CN110828406B - 一种紧凑型射流散热系统 - Google Patents

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Abstract

一种紧凑型射流散热系统，包括低熔点液态金属流道；所述低熔点液态金属流道为平板矩形流道结构，低熔点液态金属流道的入口与电磁泵的出口相连，出口与电磁泵的入口相连；所述低熔点液态金属流道的壳体上表面开设有异型网状通道，且异型网状通道顶部通过压板覆盖，压板中心处设置有与异型网状通道连通的射流口；所述低熔点液态金属流道左端和右端分别设置有储液区，储液区、异型网状通道及射流口一起组成射流区，所述射流口通过第一射流液管路与蠕动泵出口端相连，蠕动泵入口端通过第二射流液管路与储液箱出口端相连，储液箱的两个入口端分别通过第三射流液管路与储液区的两个射流液回流口相连。本发明结构紧凑，且具有高导热传热的散热效果。

Description

一种紧凑型射流散热系统
技术领域
本发明属于半导体器件散热技术领域，具体涉及一种紧凑型射流散热系统。
背景技术
随着目前半导体电子器件在通信、汽车、舰载航空以及智能设备等领域的大规模应用，高集成大功率的封装型电子器件已经成为了发展的主流。目前应用较多的数据中心，ATCA服务器、IGBT集成组件以及高传输速率的性能芯片等器件的功率密度呈直线上升趋势，与此同时，热控技术的更新与发展尤为重要。但目前效果较好，且应用于大热流密度的热管冷却技术有温度及体积限制，且在不同地区环境下适应性差；应用最为广泛的液体强迫对流冷却技术面临噪声大、高耗低效等缺陷。
发明内容
本发明旨在解决目前半导体大功率器件的热控不足的问题，并为此提供一个可承受高热流密度，体积紧凑，无噪音，高效运行的紧凑型射流散热系统。
为实现上述目的，本发明采用一种紧凑型射流散热系统，包括低熔点液态金属流道、射流区、储液箱、蠕动泵及电磁泵；所述低熔点液态金属流道为平板矩形流道结构，低熔点液态金属流道的入口通过管线与电磁泵的出口相连，出口通过管线与电磁泵的入口相连；所述低熔点液态金属流道的壳体上表面开设有异型网状通道，且异型网状通道顶部通过压板覆盖，压板中心处设置有与异型网状通道连通的射流口；所述低熔点液态金属流道左端和右端分别设置有储液区，储液区为半包型椭圆柱结构，储液区上表面与压板上表面平齐，下表面与低熔点液态金属流道下表面平齐，储液区、异型网状通道及射流口一起组成射流区，所述射流口与第一射流液管路出口相连，第一射流液管路入口与蠕动泵出口端相连，蠕动泵入口端通过第二射流液管路与储液箱出口端相连，储液箱的两个入口端分别通过第三射流液管路与储液区的两个射流液回流口相连。
所述低熔点液态金属流道的壳体下表面通过导热硅脂与发热设备连接。
所述射流口为螺旋内凸型流道，由射流管和螺旋片组成，在射流管的内壁沿轴向设置有螺旋片，可增大射流液动量，准确将射流液输送到异型网状通道中心。
所述低熔点液态金属流道与射流区为一体铸造成型结构。
所述低熔点液态金属流道内的低熔点液态金属的熔点不大于室温；低熔点液态金属为铟、镓铟锡、镓铟锡锌合金、铋铟、铋铟锡合金、钠钾合金中的一种或多种，其热导率在20-50W/(m•K)范围内。
所述电磁泵为直流感应式电磁泵，用于驱动低熔点液态金属流动换热。
一种紧凑型射流散热系统的使用方法，基于一种紧凑型射流散热系统，包括以下步骤：半导体器件通过高导热率的导热硅脂与紧凑型射流散热系统的低熔点液态金属流道底面接触稳定后，当半导体器件运行产生热量，热量通过导热硅脂传递到低熔点液态金属流道底部，再利用热传导及对流作用传递到低熔点液态金属流道的液态金属中，电磁泵驱动液态金属在低熔点液态金属流道中低速循环流动，这样可减少设备震动与噪声，并增加单位体积液态金属与射流液的换热次数，强化传热；同时，蠕动泵保持高频驱动射流液在高压下通过射流口进入异型网状通道与液态金属进行对流换热，并流向射流区，初步收集，其后通过射流液回流口至储液箱完成一次循环工作。蠕动泵射流频率可随半导体器件负载而变化，因此在中低负载工况下，部分射流液可暂留于射流区内，促进并行导热及对流换热过程；其液态金属流程与射流液流程呈逆流趋势，这样可保证高效传热，并减轻设备压力负荷。
本发明的有益效果：
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明使用的的一种紧凑型射流散热系统，包括低熔点液态金属流道、射流区以及储液箱及驱动设备。射流区及液态金属流道为一体式铸造结构且在液态金属出入口连接电磁泵入口及出口，射流区通过回流管与储液箱相连。
2、本发明使用的射流口为螺旋内凸式，能够增强射流液的旋流动量，提高传热系数。
3、本发明使用的低熔点液态金属液体工质，实现了高导热传热的散热效果，且液体工质熔点可调，温度范围广，无海拔限制。
4、本发明使用的射流液材料为常见液体冷却工质，根据不同工作环境可做调整，适应性好。
5、本发明使用的一种流道双并行回路构造，使热控系统更加紧凑，减少接触热阻，增强传热。
6、本发明使用的小功率电磁泵，能够静音运行，同时体积小于设备本体，能高效节能驱动液体工质。
7、本设备使用的低熔点液态金属及射流液可高效纯净回收，循环利用，且废物回收过程简单。
附图说明
图1为紧凑型射流散热系统三维示意图；
图2为紧凑型射流散热系统的低熔点液态金属流道部分主视图；
图3为紧凑型射流散热系统的低熔点液态金属流道部分俯视图；
图4为紧凑型射流散热系统的低熔点液态金属流道部分侧视图；
图5为紧凑型射流散热系统的低熔点液态金属流道部分三维图；
图6为紧凑型射流散热系统流程图；
1-低熔点液态金属流道；2-异型网状通道；3-储液区；4-射流口；5-电磁泵；6-蠕动泵；7-储液箱；8-第一射流液管路；9-第二射流液管路；10-第三射流液管路；11-压板；12-螺旋片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1至图6所示，一种紧凑型射流散热系统，包括低熔点液态金属流道1、射流区、储液箱7、蠕动泵6及电磁泵5；所述低熔点液态金属流道1为平板矩形流道结构，且在低熔点液态金属流道1内填充有低熔点液态金属，低熔点液态金属流道1的入口通过管线与电磁泵5的出口相连，出口通过管线与电磁泵5的入口相连；所述低熔点液态金属流道1的壳体上表面开设有异型网状通道2，且异型网状通道2顶部通过压板11覆盖，压板11中心处设置有与异型网状通道2连通的射流口4；所述低熔点液态金属流道1左端和右端分别设置有储液区3，储液区3为半包型椭圆柱结构，储液区3上表面与压板11上表面平齐，下表面与低熔点液态金属流道1下表面平齐，储液区3、异型网状通道2及射流口4一起组成射流区，所述射流口4与第一射流液管路8出口相连，第一射流液管路8入口与蠕动泵6出口端相连，蠕动泵6入口端通过第二射流液管路9与储液箱7出口端相连，储液箱7的两个入口端分别通过第三射流液管路10与储液区3的两个射流液回流口相连，储液箱7内盛装有射流液，射流液为冷却液；所述射流区与低熔点液态金属流道1为半包围结构，除低熔点液态金属流道1的入口、出口以及与发热设备接触的表面之外，其余表面均与射流区相接触；异型网状通道2包括矩形通道和Z字形通道，矩形通道开设于低熔点液态金属流道1壳体顶部的中心处，在矩形通道的两条长边处分别设置有四条Z字形通道，且位于同一长边上其中两条Z字形通道与另外两条Z字形通道以长边的对称中心为中心对称设置。
所述低熔点液态金属流道1的壳体下表面通过导热硅脂与发热设备连接。
所述射流口4为螺旋内凸型流道，由射流管和螺旋片12组成，在射流管的内壁沿轴向设置有螺旋片12，可增大射流液动量，准确将射流液输送道网状微通道中心。
所述低熔点液态金属流道1与射流区为一体铸造成型结构。
所述低熔点液态金属的熔点不大于室温；低熔点液态金属为镓铟合金，其热导率在25.899W/(m•K)范围内。
所述电磁泵5为直流感应式电磁泵，用于驱动低熔点液态金属流动换热。
一种紧凑型射流散热系统的使用方法，基于一种紧凑型射流散热系统，包括以下步骤：半导体器件通过高导热率的导热硅脂与紧凑型射流散热系统的低熔点液态金属流道1底面接触稳定后，当半导体器件运行产生热量，热量通过导热硅脂传递到低熔点液态金属流道1底部，再利用热传导及对流作用传递到低熔点液态金属流道1的液态金属中，电磁泵5驱动液态金属在低熔点液态金属流道1中低速循环流动，这样可减少设备震动与噪声，并增加单位体积液态金属与射流液的换热次数，强化传热；同时，蠕动泵6保持高频驱动射流液在高压下通过射流口4进入异型网状通道2与液态金属进行对流换热，并流向射流区，初步收集，其后通过射流液回流口至储液箱7完成一次循环工作。蠕动泵6射流频率可随半导体器件负载而变化，因此在中低负载工况下，部分射流液可暂留于射流区内，促进并行导热及对流换热过程；其液态金属流程与射流液流程呈逆流趋势，这样可保证高效传热，并减轻设备压力负荷。

Claims (6)

1.一种紧凑型射流散热系统，其特征在于，包括低熔点液态金属流道、射流区、储液箱、蠕动泵及电磁泵；所述低熔点液态金属流道为平板矩形流道结构，低熔点液态金属流道的入口通过管线与电磁泵的出口相连，出口通过管线与电磁泵的入口相连；所述低熔点液态金属流道的壳体上表面开设有异型网状通道，且异型网状通道顶部通过压板覆盖，压板中心处设置有与异型网状通道连通的射流口；所述低熔点液态金属流道左端和右端分别设置有储液区，储液区为半包型椭圆柱结构，储液区上表面与压板上表面平齐，下表面与低熔点液态金属流道下表面平齐，储液区、异型网状通道及射流口一起组成射流区，所述射流口与第一射流液管路出口相连，第一射流液管路入口与蠕动泵出口端相连，蠕动泵入口端通过第二射流液管路与储液箱出口端相连，储液箱的两个入口端分别通过第三射流液管路与储液区的两个射流液回流口相连。
2.根据权利要求1所述的一种紧凑型射流散热系统，其特征在于：所述低熔点液态金属流道的壳体下表面通过导热硅脂与发热设备连接。
3.根据权利要求1所述的一种紧凑型射流散热系统，其特征在于：所述射流口为螺旋内凸型流道，由射流管和螺旋片组成，在射流管的内壁沿轴向设置有螺旋片。
4.根据权利要求1所述的一种紧凑型射流散热系统，其特征在于：所述低熔点液态金属流道与射流区为一体铸造成型结构。
5.根据权利要求1所述的一种紧凑型射流散热系统，其特征在于：所述低熔点液态金属流道内的液态金属的熔点不大于室温；低熔点液态金属为镓铟合金、镓铟锡合金、镓铟锡锌合金、铋铟合金、铋铟锡合金、钠钾合金中的一种或多种，其热导率在20-50W/(m•K)范围内。
6.根据权利要求1所述的一种紧凑型射流散热系统，其特征在于：所述电磁泵为直流感应式电磁泵。
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