CN110012640B - 一种具有开孔间壁的微通道冷板及电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种具有开孔间壁的微通道冷板及电子设备。所述具有开孔间壁的微通道冷板包括交错排列的多个微通道板和多个微通道间壁板，每个所述微通道板上均形成有微通道，所述微通道位于相邻两个微通道间壁板之间，且部分或全部所述微通道间壁板上形成有开孔结构。所述微通道间壁板上的开孔结构能够在微通道内流体进行沸腾换热时使气泡渗透到其他微通道中，从而改善微通道冷板内气泡的整体分布，减弱气泡的轴向膨胀，抑制流动的不稳定性。

Description

一种具有开孔间壁的微通道冷板及电子设备

技术领域

本发明涉及散热技术领域，特别是涉及一种具有开孔间壁的微通道冷 板、以及应用了该微通道冷板的电子设备。

背景技术

微制造技术的发展极大的推动了现代科学技术、电子信息技术、航天技 术等朝着微型化的方向迈进。随着微电子芯片、微反应器等微小系统的相继 出现，电子芯片等微元器件和微系统的热流密度迅速攀升，数量级已经接近 MW/m²。以风冷为代表的常规冷却技术已经不能满足微电子设备日益增长的散 热需求。针对现有微电子设备冷却问题，两相微通道冷板作为一种更高效的 冷却设备成为国内外研究的热点。

传统的微通道冷板采用表面刻蚀或铣削的方法加工成型，微通道间壁均 为平直板。当传统的微通道冷板用于高热流密度散热时，冷却液体发生快速 相变，生产的气泡快速成长，极易堵塞微通道，造成两相流动不稳性问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的其中一个目的是提供一种具有开孔间壁的微通道冷 板，用于针对功率密度较高的发热设备进行散热。微通道间壁板上的开孔结 构能够在微通道内流体进行沸腾换热时使气泡渗透到其他微通道中，从而改 善微通道冷板内气泡的整体分布，减弱气泡的轴向膨胀，抑制流动的不稳定 性。

一方面，本发明实施例提供了一种具有开孔间壁的微通道冷板。所述具 有开孔间壁的微通道冷板包括交错排列的多个微通道板和多个微通道间壁 板，每个所述微通道板上均形成有微通道，所述微通道位于相邻两个微通道 间壁板之间，并且部分或全部所述微通道间壁板上形成有开孔结构。

在本发明的一些实施例中，所述微通道间壁板上的开孔结构包括多个开 孔，所述多个开孔交错分布。

在本发明的一些实施例中，所述开孔结构中的多个开孔在单个所述微通 道间壁板的宽度方向上排列为至少一排。

在本发明的一些实施例中，所述微通道冷板的材料选用导热金属材料。

在本发明的一些实施例中，所述导热金属材料包括紫铜、铝及其合金。

在本发明的一些实施例中，所述开孔结构中的单个开孔的形状为圆形、 椭圆形、矩形、人字形或多边形。

在本发明的一些实施例中，所述微通道是指当量直径在10-1000um的通 道。

在本发明的一些实施例中，沿微通道冷板的宽度方向，还设有覆盖所述 微通道板和所述微通道间壁板的盖板。

另一方面，本发明实施例提供了一种电子设备。所述电子设备包括发热 部件，所述发热部件上附着有如上任一技术方案所述的具有开孔间壁的微通 道冷板。

在本发明实施例提供的微通道冷板中，所述微通道间壁板上形成有开孔 结构，相比于不具有开孔结构的微通道而言，开孔结构可在微通道内流体进 行沸腾换热时使气泡渗透到其他微通道中，从而改善微通道冷板内气泡的整 体分布，减弱气泡的轴向膨胀，抑制流动的不稳定性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种具有开孔间壁的微通道冷板的结构示意 图；

图2为图1所示微通道冷板的主视图；

图3中(a)显示了矩形开孔结构示意图、(b)显示了椭圆形开口结构 示意图；

图4为本发明实施例提供的一种电子设备中发热部件和微通道冷板位置 关系的示意图；

图5为本发明实施例微通道冷板制作方法的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体 实施例对本发明作进一步地详细描述。

1981年，微通道散热的概念被首次提出。之后，人们依据微通道散热的 概念制作了微通道冷板。微通道冷板因具有高面积体积比、大对流换热系数、 小体积和轻质量等诸多优点，而成为微小型、高热流密度的电子设备的重要 冷却装置。

微通道冷板的相变换热系数大、换热效率高，并可实现大热流密度的 换热，相对于常规冷却方式优势明显。但是当微通道冷板内的微通道尺寸 小到一定程度，通道内流体的流动和换热会出现尺度效应，致使微通道内 部流体的流动及沸腾换热规律异于常规通道，并且微通道内相变会使相间 的质量传递和通道截面的气体空隙率不断变化，从而使通道流动方向上两 相的分布不断变化，所以微通道内部流体的流动和沸腾计算非常复杂。

微通道换热普遍存在流动及沸腾不稳定现象。该现象是由于在微通道 沸腾换热期间，气泡在微通道内成长受到径向(微通道的宽度方向W)空间 限制，致使气泡沿着微通道的轴向(微通道的长度方向L)往上游和下游快 速膨胀，进而产生沸腾及流动不稳定性，并且还会伴随壁面温度、入口压 力和质量流率等参数的周期性波动。流动及沸腾不稳定现象的出现，会严 重扰乱微通道内流体的流动，还会出现反流现象，影响通道内流体两相的分布，严重时还会产生干涸现象，此现象会使沸腾换热系数很低，严重影 响换热效率。因此，抑制或者消除微通道内的流动及沸腾不稳性是微通道 冷板冷却亟待解决的问题。

本发明实施例提供了一种具有开孔间壁的微通道冷板，可以很好的解决 上述问题。如图1所示，所述具有开孔间壁的微通道冷板包括交错排列的多 个微通道板1和多个微通道间壁板2，每个微通道板1上均形成有微通道(图1中被微通道间壁板2遮挡而不可见)，所述微通道位于相邻两个微通道间壁 板2之间，并且部分或全部的微通道间壁板2上形成有开孔结构21。

在图1所示的微通道冷板中，微通道间壁板2上形成有开孔结构21，相 比于不具有开孔结构的微通道间壁板2而言，开孔结构21可在微通道内流 体进行沸腾换热时使气泡渗透到其他微通道中，从而改善微通道冷板内气泡 的整体分布，减弱气泡的轴向(即图1中的长度方向L)膨胀，抑制流动的 不稳定性。

如图1所示，将微通道冷板的长度方向记为L、宽度方向记为W、深度 方向记为D。微通道冷板的长度方向L与每个微通道板1或每个微通道间壁 板2的长度方向一致，微通道冷板的宽度方向与每个微通道板1或每个微通 道间壁板2的厚度方向一致，微通道冷板的深度方向与每个微通道板1或每 个微通道间壁板2的宽度方向一致。

微通道间壁板2上的开孔结构21包括多个开孔，这些开孔交错分布。 例如，如图2所示，开孔结构21包括多个圆形开孔，在微通道间壁板2的 长度方向L上，这些圆形开孔21按照3个一组和2个一组的方式交错分布。 开孔结构21采用这种分布方式，可以使一个微通道内的流体在流动方向上 可以随意渗透到与其相邻的其他微通道中，进一步减弱气泡的轴向(即图1 中的长度方向L)膨胀。

开孔结构21中的开孔除了采用圆形外，还可以采用其他任意可加工的 形状。本发明一些实施例给出了其他两种形状的开孔结构以供参考，例如图 3中(a)所示的矩形开孔结构21(或者称为“开缝”)，以及图3中(b)所 示的椭圆形开孔结构21，还可以是图中未示出的人字形或多边形等。图3中 (a)图和(b)图所示的开孔结构同样均是按照图2所示的交错排列方式进 行布置。

根据图2以及图3中(a)图和(b)图所示的开孔结构的形状和大小， 可以在微通道冷板的深度方向D上(即，单个微通道间壁板2的宽度方向上) 分布至少一排所述开孔结构。为了提高对微通道中气泡的渗透效果，一般可 以分布两排或更多排的开孔结构。例如在图2和图3的(b)图中，可以近 似地认为分布了两排开孔结构，而图3的(a)图中近似地认为分布了三排 开孔结构。若开孔结构采用人字形、多边形等面积较大的形状、或者微通道 冷板的深度D(即，单个微通道间壁板2的宽度)较小，也可以仅设置一排 开孔结构。

此外，参见图1、图2和图3可知，形成在微通道间壁板2上的开孔结 构21中的开孔数量为多个，虽然图1、图2和图3显示的开孔大小一致，但 可以理解的是，这些开孔也可以是大小不一的。小尺寸开孔对流体在微通道 长度方向上流动的影响较小；而大尺寸开孔则可以增大一个微通道内的流体 向相邻微通道中渗透的效果。

在本发明的一些实施例中，可以在微通道板(图5中的微通道母板501 切割后可形成多个微通道板)上沿长度方向L以去除材料的方式形成微通道， 如接下来将要提到的图5中的微通道母板501。

在本发明的一些实施例中，微通道是与宏观通道相对而言的概念，例如 微通道是指当量直径在10-1000um的通道，即尺寸大小在微米级别的通道。 在本发明的一些实施例中，微通道冷板的各个微通道板1和各个微通道间壁 板2均可以由导热系数高的金属材料加工制成，例如紫铜、铝及其合金等， 有利于提高微通道冷板的散热能力。

此外，在发明的一些实施例中，如图1所示，沿微通道冷板的宽度方向 W，还设有用于保护该微通道冷板内部的微通道板1和微通道间壁板2的盖 板3。

另一方面，本发明实施例还提供了一种电子设备。所述电子设备包括发 热部件401，发热部件401上附着有如上任一实施例所述的微通道冷板402。 所述微通道冷板402在所述电子设备中的结构和所起到的作用与前述相同， 此处不再赘述。

又一方面，本发明实施例提供了一种微通道冷板的制作方法。如图5所 示，所述微通道冷板的制作方法包括：

步骤1：将其上预先形成有至少两个微通道11的多个微通道母板501、 和其上预先形成有与至少两个微通道11相对应的开孔结构21的多个微通道 间壁母板502交错排列，使每个微通道11和与其相对应的开孔结构21位置 相对。

一个微通道母板501切割后可以形成多个上述微通道板1，一个微通道 间壁母板502切割后可以形成多个上述微通道间壁板2。

可以知道的是，将多个微通道母板501和多个微通道间壁母板502交错 排列后二者之间的间距很小，几乎呈微米级别，因此在排列后的微通道母板 501和微通道间壁母板502上分别加工出微通道11和开孔结构21是非常困 难的。因此选择在步骤1之前，在微通道母板501上预先制作出多个微通道 11，并在微通道间壁母板502上预先制作出与每个微通道11相对应的开孔 结构21。需要注意的是，微通道11和开孔结构21的制作顺序不分先后。

在本实施例中，是对每个微通道母板501进行冲孔工艺，以去除材料的 方式在每个微通道母板501上形成至少两个微通道11。但并不局限于此，在 本发明的其他实施例中，还可以对每个所述微通道母板进行折弯工艺，以在 每个所述微通道母板上形成凹陷状的至少两个微通道。

而且，在微通道板1上预先形成至少两个微通道11之前、之后或同时， 还可以在每个微通道母板501上以及每个微通道间壁母板502上形成至少两 个定位孔504，每个微通道母板501以及每个微通道间壁母板502借助定位 孔504整齐地交错排列在一起。

步骤2：将交错排列好的多个微通道母板501和多个微通道间壁母板502 焊接在一起。

在步骤2中，可以使用真空扩散焊将交错排列好的多个微通道母板501 和多个微通道间壁母板502焊接在一起。此外，在将交错排列好的多个微通 道母板501和多个微通道间壁母板502焊接在一起的同时，还可以在最外侧 的微通道母板501或微通道间壁母板502的外侧焊接盖板503，以保护其内 部的微通道母板501和微通道间壁母板502。

步骤3：以使单个微通道冷板包括每个微通道母板501上的一个微通道 11的方式，对焊接在一起的多个微通道母板501和多个微通道间壁母板502 进行切割，形成多个独立的所述单个微通道冷板505。

在步骤3中，可以使用电火花切割对焊接在一起的多个微通道母板501 和多个微通道间壁母板502进行切割。步骤3中为了清楚地显示焊接在一起 的多个微通道母板501和多个微通道间壁母板502的内部结构，省略了其前 部的盖板。

步骤3中的切割线如图5中的虚线所示。沿虚线切割后形成的单个微通 道冷板可以参见图5、也可以参见图1。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的 保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改 进等均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种具有开孔间壁的微通道冷板，其特征在于，包括交错排列的多个微通道板和多个微通道间壁板，每个所述微通道板上均形成有一个微通道，所述微通道位于相邻两个微通道间壁板之间，并且部分或全部所述微通道间壁板上形成有开孔结构，所述开孔结构在所述通道间壁板上的位置与所述微通道在所述微通道板上的位置相对应；

所述微通道间壁板上的开孔结构包括多个开孔，所述多个开孔交错分布。

2.根据权利要求1所述的具有开孔间壁的微通道冷板，其特征在于，所述开孔结构中的多个开孔在单个所述微通道间壁板的宽度方向上排列为至少一排。

3.根据权利要求1所述的具有开孔间壁的微通道冷板，其特征在于，所述微通道冷板的材料选用导热金属材料。

4.根据权利要求3所述的具有开孔间壁的微通道冷板，其特征在于，所述导热金属材料包括紫铜、铝及其合金。

5.根据权利要求1所述的具有开孔间壁的微通道冷板，其特征在于，所述开孔结构中的单个开孔的形状为圆形、椭圆形、矩形、人字形或多边形。

6.根据权利要求1所述的具有开孔间壁的微通道冷板，其特征在于，所述微通道是指当量直径在10-1000um的通道。

7.根据权利要求1所述的具有开孔间壁的微通道冷板，其特征在于，沿微通道冷板的宽度方向，还设有覆盖所述微通道板和所述微通道间壁板的盖板。

8.一种电子设备，包括发热部件，所述发热部件上附着有如权利要求1-7任一项所述的具有开孔间壁的微通道冷板。

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