CN113758331A - 一种机械扰动驱浸没式液冷烧结毛细芯铜基散热装置 - Google Patents

一种机械扰动驱浸没式液冷烧结毛细芯铜基散热装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种机械扰动驱浸没式液冷烧结毛细芯铜基散热装置，包括扰动叶片、冷却盘管、螺旋烧结毛细芯、环形肋片群、方形均热板、外腔体及散热芯片；所述扰动叶片通过传动轴连接在外腔体的内侧顶部，所述冷却盘管位于外腔体的内侧顶部和扰动叶片之间，所述螺旋烧结毛细芯内侧与环形肋片群烧结成一体，外侧呈螺纹状，所述环形肋片群连接在方形均热板的顶面，所述方形均热板嵌在外腔体的底部，所述螺旋烧结毛细芯与环形肋片群位于外腔体内部，所述环形肋片群包括若干呈环形布置的肋片，且相邻肋片之间间距相等，所述散热芯片顶面与方形均热板底面牢固接触，所述外腔体的侧面还设置有补液口。

Description

一种机械扰动驱浸没式液冷烧结毛细芯铜基散热装置
技术领域
本发明涉及微米传热学中微小空间的烧结结构强化相变传热领域，具体涉及一种机械扰动驱浸没式液冷烧结毛细芯铜基散热装置。
背景技术
随着半导体芯片产业的快速发展，电子器件集群运行时产生的高通量热流对散热器强化传热能力要求也在逐步提升，传统的风冷、热管冷却对于微小区域内大热流的疏导已无能为力。沸腾换热是通过大量液体剧烈汽化，使系统产生的热量通过汽化潜热的吸收有效转移，低成本强化表面的研究与参数优化是提升传热效果的必备方式。优秀的强化沸腾表面可以显著提升核态沸腾效率，控制芯片表面温度在合理工作区间，非常适合应用于微型紧凑散热器中。铜肋片与毛细芯烧结成一体不仅可以通过增大与冷却工质的接触面积来提高换热表面的液体润湿能力，还可以减小两者接触热阻，增大汽化核心的数量，进一步促进中高热流密度下气泡的快速有序释放，对提升冷却工质在换热表面的对流换热系数(HTC)意义重大。此外，合理选用表面凸凹形状可以阻碍相变气泡的集聚与合并，对提升池沸腾临界热流密度(CHF)也有积极的影响。因此，在较低壁面温度下，最高效地将高性能芯片产生的热量有效导离出换热表面是科研工作者孜孜不倦探索的热门方向，此技术具有明显的应用价值和市场空间。但是现有技术普遍存在毛细芯内相变气泡脱离困难、冷却工质补充不均匀不充分等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种机械扰动驱浸没式液冷烧结毛细芯铜基散热装置，以克服现有普遍存在的毛细芯内相变气泡脱离困难、冷却工质补充不均匀不充分等问题，本发明通过促进浸没腔内液体流动、增强液体与换热冷凝面的接触；通过利用扰动叶片旋转时产生的涡旋和多肋片铜基凸台表面烧结微米级多孔毛细芯保证了散热结构在较小的热阻和热量迟滞下以较高的两相流流速实现相变汽液通道的相对分离；通过增强换热面补液效果、减小气体溢出阻力、增大沸腾成核位点数量，可显著提高装置在中高热流下的相变换热能力及工作稳定性。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种浸没式液冷烧结多孔毛细芯耦合微通道散热装置，包括扰动叶片、冷却盘管、螺旋烧结毛细芯、环形肋片群、方形均热板、外腔体、散热芯片；
所述扰动叶片固定在外腔体的上表面，与外部电机通过驱动轴连接，通电时可实现变频高速旋转，所述冷却盘管位于扰动叶片与外腔体上表面之间，两端与外接过冷液体相连接以转移腔内工质积累的热量；所述螺旋烧结毛细芯利用微米级气雾法所产铜粒子烧结而成，内部与环形肋片群烧结成一体，外侧呈宽螺距公制普通螺纹状；所述环形肋片群通过紫铜管摩擦焊接在方形均热板顶面后，利用线切割等距加工得到的；所述散热芯片顶面涂抹薄硅脂层后与方形均热板底面牢固接触，所产生的热量可以及时传递到相变换热表面。
进一步地，所述扰动叶片选用镍铝青铜材料，三个扇片沿轴圆周等距，扇片曲率为0.1，扇片弧度为30°，扇片最大长度l1-1为10.5mm，最大宽度l1-2为3mm，最大厚度l1-3为0.5mm，轴长l1-4为10mm。
进一步地，所述冷却盘管外径Φ1为2mm，内径Φ2为1mm，弯折处为中径R＝3mm的半圆，笔直部分分别长为l2-1＝20mm、l2-2＝25mm，补液口直径Φ3为3mm。
进一步地，所述螺旋烧结毛细芯采用公制普通螺纹国标设计，高度l3-1为10mm，内壁直径Φ4为14mm，最大外壁直径(公称直径)Φ5为20mm，小径Φ6为17.3mm，螺距l3-2为2.5mm。
进一步地，所述环形肋片群内径Φ7为10mm，外径Φ8为14mm，共含24个小柱状细长肋片。环形肋片群总高度l4-1为10mm，线切割加工槽深l4-2为8mm，槽宽l4-3为500μm。
进一步地，所述方形均热板尺寸长宽l4-4均为20mm，厚度l4-5为2mm。
进一步地，所述散热芯片底面为正方形，且芯片热源尺寸为l5-1×l5-1×l5-2，其中l5-1为15mm，l5-2为1mm，芯片热源上端与方形均热板底面相接触。
进一步地，所述外腔体为空心长方体，壁厚l6-1皆为2mm，外表面尺寸为l6-2×l6-2×l6-3，其中l6-2为34mm，l6-3为44mm。
进一步地，所述方形均热板与尚未进行线切割的环形肋片群通过高速摩擦焊接方式组合成型。
进一步地，所述螺旋烧结毛细芯由百微米级气雾型球形紫铜颗粒通过填入内壁特定形状石墨嵌套模具中并烧结成型，待冷却后将其旋转取出并套在环形肋片群外表面，后将两者高温加热炉中二次烧结黏连成一体。
进一步地，所述外腔体上部安装冷却盘管和扰动叶片，下部固定好方形均热板后检查浸没装置的整体气密性，在密封状态良好的情况下从补液口灌入冷却工质。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提出的方形均热板与环形肋片群直接摩擦焊接为一体，后与螺旋烧结毛细芯进行配合并烧结紧固，方形均热板与环形肋片群焊接处、环形肋片群外表面与螺旋烧结毛细芯内表面之结合面为导热区，环形肋片群内表面与螺旋烧结毛细芯外表面为相变换热区。在导热区内各装置间的热阻较小，热流可在多维度多方向上快速扩散，防止局部热点的出现；在相变换热区内螺旋烧结毛细芯沿径向可以分为沸腾吸液主导区和流动排气主导区。
沸腾吸液主导区位于螺旋烧结毛细芯与环形肋片群直接接触区域，主要利用毛细芯微纳尺度下的孔径泵吸液体并使冷却工质在铜粒子表面丰富的汽化核心处产生相变，起到稳定蓄液和及时转移热量的重要作用，螺纹公称直径处凸起的毛细芯亦可与液体充分接触吸液；流动排气主导区主要利用扰动叶片在旋转时在环形肋片群内表面产生低压区，外界常压流体在压差的驱使下进入到螺旋烧结毛细芯内部，促进螺旋烧结毛细芯外表面附近的冷却工质进入毛细芯内部增强沸腾吸液主导区内的液体润湿性，并将其内部产生的大部分相变气泡及时挤出毛细芯内部，防止螺旋烧结毛细芯出现气膜集聚现象的产生。
进一步地，从气体溢出机制和补液机制出发，螺旋烧结毛细芯外表面设计可有效促进气泡的脱离和液体的补充。其外表面螺纹形状一方面可以促进生成于螺旋烧结毛细芯外表面的气泡在外界冷却工质旋转带动下沿螺旋方向运动、爬升，及时脱离壁面为液体进一步补充流出空间；另一方面冷却工质与螺旋烧结毛细芯外表面接触面积增大，更具层次感的外表面会使冷却工质趋向从流动阻力较小的螺纹小径处穿透毛细芯，在毛细芯相变换热时可在其内部形成稳定的持续的气液两相流通道。
进一步地，从冷却工质流动对换热性能影响机理出发，扰动叶片浸没于腔内冷却工质中，旋转时可以带动流体产生上宽下窄的圆锥形强力涡旋，可以在较低壁面过热度下增加螺旋烧结毛细芯、环形肋片群等换热端的表面换热系数，同时使脱离气泡在离心作用下与液体充分接触并快速冷凝，可有效抑制腔内的压强波动。此外，机械扰动也可以提升外接过冷液体在冷却盘管内的换热效率，将腔内冷却工质中积累的热量及时转移出装置。
进一步地，本发明通过优化各零件之间配合设计，能够解决受限空间内电子元器件中高热流密度500W/cm2以上的散热需求。
附图说明
说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1-1为本发明机械扰动驱浸没式液冷烧结毛细芯铜基散热装置外观示意图；
图1-2为本发明机械扰动驱浸没式液冷烧结毛细芯铜基散热装置爆炸视图；
图2为本发明机械扰动驱浸没式液冷烧结毛细芯铜基散热装置正对称面剖视图；
图3为本发明扰动叶片正视图；
图4为本发明冷却盘管俯视图；
图5-1为本发明螺旋烧结毛细芯正视图；
图5-2为本发明螺旋烧结毛细芯俯视图；
图6-1为本发明环形肋片群和方形均热板正视图；
图6-2为本发明环形肋片群和方形均热板俯视图；
图7为本发明散热芯片正视图。
其中，1、扰动叶片；2、冷却盘管；3、螺旋烧结毛细芯；4、环形肋片群；5、方形均热板；6、外腔体；7、散热芯片；8、补液口；9、零件口。
具体实施方式
下面对本发明的实施方式做进一步详细描述：
一种机械扰动驱浸没式液冷烧结毛细芯铜基散热装置，如图1-1、1-2所示，包括扰动叶片1，冷却盘管2，螺旋烧结毛细芯3，环形肋片群4，方形均热板5，外腔体6，散热芯片7，外腔体6上开有补液口8和零件口9。
本装置共可分为三部分：以扰动叶片1为主的机械动力强化传热部分；以螺旋烧结毛细芯3、环形肋片群4、方形均热板5为代表的表面结构强化传热部分和其他附属部分。扰动叶片1的机械动力在运转时，一方面会有效带动腔内液体的流动，促进相变气泡在脱离壁面后与冷却工质掺混与交换热量，使气泡受其外界裹挟流体的温度影响而快速冷凝，避免腔体内气压的剧烈波动影响装置正常工作，同时保护外腔体6上壁面免受大气泡的连续冲击而发生疲劳、碎裂情况；另一方面，扰动叶片1所产生的锥形涡旋使环形肋片群4内部气压降低，有利于螺旋烧结毛细芯3内部产生的相变气泡在周围流体压差的驱使下定向移动形成气液分离通道，不仅提高了毛细芯内部的润湿性，涡旋还可以减小气泡在脱离加热壁面的尺寸，避免其在螺旋烧结毛细芯3内部或表面产生不凝气膜阻碍换热效率的提高。此外，流动的冷却工质也有利于提升冷却盘管2表面对流换热系数，促进更多热量从升温后的工质中转移出腔体，维持整个换热装置内部温度的稳定。
本发明表面结构强化传热部分主要通过显著增大沸腾汽化核心数量和对流换热面积，以高效提高散热表面的对流换热系数(HTC)，并通过与上方机械动力强化传热部分的有机配合，形成稳定的气液交错运动通道来提升散热装置的临界热流密度(CHF)。环形肋片群4与方形均热板5摩擦焊接、环形肋片群4与螺旋烧结毛细芯3烧结成型都可有效降低不同维度下界面热阻，将散热芯片7上的热量最大限度传导到汽化核心最密集的螺旋烧结毛细芯3中相变。螺旋烧结毛细芯3外表面的螺纹设计便于加工的同时，显著增加其外表面与冷却工质的接触面积，靠近公称直径的毛细芯部分便于吸收、泵送、储存冷却工质，靠近小径的毛细芯部分便于形成由外向内的液体通道，助力挤出芯内产生的蒸汽泡，避免其合并产生气膜影响相变的继续进行。涡旋带动冷却工质的旋转，令螺旋烧结毛细芯3外表面附近冷却工质随之圆周运动，带动外表面产生的体积较小的相变气泡脱离，故本装置通过各项优化设计和配合可满足常/微重力条件下高热流密度散热需求。
所有零件准备就绪后，将表面结构强化传热部分插入到外腔体6底面的零件口9中并固定。检查腔内气密性良好情况下，从外腔体6上方补液口8中灌入指定的冷却工质。
下面结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做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。
本发明基于沸腾相变高效换热原理，从优化液体补充机制和气液流道分布的角度出发，开发一种新型机械扰动驱浸没式液冷烧结毛细芯铜基散热装置。环形肋片群4与方形均热板5通过高速摩擦焊接方式成型，有效降低热流在不同零件间传递的阻力。螺旋烧结毛细芯3采用百微米级球状铜粒子在特定形状嵌套石墨模具中烧结成型，该螺旋烧结毛细芯3内表面与环形肋片群4外表面紧密接触，后送入高温气氛电阻炉进行二次烧结，将球形粒子表面能部分释放，烧结后两者的结合面热阻将大为减小。位于装置底部的散热芯片7产生的热量经薄硅脂层、方形均热板5、环形肋片群4源源不断的传导到螺旋烧结毛细芯3的内部，螺旋烧结毛细芯3外表面与内部为相变换热发生的核心区域。而由于螺旋烧结毛细芯3内铜粉间连接松散，孔隙率在50％-55％之间因而其热导率低，故根据其实际换热能力将其分为沸腾吸液主导区和流动排气主导区，沸腾吸液主导区位于螺旋烧结毛细芯3与环形肋片群4直接接触区域，主要利用毛细芯微纳尺度下的孔径泵吸液体并使冷却工质在铜粒子表面丰富的汽化核心处产生相变；流动排气主导区位于螺旋烧结毛细芯3与环形肋片群4肋片间隙的交汇处，主要利用扰动叶片1在旋转时在环形肋片群4内外表面产生的压差，使沸腾吸液主导区内产生的相变气泡及时脱离壁面，并促进螺旋烧结毛细芯3外表面附近的冷却工质进入毛细芯内部增强沸腾吸液主导区内的液体润湿性，利于液体稳定补充并在其内部孔隙中不断发展。
同时，针对芯片实际工作时传统池沸腾存在临界热流密度(CHF)与对流换热系数(HTC)较低、壁面过热度远超芯片合理工作温度等问题，本发明在外腔体上表面设计安装扰动叶片1，扇片高速旋转时会产生上宽下窄的锥形气流，并带动池内其他部位的流体旋转，一方面可以使环形肋片群4内表面压力下降，利于气液两相流定向流动；另一方面螺旋烧结毛细芯3外表面流体圆周运动时可以顺着螺纹方向旋转，从小径处渗入毛细芯中，冷却工质与毛细芯螺纹流道的充分接触利于形成液体从螺旋烧结毛细芯3外壁面补充、气体从环形肋片群4内表面排出的气液分离通道循环场景，也利于提升螺旋烧结毛细芯3潜在的蒸发换热能力和液体毛细泵吸能力。
此外，本发明利用扰动叶片1工作时产生的波动，有效增大冷却盘管2的换热效率和能力，有利于将腔内累积的热量及时转移到外接过冷液体中，从而进一步实现高热流密度的散热。
具体地，沸腾-蒸发烧结多孔毛细芯与微通道耦合结构的制作工艺如下：
1、扰动叶片1：将熔融态镍铝青铜合金灌入特定模具腔中，待冷却后夹持在气缸驱动的弯折装置中调整扇片的弧度，随后安放在CNC精密机床上，机械手对扇片表面进行修边、打磨、平整使其符合生产要求。将加工好的扇片与微电机输出端长轴固定后引出电源线，通电检验合格即可使用强力胶将电机固定在外腔体6外表面。
2、冷却盘管2：用弯管器将一根长紫铜管弯折成规定尺寸，盘管两端外壁固定在外腔体壁面上以防止工作时出现剧烈抖动；冷却盘管内壁通过软管与微泵、冷水机或半导体制冷片等装置连接。
3、螺旋烧结毛细芯3：将由气雾法制得的粒径为100μm-200μm均匀铜粉与粒径为100μm的无水碳酸钠粉用高速粉末搅拌器均匀搅拌，使两者混合物质量比为19:1。随后将混合后的产物倒入内壁为M20×2.5mm的和外径Φ＝14mm的嵌套石墨模具组合的空隙中，将嵌套石墨模具固定好后放入高温电阻炉中，炉膛内抽真空并开启氮气保护，逐渐升温到900℃并保持60分钟以上，后关闭炉膛电源使螺旋烧结毛细芯3自然冷却，降至100℃以下时可开启炉门将其旋转脱模。
4、环形肋片群4：将一根切割完毕的紫铜管固定在摩擦焊接机，通过高速旋转摩擦生热使紫铜管底部与方形均热板5顶面产生熔融区，待冷却后两者即结合于一体。将其安置在线切割机上加工，可生产出符合要求的环形肋片圆周阵列。
5、将制得的螺旋烧结毛细芯3内表面与环形肋片群4外表面对齐嵌套，再次放入气氛电阻炉中进行二次烧结。烧结具体操作参见第3步所述。
6、将第5步获得的组合零件插入外腔体6底面的零件口8中。散热芯片7上表面涂有一层均匀薄硅脂层后贴在方形均热板5底面。
7、检查装置气密性状态良好时，通过外腔体6上方补液口9向腔内注入高润湿性的电子氟化液，保证腔内充液率超过90％。
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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种机械扰动驱浸没式液冷烧结毛细芯铜基散热装置，其特征在于，包括扰动叶片(1)、冷却盘管(2)、螺旋烧结毛细芯(3)、环形肋片群(4)、方形均热板(5)、外腔体(6)及散热芯片(7)；
所述扰动叶片(1)通过传动轴连接在外腔体(6)的内侧顶部，所述冷却盘管(2)位于外腔体(6)的内侧顶部和扰动叶片(1)之间，所述螺旋烧结毛细芯(3)内侧与环形肋片群(4)烧结成一体，外侧呈螺纹状，所述环形肋片群(4)连接在方形均热板(5)的顶面，所述方形均热板(5)嵌在外腔体(6)的底部，所述螺旋烧结毛细芯(3)与环形肋片群(4)位于外腔体(6)内部，所述环形肋片群(4)包括若干呈环形布置的肋片，且相邻肋片之间间距相等，所述散热芯片(7)顶面与方形均热板(5)底面牢固接触，所述外腔体(6)的侧面还设置有补液口(8)。
2.根据权利要求1所述的一种机械扰动驱浸没式液冷烧结毛细芯铜基散热装置，其特征在于，所述扰动叶片(1)包括三个扇片，所述扇片选用镍铝青铜材料，且三个扇片沿传动轴圆周等距，扇片曲率为0.1，扇片弧度为30°，扇片最大长度l1-1为10.5mm，最大宽度l1-2为3mm，最大厚度l1-3为0.5mm，传动轴长l1-4为10mm。
3.根据权利要求1所述的一种机械扰动驱浸没式液冷烧结毛细芯铜基散热装置，其特征在于，所述冷却盘管(2)外径Φ1为2mm，内径Φ2为1mm，弯折处为中径R＝3mm的半圆，笔直部分分别长为l2-1＝20mm、l2-2＝25mm，补液口(8)直径Φ3为3mm。
4.根据权利要求1所述的一种机械扰动驱浸没式液冷烧结毛细芯铜基散热装置，其特征在于，所述螺旋烧结毛细芯(3)外侧采用公制普通螺纹国标设计，高度l3-1为10mm，内壁直径Φ4为14mm，最大外壁直径Φ5为20mm，小径Φ6为17.3mm，螺距l3-2为2.5mm。
5.根据权利要求1所述的一种机械扰动驱浸没式液冷烧结毛细芯铜基散热装置，其特征在于，所述环形肋片群(4)内径Φ7为10mm，外径Φ8为14mm，所述环形肋片群(4)共含24个肋片，所述环形肋片群(4)总高度l4-1为10mm，肋片的高度l4-2为8mm，相邻肋片之间的间距l4-3为500μm。
6.根据权利要求1所述的一种机械扰动驱浸没式液冷烧结毛细芯铜基散热装置，其特征在于，所述方形均热板(5)的长和宽l4-4均为20mm，厚度l4-5为2mm。
7.根据权利要求1所述的一种机械扰动驱浸没式液冷烧结毛细芯铜基散热装置，其特征在于，所述散热芯片(7)底面为正方形，且散热芯片(7)的尺寸为l5-1×l5-1×l5-2，其中l5-1为15mm，l5-2为1mm，散热芯片(7)上端与方形均热板(5)底面相接触。
8.根据权利要求1所述的一种机械扰动驱浸没式液冷烧结毛细芯铜基散热装置，其特征在于，所述外腔体(6)为空心长方体，壁厚l6-1为2mm，外表面尺寸为长×宽×高＝l6-2×l6-2×l6-3，其中l6-2为34mm，l6-3为44mm。
9.根据权利要求1所述的一种机械扰动驱浸没式液冷烧结毛细芯铜基散热装置，其特征在于，所述环形肋片群(4)通过紫铜管摩擦焊接在方形均热板(5)顶面后，利用线切割等距加工得到；所述方形均热板(5)与尚未进行线切割的环形肋片群(4)通过高速摩擦焊接方式组合成型；所述螺旋烧结毛细芯(3)由百微米级气雾型球形紫铜颗粒通过填入内壁特定形状石墨嵌套模具中并烧结成型，待冷却后将其旋转取出并套在环形肋片群(4)外表面，然后将二者在高温加热炉中二次烧结黏连成一体。
10.根据权利要求1所述的一种机械扰动驱浸没式液冷烧结毛细芯铜基散热装置，其特征在于，所述传动轴与外部电机通过驱动轴连接；所述冷却盘管(2)的进出口设置在外腔体(6)的侧壁上；所述补液口(8)位于冷却盘管(2)的上侧；所述外腔体(6)的底部设置有用于安装方形均热板(5)的零件口(9)。
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