CN110342454B - 一种惯性导航模块散热装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种惯性导航模块散热装置，属于流体散热技术领域，包括：采用花洒式多流道混合冲击散热结构的微通道散热器、微型泵、出液管、与每一芯片分别对应的若干分流管、设置于每一分流管上的多通道流体控制阀、回流腔和散热翅片；微通道散热器与惯性导航芯片的PCB板之间具有导热涂层；经回流腔和散热翅片冷却的散热工质被微型泵抽出，经出液管进入多通道流体控制阀，多通道流体控制阀基于芯片的实时温度改变分流管的工质流量，冷却后的散热工质经分流管导入微通道散热器，在吸收了芯片热量后进入回流腔，构成散热回路。本发明能够实现对惯性导航模块上的不同区域进行智能化的散热。

Description

一种惯性导航模块散热装置

技术领域

本发明涉及流体散热技术领域，尤其涉及一种惯性导航模块散热装置。

背景技术

陀螺仪(又称角运动检测器)是一种利用角动量守恒特性获取运动物体精确方位的仪器，它是现代航空航天和国防工业中广泛使用的一种惯性导航备件，其在现代无人机或反无人机的飞控系统中被广泛应用，具有十分重要的战略意义。一般来说，陀螺仪和加速度计等惯性导航组件会与其他类型的芯片，如高性能LDO电源芯片、高性能Cortex-Mo内核处理器和高集成MEMS传感器芯片等，封装于同一块PCB板上制成惯性导航模块。但随着芯片集成度的提高，芯片发热量也越来越大。一般来说，电子元器件的工作温度为70～80℃，每增加1℃，其可靠性就会降低5％，由此可见，惯性导航模块的散热效果会对其性能可靠性造成巨大影响。

现有技术中散热技术主要包括风冷、液冷以及风冷+液冷组合这三种方式；但是由于惯性导航模块的集成度较高，其几何尺寸可以在15mm*15mm*2mm之内，因此无法应用风冷散热；进一步地，一方面，在惯性导航模块的集成过程中，各芯片之间还设置有电容、接口走线等其他元件，无法采用整块微通道冷板与PCB板相连接布局的散热方案；另一方面，惯性导航模块中的各个芯片在工作时的发热量各不相同，但现有技术并没有根据各个芯片的散热量进行针对化的微通道散热设计，如申请号为201510109891.9的专利方案，其公开了一种并联式平行微通道多芯片散热器，又如申请号为201610851729.9的专利，其公开了一种用于高热流密度芯片的微通道液冷散热器及导冷插件，在上述两种方案中，其对于微通道散热器的散热设计都是以发热量最大的部位来设定流量、压力等参数，这样会增加泵体的尺寸，使散热结构不紧凑，对于发热量很小的地方就会造成浪费，因此反而降低了散热能效比。

发明内容

针对现有技术中惯性导航模块散热效果难度大，效果不好的问题，本发明提供一种惯性导航模块散热装置，可以采取流量-压力控制的并联式独立散热方式应对惯性导航模块不同位置上不同的散热需求，实现高效、智能、安全地为加速度计、陀螺仪等惯性导航模块进行散热。

本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：

本发明公开一种惯性导航模块散热装置，包括：微通道散热器、微型泵、出液管、与每一芯片分别对应的若干分流管、设置于每一分流管上的多通道流体控制阀、回流腔和散热翅片；微通道散热器由相互贴合的盖板和冷板构成，冷板采用由入液口、微通道、储液舱和回流口构成的花洒式多流道混合冲击散热结构；微通道散热器与惯性导航芯片的PCB板之间具有导热涂层；经回流腔和散热翅片冷却的散热工质(即导热液)被微型泵抽出，经出液管进入多通道流体控制阀，多通道流体控制阀基于芯片的实时温度改变分流管的工质流量，冷却后的散热工质经分流管导入微通道散热器，在吸收了芯片热量后进入回流腔，构成散热回路。

进一步地，分流管中的散热工质由入液口导入储液舱，再经微通道加压穿过盖板与所述导热涂层进行热交换，最后经回流口汇入所述回流腔。

进一步地，微通道的通道直径小于0.5mm，微通道的高度小于等于2mm，微型泵为单通道微型泵。

进一步地，冷板由铜材料制成，冷板厚度大于微通道高度。

进一步地，冷板上还设置有外径包裹所有微通道的凹槽，用于放置密封圈防止散热工质漏出。

进一步地，导热涂层为石墨烯复合材料导热层。

进一步地，多通道流体控制阀改变分流管的工质流量的过程，具体包括：

多通道流体控制阀具有用于接收工质流量控制信息的通信接口，控制信息基于芯片的实时温度以及分流管的实时工质流量被发出；

多通道流体控制阀基于芯片的实时温度转动阀体内部转子，改变阀体开口大小，直至分流管的实时工质流量达到预设的期望值。

进一步地，多通道流体控制阀为全自动两位三通阀。

采用上述方案后，本发明的有益效果如下：

1、本发明方案采用流量-压力控制的并联式独立散热方式应对惯性导航模块不同位置上不同的散热需求，实现高效、智能、安全地为加速度计、陀螺仪等惯性导航模块进行散热。

2、本发明方案在微通道散热器与芯片之间设置有石墨烯复合材料导热层，充分发挥利用石墨涂层的超高水平横向导热率，可将局部高温迅速扩散，增大散热表面积，进一步提高散热效率。

3、本发明方案的微通道散热器设置有紧凑小型的花洒式微通道散热结构，通过微通道加压能有效使散热工质冲击散热区域，加强散热性能，并且针对不同发热量的区域采用不同的微通道参数设计，散热能效比好。

4、本发明方案的芯片PCB板与散热装置之间构成上下式布局，减小了散热系统的整体尺寸，使散热装置安装起来方便可靠。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的惯性导航模块散热装置组成示意图；

图2为本发明实施例提供的微通道散热器、石墨烯涂层材料和惯性导航芯片PCB板相连接的爆炸示意图；

图3为本发明实施例提供的包含有花洒式散热结构的冷板示意图；

图4为本发明实施例提供的花洒式散热结构放大图；

图5为本发明实施例提供的微通道散热器与惯性导航芯片PCB板连接后的结构的剖面图；

图6为本发明实施例提供的散热工质流动示意图；

图7为本发明实施例提供的工质流量分配示意图。

图中标记：1-PCB板连接孔，2-芯片，3-石墨散热片，4-芯片PCB板，5-盖板，6-冷板，6-1-冷板连接孔，7-微型泵，8-出液管，9-分流管，10-多通道流体控制阀，11-装置外壳，12-回流腔，13-支架，14-散热翅片，15-凹槽，16-微通道，17-入液口，18-回流口，19-储液舱，20-导热涂层，21-通信接口，A-花洒式散热结构。

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用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

下面结合附图和实施例对本发明实施例作详细说明。

如图1所示，本发明公开一种用于惯性导航模块的散热装置，主要由相互贴合的盖板5和冷板6构成的微通道散热器、微型泵7、出液管8、若干分流管9、多通道流体控制阀10、回流腔12和散热翅片14构成；微通道散热器与惯性导航芯片PCB板4贴合，基于散热器中的液冷工质吸收芯片热量。

可以理解地，微通道散热器与惯性导航芯片PCB板4的大小相近(微通道散热器面积最好略大于PCB板)，微通道散热器和PCB板4上都设置有连接孔1，并基于穿过连接孔的螺丝进行固定。在没有螺丝和连接孔的其他地方，可以用玻璃胶等黏合剂进行固定，保证微通道散热器与惯性导航芯片之间的热传递效率。

可以理解地，本发明实施例中，热循环过程如下：一般来说，微通道散热器中注有用于吸收芯片热量的散热工质，散热工质在进行热交换之后汇入回流腔12，并经过散热翅片14进行冷却；冷却后的散热工质被微型泵7抽出，经过出液管8进入多通道流体控制阀10；多通道流体控制阀基于芯片的实时温度改变通往各芯片散热位置的分流管9的工质流量，将冷却后的散热工质经分流管9导入微通道散热器中；散热工质在吸收了芯片热量后再次汇入回流腔，从而构成完整的循环散热回路。

由图1可见，本发明实施例的装置具有一个槽体外壳11，除了微通道散热器和芯片PCB板以外的其他部件被设置在槽体外壳11的底板上，在槽体外壳11内部还设置有支架13。可以理解地，PCB板在装配时被朝外向放置，从而使微通道散热器与支架13之间可以通过螺丝等方式进行固定。

由此可见，本发明实施例中的芯片PCB板与整个散热装置之间构成了上下式布局，这样能减小散热系统的整体尺寸，使散热装置安装起来方便可靠。

进一步地，为了实现更好的热传递效果，本发明实施例中，在微通道散热器与惯性导航芯片PCB板4之间具有导热涂层。如图2的爆炸图所示，本发明实施例中，在芯片PCB板4与散热器盖板5之间设置有一块面积略小于冷板宽度的石墨烯复合材料导热层20。

进一步地，石墨烯复合材料导热层20的厚度应小于等于1mm，太厚的话反而会阻碍散热性能，此处不再赘述。

可以理解地，如图1所示，可以同时在惯用导航芯片表面上放置1mm厚的石墨散热片3，实现在芯片与散热器的非接触面上散热，此处不再赘述。

进一步地，本发明实施例中，微通道散热器的冷板6采用一种复杂的花洒式多流道混合冲击散热结构对芯片进行散热。如图3所示包含有花洒式散热结构的冷板示意图，图中标记A的圆形区域即是一个花洒式散热结构。该花洒式散热结构的设置应与PCB板4上的每一芯片的散热位置相对应。此处以惯性导航模块为例，模块PCB板上往往至少含有三个芯片，分别是高性能LDO电源芯片、高性能Cortex-Mo内核处理器和高集成MEMS传感器芯片，因此在散热器冷板上就要针对这三个芯片的位置设置花洒式散热结构，例如，将高性能LDO电源芯片散热结构的微通道直径设置为0.5mm，将高性能Cortex-Mo内核处理器散热结构的微通道直径设置为0.4mm，将高集成MEMS传感器芯片散热结构的微通道直径设置为0.3mm。

进一步地，如图4所示图3中A区域花洒式散热结构的放大图，可见该结构中具有覆盖整面的微通道。在使用时，散热工质经微通道导出到达散热位置，由于通经较小，可以显著增加散热冲击力和流量，并且微通道在立体方向增加导热面积，从而获取更好的散热效果。

进一步地，如图5所示散热器冷板的剖面图，图中标记B-B所表示的圆形区域表示冷板及其散热结构的截面，可见本发明实施例中的花洒式散热结构主要由入液口17、微通道16、储液舱19和回流口18组成，并且在冷板6上还设置有外径包裹所有微通道的凹槽15。此处凹槽15的作用在于可以置入密封圈，防止散热工质漏出，增强散热系统安全性。

进一步地，如图6所示图5中标记B-B区域的放大图，其示出了散热工质在散热器中的流动方向。具体来说，在本发明实施例中，各个分流管中的散热工质由入液口17导入储液舱19，再经微通道16加压穿过盖板5与导热涂层20进行热交换，最后经回流口18汇入散热器外部的回流腔12。

可以理解地，本发明实施例中的冷板采用铜材料制成，冷板内部的微通道可以与冷板为同一材质，也可以是非同材质。可选地，冷板和微通道可以选择的其他材料，包括聚甲基丙烯酸甲酯、镍、不锈钢、陶瓷、硅、氮化硅和铝等。以采用镍材料的微通道散热器为例，其单位体积工质的传热性能比聚合体材料散热器高出5倍，单位质量工质的传热性能提高50％；而采用硅、氮化硅等材料可制造结构更为复杂的多层结构，通过各向异性的蚀刻过程可完成可制造出各种结构和尺寸的散热器，此处不再赘述。

可以理解地，不能发明实施例职工对应不同芯片的花洒式散热结构其大小和微通道参数也不同，这是针对不同芯片位置的发热量不同所作出的动态调整，有助于提升散热能效比。具体地，为了获取优秀的散热效果，本发明实施例中的微通道的通道直径皆小于0.5mm，微通道的高度皆小于等于2mm。

可以理解地，由于水具有除氢和铝以外最好的热容量，因此本发明实施例中的散热工质为无杂质的纯净水。当然，也可以采用包括水和各种醇化物等组份构成的散热液，此处不再赘述。

可以理解地，本发明实施例的方案可以针对同一PCB板上不同芯片的散热需求进行工质流量控制，具体地，是基于芯片实时温度和分流管实时流量采取流量-压力控制的并联式独立散热方式。

可以理解地，此处对于温度和流量可以采用传感器进行采集，例如，在芯片周围设置TMP35芯片温度传感器进行温度采集，或在分流管中设置YF-S401流量传感器进行流量采集。采集到的温度和流量信息被输入至本发明实施例散热装置外部的微控制器，如STM32单片机及其外围放大驱动电路，微控制器通过CAN总线协议等方式控制多通道流体控制阀对工质流量进行。

如图7所示的流量分配示意图，可见本发明实施例中的多通道流体控制阀10上具有通信接口21以收取位于散热装置外部微处理器的控制信号，基于控制信号，多通道流体控制阀10控制自身内部的转子转动改变阀体输出通道的宽窄，从而对发送至分流管9中的散热工质流量和液压进行了改变。举例来说，当芯片在工作状态发热量激增时，多通道流体控制阀10控制输出最大，从而使对应该芯片的分流管9中散热流量变大；反之，当芯片停止工作一段时间后，芯片温度较低，多通道流体控制阀10控制分流管9中散热流量变小；于此同时，基于对工质的实时流量监测，当实时流量达到预设的期望效果时散热装置外部的微处理控制多通道流体控制阀停止工作。

此处应注意的是，由于本发明实施例中的工质一直处于内循环状态，因此即使芯片长时间不工作，处于温度较低的状态，多通道流体控制阀10也不应将通道完全关闭，否则在其他分流管流量较低时，可能会造成工质在回流腔中满溢的问题，此处不再赘述。

可以理解地，本发明实施例中，对应每一芯片都设置一路分流管和多通道流体控制阀，从而实现对PCB板上不同位置不同的发热量进行针对化的散热管理，这样可以有效提升散热能效比，提升散热效率，保障惯性导航组件的性能温定。

可以理解地，本发明实施例中的微型泵为KPPXBR12型微型泵，多通道流体控制阀为3SV-01型全自动两位三通阀。可选地，也可以采用其他体积小巧的泵和控制阀门，此处不再赘述。

可以理解地，本发明实施例的散热装置除了惯性导航组件，也可以应用于其他领域和微电子电路PCB板的散热，此处不再赘述。

需要说明的是：本发明实施例所记载的技术方案之间，在不冲突的情况下，可以任意组合。

以上所述，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种惯性导航模块散热装置，其特征在于，包括：微通道散热器、微型泵(7)、出液管(8)、与每一芯片分别对应的若干分流管(9)、设置于每一分流管(9)上的多通道流体控制阀(10)、回流腔(12)和散热翅片(14)，微通道散热器由相互贴合的盖板(5)和冷板(6)构成，冷板(6)采用由入液口(17)、微通道(16)、储液舱(19)和回流口(18)构成的花洒式多流道混合冲击散热结构；微通道散热器与惯性导航芯片的PCB板(4)之间具有导热涂层(20)；经回流腔(12)和散热翅片(14)冷却的散热工质被微型泵(7)抽出，经出液管(8)进入多通道流体控制阀(10)，多通道流体控制阀(10)基于芯片的实时温度改变分流管(9)的工质流量，冷却后的散热工质经分流管(9)导入微通道散热器，在吸收了芯片热量后进入回流腔(12)，构成散热回路；所述分流管(9)中的散热工质由入液口(17)导入储液舱(19)，再经微通道(16)加压穿过盖板(5)与所述导热涂层(20)进行热交换，最后经回流口(18)汇入所述回流腔(12)。

2.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于，所述微通道(16)的通道直径小于0.5mm，所述微通道(16)的高度小于等于2mm，所述微型泵(7)为单通道微型泵。

3.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于，所述冷板(6)由铜材料制成，冷板(6)厚度大于微通道(16)高度。

4.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于，所述冷板(6)上还设置有外径包裹所有微通道(16)的凹槽(15)，用于放置密封圈防止散热工质漏出。

5.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于，所述导热涂层(20)为石墨烯复合材料导热层。

6.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于，所述多通道流体控制阀(10)改变分流管(9)的工质流量的过程，具体包括：

所述多通道流体控制阀(10)具有用于接收工质流量控制信息的通信接口(21)，所述控制信息基于芯片的实时温度以及分流管(9)的实时工质流量被发出；

所述多通道流体控制阀(10)基于芯片的实时温度转动阀体内部转子，改变阀体开口大小，直至分流管(9)的实时工质流量达到预设的期望值。

7.根据权利要求6所述的散热装置，其特征在于，所述多通道流体控制阀(10)为全自动两位三通阀。

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