CN108650848A - 一种温度均匀化的微通道散热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种温度均匀化的微通道散热器，其包括：基板，设置在基板的上面并且与基板紧密结合成一体的冷却液分配器、冷却液汇流器和隔板，基板的上面开有2^k组散热通道，k为≥1的整数，每组散热通道由多个散热微通道组成，散热通道的两端为汇流槽；冷却液分配器在顶面形成有冷却液入口，在内部形成有分液通道，分液通道由k层、2^k‑1个呈倒T形的流道组成，下一层流道的入口与上一层流道的出口连接，最下一层流道的出口与散热通道一一对应并且位于每一组散热通道的正中间；冷却液汇流器的结构与冷却液分配器的结构完全相同。本发明的有益之处在于：具有散热能力更强、温度均匀性更好、压降更低的优势，具有优异的综合散热性能。

Description

一种温度均匀化的微通道散热器

技术领域

本发明涉及一种微通道散热器，具体涉及一种温度均匀化的微通道散热器，属于电子设备热管理技术领域。

背景技术

随着集成电路技术和电子封装技术的迅猛发展，电子元器件呈现小型化、微型化的发展趋势，使得电子元器件及设备的组装密度和功率密度迅速增加，热流密度急剧增加，热加速系数快速上升。研究发现，电子元器件的失效率与温度呈现指数相关，因此，电子设备热设计问题日益突出。为了提高电子元器件和设备对各种恶劣环境条件的适应能力以及热可靠性，需要对电子元器件和设备进行可靠的热设计。然而传统的散热方式，如自然风冷、强迫风冷等，散热能力偏低，已无法满足很多电子设备的散热要求。

电子设备的热设计有两类基本问题：一是降低电子设备工作时设备的整体温度，使得电子设备工作在合理的温度范围内，从而保证每个电子元器件都能正常工作，不至于烧坏。二是通过对电子设备进行热设计，使得某些电子元器件工作在相同的温度下，也就是温度均匀化问题，从而保证设备的工作性能。

微通道散热器为电子设备散热问题提供了新的解决办法，其具有体积小、散热能力强等超出常规换热器的巨大优势，但是微通道散热器也面领着一些问题，如通道内部压降大、压力大，各个流道内部流量不均匀，存在温度不均匀性问题。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种温度均匀化的微通道散热器，其可有效解决电子设备温度均匀化和微通道内部压降大、流量不均匀等问题。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种温度均匀化的微通道散热器，其特征在于，包括：基板，设置在基板的上面并且与基板紧密结合成一体的冷却液分配器、冷却液汇流器和隔板，冷却液分配器位于中部，冷却液汇流器位于两边，隔板位于冷却液分配器和冷却液汇流器之间，其中：

前述基板的上面开有2^k组散热通道，k为≥1的整数，每组散热通道由多个散热微通道组成，散热通道的两端为汇流槽，汇流槽处无散热微通道；

前述冷却液分配器在顶面形成有冷却液入口，在内部形成有分液通道，前述分液通道由k层、2^k-1个呈倒T形的流道组成，下一层流道的入口与上一层流道的出口连接，最下一层流道的出口与散热通道一一对应并且位于每一组散热通道的正中间；

前述冷却液汇流器的结构与冷却液分配器的结构完全相同，只是内部冷却液的流动方向与冷却液分配器的相反，顶面的口为冷却液出口。

前述的温度均匀化的微通道散热器，其特征在于，前述基板、冷却液分配器、冷却液汇流器和隔板采用硅材料制成，通过键合成为一体。

前述的温度均匀化的微通道散热器，其特征在于，前述基板、冷却液分配器、冷却液汇流器和隔板采用纯铝或铝合金材料制成，通过焊接成为一体。

前述的温度均匀化的微通道散热器，其特征在于，前述基板的上面开有8组散热通道，间距5mm，每组散热通道由20个散热微通道组成，每个散热微通道长60mm、宽200um、高1.5mm，间距200um。

本发明的有益之处在于：

1、冷却液分配器和冷却液汇流器内部的分液通道都是由k层、2^k-1个呈倒T形的流道组成，冷却液分配器可以均匀的把冷却液分配给2^k组散热通道，冷却液汇流器可以均匀的把冷却液汇合流出，因此每一组散热通道具有相同的流路，因而具有相同的流阻和流量，所以每一组散热通道内部冷却液流量完全一致，保证了每组散热通道散热能力一致，进而保证了整个微通道散热器具有良好的温度一致性；

2、因为冷却液是从每组散热通道的中间流入并且一分为二流经散热微通道，最后从散热通道的两边流出，所以这种供给冷却液的方式首先在总流量不变的情况下降低了每组散热通道内部的压力，进一步在总流道长度不变的情况下使得单个流道的流动长度减小一半，减小了流动阻力，从而降低了整个流道的压降；

3、相比于常见的从一边供给冷却液从另外一边流出冷却液的方式，从中间供给冷却液向两边流动的方式有效的降低了沿散热通道冷却液流动方向的温升，使得温度的均匀性更好，提高了为整个微通道散热器的散热性能。

附图说明

图1是本发明的温度均匀化的微通道散热器的整体结构示意图；

图2是图1中的温度均匀化的微通道散热器的局部剖面示意图；

图3是图2中的散热通道的局部放大示意图；

图4是图2中的冷却液分配器的剖面示意图；

图5是矩形平直结构微通道散热器表面仿真结果的热源温度分布图；

图6是本发明微通道散热器的一个具体实施例的表面仿真结果的热源温度分布图。

图中附图标记的含义：

1-基板、2-冷却液汇流器、3-隔板、4-冷却液分配器、5-隔板、6-冷却液汇流器；

11-汇流槽、12-散热通道、13-散热微通道；

21-冷却液出口；

41-冷却液入口、42-分液通道；

61-冷却液出口。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。

参照图1和图2，本发明的温度均匀化的微通道散热器包括：基板1，设置在基板1的上面并且与基板1紧密结合成一体的冷却液分配器4、冷却液汇流器2、冷却液汇流器6、隔板3和隔板5，其中，冷却液分配器4位于中部，冷却液汇流器2和冷却液汇流器6位于两边，隔板3位于冷却液分配器4和冷却液汇流器2之间，隔板5位于冷却液分配器4和冷却液汇流器6之间。

下面分别对基板、冷却液分配器和冷却液汇流器的结构做详细的介绍。

一、基板

参照图1、图2和图3，基板1的上面开有2^k组散热通道12，k为≥1的整数，每组散热通道12由多个散热微通道13组成，散热通道12的两端为汇流槽11，汇流槽11处无散热微通道13。

在本实施例中，基板1的上面开有8组散热通道12，即k＝3，每组散热通道12间距5mm，每组散热通道12由20个散热微通道13组成，每个散热微通道13长60mm、宽200um、高1.5mm，间距200um，汇流槽11长8mm、宽8mm、高1.5mm。

二、冷却液分配器

参照图1、图2和图4，冷却液分配器4在顶面形成有冷却液入口41，在内部形成有分液通道42，该分液通道42由k层、2^k-1个呈倒T形的流道组成，下一层流道的入口与上一层流道的出口连接，最下一层流道的出口与散热通道12一一对应并且位于每一组散热通道12的正中间。

在本实施例中，冷却液分配器4内部的分液通道42由3层、7个呈倒T形的流道组成，从上至下：第1层有1个呈倒T形的流道，第2层有2个呈倒T形的流道，第3层有4个呈倒T形的流道，下一层流道的入口与上一层流道的出口连接，最下一层流道的出口与散热通道12一一对应。

冷却液由冷却液入口41流入到分液通道42中时，先被第1层的1个呈倒T形的流道平均的分为2份，然后被第2层的2个呈倒T形的流道平均的分为4份，接下来被第3层的4个呈倒T形的流道平均的分为8份，最后流入到基板1上面的8组散热通道12中，如此一来，使得每组散热通道12内部流量完全一致，保证了每组散热通道12散热能力一致。

注入冷却液分配器4中的冷却液可以选用去离子水、FC75、乙醇等。

三、冷却液汇流器

参照图1和图4，冷却液汇流器2和冷却液汇流器6的结构与冷却液分配器4的结构完全相同，只是内部冷却液的流动方向与冷却液分配器4的相反，冷却液汇流器2和冷却液汇流器6下方的开口正对散热通道12两端的汇流槽11，冷却液汇流器2顶面的口为冷却液出口21，冷却液汇流器6顶面的口为冷却液出口61。

在本实施例中，冷却液出口21、冷却液出口61和冷却液入口41的大小相同，均为12.2mm×7.8mm。

冷却液从冷却液入口41流入冷却液分配器4，流经冷却液分配器4的过程中被均匀的分为8份，然后从8组散热通道12中间进入散热微通道13，最后通过散热通道12两端的汇流槽11流经冷却液汇流器2和冷却液汇流器6从冷却液出口21和冷却液出口61流出，这种流动方式有效的降低了沿散热通道12冷却液流动方向的温升、压降和微通道内壁压力，使得整个微通道散热器温度的均匀性更好，提高了为整个微通道散热器的散热性能。

基板1、冷却液分配器4、冷却液汇流器2、冷却液汇流器6、隔板3和隔板5既可以采用硅材料制成，也可以采用纯铝或铝合金材料制成。

当基板1、冷却液分配器4、冷却液汇流器2、冷却液汇流器6、隔板3和隔板5采用硅材料制成时，可以采用光刻或刻蚀技术在硅基材上进行加工，然后通过适当的工艺把加工好的基板1、冷却液分配器4、冷却液汇流器2、冷却液汇流器6、隔板3和隔板5键合成为一体。

当基板1、冷却液分配器4、冷却液汇流器2、冷却液汇流器6、隔板3和隔板5采用纯铝或铝合金材料制成时，可以采用微细铣削技术或微细电火花技术在铝基材上或铝合金基材上进行加工，然后通过钎焊工艺或扩散焊工艺把加工好的基板1、冷却液分配器4、冷却液汇流器2、冷却液汇流器6、隔板3和隔板5焊接成为一体。

为了验证本发明提供的微通道散热器在散热方面的优越性能，特以传统的矩形平直供液微通道散热器为参照，对两种微通道散热器用ANSYS Icepak软件进行热仿真对比分析。

根据等参数原则，特作以下设定：

(1)微通道散热器材料、尺寸相同；

(2)每组散热通道结构参数相同，每个散热微通道均为矩形；

(3)基板厚度相同；

(4)冷却液相同；

(5)热载荷相同。

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)微通道散热器尺寸为107.4mm*80mm*18mm；

(2)基板厚度为2mm；

(3)散热器材料为纯铝；

(4)冷却液为去离子水，入口冷却液温度20℃，入口冷却液体积流量0.0001m³/s；

(5)环境温度25℃；

(6)热源以8×5方阵均匀排列在基板的8组散热通道的背面，单个热源的大小为4mm×3.5mm，单个热源的发热功率为50W(热流密度375.1W/cm²)，总发热功率为2000W。

建立两种微通道散热器的仿真模型，采用相同的离散格式和求解模型进行仿真计算，得到的计算结果如下表所示。

散热器类型	最高温度	阵面温度方差	压降
				矩形平直结构	59.7℃	4.5℃	45KPa
本发明	52.4℃	0.2℃	12KPa

矩形平直结构微通道散热器表面仿真结果的热源温度分布图如图5所示。

本发明微通道散热器的一个具体实施例的表面仿真结果的热源温度分布图如图6所示。

由上述数值模拟计算结果结合图5和图6分析可知：本发明提出的微通道散热器相比于传统的矩形平直供液微通道散热器，具有散热能力更强、温度均匀性更好、压降更低的优势，具有优异的综合散热性能。

需要说明的是，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种温度均匀化的微通道散热器，其特征在于，包括：基板(1)，设置在基板(1)的上面并且与基板(1)紧密结合成一体的冷却液分配器(4)、冷却液汇流器(2，6)和隔板(3，5)，冷却液分配器(4)位于中部，冷却液汇流器(2，6)位于两边，隔板(3，5)位于冷却液分配器(4)和冷却液汇流器(2，6)之间，其中：

所述基板(1)的上面开有2^k组散热通道(12)，k为≥1的整数，每组散热通道(12)由多个散热微通道(13)组成，散热通道(12)的两端为汇流槽(11)，汇流槽(11)处无散热微通道(13)；

所述冷却液分配器(4)在顶面形成有冷却液入口(41)，在内部形成有分液通道(42)，所述分液通道(42)由k层、2^k-1个呈倒T形的流道组成，下一层流道的入口与上一层流道的出口连接，最下一层流道的出口与散热通道(12)一一对应并且位于每一组散热通道(12)的正中间；

所述冷却液汇流器(2，6)的结构与冷却液分配器(4)的结构完全相同，只是内部冷却液的流动方向与冷却液分配器(4)的相反，顶面的口为冷却液出口(21，61)。

2.根据权利要求1所述的温度均匀化的微通道散热器，其特征在于，所述基板(1)、冷却液分配器(4)、冷却液汇流器(2，6)和隔板(3，5)采用硅材料制成。

3.根据权利要求2所述的温度均匀化的微通道散热器，其特征在于，所述基板(1)、冷却液分配器(4)、冷却液汇流器(2，6)和隔板(3，5)通过键合成为一体。

4.根据权利要求1所述的温度均匀化的微通道散热器，其特征在于，所述基板(1)、冷却液分配器(4)、冷却液汇流器(2，6)和隔板(3，5)采用纯铝或铝合金材料制成。

5.根据权利要求4所述的温度均匀化的微通道散热器，其特征在于，所述基板(1)、冷却液分配器(4)、冷却液汇流器(2，6)和隔板(3，5)通过焊接成为一体。

6.根据权利要求1所述的温度均匀化的微通道散热器，其特征在于，所述基板(1)的上面开有8组散热通道(12)，每组散热通道(12)间距5mm。

7.根据权利要求6所述的温度均匀化的微通道散热器，其特征在于，每组散热通道(12)由20个散热微通道(13)组成，每个散热微通道(13)长60mm、宽200um、高1.5mm，间距200um。