CN103648256A - 间歇式冲击射流分形肋片冷却装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电子器件的冷却装置，结合射流冷却技术和肋片散热器形成一种高效的复合强化传热系统。主要包括：间歇式射流发生装置和分形肋片散热器两部分，其特征在于采用气体作为冷却介质，由间歇式冲击射流发生装置形成非稳态的间歇式气流，并直接冲击肋片表面，能够快速冷却大热流密度的电子器件，降低能耗。按照分形结构设计的肋片网络具有良好的平面空间填充能力和空间分布均匀性，不仅可以增加肋片换热表面面积，提高散热效率，而且可以改善散热器的温度分布，消除芯片表面的局域热点，防止芯片损坏，有效延长电子芯片的使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于微电子技术领域的一种电子元器件的冷却装置，特别涉及一种结合射流冷却技术和肋片散热器的复合强化传热系统。
背景技术
随着微电子技术的发展，电子器件的集成化和微型化不断升级，速度和功率大幅度提高。这些高功率密度的微电子器件的热流密度非常大，量级达到100W／cm2左右或更高。因此，对于新一代电子设备而言，传统散热器的设计与制作技术已不能满足要求，散热成为微电子产业进一步发展的一个主要障碍。
射流冷却技术是一种高效且经济的冷却技术，由于流程短且被冲击的表面上的流动边界层薄，从而使驻点附件产生很强的换热效果。然而，随着电子及计算机的微型化、电子线路集成化，电子模块的单位发热量急剧上升，其热流密度非常大，单单依靠传统的射流冷却技术已经难以满足现代技术发展所带来的高热流密度的散热要求，因此必须寻求更为有效的散热方法来解决电子元件的“热障”问题。在电子设备的总尺寸、质量、所耗金属材料和流阻性能增加不多的前提下，采用肋片散热器可以增加散热表面面积，提高散热量。但是大多数肋片散热器由于肋片排列的结构和空间分布局限，致使电子芯片上的温度分布不均匀。
针对上述问题，可以采用自由通风和强制通风减小散热器的热阻，但是这些方法通常需要消耗较大的泵功，而且高热流密度还会产生热噪声或暗电流。总之，高热流密度电子器件对于高效的冷却技术的需求十分迫切。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种电子器件的快速均匀的冷却装置，该冷却系统结合了射流冷却技术和肋片散热器，是一种复合强化传热技术。采用非稳态的间歇式冲击射流强化肋片散热器的传热传质过程，提高散热效率，降低能耗。肋片按照分形结构进行排列，改善电子芯片温度分布的均匀性。
间歇式冲击射流分形肋片冷却装置，包括微泵，储气瓶，微控芯片，冷却腔，散热器基片，其特征在于：压力控制阀和压力腔的开关阀门由微控芯片控制联动，形成间歇式气流，并经过喷嘴阵列直接冲击分形肋片和散热器基片，形成非稳态的间歇式冲击射流。
并且，该装置采用气体作为冷却介质，由间歇式冲击射流发生装置形成非稳态的间歇式冲击射流。
所述的肋片散热器的肋片按照对称直角双分叉分形结构设计，肋片采用矩形截面，肋片宽度和高度相等，肋片分支长度比保持常数。
本发明能够产生的有益效果：采用非稳态的间歇式冲击射流冷却技术，对于大热流密度的电子器件能够有效快速降温，降低能耗；按照分形结构设计的分形肋片散热器，可以充分利用电子芯片的表面空间，增加肋片换热表面面积，提高散热效率，适用于方形芯片散热系统的设计；分形肋片散热器具有良好的空间分布均匀特性，可以有效提高芯片温度分布的均匀性，消除芯片表面的局域热点，防止芯片损坏，有效延长电子芯片的使用寿命。矩形截面的肋片易于加工和安装，适合批量生成。
附图说明
图1是本发明的结构示意图
图2是冲击射流肋片散热器的结构示意图
图3是分形肋片散热器的结构图
图4是分形肋片网络的分支结构示意图
图5显示了分形肋片网络的基本单元
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明采用气体作为冷却介质，本系统主要包括间歇式射流发生装置和分形肋片散热器两部分。微泵1驱动气体进入储气瓶2，当压力控制阀3超过某一特定压强，微控芯片4控制开关阀门6打开，压力腔4内的气体进入冷却腔7，而当压力控制阀3的气压值低于某一压强，微控芯片4关闭开关阀门，形成间歇式气流。气流通过由隔板8形成的狭缝型喷嘴阵列9直接冲击分形肋片散热器的肋片10和基片11，形成间歇式冲击射流，将电子元件13所产生的热量带走。电子芯片温度急剧下降的同时，气流温度升高，高温气流由出口14排出。
如图2所示，电子芯片13所产生的热量通过绝热垫片12主要以导热方式传递给分形肋片散热器，分形肋片散热器由分形肋片10和基片11组成，分形肋片散热器将热量传输到周围环境。冷却介质经由隔板8上的多个喷嘴9直接冲击分形肋片表面，强化肋片表面的空气流动，提高换热效率，对于大热流密度的电子器件能够有效快速降温。
图3显示了根据本发明的一个实施例的分形肋片散热器，首先成型出由挤压型材制作的散热器坯件，并将分形肋片网络10加工在同种材质的基片11上。肋片是由等宽度和高度的矩形肋片按照直角对称分叉的方式进行组合和连接，相邻两级肋片的长度比保持常数，分形肋片网络的初级分支长度和分叉级数的选取需要根据具体的芯片尺寸和总体封装需求确定和设计。
如图4所示，显示了根据本发明的一个实施例的分形肋片网络，具有5级对称直角双分叉结构的分形网络。
如图5所示，每一级母分支分叉出两个相同的子分支，任意连续两级直角分叉的长度比(li+1／li)为2-1/2。将图5所示的分叉基本单元按照上述分叉比迭代5次，生成如图4所示的5级分叉网络。
Claims (3)
1.间歇式冲击射流分形肋片冷却装置，包括微泵(1)、储气瓶(2)、微控芯片(5)、冷却腔(7)和散热器基片(11)，其特征在于：压力控制阀(1)和压力腔(4)的开关阀门(6)由微控芯片(5)控制联动，形成间歇式气流，并经过喷嘴阵列(9)直接冲击分形肋片(10)和散热器基片(11)，形成非稳态的间歇式冲击射流。
2.根据权利要求1所述的间歇式冲击射流分形肋片冷却装置，其特征在于：采用气体作为冷却介质，由间歇式冲击射流发生装置形成非稳态的间歇式冲击射流。
3.根据权利要求1和2所述的间歇式冲击射流分形肋片冷却装置，其中所述的肋片散热器的肋片按照对称直角双分叉分形结构设计，肋片采用矩形截面，肋片宽度和高度相等，肋片分支长度比保持常数。
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