CN110828401A - 一种超高热流密度微通道热沉冷板 - Google Patents

一种超高热流密度微通道热沉冷板 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种超高热流密度微通道热沉冷板，包括微通道热沉和工质分配冷板，微通道热沉包括热沉上盖板与热沉下腔体；热沉上盖板与热沉下腔体密封连接形成冷却腔体；工质分配冷板包括冷板上盖板与冷板下腔体；冷板上盖板与冷板下腔体密封连接形成流通腔体，流通腔体和冷却腔体连通，冷却腔体内设置有热沉微通道单元，热沉微通道单元包括若干交叉阵列方式分布的肋片，超高热流密度芯片对应热沉微通道单元紧密贴合在热沉下腔体外表面，流通腔体与冷却液循环装置连通；本发明通过对微通道肋片结构属性进行优化后，在降低流动阻力同时，进一步增加换热面积与流动紊流程度，进而大幅度增加散热性能，并降低装置的装配与加工困难度，提高可靠性。

Description

一种超高热流密度微通道热沉冷板
技术领域
本发明涉及电子设备散热技术领域，具体涉及一种超高热流密度微通道热沉冷板。
背景技术
伴随着电子和半导体产业的迅速发展，各类芯片在向着小型化发展的同时，功耗也在不断提升，导致其热流密度逐年升高。研究表明，当芯片温度超过70℃时，温度每升高1℃，将导致电子元件的可靠性降低5％，可见电子元件的可靠性与其工作温度息息相关，行业内势必需要发展较为有效的热管理手段，通过有效降低电子元件温度来保障其可靠性。
随着时间的不断推移，芯片的热流密度已经从上世纪80年代的10W/cm2发展到如今的1000W/cm2以上。至此，常规的风冷方案早已无法胜任如此高热流的任务，行业亟需寻找一种新型高效的散热手段来突破电子元件的温度瓶颈。自Tuckerman提出微通道散热技术以来，泵回路驱动冷却液的液冷散热能力被大幅度提高。该项技术利用去离子水作为冷却液时，可以在0.6L/min的流量下，将热流密度为710W/cm2的芯片温度控制在71℃以下。
然而，上述所采用的矩形截面平行直通微通道的流阻性能以及散热性能，在面对当今的超高热流密度前仍不尽如人意。现在，尽管行业内出现了诸多利用仿生学原理设计的微通道热沉冷板具有较为优秀的流阻性能以及散热性能，但其加工工艺和装配方法复杂，而且无法有效应对多热源等实际场景。
鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。
发明内容
为解决上述技术缺陷，本发明采用的技术方案在于，提供一种超高热流密度微通道热沉冷板，包括微通道热沉和工质分配冷板，所述微通道热沉包括热沉上盖板与热沉下腔体；所述热沉上盖板与所述热沉下腔体密封连接形成冷却腔体；所述工质分配冷板包括冷板上盖板与冷板下腔体；所述冷板上盖板与所述冷板下腔体密封连接形成流通腔体，所述流通腔体和所述冷却腔体连通，所述冷却腔体内设置有热沉微通道单元，所述热沉微通道单元包括若干交叉阵列方式分布的肋片，超高热流密度芯片对应所述热沉微通道单元紧密贴合在所述热沉下腔体外表面，所述流通腔体与冷却液循环装置连通。
较佳的，所述热沉上盖板上设置有热沉进液口与热沉出液口，所述热沉进液口、所述热沉出液口与所述冷却腔体连通。
较佳的，所述热沉下腔体内还设置有热沉进液口汇流区和热沉出液口汇流区，所述热沉进液口汇流区和所述热沉出液口汇流区分别设置在所述热沉微通道单元的两侧。
较佳的，所述热沉微通道单元包括若干肋片组，各所述肋片组由若干所述肋片等距横向线性排列，且相邻所述肋片组等距纵向交错排列。
较佳的，所述肋片与所述热沉微通道单元截面形状均设置为矩形。
较佳的，所述肋片纵向间距为所述肋片厚度的3倍；所述肋片横向间距为所述肋片长度的1～1.5倍；所述热沉微通道单元长度为所述肋片长度的8～12倍；所述热沉微通道单元的宽度为所述肋片纵向间距的5～8倍。
较佳的，所述冷板下腔体包括冷板进液口、冷板出液口、工质分流流道、工质汇流流道、冷板热沉进液口、冷板热沉出液口，所述冷板进液口、所述工质分流流道与所述冷板热沉进液口三者相连接；所述冷板出液口、所述工质汇流流道与所述冷板热沉出液口三者相连接；所述冷板进液口、所述冷板出液口和所述冷却液循环装置连通，所述冷板热沉进液口与所述热沉进液口连通，所述冷板热沉出液口与所述热沉出液口连通。
较佳的，所述冷板热沉进液口和所述冷板热沉出液口上设置有矩形截面圆槽状的O型密封圈槽，且所述O型密封圈槽与所述冷板热沉进液口和所述冷板热沉出液口呈同心分布，所述O型密封圈槽内设置有O型密封圈。
较佳的，所述冷板下腔体上还设置有配合用螺栓孔，通过螺栓或螺钉与所述配合用螺栓孔的螺纹连接来固定所述微通道热沉和所述工质分配冷板。
较佳的，所述冷却液循环装置为箱体结构，所述冷却液循环装置内设有循环泵，所述流通腔体与循环泵相连，所述冷却液循环装置内的冷却液在所述流通腔体和所述冷却腔体内循环流动，所述冷却液为质量分数为66％的乙二醇-水溶液。
与现有技术比较本发明的有益效果在于：本发明通过对微通道肋片结构属性进行优化后，在降低流动阻力同时，进一步增加换热面积与流动紊流程度，进而大幅度增加散热性能，并降低装置的装配与加工困难度，提高可靠性。
附图说明
图1为所述超高热流密度微通道热沉冷板的结构图；
图2为所述热沉上盖板的结构图；
图3为所述热沉下腔体的结构图；
图4为所述热沉微通道单元的结构图；
图5为所述冷板下腔体的结构图。
图中数字表示：
1-微通道热沉；2-工质分配冷板；11-热沉上盖板；12-热沉下腔体；21-冷板上盖板；22-冷板下腔体；111-热沉进液口；112-热沉出液口；121-热沉进液口汇流区；122-热沉微通道单元；123-热沉出液口汇流区；221-冷板进液口；222-冷板出液口；223-工质分流流道；224-工质汇流流道；225-冷板热沉进液口；226-冷板热沉出液口；227-O型密封圈槽；228-配合用螺栓孔；1221-肋片厚度；1222-肋片纵向间距；1223-肋片横向间距；1224-肋片长度；1225-热沉微通道单元长度。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。
如图1所示，图1为所述超高热流密度微通道热沉冷板的结构图；本发明所述超高热流密度微通道热沉冷板包括微通道热沉1以及工质分配冷板2。其中，所述微通道热沉1包括热沉上盖板11与热沉下腔体12；所述热沉上盖板11与所述热沉下腔体12密封连接形成冷却腔体；所述工质分配冷板2包括冷板上盖板21与冷板下腔体22；所述冷板上盖板21与所述冷板下腔体22密封连接形成流通腔体，所述流通腔体和所述冷却腔体连通。
超高热流密度芯片将通过焊接等连接方式紧密贴合所述热沉下腔体12的背面，其目的在于降低超高热流密度芯片与所述微通道热沉1间的接触热阻。
如图2所示，图2为所述热沉上盖板的结构图；所述热沉上盖板11上设置有热沉进液口111与热沉出液口112，可通过激光选择熔化等加工方式来进行加工，所述热沉进液口111、所述热沉出液口112与所述冷却腔体连通。
如图3所示，图3为所述热沉下腔体的结构图；所述热沉下腔体12内设置有热沉进液口汇流区121、热沉微通道单元122以及热沉出液口汇流区123，可通过激光选择熔化等加工方式来进行加工，所述热沉进液口汇流区121、所述热沉微通道单元122以及所述热沉出液口汇流区123通过所述热沉上盖板11与所述热沉下腔体12的密封连接构成所述冷却腔体。
所述热沉进液口汇流区121和所述热沉出液口汇流区123分别设置在所述热沉微通道单元122的两侧。所述热沉微通道单元122采用肋片交叉阵列方式分布，即所述热沉微通道单元122包括若干肋片组，各所述肋片组由若干所述肋片等距横向线性排列，且相邻所述肋片组等距纵向交错排列。
如图4所示，图4为所述热沉微通道单元的结构图；一般的，所述肋片与所述热沉微通道单元122截面形状优选设置为矩形。所述肋片纵向间距为所述肋片厚度的3倍；所述肋片横向间距为所述肋片长度的1～1.5倍；所述热沉微通道单元长度为所述肋片长度的8～12倍；所述热沉微通道单元的宽度为所述肋片纵向间距的5～8倍。所述肋片纵向间距为在同一纵向线上相邻两所述肋片的间距。
在本实施例中，优选地，所述肋片厚度1221为0.125mm、所述肋片纵向间距1222为0.375mm、所述肋片横向间距1223为0.545mm、所述肋片长度1224为0.545mm、所述热沉微通道单元长度1225为6mm。
所述热沉上盖板11与所述热沉下腔体12通过真空钎焊等方式连接密封，即可最终形成所述微通道热沉1。所述微通道热沉1采用的制造材料被选择为紫铜、金刚石等导热系数较高的材料。
如图5所示，图5为所述冷板下腔体的结构图；所述冷板下腔体22包括冷板进液口221、冷板出液口222、工质分流流道223、工质汇流流道224、冷板热沉进液口225、冷板热沉出液口226、O型密封圈槽227和配合用螺栓孔228，可通过数控机床等加工方式来加工。
一般的，所述冷板下腔体22包括至少一个所述冷板进液口221、至少一个所述冷板出液口222、至少一个所述工质分流流道223、至少一个所述工质汇流流道224、至少一个所述冷板热沉进液口225、至少一个所述冷板热沉出液口226、至少两个所述O型密封圈槽227、若干个所述配合用螺栓孔228。
所述冷板进液口221、所述工质分流流道223与所述冷板热沉进液口225三者相连接；所述冷板出液口222、所述工质汇流流道224与所述冷板热沉出液口226三者相连接。所述冷板进液口221、所述冷板出液口222和冷却液循环装置连通，所述冷板热沉进液口225与所述热沉进液口111连通，所述冷板热沉出液口226与所述热沉出液口112连通。
所述O型密封圈槽为矩形截面圆槽，对应设置于所述冷板热沉进液口225和所述冷板热沉出液口226上，且与所述冷板热沉进液口225和所述冷板热沉出液口226呈同心分布，用于放置O型密封圈。通过螺栓或螺钉与所述配合用螺栓孔的螺纹连接来固定所述微通道热沉1和所述工质分配冷板2，以通过提供预紧力使所述O型密封圈在所述冷板热沉进液口225和所述冷板热沉出液口226处形成良好密封。
将所述冷板上盖板21与所述冷板下腔体22通过真空钎焊等连接方式进行连接密封，即可最终形成所述工质分配冷板2。
所述冷却液循环装置可以为一个箱体，箱体内设有循环泵，所述流通腔体与循环泵相连，实现箱体内的冷却液在箱体和所述流通腔体之间的循环流动。
所述冷却液循环装置内的冷却液优选为质量分数为66％的乙二醇-水溶液，可防止低温环境下工质凝固。
所述超高热流密度微通道热沉冷板的工作原理为：冷却液通过泵回路循环装置从所述冷板进液口221经过所述工质分流流道223、所述冷板热沉进液口225和所述热沉进液口111流入到所述热沉进液口汇流区121内，冷却液在所述热沉微通道单元122内流经各个所述肋片之间的间隙，最终进入所述热沉出液口汇流区123；之后，冷却液经过所述热沉出液口112和所述冷板热沉出液口226流入到所述工质汇流流道223内；最终，冷却液经过所述冷板出液口222再循环到冷却液循环装置内。
超高热流密度芯片工作过程中产生的热量传导到所述微通道热沉1的背面，多个所述肋片保证超高热流密度芯片产生的热量能够被高效地传递至冷却液中，冷却液流经各个所述肋片的时候将超高热流密度芯片上的热量带走，即完成超高热流密度芯片的散热。
需要说明的是，所述工质分配冷板2可以通过延长流道长度，并重复装置上的所述冷板热沉进液口、所述冷板出液口以及装配用螺栓孔个数，来实现多热源散热。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种超高热流密度微通道热沉冷板，其特征在于，包括微通道热沉和工质分配冷板，所述微通道热沉包括热沉上盖板与热沉下腔体；所述热沉上盖板与所述热沉下腔体密封连接形成冷却腔体；所述工质分配冷板包括冷板上盖板与冷板下腔体；所述冷板上盖板与所述冷板下腔体密封连接形成流通腔体，所述流通腔体和所述冷却腔体连通，所述冷却腔体内设置有热沉微通道单元，所述热沉微通道单元包括若干交叉阵列方式分布的肋片，超高热流密度芯片对应所述热沉微通道单元紧密贴合在所述热沉下腔体外表面，所述流通腔体与冷却液循环装置连通。
2.如权利要求1所述的超高热流密度微通道热沉冷板，其特征在于，所述热沉上盖板上设置有热沉进液口与热沉出液口，所述热沉进液口、所述热沉出液口与所述冷却腔体连通。
3.如权利要求1所述的超高热流密度微通道热沉冷板，其特征在于，所述热沉下腔体内还设置有热沉进液口汇流区和热沉出液口汇流区，所述热沉进液口汇流区和所述热沉出液口汇流区分别设置在所述热沉微通道单元的两侧。
4.如权利要求1所述的超高热流密度微通道热沉冷板，其特征在于，所述热沉微通道单元包括若干肋片组，各所述肋片组由若干所述肋片等距横向线性排列，且相邻所述肋片组等距纵向交错排列。
5.如权利要求4所述的超高热流密度微通道热沉冷板，其特征在于，所述肋片与所述热沉微通道单元截面形状均设置为矩形。
6.如权利要求5所述的超高热流密度微通道热沉冷板，其特征在于，所述肋片纵向间距为所述肋片厚度的3倍；所述肋片横向间距为所述肋片长度的1～1.5倍；所述热沉微通道单元长度为所述肋片长度的8～12倍；所述热沉微通道单元的宽度为所述肋片纵向间距的5～8倍。
7.如权利要求1所述的超高热流密度微通道热沉冷板，其特征在于，所述冷板下腔体包括冷板进液口、冷板出液口、工质分流流道、工质汇流流道、冷板热沉进液口、冷板热沉出液口，所述冷板进液口、所述工质分流流道与所述冷板热沉进液口三者相连接；所述冷板出液口、所述工质汇流流道与所述冷板热沉出液口三者相连接；所述冷板进液口、所述冷板出液口和所述冷却液循环装置连通，所述冷板热沉进液口与所述热沉进液口连通，所述冷板热沉出液口与所述热沉出液口连通。
8.如权利要求7所述的超高热流密度微通道热沉冷板，其特征在于，所述冷板热沉进液口和所述冷板热沉出液口上设置有矩形截面圆槽状的O型密封圈槽，且所述O型密封圈槽与所述冷板热沉进液口和所述冷板热沉出液口呈同心分布，所述O型密封圈槽内设置有O型密封圈。
9.如权利要求1所述的超高热流密度微通道热沉冷板，其特征在于，所述冷板下腔体上还设置有配合用螺栓孔，通过螺栓或螺钉与所述配合用螺栓孔的螺纹连接来固定所述微通道热沉和所述工质分配冷板。
10.如权利要求1所述的超高热流密度微通道热沉冷板，其特征在于，所述冷却液循环装置为箱体结构，所述冷却液循环装置内设有循环泵，所述流通腔体与循环泵相连，所述冷却液循环装置内的冷却液在所述流通腔体和所述冷却腔体内循环流动，所述冷却液为质量分数为66％的乙二醇-水溶液。
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