CN114005800B - 一种用于边缘服务器芯片散热的微通道结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于边缘服务器芯片散热的微通道结构，属于服务器芯片散热技术领域，包括壳体和上盖，壳体上开设正方形的沉槽；沉槽底面设有呈菱形四棱柱结构的肋柱，肋柱包括沿沉槽对角线间隔分布的倾斜肋柱和在沉槽对角线分割的三角形区域内矩形阵列的平行肋柱；倾斜肋柱的菱形长轴方向与所述沉槽对角线方向一致，平行肋柱的菱形长轴方向与对应的沉槽侧壁垂直；上盖上开设有与沉槽中心对应的进口和与沉槽的四角对应的出口。肋柱能对冷却液形成充分扰动，对流换热热阻降低，提高散热效果，降低流动中的滞止效应；可有效缩短流动路径，降低沿程压降，进一步提高整体的对流换热效果，从而实现对边缘服务器芯片的良好散热。

Description

一种用于边缘服务器芯片散热的微通道结构

技术领域

本发明属于服务器芯片散热技术领域，具体地说是一种用于边缘服务器芯片散热的微通道结构。

背景技术

为了实现数据流量的本地化处理，以降低对远端数据中心的流量冲击，同时能够提供低延时和高稳定的应用运行环境，一种融合网络、计算、存储、应用核心能力的边缘计算开放平台应运而生，并衍生出多种形式的边缘服务器产品。

针对复杂多样的计算场景，边缘服务器在未来将逐渐朝着更高算力和更小体积的方向发展，这意味着电子芯片的功耗将会越来越大，单位体积或面积的热流密度也会越来越高，传统的风冷和液冷技术将不能满足某些电子芯片的封装和散热需求，严重时可能会引发芯片的热失效。

微通道冷却技术由于其结构紧凑、节省空间，且散热能力高于普通液冷的优势，在电子芯片封装领域得到了广泛的关注。该技术基于基本传热概念，即层流流体的传热系数与流体水力直径成反比，这意味着通道的水力直径越小，其散热能力越强。微通道的直径通常为5～100μm，传热系数可高达80000w/(m²·k)，可以确保高功率芯片在安全温度范围内工作。

在现有技术中，存在不同形状的微通道结构用于强化散热。但是现有的微通道散热结构存在流动压降较大，壁面温度分布不均以及引入额外流动阻力问题，导致散热效果不理想。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种用于边缘服务器芯片散热的微通道结构，可以降低流动压降，改善散热结构下游的换热效果，提高对流换热的均匀性和整体换热效果。

本发明是通过下述技术方案来实现的：

一种用于边缘服务器芯片散热的微通道结构，包括壳体和扣合于所述壳体上的上盖，所述壳体上侧开设有正方形的沉槽；

所述沉槽底面设有若干呈菱形四棱柱结构的肋柱，所述肋柱包括沿所述沉槽对角线间隔分布的倾斜肋柱和在所述沉槽对角线分割的三角形区域内矩形阵列的平行肋柱；所述倾斜肋柱的菱形长轴方向与所述沉槽对角线方向一致，所述平行肋柱的菱形长轴方向与对应的沉槽侧壁垂直；

所述上盖上开设有与所述沉槽中心对应的进口和与所述沉槽的四角对应的出口。

本发明的进一步改进还有，所述平行肋柱和所述倾斜肋柱沿所述沉槽的对角线和对边中心连线呈对称设置。

本发明的进一步改进还有，所述沉槽底面外沿开设有呈正方形分布的汇流槽；所述汇流槽的内外侧壁拐角位置均倒有圆角，所述出口圆心与所述汇流槽外壁拐角的倒角圆心对应。

本发明的进一步改进还有，所述汇流槽的内外侧壁圆角半径大小相等，均为Ro；所述汇流槽外侧壁与所述沉槽侧壁的间距、所述汇流槽的宽度和所述出口的半径均等于Ro。

本发明的进一步改进还有，所述平行肋柱沿其短轴方向和其长轴方向的间距分别为La和Lb，其中La＝Lb/2；所述倾斜肋柱沿其长轴方向的间距为Lc，其中Lc＝6/5La；

靠近所述沉槽中心的平行肋柱中心与所述沉槽中心的间距为Lm，其中Lm＝3/2Lb；靠近所述沉槽中心的倾斜肋柱中心与所述沉槽中心的间距为Ln，其中Ln＝Lb。

本发明的进一步改进还有，所述进口的半径等于Ro，且Ro＝La/2。

本发明的进一步改进还有，所述肋柱的长轴长度为Ll，其中Ll＝Lb。

本发明的进一步改进还有，所述肋柱锐角夹角为α，其中α为30～70°。

本发明的进一步改进还有，所述肋柱高度为所述壳体底面到所述沉槽底面距离的2～5倍，且所述肋柱上端与所述上盖底面留有间隙。

从以上技术方案可以看出，本发明的有益效果是：

整体结构简单，实现容易，实用性好。冷却液从进口垂直冲击沉槽底面中心，并向四周扩散。平行肋柱和倾斜肋柱的阵列方式能够形成不断变化的水力直径，可以不断破坏冷却液流体的边界层，从而形成充分的扰动，肋柱和冷却液流体之间形成充分的热接触，使两者之间的对流换热热阻进一步降低，从而提高整体的散热效果；流体的边界层在流动过程中不断重新发展，从而有效的降低了流动过程中的滞止效应；且冷却液从沉槽中心对应的进口进入，从四角位置的出口排出，可有效缩短流体的流动路径，从而改善进出口壁面的温差，改善散热结构下游的换热效果，并在一定程度上降低沿程的压降，进一步提高整体的对流换热效果，从而实现对边缘服务器芯片的良好散热。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为本发明具体实施方式的结构示意图。

图2为本发明具体实施方式的壳体内部结构示意图。

图3为图2的俯视结构示意图。

图4为图3中A的局部放大结构示意图。

图5为本发明具体实施方式的上盖结构示意图。

附图中：1、上盖，11、进口，12、出口，2、壳体，21、平行肋柱，22、倾斜肋柱，23、汇流槽，3、沉槽。

具体实施方式

为使得本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本具体实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本专利中的实施例，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它实施例，都属于本专利保护的范围。

如图1-5所示，本发明公开一种用于边缘服务器芯片散热的微通道结构，包括正方形的壳体2和密封扣合于所述壳体2上侧的正方形的上盖1，所述壳体2上侧开设有正方形的沉槽3；

所述沉槽3的底面设有若干竖立的呈菱形四棱柱结构的肋柱，所述肋柱包括沿所述沉槽3对角线间隔均匀分布的倾斜肋柱22和在所述沉槽3对角线分割的三角形区域内沿X向和Y向矩形阵列的平行肋柱21；所述倾斜肋柱22的菱形长轴方向与所述沉槽3对角线方向一致，所述平行肋柱21的菱形长轴方向与对应的沉槽3侧壁垂直，即正方形的沉槽3通过在其对角线间隔设置的倾斜肋柱22分割为四个三角形区域，在横向相对的两个三角形区域内的平行肋柱21与沉槽3的横边方向(X向)一致，在竖向相对的两个三角形区域内的平行肋柱21与沉槽3的竖边方向(Y向)一致，具体如图3所示；

所述上盖1上开设有与所述沉槽3中心对应的进口11和与所述沉槽3的四角对应的出口12。

壳体2、上盖1和肋柱均选用导热性较好的铜材质或铝材质，上盖1与壳体2通过真空钎焊连接密封；壳体2贴附固定安装于边缘服务器芯片表面；通过冷却液循环系统接入上盖1上的进口11和四个出口12，冷却液通过循环泵提供循环动力，从进口11垂直冲击沉槽3底面中心，并向四周扩散。冷却液在沉槽3中心向外扩散流动过程中，平行肋柱21和倾斜肋柱22的阵列方式能够形成不断变化的水力直径，可以不断破坏冷却液流体的边界层，从而形成充分的扰动，肋柱和冷却液流体之间形成充分的热接触，使两者之间的对流换热热阻进一步降低，从而提高整体的散热效果；流体的边界层在流动过程中不断重新发展，从而有效的降低了流动过程中的滞止效应；且冷却液从沉槽3中心对应的进口11进入，从四角位置的出口12排出，可有效缩短流体的流动路径，从而改善进出口壁面的温差，改善散热结构下游的换热效果，并在一定程度上降低沿程的压降，进一步提高整体的对流换热效果，从而实现对边缘服务器芯片的良好散热。整体结构简单，实现容易，实用性好。

其中，如图3所示，所述平行肋柱21和所述倾斜肋柱22沿所述沉槽3的对角线和对边中心连线呈对称设置。可以保证进口11到沉槽3的四角位置对应的出口12的肋柱分布完全一致，保证壳体2从中心到四周均匀对称的散热效果。

如图1-2所示，所述沉槽3底面外沿开设有呈正方形分布的汇流槽23；所述汇流槽23的内外侧壁拐角位置均做倒圆角处理，所述出口12圆心与所述汇流槽23外壁拐角处倒角圆心对应，向四周边沿扩散的冷却液通过汇流槽23汇聚，避免冷却液流体急流冲击，保证冷却液排出的顺畅性。

其中，如图3所示，所述汇流槽23的内外侧壁圆角半径大小相等，均为Ro；所述汇流槽23外侧壁与所述沉槽3侧壁的间距、所述汇流槽23的宽度和所述出口12的半径均等于Ro。整体结构尺寸设计合理，保证流畅的流体循环路径，实现良好的散热。

如图4所示，所述平行肋柱21沿其短轴方向和其长轴方向的间距分别为La和Lb，其中La＝Lb/2；所述倾斜肋柱22沿其长轴方向的间距为Lc，其中Lc＝6/5La；靠近所述沉槽3中心的平行肋柱21中心与所述沉槽3中心的间距为Lm，其中Lm＝3/2Lb；靠近所述沉槽3中心的倾斜肋柱22中心与所述沉槽3中心的间距为Ln，其中Ln＝Lb。平行肋柱21和倾斜肋柱22布置合理，对冷却液形成充分的扰动，保证冷却液流体与肋柱良好的换热效果。

其中，所述进口11半径等于Ro，且Ro＝La/2。进口11半径、出口12半径、汇流槽23的内外侧壁圆角半径、汇流槽23外侧壁与沉槽3侧壁的间距、汇流槽23的宽度均为Ro，且Ro＝La/2，该结构的生产加工更加便捷，易于实现，且可以保证冷却液流体在微通道结构内流畅的散热路径，保证良好的散热效果。

如图4所示，所述肋柱的长轴长度为Ll，短轴长度为Ls，其中Ll＝Lb。可以保证充分、良好的扰动效果，提高换热效率。

如图4所示，所述肋柱锐角夹角为α，其中α为30～70°。根据工况设计α的大小和Ll的长度，保证主流体通道与次流体通道、斜主流体通道与斜次流体通道中流体的平衡性，以达到最佳的换热效果。

如图4所示，所述肋柱高度为所述壳体2底面到所述沉槽3底面距离的2～5倍，壳体2底面到沉槽3底面的距离与上盖1厚度相等，且汇流槽23深度为上盖1厚度的0.5倍，肋柱上端与上盖1底面留有间隙。该结构可以保证充分、良好的换热效果。

其中，上述肋柱布置结构中，沿平行肋柱21短轴方向的相邻两个平行肋柱21之间形成主流体通道，沿平行肋柱21长轴方向的相邻两个平行肋柱21之间形成次流体通道；倾斜肋柱22与相邻的平行肋柱21之间形成斜主流体通道，由于肋柱尺寸和间距的设计，如图4所示，斜主流体通道在其沿程上的宽度会有一定变化，相邻两倾斜肋柱22间形成斜次流体通道。

本用于边缘服务器芯片散热的微通道结构的具体散热过程为：

冷却液通过循环泵提供循环动力，从进口11垂直冲击沉槽3底面中心，并向四周扩散。冷却液在沉槽3中心向外扩散流动过程中，形成多种形式的流体；首先冷却液在主流体通道中充分发展的流体在流经任意两个平行肋柱21之间时，会由于水力直径的变化形成一定的扰动，从而产生二次流；二次流在压力的驱动下，在流经下一对相邻平行肋柱21之前，会有一部分被不可避免的分流至次流体通道，并在次流体通道流出后与相邻的主流体通道内的流体汇合形成新的扰动。同样，沿着斜主流体通道发展的流体将会由于更大的水力直径变化形成更大的扰动，这些扰动形成的二次流将会随机的流入各主、次流体通道并形成新的扰动。通过合理的结构设计，可以使冷却液流体在通道中得到充分的分流。冷却液在循环泵的作用下由四角的出口12排出壳体2，并通过循环系统上的散热结构对冷却液进行降温，从而实现对边缘服务器芯片的持续循环散热。

本用于边缘服务器芯片散热的微通道结构，整体结构简单，实现容易，实用性好。冷却液从进口垂直冲击沉槽底面中心，并向四周扩散。平行肋柱和倾斜肋柱的阵列方式能够形成不断变化的水力直径，可以不断破坏冷却液流体的边界层，从而形成充分的扰动，肋柱和冷却液流体之间形成充分的热接触，使两者之间的对流换热热阻进一步降低，从而提高整体的散热效果；流体的边界层在流动过程中不断重新发展，从而有效的降低了流动过程中的滞止效应；且冷却液从沉槽中心对应的进口进入，从四角位置的出口排出，可有效缩短流体的流动路径，从而改善进出口壁面的温差，改善散热结构下游的换热效果，并在一定程度上降低沿程的压降，进一步提高整体的对流换热效果，从而实现对边缘服务器芯片的良好散热。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同、相似部分互相参见即可。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“上”、“下”、“外侧”“内侧”等如果存在是用于区别位置上的相对关系，而不必给予定性。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (2)

1.一种用于边缘服务器芯片散热的微通道结构，其特征在于，包括壳体（2）和扣合于所述壳体（2）上的上盖（1），所述壳体（2）上侧开设有正方形的沉槽（3）；所述沉槽（3）底面设有若干呈菱形四棱柱结构的肋柱，所述肋柱包括沿所述沉槽（3）对角线间隔分布的倾斜肋柱（22）和在所述沉槽（3）对角线分割的三角形区域内矩形阵列的平行肋柱（21）；所述倾斜肋柱（22）的菱形长轴方向与所述沉槽（3）对角线方向一致，所述平行肋柱（21）的菱形长轴方向与对应的沉槽（3）侧壁垂直；所述上盖（1）上开设有与所述沉槽（3）中心对应的进口（11）和与所述沉槽（3）的四角对应的出口（12）；

沿平行肋柱（21）短轴方向的相邻两个平行肋柱（21）之间形成主流体通道，沿平行肋柱（21）长轴方向的相邻两个平行肋柱（21）之间形成次流体通道；倾斜肋柱（22）与相邻的平行肋柱（21）之间形成斜主流体通道，相邻两倾斜肋柱（22）间形成斜次流体通道；

所述平行肋柱（21）和所述倾斜肋柱（22）沿所述沉槽（3）的对角线和对边中心连线呈对称设置；

所述沉槽（3）底面外沿开设有呈正方形分布的汇流槽（23）；所述汇流槽（23）的内外侧壁拐角位置均倒有圆角，所述出口（12）圆心与所述汇流槽（23）外壁拐角的倒角圆心对应；

所述汇流槽（23）的内外侧壁圆角半径大小相等，均为Ro；所述汇流槽（23）外侧壁与所述沉槽（3）侧壁的间距、所述汇流槽（23）的宽度和所述出口（12）的半径均等于Ro；

所述平行肋柱（21）沿其短轴方向和其长轴方向的间距分别为La和Lb，其中La=Lb/2；所述倾斜肋柱（22）沿其长轴方向的间距为Lc，其中Lc=6/5 La；靠近所述沉槽（3）中心的平行肋柱（21）中心与所述沉槽（3）中心的间距为Lm，其中Lm=3/2 Lb；靠近所述沉槽（3）中心的倾斜肋柱（22）中心与所述沉槽（3）中心的间距为Ln，其中Ln= Lb；

所述进口（11）的半径等于Ro，且Ro= La/2；

所述肋柱的长轴长度为Ll，其中Ll=Lb；

所述肋柱锐角夹角为α，其中α为30~70°。

2.根据权利要求1所述的用于边缘服务器芯片散热的微通道结构，其特征在于，所述肋柱高度为所述壳体（2）底面到所述沉槽（3）底面距离的2~5倍，且所述肋柱上端与所述上盖（1）底面留有间隙。