CN112822913A - 一种集成低流阻歧管网络的穿透式超薄液冷板 - Google Patents
一种集成低流阻歧管网络的穿透式超薄液冷板 Download PDFInfo
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Abstract
一种集成低流阻歧管网络的穿透式超薄液冷板，包括由上至下依次布置的上层冷板、中层冷板、下层冷板以及盖板，上层冷板、中层冷板、下层冷板的冷却液流道相互连通；冷却液从下层冷板的冷却液入口流入下层冷板的输入歧管流道中，经中层冷板的输入通孔流入上层冷板的散热单元流道产生对流换热，然后又经中层冷板的输出通孔流入下层冷板的输出歧管流道中，最后由冷却液出口流出；本发明冷板布置位置穿透电子组件的壳体后直接与热沉焊接相连，具有冷板质量小、换热效率高、体积紧凑、阵面均温性好等特点，可根据天线阵面上热源分布位置定制化设计，解决了高热流密度、阵面热分布不均、大功率的射频电子模块的高效冷却的与冷却设备轻量化的设计难题。
Description
技术领域
本发明涉及电子设备阵面的热管理和结构设计技术领域，具体涉及一种集成低流阻歧管网络的穿透式超薄液冷板。
背景技术
相控阵中的T/R组件是一个高度集中的电子元器件的集合，在小型化和密集化的要求下，T/R组件的工作功率不断提高，组件产生的热流密度也进一步增大，部分芯片的发热量已经达到了百瓦级别。在相控阵天线阵面上常常集成了数量巨大的T/R组件，这些组件是整个相控阵的主要热量来源，随着微电子工艺技术进一步成熟，高功率放大器的发射功率大幅增加，带给整个阵面的散热压力也愈发增强。这些热量若不能及时的转移，会造成器件内部结温升高，进而导致器件电位漂移，严重影响了设备工作的可靠性。
冷板常用于电气、电子、动力设备散热，根据使用的流体介质不同，可分为风冷板和液冷板两大类。由于液体的密度、比热容和导热系数都远大于气体，在同等可用温差条件下，液冷板的换热效率和功率容量远大于风冷板，体积也更紧凑。在没有其它具有更高权重的影响因素的情况下，大功率设备散热优选液冷板；在航空航天设备中，设备的总质量直接影响了飞行器的载荷能力与滞空能力，因此需要减少冷却装置的质量，在设计中体现为减少液冷冷板的整体厚度。
穿透式冷板是指冷板穿过电子组件壳体，通过焊接等方式直接与发热芯片下的热沉相连接；减小了热源与冷板之间的热阻，提高了冷却效率。
微通道液冷冷板因具有结构紧凑、换热效率高、质量轻、运行安全可靠等突出特点，在微电子、航空航天设备以及其他一些对换热设备的尺寸和重量有特殊要求的设备中广泛使用；在工程之中主要针对大面积均匀热源进行均温设计，不限制电子模块的排列顺序，也对电子模块的种类和数量不敏感。
但在工程实践中发现，现有微通道液冷冷板存在如下缺点：
1)为对整个阵面产生降温作用，冷板必须使用较大的横截面，导致冷却工质与盖板间的对流换热系数较小，为提高换热效果，必须要增大微通道密度，即设计更多的扰流块来增大换热面积，或者增大流体流速，进而增大液冷板的换热效率和功率容量；但微通道的密集程度受限于制造工艺与流道面积，从而存在有上限值；流阻与液体流量平方成正比关系，增大流量会导致泵动力不足，难以实现。
2)随着冷板厚度减小，阵面的热流密度分布逐渐集中，微通道液冷冷板的均温性设计不能针对于靠近热源的局部高热流密度点强化换热效率，导致冷板部分区域换热过量、另一些却欠缺换热，使得阵面温度分布不均，极大地影响了整体的均温性。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种集成低流阻歧管网络的穿透式超薄液冷板，冷板布置位置穿透电子组件的壳体后直接与热沉焊接相连，具有冷板质量小、换热效率高、体积紧凑、阵面均温性好等特点，可根据天线阵面上热源分布位置定制化设计，特别适合解决高热流密度、阵面热分布不均、大功率的射频电子模块的高效冷却的与冷却设备轻量化的设计难题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种集成低流阻歧管网络的穿透式超薄液冷板，包括由上至下依次布置的上层冷板1、中层冷板2、下层冷板3以及盖板4，上层冷板1、中层冷板2、下层冷板3的冷却液流道相互连通；
所述的下层冷板3包括贯穿于下层冷板上下表面的输入歧管流道33和输出歧管流道34，输入歧管流道33一端为冷却液入口31，另一端与中层流道2的输入通孔21相连；输出歧管流道34一端为冷却液出口32，另一端与中层流道2的输出通孔22相连；
所述的中层冷板2包括贯穿于中层冷板上下表面的多个输入通孔21和输出通孔22；输入通孔21与上层冷板1散热单元流道13的输入端相连通，输出通孔22与上层冷板1散热单元流道13的输出端相连通；
所述的上层冷板1包括对流换热层11和流道层12，对流换热层11上表面是与射频电子器件的安装表面，流体在对流换热层11内发生对流换热，流道层12中包含有多组散热单元流道13；
冷却液从下层冷板3的冷却液入口31流入下层冷板3的输入歧管流道33中，经中层冷板2的输入通孔21流入上层冷板1的散热单元流道13产生对流换热，然后又经中层冷板2的输出通孔22流入下层冷板3的输出歧管流道34中，最后由冷却液出口32流出。
所述的下层冷板3的冷却液入口31由输入歧管流道33侧壁、盖板4上表面、中层冷板2下表面围成，入口形状为长方形；冷却液出口32由输出歧管流道34侧壁、盖板4上表面、中层冷板2下表面围成，冷却液出口32和冷却液入口31对称设置。
根据输入歧管流道33和输出歧管流道34中冷却液流量不同，将输入歧管流道33划分为一级流道35和二级流道36，输出歧管流道34均为二级流道36；二级流道36流道宽度与输入通孔21、输出通孔22直径相同。
所述的输入歧管流道33外形为“树枝状”，其流道末端与入口较近的二级流道36外形为直线，流道末端与入口较远的二级流道36外形为“S形”。
所述的散热单元流道13外形呈现“树叶状”，散热单元流道13包括中心扰流块131与多根翅片132。
所述的下层冷板3中的输入歧管流道33和输出歧管流道34是通过基于变密度法的拓扑优化方法计算生成的，优化目标是降低流道总压降，约束条件是流体所占体积分数。
所述的散热单元流道13是通过基于变密度法的拓扑优化方法计算生成的，优化目标是降低平面平均温度，优化约束条件是流体所占体积分数。
本发明的有益效果是：
本发明所提供的一种集成低流阻歧管网络的穿透式超薄液冷板采用微通道冷却与热源区域优化相结合的方式，结合拓扑优化的冷却液输入、输出歧管布局设计技术；在阵列热源热流密度大、阵面温度不均匀、冷却装置总质量小的条件下，能够将阵面的最高温度控制在电子设备正常工作温度区间内，而且能够改善相控阵天线阵面的均温性，保证每个热单元间的温差不超过影响整体系统工作可靠性的温度范围，可以在微电子领域、航空航天领域等多个场合进行相应的应用。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明下层冷板结构示意图。
图3是本发明下层歧管流道划分示意图。
图4是本发明中层冷板结构示意图。
图5是本发明上层冷板结构示意图。
图6是本发明图5中上层冷板沿A-A方向剖面图。
图7是本发明图6中散热单元流道结构示意图。
图8是本发明输入歧管流道和输出歧管流道设计流程图。
图9是本发明图8中散热单元流道设计流程图。
图10是本发明冷却液在下层冷板3中流动方向示意图。
图11是本发明冷却液在上层冷板1中流动方向示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种集成低流阻歧管网络的穿透式超薄液冷板，包括由上至下依次布置的上层冷板1、中层冷板2、下层冷板3以及盖板4，上层冷板1、中层冷板2、下层冷板3的冷却液流道相互连通；
上层冷板1、中层冷板2、下层冷板3以及盖板4外观是底面为正方形的长方体，底面边长为40mm，设备总厚度为2mm。
所述的上层冷板1、中层冷板2、下层冷板3选取导热性能优良的材料；冷却液种类根据具体工况选取，本实施例中选取去离子水作为冷却工质；所有冷板间连接工艺采用扩散焊焊接，现有常规技术可以满足焊接要求。
如图2、图3所示，所述的下层冷板3包括贯穿于下层冷板上下表面的输入歧管流道33和输出歧管流道34，输入歧管流道33一端为冷却液入口31，另一端与中层流道2的输入通孔21相连；输出歧管流道34一端为冷却液出口32，另一端与中层流道2的输出通孔22相连；根据输入歧管流道33和输出歧管流道34中冷却液流量不同，将输入歧管流道33划分为一级流道35和二级流道36，输出歧管流道34均为二级流道36；二级流道36流道宽度与输入通孔21、输出通孔22直径相同，宽度为0.8mm；一级流道35宽度取决于其后续分支为二级流道36的个数，本实施例中一级流道35宽度为1.6mm；输入歧管流道33外形为“树枝状”，其中流道末端与入口较近的二级流道36外形为直线，流道末端与入口较远的二级流道36外形为“S形”；下层冷板3长宽均为40mm，下层冷板厚度为0.4mm。
所述的下层冷板3冷却液入口31由输入歧管流道33侧壁、盖板4上表面、中层冷板2下表面围成，入口形状为长方形，入口面与所在侧面平行；冷却液出口32由输出歧管流道34侧壁、盖板4上表面、中层冷板2下表面围成，冷却液出口32和冷却液入口31对称设置。
如图4所示，所述的中层冷板2包括贯穿于中层冷板上下表面的4个输入通孔21和4个输出通孔22；输入通孔21与下层冷板3的输入歧管流道33末端、上层冷板1散热单元流道13的输入端相连通，输出通孔22与下层冷板3的输出歧管流道34始端、上层冷板1散热单元流道13的输出端相连通；中层冷板2长宽均为40mm，中层冷板2厚度为0.4mm，输入通孔21和输出通孔22直径均为0.8mm；与上层冷板1中同一个散热单元流道13相连接的输入通孔21、输出通孔22的中心连线与中层冷板2的冷板壁平行，两者至散热单元流道13中心点的距离相等，两者中心线连线长度是13mm；两者与冷板边缘的距离由热源位置决定，本实施例中输出通孔22距上下边缘距离为3.5mm，距左右边缘距离为10mm。
参照图5、图6和图7，所述的上层冷板1包括对流换热层11和流道层12，对流换热层11厚度为0.4mm，其上表面是与射频电子器件的安装表面，流体在对流换热层11内发生对流换热，达到冷却目的；流道层12厚度为0.4mm，流道层12中包含有散热单元流道13，本实施例中流道层12包括成阵列排布的4组散热单元流道13，散热单元流道13中心与冷板边缘相距10mm，散热单元流道13中心之间的间距是20mm；4组散热单元流道13关于中心面镜像对称；每1组散热单元流道13外形呈现“树叶状”，每1组散热单元流道13包括中心扰流块131与8根翅片132；翅片132宽度与流道宽度根据实际加工能力调整，在本实施例中，散热单元流道13内部的流道宽度均不小于0.5mm，单个翅片132最大宽度均不小于0.5mm。
如图8所示，所述的下层冷板3中的输入歧管流道33和输出歧管流道34是通过基于变密度法的拓扑优化方法计算生成的，优化目标是降低流道总压降，约束条件是流体所占体积分数，使用MMA求解器；设计流程为：
1)划分输入歧管设计域；
2)设定入口位置；
3)生成输入歧管流道；
4)根据步骤1)中结果，选取剩余设计域；
5)设定出口位置；
6)生成输出歧管流道；
7)根据步骤3)和步骤6)中结果，汇总歧管设计结果；
8)简化为加工模型。
如图9所示，所述的散热单元流道13是通过基于变密度法的拓扑优化方法计算生成的，优化目标是降低平面平均温度，优化约束条件是流体所占体积分数，使用MMA求解器进行优化求解；设计流程为：
1)划分散热单元设计域；
2)设定热源位置；
3)设定边界条件；
4)设定约束条件；
5)散热单元流道形成；
6)简化为加工模型。
本发明的工作原理为：
使用时，本发明穿透电子组件壳体，与芯片衬底下的热沉焊接相连；配套的壳体结构内部应具有集水、分水腔体，具体结构需根据具体工况决定。
如图10、图11所示，冷却液从下层冷板3的冷却液入口31流入下层冷板3的输入歧管流道33中，经中层冷板2的输入通孔21流入上层冷板1的散热单元流道13产生对流换热，然后又经中层冷板2的输出通孔22流入下层冷板3的输出歧管流道34中，最后由冷却液出口32流出；
冷却液在进入输入歧管流道33后经一级流道35、二级流道36后分成流量均匀的四股流体，流入上层冷板1中每个散热单元流道13冷却液流量相同。
Claims (7)
1.一种集成低流阻歧管网络的穿透式超薄液冷板，其特征在于：包括由上至下依次布置的上层冷板(1)、中层冷板(2)、下层冷板(3)以及盖板(4)，上层冷板(1)、中层冷板(2)、下层冷板(3)的冷却液流道相互连通；
所述的下层冷板(3)包括贯穿于下层冷板上下表面的输入歧管流道(33)和输出歧管流道(34)，输入歧管流道(33)一端为冷却液入口(31)，另一端与中层流道(2)的输入通孔(21)相连；输出歧管流道(34)一端为冷却液出口(32)，另一端与中层流道(2)的输出通孔(22)相连；
所述的中层冷板(2)包括贯穿于中层冷板上下表面的多个输入通孔(21)和输出通孔(22)；输入通孔(21)与上层冷板(1)散热单元流道(13)的输入端相连通，输出通孔(22)与上层冷板(1)散热单元流道(13)的输出端相连通；
所述的上层冷板(1)包括对流换热层(11)和流道层(12)，对流换热层(11)上表面是与射频电子器件的安装表面，冷却液在对流换热层(11)内发生对流换热，流道层(12)中包含有多组散热单元流道(13)；
冷却液从下层冷板(3)的冷却液入口(31)流入下层冷板(3)的输入歧管流道(33)中，经中层冷板(2)的输入通孔21()流入上层冷板(1)的散热单元流道(13)产生对流换热，然后又经中层冷板(2)的输出通孔(22)流入下层冷板(3)的输出歧管流道(34)中，最后由冷却液出口(32)流出。
2.根据权利要求1所述的一种集成低流阻歧管网络的穿透式超薄液冷板，其特征在于：所述的下层冷板(3)的冷却液入口(31)由输入歧管流道(33)侧壁、盖板(4)上表面、中层冷板(2)下表面围成，入口形状为长方形；冷却液出口(32)由输出歧管流道(34)侧壁、盖板(4)上表面、中层冷板(2)下表面围成，冷却液出口(32)和冷却液入口(31)对称设置。
3.根据权利要求1所述的一种集成低流阻歧管网络的穿透式超薄液冷板，其特征在于：根据输入歧管流道(33)和输出歧管流道(34)中冷却液流量不同，将输入歧管流道(33)划分为一级流道(35)和二级流道(36)，输出歧管流道(34)均为二级流道(36)；二级流道(36)流道宽度与输入通孔(21)、输出通孔(22)直径相同。
4.根据权利要求3所述的一种集成低流阻歧管网络的穿透式超薄液冷板，其特征在于：所述的输入歧管流道(33)外形为“树枝状”，其流道末端与入口较近的二级流道(36)外形为直线，流道末端与入口较远的二级流道(36)外形为“S形”。
5.根据权利要求1所述的一种集成低流阻歧管网络的穿透式超薄液冷板，其特征在于：所述的散热单元流道(13)外形呈现“树叶状”，散热单元流道(13)包括中心扰流块(131)与多根翅片(132)。
6.根据权利要求1所述的一种集成低流阻歧管网络的穿透式超薄液冷板，其特征在于：所述的下层冷板(3)中的输入歧管流道(33)和输出歧管流道(34)是通过基于变密度法的拓扑优化方法计算生成的，优化目标是降低流道总压降，约束条件是流体所占体积分数。
7.根据权利要求1所述的一种集成低流阻歧管网络的穿透式超薄液冷板，其特征在于：所述的散热单元流道(13)是通过基于变密度法的拓扑优化方法计算生成的，优化目标是降低平面平均温度，优化约束条件是流体所占体积分数。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |
Application publication date: 20210518 |