CN112105226B - 内置螺旋式液体通道的大功率芯片散热系统及其散热方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了内置螺旋式液体通道的大功率芯片散热系统及其散热方法。仅在吸热盒外部制造水冷或风冷环境已难以实现大功率芯片的散热要求。本发明中吸热盒的流体入口、双向蠕动泵、双涡状线形冷凝管、单向蠕动泵和吸热盒的流体出口依次连通；双涡状线形冷凝管由风扇风冷散热；储液箱的内腔与双涡状线形冷凝管中两根涡状管的连通口通过传输通道连接；传输通道上设有压力阀；吸热盒内螺旋式液体通道的一端通过入口直通道与流体入口连接，另一端通过出口直管与流体出口连接；入口直通道内壁设有螺旋桨叶片式结构；螺旋式液体通道的每个螺旋管段通过支管与储液箱内腔连通；储液箱内设有冷却液。本发明的风冷系统与液冷系统具有复合散热效果。

Description

内置螺旋式液体通道的大功率芯片散热系统及其散热方法
技术领域
本发明属于散热技术领域，具体涉及一种内置螺旋式液体通道的大功率芯片散热系统及其散热方法。
背景技术
大功率芯片是大多数电子设备的核心，应用范围极其广泛，经常被用在军用设备、工程应用、PC、互联网、智能数控、医疗和电力设备领域等。其中互联网应用、智能数控和电力设备是大功率芯片的重要应用范畴。
随着现代电子装备技术越来越先进，大功率芯片正向着体积更小，集成度更高，速度更快的方向发展。集成度的提高使得芯片的功耗越来越大。
芯片发热量大，若散热效果不足，多余的热量将使芯片里有源区温度增加及PN结温度提高，造成芯片可靠性得不到保障，使芯片工作状态受到影响，严重时会造成器件损坏。随着芯片温度的上升，在芯片的内部，通过PN结的电流也会跟着增大，温度的上升也会造成开关速度的降低。著名的10℃法则指出：当电子器件的温度在70-80℃水平上每增加10℃，可靠性就会下降50％，温度的变化会对芯片的物理参数和性能均带来十分明显的影响。温度越高，大功率芯片失效发生可能性就越大。
传统的芯片散热器根据散热方式可分为风冷、水冷和热管三种，主要通过在吸热盒外部制造水冷或风冷环境的方式进行芯片散热。随着计算机的更新换代，大功率芯片的尺寸不断减小，而功率密度不断提高，对芯片的散热要求也越来越苛刻。因此，仅在吸热盒外部制造水冷或风冷环境已难以实现大功率芯片的散热要求。
发明内容
本发明针对目前大功率芯片尺寸不断减小，功率密度不断提高，而传统的芯片散热器不能满足日益增长的芯片散热要求的问题，提供一种内置螺旋式液体通道的大功率芯片散热系统及其散热方法，为外置风冷系统与内置液冷系统的结合，相较于传统液冷散热器，具有复合散热效果。
本发明内置螺旋式液体通道的大功率芯片散热系统，包括底板、储液箱、吸热盒、双向蠕动泵、双涡状线形冷凝管、单向蠕动泵、双涡状线形冷凝管、圆孔散热板和后置风扇；双向蠕动泵、单向蠕动泵、圆孔散热板和储液箱均固定在底板上；所述的吸热盒固定在储液箱开设的槽口处，所述的底板在储液箱的槽口正下方开设通槽；吸热盒底部漏出储液箱外，并伸入底板的通槽内；储液箱的槽口处设有密封圈；吸热盒上的流体入口与双向蠕动泵的一个通液口通过穿过储液箱的一根软管连接，双向蠕动泵的另一个通液口与双涡状线形冷凝管的一端通过一根软管连接，双涡状线形冷凝管的另一端与单向蠕动泵的输出口通过一根软管连接，单向蠕动泵的输入口与吸热盒上的流体出口通过穿过储液箱的一根软管连接；所述的双涡状线形冷凝管与圆孔散热板固定，并与圆孔散热板的内侧贴合；所述的后置风扇固定在圆孔散热板外侧；所述的圆孔散热板开设有连通两侧面的若干圆孔；储液箱的内腔与双涡状线形冷凝管中两根涡状管的连通口通过传输通道连接；所述的传输通道上设有压力阀。吸热盒内固定有螺旋式液体通道；螺旋式液体通道的一端通过入口直通道与流体入口连接，另一端通过出口直管与流体出口连接；所述的入口直通道内壁设有螺旋桨叶片式结构；螺旋式液体通道的每个螺旋管段连接有一根支管，支管穿过吸热盒与储液箱内腔连通；吸热盒上插有热电偶，热电偶的信号输出端引出储液箱外与控制板连接；双向蠕动泵、单向蠕动泵和后置风扇均由控制板控制。储液箱内设有冷却液。
优选地，所述的螺旋式液体通道设有两个。
优选地，所述的流体入口和流体出口均为储液盒，储液盒的长、宽、高分别为32mm、22mm、16mm。
优选地，所述的冷却液为绿色纳米流体，配置方法为：将质量份数为1份的植物油、质量份数为0.5份的分散剂、质量份数为0.25份的纳米颗粒在有机玻璃容器内进行混合，再将质量份数为8.75份的去离子水加入容器内，开启超声搅拌器，设定搅拌周期为10～15分钟，循环搅拌5～10次，得到最终的绿色纳米流体。其中超声脉冲电源的脉冲频率设置为20kHz，功率设置为400W。
优选地，所述吸热盒的长、宽、高分别为120mm、110mm、60mm，材料为紫铜。所述螺旋式液体通道的内径为5mm，横截面中心位置所在螺旋线的半径为20mm，螺距为10mm，圈数为6，总长为756.6mm。所述入口直通道的内径为5mm，长度为42.5mm。所述支管的内径为4mm；所述软管的内径为5mm，外径为6mm。
优选地，所述的螺旋桨叶片式结构由沿螺旋线排布的多片叶片组成，相邻叶片沿入口直通道长度方向的间距为5mm，且各叶片在入口直通道的横截面上的投影沿圆周均布；所述叶片的宽度为2.38mm，长度为3.34mm，扭转角为44.8°。
优选地，所述的双涡状线形冷凝管总长为1757.5mm。
优选地，所述双向蠕动泵和单向蠕动泵的流量范围均为0-10L/min。
该内置螺旋式液体通道的大功率芯片散热系统的散热方法，具体如下：
将吸热盒底部与芯片贴合；在控制板连接的交互屏上设定危险温度，控制板接收热电偶传输的温度数据，判断当前温度低于危险温度时，进入低温工作模式，否则进入高温工作模式。
低温工作模式：双向蠕动泵电机正转，双涡状线形冷凝管内的冷却液经双向蠕动泵、流体入口、入口直通道、螺旋式液体通道和支管输送至储液箱内；同时，单向蠕动泵抽取冷却液，储液箱内的冷却液经支管、螺旋式液体通道、出口直管、流体出口和单向蠕动泵输送至双涡状线形冷凝管，实现冷却液循环。其中，螺旋式液体通道延长与冷却液的接触时间，提高热交换效率；入口直通道内的螺旋桨叶片式结构对冷却液进行预滚动处理，使冷却液与入口直通道内壁均匀接触，改善散热效果。而后置风扇对处于双涡状线形冷凝管内的冷却液进行风冷，进一步提高热交换效率。
高温工作模式：双向蠕动泵电机反转，与单向蠕动泵同时抽取冷却液，储液箱内的冷却液经支管进入螺旋式液体通道；螺旋式液体通道内的冷却液一部分经入口直通道、流体入口和双向蠕动泵输送至双涡状线形冷凝管，另一部分经出口直管、流体出口和单向蠕动泵输送至双涡状线形冷凝管；双涡状线形冷凝管两端进入的冷却液汇流对压力阀施加压力，压力阀的压力达到阈值时被顶开，冷却液通过传输通道回流到储液箱，实现冷却液循环。其中，螺旋式液体通道延长与冷却液的接触时间，提高热交换效率；入口直通道内的螺旋桨叶片式结构对冷却液进行预滚动处理，使冷却液与入口直通道内壁均匀接触，改善散热效果；后置风扇对处于双涡状线形冷凝管内的冷却液进行风冷，进一步提高热交换效率；而双向蠕动泵和单向蠕动泵同时抽取冷却液，加速储液箱内冷却液的热交换效率。
本发明具体的有益效果在于：
1、相比于传统液冷散热器，本发明具有复合散热效果，为风冷系统与内置液冷系统的结合。
2、本发明设计的螺旋式液体通道，相较于等跨距直通道，长度能增加11倍以上，等初速度下，冷却液与通道内壁的接触时间能延长11倍以上。
3、本发明设计的螺旋桨叶片式结构，每片叶片可提供44.8°的液体径向转向角，提高滚动频率，实现冷却液的预滚动处理，保证冷却液受热均匀，以达到最佳的散热效果。
4、本发明设计的双涡状线形冷凝管，相较于等跨度直冷凝管，长度能增加12倍以上，保证高温冷却液的快速冷却，且双涡状线的形状可实现冷却液的循环利用。
5、本发明针对大功率芯片正常运作与高速运作两种工作状态，设计了不同的散热方案：控制板接收热电偶传输的实时温度数据，在低于设定的危险温度时为低温工作模式，否则切换为高温工作模式。高温工作模式下，除了具备低温工作模式的所有功能，双向蠕动泵和单向蠕动泵同时抽取冷却液，还能加速储液箱内冷却液的热交换效率。
6、本发明采用的绿色纳米流体，是一种纳米级环境友好型的冷却液，高效率低能耗，清洁无污染，且可以循环利用。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为本发明的储液箱及吸热盒内部结构示意图。
图3为本发明中螺旋式液体通道、入口直通道、出口直管、支管以及螺旋桨叶片式结构的示意图。
图4为本发明中单片叶片的结构示意图。
图5为本发明中螺旋桨叶片式结构在入口直通道的横截面上的投影示意图。
图6为本发明中双涡状线形冷凝管与圆孔散热板的装配示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1、图2、图3和图6所示，内置螺旋式液体通道的大功率芯片散热系统，包括底板17、储液箱8、吸热盒1、双向蠕动泵10、双涡状线形冷凝管12、单向蠕动泵11、双涡状线形冷凝管12、圆孔散热板13和后置风扇14；双向蠕动泵10、单向蠕动泵11、圆孔散热板13和储液箱8均固定在底板17上；吸热盒1固定在储液箱8开设的槽口处，底板17在储液箱8的槽口正下方开设通槽；吸热盒1底部漏出储液箱8外，并伸入底板17的通槽内，使得吸热盒1能与芯片紧密贴合；储液箱8的槽口处设有密封圈；吸热盒1上的流体入口5与双向蠕动泵10的一个通液口通过穿过储液箱8的一根软管9连接，双向蠕动泵10的另一个通液口与双涡状线形冷凝管12的一端通过一根软管9连接，双涡状线形冷凝管12的另一端与单向蠕动泵11的输出口通过一根软管9连接，单向蠕动泵11的输入口与吸热盒1上的流体出口6通过穿过储液箱8的一根软管9连接；双涡状线形冷凝管12与圆孔散热板13固定，并与圆孔散热板13的内侧贴合；后置风扇14固定在圆孔散热板13外侧；圆孔散热板13开设有连通两侧面的若干圆孔；双涡状线形冷凝管12、圆孔散热板13和后置风扇14构成外部风冷系统；储液箱8的内腔与双涡状线形冷凝管12中两根涡状管的连通口通过传输通道15连接，构成回路，保证高温工作模式下的冷却液回流；传输通道上设有压力阀。吸热盒1内固定有螺旋式液体通道2；螺旋式液体通道2的一端通过入口直通道3与流体入口5连接，另一端通过出口直管与流体出口6连接；入口直通道3内壁设有螺旋桨叶片式结构18；螺旋式液体通道2的每个螺旋管段连接有一根支管4，支管4穿过吸热盒1与储液箱8内腔连通；吸热盒1上插有热电偶7，热电偶的信号输出端引出储液箱8外与控制板16连接；双向蠕动泵10、单向蠕动泵11和后置风扇14均由控制板16控制。作为优选实施例，螺旋式液体通道2设有两个。储液箱内设有冷却液，为吸热盒提供外部液冷环境。
作为优选实施例，流体入口和流体出口均为储液盒，储液盒的长、宽、高分别为32mm、22mm、16mm，可预存储4-5毫升的冷却液，调节冷却液流入与流出速度。
作为优选实施例，冷却液为绿色纳米流体，配置方法为：将质量份数为1份的植物油、质量份数为0.5份的分散剂、质量份数为0.25份的纳米颗粒在有机玻璃容器内进行混合，再将质量份数为8.75份的去离子水加入容器内，开启超声搅拌器，设定搅拌周期为10～15分钟，循环搅拌5～10次，得到最终的绿色纳米流体。其中超声脉冲电源的脉冲频率设置为20kHz，功率设置为400W。
作为优选实施例，如图2和图3所示，吸热盒的长、宽、高分别为120mm、110mm、60mm，材料为紫铜。螺旋式液体通道2的内径为5mm，横截面中心位置所在螺旋线的半径为20mm，螺距为10mm，圈数为6，总长为756.6mm。螺旋式液体通道2的设置目的是在转向处增大冷却液与通道内壁的接触频率，提高二者的热交换效率，且在有限空间内增加通道长度，延长接触时间。相较于等跨距直通道，该螺旋式通道长度增加了11.61倍，等初速度下，冷却液与通道内壁的接触时间延长了11.57倍。入口直通道3的内径为5mm，长度为42.5mm。支管4内径为4mm，保证螺旋式液体通道2与储液箱8的互通。软管的内径为5mm，外径为6mm。
作为优选实施例，如图4和图5所示，螺旋桨叶片式结构18由沿螺旋线排布的六片叶片组成，相邻叶片沿入口直通道3长度方向的间距为5mm，且六片叶片在入口直通道3的横截面上的投影沿圆周均布；叶片宽度为2.38mm，长度为3.34mm，扭转角为44.8°，可提供冷却液44.8°的径向转向角；螺旋桨叶片式结构18的设置目的是对冷却液进行预滚动处理：通过叶片对冷却液的扰动，提高冷却液滚动频率，保证不同部分的冷却液与通道内壁均匀接触，均匀受热，以达到最佳的散热效果。
作为优选实施例，如图6所示，双涡状线形冷凝管12总长为1757.5mm，相较于等跨度直冷凝管增加了12.55倍，保证高温冷却液的快速冷却，且双涡状线的形状可实现冷却液的循环利用。
作为优选实施例，双向蠕动泵10和单向蠕动泵11的流量范围均为0-10L/min，流量大小由控制板16根据热电偶7传输的温度数据实时调整。其中，双向蠕动泵10自带的电机有正转与反转两种工作模式，正转时输送冷却液，反转时抽取冷却液，单向蠕动泵11仅实现抽取冷却液功能。
该内置螺旋式液体通道的大功率芯片散热系统的散热方法，具体如下：
将吸热盒1底部与芯片贴合，根据不同大功率芯片的散热要求，可在控制板16连接的交互屏上设定危险温度(推荐为芯片温度上限的70％)；控制板16接收热电偶7传输的温度数据，判断当前温度低于危险温度时，进入低温工作模式，否则进入高温工作模式。
低温工作模式：双向蠕动泵10电机正转，双涡状线形冷凝管12内的冷却液经双向蠕动泵10、流体入口5、入口直通道3、螺旋式液体通道2和支管4输送至储液箱8内；同时，单向蠕动泵11抽取冷却液，储液箱8内的冷却液经支管4、螺旋式液体通道2、出口直管、流体出口6和单向蠕动泵11输送至双涡状线形冷凝管12，实现冷却液循环。其中，螺旋式液体通道2延长与冷却液的接触时间，提高热交换效率；入口直通道3内的螺旋桨叶片式结构18对冷却液进行预滚动处理，使冷却液与入口直通道3内壁均匀接触，改善散热效果。而后置风扇14对处于双涡状线形冷凝管12内的冷却液进行风冷，进一步提高热交换效率。
高温工作模式：双向蠕动泵10电机反转，与单向蠕动泵11同时抽取冷却液，储液箱8内的冷却液经支管4进入螺旋式液体通道2；螺旋式液体通道2内的冷却液一部分经入口直通道3、流体入口5和双向蠕动泵10输送至双涡状线形冷凝管12，另一部分经出口直管、流体出口6和单向蠕动泵11输送至双涡状线形冷凝管12；双涡状线形冷凝管12两端进入的冷却液汇流对压力阀施加压力，压力阀的压力达到阈值时被顶开，冷却液通过传输通道15回流到储液箱8，实现冷却液循环。其中，螺旋式液体通道2延长与冷却液的接触时间，提高热交换效率；入口直通道3内的螺旋桨叶片式结构18对冷却液进行预滚动处理，使冷却液与入口直通道3内壁均匀接触，改善散热效果；后置风扇14对处于双涡状线形冷凝管12内的冷却液进行风冷，进一步提高热交换效率；而双向蠕动泵10和单向蠕动泵11同时抽取冷却液，加速储液箱8内冷却液的热交换效率。
可见，本发明为风冷系统与内置液冷系统的结合，具有复合散热效果；另外，由于大功率芯片与吸热盒底部紧密贴合，且铜制吸热盒导热能力强，故热电偶测得的温度数据可视为芯片温度。

Claims (9)

1.内置螺旋式液体通道的大功率芯片散热系统，包括底板、吸热盒、圆孔散热板和后置风扇，其特征在于：还包括储液箱、双向蠕动泵、双涡状线形冷凝管、单向蠕动泵；双向蠕动泵、单向蠕动泵、圆孔散热板和储液箱均固定在底板上；所述的吸热盒固定在储液箱开设的槽口处，所述的底板在储液箱的槽口正下方开设通槽；吸热盒底部漏出储液箱外，并伸入底板的通槽内；储液箱的槽口处设有密封圈；吸热盒上的流体入口与双向蠕动泵的一个通液口通过穿过储液箱的一根软管连接，双向蠕动泵的另一个通液口与双涡状线形冷凝管的一端通过一根软管连接，双涡状线形冷凝管的另一端与单向蠕动泵的输出口通过一根软管连接，单向蠕动泵的输入口与吸热盒上的流体出口通过穿过储液箱的一根软管连接；所述的双涡状线形冷凝管与圆孔散热板固定，并与圆孔散热板的内侧贴合；所述的后置风扇固定在圆孔散热板外侧；所述的圆孔散热板开设有连通两侧面的若干圆孔；储液箱的内腔与双涡状线形冷凝管中两根涡状管的连通口通过传输通道连接；所述的传输通道上设有压力阀；吸热盒内固定有螺旋式液体通道；螺旋式液体通道的一端通过入口直通道与流体入口连接，另一端通过出口直管与流体出口连接；所述的入口直通道内壁设有螺旋桨叶片式结构；螺旋式液体通道的每个螺旋管段连接有一根支管，支管穿过吸热盒与储液箱内腔连通；吸热盒上插有热电偶，热电偶的信号输出端引出储液箱外与控制板连接；双向蠕动泵、单向蠕动泵和后置风扇均由控制板控制；储液箱内设有冷却液。
2.根据权利要求1所述内置螺旋式液体通道的大功率芯片散热系统，其特征在于：所述的螺旋式液体通道设有两个。
3.根据权利要求1所述内置螺旋式液体通道的大功率芯片散热系统，其特征在于：所述的流体入口和流体出口均为储液盒，储液盒的长、宽、高分别为32mm、22mm、16mm。
4.根据权利要求1、2或3所述内置螺旋式液体通道的大功率芯片散热系统，其特征在于：所述的冷却液为绿色纳米流体，配置方法为：将质量份数为1份的植物油、质量份数为0.5份的分散剂、质量份数为0.25份的纳米颗粒在有机玻璃容器内进行混合，再将质量份数为8.75份的去离子水加入容器内，开启超声搅拌器，设定搅拌周期为10~15分钟，循环搅拌5~10次，得到最终的绿色纳米流体；其中超声脉冲电源的脉冲频率设置为20kHz，功率设置为400W。
5.根据权利要求1所述内置螺旋式液体通道的大功率芯片散热系统，其特征在于：所述吸热盒的长、宽、高分别为120mm、110mm、60mm，材料为紫铜；所述螺旋式液体通道的内径为5mm，横截面中心位置所在螺旋线的半径为20mm，螺距为10mm，圈数为6，总长为756.6mm；所述入口直通道的内径为5mm，长度为42.5mm；所述支管的内径为4mm；所述软管的内径为5mm，外径为6mm。
6.根据权利要求1所述内置螺旋式液体通道的大功率芯片散热系统，其特征在于：所述的螺旋桨叶片式结构由沿螺旋线排布的多片叶片组成，相邻叶片沿入口直通道长度方向的间距为5mm，且各叶片在入口直通道的横截面上的投影沿圆周均布；所述叶片的宽度为2.38mm，长度为3.34mm，扭转角为44.8°。
7.根据权利要求1、2、3、5或6所述内置螺旋式液体通道的大功率芯片散热系统，其特征在于：所述的双涡状线形冷凝管总长为1757.5mm。
8.根据权利要求1、2、3、5或6所述内置螺旋式液体通道的大功率芯片散热系统，其特征在于：所述双向蠕动泵和单向蠕动泵的流量范围均为0-10L/min。
9.根据权利要求1、2、3、5或6所述内置螺旋式液体通道的大功率芯片散热系统的散热方法，其特征在于：该方法具体如下：
将吸热盒底部与芯片贴合；在控制板连接的交互屏上设定危险温度，控制板接收热电偶传输的温度数据，判断当前温度低于危险温度时，进入低温工作模式，否则进入高温工作模式；
低温工作模式：双向蠕动泵电机正转，双涡状线形冷凝管内的冷却液经双向蠕动泵、流体入口、入口直通道、螺旋式液体通道和支管输送至储液箱内；同时，单向蠕动泵抽取冷却液，储液箱内的冷却液经支管、螺旋式液体通道、出口直管、流体出口和单向蠕动泵输送至双涡状线形冷凝管，实现冷却液循环；入口直通道内的螺旋桨叶片式结构对冷却液进行预滚动处理；后置风扇对处于双涡状线形冷凝管内的冷却液进行风冷；
高温工作模式：双向蠕动泵电机反转，与单向蠕动泵同时抽取冷却液，储液箱内的冷却液经支管进入螺旋式液体通道；螺旋式液体通道内的冷却液一部分经入口直通道、流体入口和双向蠕动泵输送至双涡状线形冷凝管，另一部分经出口直管、流体出口和单向蠕动泵输送至双涡状线形冷凝管；双涡状线形冷凝管两端进入的冷却液汇流对压力阀施加压力，压力阀的压力达到阈值时被顶开，冷却液通过传输通道回流到储液箱，实现冷却液循环。
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