CN107146938A - 一种微通道冷板结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微通道冷板结构，由基底和在基底上加工的微流道网络组成，所述微流道网络由分流结构、局部微通道网路和汇流结构组合而成。本发明的有益效果：由于冷却工质以“T”型流道进行合理的流量调配，并通过树状并行微通道网络进而强化换热，最后通过逆向“Y”型二分叉流道重新汇集流量，通道分布均匀性好，可均匀密布整个待散热区域，整个微流体网络呈全并联形式，温度一致性好，冷却工质在流道中平滑流动，流阻小；进一步的，局部微通道网络各组微通道呈并行排布，通道分支多且跨度短，便于工艺实现，可降低局部压力损失，能够进一步提升微通道冷板的散热性能。

Description

一种微通道冷板结构

技术领域

本发明属于电子设备散热领域，特别涉及一种相控阵天线阵面冷却用微通道冷板结构。

背景技术

电子装置小型化趋势不断催促着微电子技术的飞速发展，并伴随着微细加工技术的不断成熟、芯片性能提高以及器件体积重量的严格限制，使得同等空间内电子元器件的数目急剧增加，对应的热功耗和热流密度不断升高。研究表明，由于温升超过电子设备的容纳限度是导致其失效的主要因素，对电子设备进行高效的冷却是维持各种功能模块以及大型电子设备系统稳定、可靠运作的关键工作。

雷达如人类的感官一般，是军事上必不可少的电子装备。其中，相控阵天线更是凭借其优越的电讯性能得到大力推广和发展。相控阵天线阵面布放着众多T/R组件，其功率密度高、排布紧密、散热空间有限，若无法及时地耗散天线阵面热量，T/R组件温度会急剧上升，导致其电讯性能下降乃至损坏。通常情况下，由于天线由成百上千个辐射单元组成，这个巨大的发热群体无疑加大了相控阵天线热设计的难度，故探寻一种低成本、高效率的冷却技术便显得尤为重要。

目前，相控阵天线的散热技术多采用自然风冷或强迫空冷。一般来讲，自然风冷具有热控组件简单、造价低廉、实现难度低、易改良等优点，但会增加天线体积、重量，对外部环境敏感，散热效率较差；强迫空冷则是一种操作简便、收效明显的散热方式，相较自然风冷具备更强的散热能力。但随着天线不断朝着高功耗、高热流密度方向发展，这些传统的冷却方式已无法满足其散热需求。

微通道冷却技术的出现为相控阵天线的有效热控提供了新的解决方案，其散热性能优秀、便于高度化集成、能够快速高效地带走发热模块所产生的热量，结合天线微型化、高组装密度的发展趋势，微通道冷却技术备受工程热设计人员的青睐。

迄今为止，将微通道冷却技术应用到天线热控中仍存在诸多技术难题以待解决，如微通道冷板拓扑结构单一、微通道冷板的散热能力仍有待提高、温度一致性差以及泵功率限制等问题。此外，由于天线阵面冷板和局部T/R组件以及局部微型化芯片尺度跨度较大，热源排布离散，因此冷板液冷管路的设计与发热元件的温度一致性也有着直接联系。综上所述，微通道冷板拓扑结构的优化设计对提升天线散热效果将具有明显的工程意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种微通道冷板结构，以满足相控阵天线阵面芯片温升、温度一致性及压降要求。

为解决上述问题，本发明的技术方案是，一种微通道冷板结构，包括基底和设置在基底上的微流道网络；所述微流道网络由分流流道、局部微通道网络和汇流流道组合而成，整个微流道网络中心对称分布，且呈全并联形式。

所述分流流道是由若干“T”型流道组合而成的分形网络，冷却工质通过“T”型分流流道输送至各局部微通道网络，使得各局部微通道网络不存在严格的上下游冷却关系，温度一致性好。此外，多级分形结构使得冷却工质在分流处连续产生二次流，可不断扰动边界层，阻止其不断增厚，从而强化换热。同时，“T”型分流流道可均匀覆盖整个待散热区域，流体流动路径较短，流阻低。

所述汇流流道是由若干逆向“Y”型二分叉流道组合而成，逆向Y型分形结构具有冷却工质混合作用，可有效缩短流程，流体流动性能好、流阻低，温度一致性好。

所述分流流道和汇流流道之间通过树状并行微通道网络连通。

进一步的，所述树状并行微通道网络，各组微通道呈并行排布，通道分支多且跨段短，局部压力损失小，散热能力强，温度一致性好，可进一步提升微通道冷板的散热性能。

进一步的，所述“T”型流道的分形角度为180°，上下级分支流道长度比为0.5，上下级分支流道水力直径比为0.8。

进一步的，所述“Y”型二分叉流道的分形角度为180°。

进一步的，所述“Y”型二分叉流道的同级子分支流道设置有两处直角拐角，以贴合待散热区域形状。

进一步的，所述微流道网络的通道截面形状均为矩形。

进一步的，所述基底厚度为1.5mm。

进一步的，所述基底采用导热系数较高的硅材料或铝合金材料(如铝合金，铜合金，镍基合金等)。

进一步的，所述微流道网络内部填充有冷却工质；所述冷却工质可选用去离子水、FC-75、Coolanol45、氟利昂、甲醇、乙醇、乙二醇或者乙二醇的水溶液。

本发明的有益效果：

(1)由于冷却工质以“T”型流道进行合理的流量调配，并通过树状并行微通道网络进而强化换热，最后通过逆向“Y”型二分叉流道重新汇集流量，通道分布均匀性好，可均匀密布整个待散热区域，温度一致性好，冷却工质在流道中平滑流动，流阻小；

(2)局部微流道网络各组微通道呈并行排布，通道分支多且跨度短，不易堵塞，便于工艺实现，可降低局部压力损失，能够进一步提升微通道冷板的散热性能。

(3)该微通道冷板结构微流体网络为单层结构，可有效降低冷板体积、重量，便于热控组件与结构组件的高度一体化集成，以适应天线高集成度、高组装密度的发展趋势。

(4)该结构可根具实际工作环境，调节各分流流道和汇流流道中分形结构各子分支结构参数，改变局部流阻，实现冷却工质流量的重新分配，改善温度一致性。同时，还可通过选用不同的芯片级微通道拓扑结构以适应不同的散热需求。

(5)当热源分布不匀时，通过调整各树状并行微通道网络内各组微通道的长度、数目、尺度，可形成各种不对称微通道冷板结构，以进一步改善其冷却效果。

附图说明

图1为“T”型分流流道结构；

图2为树状并行微通道结构；

图3为“Y”型二分叉流道结构；

图4为微流体网络局部单级结构；

图5为二级分形的微通道冷板结构；

图6为三级分形的微通道冷板结构；

图7为微通道冷板结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的阐述。

如图1-7所示，一种微通道冷板结构由基底1和在基底上加工的微流道网络2组成，所述微流道网络2由分流结构3、局部微通道网络结构4和汇流结构5组成。

如图1所示，分流流道3是由大量交错的“T”型流道组成的“T”型分形网络，呈自相似中心对称分布。其基本组成单元为单级“T”型流道，包括父流道6和两个子分支流道7、8，同级子分支流道7、8的结构尺寸参数保持一致，分形角度为180°，上下级分支流道长度比为0.5，水力直径比为0.8，所述流道截面形状均为矩形，入口流道(0级分支)通道宽4mm、通道高2mm。

“T”型分形网络可将冷却工质均匀发散至整个待散热区域，通道分布均匀性好，流阻低，温度一致性好。同时，多级分形结构使得冷却工质在分流处连续产生二次流，可不断扰动边界层，阻止其不断增厚，从而强化换热。设计员根据实际情况，通过调节各级子分支流道的结构参数，可实现冷却工质流量的重新分配，以进一步改善待散热区域的温度一致性。

如图2所示，结合天线阵面热源的排布特征，局部微通道网络4为树状并行结构，呈镜像对称分布。微通道网络4由树状分流流道9、逆向树状合流流道10、局部微通道11组合而成，各组微通道并行排布，通道分支多且跨段短。所述局部微通道网络通道截面形状均为矩形。所述9、10流道尺寸与上级分流结构3的末级分支流道7保持一致，所述局部微通道11通道宽0.4mm，高2mm。根据不同的散热需求，通过各组微通道长度、数目、尺度、拓扑结构的变化可得到各种不对称树状并行微通道结构，以进一步改善冷却效果。

如图3所示，汇流流道5为逆向“Y”型分形网络，其基本单元为单级“Y”型二分叉流道，包括合流流道12和两根支流流道13、14，流道分形角度为180°，上下级流道水力直径比为0.8，同级子分支流道存在两处直角拐角15、16，以贴合待散热区域形状。所述流道截面形状均为矩形，出口流道(0级分支)通道宽4mm、通道高2mm。

所述基底采用导热系数较高的硅材料或铝合金材料(如铝合金，铜合金，镍基合金等)。基底厚度为1.5mm。冷却工质可选用去离子水、FC-75、Coolanol45、氟利昂、甲醇、乙醇、乙二醇、乙二醇的水溶液等。

微通道冷板结构可采用底板和盖板焊接成型或一体加工成型，硅基材料可采用光刻或刻蚀技术在底板上加工微流道网络，然后通过特殊工艺将底板和盖板键合成型；金属材料可采用微细铣削或微细电火花技术在底板加工微流道网络，然后通过钎焊工艺或扩散焊工艺成型；另外，部分铝镁合金和镍基合金可采用金属3D打印技术一体加工成型。

该微通道冷板结构通过选用不同分形级数的分流和汇流结构、不同的局部微通道拓扑结构可适应不同的散热需求，具有一定的普适性。同时，该结构能够灵活应对实际冷板众多安装孔、馈线孔等对流道布局的限制，具有一定的柔性。-

实验例

为验证本发明提供的微通道冷板结构在散热方面的优越性能，特以传统矩形平直微通道冷板结构和普通树状微通道冷板结构(两层结构)为参照，对三种微通道冷板结构进行热仿真对比分析。

根据等参数原则，特做以下设定：冷板材料、尺寸相同；通道尺寸一致，截面均为矩形；基板厚度一致；流体工质相同；热载荷相同；流道覆盖面积基本一致。

基于此，详细的热仿真计算模型参数以及各边界条件参数设置如下：

1.微通道冷板尺寸为：135mm×135mm×8mm

2.冷板材质：铝合金6063

3.微通道截面尺寸：0.4mm×2mm

4.基板厚度：1.5mm

5.冷却工质：60％乙二醇水溶液

6.入口温度：35℃

7.环境温度：70℃

8.入口流量：0.5L/min

9.热源：芯片由面热源模拟，以阵列形式呈方阵8×16排布，单个芯片尺寸为1mm×2mm，发热功率为2W(热流密度为100W/cm²)，总功耗为256W；

10.散热器与周围空气的对流换热系数为：20W/m².K

建立三种微通道散热器的热仿真模型，采用同样的离散格式和求解模型，对三种微通道散热器结构进行热仿真计算，得到计算结果见下表所示。

类型	最高温度(℃)	阵面温差(℃)	压降(Kpa)
				平直结构	75.9	9.1	68
树状结构	86.3	5.8	45
				本发明	63.8	1.8	18

由上述数值模拟结果分析可得：本发明设计的微通道冷板结构相较传统矩形平直微通道冷板结构和普通树状微通道冷板结构，能够以较低的压降更有效的控制发热面温升和温度一致性能，综合散热性能优秀。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种微通道冷板结构，其特征在于：包括基底和设置在基底上的微流道网络；所述微流道网络由分流流道、局部微通道网络和汇流流道组合而成；所述分流流道是由若干“T”型流道均匀组合而成；所述汇流流道是由若干逆向“Y”型二分叉流道均匀组合而成；所述分流流道和汇流流道之间通过树状并行微通道网络连通。

2.根据权利要求1所述的微通道冷板结构，其特征在于：所述“T”型流道的分形角度为180°，上下级分支流道长度比为0.5，上下级分支流道水力直径比为0.8。

3.根据权利要求1所述的微通道冷板结构，其特征在于：所述“Y”型二分叉流道的分形角度为180°。

4.根据权利要求1或3所述的微通道冷板结构，其特征在于：所述“Y”型二分叉流道的同级子分支流道设置有两处直角拐角。

5.根据权利要求1所述的微通道冷板结构，其特征在于：所述树状并行微通道网络各组微通道呈并行排布。

6.根据权利要求1所述的微通道冷板结构，其特征在于：所述微流道网络的通道截面形状均为矩形。

7.根据权利要求1所述的微通道冷板结构，其特征在于：所述基底厚度为1.5mm。

8.根据权利要求1或7所述的微通道冷板结构，其特征在于：所述基底采用导热系数较高的硅基材料或金属合金材料制成。

9.根据权利要求1所述的微通道冷板结构，其特征在于：所述微流道网络内部填充有冷却工质；所述工质可选用去离子水、FC-75、Coolanol45、氟利昂、甲醇、乙醇、乙二醇或者乙二醇的水溶液。

10.根据权利要求8所述的微通道冷板结构，其特征在于：所述金属合金材料为铝合金或者铜合金或者镍基合金。