构是配有风罩的离心式风扇， 一般采用蜗壳式风 罩，构成集中出风口，散热器的空气对流扩展换热面(都采用肋片式结构，简称肋片)，就
设置在出风口，通常都采用热管，将主板上的CPU产生的热量传输到出风口上的肋片上。
这样的结构布置，深受工业空气换热器和现其他民用电器产品设计影响，再考虑到笔记本计
算机中的扁平要求。这样的散热器问题有出风口都设在机壳的侧面，如果被堵死，热量就 散不出来；经风扇驱动的空气经过肋片，直接排出，没有进一步被利用。蜗壳式风罩占有风 扇的大部分空间，而且是空置的，其作用仅仅是空气导流扩压，为了减小风罩所占空间，并 且增大出风口宽度(以增加肋片排列长度)，风罩并非标准的蜗壳形，因而空气在风罩内被 导流扩压的过程中，涡流损失非常大，将减小空气流量，并且出风口处空气流动分布不均匀， 这都对散热不利。
由于受布线要求的限制，CPU在主板上的位置有要求，不能设置在主板的靠角边上，应 该在中间位置，这样从出风口上的肋片到CPU位置有一段距离。对于热管来说，由于受热 管内毛细管结构的虹吸力的限制，管内工质液体回流速度有限，即热量传输有限，蒸发段和 冷凝段之间的距离越大，热量传输越低。对于某些散热器，由于CPU位置和散热器位置的 限制，以及热管弯曲半径的限制，肋片不能直接焊在热管上，这不仅增加了热传导的中间过 程(即热阻)，工艺制造要求及成本也增加了。 发明内容
为克服以上问题，本实用新型通过改变空气对流扩展换热面设置位置，可省去风扇的风 罩，省去了导流扩压所占的空间，和风罩材料所占空间、重量以及成本；风扇可以紧靠电子 芯片(CPU),减小(或省去)热管冷凝段和蒸发段之间的距离。引入强化传热结构，进一 步减小空气对流扩展换热面的尺寸，更加合理优化结构，使散热器不仅结构简单、成本低、 重量轻，而且尺寸更小，结构更紧凑，散热量将更高。
本实用新型的技术方案是散热器主要构成包括有冷却板、热管、空气对流扩展换热 面以及风扇；风扇为离心式，其中有叶轮和电机；热管的蒸发段在冷却板上，冷却板有一平 整面，将紧贴在被冷却的电子芯片的散热面上，散热器整体呈扁形。本实用新型的特征是 空气对流扩展换热面采用了肋片式或针柱式结构，直接焊接或粘结在热管的冷凝段上；热管 的冷凝段有弯曲成圆弧形，该圆弧形冷凝段上的空气对流扩展换热面围着风扇的叶轮，正对 着叶轮出风口；围着叶轮的空气对流扩展换热面，由一段或数段组成，各段弧度之和大于 180° 。肋片式结构的空气对流扩展换热面应用最广泛，是一种最有效增大换热面，减小空气换 热器尺寸，使之紧凑的结构，如空调中的空气换热器(冷凝器和蒸发器)，以及工业大型空气
换热器中都采用肋片式结构，现CPU散热器中也采用这种结构。针柱式结构，由于制造工艺
成本问题，应用不广，但是针柱式结构本身具有强化传热特点，其空气对流换热系数是连续 面肋片的二倍还多，针对本实用新型所应用的领域，散热器尺寸小巧紧凑非常之重要，本实 用新型中采用针柱式结构的空气对流扩展换热面，将有效地减小散热器所占的面积和空间。
空气对流扩展换热面直接焊接或粘接在热管的冷凝段上，包括了由工艺需要两者之间夹 有垫片，该垫片的存在不增加两者之间的传热热阻。直接焊接或粘接，减去了中间传热过程 (即热阻)，还减去了材料成本和工艺成本。焊接可有效消除两者之间的接触热阻， 一般采用 锡焊(锡钎焊)，但焊接温度高，存在高温热管爆炸的危险。粘接工艺温度低，无爆炸危险， 但采用的粘胶必须导热率高，两者之间的接触面积要尽可能大，要压紧粘接，减小两者之间 的间隙。对于针柱式结构，不宜采用粘接工艺。
离心式风扇叶轮的整个周圈为出风口，叶轮转动时，空气从叶轮整个外周圈均匀地流出， 热管的冷凝段弯曲成圆弧形，围着叶轮，使空气对流扩展换热面正对着叶轮出风口，并且应
该和叶轮外缘留有尽可能小的间隙，这样的结构布置，带来的优点有
一、流经围着叶轮的空气对流扩展换热面的空气均匀，不受叶轮周圈某些位置开口 (如 没有设置空气对流扩展换热面)或被堵挡的影响。二、增大了设置空气对流扩展换热面的长 度，可以减小空气流经空气对流扩展换热面的速度，降低空气流动阻力，增大空气流量。三、 没风罩，从散热器排出的空气，可以不直接排出机壳，可以再利用，用于冷却其它器件，将 机壳内的热量带出。四、风扇可以紧靠被冷却的电子芯片，这样冷却板紧靠风扇，大大地縮 短了热管冷凝段和蒸发段之间的距离，可以消除冷凝段和蒸发段之间的绝热过渡段，因而热 管的热量传输提高，在同等的热量传输要求下，热管直径或数量可以减小，不仅降低了成本， 还减去了热管所占的空间和重量。五、也是最有意义的可省去风扇的风罩，省去了风罩本 身材料厚度所占的空间、重量和造价，省去了风罩中的导流扩压的空间，以及导流扩压中的 空气流动损失。
散热器中的空气换热部分只剩下叶轮、电机和空气对流扩展换热面，已经没有再可省去 的部件，叶轮和空气对流扩展换热面之间留有的间隙是工艺结构所必需的，防止叶轮被碰撞 和夹死，再也没有可省去的空间。以上说明空气对流扩展换热面围着风扇叶轮的结构布置， 已经是最紧凑的结构，要想进一步减小尺寸，只能在空气对流扩展换热面和风扇这两部件的 具体结构上采取措施，如采用强化对流传热结构，提高对流换热系数，减小换热面积，即减 小空气对流扩展换热面的尺寸；又如加大肋片密度，不仅单位空间增加了换热面积，还有利 于提高对流换热系数；依据空气动力原理，优化叶轮设计，提高叶轮转速，可以减小叶轮直 径或厚度，就可减小散热器所占面积或厚度。
一个风扇可以配有一根或数根热管，对应的冷却板也可以有数多个，因而围着叶轮的空 气对流扩展换热面可以由一段或数段组成，围着叶轮的弧度是指圆弧形空气对流扩展换热面 对应的扇形角度，本实用新型要求各段围着叶轮的弧度之和大于180° ，表明要有效利用叶 轮周圈出风口处，设置空气对流扩展换热面，减少空置面积(空间)。以下结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
图1是一种本实用新型的背面(冷却板的平整面的背面)方向的示意特征结构的视图。 图2是图1穿过风扇轴线的一截面的特征结构示意图，也为本实用新型中的空气对流换
热部分的特征截面示意图。
图3是一种本实用新型中的空气对流换热部分的特征结构剖面示意图，电路板为风扇的 一侧壁，并开有进气口。
图4是一种本实用新型中的空气对流换热部分的特征结构剖面示意图，风扇固定在电路 板上。
图5是一种本实用新型中的空气对流换热部分的特征结构剖面示意图，风扇为双侧进气。 图6是一种本实用新型的背面方向的示意特征结构的视图， 一个冷却板配有两个风扇。 图7是一种本实用新型的背面方向的示意特征结构的视图，两个冷却板只配一个风扇。 图8是一种本实用新型的背面方向的示意特征结构的视图，有多个冷却板，并配有多个 风扇。
图9是一种本实用新型中的叶轮和肋片局部特征结构示意图，肋片顺着叶轮的转动方向 倾斜。
图IO是一种本实用新型中的叶轮和肋片局部特征结构示意图，肋片的进风前缘反着叶轮 的转动方向弯曲。
图11是一种本实用新型中的叶轮和肋片局部特征结构示意图，肋片采用了百叶窗短肋形 结构，肋片的进风前缘反着叶轮的转动方向弯折。 图12是套片式肋片特征结构示意图。 图13是波纹式肋片特征结构示意图。 图14是疊片式肋片特征结构示意图。 图15是叉列短肋形强化传热结构的特征剖面示意图。 图16是百叶窗短肋形强化传热结构的特征剖面示意图。
图中1、冷却板，2、热管，3、叶轮，4、空气对流扩展换热面，5、电机，6、表示空 气流动，7、电路板，8、固定盘，9、肋片，10、表示叶轮转动方向，11、定位折边，12、套 管孔翻边。
图1示出了本实用新型的整体特征结构，空气对流扩展换热面(4)和风扇的电机(5) 在该图中没有表示出来。围着叶轮(3)的热管(2)是一根整管，两端是蒸发段，在冷却板 (1)上。通常采用焊接或镶嵌的方法将热管的蒸发段和冷却板相连接，目的是解决两者之间 的接触热阻问题；冷却板(1)紧靠着叶轮(3)，这样有效地縮短了热管蒸发段和冷凝段之间 的距离，由于热管弯曲半径有限制，被弯曲成圆弧形的热管不能整个(即360° )地围着叶 轮，也就是说圆弧形的空气对流扩展换热面不能360°地围着叶轮，靠冷却板(1)位置附近 有开口，如图l所示，热管(2)的一端是直着伸到冷却板(1)上，另一端弯曲到冷却板(1) 上，之间有开口。但可以在伸往冷却板(1)中的热管上也设置空气对流扩展换热面，充分利 用热管上的每一段，消除冷凝段和蒸发段之间的绝热段，有利于热管的热传输。
图2示出了由风扇和热管以及其上的空气对流扩展换热面组成的空气对流换热部分的特 征结构，风扇为离心式，轴向进气，径向流出，包括有叶轮(3)和电机(5)，叶轮(3)的 外圆周为出风口，空气对流扩展换热面(4)正对着叶轮(3)的出风口，经叶轮(3)驱动的 空气直接进入空气对流扩展换热面(4)。为减小围着叶轮(3)的空气对流扩展换热面(4) 的外园尺寸，即为减小散热器所占面积，叶轮(3)和空气对流扩展换热面(4)之间间隙尽 可能小，但必须保证叶轮(3)不会碰到空气对流扩展换热面(4)和热管(2)。为了防止从 散热器排出的空气直接回流到风扇进气口，降低散热量，可以利用被冷却的电子芯片所在的电路板(PCB板)，将电路板(7)或固定在电路板(7)上的装置作为风扇的一侧壁，并开设 进气口，如图3所示，这样可有效地将进气和排气隔开，又能减小风扇厚度。应用到笔记本
是计算机上，还可以再次利用散热器排出的空气，冷却其它元件，将机壳内的热量带出。
风扇的电机(5)因需长时间连续运转，有时还需超高速运转，电机(5)中的轴承寿命 有限，而由冷却板(1)和热管(2)以及其上的空气对流扩展换热面(4)组成的固定成一体 的传热组件无运动件，寿命长。为了便于风扇(电机(5) +叶轮(3))的维修和更换，可将 风扇和传热组件分开固定，将风扇固定在电子芯片所在的电路板上，如图4所示，风扇的电 机(5)直接固定在电路板(7)上，风扇可以直接拆装，而不用动传热组件。
为提高散热量，加厚叶轮的高度，即增加风量，又加高了空气对流扩展换热面的高度(即 增加了换热面积)，当空气对流扩展换热面的总高度达到十多毫米时，就应该将空气对流扩展 换热面分成两部份，分别设置在热管(2)的冷凝段的两背对的侧面上，如图5所示，这样能 縮短空气对流扩展换热面的根部(即靠热管处)到其顶部之间的导热距离(通常称为肋高或 肋长)，即有效提高空气对流扩展换热面的肋效率，有利于提高散热量。在图5中，风扇也是 固定在电路板(7)上的，风扇的电机(5)通过固定盘(8)固定在电路板(7)上，风扇可 以直接从电路板(7)上拆装；风扇进气是双侧进气， 一側经固定盘(8)上的进气口，从电 路板(7)的一侧进入，为了防止排气从另一侧进气口回流，应该将该侧进气口直接靠近机壳 的进气口。对于笔记本式计算机，可以考虑在下机壳开设进气口，将该侧进气口直接对着下 机壳的进气口。风扇双侧进气，可以降低进气流动损失，提高风量，可靠性也提高， 一旦一 侧进气口被堵死，风扇还有进气口，散热器还能起作用。
为了减小散热器的厚度，提高空气对流扩展换热面的空气流通面积，降低空气流动阻力， 热管(2)应该选用扁形管，尤其热管(2)为单根时，图2、 3、 4中所采用的热管(2)为单 根扁形热管。也可以采用多根热管并排放置，如图5所示，采用了两根热管。采用多根热管 的优点有单根热管的直径(或当量直径)小，因而热管容许的弯曲半径也就小，便于散热 器整体紧凑化设计。当然多根热管的成本要高一点。
通过增加叶轮(3)和围着叶轮(3)的热管(2)以及其上的空气对流扩展换热面(4) 的直径来提高散热器的散热量，不是非常好的办法，因为这将增加热管中的液态工质从冷凝 段回流到蒸发段的平均距离，不利于热管中的热量传输，叶轮(3)的直径不宜超过60毫米； 增加风扇厚度(即叶轮的厚度)，和空气对流扩展换热面的高度(即空气对流扩展换热面的换 热面积)，来实现散热量提高，这又将增大散热器的厚度，对于笔记本式计算机追求厚度薄来 说，非常不利。可以通过增加风扇的数量，采用一个冷却板(1)配有两个或更多个风扇(叶 轮(3))的方法来解决既要提高散热量，又不能增加厚度的矛盾，如图6所示，冷却板(1) 配有两个叶轮(3)(风扇)，该图还示出了围着每个叶轮(3)的热管(2)分成两段，这样设 计是为了縮短单根热管的长度，因为直径细小的热管，长度越长，制造加工难度越大。
对于在一个电路板上，有两个或多个邻近的芯片需要冷却的情况，可以采用这样的办法 一个风扇带有(承担)两个或多个冷却板，如图7所示，叶轮(3)带有两个冷却板(1)。图 8所示的散热器中，有三个叶轮(3)和三个冷却板(1)，其中一个冷却板较大，三个叶轮(3) 都一起承担着大的冷却板(1)，这三个叶轮(3)中有两个还分别各自承担着一个小的冷却板 (1)。这样的散热器可以应用到大功率的笔记本式计算机中，大的冷却板(1)承担中央处理 芯片(CPU)的散热，两个小的中的一个承担图像处理芯片(GPU)的散热，另一个小的冷却 板(1)承担北桥芯片散热。由于各芯片尺寸不一，同种芯片安装差异，同一电路板上的各芯片的高度和平行度不一 致，以及散热器加工制造误差，为保证冷却板和芯片贴紧，压紧配合，间隙小，对于一个风
扇带多个冷却板的散热器来说，由冷却板和其上的热管以及该热管上的空气对流扩展换热面 组成的传热组件，与另外的传热组件采取分幵固定的方法。
肋片式结构的空气对流扩展换热面应用最广，本实用新型中将首选该结构，该结构的空
气对流扩展换热面将简称肋片。在叶轮(3)的出风口，即叶轮的外圆周，空气流出叶轮有周 向速度和径向速度。叶轮的叶型不同，周向速度和径向速度分布也就不一样，前向型叶轮， 周向速度高，后向型的周向速度低，径向型的居中。无论哪种叶型，都存有周向速度，方向 和叶轮的转向一致。如果叶轮出风口处设置的肋片，径向呈辐射排列，肋片进风前缘和流出 叶轮的空气方向有一夹角，空气动力学中通常称之为冲角。冲角越大，空气流经肋片的流动 损失(阻力)也就越大，这将减小空气流量，不利于散热。为了减小冲角，可以将围着叶轮 (3)的肋片(9)顺着叶轮(3)转动方向倾斜，如图9所示，这样就可减小冲角。还可以采 用如下方法将围着叶轮(3)的肋片(9)的进风前缘反着叶轮(3)转动方向弯曲或弯折。 如图IO所示，肋片(9)被弯曲，肋片(9)之间组成的流动通道就是一个扩压导流通道，此 时肋片(9)不仅起着空气对流换热的作用，还是导流器，起着导流扩压的作用。针柱式结构 在气流中没有方向、冲角。
套片式肋片和波纹式肋片，在现空气换热装置中普遍采用，也将被本实用新型采用。在 套片式肋片中有带翻边的孔，热管就插入此孔，该翻边也称为套管孔翻边，如图12所示，热 管(2)的热量就是从套管孔翻边(12)与热管(2)接触传热传到肋片(9)上，要解决并消 除此处的接触热阻问题，最可靠有效的方法是焊接， 一般是锡焊(钎焊)。为了保证肋片之间 的片距均匀，生产效率高，在套片式肋片的两边加工有定位折边(11)。采用套片式肋片，自 然地在热管(2)的两背对侧面上设置有空气对流扩展换热面(4)，类似图15中所示。图13 所示的肋片(9)就是波纹式肋片，肋片(9)采用连续的带状材料加工成类似波纹形， 一般 采用焊接工艺，将波纹式肋片固定在热管(2)上，这是因为肋片(9)和热管(2)接触面积 小，采用粘接工艺不能保证解决肋片(9)和热管(2)之间的接触热阻问题。
图14示出了一种叠片式肋片，在肋片(9)的根部是折边，该折边紧贴热管(2)，热管 (2)的热量就是通过该折边与热管(2)之间接触传热，传到肋片(9)上。由于这种结构的 肋片的折边与热管的接触面积大，并且容易保证折边被压紧贴在热管(2)上，因而除焊接工 艺外，还可以采用粘接工艺，解决肋片(9)和热管(2)之间的接触热阻问题。为了保证肋 片之间片距均匀，生产效率高，在叠片式肋片的根部折边上以及顶部折边上加工有定位折边 (11)，如图14中所示。
为了减小肋片的体积尺寸，在肋片(9)上采用强化空气对流传热结构，图15、 16示出 了短肋形强化传热结构，图15为叉列短肋形，图16为百叶窗短肋形，它们的基本特征是 空气流经的表面被冲切成一段段不连续的表面，空气每流经一段(短肋)，其上的边界层都处 在边界层的起始段，使整个对流换热表面充分利用了边界层起始段较薄、热阻小、换热系数 高的有利特点。在围着叶轮的热管上设置百叶窗短肋形肋片时，要注意百叶窗短肋折弯的方 向，进风前缘应该反着叶轮转动的方向折弯，如图11所示。
依据传热学，空气对流换热系数大致与片距成反比，也就是说减小片距不仅可以增加肋 片数量，即换热面积，还可以极大地提高空气对流换热系数。最佳片距应低于1毫米，但在实际设计中还要考虑其它因素。对于连续面形肋片，片距应该不大于1.5毫米，考虑到生产
工艺，以及尘埃聚集污染的危险因素，片距不应小于0.7毫米。对于釆用了短肋形强化传热 结构的肋片，片距应该不小于0. 7毫米，不大于2.0亳米，短肋的宽度在2.0毫米左右。在 本实用新型中，肋片设置在圆弧形热管上，肋片之间的片距进口处小，出口处大，因而上述 的片距应该是平均片距，考虑到片距进出口
权利要求1、 一种用于冷却电子芯片的扁形电子芯片散热器，包括有冷却板(1)、热管(2)、 空气对流扩展换热面(4)以及风扇，风扇为离心式，其中包括叶轮(3)和电机(5)，热 管(2)的蒸发段在冷却板(1)上，冷却板U)有平整面，散热器整体呈扁形，其特征在 于空气对流扩展换热面(4)采用了肋片式或针柱式结构，直接焊接或粘接在热管(2) 的冷凝段上；热管(2)的冷凝段有弯曲成圆弧形，该圆弧形冷凝段上的空气对流扩展换热 面(4)围着风扇的叶轮(3)，正对着叶轮(3)的出风口；围着叶轮(3)的空气对流扩展 换热面(4)由一段或数段组成，各段空气对流扩展换热面(4)围着叶轮(3)的弧度之和 大于180° 。
2、 根据权利要求1所述的散热器，其特征在于电子芯片所在的电路板(7)或固定在该电路板上的装置为风扇的一侧壁，并开有进气口。
3、 根据权利要求2所述的散热器，其特征在于风扇是双侧进气。
4、 根据权利要求1所述的散热器，其特征在于 一个风扇带有两个或更多个由冷却板(1)、和其上的热管(2)以及该热管上的空气对流扩展换热面(4)所组成的传热组件。
5、 根据权利要求1所述的散热器，其特征在于 一个冷却板(1)配有两个或更多个 风扇。
6、 根据权利要求1所述的散热器，其特征在于热管(2)为单根扁形热管，或多根 并排的热管；热管(2)的冷凝段的两背对的侧面都设置有空气对流扩展换热面(4)。
7、 根据权利要求1所述的散热器，其特征在于肋片式结构的空气对流扩展换热面(4) 采用了套片式结构，或叠片式结构，或波纹式结构；在套片式和叠片式的肋片(9)上有定 位折边(11)。
8、 根据权利要求7所述的散热器，其特征在于肋片(9)釆用了叉列短肋形或百叶 窗短肋形强化换热结构。
9、 根据权利要求7所述的散热器，其特征在于围着叶轮(3)的肋片(9)顺着叶轮 (3)的转动方向倾斜；或围着叶轮(3)的肋片(9)的进风前缘反着叶轮(3)的转动方向弯曲或弯折。
10、 根据权利要求7、或8、或9所述的散热器，其特征在于肋片(9)的平均片距， 对于短肋形结构的肋片，不大于2.0mm，对于连续面形的肋片，不大于1.5皿；肋片(9) 的宽度不大于10mm。
专利摘要本实用新型提供了一种扁形电子芯片散热器，特别适用于笔记本式计算机。在本实用新型中，热管(2)的冷凝段弯曲成圆弧形，使其上的空气对流扩展换热面(4)，也就是肋片，围着并正对叶轮(3)，这样省去了风罩，及其所占的空间和造价。引入空气对流强化传热结构，提高肋片对流换热系数，进一步减小肋片尺寸，使散热器的结构已达到最大紧凑化。冷却板(1)紧靠叶轮(3)，减小了热管(2)蒸发段和冷凝段之间的距离，又进一步提高了散热量。既轻又薄、尺寸小巧的散热器，可使CPU在主板上随意设置，排出的空气再利用，将机箱内的热量带出，有效地解决了笔记本式计算机的散热问题。
文档编号G06F1/20GK201156534SQ20072017208
公开日2008年11月26日 申请日期2007年9月29日 优先权日2007年9月29日
发明者彪 秦 申请人:彪 秦