CN111863748B - 一体化微型冷却器及冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种一体化微型冷却器及冷却系统，其中一体化微型冷却器包括板状的壳体以及集成于壳体的压电泵，壳体内设有相间的且旋转中心相同的第一螺旋微流道和第二螺旋微流道，压电泵的泵腔位于第一螺旋微流道的旋转中心处；第一螺旋微流道的一端连接于壳体上的冷却液进口，第一螺旋微流道的另一端连通于压电泵的泵腔的进口；第二螺旋微流道的一端连接于壳体上的冷却液出口，第二螺旋微流道的另一端连通于压电泵的泵腔的出口。该一体化微型冷却器有效提高电子器件微通道液冷冷却系统的集成化水平，降低冷却系统部件检修更换难度，同时最大程度发挥压电泵的流体脉动效应，强化第一螺旋微流道和第二螺旋微流道的传热效果。

Description

一体化微型冷却器及冷却系统

技术领域

本发明涉及电子器件冷却设备技术领域，尤其涉及一种一体化微型冷却器及冷却系统。

背景技术

随着制造、电子、计算机等技术的发展，集成电路芯片高性能、集成化、微型化的发展趋势越来越明显，芯片功耗和散热问题越来越严重，新一代电子设备的热流体量已经达到一百多瓦每平方米。如果高功耗电子器件产生的热量不能够及时地散发出去，将使其长期工作在高温情况下，会严重影响器件的工作寿命，甚至造成器件的失效，威胁相关系统稳定性和工作寿命。因此，必须提高集成电路芯片散热性能，以确保芯片正常工作。

电子器件散热问题的核心是热设计问题，即利用各种方法控制电子器件和设备内部发热元件的温度，使其能够工作在一个合适的温度范围内，不超过限制的最高温度。目前，常见的电子器件散热方法主要包括空气冷却，液体冷却，相变冷却和热电冷却等。其中液体冷却是以液体作为介质对电子器件进行散热，其具有低噪音，高散热效率等优点。微通道散热是最有效的液冷散热技术之一，其原理是通过驱动流体在微通流道中流动将热源芯片热量导出，实现高功耗电子器件的有效散热。传统的电子器件微流道散热系统为分离式(如图1所示)，包括依次通过管道相连的微通道散热器101、驱动泵102和外部冷却器，其采用独立的驱动泵102驱动冷却液体流过微通道散热器101完成散热，需要为驱动泵102单独预留安装位置，导致微通道液冷系统难以进一步集成，且增大系统的安装维护难度。

发明内容

本发明实施例提供一种一体化微型冷却器及冷却系统，用以解决现有技术中的微流道散热系统需要为驱动泵预留安装位置，增加安装维护难度的问题，提高系统的集成化水平。

本发明实施例提供一种一体化微型冷却器，包括板状的壳体以及集成于所述壳体的压电泵，所述壳体内设有相间的且旋转中心相同的第一螺旋微流道和第二螺旋微流道，所述压电泵的泵腔位于所述第一螺旋微流道的旋转中心处；所述第一螺旋微流道的一端连接于所述壳体上的冷却液进口，所述第一螺旋微流道的另一端连通于所述压电泵的泵腔的进口；所述第二螺旋微流道的一端连接于所述壳体上的冷却液出口，所述第二螺旋微流道的另一端连通于所述压电泵的泵腔的出口。

根据本发明一个实施例的一体化微型冷却器，所述壳体包括冷却器背板和冷却器盖板，所述冷却器背板的内侧表面设有第一螺旋间壁和第二螺旋间壁，所述冷却器盖板贴合于所述第一螺旋间壁和所述第二螺旋间壁，以构成所述第一螺旋微流道和所述第二螺旋微流道。

根据本发明一个实施例的一体化微型冷却器，所述第一螺旋间壁和所述第二螺旋间壁的内侧边缘围设成O形驱动腔，以构成所述压电泵的泵腔，所述压电泵的压电振子安装于所述冷却器盖板上且与所述O形驱动腔相对应。

根据本发明一个实施例的一体化微型冷却器，所述O形驱动腔与所述第一螺旋微流道的相接处设有第一V型单向阀，以使所述第一螺旋微流道内的流体单向流入所述O形驱动腔；所述O形驱动腔与所述第二螺旋微流道的相接处设有第二V型单向阀，以使所述O形驱动腔内的流体由所述第二螺旋微流道单向排出。

根据本发明一个实施例的一体化微型冷却器，所述第一螺旋间壁和所述第二螺旋间壁为采用激光蚀刻或化学蚀刻方式在所述冷却器背板上加工而成的螺旋形微细槽道壁。

根据本发明一个实施例的一体化微型冷却器，所述冷却器背板的外侧表面设有电子器件安装位，所述电子器件安装位上覆设有导热硅胶层或锡焊连接层，以贴合待冷却的电子器件。

根据本发明一个实施例的一体化微型冷却器，所述第一螺旋微流道和所述第二螺旋微流道呈中心对称设置。

根据本发明一个实施例的一体化微型冷却器，所述第一螺旋微流道和所述第二螺旋微流道呈阿基米德平面双螺线型。

本发明实施例还提供一种冷却系统，包括如上述所述的一体化微型冷却器，还包括外部冷却器，所述外部冷却器用于将冷却液携带的热量释放到外部环境中；所述一体化微型冷却器的冷却液出口连接于所述外部冷却器的进口，所述一体化微型冷却器的冷却液进口连接于所述外部冷却器的出口。

本发明实施例提供的一体化微型冷却器及冷却系统，其中一体化微型冷却器通过将微型的压电泵与第一螺旋微流道和第二螺旋微流道集成为一个冷却单元，简化液冷系统构成，有效提高电子器件微通道液冷冷却系统的集成化水平，降低冷却系统部件检修更换难度，同时最大程度发挥压电泵的流体脉动效应，强化第一螺旋微流道和第二螺旋微流道的传热效果，更有利于减小冷却系统空间占用率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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的附图。

图1是现有技术中的一种分离式电子器件液冷系统的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种一体化微型冷却器的结构示意图；

图3是本发明实施例中一体化微型冷却器的壳体内部结构示意图；

图4是图3中的壳体内部结构的中心局部放大图；

图5是本发明实施例中一体化微型冷却器的横截面示意图；

图6是本发明实施例提供的一种冷却系统的结构示意图。

附图标记：

1、壳体； 2、压电泵； 21、压电振子；

31、第一螺旋微流道； 32、第二螺旋微流道；

41、冷却液进口； 42、冷却液出口； 5、冷却器背板；

6、冷却器盖板； 71、第一螺旋间壁； 72、第二螺旋间壁；

8、O形驱动腔； 91、第一V型单向阀； 92、第二V型单向阀；

101、微通道散热器； 102、驱动泵；

103、外部冷却器； 104、一体化微型冷却器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动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。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“第一”“第二”是为了清楚说明产品部件进行的编号，不代表任何实质性区别。“上”“下”“左”“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在发明实施例中的具体含义。

如图2至图5所示，本发明实施例提供的一种一体化微型冷却器，包括板状的壳体1以及集成于壳体1的压电泵2，壳体1内设有相间的且旋转中心相同的第一螺旋微流道31和第二螺旋微流道32，压电泵2的泵腔位于第一螺旋微流道31的旋转中心处；第一螺旋微流道31的一端连接于壳体1上的冷却液进口41，第一螺旋微流道31的另一端连通于压电泵2的泵腔的进口；第二螺旋微流道32的一端连接于壳体1上的冷却液出口42，第二螺旋微流道32的另一端连通于压电泵2的泵腔的出口。

具体地，壳体1可以为圆形、矩形或者其他形状的壳体，本实施例中主要以壳体1为一圆盘形的板状壳为例进行说明，壳体1的直径与第一螺旋微流道31和第二螺旋微流道32的外缘直径相匹配，以实现微流道占比范围的最大化，提高冷却效率。

压电泵2是将压电振子21激发的振动作用于泵腔内的流体，使其产生动压或流量输出的一种驱动泵。压电泵2可以采用有阀压电泵或者无阀压电泵。其中，有阀压电泵是在泵腔的进口和出口处各设置一个机械式关闭的单向阀，工作中通过压电振子21和单向阀的动作配合实现对流体的连续定向输送。当压电振子21的两端施加交流电源时，压电振子21在电场作用下径向压缩，内部产生拉应力，从而使压电振子21弯曲变形。当压电振子21正向弯曲时，压电振子21伸长，泵腔容积增大，腔内流体压力减小，泵腔进口处的单向阀打开，出口处的单向阀关闭，流体进入泵腔；当压电振子21反向弯曲时，压电振子21收缩，泵腔容积减小，腔内流体压力增大，泵腔进口处的单向阀关闭，出口处的单向阀打开，泵腔液体被挤压排出，形成平缓的连续不断的定向流动。

此外，压电泵2还可以采用无阀压电泵，无阀压电泵是在泵腔的进口和出口处各设置一个收缩管/扩张管，随泵腔容积的变化，液体从进口和出口同时流入或排出，但由于收缩管和扩张管特殊的结构，每一个循环进、出口吸入和排出的流量不同。当泵腔容积增大时，进口(作为扩张管)的流体压力损失小于出口(作为收缩管)的流体压力损失，因而从进口流入液体多；反之，当泵腔容积减小时，出口(作为扩张管)排出的液体比进口(作为收缩管)排出的多，因此就形成了流体的单向流动。另外，收缩管/扩张管还可以采用Y形管、V形管或者其他符合要求的异型管。

如图3所示，第一螺旋微流道31和第二螺旋微流道32为设于壳体1内的两条旋转中心相同且相间设置的微流道，微流道的当量直径为10～1000μm。第一螺旋微流道31和第二螺旋微流道32的尺寸可以相同，也可以不同，本实施例中主要以两者尺寸相同为例进行说明，以实现微流道占比范围的最大化。第一螺旋微流道31的一端连接于冷却液进口41，以将低温的冷却流体引入；第二螺旋微流道32的一端连接于冷却液出口42，以将换热后的高温冷却流体排出。随着压电泵2的压电振子21的往复运动，低温冷却流体被持续引入一体化微型冷却器，高温冷却流体则被持续排出一体化微型冷却器，最大程度发挥压电泵2的流体脉动效应，强化螺旋微通道散热的传热效果。

本实施例提供的一体化微型冷却器，通过将微型的压电泵2与第一螺旋微流道31和第二螺旋微流道32集成为一个冷却单元，简化液冷系统构成，有效提高电子器件微通道液冷冷却系统的集成化水平，降低冷却系统部件检修更换难度，同时最大程度发挥压电泵2的流体脉动效应，强化第一螺旋微流道31和第二螺旋微流道32的传热效果，更有利于减小冷却系统空间占用率。

进一步地，如图2、图3和图5所示，壳体1包括冷却器背板5和冷却器盖板6，冷却器背板5的内侧表面设有第一螺旋间壁71和第二螺旋间壁72，冷却器盖板6贴合于第一螺旋间壁71和第二螺旋间壁72，以构成第一螺旋微流道31和第二螺旋微流道32。具体地，冷却器盖板6盖设于冷却器背板5的上方，通过锡焊或者扩散焊等方式与第一螺旋间壁71和第二螺旋间壁72的上表面紧密贴合。更进一步地，第一螺旋间壁71和第二螺旋间壁72为采用激光蚀刻方式或化学蚀刻方式在冷却器背板5上加工而成的螺旋形微细槽道壁。

更进一步地，如图4和图5所示，第一螺旋间壁71和第二螺旋间壁72的内侧边缘围设成O形驱动腔8，以构成压电泵2的泵腔，压电泵2的压电振子21安装于冷却器盖板6上且与O形驱动腔8相对应。具体地，本实施例中的O形驱动腔8位于圆盘形的壳体1的中心处，压电振子21也位于冷却器盖板6的正中间。

更进一步地，O形驱动腔8与第一螺旋微流道31的相接处设有第一V型单向阀91，以使第一螺旋微流道31内的流体单向流入O形驱动腔8；O形驱动腔8与第二螺旋微流道32的相接处设有第二V型单向阀92，以使O形驱动腔8内的流体由第二螺旋微流道32单向排出。工作时，当压电泵2的压电振子21在逆压电效应作用下向上运动时，在O形驱动腔8产生负压，由于第一V型单向阀91和第二V型单向阀92的作用，使冷却液在左侧流入O形驱动腔8的阻力明显小于从右侧流入O形驱动腔8的阻力，使低温冷却液体得以引入。当压电泵2的压电振子21在逆压电效应作用下向下运动时，在O形驱动腔8产生正压，由于第一V型单向阀91和第二V型单向阀92的作用，使冷却液在左侧排出O形驱动腔8的阻力明显大于从右侧排出O形驱动腔8的阻力，使高温冷却液体得以排出。

更进一步地，冷却器背板5的外侧表面设有电子器件安装位(图中未示出)，电子器件安装位上覆设有导热硅胶层或锡焊连接层，以贴合待冷却的电子器件，减小接触热阻。

进一步地，如图3所示，第一螺旋微流道31和第二螺旋微流道32呈中心对称设置。更进一步地，第一螺旋微流道31和第二螺旋微流道32呈阿基米德平面双螺线型。

如图6所示，本发明实施例还提供一种冷却系统，包括如上述的一体化微型冷却器104，还包括外部冷却器103，外部冷却器103用于将冷却液携带的热量释放到外部环境中；一体化微型冷却器104的冷却液出口42连接于外部冷却器103的进口，一体化微型冷却器104的冷却液进口41连接于外部冷却器103的出口。

通过以上实施例可以看出，本发明提供的一体化微型冷却器及冷却系统，其中一体化微型冷却器通过将微型的压电泵2与第一螺旋微流道31和第二螺旋微流道32集成为一个冷却单元，简化液冷系统构成，有效提高电子器件微通道液冷冷却系统的集成化水平，降低冷却系统部件检修更换难度，同时最大程度发挥压电泵2的流体脉动效应，强化第一螺旋微流道31和第二螺旋微流道32的传热效果，更有利于减小冷却系统空间占用率。压电泵2在驱动冷却液体流动过程中，其周期性振动产生的脉动效应可直接作用于螺旋微流道，使冷却液体在螺旋微流道内部产生较强的周期性振荡，有利于破坏冷却器内的传热边界层并强化其传热效果，提升其液冷散热效果，可使传热结构更为紧凑。该冷却系统实现了微通道散热器与微型的压电泵在结构和功能上的一体化集成，无需为驱动泵单独预留安装空间，结构紧凑，故障更换容易。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种一体化微型冷却器，其特征在于，包括板状的壳体以及集成于所述壳体的压电泵，所述壳体内设有相间的且旋转中心相同的第一螺旋微流道和第二螺旋微流道，所述压电泵的泵腔位于所述第一螺旋微流道的旋转中心处；所述第一螺旋微流道的一端连接于所述壳体上的冷却液进口，所述第一螺旋微流道的另一端连通于所述压电泵的泵腔的进口；所述第二螺旋微流道的一端连接于所述壳体上的冷却液出口，所述第二螺旋微流道的另一端连通于所述压电泵的泵腔的出口；

所述壳体包括冷却器背板和冷却器盖板，所述冷却器背板的内侧表面设有第一螺旋间壁和第二螺旋间壁，所述冷却器盖板贴合于所述第一螺旋间壁和所述第二螺旋间壁，以构成所述第一螺旋微流道和所述第二螺旋微流道。

2.根据权利要求1所述的一体化微型冷却器，其特征在于，所述第一螺旋间壁和所述第二螺旋间壁的内侧边缘围设成O形驱动腔，以构成所述压电泵的泵腔，所述压电泵的压电振子安装于所述冷却器盖板上且与所述O形驱动腔相对应。

3.根据权利要求2所述的一体化微型冷却器，其特征在于，所述O形驱动腔与所述第一螺旋微流道的相接处设有第一V型单向阀，以使所述第一螺旋微流道内的流体单向流入所述O形驱动腔；所述O形驱动腔与所述第二螺旋微流道的相接处设有第二V型单向阀，以使所述O形驱动腔内的流体由所述第二螺旋微流道单向排出。

4.根据权利要求1所述的一体化微型冷却器，其特征在于，所述第一螺旋间壁和所述第二螺旋间壁为采用激光蚀刻或化学蚀刻方式在所述冷却器背板上加工而成的螺旋形微细槽道壁。

5.根据权利要求1所述的一体化微型冷却器，其特征在于，所述冷却器背板的外侧表面设有电子器件安装位，所述电子器件安装位上覆设有导热硅胶层或锡焊连接层，以贴合待冷却的电子器件。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的一体化微型冷却器，其特征在于，所述第一螺旋微流道和所述第二螺旋微流道呈中心对称设置。

7.根据权利要求6所述的一体化微型冷却器，其特征在于，所述第一螺旋微流道和所述第二螺旋微流道呈阿基米德平面双螺线型。

8.一种冷却系统，其特征在于，包括如权利要求1至7中任一项所述的一体化微型冷却器，还包括外部冷却器，所述外部冷却器用于将冷却液携带的热量释放到外部环境中；所述一体化微型冷却器的冷却液出口连接于所述外部冷却器的进口，所述一体化微型冷却器的冷却液进口连接于所述外部冷却器的出口。

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