CN109637987A - 一种浸没式射流微喷直接液冷散热装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电子器件散热领域，并公开了一种浸没式射流微喷直接液冷散热装置。散热装置的底部设置有第一凹槽，与待冷却对象的电路板配合形成密封的空间，第一凹槽中设置有第二凹槽，用于放置待冷却对象，冷却液从进口管进入经分液腔后进入喷嘴中，然后从喷嘴喷射在待冷却对象的表面；冷却液从抽液孔进入经收集腔进入出口管中，然后从出口管中流出，以此实现冷却液的收集；其中，第二凹槽的各个面上均设置有多个喷嘴和抽液孔，抽液孔设置中相邻的两个喷嘴连线的中线延长线上，且抽液孔高出喷嘴，避免相邻喷嘴喷出的冷却液发生干涉。通过本发明，有效提高对芯片的散热面积，降低芯片温度并提升芯片温度的均匀性。

Description

一种浸没式射流微喷直接液冷散热装置
技术领域
本发明属于电子器件散热领域，更具体地，涉及一种浸没式射流微喷直接液冷散热装置。
背景技术
高温会对电子器件的性能和可靠性产生极大危害，电子器件的失效率会随着温度的升高呈指数式增加。电子器件在工作时产生的大量热量，必须被及时疏散，以确保器件能够正常、高效、安全地工作。
随着半导体技术及电子技术的飞速发展，电子器件的集成度成倍攀升，随之而来的是与日俱增的发热量。例如一枚尺寸毫米级的芯片中集成了几十亿个产生热量的晶体管及连接导线。由于散热技术的迭代发展速度远远不及电子器件的井喷式发展，因此目前热管理技术严重制约了电子器件的设计和应用。液冷散热方式是应对高热流密度的有效方式，也是未来电子器件散热的一大主流技术。在所有液冷散热技术中，射流微喷技术具有相对较高的对流换热能力，得益于高速流体冲击冷却面而形成极薄的边界层。传统散热装置将液冷散热技术做成一个热沉器件，并将其粘贴或焊接在芯片等电子元器件的发热面上进行散热。采用这种方式的传统射流微喷散热装置，其微喷射流只能冷却散热装置的壁面，而射流并不能冲击到芯片等电子元器件的表面直接进行冷却。散热装置与发热电子元器件间具有较大的接触热阻，在高热流密度的应用场合，其接触热阻是阻碍散热最主要的部分，是良好的热管理需要重点解决的问题。另一方面，现有的冷却方式都只是对芯片等发热电子元器件的一个热源面进行冷却，而浪费了电子元器件其他热源面的空间。如果能对电子元器件的所有热源面都进行冷却，那么散热的面积将大大提高，散热器件对电子元器件的散热能力将大大增强。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种浸没式射流微喷直接液冷散热装置，其通过对其关键组件喷嘴和抽液孔的结构的设计和阵列式分布的设计，使得冷却液在喷嘴中加速形成高速射流并直接冲击到发热电子器件表面，在表面形成极薄的边界层，以形成极高的对流换热能力，有效提高对芯片的散热面积，降低芯片温度并提升芯片温度的均匀性，极大地提高了散热性能，有效应对高热流密度芯片及CPU、高功率发热电子器件的散热问题。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种浸没式射流微喷直接液冷散热装置，该散热装置包括第一凹槽、第二凹槽、进口管、出口管、分液腔、收集腔、喷嘴和抽液孔，其特征在于，
所述散热装置的底部设置有第一凹槽，该第一凹槽与待冷却对象的电路板配合使得所述第一凹槽形成密封的空间，所述第一凹槽中设置有第二凹槽，用于放置待冷却对象，所述进口管和出口管设置在所述散热装置上方，所述进口管通过所述分液腔与所述喷嘴连接，冷却液从所述进口管进入经所述分液腔后进入所述喷嘴中，然后从所述喷嘴喷射在待冷却对象的表面；所述出口管通过收集腔与所述抽液孔连接，冷却液从所述抽液孔进入经所述收集腔进入所述出口管中，然后从所述出口管中流出，以此实现冷却液的收集；
其中，所述第二凹槽的各个面上均设置有多个喷嘴和抽液孔，所述抽液孔设置在相邻的两个所述喷嘴连线的中线延长线上，且所述抽液孔高出所述喷嘴，避免相邻所述喷嘴喷出的冷却液发生干涉影响喷射在待冷却对象上冷却液的均匀性。
进一步优选地，所述第二凹槽的侧面上均设置有一列喷嘴和一列抽液孔，顶面设置有两列喷嘴和设置中该两列喷嘴中心线上的一列抽液孔。
进一步优选地，所述冷却液包括单相冷却液和遇到热源后发生汽化相变的冷却液。
进一步优选地，所述进口管和出口管分开设置，避免二者混淆使得冷却液流动反向。
进一步优选地，所述冷却液优选采用水、氟化液、油或乙二醇。
进一步优选地，所述第一凹槽中设置有密封圈，使得所述待冷对象的电路板与第一凹槽配合紧密。
进一步优选地，所述散热装置上设有多个通孔，用于将所述散热装置与所述待冷对象的电路板固定连接。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明的散热装置采用阵列喷嘴产生高速射流冷却液，利用高速射流冲击热源面形成高效的散热，冷却液通过射流喷嘴冲射到待冷却对象表面后，沿着待冷却对象表面流动，流经相邻射流喷嘴时会干扰由此喷嘴喷射出的流体，从而影响该喷嘴对待冷却对象的散热，相邻两个喷嘴间的中线延长线上设置了抽液孔，冷却液在流经下一个喷嘴之前通过抽液孔流出，使得相邻两个喷嘴间的冷却液流动相互干扰降至最低，从而使各喷嘴产生的高速射流所形成的散热效果不被相邻喷嘴影响而衰弱；
2、本发明的散热装置工作时，从各喷嘴喷射而出的高速射流冷却液直接冲射到发热电子器件表面，实现冷却液与发热电子器件的直接接触，消除了传统电子器件散热的接触热阻影响，大大提高了散热能力；
3、本发明的散热装置采用了顶部喷嘴与侧壁喷嘴，使得冷却液射流可以冲射到发热电子器件的顶面以及四个侧壁面，最大限度地利用了发热电子器件表面的散热面积，使散热性能得到显著提高；
4、本发明的散热装置可采用多种常用的电子器件散热冷却液，诸如水、氟化液、油、乙二醇等，并且允许冷却液在接触发热电子器件后产生汽化相变，实现沸腾换热以进一步提高散热装置的散热能力。
附图说明
图1是按照本发明的优选实施例所构建的散热装置的结构原理示意图；
图2是按照本发明的优选实施例所构建的散热装置的俯视外观示意图；
图3是按照本发明的优选实施例所构建的散热装置的仰视外观示意图；
图4是按照本发明的优选实施例所构建的第二凹槽的五个面上的喷嘴及抽液孔分布示意图；
图5是按照本发明的优选实施例所构建的散热装置的3/4剖面示意图；
图6是按照本发明的优选实施例所构建的散热装置的剖面俯视示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-进口管、2-出口管3-分液腔4-喷嘴5-抽液孔6-收集腔7-第一凹槽8-通孔9-螺钉10-密封圈11-待冷却对象12-PCB电路板13-第二凹槽301-顶部分液腔302-侧壁分液腔401-顶部喷嘴402-侧壁喷嘴501-顶部抽液孔502-侧壁抽液孔601-顶部收集腔602-侧壁收集腔
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1是按照本发明的优选实施例所构建的散热装置的结构原理示意图，如图1所示，散热装置包括进口管1、出口管2、分液腔3、喷嘴4、抽液孔5、收集腔6、、第一凹槽7以及通孔8，其中，进口管1、分液腔3、喷嘴4、抽液孔5、收集腔6及出口管2依次连通作为冷却液流通通道。；喷嘴4包括顶部喷嘴401和侧壁喷嘴40，所述抽液孔5包括顶部抽液孔501和侧壁抽液孔502；所述分液腔3包括顶部分液腔301及侧壁分液腔302，所述收集腔6包括顶部收集腔601与侧壁收集腔602；本发明提供的散热装置采用一体化成型工艺加工成型，无泄漏。
本发明提供的散热装置通过在第一凹槽7中装配密封圈10，并在通孔8中用螺钉9紧固的方法，安装在PCB电路板12上，给安装在PCB电路板12上的待冷却对象11提供散热冷却液，本实施例中的待冷却对象为发热电子器件。
图2是按照本发明的优选实施例所构建的散热装置的俯视外观示意图，如图2所示，本发明提供的散热装置四周开设通孔8，使得螺钉9可以穿过通孔8与PCB电路板12进行紧固装配连接；进口管1设置于散热装置中心线上以尽可能保证流体分布及散热能力的均匀性；而出口管2设置于角落，与进口管1区分开，防止实际使用过程中混淆进口管1与出口管2，而导致冷却液流动方向反向，使散热装置散热能力大大下降。
图3是按照本发明的优选实施例所构建的散热装置的仰视外观示意图，如图3所示，散热装置底面开设有第一凹槽7。通过在第一凹槽7中设置密封圈10，并在通孔8中旋入螺钉9的方式，将散热装置安装在PCB电路板12上，并实现液体密封，防止泄露。
图4是按照本发明的优选实施例所构建的第二凹槽的五个面上的喷嘴及抽液孔分布示意图，如图4所示，喷嘴4包括顶部喷嘴401与侧壁喷嘴402，分别对应于发热电子器件11的顶面及四个侧壁面，使得一部分冷却液从顶部喷嘴401中高速喷出，冲击到发热电子器件11的顶面进行散热，另一部分却液从侧壁喷嘴402中高速喷出，冲击到发热电子器件11的侧壁面进行散热。相邻两个顶部喷嘴401连线的中线上设置顶部抽液孔501，顶部抽液孔501距离相邻的所有顶部喷嘴401的距离相等。相邻两个侧壁喷嘴402连线的中线上设置侧壁抽液孔502，侧壁抽液孔502距离相邻的所有侧壁喷嘴402的距离相等。其中，在顶部喷嘴401与侧壁喷嘴间402设置一排侧壁抽液孔502，以保证顶部喷嘴401与侧壁喷嘴402间的流动没有显著的相互干扰。这一排侧壁抽液孔502的设置需保证侧壁抽液孔502距离相邻两个侧壁喷嘴402的距离相等，距离两个相邻的顶部喷嘴401的距离相等，而不需保证距离任意一个相邻的侧壁喷嘴402与任意一个顶部喷嘴401的距离相等。
图5是按照本发明的优选实施例所构建的散热装置的3/4剖面示意图，如图5所示，冷却液通过进口管1进入到散热装置后，首先进入到液体分液腔3中。冷却液填充液体分液腔3，并从侧壁分液腔302进入到侧壁喷嘴402中。而从顶部抽液孔501流出的冷区液收集到顶部收集腔601中，并填充整个收集腔6，最终从出口管2流出散热装置。
图6是按照本发明的优选实施例所构建的散热装置的剖面俯视示意图，如图6所示，冷却液充满整个分液腔3并通过顶部分液腔301与侧壁分液腔302分别流入顶部喷嘴401与侧壁喷嘴402中。冷却液分别在顶部喷嘴401与侧壁喷嘴402中加速形成高速射流从喷嘴喷射而出，并冲击到发热电子器件11的表面。然后冷却液分别通过最近的顶部抽液孔501或侧壁抽液孔502流出到收集腔中。从顶部抽液孔501流出的冷却液流入到顶部收集腔601中，而从侧壁抽液孔502流出的液体流入到侧壁收集腔602中。最终，冷却液从与收集腔6连通的出口管2导出。
本散热装置工作时，冷却液通过进口管1流入散热装置并流入到分液腔3中。冷却液充满整个分液腔3。冷却液通过顶部分液腔301与侧壁分液腔302分别流入顶部喷嘴401与侧壁喷嘴402中。冷却液分别在顶部喷嘴401与侧壁喷嘴402中加速形成高速射流从喷嘴喷射4而出，并冲击到发热电子器件11的表面。冲击到发热电子器件上11的冷却液在发热电子器件11表面流动并吸收热量，然后分别通过最近的顶部抽液孔501或侧壁抽液孔502流出到收集腔6中。从顶部抽液孔501流出的冷却液流入到顶部收集腔601中，而从侧壁抽液孔502流出的液体流入到侧壁收集腔602中。最终，冷却液从与收集腔6连通的出口管2导出，将发热电子器件11产生的热量带入到环境中，从而起到散热的作用。
本发明采用阵列喷嘴产生高速射流冷却液，利用高速射流冲击热源面形成高效的散热。相邻两个喷嘴的中线延长线上间设置了抽液孔，且抽液孔凸出于喷嘴，使得从喷嘴(4)中喷射出的冷却液不会流经相邻的喷嘴(4)区域，而直接从抽液孔(5)流出，从而使得相邻两个喷嘴间的冷却液流动相互干扰降至最低，进而使各喷嘴产生的高速射流所形成的散热效果不被相邻喷嘴影响而衰弱，并且，高速射流直接冲射到发热电子器件表面，实现冷却液与发热电子器件的直接接触，消除了传统电子器件散热的接触热阻影响，大大提高了散热能力。此外，由于顶部喷嘴与侧壁喷嘴的采用，使得冷却液射流可以冲射到发热电子器件的顶面以及四个侧壁面，最大限度地利用了发热电子器件表面的散热面积，使散热性能得到显著提高。本散热装置可采用多种常用的电子器件散热冷却液，诸如水、氟化液、油、乙二醇等。并且允许冷却液在接触发热电子器件后产生汽化相变，实现沸腾换热以进一步提高散热装置的散热能力。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种浸没式射流微喷直接液冷散热装置，该散热装置包括第一凹槽(7)、第二凹槽(13)、进口管(1)、出口管(2)、分液腔(3)、收集腔(6)、喷嘴(4)和抽液孔(5)，其特征在于，
所述散热装置的底部设置有第一凹槽(7)，该第一凹槽与待冷却对象的电路板(12)配合使得所述第一凹槽形成密封的空间，所述第一凹槽中设置有第二凹槽(13)，用于放置待冷却对象，所述进口管(1)和出口管(2)设置在所述散热装置上方，所述进口管(1)通过所述分液腔(3)与所述喷嘴(4)连接，冷却液从所述进口管(1)进入经所述分液腔(3)后进入所述喷嘴(4)中，然后从所述喷嘴喷射在待冷却对象的表面；所述出口管(2)通过收集腔(6)与所述抽液孔(5)连接，冷却液从所述抽液孔(5)进入经所述收集腔(6)进入所述出口管(2)中，然后从所述出口管中流出，以此实现冷却液的收集；
其中，所述第二凹槽(13)的各个面上均设置有多个喷嘴(4)和抽液孔(5)，所述抽液孔(5)设置于相邻的两个所述喷嘴(4)连线的中线延长线上，且所述抽液孔(5)高出所述喷嘴(4)，避免相邻所述喷嘴喷出的冷却液发生干涉，影响喷射在待冷却对象上冷却液的均匀性。
2.如权利要求1所述的一种浸没式射流微喷直接液冷散热装置，其特征在于，所述第二凹槽(13)的侧面上均设置有一列喷嘴和一列抽液孔，顶面设置有两列喷嘴和设置中该两列喷嘴中心线上的一列抽液孔。
3.如权利要求1或2所述的一种浸没式射流微喷直接液冷散热装置，其特征在于，所述冷却液包括单相冷却液和遇到热源后发生汽化相变的冷却液。
4.如权利要求1-3任一项所述的一种浸没式射流微喷直接液冷散热装置，其特征在于，所述进口管(1)和出口管(2)分开设置，避免二者混淆使得冷却液流动反向。
5.如权利要求1-4任一项所述的一种浸没式射流微喷直接液冷散热装置，其特征在于，所述冷却液优选采用水、氟化液、油或乙二醇。
6.如权利要求1-5任一项所述的一种浸没式射流微喷直接液冷散热装置，其特征在于，所述第一凹槽(7)中设置有密封圈(10)，使得所述待冷却对象的电路板与第一凹槽配合紧密。
7.如权利要求1-6任一项所述的一种浸没式射流微喷直接液冷散热装置，其特征在于，所述散热装置上设有多个通孔(8)，用于将所述散热装置与所述待冷却对象的电路板固定连接。
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