CN111883497B - 一种液冷散热装置及散热系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液冷散热装置及散热系统，液冷散热装置包括石蜡液冷散热装置和微通道散热冷板，所述石蜡液冷散热装置一表面与热源连接，所述石蜡液冷散热装置另一表面与所述微通道散热冷板连接；散热系统包括液冷散热装置、循环水泵、传感系统、控制器、储液箱和风扇，本发明将石蜡液冷散热装置与微通道散热冷板结合使用，同时采用散热系统进行智能控制，能够效地根据热源的温度变化进行及时降温，提高散热系统的散热程度。

Description

一种液冷散热装置及散热系统

技术领域

本发明属于机械散热领域，具体涉及一种液冷散热装置及散热系统。

背景技术

针对目前的相控阵天线发热量越来越大，庞大数量的T/R组件形成一个个独立的发热单元，很高的热流密度以及局部高温，大大降低了相控阵天线的使用寿命。军用大功率LED 目前的散热方式几乎也是传统的风冷散热，而在军用相控阵天线上，目前主要还是风冷散热的方式，在液冷散热技术上均有相关报道，但也仅限于理论和实验阶段，还没有实际应用阶段，随着电子设备的功率越来越高，集成度要求变得越来越大，芯片热源的发热量将会很大，如果散热问题没有跟上，一旦热量无法及时有效排出，那么将会引起芯片结构变形，并且会导致电子设备使用寿命下降。以Inter2000-2019年发布的芯片为例，这10年间芯片热处理功耗由57.5W上升到165W，然而芯片的工作温度要求并没有提升，实验表明，电子元器件温度每升高2℃，其可靠性下降10％，所以需要开发一套行之有效的液冷散热系统进入到相控阵天线等热源的散热使用中，这也将大大提高相控阵天线或者高功率LED等热源的使用寿命。

在申请号为201520509923.X，专利名称为《翅片式微通道梭形散热器》公布了一种采用激光3D打印的翅片式梭形微通道散热器，其所描述的微通道结构为两个互相对称的横截面为圆形的通道组成，这种环形通道之间流道转向接近于180℃，增大了流动阻力，并不利于微通道流体的流动，散热效果受限。

在申请号为201910478924.5，专利名称为《一种液冷通道的高效散热结构》公布了一种“C”形槽微通道，在圆形冷板中有6个“C”形槽微通道，然而该结构的微通道所占冷板面积很小，流体在冷板中的流动时间没有足够长，而且C形槽流道转向过大，并不利于流体在微通道内流动，这导致了散热效果较差。

发明内容

本发明为了解决目前散热结构散热效率低下，散热方式单一以及无法用智能控制的方法来高效处理散热的技术问题，提供了一种液冷散热装置及散热系统。

本发明采用的技术方案如下：

一种液冷散热装置，包括石蜡液冷散热装置和微通道散热冷板，所述石蜡液冷散热装置一表面与热源连接，所述石蜡液冷散热装置另一表面与所述微通道散热冷板连接；

所述微通道散热冷板包括依次连接的散热盖板、过渡冷板和热沉冷板；所述散热盖板上设置盖板进液口和出液口，所述过渡冷板上设置有过渡进液口、汇流出口、若干中间过渡入口和若干直流道，所述过渡进液口与所述盖板进液口连通，所述中间过渡入口通过所述直流道与所述过渡进液口连通；所述热沉冷板上设置有汇液口和若干热沉进液口，所述汇液口通过主流道与所述热沉进液口连接，所述热沉进液口与所述中间过渡入口连通；所述出液口、汇流出口和所述汇液口连通。

进一步的，所述过渡冷板上还设置有若干汇流口，所述汇流口和所述过渡进液口均布在所述汇流出口外侧，所述过渡进液口与相邻汇流口、相邻汇流口之间通过所述直流道连通，所述汇流口通过直流道还连接相邻的中间过渡入口。

进一步的，所述热沉冷板相邻主流道之间设置有分支流道，所述分支流道构成环状通道，使所述热沉进液口进入的液体通过主流道分散至分支流道，最终汇总至汇液口。

进一步的，所述环状通道的宽度往靠近汇液口的方向逐渐增加。

进一步的，所述石蜡液冷散热装置包括石蜡盖板和石蜡冷板，所述石蜡盖板与所述热沉冷板连接，所述石蜡冷板上设置有若干“U”型流道槽，所述“U”型流道槽不连通，所述“U”型流道槽内设置有圆环形孔槽，所述孔槽内填充石蜡。

一种基于液冷散热装置的散热系统，包括所述液冷散热装置、循环水泵、传感系统、控制器、储液箱和风扇，所述液冷散热装置的盖板进液口、循环水泵、储液箱、出液口依次连接，所述风扇用于对所述储液箱进行散热；

所述传感系统包括

设置在盖板进液口与循环水泵间的第一压力传感器和第一温度传感器；

设置在储液箱和出液口间的第二压力传感器、第二温度传感器；

设置在储液箱上的液位传感器；

设置在热源上的第三温度传感器；

所述控制器用于接收所述传感系统的信号，采用PID反馈控制方法或分级控制方法控制循环水泵和风扇。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明将石蜡液冷散热装置与微通道散热冷板结合使用，同时使用分级控制方法作为其中的一种控制方法，能有效地根据热源的温度变化进行及时降温，提高散热系统的散热程度；

石蜡散热装置中的结构采用“U”型流道槽，并在阵列的“U”型流道槽中间处设置了石蜡圆环安装孔槽，石蜡在液化过程可以将热源的产生的热量大部分吸走，冷却液可以在流道槽内顺畅有序地循环，能进一步将热量传到另一面的微通道散热冷板。

本发明微通道散热冷板中液体在过渡冷板迅速分散开来，并一起进入热沉冷板，主流道和分支流道相互交错，形成多种路径，产生诸多混流，能够使得微通道热沉冷板中各处温度均匀，不会出现局部高温的现象，能够起到高效散热的作用。

在热沉冷板中，环状通道的宽度采用往外逐层增加的结构，能使热源的最高温度相对于传统平行流道降低了接近5℃，能进一步提高了散热效率，达到高效散热的目的。

在散热系统中，将液位传感器放在储液箱中，一旦储液箱、管道、或者微通道热沉出现漏水、缺水的情况，液位传感器可以迅速检测出来。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明中液冷散热装置的结构示意图；

图2是本发明中散热盖板的结构示意图；

图3是本发明中过渡冷板的结构示意图；

图4是本发明中热沉冷板的结构示意图；

图5是本发明中石蜡冷板的结构示意图；

图6是本发明中实验一中热沉冷板的温度分布图；

图7是本发明中实验一中热沉冷板的速度分布图；

图8是本发明实验二中热沉冷板的温度分布图；

图9是现有技术中直流道冷却板的示意图；

图10是现有技术直流道仿真结果图；

图11是本发明中散热系统的系统架构图；

附图标记：

1-散热盖板，11-盖板进液口，12-出液口，2-过渡冷板，21-过渡进液口，22-汇流出口， 23-中间过渡入口，24-直流道，25-汇流口，3-热沉冷板，31-汇液口，32-热沉进液口，33-主流道，34-分支流道，4-石蜡盖板，5-石蜡冷板，51-流道槽，52-圆环形孔槽，61-循环水泵， 62-风扇，63-控制器，64-储液箱，65-第一压力传感器，66-第二压力传感器，67-第一温度传感器，68-第二温度传感器，69-第三温度传感器，610-液位传感器，611-LED，612-触摸屏。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

下面结合附图对本发明作详细说明。

实施例1

一种液冷散热装置，如图1所示，包括石蜡液冷散热装置和微通道散热冷板，所述石蜡液冷散热装置一表面与热源连接，所述石蜡液冷散热装置另一表面与所述微通道散热冷板连接：

所述微通道散热冷板包括依次连接的散热盖板1、过渡冷板2和热沉冷板3；所述散热盖板1上设置盖板进液口11和出液口12，所述出液口12设置在盖板中心，所述盖板进液口11可设置在出液口12附近位置，如图2所示。

所述过渡冷板2上设置有过渡进液口21、汇流出口22、若干中间过渡入口23和若干直流道24，所述过渡进液口21与所述盖板进液口11连通，所述中间过渡入口23通过所述直流道24与所述过渡进液口21连通；所述过渡冷板2上还设置有若干汇流口25，所述汇流口25和所述过渡进液口21均布在所述汇流出口22外侧，所述过渡进液口21与相邻汇流口 25、相邻汇流口25之间通过所述直流道24连通，所述汇流口25通过直流道24还连接相邻的中间过渡入口23。

本实施例中汇流口25的数量为3个，汇流出口22设置在过渡冷板2中心，过渡进液口 21与汇流口25均匀分布在所述汇流出口22的四周，过渡进液口21与临近的汇流口25通过直流道24连通，相邻汇流口25之间也通过直流道24连通，过渡进液口21通过3个直流道24分别连接3个中间过渡入口23，与所述过渡进液口21相对的汇流口25也通过3个直流道24分别连接3个中间过渡入口23，与过渡进液口21相邻的汇流口25通过1个直流道24连接1个中间过渡入口23，该8个中间过渡入口23以汇流出口22为圆心，圆形阵列于所述过渡冷板2上，如图3所示。

所述热沉冷板3上设置有汇液口31和若干热沉进液口32，所述汇液口31通过主流道 33与所述热沉进液口32连接，所述热沉进液口32与所述中间过渡入口23连通；所述出液口12、汇流出口22和所述汇液口31连通。所述热沉冷板3相邻主流道33之间设置有分支流道34，所述分支流道34构成环状通道，使所述热沉进液口32进入的液体通过主流道33 分散至分支流道34，最终汇总至汇液口31。所述环状通道的宽度往靠近汇液口31的方向逐渐增加。本实施例中，热沉进液口32有8个，与所述中间过渡入口23呈一一对应关系，如图4所示。

所述微通道散热冷板的工作原理是：冷却液经散热盖板1进液口进入，流入过渡进液口 21经直流道24分散至中间过渡入口23，再经中间过渡入口23流至热沉进液口32，再通过主流道33和分支流道34汇总至汇液口31，液体经汇液口31和汇流出口22从出液口12流出。

该微通道散热冷板可以采用3D打印一体成型。

所述石蜡液冷散热装置包括石蜡盖板4和石蜡冷板5，所述石蜡盖板4与所述热沉冷板 3连接，所述石蜡冷板5上设置有若干“U”型流道槽51，所述“U”型流道槽51不连通，所述“U”型流道槽51内设置有圆环形孔槽52，所述孔槽内填充石蜡，在热源产生热量时，孔槽中的石蜡将进行液化吸热。所述石蜡液冷散热装置可先采用3D打印好底板，再装上石蜡，再通过3D打印盖板，最后留一个孔注入冷却液即可，如图5所示。

实施例2

本实施例基于实施例1，热沉冷板3中主流道33和分支流道34最终形成类似蛛网的结构，主流道33和分支流道34之间的67.5°，主流道33两侧均分布着众多分支流道34，整个热沉冷板3尺寸是155mm*150mm*2mm，汇液口31的内径为4mm，外径为6mm，主流道33的宽为2mm，高为1mm。分支流道34宽度也可以往靠近汇液口31的方向逐渐增加，两条分支流道34之间间距4.62mm，最内侧的分支流道34尺寸为2.49mm，第二层分支流道 34为1.39mm，第三层分支流道34的宽为1.57mm，第四层分支流道34的宽为1.75mm，分支流道34以0.18mm依次逐层增，这些尺寸均可随着热源面积的变化而改变，分支流道34 宽度也可以相同，宽为1.5mm，高为1mm。过渡冷板2的尺寸是150mm*150mm*1.5mm，八个直流道24中，每个直流道24的宽度为1.5mm，高为1mm，而这八个直流道24尽头的入口即中间过渡入口23，直径为1.5mm，而过渡进液口21的直径为10mm，其他三个汇流口25直径为6mm。盖板进液口11和出液口12内径均为4mm，外径均为6mm。

实施例3

本实施例中，对微通道散热冷板的性能进行说明。

实验一(针对分流通道宽度相同时)

实验条件：微通道散热冷板均采用铝，并冷却液为清水。入口条件为：采用速度入口 0.5m/s。出口条件：压力出口，基准压力采用标准大气压。发热装置：微通道散热冷板底面紧贴着一块尺寸为120mm*67mm*2mmd的热源，热源发热功率为150W。

仿真结果：

表面温度分布如图6所示，微通道散热冷板壁面峰值温度为306.4578K，最低温度为 300K，温差较小且温度较为均匀。

流速分布图如图7所示，因为微通道散热冷板的流道结构多样，流道结构之间耦合性较强，所以流速分布均匀，能够有效地带走更多的热源热量。综上所述，采用蛛网型微通道热沉冷板3，可以显著的提高散热效率，而且温度分布较为均匀。

实验二(针对分流通道宽度变化时)

实验条件：微通道散热冷板的支流通道包括10圈，从内到外的支流通道宽度分别为 2.49、1.39、1.57、1.76、1.94、2.12、2.31、2.49、2.67、2.85；单位为mm；提供工质为清水。入口条件为：采用速度入口0.5m/s，水温为300K。出口条件：压力出口，基准压力采用标准大气压。发热装置：微通道散热冷板底面紧贴着一块尺寸为120mm*67mm*2mmd的热源，热源发热功率为150W。

仿真结果：

表面温度分布如图8所示，微通道散热冷板壁面峰值温度为304.6923K，最低温度为 300K，温差较小且温度较为均匀。本发明所述的微通道散热冷板在散热上效果显著，而且热源的温度分布非常均匀。图10是现有技术直流道24仿真结果图，仿真结果表明，在与实施例2条件完全相同的情况下图9所示的直流道24冷却板冷却温度为热沉壁面峰值温度为308.1719K，最低温度为300K，且热量相当集中，相比本发明实施例2或实施例3，现有技术温度更高，而且中间热流密度很大，热量更集中。而本发明的散热效果足足降了接近5 ℃。

实施例4

本实施例提供一种基于液冷散热装置的散热系统，如图11所示，包括所述液冷散热装置、循环水泵61、传感系统、控制器63、储液箱64和风扇62，所述液冷散热装置的盖板进液口11、循环水泵61、储液箱64、出液口12依次连接，所述风扇62用于对所述储液箱 64进行散热；

所述传感系统包括设置在盖板进液口11与循环水泵61间的第一压力传感器65和第一温度传感器67；设置在储液箱64和出液口12间的第二压力传感器66、第二温度传感器68；设置在储液箱64上的液位传感器610；设置在热源上的第三温度传感器69；所述控制器63用于接收所述传感系统的信号，采用PID反馈控制方法或分级控制方法控制循环水泵 61和风扇62。

所述PID温度控制方法主要原理是依据反馈信息与变化率等信息，自动修复K_p、K_i、K_d三个参数的值，以达到最佳的控制效果。所述的控制方法作为模式一，即水泵及风扇62导通运行所占的占空比逐渐变化的过程是从0到100％，与之相对应是系统的液体回流温度逐渐接近设定温度并趋于稳定。

所述控制方法在触摸屏612上进行实现，还有模式二，即分段控制法。

所述模式二具体实施是，根据散热强度进行分级控制，即温度传感器检测到热源温度≤50℃时，不开启散热系统，利用石蜡液冷散热装置进行散热降温；当温度传感器检测到热源温度为50～70℃时，启动散热系统，此时，石蜡液冷散热装置与液冷散热系统同时进行；当温度传感器检测到热源温度为70～90℃时，启动循环水泵61中级加速并启动风扇62运转，加快冷却液的流动进一步降温；当温度传感器检测到热源温度为90～120℃时，启动水泵高级加速及热电制冷片的运行，达到多重散热的目的。

控制器63设置有用于人机交互的触摸屏612，控制器63还连接有GSM通信模块，用于无线连接移动设备。

散热系统的工作原理为：

在热源产生热量时，孔槽中的石蜡将进行液化吸热，而石蜡盖板4将产生的热量传递至上方紧贴的微通道散热冷板，微通道散热冷板则由循环水泵61提供动力进行冷却液的循环流动，一旦热源的热量急剧增加，温度传感器将检测到的温度信息传递至单片机，将加速水泵的流动并同时启动风扇62及热电制冷片。该石蜡液冷相结合的散热装置可用于相控阵天线的散热，相控阵天线上集成了数以千万计的电子器件，庞大数量的T/R组件阵列单元形成独立的系统，导致热功率越来越大，这也将导致结构变形从而影响天线的性能指标，降低雷达的整机性能，采用本发明的液冷散热系统，那么将大大提高相控阵天线的使用寿命。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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)

1.一种液冷散热装置，其特征在于，包括石蜡液冷散热装置和微通道散热冷板，所述石蜡液冷散热装置一表面与热源连接，所述石蜡液冷散热装置另一表面与所述微通道散热冷板连接；

所述微通道散热冷板包括依次连接的散热盖板(1)、过渡冷板(2)和热沉冷板(3)；所述散热盖板(1)上设置盖板进液口(11)和出液口(12)，所述过渡冷板(2)上设置有过渡进液口(21)、汇流出口(22)、若干中间过渡入口(23)和若干直流道(24)，所述过渡进液口(21)与所述盖板进液口(11)连通，所述中间过渡入口(23)通过所述直流道(24)与所述过渡进液口(21)连通；所述热沉冷板(3)上设置有汇液口(31)和若干热沉进液口(32)，所述汇液口(31)通过主流道(33)与所述热沉进液口(32)连接，所述热沉进液口(32)与所述中间过渡入口(23)连通；所述出液口(12)、汇流出口(22)和所述汇液口(31)连通。

2.根据权利要求1所述的一种液冷散热装置，其特征在于：所述过渡冷板(2)上还设置有若干汇流口(25)，所述汇流口(25)和所述过渡进液口(21)均布在所述汇流出口(22)外侧，所述过渡进液口(21)与相邻汇流口(25)、相邻汇流口(25)之间通过所述直流道(24)连通，所述汇流口(25)通过直流道(24)还连接相邻的中间过渡入口(23)。

3.根据权利要求1所述的一种液冷散热装置，其特征在于：所述热沉冷板(3)相邻主流道(33)之间设置有分支流道(34)，所述分支流道(34)构成环状通道，使所述热沉进液口(32)进入的液体通过主流道(33)分散至分支流道(34)，最终汇总至汇液口(31)。

4.根据权利要求3所述的一种液冷散热装置，其特征在于：所述环状通道的宽度往靠近汇液口(31)的方向逐渐增加。

5.根据权利要求1所述的一种液冷散热装置，其特征在于：所述石蜡液冷散热装置包括石蜡盖板(4)和石蜡冷板(5)，所述石蜡盖板(4)与所述热沉冷板(3)连接，所述石蜡冷板(5)上设置有若干“U”型流道槽(51)，所述“U”型流道槽(51)不连通，所述“U”型流道槽(51)内设置有圆环形孔槽(52)，所述孔槽内填充石蜡。

6.一种基于权利要求1所述的液冷散热装置的散热系统，其特征在于：包括所述液冷散热装置、循环水泵(61)、传感系统、控制器(63)、储液箱(64)和风扇(62)，所述液冷散热装置的盖板进液口(11)、循环水泵(61)、储液箱(64)、出液口(12)依次连接，所述风扇(62)用于对所述储液箱(64)进行散热；

所述传感系统包括

设置在盖板进液口(11)与循环水泵(61)间的第一压力传感器(65)和第一温度传感器(67)；

设置在储液箱(64)和出液口(12)间的第二压力传感器(66)、第二温度传感器(68)；

设置在储液箱(64)上的液位传感器(610)；

设置在热源上的第三温度传感器(69)；

所述控制器(63)用于接收所述传感系统的信号，采用PID反馈控制方法或分级控制方法控制循环水泵(61)和风扇(62)。

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