CN110636742B - 一种基于3d打印技术的仿鱼鳞型微通道及多层冷板安装架 - Google Patents

Abstract

该发明公开了一种仿鱼鳞型微通道散热器及采用该散热器的散热装置，涉及散热器技术领域。本发明散热结构的微通道冷板采用仿鱼鳞型结构，该仿鱼鳞型凸起结构前半部分选择星型结构，水平方向上所受压力小，后部分采用梭型结构，竖直的方向上能承受更大载荷，经过优化后将两结构结合使用，该冷板受力分布均匀。微通道冷板中的仿鱼鳞型凸起呈阵列型分布，采取了微小通道的设计，大大加强了液体流动的压强以及速度，同时，由于该型结构的叉分设计，使得相邻流道之间存有一定间隔，从而避免了局部区域压力过大以至破坏结构和均温设计，该结构使冷却液更加均匀地通过整个微通道冷板，针对相控阵T/R组件的散热，与单纯流道结构相比，散热能力更强，散热后的温度分布更均匀。

Description

一种基于3D打印技术的仿鱼鳞型微通道及多层冷板安装架

技术领域

本发明涉及散热器技术领域，具体来说是涉及相控阵T/R组件的仿生型三维微通道散热器设计安装。

背景技术

相控阵T/R组件是一个高度集中的电子元器件的集合，由于其尺寸和体积的限制，在小型化和密集化的要求下，器件的功率不断增加，因而其发热功率也会相应增加，使得正常工作时候的热流密度急剧上升^[2]。在相控阵T/R组件中，T/R组件是其重要的组成部分之一，同时也是整个相控阵T/R组件中主要的热量来源，其中的高功率放大器为T/R组件的主要发热器件。随着微电子工艺的进一步成熟，高功率放大器的发射功率大幅增加，带给整个T/R组件的散热压力愈发增强^[3]。

此外，功率放大器件的面积往往小于散热器面积，使得冷却板和热源器件的接触面积受到较大限制，造成热量集中严重，产生较大的温度梯度差，在接近热源的中心区域温度往往最高，具有非常大的热阻。相控阵T/R组件中包含大量的电子芯片，然而很多芯片的正常工作依赖于常温环境，对温度的变化非常敏感，当温度上升时，芯片的精度和工作状态都会出现非常大的影响，甚至会造成高温燃烧的严重后果，对整个T/R组件的正常功效造成不可逆损害。

散热器对设备的高效稳定运行起着关键性的作用，往往决定了设备的性能高低。3D打印技术，即激光快速成形技术(LRF)，是基于增材制造的概念，利用激光热源层层熔覆合金粉体从而实现复杂结构致密金属零件的快速、无模具的一体近终成形。采用3D打印技术成型微通道冷板，可实现从三维模型到实物的一体成型，其组织致密性超过铸造合金，不会出现液体泄漏问题，并且具有加工成型速度快成本低等特点，3D打印的散热器往往结构复杂，能够使所需散热的设备结构更加紧凑，并且实现一体化加工，具备很多传统加工方式所没有的优势。

在申请号为201310057042的专利《一种面向有源相控阵T/R组件的微通道冷板设计方法》中，公开了一种针对相控阵T/R组件的微通道冷板结构，该水冷散热板采用普通直线型流道，散热能力有限，整体安装结构简单，未考虑对于大型相控阵T/R组件的安装问题，也未考虑相控阵T/R组件的布线问题，采用一般化的加工方法实现制造，无法实现低成本下的批量生产。

发明内容

本发明面向相控阵T/R组件散热领域，针对现有技术的不足之处设计了一种针对相控阵T/R组件的仿鱼鳞型三维微通道散热器,并设计砖式子阵骨架结构实现了多层冷板的一体式安装，同时采用3D打印技术实现微通道散热器的一体化加工成型，进一步解决现有散热装置中热交换率低、散热慢等的问题。

为实现上述目的，现提供如下方案：一种仿鱼鳞型微通道散热器，该散热器由微通道冷板及盖板组成；所述微通道冷板在两侧分别开设有微通道的进水口和出水口；所述微通道冷板中设置用于冷却液流过的腔体，该腔体中部阵列设置有多个块状凸起，各块状凸起之间有间隙，所有块状凸起之间的间隙形成微通道，该微通道形状为鱼鳞状。

进一步的，所述微通道冷板对应腔体中每个块状凸起的中心位置上设置有一个上下贯通的通孔。

进一步的，所述微通道冷板腔体中每个块状凸起的俯视外轮廓包括四条弧形边且左右对称；下两条边弧形向内凹，上两条边弧形向外凸，且微通道冷板腔体中相邻块状凸起的相邻边凹凸配合，使微通道尺寸一致。进一步的，所述微通道冷板腔体中每个块状凸起的俯视外轮廓上两边形成箭头的指向为微通道内的水流方向。

进一步的，所述散热器采用3D打印一体成型。

一种采用仿鱼鳞型微通道散热器的散热装置，包括：散热器、泵、冷却器、安装架、连接管道，所述散热器、泵、冷却器通过连接管道连接组成冷却回路，所述安装架用于安装散热器；所述散热器的进水口和出水口分别设置于其所在侧的中间位置，散热器进水侧和出水侧的两边分别设置有定位孔；所述安装架包括结构完全镜像的进水侧和出水侧，所述安装架的进水侧或出水侧包括：多接口盲插水接头、背板，所述背板上设置有多层的安装槽；每层安装槽中间位置设置有进水口或出水口，两边设置有定位销；每层安装槽对应放置一个散热器；所述多接口盲插水接头的多接口侧的接口数量与背板上设置有多层的安装槽的层数相同。

进一步的，所述安装架进水侧或出水侧背板的四角设置有安装孔，通过细杆紧固安装有散热器的安装架进水侧和出水侧；所述散热器的进水口或出水口与安装架中安装槽的进水口或出水口之间设置O型密封圈。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明散热结构的微通道冷板采用仿鱼鳞型结构，该仿鱼鳞型凸起结构前半部分选择星型结构，水平方向上所受压力小，后部分采用梭型结构，竖直的方向上能承受更大载荷，经过优化后将两结构结合使用，该冷板受力分布均匀。微通道冷板中的仿鱼鳞型凸起呈阵列型分布，采取了微小通道的设计，大大加强了液体流动的压强以及速度，同时，由于该型结构的叉分设计，使得相邻流道之间存有一定间隔，从而避免了局部区域压力过大以至破坏结构和均温设计，该结构使冷却液更加均匀地通过整个微通道冷板，针对相控阵T/R组件的散热，与单纯流道结构相比，散热能力更强，散热后的温度分布更均匀，由温度分布云图可知：在流速2m/s，冷却液初始温度280K，结构初始温度320K，热源为65W时，散热后仿鱼鳞凸起部位的微通道的最大温度为314K，最小温度为309K，温差为5℃。另外，在整个散热器的仿鱼鳞型凸起的部位均开设有通孔，为相控阵雷达T/R组件的安装、布线及芯片的封装预留位置；

2、本发明针对多层冷板的一体式安装设计有砖式子阵骨架结构，在并联的多层冷板的进水总口和出水总口设计有多接口盲插水接头，通过定位销以及安装槽固定各叠层冷板，通过多接口盲插水接头使叠层微通道冷板同时流通冷却液，对大型相控阵T/R组件进行散热，大大提高了散热效率，同时，在安装架背板上开设有布线孔，为电子器件的线路布置预留位置，便于大型相控阵T/R组件的封装，冷板可以从安装架上拆卸下来，在后期维护以及模块升级的时候，便于结构设计的更改，有较大的发挥更改空间。

3、本发明采用3D打印技术一体加工该仿鱼鳞型微通道冷板，基于增材制造的概念，利用激光热源层层熔覆合金粉体从而实现该复杂结构致密金属零件的快速、无磨具的一体成型。该技术实现了从三维模型到实物的一体成型，组织致密性高过铸造合金，不会出现液体泄露问题，也不用考虑冷板和盖板的密封问题，实现了微通道冷板封闭腔的加工，大大提高了加工效率及批量生产。

附图说明

图1为本发明中散热器的结构示意图；

图2为本发明中散热器微通道冷板的结构示意图；

图3(a)、(b)为本发明中仿鱼鳞型微通道结构示意图；

图4为本发明中安装架结构示意图；

图5为本发明中装配结构示意图；

图6为本发明中散热器的系统结构示意图；

图7为本发明中散热器的温度云图；

图中标记：Ⅰ-热源、Ⅱ-散热器、Ⅲ-循环液体冷却器、Ⅳ-泵、Ⅴ-连接管道、Ⅵ-安装架、1-冷板、2-盖板、3-仿鱼鳞型凸起、4-进水口、5-出水口、6-定位槽、7(a)-多接口盲插水接头(进水)、7(b)-多接口盲插水接头(出水)、8-背板、9-定位销、10-安装槽、11-通孔、12-布线孔、13-安装孔。

具体实施方式

为了明确本发明的目的、技术方案及优点，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

一种仿鱼鳞型的微通道散热装置，该散热装置包括散热器、泵、冷却器、安装架、连接管道；所述散热器由微通道冷板及盖板组成；所述微通道冷板在左侧和右侧开设有进水口和出水口；所述微通道冷板中分布有仿鱼鳞型的凸起，凸起间距组成冷板的微通道；所述微通道冷板及盖板的仿鱼鳞型凸起部位上设有通孔；所述安装架由多接口盲插水接头、背板、定位销、安装槽、布线孔等组成；整个散热器的微通道冷板及盖板采用3D打印技术实现一体化加工制造。所述散热器的盖板表面用于放置相控阵T/R组件作为热源。所述散热器的两侧的中间位置分别开设有进水口和出水口。所述散热器的侧面的两边位置均开设有定位槽，以便安装定位销。所述散热器的冷板中设置有仿鱼鳞型凸起，该仿鱼鳞型凸起呈阵列型排列，仿鱼鳞型凸起的间距构成了散热器的散热微通道。所述散热器中位于鱼鳞型凸起的部位中间开设有通孔，且该通孔整体也呈阵列型排列，贯穿于整体微通道冷板及盖板。所述安装架采用砖式子阵骨架结构，针对叠层冷板的一体安装，该安装架为对称结构，分别分布在叠层冷板的进水口和出水口侧，该安装架由多接口盲插水接头、背板、定位销、安装槽、布线孔等组成，定位销和安装槽分布在背板的内侧，布线孔设置于背板内，多接口盲插水接口分布在背板的外侧，多接口盲插水接头的每个端口对应各叠层冷板的进、出水口，安装架通过定位销以及安装槽来确定各叠层冷板的安装位置。所述安装架背板上的四角开设有安装孔，以固定安装架。所述相控阵T/R组件的微通道冷板及安装架的具体连接为：三层微通道冷板的进水口密封连接于安装架的背板上多接口盲插水接头进水侧的各端口，同样三层微通道冷板的出水口与安装架背板上的接口盲插水接头出水侧的各端口连接，其间均使用O型密封圈密封，安装架的安装槽用于锁紧微通道散热器的两侧，起支撑固定作用，定位销装订于微通道散热器的四个定位槽中，起安装定位作用。安装架进水端的多接口盲插水接口外接进水管道，该进水管道与外部泵的出液口相连，安装架出水端的多接口盲插水接头连接出水管道，该管道与外部冷却装置的注液口相连，冷却装置的出液口通过连接管道与外部泵的注液口相连，构成整体循环散热装置。

一种针对相控阵T/R组件的仿鱼鳞型微通道散热装置,包括有热源Ⅰ、散热器Ⅱ、循环液体冷却器Ⅲ、泵Ⅳ、连接管道Ⅴ和安装架Ⅵ，热源Ⅰ呈阵列型分布，安装于散热器Ⅱ的盖板2的表面，散热器Ⅱ固定于安装架Ⅵ上，安装架Ⅵ的多接口盲插水接头(进水)7(a)通过连接管道Ⅴ与泵Ⅳ连通，安装架Ⅵ的多接口盲插水接头(出水)7(b)通过连接管道Ⅴ与循环液体冷却器Ⅲ连通，循环液体冷却器Ⅲ与泵Ⅳ通过连接管道Ⅴ连接，最终形成一个封闭的液冷循环系统，在整体散热装置中进行对流换热。具体如图5所示。

该散热器采用仿鱼鳞型三维微通道散热器，包括有冷板1、盖板2、仿鱼鳞型凸起3、进水口4、出水口5、定位槽6，冷板1中设置仿鱼鳞型凸起3，该仿鱼鳞型凸起3整体呈阵列型均匀分布，相邻流道之间存有一定间隔，该间隔形成散热器的散热微通道。具体结构如图2所示。

该安装架针对多层冷板的安装设计为砖式子阵骨架结构，包括多接口盲插水接头(进水)7(a)、多接口盲插水接头(出水)7(b)、背板8、定位销9、安装槽10、布线孔12及安装孔13，整个安装架呈对称结构，分别分布在叠层冷板的进水口4和出水口5侧，定位销9及安装槽10分布在背板8的内侧，多接口盲插水接头(进水)7(a)及多接口盲插水接头(出水)7(b)分布在背板8的外侧，每个多接口盲插水接头(进水)7(a)及多接口盲插水接头(出水)7(b)的端口对应一个微通道散热器的进水口4和出水口5，安装架通过定位销9以及安装槽10来确定叠层冷板的安装位置，背板8上开设有布线槽，预留了电子元器件的线路空间，背板8的四角开设有安装孔13，起安装固定安装架作用。

散热器的工作过程为：该散热器各层冷板1采用仿鱼鳞型凸起3形成的微小通道结构，且该凸起呈阵列型均匀分布，在冷板1的两侧开设有冷却液进水口4和出水口5，冷却液从进水口4注入进散热通道，均匀地通过由仿鱼鳞型凸起3的间隔形成的散热通道，后从出水口5流出，冷却液能够通过安装架的多接口盲插水接口同时经过各层冷板进行对流散热，完成一轮散热。

散热装置的工作过程为：泵Ⅳ产生的流体经循环液体冷却器Ⅲ后将冷却液注入到安装架Ⅵ的多接口盲插水接口(进水)7(a)；多接口盲插水接口(进水)7(a)的各端口连接叠层冷板的各进水口4，由此将冷却液注入微通道冷板中，热源Ⅰ位于各层散热器的盖板2表面，冷却液流经冷板中由仿鱼鳞型凸起3的间隔形成的散热通道后通过各叠层冷板的出水口5流出，以热传导的方式将热源的热量带走，后经多接口盲插水接头(出口)7(b)将冷却液重新传入泵Ⅳ，最终进行完成一轮对流换热，之后按照该顺序循环工作，直至达到散热需求。

该散热器采用3D打印技术中的选区激光熔化成型技术。该技术借助计算机辅助设计与制造，利用高能激光束将金属粉直接成型为致密的三维实体零件，该成型过程不需要任何工装模具，也不受零件形状复杂程度的限制，适用于本发明的加工成型。

通过3D打印技术加工该散热器，本申请冷板中采用的是仿鱼鳞型凸起形成的微通道,可采用导热性能较好的铝材料，3D打印时铝粉烧结工艺比较完善，该技术充分利用了计算机成型软件，建立零件三维模型，同时利用切片软件将零件的三维模型进行逐层切片处理，再利用3D打印设备按照零件模型的特点自上而下逐层将实体零件堆积而成，通过这种方法发制造的微通道能够增大制造成功率，提高生产效率，节约生产成本。

该散热器的微通道组件在运用3D打印技术加工时，微通道冷板1、盖板2、进水口4和出水口5一体打印成型，这里涉及到金属3D打印加工封闭腔内部结构微通道的技术，整个加工过程从冷板1的底层出发，将金属材料逐层堆积，依次加工出仿鱼鳞型凸起3、进水口4、出水口5定位槽6，直至最终加工出盖板2，该过程是一体加工成型，无需考虑冷板1和盖板2之间的密封问题。

下面，结合具体实施例对本发明做进一步解释和说明。

实施例1

一种基于金属3D打印技术的仿鱼鳞型三维微通道冷板，相控阵T/R组件分布于微通道散热器的盖板表面，微通道冷板1采用阵列式均匀分布的仿鱼鳞型凸起3组成的散热通道，进水口4和出水口5开设于散热器两侧的中间位置，冷却液从进水口4进入后均匀经过阵列式仿鱼鳞型凸起3散热通道，最终从出水口5流出，完成一轮在散热器中的对流散热。

实施例2

在实施例1的基础上，将微通道冷板1依次安装于安装架上，针对相控阵T/R组件热源的散热情况，热源通过各通孔及布线孔安装于各层散热器的盖板2表面，可以从安装架的多接口盲插水接头(进水)7(a)注入冷却液，每个多接口盲插水接头(进水)7(a)及多接口盲插水接头(出水)7(b)的端口对应一个微通道冷板的进水口4和出水口5，冷却液通过该接口进入各层冷板中与热源进行对流散热，后经多接口盲插水接头(出水)7(b)流出，完成一轮叠层冷板对热源的整体散热过程。本安装架不止针对该实施例中的三层散热器，多层同样适用，多层散热器后相比普通单层散热器来说散热效率更高，可以针对更为大型的散热工程。

实施例3

微通道冷板中设置用于冷却液流过的腔体，该腔体采用以3mm为半径的的四条圆弧构成，具体设计尺寸如图3(b)所示，各块状凸起之间有间隙，所有块状凸起之间的间隙形成微通道，该微通道形状为鱼鳞状，具体结构如图3(a)所示。

实施例4

使用金属3D打印技术进行该仿鱼鳞型微通道散热器的一次性打印成型，整个加工过程从冷板1的底层出发，将金属材料逐层堆积，依次加工出冷板1、仿鱼鳞型凸起3、进水口4、出水口5定位槽6，直至最终加工出盖板2，该过程是一体加工成型，无需考虑冷板1和盖板2之间的密封问题。

以上所述仅为本发明的部分实施例而已，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 (6)

1.一种仿鱼鳞型微通道散热器，该散热器由微通道冷板及盖板组成；所述微通道冷板在两侧分别开设有微通道的进水口和出水口；所述微通道冷板中设置用于冷却液流过的腔体，该腔体中部阵列设置有多个块状凸起，各块状凸起之间有间隙，所有块状凸起之间的间隙形成微通道，该微通道形状为鱼鳞状；所述微通道冷板腔体中每个块状凸起的俯视外轮廓包括四条弧形边且左右对称；下两条边弧形向内凹，上两条边弧形向外凸，且微通道冷板腔体中相邻块状凸起的相邻边凹凸配合，使微通道尺寸一致。

2.如权利要求1所述的一种仿鱼鳞型微通道散热器，其特征在于所述微通道冷板对应腔体中每个块状凸起的中心位置上设置有一个上下贯通的通孔。

3.如权利要求1所述的一种仿鱼鳞型微通道散热器，其特征在于所述散热器采用3D打印一体成型。

4.如权利要求1所述的一种仿鱼鳞型微通道散热器，其特征在于所述微通道冷板腔体中每个块状凸起的俯视外轮廓上两边形成箭头的指向为微通道内的水流方向。

5.一种采用如权利要求1所述的仿鱼鳞型微通道散热器的散热装置，包括：散热器、泵、冷却器、安装架、连接管道，所述散热器、泵、冷却器通过连接管道连接组成冷却回路，所述安装架用于安装散热器；所述散热器的进水口和出水口分别设置于其所在侧的中间位置，散热器进水侧和出水侧的两边分别设置有定位孔；所述安装架包括结构完全镜像的进水侧和出水侧，所述安装架的进水侧或出水侧包括：多接口盲插水接头、背板，所述背板上设置有多层的安装槽；每层安装槽中间位置设置有进水口或出水口，两边设置有定位销；每层安装槽对应放置一个散热器；所述多接口盲插水接头的多接口侧的接口数量与背板上设置有多层的安装槽的层数相同。

6.如权利要求5所述的散热装置，其特征在于，所述安装架进水侧或出水侧背板的四角设置有安装孔，通过细杆紧固安装有散热器的安装架进水侧和出水侧；所述散热器的进水口或出水口与安装架中安装槽的进水口或出水口之间设置O型密封圈。

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