CN100461995C - 阵列射流式微型换热器 - Google Patents

Abstract

阵列射流式微型换热器属于微电子技术领域。传统的风冷技术不能满足目前大热流密度的CPU芯片；热管和微通道技术冷却的不均匀性成为CPU芯片正常稳定工作的隐患。本发明依次包括封装在一起的盖板(1)，射流孔分布板(2)，底座(3)；盖板(1)的下表面和底座(3)的上表面紧贴，射流孔分布板(2)是一个凹型结构，并放置在底座(3)内部；底座(3)内有一个内陷的槽，该槽用来放置射流孔分布板(2)，槽的大小使射流孔分布板(2)水平放入，并使射流孔分布板(2)的上表面和底座(3)上表面平齐。本发明满足高效的电子芯片散热；同时能弥补现在常用的高效冷却方式的换热表面温度分布不均的缺点。

Description

阵列射流式微型换热器

技术领域

本发明属于微电子技术领域，涉及一种冷却装置。

背景技术

随着各种尖端技术领域中所使用的芯片集成度的提高，芯片的体积发热热通量增大的趋势非常迅猛。对于热负荷敏感度较高的微电子器件及微系统而言，热量在芯片处的累积将导致器件和系统温度迅速升高，严重影响电子器件的工作状态和系统的稳定。此外，由于芯片集成化的提高，芯片表面温度平均化也是越来越得到人们的关注，而一旦超出微电子器件或微系统的容许上限温度，或者芯片表面温度分布不均，将会造成芯片工作时不稳定，死机，严重的还会由于热应力的作用而损坏芯片。因此，配置高效稳定的电子芯片散热系统至关重要。

根据散热类型不同，CPU散热可分为风冷、热管、水冷等几种冷却方式。其中以风冷散热应用最为广泛。常见的风冷散热器由散热片和风扇组成。再辅以导热介质进行工作。风冷散热器利用散热底座吸收芯片工作时产生的热量，并传至散热片上。依靠散热器上部高速转动的风扇加快空气对流，带走散热片的热量。热管散热器的原理是利用热管内快速导热的材质，达到带走热量的目的。其结构类似风冷散热器，只是将热量传导的主要介质换为热管。同样具备底座和散热片，同样也可以利用风扇加快散热。由于风冷散热技术的散热性能有限，已不能满足目前各大芯片制造公司对高端芯片的要求。热管由于整体导热性能好，对对流的要求小一些，并且没有噪音污染，因此多被应用于笔记本电脑，服务器等高端电子芯片冷却，但为了达到高热流密度换热，热管必须有主动散热方式作为辅助，而且此被动散热方式受环境的制约(如环境温度，外部传导，空气对流等)。所以使用条件比较苛刻，需改善环境温度。同时由于其结构的限制，很难使芯片表面温度均匀，尤其在大热流密度(热流密度>100W/cm²)下，热管表面温差很难限制在5℃以内，这极大的影响芯片外工作微热环境。

近年来，随着大热流密度电子元件的冷却需要，液冷技术得到了广泛的关注，尤其是以微通道和液体射流冷却技术为主。微通道冷却作为液冷方式中最普遍的一种，在结构上就像一个缩小了的换热器。采用微通道技术的换热器常用导热系数很大的材料制成，并将其底板贴敷在芯片上，利用冷却工质在小于1mm的通道内流动，得到比较大的换热系数。但是由于冷却剂在微通道内流动不停的吸收热量，因此在通道进口和出口温差往往相差很大，引起换热面温度分布不均，从而导致被冷却的芯片的微热环境恶劣。

传统的风冷技术由于其冷却能力的局限，也不能满足目前大热流密度的CPU芯片；热管和微通道技术用来冷却CPU芯片，虽然在冷却能力上有了不少提高，但其冷却的不均匀性成为CPU芯片正常稳定工作的隐患。

发明内容

本发明的目的在于提供一种阵列射流式微型换热器，来满足高效的电子芯片散热；同时能弥补现在常用的高效冷却方式的换热表面温度分布不均的缺点。

一种阵列射流式微型换热器，采用阵列射流技术。其特征在于，从上到下依次包括封装在一起的盖板1，射流孔分布板2，底座3；盖板1的下表面和底座3的上表面紧贴，射流孔分布板2是一个凹型结构，并放置在底座3内部；底座3内有一个内陷的槽，该槽用来放置射流孔分布板2，槽的大小使射流孔分布板2水平放入，并使射流孔分布板2的上表面和底座3上表面平齐；

盖板1中心处开有与外部管路连接的进液口4，在盖板1开有出液口11；

盖板1和射流孔分布板2之间形成射流进入腔5；在射流进入腔5的正下方，射流孔分布板2上平均分布不少于5个射流孔6；射流孔6孔径d_j和相邻射流孔圆心距离s的值由被冷却面的面热流密度以及微热环境要求来确定，在本发明中，射流孔6的孔径d_j不大于2mm；相邻射流孔6的中心距离s＝2.5～4.0d_j。

底座3内部在射流孔分布板2的下方开有另一个内陷型槽，该槽处于射流孔6的正下方，射流孔分布板2和底座3形成射流冲击腔7；射流冲击腔7的高度就是阵列射流的射流距离，为了达到最佳的换热效果，规定射流冲击腔7的高度Z＝4.0～8.0d_j；

底座3内射流冲击腔7的内壁四周开有冷却液出液通道8，冷却液出口通道8的直径d_o和个数n_o以冷却液能顺利流出为原则；在本发明中，冷却液出口通道8的直径d_o≤3mm，个数n_o≤8；

在底座3的上表面开有出液汇流槽9，冷却液出口通道8和出液汇流槽9相连通，为了降低流动压力，减少泵功，出液汇流槽9的槽宽d_t＝1.2～1.5d_o；槽高h_t＝1.2～1.5d_o；盖板1和底座3配合时，盖板1上的出液口11和出液汇流槽9相连通；

将盖板1，射流孔分布板2，底座3按从上到下的次序组合封装后形成阵列射流式微型换热器。在微型换热器内部可形成封闭的冷却液循环，冷却液流经顺序为：进液口4、射流进入腔5，射流阵列喷嘴6、射流冲击腔7、冷却液出液通道8、出液汇流槽9、出液口11。冷却液通过射流喷嘴6以较高的速度垂直喷射在传热面10上，实现了高热流通量传热。

本发明提出的阵列射流式微型冷却器基于射流冲击换热理论。射流冲击冷却时，冷却液垂直冲击传热表面，形成很薄的速度和温度边界层，因而具有很高的传热率。同时，采用合理的射流阵列布置方式，可以极大地提高被冷却表面温度分布的均匀性。因此，阵列射流式微型冷却器是减小电子器件换热表面最高温度、降低温度变化的最有效方法。在某些情况下可以实现射流冲击相变换热，利用冷却液发生相变时的潜热来实现更高的热流密度。

附图说明

图1：本发明的具有圆孔阵列射流喷嘴的微型换热器结构示意图；

图中：1、盖板；2、射流孔分布板；3、底座；

图2：本发明具有圆孔阵列射流喷嘴的微型换热器的盖板结构示意图，(a)盖板俯视图，(b)盖板沿A-A面的剖面图；

图中：11、出液口；

图3：本发明具有圆孔阵列射流喷嘴的微型换热器的射流孔分布板结构示意图，(a)射流孔分布板俯视图，(b)射流孔分布板沿B-B面的剖面图；

图中：6、圆形射流孔；

图4：本发明具有圆孔阵列射流喷嘴的微型换热器的底座结构示意图，(a)底座俯视图，(b)底座沿C-C面的剖面图；

图中：8、冷却液出液通道；9、出液汇流槽；10、传热面；12、支撑座；

图5：本发明具有圆孔阵列射流喷嘴的微型换热器的结构示意图；

图中：4、进液口；5、射流进入腔；7、射流冲击腔；8、冷却液出液通道；9、出液汇流槽；10、传热面；

图6：本发明用来冷却具有方形发热面的发热元件的示意图；

图中：13、具有方形发热面的发热元件；

图7：本发明用来冷却具有圆形发热面的发热元件的示意图；

图中：14、具有圆形发热面的发热元件；

图8：本发明具有两种阵列喷孔排列形式示意图；

具体实施方式

实施例1：

如图6所示，利用方形阵列射流式微型换热器冷却大热流密度CPU芯片。CPU芯片尺寸为30mm×30mm，功率为(120W)微型冷却器由图1所示的盖板1、射流孔分布板2、底座3依次封装而成。盖板1高5mm，直径为60mm；射流孔分布板2高2mm，直径为22.5mm；底座3高10mm，直径为60mm；传热面10的厚度为1mm。如图8(a)所示在射流孔分布板上由九个直径一致的圆孔组成射流孔方形阵列，射流孔孔径为1.5mm，孔间距为6mm；射流孔距喷射面距离为7mm。微型换热器底座外边面涂有导热硅胶，并紧贴在CPU芯片上。整个换热器采用导热系数较高的黄铜来制造，冷却液采用20℃的去离子水，去离子水最低流量为60mL/min。换热进行时，去离子水在微型换热器内部可形成封闭的循环，去离子水流经顺序为：进液口4、射流进入腔5，射流阵列喷嘴6、射流冲击腔7、冷却液出液通道8、出液汇流槽9、出液口11，去离子水通过射流喷嘴6以较高的速度、垂直喷射在传热面10上，将具有方形发热面的发热元件产生并传到传热面10上的热量带走。通过计算，九孔方形分布能使CPU表面温度保持在40℃，并能保证表面温度波动在1℃以内，实现了CPU稳定工作的微热环境。

实施例2：

如图7所示用阵列射流式微型换热器冷却具有圆形发热面的发热元件14。根据圆形发热面的尺寸相应布置射流孔阵列。假定发热元件直径为30mm，并且发热均匀，发热量在200W～500W。微型冷却器由图1所示的盖板1；射流孔分布板2；底座3依次封装而成。盖板1高5mm，直径为60mm；射流孔分布板2高2mm，直径为28mm；底座3高10mm，直径为60mm。如图8(b)所示在射流孔分布板上由九个直径一致的圆孔组成射流孔圆形阵列，孔径为1mm，孔距为6mm，射流孔的深度2mm，射流孔距喷射面距离为7mm；传热面10的厚度为1mm。冷却液选用20℃的氮气，最低流量为200ml/min。氮气在微型换热器内部可形成封闭的流动循环，氮气流经顺序为：进液口4、射流进入腔5，射流阵列喷嘴6、射流冲击腔7、冷却液出液通道8、出液汇流槽9、出液口11，氮气通过射流喷嘴6以较高的速度、垂直喷射在传热面10上，将发热元件13产生并传到传热面10上的热量带走，由成圆形分布的9个射流孔进行冲击换热，在射流冲击腔内形成紊流流动，并在换热面10上形成薄的热边界层，实现了大高热流通量传热。通过计算，采用圆形分布的9个射流孔进行冲击换热，最高能使发热量为500W的圆形发热元件的表面温度冷却到70℃。

Claims (5)

1.一种阵列射流式微型换热器，其特征在于，从上到下依次包括封装在一起的盖板(1)，射流孔分布板(2)，底座(3)；盖板(1)的下表面和底座(3)的上表面紧贴，射流孔分布板(2)是一个凹型结构，并放置在底座(3)内部；底座(3)内有一个内陷的槽，该槽用来放置射流孔分布板(2)，槽的大小使射流孔分布板(2)水平放入，并使射流孔分布板(2)的上表面和底座(3)上表面平齐；

盖板(1)中心处开有与外部管路连接的进液口(4)，在盖板(1)开有出液口(11)；

盖板(1)和射流孔分布板(2)之间形成射流进入腔(5)；在射流进入腔(5)的正下方，射流孔分布板(2)上平均分布不少于5个射流孔(6)；

底座(3)内部在射流孔分布板(2)的下方开有另一个内陷型槽，该内陷型槽处于射流孔(6)的正下方，射流孔分布板(2)和底座(3)形成射流冲击腔(7)；底座(3)内射流冲击腔(7)的内壁四周开有冷却液出液通道(8)，在底座(3)的上表面开有出液汇流槽(9)，冷却液出液通道(8)和出液汇流槽(9)相连通，盖板(1)和底座(3)配合时，盖板(1)上的出液口(11)和出液汇流槽(9)相连通。

2.根据权利要求1所述的阵列射流式微型换热器，其特征在于，所述的射流孔(6)的孔径d_j不大于2mm，相邻射流孔圆心距离s＝2.5d_j～4.0d_j。

3.据权利要求1所述的阵列射流式微型换热器，其特征在于，所述的射流冲击腔(7)的高度Z＝4.0d_j～8.0d_j，d_j是射流孔(6)的孔径。

4.据权利要求1所述的阵列射流式微型换热器，其特征在于，所述的冷却液出液通道(8)的直径d_o≤3mm和个数n_o≤8个。

5.据权利要求1所述的阵列射流式微型换热器，其特征在于，所述的出液汇流槽(9)的槽宽d_t＝1.2d_o～1.5d_o，槽高h_t＝1.2d_o～1.5d_o，其中d_o是冷却液出液通道(8)的直径。

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