CN114883280A - 一种用于两相流冷却的歧管式通道的冷却装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于两相流冷却的歧管式通道的冷却装置，包括置于电子芯片、热扩展板下方的冷板，该冷板内侧通过支架结构装设有流道，所述流道为歧管式通道结构且其内充入有冷却介质，该冷却介质包括但不限于氟利昂，该歧管通道结构内具有主流区、歧管通道区，其中主流区分布于冷板壳体的两侧，歧管通道区分布于冷板壳体的中部，主流区具有冷却介质供液主流，该冷却介质供液主流可与歧管通道区连通，冷却介质供液主流在进入歧管通道区后其分支为两路冷却介质供液支流。本发明歧管式通道设计在电子芯片下方冷板流道内形成高速射流冲击，显著提升两相流冷却的沸腾换热效率，提高了两相流冷却的工程适用性。

Description

一种用于两相流冷却的歧管式通道的冷却装置

技术领域

本发明涉及电子芯片两相流冷却领域，具体为一种用于两相流冷却的歧管式通道的冷却装置。

背景技术

随着电子芯片（射频功率管、数字芯片等）热流密度的不断增长，两相流冷却的应用逐步增长，其克服了单相液冷的局限性，优势在于：换热效率提升，高热流密度下的芯片温度降低；冷却液流量需求降低，冷却系统能效提升；供液温度无需过低，避免设备凝露风险等。两相流冷却的突出优势在于换热效率高，为充分发挥其优势，通常对沸腾换热进行强化设计，以应对电子芯片的高热流密度散热需求，提升其工程适用性。两相流冷却的显著问题在于其相变过程复杂，流道内气液混合态的组分与形态难以预测，易出现流动不稳定特征，对系统的可靠性提出挑战。

两相流冷却装置通常采用流动通道内增加翅片的形式，例如中国专利文献CN112652587A公开了一种用于IGBT的两相流冷却装置，在换热冷板中增加换热翅片以强化沸腾传热，实现小流量冷却介质的高效换热性能。

如图1所示，电子设备的两相流冷却结构主要组成包括具有高热流密度的电子芯片1、热扩展板2、冷板3、流道4。现有技术聚焦于提升沸腾换热性能，而忽视了剧烈沸腾条件下形成的大量气泡对冷却系统的影响。在高热流密度芯片下方的冷板中，换热翅片间狭小的通道内，短时间内大量液态冷却介质沸腾形成气态工质。气态工质在低速流动过程中可聚集形成大气泡，在狭小通道内形成堵塞，造成传热恶化。局部狭小通道内形成的气泡堵塞，导致该通道支路内流阻激增，分配流量减小，而流量的减小进一步造成该支路内气体含量的增加，流量分配进一步恶化，造成整个两相流冷却系统的流动不稳定特性。具体示例如图2所示，图2为现有技术中采用常规的微通道设计，电子芯片1下方的冷板3内采用微通道结构，氟利昂流体在微通道翅片的间隙形成微通道流动。微结构的存在增加了流体与冷板间的换热面积，且使流体边界层重新发展，有利于提高局部对流换热。但是对于两相流冷却，高热流密度电子芯片的下方冷板内氟利昂发生由液相到气相的剧烈相变，形成的气泡在狭长的微通道内容易堆积，堵塞通道，造成传热恶化；并且局部通道内堵塞，造成各通道间的流动阻力不同，各通道流量分配失衡，导致两相流动的不稳定。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于两相流冷却的歧管式通道的冷却装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于两相流冷却的歧管式通道的冷却装置，包括置于电子芯片、热扩展板下方的冷板，该冷板内侧通过支架结构装设有流道，所述流道为歧管式通道结构且其内充入有冷却介质，该冷却介质包括但不限于氟利昂，该歧管通道结构内具有主流区、歧管通道区，其中主流区分布于冷板壳体的两侧，歧管通道区分布于冷板壳体的中部，主流区具有冷却介质供液主流，该冷却介质供液主流可与歧管通道区连通，冷却介质供液主流在进入歧管通道区后其分支为两路冷却介质供液支流；两路所述冷却介质供液支流沿歧管通道区流动并分支出供液射流，该供液射流与电子芯片底面方向垂直，供液射流具有的冷却介质以高流速垂直冲击电子芯片下方的冷板。

优选的，冷却介质经射流冲击后进入相变换热流动区以高效率发生相变换热并汇集于中心，冷却介质经垂直于电子芯片正下方的多条通道形成回液汇流。多条所述回液汇流汇入冷却介质回液支流，并流出歧管通道区形成冷却介质回液主流，该冷却介质回液主流流至主流区内。

优选的，歧管通道结构为散热式歧管，支架结构包括安装底座、上支架与紧固件，其中安装底座下端固定焊装于冷板3腔内底侧，安装底座顶部两侧设有若干条定位安装槽；上支架置于安装底座上，上支架包括相接固定端、安装端，其中固定端内侧上端固定所述歧管通道结构；安装端一体相接于固定端下端，安装端的两外边设于定位安装槽外，安装端内端部设有与定位安装槽定位配合的定位条。

优选的，上支架、安装底座相近的端部均开设有安装孔，紧固件包括紧固螺栓与螺母，该紧固螺栓下端穿过上支架、安装底座上的安装孔并通过螺母锁紧，且该螺母抵压于安装底座顶部的靠内的边缘。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明歧管式通道设计在电子芯片下方冷板流道内形成高速射流冲击，显著提升两相流冷却的沸腾换热效率，提高了两相流冷却的工程适用性。

2、本发明歧管式通道设计在冷板流道壁面形成的高速射流冲击力，主动消除两相流冷却过程中高热流密度热源下方的气泡堆积问题，显著提升通道内相变冷却工质的流动稳定性，提高了两相流冷却的可靠性。

3、本发明歧管式通道结构采用支架安装，安装更为便捷且稳固。

附图说明

图1为现有技术中两相流冷却结构的示意图；

图2为现有技术中采用微通道流动的示意图；

图3为本发明实施例1中采用歧管式流道的结构的示意图；

图4为本发明实施例2中歧管式通道的支架安装示意图。

图中：1、电子芯片；2、热扩展板；3、冷板；4、流道；5、主流区；6、歧管通道区；7、冷却介质供液主流；8、冷却介质供液支流；9、供液射流；10、相变换热流动区；11、回液汇流；12、冷却介质回液支流；13、冷却介质回液主流；14、安装底座；15、上支架；16、定位安装槽；17、定位条；18、紧固螺栓；19、螺母。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“竖直”、“上”、“下”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1：请参阅图3，本发明提供一种技术方案：一种用于两相流冷却的歧管式通道的冷却装置，包括置于电子芯片1、热扩展板2下方的冷板3，该冷板3内侧通过支架结构装设有流道4，所述流道4为歧管式通道结构且其内充入有冷却介质，该冷却介质包括但不限于氟利昂，该歧管通道结构内具有主流区5、歧管通道区6，其中主流区5分布于冷板3壳体的两侧，歧管通道区6分布于冷板3壳体的中部，主流区5具有冷却介质供液主流7，该冷却介质供液主流7可与歧管通道区6连通，冷却介质供液主流7在进入歧管通道区6后其分支为两路冷却介质供液支流8；两路所述冷却介质供液支流8沿歧管通道区6流动并分支出供液射流9，该供液射流9与电子芯片1底面方向垂直，供液射流9具有的冷却介质以高流速垂直冲击电子芯片1下方的冷板3。

在本实施例中，冷却介质经射流冲击后进入相变换热流动区10以高效率发生相变换热并汇集于中心，冷却介质经垂直于电子芯片1正下方的多条通道形成回液汇流11。

在本实施例中，多条所述回液汇流11汇入冷却介质回液支流12，并流出歧管通道区6形成冷却介质回液主流13，该冷却介质回液主流13流至主流区5内。

在本实施例中，主流区5的冷却介质供液主流7，进入歧管通道区6后，分支为两路冷却介质供液支流8，氟利昂供液支流（冷却介质供液支流8）在流动过程中，不断分支出与电子芯片1底面方向垂直的供液射流9，氟利昂以高流速垂直冲击电子芯片1下方的冷板3，此处以高效率发生相变换热（液态氟利昂转变为气液混合态），高速射流冲击可防止氟利昂相变后在冷板3壁面附近形成气泡堆积；射流冲击后，氟利昂在靠近电子芯片1底面的平行通道内进行相变换热流动，流动方向由两侧向中心汇集，流动特征为高流速、沸腾相变、高换热效率。相变换热流动汇集于中心后，经垂直于电子芯片1正下方的通道形成回液汇流11，多条回液汇流11汇入氟利昂回液支流12后，流出歧管通道区6，形成主流区5的氟利昂回液主流13。

在本实施例中，上述歧管式通道设计，确保冷却介质供液主流7、供液支流8、供液射流9、相变换热流动、回液汇流11、回液支流12、回液主流13的形式分流与汇流，主动消除相变换热过程中的气泡堆积问题，确保两相流冷却的高效换热与流动稳定。

实施例2：请参阅图4，本发明提供一种技术方案：一种用于两相流冷却的歧管式通道的冷却装置，包括置于电子芯片1、热扩展板2下方的冷板3，该冷板3内侧通过支架结构装设有流道4，在本实施例中，歧管通道结构为散热式歧管，支架结构包括安装底座14、上支架15与紧固件，其中安装底座14下端固定焊装于冷板3腔内底侧，安装底座14顶部两侧设有若干条定位安装槽16。上支架15置于安装底座14上，上支架15包括相接固定端、安装端，其中固定端内侧上端固定所述歧管通道结构。

在本实施例中，安装端一体相接于固定端下端，安装端的两外边设于定位安装槽16外，安装端内端部设有与定位安装槽16定位配合的定位条17。

在本实施例中，上支架15、安装底座14相近的端部均开设有安装孔，紧固件包括紧固螺栓18与螺母19，该紧固螺栓18下端穿过上支架15、安装底座14上的安装孔并通过螺母19锁紧，且该螺母19抵压于安装底座14顶部的靠内的边缘。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种用于两相流冷却的歧管式通道的冷却装置，其特征在于，包括置于电子芯片（1）、热扩展板（2）下方的冷板（3），该冷板（3）内侧通过支架结构装设有流道（4），所述流道（4）为歧管式通道结构且其内充入有冷却介质，该冷却介质包括但不限于氟利昂，该歧管通道结构内具有主流区（5）、歧管通道区（6），其中主流区（5）分布于冷板（3）壳体的两侧，歧管通道区（6）分布于冷板（3）壳体的中部，主流区（5）具有冷却介质供液主流（7），该冷却介质供液主流（7）可与歧管通道区（6）连通，冷却介质供液主流（7）在进入歧管通道区（6）后其分支为两路冷却介质供液支流（8）；两路所述冷却介质供液支流（8）沿歧管通道区（6）流动并分支出供液射流（9），该供液射流（9）与电子芯片（1）底面方向垂直，供液射流（9）具有的冷却介质以高流速垂直冲击电子芯片（1）下方的冷板（3）。

2.根据权利要求1所述的一种用于两相流冷却的歧管式通道的冷却装置，其特征在于：所述冷却介质经射流冲击后进入相变换热流动区（10）以高效率发生相变换热并汇集于中心，冷却介质经垂直于电子芯片（1）正下方的多条通道形成回液汇流（11）。

3.根据权利要求2所述的一种用于两相流冷却的歧管式通道的冷却装置，其特征在于：多条所述回液汇流（11）汇入冷却介质回液支流（12），并流出歧管通道区（6）形成冷却介质回液主流（13），该冷却介质回液主流（13）流至主流区（5）内。

4.根据权利要求1所述的一种用于两相流冷却的歧管式通道的冷却装置，其特征在于：所述歧管通道结构为散热式歧管，支架结构包括安装底座（14）、上支架（15）与紧固件，其中安装底座（14）下端固定焊装于冷板（3）腔内底侧，安装底座（14）顶部两侧设有若干条定位安装槽（16）。

5.根据权利要求4所述的一种用于两相流冷却的歧管式通道的冷却装置，其特征在于：所述上支架（15）置于安装底座（14）上，上支架（15）包括相接固定端、安装端，其中固定端内侧上端固定所述歧管通道结构。

6.根据权利要求5所述的一种用于两相流冷却的歧管式通道的冷却装置，其特征在于：所述安装端一体相接于固定端下端，安装端的两外边设于定位安装槽（16）外，安装端内端部设有与定位安装槽（16）定位配合的定位条（17）。

7.根据权利要求5所述的一种用于两相流冷却的歧管式通道的冷却装置，其特征在于：所述上支架（15）、安装底座（14）相近的端部均开设有安装孔，紧固件包括紧固螺栓（18）与螺母（19），该紧固螺栓（18）下端穿过上支架（15）、安装底座（14）上的安装孔并通过螺母（19）锁紧，且该螺母（19）抵压于安装底座（14）顶部的靠内的边缘。

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