CN111479442B - 一种阵列微射流及微通道复合冷板 - Google Patents

一种阵列微射流及微通道复合冷板 Download PDF

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Abstract

一种阵列微射流及微通道复合冷板，具有主体，主体的一侧设有用于和热源接触进行导热的盖板、另一侧设有冷却液入口管；主体上设有供由冷却液入口管进入的冷却液流动以对热源的极高热流密度区域进行冷却的阵列微射流结构和供射流后的冷却液流动以将热源的热量扩散至整个主体上、同时对热源的其他区域进行冷却的微通道结构；主体与供冷却后的冷却液从主体离开的出流通道连接，出流通道与冷却液出口管连接。本发明充分利用和结合阵列微射流和微通道散热的优势，结构较为简单，散热效率高。

Description

一种阵列微射流及微通道复合冷板
技术领域
本发明属于电子器件及芯片等高热流密度热源散热的技术领域，涉及到一种冷板装置，特别涉及一种结合微通道散热技术和射流冲击冷却技术的复合型冷板。
背景技术
随着电子技术的快速发展，军、民各领域对高性能电子及芯片模块、高可靠大功率器件的需求越来越多，器件的特征尺寸越来越小，集成度越来越高。电子器件正朝着高集成度、微型化、高功耗的方向发展。而随着功率密度不断增大，电子器件及芯片局部热耗密度越来越大，所处的热环境更为恶劣，通常热流密度在100-1000W/cm2时即称为高热流密度。半导体激光器阵列、大功率航空航天电子元件等器件在正常工作时产生的废热往往高达200-1500W/cm2。如果热量不能及时地散走，微电子设备将会出现局部温度过高，热应力增大，从而导致性能和稳定性下降，甚至失效，造成工作寿命降低。研究表明，电子元器件温度每上升10℃，其使用寿命就会缩短二分之一，当电子元器件的温度达到80℃以上时，其工作性能迅速下降，超过55％的电子设备的失效形式是由温度过高引起的。因此，为电子元器件提供合理、高效的冷却技术方案，是微电子技术迅速发展和稳定可靠工作的重要保障。
高功率电子元器件要求相应冷却系统具备向热流密度的冷却能力(≥100W/cm2)，并且要求严格的温度控制。常规通道液冷冷却技术难以满足高热流密度电子器件的冷却要求。射流冲击冷却和微通道冷却技术是提高冷却效率的有效手段，射流冷却技术是通过高速射流尽可能破坏冷却液与固体表面的边界层，提供散热能力；微通道技术是通过微细通道尽可能扩大冷却面积，并利用微观效应提供散热能力。
针对于上述高热流密度散热问题，尤其是电子元器件表面热流密度不均匀条件下，需要结合微通道技术和射流冲击冷却技术的优势，研制出一种新型的复合冷板。
发明内容
本发明的目的在于提出一种结合阵列式射流冲击冷却技术和微通道冷却技术的复合冷板，该冷板能够对热流密度不均匀的高热流密度热源进行冷却：采用阵列式微射流冲击冷却技术对极高热流密度区域散热、采用微通道冷却技术将热量从极高热流密度区域向四周扩散并同时使冷却液流过微通道以对热源的其他区域进行散热。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种阵列微射流及微通道复合冷板，具有主体，主体的一侧设有用于和热源接触进行导热的盖板、另一侧设有冷却液入口管；主体上设有供由冷却液入口管进入的冷却液流动以对热源的极高热流密度区域进行冷却的阵列微射流结构和供射流后的冷却液流动以将热源的热量扩散至整个主体上、同时对热源的其他区域进行冷却的微通道结构；主体与供冷却后的冷却液从主体离开的出流通道连接，出流通道与冷却液出口管连接。
进一步的，阵列微射流结构包括设置于主体侧面上并与热源的极高热流密度区域相对应的阵列微射流区域，设置于主体内部且进口与冷却液入口管连通、出口位于阵列微射流区域中以供由冷却液入口管进入的冷却液流动对热源的极高热流密度区域进行冷却的多个微射流孔。
进一步的，阵列微射流区域为设置于主体侧面上的槽状区域。
进一步的，每个微射流孔的轴线垂直于盖板。
进一步的，冷却液入口管的内径大于阵列微射流区域的对角线长度。
进一步的，微通道结构包括设置于主体侧面上的集液通道，贯穿主体并与集液通道连接的出液口，以阵列微射流区域为中心呈辐射状布设于主体侧面上且两端分别与阵列微射流区域、集液通道连接以供射流后的冷却液流动将热源的热量扩散至整个主体上、同时对热源的其他区域进行冷却的多个微通道。
进一步的，每个微通道呈蛇形。
进一步的，出流通道完全罩盖出液口，其侧面预设有供冷却液出口管安装的通孔。
进一步的，出流通道包括完全罩盖出液口以供冷却后的冷却液从主体离开的第一支流道、与第一支流道连通且侧面预设有通孔的第二支流道。
进一步的，第一支流道的深度小于第二支流道的深度以使出流通道呈阶梯状。
本发明充分利用和结合阵列微射流和微通道散热的优势，结构较为简单，通过阵列微射流结构实现对热源的极高热流密度区域进行冷却，通过微通道结构一方面将热源的热量从极高热流密度区域向四周扩散至整个主体上、另一方面同时对热源的其他区域进行冷却，散热效率高。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例,并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1为本发明一种阵列微射流及微通道复合冷板一实施例的外部三维示意图。
图2为图1所示实施例中阵列微射流结构和微通道结构的示意图。
图3为阵列微射流结构中微射流孔分布示意图。
图4为阵列微射流结构中射流区域深度(A-A剖面)示意图。
图5(a)及5(b)为微通道结构中集液通道截面形状示意图。
图6为图1所示实施例中阵列微射流进口以及微通道出液口布置示意图。
图7为图1所示实施例中冷却液入口示意图。
图8为图1所示实施例中冷却液出口示意图。
图9为图1所示实施例中冷却液出流流道三维示意图。
图10为图9的A向示意图。
图11为图9中B处局部剖面视图。
【附图标记】
1:冷却液出口管，2:盖板，3:外部热源施加位置及热流密度方向，4:主体，5:出流
通道，5-1:第一支流道，5-2:第二支流道，5-3:通孔，6:冷却液入口管，7:出液口，8:集液通道，9:阵列微射流区域，10:微通道，11:微射流孔，12:阵列微射流入口区域。
具体实施方式
以下结合附图及较佳实施例，对本发明的技术方案作进一步的详细说明。
请参阅图1，为本发明一种阵列微射流及微通道复合冷板的一个实施例。本实施例中复合冷板具有一主体4，主体4的上侧与盖板2连接，盖板与热源(如高热流密度的电子器件)充分接触进行导热；主体4上设有用于对热源的极高热流密度区域进行冷却的阵列微射流结构和用于将热源的热量扩散至整个主体上并同时对热源的其他区域进行冷却的微通道结构；主体4的下侧与冷却液入口管6连接、同时与出流通道5连接，出流通道5的侧面与冷却液出口管1连接，由冷却液入口管6进入的冷却液流经阵列微射流结构及微通道结构对热源进行冷却、而后经出流通道流向冷却液出口管1。
所述盖板2的厚度大于1mm，其平面形状和尺寸与主体4保持一致，并采用导热系数高的材料制作，本实施例采用焊接的方式将盖板与主体焊接连成一体，当然在其他实施例中也可采用可拆卸的连接方式，此时需要在盖板与主体之间增设密封结构，密封结构包括设置于盖板或主体上的密封槽、与密封槽相匹配的密封胶圈。
请参阅图2至图4，所述阵列微射流结构设置于主体4与盖板2连接的上侧面上，具体包括与热源的极高热流密度区域对应设置的阵列微射流区域9，出口位于阵列微射流区域9中、进口与冷却液入口管6相连通且轴线垂直于盖板的多个微射流孔11。阵列微射流区域9与主体4上侧面相比有一定下沉形成槽状区域，下沉的高度约为0.05-0.5mm，该槽状区域的截面可以是多边形、圆形等标准形状或异形，本实施例中为正方形。多个微射流孔11呈顺排或叉排排列；同排上相邻两个微射流孔11之间的距离为L1、同列上相邻两个微射流孔11之间的距离为L2，L1≈L2且L1和L2均小于20倍微射流孔内径；每个微射流孔11贯穿主体4并为圆形通孔。冷却液入口管6与主体4焊接成一体，其管道内径D1大于阵列微射流区域的对角线长度L4以使冷却液入口管罩盖所有微射流孔11，其壁厚L5不小于1.5mm，外部供液管路与冷却液入口管为螺纹连接。
请参阅图2及图4，所述微通道结构也设置于主体4与盖板2连接的上侧面上，具体包括多个微通道10、四个集液通道8、四个出液口7。多个微通道10以阵列微射流区域9为中心呈辐射状分布；每个微通道10呈蛇形，其宽度为10-400μm，其高度与阵列微射流区域9的槽深保持一致；每个微通道的两端分别与阵列微射流区域9、相应的集液通道8相连接且连接处为圆角连接，将蛇形微通道设置为不同的宽度，实现冷却液从阵列微射流区域到集液通道流经各个蛇形微通道时的阻力相同。四个集液通道8沿周向均布在主体4的上侧面上，用于集合来自各蛇形微通道内的冷却液体；每个集液通道8通过刻蚀方法加工成型，其截面近似为矩形，截面底部为平面(如图5(a)所示)或圆弧面(如图5(b)所示)或其他形状；每个集液通道的宽度为所有蛇形微通道宽度之和的平均值的若干倍数，其槽深与阵列微射流区域9保持一致以减小流动阻力。四个出液口7分布在主体4上侧面的四个角落处，沿周向相邻的两个出液口7通过一个集液通道8连接；每个出液口7贯穿主体4，可以是圆形通孔或方形通孔。
请参阅图8至图11，所述出流通道5为阶梯状通道，具体包括相对设置的两个第一支流道5-1，与两个第一支流道、冷却液出口管1均连通的第二支流道5-2。每个第一支流道5-1的宽度L9应大于微通道结构的出液口7的直径以使不同侧的第一支流道能完全罩盖同一侧的两个出液口，其两侧的壁厚L10、L11应不小于1.5mm；两个第一支流道5-1之间的空间便于冷却液入口管6穿过与主体4连接。第二支流道5-2的深度大于第一支流道5-1的深度以使出流通道呈阶梯状并满足冷却液出口管的连接；第二支流道5-2的侧面预设有通孔5-3，冷却出口管1与通孔5-3采用焊接、螺纹、法兰连接方式中的一种进行连接；第二支流道5-2侧部的壁厚L8、底部的壁厚L7均应不小于1.5mm。冷却液出口管1的内径D2不小于3mm，其壁厚L6不小于1.5mm，外部出液管与冷却液出口管为螺纹连接。本实施例中出流通道5与主体4采用真空电子束焊、激光焊、超声波焊等焊接方法焊接为一体，当然在其他实施例中也可采用可拆卸的连接方式，此时需要在出流通道与主体之间增设密封结构，密封结构包括设置于出流通道或主体上的密封槽、与密封槽相匹配的密封胶圈。
本实施例的工作过程如下：
通过外部供液管路将冷却液入口管6与具有一定压力的外部液冷源相连，温度较低的冷却介质通过冷却液入口管6和阵列分布的微射流孔11获得较高速度，直接冲击到盖板上与热源的极高热流密度区域相对应的区域进行冷却。冷却后的冷却介质经过辐射状的蛇形微通道10汇集到集液通道8中，冷却液在蛇形微通道10内流动的过程中一方面对盖板外部热源的其他区域进行冷却，另一方面能将盖板外部热源的热量从极高热流密度区域向四周扩散至整个主体上，将热源的热量均温到整个复合冷板上。然后，冷却液经过出液口7流至出流通道5的第一支流道5-1内，再汇集至第二支流道5-2内，最后从冷却液出口管1流到外部出液管路上，完成整个冷却过程。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种阵列微射流及微通道复合冷板，具有主体，主体的一侧设有用于和热源接触进行导热的盖板、另一侧设有冷却液入口管，其特征在于主体上设有阵列微射流结构和微通道结构，阵列微射流结构包括设置于主体侧面上并与热源的极高热流密度区域相对应的阵列微射流区域，设置于主体内部且进口与冷却液入口管连通、出口位于阵列微射流区域中以供由冷却液入口管进入的冷却液流动对热源的极高热流密度区域进行冷却的多个微射流孔；微通道结构包括设置于主体侧面上的集液通道，贯穿主体并与集液通道连接的出液口，以阵列微射流区域为中心呈辐射状布设于主体侧面上且两端分别与阵列微射流区域、集液通道连接以供射流后的冷却液流动将热源的热量扩散至整个主体上、同时对热源的其他区域进行冷却的多个微通道；主体与供冷却后的冷却液从主体离开的出流通道连接，出流通道完全罩盖出液口、其侧面设置供冷却液出口管安装的通孔。
2.根据权利要求1所述的一种阵列微射流及微通道复合冷板，其特征在于阵列微射流区域为设置于主体侧面上的槽状区域。
3.根据权利要求1所述的一种阵列微射流及微通道复合冷板，其特征在于每个微射流孔的轴线垂直于盖板。
4.根据权利要求1所述的一种阵列微射流及微通道复合冷板，其特征在于冷却液入口管的内径大于阵列微射流区域的对角线长度。
5.根据权利要求1所述的一种阵列微射流及微通道复合冷板，其特征在于每个微通道呈蛇形。
6.根据权利要求1所述的一种阵列微射流及微通道复合冷板，其特征在于出流通道包括完全罩盖出液口以供冷却后的冷却液从主体离开的第一支流道、与第一支流道连通且侧面预设有通孔的第二支流道。
7.根据权利要求6所述的一种阵列微射流及微通道复合冷板，其特征在于第一支流道的深度小于第二支流道的深度以使出流通道呈阶梯状。
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