CN109103157A - 一种仿梅花形微通道热沉冷板及其散热装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿梅花形微通道热沉冷板及其散热装置，属于微通道换热技术领域，仿梅花形微通道热沉冷板包括上下盖合、密封连接的热沉盖板和微通道热沉，所述微通道热沉内设有四个相互对称的梅花花瓣形微通道，所述梅花花瓣形微通道从外至内设置若干条仿梅花形流道，四个梅花花瓣形微通道拼合后相应的仿梅花形流道连通且在外沿形成四个凸起和四个凹陷、在中心处形成中心汇流口，所述中心汇流口与四个凸起和四个凹陷之间均设有连通仿梅花形流道的灌流道，所述灌流道从外至内呈减缩状；其中一个凹陷处设有连通最近凹陷处的流道和相邻两个凸起处的流道的注液口，注液口对侧的凹陷处设有连通最近凹陷处的流道和相邻两个凸起处的流道的出液口。

Description

一种仿梅花形微通道热沉冷板及其散热装置

技术领域

本发明属于微通道换热技术领域，具体涉及一种仿梅花形微通道热沉冷板及其散热装置。

背景技术

微通道散热器是为了满足电子工业发展的需要而设计的一类结构紧凑、轻巧、高效的散热器。微电子领域遵循摩尔定律飞速发展，伴随着电子芯片发展的高度集成化，其发热功率也在成倍增加，而不良散热将导致电子设备的可靠性下降，甚至会减少设备的使用寿命，散热已经成为电子芯片发展的主要瓶颈。

现阶段，计算机芯片的散热一直采用传统的强制风冷散热方式，强制风冷散热主要通过风扇叶片转动实现周围空气和散热肋片之间的强制对流换热，这种散热方式的明显缺点是通过空气进行导热散热，而空气的导热系数较低，空气和散热片之间对流换热带走的热量是有限的，有研究表明空气对流散热的极限热流密度不超过50W/cm2,对于高集成度计算机的CPU芯片而言，风冷散热方式远远不能满足其散热需求。于是液冷散热渐渐进入人们的视线，液冷散热的常用冷却液为水，水的比热容比空气大很多，使用液冷散热能够大大降低散热所需的能量，降低散热成本，达到绿色环保节能的目的。同时，液冷散热方式没有风冷散热式风扇运行过程中产生的震动和噪声，而且液冷散热方式所占的空间较小，结构紧密，不会给热源带去额外的热量负担。实际上不仅仅在电子芯片的散热领域，随着人们对系统小型化的追求，在航空航天、生物科学等领域的系统散热都是亟待解决的问题，研究新的高效散热方式是非常有必要的。

微通道散热器以其体积小、结构简单、散热性能优越而受到关注，因其紧凑的几何结构，芯片微通道散热器能够提供较大的换热面积和较高的对流换热系数，使散热器的散热性能大大提高。然而微结构下的换热和流动特性与非微观结构下的流动特性不同，目前，对于芯片微通道散热的研究主要集中在流动工质、通道槽结构以及通道材料三个方面。现有微通道散热器最大的问题是流体从注液口到出液口之间温度分布不均匀，严重影响散热性能，在专利申请号为201410253605.1，名称为一种采用脉动流及波壁微通道的强化散热装置》的专利中提出了一种波壁形通道槽结构的微通道换热器，提供了一种波壁形微通道结构，在波壁形微通道结构中，其外形是方形，注液口位于通道正中心，而出液口位于通道的四个角，减少了流体从注液口到出液口距离，结构看似复杂，但冷液从内至外流动，液体流动方向固定，流体之间的扰动相对较少，温度分布由内至外分布区别明显，越靠近边缘，流体温度越高，越不利于散热，故而采用了脉动流来增强流体的扰动和相互渗混，对温度分布有所改善，但基于通道内流体流向设计以及为了保证温度分布相对均匀，该结构的注液口以及出液口均只能设置在热沉冷板的正面(该结构注液口以及出液口设置在侧壁会延长流道路径，影响流体温度分布均匀度)，只能实现单热源散热，无法解决两个或多个热源相邻情况下的散热需求。

发明内容

本发明提供一种仿梅花形微通道热沉冷板及其散热装置，以解决现有微通道散热结构无法解决两个或多个热源相邻情况下的散热需求的技术问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种仿梅花形微通道热沉冷板，包括上下盖合、密封连接的热沉盖板和微通道热沉，所述微通道热沉内设有四个相互对称的梅花花瓣形微通道，所述梅花花瓣形微通道从外至内设置若干条仿梅花形流道，四个梅花花瓣形微通道拼合后相应的仿梅花形流道连通且在外沿形成四个凸起和四个凹陷、在中心处形成中心汇流口，所述中心汇流口与四个凸起和四个凹陷之间均设有连通仿梅花形流道的灌流道，所述灌流道从外至内呈减缩状；其中一个凹陷处设有连通最近凹陷处的流道和相邻两个凸起处的流道的注液口，注液口对侧的凹陷处设有连通最近凹陷处的流道和相邻两个凸起处的流道的出液口。

本发明中，分散式注液口与出液口的设计可以保证散热均匀，同时仿梅花形流道与灌流道两种结构交错，且灌流道从外至内呈减缩状的结构设置，使得灌流道内流体产生横流动力，进而使得梅花花瓣形微通道内任意一处的流体流进路径多样，产生混流，减少了微通道热沉冷板内各处流体温度的差异；由于结构的改进，使得注液口、出液口不再位于微通道热沉冷板的上下两面，便于解决两个或多个热源相邻情况下的散热需求；形成的四个凹陷也便于热源与微通道热沉冷板的连接。

作为优选地，所述热沉盖板的上表面和/或微通道热沉下表面涂有石墨烯涂料粘接层，一方面石墨烯涂料具有良好的导热效果，可以充分吸收芯片发出的热量，另一方面石墨烯涂料因其液态的特点可以填补芯片与微通道热沉冷板直接相连时的缝隙，达到充分传热的效果。

一种仿梅花形微通道散热装置，还包括连接在注液口、出液口之间的脉动泵、循环液体冷却器以及连接它们的管道。

本发明的工作原理是首先从注液口将该仿梅花形微通道散热冷却装置抽成真空并充注一定体积的液体工质后密封。其次脉动泵产生的脉动流通过连接微通道热沉冷板与脉动泵的管道进入微通道热沉冷板，然后芯片产生的热量通过热传导的方式被石墨烯涂层快速吸收并传给微通道热沉冷板，随后该热量被流经微通道热沉冷板的液体工质通过连接微通道热沉冷板与循环液体冷却器的管道带入循环液体冷却器中进行冷凝，最后又经连接脉动泵和循环液体冷却器的管道回到脉动泵中，形成一个封闭的液冷系统。

相较于现有技术，本发明的有益效果是：

(1)本发明分散式注液口与出液口的设计可以保证散热均匀，同时仿梅花形流道与灌流道两种结构交错，使得梅花花瓣形微通道内任意一处的流体流进路径多样，产生混流，减少了微通道热沉冷板内各处流体温度的差异，温度分布更加均匀，不会出现芯片局部温度过高，散热不均匀的状况；

(2)由于结构的改进，使得注液口、出液口不再位于微通道热沉冷板的上下两面，在不影响温度分布均匀的前提下，也能将注液口、出液口设置在微通道热沉冷板的侧壁，便于解决两个或多个热源相邻情况下的散热需求；

(3)形成的四个凹陷也便于热源与微通道热沉冷板的连接；

(4)本微通道冷却装置结构紧凑，能长期稳定运行。

附图说明

图1是本发明涉及的散热系统示意图；

图2是仿梅花形微通道热沉冷板的结构示意图；

图3是仿梅花形流道的结构示意图；

图4是仿梅花形微通道热沉冷板的温度分布图；

图5是仿梅花形微通道热沉冷板的流速分布图；

图中标记：1、芯片；2、微通道热沉冷板；3、脉动泵；4、循环液体冷却器；5、连接管道；2-1、微通道热沉；2-1-1、注液口；2-1-2、仿梅花形流道；2-1-3、出液口；2-1-4、灌流道；2-1-5、中心汇流口；2-2、热沉盖板。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，并不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他所用实施例，都属于本发明的保护范围。

实施例1

如图1所示，本发明涉及的仿梅花形微通道结构散热冷却装置，包括仿梅花形微通道热沉冷板2、脉动泵3、循环液体冷却器4及连接它们的管道5四大部分构成。

如图2和图3所示，仿梅花形微通道热沉冷板2包括上下盖合、密封连接的热沉盖板2-2和微通道热沉2-1，所述微通道热沉2-1内设有四个相互对称的梅花花瓣形微通道，所述梅花花瓣形微通道从外至内设置若干条仿梅花形流道2-1-2，四个梅花花瓣形微通道拼合后相应的仿梅花形流道2-1-2连通且在外沿形成四个凸起和四个凹陷、在中心处形成中心汇流口2-1-5，所述中心汇流口2-1-5与四个凸起和四个凹陷之间均设有连通仿梅花形流道2-1-2的灌流道2-1-4，所述灌流道2-1-4从外至内呈减缩状；其中一个凹陷处设有连通最近凹陷处的流道和相邻两个凸起处的流道的注液口2-1-1，注液口2-1-1对侧的凹陷处设有连通最近凹陷处的流道和相邻两个凸起处的流道的出液口2-1-3。

首先从注液口2-1-1将该仿梅花形微通道散热冷却装置抽成真空并充注一定体积的液体工质后密封。其次脉动泵3产生的脉动流通过连接微通道热沉冷板2与脉动泵3的管道5 进入微通道热沉冷板2，然后芯片1产生的热量通过热传导的方式被石墨烯涂层快速吸收并传给微通道热沉冷板2，随后该热量被流经微通道热沉冷板2的液体工质通过连接微通道热沉冷板2与循环液体冷却器4的管道5带入循环液体冷却器4中进行冷凝，最后又流经连接脉动泵3和循环液体冷却器4的管道5回到脉动泵中，形成一个封闭的液冷系统。发热芯片1与微通道热沉冷板2通过石墨烯涂层胶结，一方面石墨烯涂层具有良好的导热效果，可以充分吸收芯片1发出的热量，另一方面石墨烯涂层因其液态的特点可以填补芯片1与微通道热沉冷板2直接相连时的缝隙，达到充分传热的效果。但是石墨烯涂层的黏度不够，因此为了防止脱落，需要再通过螺栓将散热芯片1与微通道热沉冷板2固定在一起，也可以采用其他贴合方式固定，但要保证不会发生冷却液渗漏的情况。微通道结构模块材料可以采用导热性能较好的铝或铜。管道5的内径为4-6mm，管道5与模块中其他元件的连接可以通过环氧耐高温导热胶胶接或通过焊接的方式。为了提高密封及连接效果，该微通道散热冷却装置在进行装配前，需将各部件放在丙酮溶液中进行超声清洗，以去除其表面的油污等杂质。脉动泵3的型号可以采用VLK系列的VLK4506、VLK5504等，循环液体冷却器的型号为XSB系列的XSB260、XSB500等，石墨烯涂层采用高导热导电型石墨烯浆料。

仿梅花形微通道热沉冷板主要有两部分构成：分别是与热源芯片1及管道5相连的微通道热沉2-1和热沉盖板2-2。微通道热沉2-1与热沉盖板2-2通过焊接或螺栓固定，也可以采用其他连接方式，但需保证密封性良好，不能出现液体渗漏的问题。微通道热沉冷板2的材料可以采用导热性能较好的铝或铜。

微通道热沉的主要作用是尽可能多的传导从热源传来的热量，本仿梅花形微通道热沉内含四组对称的梅花花瓣形通道2-1-2，四组花瓣分为两组，一组分为两个花瓣。其中一组花瓣末端分别连接入液口，另一组花瓣末端分别连接出液口。

本发明生产的微通道结构不仅能够运用于电子器件的散热，还能够运用于其他有散热需求的场合，基本适用于适合微通道散热方式的所有散热场景。

实施例2

应用于CPU芯片散热，CPU芯片产生的热量通过热传导的方式被石墨烯涂层吸收并传导给微通道热沉冷板，随后热量被流经微通道热沉冷板的冷却液通过连接微通道热沉冷板与循环液体冷却器的管道带入循环液体冷却器中进行冷却，最后冷却液又经连接脉动泵和循环液体冷却器的管道回到脉动泵中，形成一个封闭的液冷循环系统。

实施例3

本实施例提供一种用于处理任意两热源相邻情况下的散热方案。有一梅花形LED模块分为上下两块LED热源，仿梅花形微通道热沉冷板夹在两块LED热源中间，两块LED热源通过螺栓固定，螺栓穿过仿梅花形微通道热沉冷板结构中除去注液口及出液口的另外两处凹处。本实施例的微通道散热装置主要由仿梅花形微通道热沉冷板、脉动泵、循环液体冷却器以及连接他们的管道四大部分构成。从注液口将该微通道散热装置抽成真空并注入一定体积的水或其他冷却液后密封。脉动泵产生的脉动流通过连接微通道散热模块与脉动泵的管道进入微通道散热模块，梅花形LED模块产生的热量通过热传导的方式被石墨烯涂层吸收并传导给微通道热沉冷板，随后热量被流经微通道热沉冷板的冷却液通过连接微通道热沉冷板与循环液体冷却器的管道带入循环液体冷却器中进行冷却，最后冷却液又经连接脉动泵和循环液体冷却器的管道回到脉动泵中，形成一个封闭的液冷循环系统。

实施例4

通过计算流体力学软件Ansys Fluent 15.0对仿梅花形微通道热沉冷板的流动与传热特性进行仿真。计算假设相关物性参数不随温度变化，工质为水，且其进口温度为300K(27℃)。

模型的材质设置为铝，相应边界条件的设置如下：

进口：为体积流量进口，采用定常流，体积流量为定值1000ml/min。

出口：为压力出口，基准压力为大气压力。

发热设置：在模型的底面和顶面均设置了热流密度为80W/cm²的恒定热源。

仿真的结果表面温度分布如图4所示，仿梅花形微通道热沉盖板2-2的壁面峰值温度为 328.6K，最低温度为316.8K，温差较小且温度分布非常均匀。仿梅花形微通道热沉冷板的流动特性见图5流速分布图，由图5分析可知，由于仿梅花形结构的流道之间耦合性较强，增强了流体的扰动和相互渗混，从而可以充分的带走更多的热量。与背景技术中提到的波壁形微通道相比，仿梅花形微通道热沉冷板的传热效果较优。综上所述，采用仿梅花形流道结构的热沉冷板，可以明显的提高散热性能与温度分布的均匀性。

显而易见的，上面所述的实施例仅仅是本发明实施例中的一部分，而不是全部。基于本发明记载的实施例，本领域技术人员在不付出创造性劳动的情况下得到的其它所有实施例，或在本发明的启示下做出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种仿梅花形微通道热沉冷板，包括上下盖合、密封连接的热沉盖板(2-2)和微通道热沉(2-1)，其特征在于：所述微通道热沉(2-1)内设有四个相互对称的梅花花瓣形微通道，所述梅花花瓣形微通道从外至内设置若干条仿梅花形流道(2-1-2)，四个梅花花瓣形微通道拼合后相应的仿梅花形流道(2-1-2)连通且在外沿形成四个凸起和四个凹陷、在中心处形成中心汇流口(2-1-5)，所述中心汇流口(2-1-5)与四个凸起和四个凹陷之间均设有连通仿梅花形流道(2-1-2)的灌流道(2-1-4)，所述灌流道(2-1-4)从外至内呈减缩状；其中一个凹陷处设有连通最近凹陷处的流道和相邻两个凸起处的流道的注液口(2-1-1)，注液口(2-1-1)对侧的凹陷处设有连通最近凹陷处的流道和相邻两个凸起处的流道的出液口(2-1-3)。

2.如权利要求1所述的一种仿梅花形微通道热沉冷板，其特征在于：所述热沉盖板(2-2)的上表面和/或微通道热沉(2-1)下表面涂有石墨烯涂料粘接层。

3.一种仿梅花形微通道散热装置，其特征在于：还包括连接在注液口(2-1-1)、出液口(2-1-3)之间的脉动泵(3)、循环液体冷却器(4)以及连接它们的管道(5)。