CN211319165U - 低流阻水冷芯片散热器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种低流阻水冷芯片散热器，散热器由上盖和底托构成。上盖设有一个进水两个出水口，换热腔体位于上盖的中央，靠近进水口一侧设有分水池。出水口与换热腔体的集水池相通，分水池与集水池分隔开，分水池框架的外侧空间与集水池连通。分水池框架内设有密封垫，密封垫的正中间开有喷水口。上盖水流通道的设计，具有低阻力循环强化散热的作用。尤其是上盖密封垫的面积与微槽道上表面相等，冷流体通过密封垫开口进入微槽道只能从槽道微小翅片的间隙中流出，使得冷流体与微槽道能够充分换热。由于流体在上盖内流动的路径没有死角，所以阻力明显降低。散热器厚度较薄，但换热面积相对较大，非常适用于服务器窄小的空间。

Description

低流阻水冷芯片散热器

技术领域

本实用新型属于热能工程强化传热领域，具体涉及一种用于冷却计算机CPU芯片的散热器装置。

背景技术

所有计算机包括手机的芯片都是高热流密度发热器件，一个计算机服务器通常具有几十枚甚至几百枚多核式CPU，在强劲性能的背后，伴随着更高的发热量和热流密度，正因为此CPU芯片的高效冷却问题成为计算机性能进一步提高的桎俈。目前数据中心对于芯片的冷却主要以风冷为主，即在服务器内装风机，通过强迫流动的冷风将热量带走。众所周知，如果采用水冷方式将芯片的热量带走则具有较高的冷却效率，并且目前已有多种水冷散热器。水冷式散热存在的主要问题或研究的焦点是如何提高流体的散热效率，如何带走更多的热量。其中关键的技术就是散热器腔体内的散热单元结构以及封装结构。

目前数据中心采用的液冷散热器一般都是由底托和密封盖两部分组成，合在一起构成换热腔体。底托上设有不同形式的翅柱、微槽道、小翅片等散热单元，通过散热单元与冷却流体进行换热。密封盖结构的设计除了构成密封腔体外，主要起到对流体的合理导流、流体的换热路径等重要作用。目前许多研发机构对散热器研究的重点大多都集中在底托上，为此设计出多种形式的散热单元，而其重点均放在如何提高换热面积等方面。散热单元的形式和结构可以设计成多种多样，目的均是在相同的外形体积下，如何增大换热面积。但由此引发的问题是：换热面积增大的同时冷却水流动的阻力也大幅提高，因此对底托散热单元结构的研究已经显得非常困难。然而人们却忽视了对于水冷散热器密封上盖的研究，上盖的优化设计对于散热器换热效率的提高可以起到事半功倍的作用，上盖内合理的导流、优化的换热路径结构可以相对减小流动阻力，形成低阻的流场，能够大幅提高水(液)冷式散热器的效率及性能。

发明内容

本实用新型的目的是，提出一种具有低流阻水冷芯片散热器装置，用于计算机CPU芯片的冷却，在减小冷却流体流动阻力的基础上，有效提高CPU的散热性能。

为实现此实用新型目的而采取的技术方案是：散热器装置由上盖和底托合为一体构成，上盖设有一个进水口和两个出水口，进水口位于上盖的中部，两个出水口位于上盖的上部或下部。换热腔体位于上盖的中央，换热腔体内靠近进水口一侧设有分水池，两个出水口与换热腔体的集水池相通，分水池与集水池分隔开。分水池框架的外侧空间与集水池连通，分水池框架内设有密封垫，密封垫的正中间开有喷水口，上盖换热腔体的四周设有密封槽，用于放置密封圈。

作为一个整体散热器，其底托的结构为：底托上设有长方形微槽道，在微槽道上加工出多个密集的微小翅片，微槽道左右两侧边缘设有45°的斜坡，在微槽道的中央加工有U形进水槽。进水槽的深度,微槽道高度的1/2，整体微槽道的面积与上盖密封垫的面积相等。微槽道的四周设有集水槽，上盖与底托密封合为一体后，集水槽与上盖分水池框架的外侧空间连通。

除了散热器的结构，冷却流体在上盖的流动方式与已有技术的对比其创新之处在于，考虑到低流动阻力，设计要点是：(1)流体进口，换热腔体内分水池设计成(1/4体积的)圆筒状结构，即流体经圆弧状的分水池(经过密封垫喷水口)自上而下射入底托上的长方形微槽道。(2)流体出口，冷却流体与微槽道上的微小翅片换热后，通过分水池框架四周的外侧空间流入集水池，集水池内部顶端左右两端设有圆孔分别与出水口相通，端角壁面也是圆弧状，即流体在上盖内流动的路径没有死角。分水池的位置并不在换热腔体的中心，而是偏离中心线，更贴近进水口的位置。设计的目的在于，缩短冷流体在上盖内的路径，尽快进入换热腔体。

微槽道小翅片的方向与流体的流动方向一致，也能够减小流动阻力，微小翅片浸没于水流之中，流体能够形成均匀的流场，可使CPU芯片得到充分的冷却，传热得到强化。

作为一项重要的技术特征是就是底托结构各部分参数的确定。除了上盖密封垫的面积与微槽道上表面相等外，传热实验以及数值计算的依据是，根据芯片具有的热流密度(折算温度)来确定微槽道换热面积、流体的进口温度和冷却水流量。其中换热面积包括：小翅片的净高度、高出底托平面的高度、集水池距底托平面的深度、整体微槽道长度、宽度。微槽道小翅片的厚度以及间距(包括机加工能力)通过流体力学实验和数值模拟计算得出。

也可以根据CPU的热负荷(热流密度)来变化调整冷却液的温度和流量，使其达到良好的参数匹配。实验证明，该结构所造成的压降很小，底托的热量以高导热的方式传给微小翅片，然后通过冷却流体将此热量散掉。

本实用新型的特点以及产生的有益效果是，散热器上盖水流通道的设计，具有低阻力循环强化散热的作用。关键技术还在于，上盖密封垫的面积与微槽道上表面相等，冷流体通过密封垫开口进入微槽道只能从槽道微小翅片的间隙中流出，使得冷流体与微槽道能够充分换热。由于流体在上盖内流动的路径没有死角，所以阻力明显降低。该种散热器厚度较薄，但换热面积相对较大，因此非常适用于计算机服务器窄小的空间，液冷使得CPU芯片的均温效果更好，可以更有效地降低CPU的工作温度。

附图说明

图1是本实用新型上盖装置正面的立体结构图。

图2是本实用新型中密封垫平放位置的立体结构图。

图3是本实用新型中密封垫立放位置的立体结构图。

图4是本实用新型装置上盖底面的立体结构图。

图5是本实用新型底托装置正面的立体结构图。

具体实施方式

以下结合附图并通过具体实施例对本实用新型的原理与结构作进一步的说明。需要说明的是本实施例是叙述性的，而不是限定性的，不以此实施例限定本实用新型的保护范围。

低流阻水冷芯片散热器装置由上盖和底托合为一体构成，其结构是：上盖1设有一个进水口和两个出水口，进水口1-1位于上盖的中部，两个出水口1-2、1-3位于上盖的上部或下部。换热腔体1-4位于上盖的中央，换热腔体内靠近进水口一侧设有分水池1-5，两个出水口与换热腔体的集水池1-6相通。分水池与集水池分隔开，分水池框架的外侧空间与集水池连通。分水池框架内设有密封垫1-7，密封垫的正中间开有喷水口1-8，密封垫镶卧在分水池框架内，密封垫的厚度正好与分水池框架持平。换热腔体外设有密封槽1-10，用于放置密封圈。

上盖两个出水口仅利用其中的一个，出水口的位置可以设计为与进水口同一侧；也可以设计在进水口的对面一侧。进水口和出水口位置设有角度可任意调整并固定接口装置，用于安装外接活动接头。

底托2上设有长方形微槽道，在微槽道上加工出多个密集的微小翅片，微槽道左右两侧边缘设有45°的斜坡，在微槽道的中央加工有U形(下凹)进水槽2-1。进水槽的深度是微槽道高度的1/2，整体微槽道的面积与上盖的密封垫的面积相等。微槽道的四周设有集水槽2-2，上盖与底托密封合为一体后，集水槽与上盖分水池框架的外侧空间连通。

上盖的密封垫设有定位槽1-9(如图2、3)，在上盖分水池框架内对应位置设有定位凸台，用于密封垫的准确安装。密封垫卧位安装后正好与分水池框架构成一个完整的平面，所以密封垫的厚度就是分水池框架上檐预留的深度。

在底托的反面从边缘到底托正中心，设有一条深度为1mm的沟槽，用于安装热电偶，实时监测芯片底面的温度。

底托作为换热单元的小翅片矩阵总称为微槽道，底托长方形微槽道小翅片的净高度为2-3mm；小翅片高出底托平面1-1.5mm；集水池距底托平面的深度为1-1.5mm；整体微槽道长度为30-35mm；整体宽度为20-25mm；微槽道小翅片的厚度和间距均为0.01mm，底托采用紫铜材料制作。

底托与上盖换热腔体密封槽相对应的位置亦设有用于放置密封圈的密封槽1-10。

使用时散热底托与被散热器件紧密接触固定，底托与被散热器件之间设有高导热率的热结合层材料。

作为实施例，底托面积为80×80mm；厚度2.5mm；底托长方形微槽道部分的面积为30×22mm，上盖整体高度为15mm。

将上盖、密封圈以及底托通过螺钉紧固密封，底托设计专用螺孔与CPU以及基板固定，使用时上盖底面(图4)实际是散热器的上面或正面。换热腔体位于上盖的中央，但分水池并不在换热腔体的中心，分水池位于靠近上盖换热腔体进水口的一侧。冷却水从外接水管路进入散热器(进水口)的分水池，分水池的下面是密封垫。密封垫的作用有两个：一是使分水池具有“供水箱”的作用，也就是说在冷却水循环过程中分水池一直处于“满水”状态，其作用是使进入底托长方形微槽道(小翅片)的供水始终稳定。密封垫的第二个作用是使冷却水只能通过密封垫中间的喷水口进入底托下凹的进水槽内(下凹部分大约占微槽道4/5，如图5)，由于密封垫将换热单元(小翅片矩阵)的顶部盖住，使得冷却水只能通过微小翅片间的缝隙(这种缝隙在强化传热的理论中统称为微槽道)流出，然后(温度升高的)冷却水在微槽道四周设有的集水槽(图5)汇合，最后通过上盖出水口排出。这样的过程属于微槽道强化换热。为了减少流动阻力，在微槽道左右两侧边缘设有45°的斜坡，

该装置主要用于计算机CPU芯片的水冷散热，被装载在服务器基板上。由于计算机服务器机架装有多层基板，而且每个基板上的部件非常密集，所以散热器的面积或体积就显得格外重要。鉴于此，服务器基板部件的形式具有多种类型，所以水冷散热器进、出水口位置的设计在同一侧或者在另一侧就更关键。本装置进、出水口位置可以方便更换安装，而且上盖进、出水口设有密封自锁(便于位置固定)结构，活动接头的角度位置可任意设定而不会漏水。

流体在上盖内流动的路径没有死角，明显降低了流动阻力。散热器整体厚度较薄，但换热面积相对较大，适用于计算机服务器窄小的空间。

Claims (8)

1.低流阻水冷芯片散热器，散热器装置由上盖和底托合为一体构成，其特征是：上盖(1)设有一个进水口和两个出水口，进水口(1-1)位于上盖的中部，两个出水口(1-2、1-3)位于上盖的上部或下部，换热腔体(1-4)位于上盖的中央，换热腔体内靠近进水口一侧设有分水池(1-5)，两个出水口与换热腔体的集水池(1-6)相通，分水池与集水池分隔开，分水池框架的外侧空间与集水池连通，分水池框架内设有密封垫(1-7)，密封垫的正中间开有喷水口(1-8)，密封垫镶卧在分水池框架内，密封垫的厚度正好与分水池框架持平，上盖换热腔体外设有密封槽(1-10)，用于放置密封圈。

2.按照权利要求1所述低流阻水冷芯片散热器，其特征是：所述上盖内的进水口和出水口位置设有角度可任意调整并固定接口装置，用于安装外接活动接头。

3.按照权利要求1所述低流阻水冷芯片散热器，其特征是：所述两个出水口仅利用其中的一个，出水口的位置设计在与进水口同一侧；或者设计在进水口的对面一侧。

4.按照权利要求1所述低流阻水冷芯片散热器，其特征是：所述底托(2)上设有长方形微槽道，在微槽道上加工出多个密集的微小翅片，微槽道左右两侧边缘设有45°的斜坡，在微槽道的中央加工有U形进水槽(2-1)，进水槽的深度是微槽道高度的1/2，整体微槽道的面积与所述密封垫的面积相等，微槽道的四周设有集水槽(2-2)，上盖与底托密封合为一体后，集水槽与所述上盖分水池框架的外侧空间连通。

5.按照权利要求1所述低流阻水冷芯片散热器，其特征是：所述底托长方形微槽道小翅片的净高度为2-3mm；小翅片高出底托平面1-1.5mm；所述集水池距底托平面的深度为1-1.5mm；整体微槽道长度为30-35mm；整体宽度为20-25mm；所述微槽道小翅片的厚度和间距均为0.01mm，底托采用紫铜材料制作。

6.按照权利要求1所述低流阻水冷芯片散热器，其特征是：在所述底托的反面从边缘到底托正中心，设有一条深度为1mm的沟槽。

7.按照权利要求1所述低流阻水冷芯片散热器，其特征是：所述上盖的密封垫设有定位槽(1-9)，在所述上盖分水池框架内的对应位置设有定位凸台(1-11)，用于密封垫的准确安装。

8.按照权利要求1或4所述低流阻水冷芯片散热器，其特征是：所述底托与所述上盖换热腔体密封槽相对应的位置亦设有用于放置密封圈的密封槽(1-10)。

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