CN106455454A - 一种基于毛细与小通道复合结构的冷板 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于毛细与小通道复合结构的冷板。采用扩散焊接方法，在小通道冷板上采用烧结技术复合生成毛细结构，并灌充相变工质，通过相变传热，实现冷板的高均温性与高导热性。为克服小通道冷板均温性不高、远离热源处翅片利用效率低的特点，在水道上下层采用毛细结构与蒸汽腔体结构，结合相变工质，实现热源热量的快速热传导扩散，提高小通道冷板翅片利用效率，并大大提高冷板的均温性指标。由于本发明所述的均温相变冷板具有冷板热传导率高，均温性好，板内均温层当量导热率≥2000W/mK，冷板均温性≤6℃，能够响应热流密度达70W/cm2的GaN类芯片散热要求，满足大部分现代雷达TR组件高热流密度芯片的散热与均温性要求。

Description

一种基于毛细与小通道复合结构的冷板
技术领域
本发明属于雷达环境控制技术，特别涉及相控阵雷达高热流密度功放芯片的温度控制技术。
背景技术
随着GaN类高热流密度功放芯片的推广使用，雷达组件的热流密度不断提高，随着散热量增大，功放间均温性日益难以得到满足。
目前小通道冷板在散热时主要存在以下问题：(1)当冷板上热源较多时，热源之间温差较明显(最大10℃左右)；(2)当热源非常集中时，大面积的小通道翅片难以全部有效利用，冷板的传导热阻制约了热量在冷板表面内的扩展。
为了解决雷达组件的高热流密度散热问题与功放间均温性问题，本发明通过结合相变均温层与小通道水道层的复合冷板结构，均温层能够迅速将热量在冷板平面内扩展开，降低冷板表面温差，提高冷板局部散热能力与均温性，满足高热流密度功放芯片的散热使用要求。
发明内容
本发明为满足雷达高热流密度散热需求，实现改善组件功放间均温性的目的，提出了一种基于毛细与小通道复合结构的冷板。
实现本发明目的的基于毛细与小通道复合结构的冷板由均温层与小通道水道层组成，其中均温层包括毛细结构和蒸汽腔，毛细结构由蒸发层、支撑柱、冷凝层组成。支撑柱连接蒸发层和冷凝层形成密闭结构，毛细结构内为蒸汽腔，蒸汽腔抽真空，灌充相变工质并抽真空；小通道水道层由铝合金壁面、水道翅片和铝合金隔层依次组成，其中铝合金隔层紧邻毛细结构中的冷凝层；小通道水道由翅片分隔而成，流道内冷却介质流态服从宏观流体力学规律；均温层与小通道水道层一体成型，共用一层铝合金隔层。
使用上述基于毛细与小通道复合结构的冷板散热方案如下：热源热量经铝合金壁面热传导进入蒸发层，相变工质在蒸发层内受热蒸发，通过蒸汽腔进入冷凝层，相变工质气体在冷凝层凝结为液态，释放出热量，凝结后的相变工质在毛细力的作用下经过支撑柱返回蒸发层；相变工质凝结后释放的热量经过铝合金隔层热传导至小通道水道层的铝合金壁面，由单相冷却介质对流换热带走。
均温层完全密封于冷板主体之中，从冷板外表面观察不出均温层的位置形状，某基于毛细与小通道复合结构的冷板外形如图2所示。
附图说明
图1是基于毛细与小通道复合结构的冷板结构示例图，其中，1为冷凝层；2为小通道水道层；3为铝合金壁面；4为支撑柱；5为铝合金壁面；6为蒸发层；7为蒸汽腔；8为铝合金隔层；9为热源。
图2是基于毛细与小通道复合结构的冷板外形。
图3是小通道水道的示意图。
图4是冷板均温性比较图。
具体实施方式
本发明的均温相变冷板示例图如图1所示，冷板由均温层(包括蒸发层、冷凝层、支撑柱、蒸汽腔)与小通道水道层组成，采用特种扩散焊接一体成型的方式焊接成型，均温层内毛细结构由氧化铝粉末烧结形成；冷板成型后将均温层内抽真空，灌充相变工质后密封，从而完成高均温相变冷板的制造。小通道水道示意图如图3所示，小通道水道的水力直径大于微通道水道，加工难度低，水道内翅片是为了增大对流换热面积并增强流体扰动，破坏边界层热阻，增强对流换热。
相变冷板的传热原理如图1所示，热源热量经铝合金壁面热传导进入蒸发层，相变工质在蒸发层内受热蒸发，通过蒸汽腔进入冷凝层，相变工质气体在冷凝层凝结为液态，释放出热量，凝结后的相变工质在毛细力的作用下经过支撑住返回蒸发层；相变工质凝结后释放的热量经过铝合金隔层热传导至水道壁面，由单向冷却介质对流换热带走。
当组件中热源芯片数目较多时，芯片间的温差较难控制。目前TR组件进出液口的冷却工质温差一般为5℃左右，另外由于热源分布不均匀、热源集中效应以及热阻不同，导致芯片间的温差不止5℃。降低芯片间温差的有效办法是提高冷板的表面传热效率，让热量能够迅速地在冷板表面扩展，降低冷板表面温差。冷板常用铝合金(6063、5A05等)的导热率多为160～210W/mK,而实验测定，本发明专利中的均温层当量导热率能够达到2000W/mK以上，极大提高了热量在冷板表面的热扩展能力，有效降低冷板表面温差。
另外如图3所示，小通道冷板内部由大量翅片组成，对于某些TR组件，总热量虽然不高，但是热源非常集中，局部热流密度较高，热量难以扩散到整个冷板，导致翅片利用效率不高，大部分翅片未能有效参与对流换热；通过均温层的热扩展，可以迅速将热量扩散到整个冷板表面，有效利用绝大部分翅片进行对流换热，解决局部热流密度过高的问题。
相比传统的小通道冷板冷却方式，均温层的引入解决了以下几个问题：
(1)冷板均温性问题：由于相变层的当量导热系数较高，相变层可以迅速将热量扩散，有效降低冷板表面温差；热流密度为70W/cm2下的单纯的小通道冷板与均温相变冷板的均温性比较见图4(*号为高均温相变冷板结果，o号为小通道冷板结果)；
(2)小通道利用效率问题：对于单纯的小通道冷板，当热源远离小通道水道时，由于传导热阻较大，难以发挥远离热源的水道的散热优势，因此采用均温层降低传导热阻，能够将远离热源的水道充分利用，提高小通道水道利用效率；
利用本发明研制的高均温相变冷板均温性好，水道利用效率高，冷板均温性≤6℃，能够满足热流密度70W/cm2的GaN类芯片散热要求。

Claims (3)

1.一种基于毛细与小通道复合结构的冷板，其特征在于：包括均温层和小通道水道层；其中均温层包括毛细结构和蒸汽腔，毛细结构由蒸发层、支撑柱、冷凝层组成；支撑柱连接蒸发层和冷凝层形成密闭结构，毛细结构内为蒸汽腔，蒸汽腔抽真空，灌充相变工质并抽真空；小通道水道层由铝合金壁面、水道翅片和铝合金隔层依次组成，其中铝合金隔层紧邻毛细结构中的冷凝层；小通道水道由翅片分隔而成，流道内冷却介质流态服从宏观流体力学规律；均温层与小通道水道层一体成型，共用一层铝合金隔层。
2.根据权利要求1所述的一种基于毛细与小通道复合结构的冷板，其特征在于：均温层内部灌充相变工质，通过相变循环将局部热源的热量扩散至整个冷板均温层，冷板均温层当量导热率≥2000W/mK。
3.根据权利要求1所述的一种基于毛细与小通道复合结构的冷板，其特征在于：冷板均温性≤6℃，能够响应热流密度70W/cm2的GaN类芯片散热要求。
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