CN110148589A - 芯片组件以及基于脉管微通道的芯片制冷装置 - Google Patents

芯片组件以及基于脉管微通道的芯片制冷装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种芯片组件以及基于脉管微通道的芯片制冷装置，与两个外部换热机构相连接，包括芯片本体，具有散热面；以及具有贴合面的盖板，贴合面贴合在散热面上，散热面上设有n条相互平行间隔的第一沟槽，贴合面上设有与n条第一沟槽相对应且形状相匹配的n条第二沟槽，n条第二沟槽和n条第一沟槽分别相对应地形成n条脉管微通道，脉管微通道的两端用于分别与两个换热机构相连接且连通，用于将芯片本体的热量向换热机构传递，n为大于50的正整数。本发明能够大大提高基于脉管微通道的芯片制冷装置对芯片本体的制冷效果，且兼具稳定性好，制冷效率高以及结构简单紧凑的优点。

Description

芯片组件以及基于脉管微通道的芯片制冷装置
技术领域
本发明属于低温制冷领域，具体涉及一种芯片组件以及基于脉管微通道的芯片制冷装置。
背景技术
随着工业的不断发展，电子系统朝向微型化，集成化发展的速度越来越快，而由此产生的电子芯片的散热问题亦愈发凸显，电子芯片尤其是大功率的电子芯片的散热问题若不得到很好的处理，将会使得芯片内部温度过高而导致其故障率高，在我国国防科工局发布的国防基础科研计划中提出了军事电子装备向小型化、高精度发展的需求，其中包括红外探测器芯片垂直3D集成工艺技术，故芯片的冷却技术越来越引起国内的重视。
传统芯片散热方式分为主动式和被动式，其中主动式散热包括强制对流散热、蒸汽压缩式制冷及热电制冷等，被动式散热主要包括自然对流散热和相变储热散热。
强制对流散热中又叫液体冷却，包括微通道液体冷却、液体喷雾冷却和液体喷射冷却。液体喷雾冷却具有冷却液流量小、温度分布均匀、过热度低等优点，同时具有喷嘴易堵塞，换热机理较复杂等缺点，在系统紧凑化、换热强化和可靠性等方面有待提高。喷射冷却是大功率电子设备散热技术中最具发展前景的技术之一，换热极强。但也具有冷却不均匀、换热复杂等缺点。
蒸汽压缩式制冷可靠性高，COP高，效率最高，可在较高温度下工作。缺点是占用较大的散热空间，系统稳定性受到压缩机等部件影响，系统微型化导致结构复杂和成本提高。
热电制冷可消除局部热点，稳定性、可靠性好、结构简单，但制冷效率和制冷量低。
相变储热散热的优点是储热密度高、温度波动小、系统简单、操作方便，存在的问题有相变材料封装问题、相变材料热导率普遍偏低、安装和接触热阻问题、各向异性传热问题。
综上，上述技术都有各自的不足，无法兼具稳定性好，制冷效率高以及结构简单紧凑的优点。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供了芯片组件以及基于脉管微通道的芯片制冷装置，兼具了稳定性好，制冷效率高及结构简单紧凑的优点。
为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
<方案一>
本发明提供了一种芯片组件，与两个外部换热机构相连接，具有这样的特征，包括：芯片本体，具有散热面；以及盖板，具有贴合面，贴合面贴合在散热面上，其中，散热面上设有n条相互平行间隔的第一沟槽，贴合面上设有与n条第一沟槽相对应且形状相匹配的n条第二沟槽，n条第二沟槽和n条第一沟槽分别相对应地形成n条脉管微通道，脉管微通道的两端用于分别与两个换热机构相连接且连通，用于将芯片本体的热量向换热机构传递，n为大于50的正整数。
在本发明提供的芯片组件中，还可以具有这样的特征：其中，第一沟槽和第二沟槽的横截面形状均为半圆形。
在本发明提供的芯片组件中，还可以具有这样的特征：其中，第一沟槽和第二沟槽的沟槽直径均相等且均为1μm-100nm，多个第一沟槽的间距均相等且均为沟槽直径的1/3-1/5，多个第二沟槽的间距均相等且均为沟槽直径的1/3-1/5。
<方案二>
本发明提供了一种基于脉管微通道的芯片制冷装置，具有这样的特征，包括：压缩机，用于容纳工质气体并使工质气体发生震荡；两个换热机构，一个换热机构作为主换热机构，另一个换热机构作为次换热机构；以及芯片组件，和两个换热机构分别相连接，其中，芯片组件为<方案一>的芯片组件，主换热机构的一端设置在压缩机上，包含依次连通的主冷却器和回热器，次换热机构的一端设置芯片组件的另一端上，包含依次连通的装置端脉管单元和次冷却器，装置端脉管单元含有n个装置端脉管微通道，n个脉管微通道的一端均与回热器连通，n个脉管微通道和n个装置端脉管微通道的横截面形状相同且相匹配，n个脉管微通道的另一端和n个装置端脉管微通道对应连通。
在本发明提供的一种基于脉管微通道的芯片制冷装置中，还可以具有这样的特征，还包括：调相机构，设置在次换热机构的另一端上，用于使振荡工质气体的压力波和速度波的相位一致。
在本发明提供的基于脉管微通道的芯片制冷装置中，还可以具有这样的特征：其中，工质气体为氦气、氩气以及氮气任意一种。
在本发明提供的基于脉管微通道的芯片制冷装置中，还可以具有这样的特征：其中，主冷却器和次冷却器相同且长度范围均在1cm-1.5cm，在主冷却器和次冷却器内均沿长度方向设置有多层相互平行重叠的第一金属网。
在本发明提供的基于脉管微通道的芯片制冷装置中，还可以具有这样的特征：其中，第一金属网的材质为紫铜且目数范围在120-200目，第一金属网在主冷却器和次冷却器内的分布密度均为5-10层/mm。
在本发明提供的基于脉管微通道的芯片制冷装置中，还可以具有这样的特征：其中，回热器的长度范围在2cm-3cm，在回热器内沿长度方向设置有多层相互平行重叠的第二金属网。
在本发明提供的基于脉管微通道的芯片制冷装置中，还可以具有这样的特征：其中，第二金属网的材质为不锈钢且目数范围在300-400目，第二金属网在回热器内的分布密度为10-15层/mm。
发明的作用与效果
根据本发明所涉及芯片组件以及基于脉管微通道的芯片制冷装置的芯片组件，与两个外部换热机构相连接，因为包括芯片本体，具有散热面；以及具有贴合面的盖板，贴合面贴合在散热面上，散热面上设有n条相互平行间隔的第一沟槽，贴合面上设有与n条第一沟槽相对应且形状相匹配的n条第二沟槽，n条第二沟槽和n条第一沟槽分别相对应地形成n条脉管微通道，脉管微通道的两端用于分别与两个换热机构相连接且连通，用于将芯片本体的热量向换热机构传递，n为大于50的正整数。所以，本发明的芯片组件配合基于脉管微通道的芯片制冷装置使用能够大大提高基于脉管微通道的芯片制冷装置对芯片本体的制冷效果，且兼具稳定性好，制冷效率高以及结构简单紧凑的优点。
附图说明
图1是本发明的实施例中芯片组件以及基于脉管微通道的芯片制冷装置结构示意图；
图2是本发明的实施例中主换热机构分解安装示意图；
图3是本发明的实施例中第一金属网的结构示意图；以及
图4是本发明的实施例中脉管微通道与装置端脉管微通道的连接处示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明的芯片组件以及基于脉管微通道的芯片制冷装置作具体阐述。
图1是本发明的实施例中芯片组件以及基于脉管微通道的芯片制冷装置结构示意图。
如图1所示，在本实施例中，一种基于脉管微通道的芯片制冷装置100包括压缩机10、换热机构、芯片组件40以及调相机构50。
压缩机11，具有输入口与输出口(附图中均未标出)，输入口(附图中未标出)与外部工质气体输送装置(附图中未标出)连通，用于容纳从外部工质气体输送装置(附图中未标出)通入的工质气体并通过反复对工质气体压缩做功使工质气体发生震荡，再经由输出口(附图中未标出)排出；工质气体为氦气、氩气以及氮气任意一种。在本实施例中，工质气体优选为氦气。
两个换热机构，一个换热机构作为主换热机构20，另一个换热机构作为次换热机构30。
图2是本发明的实施例中主换热机构分解安装示意图，图3是本发明的实施例中第一金属网的结构示意图。
如图2、图3所示，主换热机构20包括依次连通的第一连接管道21、主冷却器22以及回热器23。
第一连接管道21的一端与压缩机10的输出口(附图中未标出)连通用于作为工质气体的流通通路，并能适合两端与外部的连接。
第一连接管道21的两端的大小形状不同，均具有根据其对应连接部件连接需求的形状。
主冷却器22的一端与连通管道21的另一端形状吻合且连通，主冷却器22形状呈长方体状壳体结构，长度为1cm-1.5cm，在主冷却器22内沿长度方向设置有多层相互平行重叠的第一金属网221。第一金属网221的材质为紫铜且目数范围在120-200目，第一金属网221的边缘与主冷却器22的内壁贴合且在主冷却器22中的分布密度为5-10层/mm。在本实施例中，主冷却器22长度优选为1.5cm，第一金属网221目数优选为150目，第一金属网221在主冷却器22中的分布密度为7层/mm。
回热器23的一端与主冷却器22的的另一端连通，回热器23形状呈长方体状壳体结构，长度范围在2cm-3cm，在回热器23内沿长度方向设置有多层相互平行重叠的第二金属网231，第二金属网231与第一金属网221大小形状相同，第二金属网231的材质为不锈钢且目数范围在300-400目，第二金属网231的边缘与回热器23的内壁贴合且在回热器23中的分布密度为10-15层/mm。在本实施例中，回热器23长度优选为2.5cm，第二金属网231目数优选为325目，第二金属网231在回热器23中的分布密度为13层/mm。
图4是本发明的实施例中脉管微通道与装置端脉管微通道的连接处示意图。
如图1、图4所示，芯片组件40的一端与回热器23的另一端连接且连通，包括芯片本体41和盖板42。
芯片本体41为长方体，具有散热面(附图中未标出)，散热面上设有n条相互平行间隔的第一沟槽411。第一沟槽411为通槽结构，n条第一沟槽411的横截面大小形状均相等且为半圆形，n条第一沟槽411直径均相等且在1μm-100nm范围内，并且n条第一沟槽411的间距均相等且均为沟槽直径的1/3-1/5。在本实施例中，n条第一沟槽411直径均相等且均为10nm，n条第一沟槽411的间距均相等且均为其直径的1/3。n为大于50的正整数。
盖板42为长方体，具有贴合面(附图中未标出)。
贴合面(附图中未标出)的大小形状与散热面(附图中未标出)相同，贴合面(附图中未标出)贴合在散热面(附图中未标出)上并且贴合面(附图中未标出)的边缘与散热面(附图中未标出)的边缘平齐。
贴合面(附图中未标出)上设有与n条第一沟槽411相对应且形状相匹配的n条第二沟槽421，第二沟槽421为通槽结构，n条第二沟槽421的横截面大小形状均相等且为半圆形，n条第二沟槽421直径均在1μm-100nm范围内，并且n条第二沟槽421的间距均相等且均为沟槽直径的1/3-1/5。在本实施例中，n条第二沟槽421直径均相等且均为10nm，n条第二沟槽421的间距均相等且均为其直径的1/3。
n条第二沟槽421和n条第一沟槽411分别相对应地形成n条脉管微通道。
n条脉管微通道的一端用于与回热器23相连接且连通。
次换热机构30的一端设置芯片组件40的另一端上，包含依次连通的装置端脉管单元33、次冷却器32以及第二连接管道31。工质气体依次通过主换热机构20、芯片组件40以及次换热机构30，n条脉管微通道用于通过工质气体将芯片本体41产生的热量向主换热机构20和次换热机构30传递，然后工质气体在主换热机构20和次换热机构30再将热量通过对外换热发散掉。
装置端脉管单元33为含有n个装置端脉管微通道331的实体，n个装置端脉管微通道331平行设置且贯穿装置端脉管单元33，n个装置端脉管微通道331的长径比均相等且范围均为400-700。在本实施例中，n个装置端脉管微通道331的长径比均相等且均为550。
n个脉管微通道和n个装置端脉管微通道331的横截面形状相同且相匹配，n个脉管微通道的另一端和n个装置端脉管微通道331对应连通。在本实施例中，在装置端脉管单元33的一端端面上设置与芯片本体40形状相匹配的凹槽，然后将芯片本体40的另一端插入此凹槽从而使得n个脉管微通道的另一端和n个装置端脉管微通道331对应连通。
次冷却器32与主冷却器22大小形状相同且与装置端脉管单元33连接并连通，次冷却器32的一端与n个装置端脉管微通道331的另一端均连通，在次冷却器32内沿长度方向也设置有多层相互平行重叠的第一金属网221。第一金属网221的材质为紫铜且目数范围在120-200目，第一金属网221的边缘与次冷却器32的内壁贴合且在次冷却器32中的分布密度为5-10层/mm。在本实施例中，次冷却器32的长度优选为1.5cm，第一金属网221目数优选为150目，第一金属网221在次冷却器32中的分布密度为7层/mm。
第二连接管道31的一端与次冷却器32相连且连通，用于作为工质气体的流通通路。
调相机构50具有输出端，输出端与第二连接管道31的另一端相连接，用于使振荡工质气体的压力波和速度波的相位一致进而使得工质气体具有更好的制冷效果。
实施例的作用与效果
根据本实施例所涉及芯片组件以及基于脉管微通道的芯片制冷装置，与两个外部换热机构相连接，因为包括芯片本体，具有散热面；以及具有贴合面的盖板，贴合面贴合在散热面上，散热面上设有n条相互平行间隔的第一沟槽，贴合面上设有与n条第一沟槽相对应且形状相匹配的n条第二沟槽，n条第二沟槽和n条第一沟槽分别相对应地形成n条脉管微通道，脉管微通道的两端用于分别与两个换热机构相连接且连通，用于将芯片本体的热量向换热机构传递，n为大于50的正整数。所以，本实施例的芯片组件配合基于脉管微通道的芯片制冷装置使用能够大大提高基于脉管微通道的芯片制冷装置对芯片本体的制冷效果，且兼具稳定性好，制冷效率高以及结构简单紧凑的优点。
此外，因为第一沟槽和第二沟槽的横截面形状均为半圆形，并且第一沟槽和第二沟槽的沟槽直径均相等且均为1μm-100nm，多个第一沟槽的间距均相等且均为沟槽直径的1/3-1/5，多个第二沟槽的间距均相等且均为沟槽直径的1/3-1/5。所以，n条脉管微通道的总体占用空间小且能够通过光刻技术刻在在芯片本体的散热面上，使得基于脉管微通道的芯片制冷装置的结构更为紧凑且实现容易。
此外，因为主冷却器和次冷却器相同且长度范围均在1cm-1.5cm，在主冷却器和次冷却器内均沿长度方向设置有多层相互平行重叠的第一金属网。第一金属网的材质为紫铜且目数范围在120-200目，第一金属网在主冷却器和次冷却器内的分布密度均为5-10层/mm。回热器的长度范围在2cm-3cm，在回热器内沿长度方向设置有多层相互平行重叠的第二金属网。第二金属网的材质为不锈钢且目数范围在300-400目，第二金属网在回热器内的分布密度为10-15层/mm。所以能够使得主换热机构和次换热机构具有极佳的换热效果进而大大提高基于脉管微通道的芯片制冷装置的制冷效果。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围，本领域普通技术人员在所附权利要求范围内不需要创造性劳动就能做出的各种变形或修改仍属本专利的保护范围。
例如，在本实施例中的脉管微通道与装置端脉管微通道横截面的形状均为圆形，但在实际运用中，脉管微通道与装置端脉管微通道横截面的形状也可均为矩形、三角形。

Claims (10)

1.一种芯片组件，与两个外部换热机构相连接，其特征在于，包括：
芯片本体，具有散热面；以及
盖板，具有贴合面，该贴合面贴合在所述散热面上，
其中，所述散热面上设有n条相互平行间隔的第一沟槽，
所述贴合面上设有与所述n条第一沟槽相对应且形状相匹配的n条第二沟槽，
所述n条第二沟槽和所述n条第一沟槽分别相对应地形成n条脉管微通道，
所述脉管微通道的两端用于分别与两个所述换热机构相连接且连通，用于将所述芯片本体的热量向所述换热机构传递，
所述n为大于50的正整数。
2.根据权利要求1所述的芯片组件，其特征在于：
其中，所述第一沟槽和所述第二沟槽的横截面形状均为半圆形。
3.根据权利要求1所述的芯片组件，其特征在于：
其中，所述第一沟槽和所述第二沟槽的沟槽直径均相等且均为1μm-100nm，多个所述第一沟槽的间距均相等且均为所述沟槽直径的1/3-1/5，多个所述第二沟槽的间距均相等且均为所述沟槽直径的1/3-1/5。
4.一种基于脉管微通道的芯片制冷装置，其特征在于，包括：
压缩机，用于容纳工质气体并使该工质气体发生震荡；
两个换热机构，一个所述换热机构作为主换热机构，另一个所述换热机构作为次换热机构；以及
芯片组件，和所述两个换热机构分别相连接，
其中，所述芯片组件为权利要求1-3中所述的芯片组件，
所述主换热机构的一端设置在所述压缩机上，包含依次连通的主冷却器和回热器，
所述次换热机构的一端设置所述芯片组件的另一端上，包含依次连通的装置端脉管单元和次冷却器，
所述装置端脉管单元含有n个装置端脉管微通道，
n个所述脉管微通道的一端均与所述回热器连通，
n个所述脉管微通道和n个所述装置端脉管微通道的横截面形状相同且相匹配，n个所述脉管微通道的另一端和n个所述装置端脉管微通道对应连通。
5.根据权利要求4所述的基于脉管微通道的芯片制冷装置，其特征在于，还包括：
调相机构，设置在所述次换热机构的另一端上，用于使所述振荡工质气体的压力波和速度波的相位一致。
6.根据权利要求4所述的基于脉管微通道的芯片制冷装置，其特征在于：
其中，所述工质气体为氦气、氩气以及氮气任意一种。
7.根据权利要求4所述的基于脉管微通道的芯片制冷装置，其特征在于：
其中，所述主冷却器和所述次冷却器相同且长度范围均在1cm-1.5cm，
在所述主冷却器和所述次冷却器内均沿长度方向设置有多层相互平行重叠的第一金属网。
8.根据权利要求7所述的基于脉管微通道的芯片制冷装置，其特征在于：
其中，所述第一金属网的材质为紫铜且目数范围在120-200目，所述第一金属网在所述主冷却器和所述次冷却器内的分布密度均为5-10层/mm。
9.根据权利要求4所述的基于脉管微通道的芯片制冷装置，其特征在于：
其中，所述回热器的长度范围在2cm-3cm，
在所述回热器内沿长度方向设置有多层相互平行重叠的第二金属网。
10.根据权利要求9所述的基于脉管微通道的芯片制冷装置，其特征在于：
其中，所述第二金属网的材质为不锈钢且目数范围在300-400目，所述第二金属网在所述回热器内的分布密度为10-15层/mm。
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