CN115050715B - 一种基于合成双射流激励器的液冷散热装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于芯片散热领域，具体是涉及到一种基于合成双射流激励器的液冷散热装置，包括双射流激励器和微通道散热器，所述双射流激励器包括壳体和振动膜片，所述壳体内设置有空腔，所述振动膜片设置在空腔内并将空腔分割为两个腔体，所述壳体上还设置有为两个腔体注入冷却液的入水口，两个腔体均设置有连通微通道散热器的多个射流通道，两个腔体所连接的所述射流通道沿微通道散热器流向交错排布，本发明可提高冷却介质湍流度，进而破坏热边界层，带走更多的热量，最终提高微通道散热器的换热能力，另外射流与来流相互作用对热边界层的破坏与射流直接冲击微通道散热器的内壁相互结合影响，进一步提高了对高微通道散热器上安装的芯片的散热能力。

Description

一种基于合成双射流激励器的液冷散热装置

技术领域

本发明属于芯片散热领域，具体是涉及到一种基于合成双射流激励器的液冷散热装置。

背景技术

随着电子元件朝微型化、集成化方向发展，芯片单位热流密度越来越高。例如从集成电路发展至本世纪初，大型计算机部分芯片热流密度从60W/cm2越过100W/cm2，最高已达到200W/cm2左右。据预测，芯片平均热流密度将达到500W/cm2，局部热点热流密度将超过1000W/cm2，而传统风冷散热极限为1W/cm2。如果不能迅速带走这些热量，将导致芯片温度急剧升高，影响芯片工作性能甚至烧毁设备。

有研究表明，芯片温度每升高10℃，可靠性降低50%，电子芯片失效的原因中有55%都是热失效。考虑到电子芯片工作的稳定性和可靠性，以及芯片热量升高带来的能耗问题，迫切需要一种高效的散热方式对芯片进行散热，且要求散热装置体积小，易于集成化，以满足芯片微型化发展的趋势。

研究表明，与风冷相比，液冷散热能力更强，采用液冷散热方式是解决电子器件散热问题的发展趋势，其中以微通道散热技术、射流冲击冷却技术和喷雾冷却技术散热能力尤为突出。微通道通常指水力直径在0.5mm至3mm之间的通道，由于雷诺数较小，通道内往往是层流，对热边界层影响不大，影响换热能力，且均温性较差。射流冲击冷却技术和喷雾冷却技术散热效果也难以满足芯片高热流密度的散热需求，因此需要一种散热效率高的散热装置。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种高散热能力的基于合成双射流激励器的液冷散热装置。

本发明的内容包括双射流激励器和微通道散热器，所述双射流激励器包括壳体和振动膜片，所述壳体内设置有空腔，所述振动膜片设置在空腔内并将空腔分割为两个腔体，所述壳体上还设置有为两个腔体注入冷却液的入水口，两个腔体均设置有连通微通道散热器的多个射流通道，两个腔体所连接的所述射流通道沿微通道散热器流向交错排布。

更进一步地，每个所述射流通道与微通道散热器的连接处沿微通道散热器宽度方向等距设置有若干个射流孔，多个所述射流通道的射流孔呈矩形阵列排布。

更进一步地，两个腔体分别为腔体Ⅰ和腔体Ⅱ，所述腔体Ⅰ连接的射流通道为射流通道Ⅰ，所述腔体Ⅱ连接的射流通道为射流通道Ⅱ，所述射流通道Ⅰ和/或射流通道Ⅱ设置有两组以上，射流通道Ⅰ和射流通道Ⅱ交错设置。

更进一步地，所述微通道散热器包括散热器壳体和设置在散热器壳体内的微通道，所述散热器壳体一侧设置有芯片安装槽，所述射流通道与微通道背离芯片安装槽一侧连通。

更进一步地，多个所述射流通道与芯片安装槽对应。

更进一步地，所述微通道的水力直径在0.5mm至3mm之间。

更进一步地，所述振动膜片为圆盘形结构，振动膜片的圆盘外侧与壳体固定连接，振动膜片的圆盘隔开两个腔体，所述入水口设置有两个，两个入水口分别对应两个腔体。

更进一步地，所述振动膜片为压电陶瓷片，所述振动膜片与两个腔体的连接处设置有垫圈。

更进一步地，所述微通道散热器设置在双射流激励器侧边，所述射流通道通过两个腔体的侧边延伸至微通道散热器上。

更进一步地，所述微通道散热器设置在双射流激励器上方，靠近微通道散热器一侧的腔体直接通过腔体顶壁与微通道散热器连接，背离微通道散热器的腔体内设置的所述射流通道通过壳体的侧壁与微通道散热器连接。

本发明的有益效果是：

一、本发明通过设置双射流激励器，并通过将双射流激励器内两个腔体分别通过射流通道与微通道散热器连接，且两个腔体的射流通道沿微通道散热器流向交错排布，可以使双射流激励器内的冷却介质以射流的形式间隔性注入微通道散热器内，同时微通道散热器内冷却介质部分间隔性吸入另一组射流通道内，间隔性注入的射流与微通道散热器内的冷却介质相互作用，结合间接性吸入射流通道内的冷却介质使微通道散热器内的冷却介质在两端均产生涡系结构，增强两个冷却介质的掺混，提高冷却介质湍流度，进而破坏热边界层，带走更多的热量，最终提高微通道散热器的换热能力。

二，由于射流通道沿微通道散热器的流向交错排布，使微通道散热器内冷却介质的流向方向的掺混、冷却介质湍流度逐步增强，进而对热边界层的破坏也是逐步增强，同时射流会穿过直接冲击微通道散热器的内壁，提高微通道散热器该内壁的换热能力；射流与来流相互作用对热边界层的破坏与射流直接冲击微通道散热器的内壁相互结合影响，进一步提高了降低高热流密度芯片温度的散热能力。

三，双射流激励器和微通道散热器同时工作对于压降的减小尤为明显，可以实现在提高传热性能的同时极大地减小压降，为解决高热流密度芯片的散热问题提供了一种高效的散热方式。

附图说明

附图1为本发明侧放式散热装置的结构示意图；

附图2为本发明侧放式散热装置的爆炸图；

附图3为图1中射流通道的X方向剖视图；

附图4为图1中射流通道的Y方向剖视图；

附图5为图1中腔体Ⅰ内冷却介质的流动示意图；

附图6为图1中腔体Ⅱ内冷却介质的流动示意图；

附图7为本发明立放式散热装置的结构示意图；

附图8为图7的正剖视图；

附图9为本发明侧放式散热装置的散热能力和进出口压降对比图；

附图10为常规采用11个微通道的微通道散热器；

附图11为本发明侧放式散热装置中双射流激励器开启前的仿真温度图；

附图12为本发明侧放式散热装置中双射流激励器开启后的仿真温度图；

附图13为本发明侧放式散热装置中双射流激励器开启前的仿真流场图；

附图14为本发明侧放式散热装置中双射流激励器开启后的仿真流场图。

在图中，1-双射流激励器；11-壳体；12-振动膜片；13-空腔；131-腔体Ⅰ；132-腔体Ⅱ；14-入水口；141-入水口Ⅰ；142-入水口Ⅱ；15-射流通道；151-射流通道Ⅰ；152-射流通道Ⅱ；16-射流孔；17-垫圈；18-密封圈；2-微通道散热器；21-散热器壳体；22-微通道；23-芯片安装槽；3-芯片。

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的一部分实施例，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作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。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。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。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

如附图1-14所示，本发明包括双射流激励器1和微通道散热器2，所述双射流激励器1包括壳体11和振动膜片12，所述壳体11内设置有空腔13，所述振动膜片12设置在空腔13内并将空腔13分割为两个腔体，所述壳体11上还设置有为两个腔体注入冷却液的入水口14，两个腔体均设置有连通微通道散热器2的多个射流通道15，两个腔体的所述射流通道15沿微通道散热器2流向交错排布。

本发明通过设置双射流激励器1，并通过将双射流激励器1内两个腔体分别通过射流通道15与微通道散热器2连接，且两个腔体的射流通道15沿微通道散热器2流向交错排布，可以使双射流激励器1内的冷却介质以射流的形式间隔性注入微通道散热器2内，同时微通道散热器2内冷却介质部分间隔性吸入另一组射流通道15内，间隔性注入的射流与微通道散热器2内的冷却介质相互作用，结合间接性吸入射流通道15内的冷却介质使微通道散热器2内的冷却介质在两端均产生涡系结构（一组射流孔16进行射流注入时另一组射流孔16会吸入微通道22内的冷却介质，微通道22的一端注入一端吸收均能产生涡系结构，均涡系结构均布于整个微通道22安装芯片3的部位），增强两个冷却介质的掺混，提高冷却介质湍流度，进而破坏附着于流道上壁面的热边界层，带走更多的热量，最终提高微通道散热器2的换热能力。

另外，由于射流通道15沿微通道散热器2的流向交错排布，由于微通道22来流方向以及经过了射流的掺混，在此基础上，后续的射流在已经掺混过的基础上再次掺混，使微通道散热器2内冷却介质的流向方向的掺混、冷却介质湍流度逐步增强，进而对热边界层的破坏也是逐步增强，同时射流直接冲击微通道散热器2的内壁，提高微通道散热器2的换热能力；射流与来流相互作用对热边界层的破坏与射流直接冲击微通道散热器2的内壁相互结合影响，进一步提高了降低高热流密度芯片温度的散热能力。

另外，本发明可以结合实际散热需求选择性控制双射流激励器1的开启和关闭，在散热需求极低时，可以关闭双射流激励器1，散热需求稍有提升时，可以仅开启双射流激励器1的入水口14，使有冷却介质流入微通道散热器2，通过射流对微通道散热器2的内壁进行冲击提高散热能力，当散热需求达到最高时，双射流激励器1的入水口14和振动膜片12均开启。进而可以根据需要进行散热模式的选择，达到降低能耗的目的。更重要的，双射流激励器1和微通道散热器2同时工作对于压降的减小尤为明显，可以实现在提高传热性能的同时极大地减小压降，为解决高热流密度芯片的散热问题提供了一种新型高效的散热方式。

本发明所称的射流是指双射流激励器1内通过射流通道15注入至微通道22内冷却介质，更具体是指射流孔16出口形成的射流；来流则表示微通道散热器2的微通道22内沿一个方向流动的冷却介质。

另外，双射流激励器1中的振动膜片12的驱动频率、振幅调节极其方便快捷，因此便于射流的速度大小调节，在结合微通道散热器2内冷却介质的流速调节，便于调节来流与射流的相互作用程度，从而实现微通道散热器2换热能力的调节。

本发明结构紧凑，适合有限空间高热流芯片的散热，采用了双射流激励器1和微通道散热器2两种高效散热方式相结合的散热方法为解决高集成度、微型化电子器件的高热流热障问题提供新的思路与途径，符合小空间及芯片微型化发展的要求。

双射流激励器1将微通道22散热率高、尺寸小、稳定性高的特点与间隔性双射流掺混能力强的性质进行结合，进一步增强了系统的换热能力。

在其中一个实施例中，每个所述射流通道15与微通道散热器2的连接处沿微通道散热器2宽度方向等距设置有若干个射流孔16，多个所述射流通道15的射流孔16呈矩形阵列排布，本实施例中，将射流通道15的注入方式转化为多个射流孔16的注入方式将冷却介质喷注至微通道散热器2内，使得微通道散热器2的宽度方向内的冷却介质均能与射流进行相互作用，使微通道散热器2流向和宽度方向的换热能力均有提升，另外，采用射流孔16的喷注方式可以提高射流的流速和压强，进而提高混合效果。

本实施例中，两个腔体分别为腔体Ⅰ131和腔体Ⅱ132，所述腔体Ⅰ131连接的射流通道15为射流通道Ⅰ151，所述腔体Ⅱ132连接的射流通道15为射流通道Ⅱ152，所述射流通道Ⅰ151和/或射流通道Ⅱ152设置有两组以上，优选地，如图3、图5和图6所示，射流通道Ⅰ151设置二组，射流通道Ⅱ152设置三组，射流通道Ⅰ151和射流通道Ⅱ152交错设置，而每个射流通道15端部设置五个射流孔16，进而形成5X5的射流孔16矩形矩阵，在射流通道Ⅰ151上射流孔16进行射流喷注时，射流通道Ⅱ152上射流孔16反向吸入微通道22内的冷却介质，反之，当在射流通道Ⅱ152上射流孔16进行射流喷注时，射流通道Ⅰ151上射流孔16反向吸入微通道22内的冷却介质，而振动膜片12的振动使得腔体Ⅰ131和腔体Ⅱ132内的容积交替性的变化，进而射流通道Ⅰ151和射流通道Ⅱ152交替性的喷注射流和吸入冷却介质，实现两个冷却介质在微通道22两端的涡系结构生成，进而提高换热能力。

所述微通道散热器2包括散热器壳体21和设置在散热器壳体21内的微通道22，所述散热器壳体21为铝质材质，所述散热器壳体21一侧设置有芯片安装槽23，芯片安装槽23用于安装芯片3，所述射流通道15与微通道22背离芯片安装槽23一侧连通，本实施例中，多个所述射流通道15与芯片安装槽23对应，即多个射流孔16呈矩形阵列排布时，矩形阵列排布的射流孔16与微通道散热器2设置芯片3的部位对应，进而可以使射流直接冲击芯片3所对应的铝质材质，改善散热器壳体21和芯片3的均温性，均温性是通过芯片3表面最大温差进行表征。本申请通过合成双射流交替冲击微通道22与芯片3对应的表面，降低芯片3的温度，同时合理设置射流孔16之间的间距，保证芯片3附近的微通道22内壁均在射流冲击范围内，不会出现“盲区”，使得芯片3不产生大的温差，由此来改善均温性，意味着消除了局部热点，芯片3的温度降低以及均温性的提高能保证芯片3的可靠稳定工作，本实施例中，合成双射流在改善均温性时提高了冷却介质与微通道22表面的对流换热能力，进一步提高对芯片3的散热能力。

所述微通道22的水力直径在0.5mm至3mm之间，其具有散热率高、尺寸小、稳定性高的特点，但是由于雷诺数较小，微通道22内往往是层流，层流是指冷却介质的一种流动状态，流速很小时，层流的冷却介质流线平行于微通道22。层流之间互不混合，导致冷却介质对微通道22内壁的换热能力较差，此时热边界层沿流向逐渐变厚，说明换热较差。另外由于流体之间互不混合，因此对热边界层冲击破坏较差，导致换热较差。需要说明的是，热边界层越厚，换热能力是越差的。层流一定程度上影响了换热效果，本发明则通过射流解决了层流的问题，同时保证了散热率高、尺寸小、稳定性高的特性，同时通过直接冲击微通道22内壁，进一步提高了微通道散热器2的散热效果。

所述振动膜片12为圆盘形，振动膜片12的圆盘外侧与壳体11固定连接，振动膜片12的圆盘隔开两个腔体，本实施例中，所述入水口14可以仅设置一个振动膜片12的圆盘中心将冷却介质流入两个通道内，但是优选将所述入水口14设置两个，两个入水口14分别为入水口Ⅰ141和入水口Ⅱ142，入水口Ⅰ141与腔体Ⅰ131对应，入水口Ⅱ142与腔体Ⅱ132对应两个腔体，使两个腔体内保证时刻充满冷却介质。

所述振动膜片12为压电陶瓷片，所述振动膜片12与两个腔体的连接处设置有垫圈17，保证振动膜片12的固定稳定性和工作的可靠性，另外在振动膜片12安装位置还可以设置密封圈18，避免两个腔体相互连通。

如图1-图6所示，在其中一个实施例中，所述微通道散热器2设置在双射流激励器1侧边，可称为侧放式散热装置，所述射流通道15通过两个腔体的侧边延伸至微通道散热器2上，本实施例中，可以保证散热装置整体的高度尺寸，侧放式散热装置便于两个腔体射流孔的交错排列，在振动膜片12工作后，两个腔体在射流出口形成的射流相互作用强烈，加强了流体掺混。

如图7-图8所示，在其中一个实施例中，所述微通道散热器2设置在双射流激励器1上方，可称为立放式散热装置，靠近微通道散热器2一侧的腔体直接通过腔体顶壁与微通道散热器2连接，背离微通道散热器2的腔体内设置的所述射流通道15通过壳体11的侧壁与微通道散热器2连接，本实施例中，可以保证散热装置整体的横向尺寸。

本发明的具体工作原理：

在对芯片3进行散热时，微通道散热器2的微通道22具有来流，即微通道22内始终朝向一个方向流动有冷却介质；

双射流激励器1通过入水口14为腔体Ⅰ131和腔体Ⅱ132内注入冷却介质，控制振动膜片12工作，振动膜片12使腔体Ⅰ131和腔体Ⅱ132的体积发生变化，两个腔体的体积周期性的增大或减小，冷却介质间接性经过射流通道Ⅰ151或射流通道Ⅱ152以射流形式注入到微通道22内，同时另一个射流通道Ⅱ152或射流通道Ⅰ151吸入微通道22内的冷却介质，最终以呈矩形排布的射流孔16交替工作，微通道22内的冷却介质与射流相互作用，最终经过微通道22的出口流出。

图9为本发明装置与常规微通道散热器（采用11个微通道）散热能力和进出口压降对比。工况零对应采用11个微通道的微通道散热器，工况一对应振动膜片12不工作，两个腔体不注入冷却介质，工况二对应振动膜片12工作，两个腔体不注入冷却介质，工况三对应振动膜片12不工作，两个腔体持续注入冷却介质，工况四对应振动膜片12工作，两个腔体持续注入冷却介质。从图中可以看出，在这种情况下，微通道结合合成双射流的散热性能优于常规微通道散热以及双射流激励器不工作的情况，双射流激励器1和微通道散热器2的结合对于压降的减小尤为明显。可以实现在提高传热性能的同时极大地减小压降，为解决高热流密度芯片的散热问题提供了一种新型高效的散热方式。

图11和图12为侧放式散热装置开启双射流激励器1前后的温度对比图；从图中可以看出，双射流激励器1开启后较开启前温度得到大幅度降低，双射流作用使温度场变化明显，射流冲击区域温度明显低于其他区域，进一步说明了双射流激励器应用于液冷具有很好的前景。

图13和图14为侧放式散热装置开启双射流激励器1前后的速度对比图；从图中可以看出，不开启双射流激励器1的振动膜片12时，形成的射流为定常射流，射流受来流影响偏转明显。开启双射流激励器1的振动膜片12时，射流直接冲击散热器壳体21，并与来流相互作用，可以观察到明显的涡结构，增强掺混。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种基于合成双射流激励器的液冷散热装置，其特征是，包括双射流激励器（1）和微通道散热器（2），所述双射流激励器（1）包括壳体（11）和振动膜片（12），所述壳体（11）内设置有空腔（13），所述振动膜片（12）设置在空腔（13）内并将空腔（13）分割为两个腔体，所述壳体（11）上还设置有为两个腔体注入冷却液的入水口（14），两个腔体均设置有连通微通道散热器（2）的多个射流通道（15），两个腔体所连接的所述射流通道（15）沿微通道散热器（2）流向交错排布。

2.如权利要求1所述的基于合成双射流激励器的液冷散热装置，其特征是，每个所述射流通道（15）与微通道散热器（2）的连接处沿微通道散热器（2）宽度方向等距设置有若干个射流孔（16），多个所述射流通道（15）的射流孔（16）呈矩形阵列排布。

3.如权利要求1或2任一项所述的基于合成双射流激励器的液冷散热装置，其特征是，两个腔体分别为腔体Ⅰ（131）和腔体Ⅱ（132），所述腔体Ⅰ（131）连接的射流通道（15）为射流通道Ⅰ（151），所述腔体Ⅱ（132）连接的射流通道（15）为射流通道Ⅱ（152），所述射流通道Ⅰ（151）和/或射流通道Ⅱ（152）设置有两组以上，射流通道Ⅰ（151）和射流通道Ⅱ（152）交错设置。

4.如权利要求3所述的基于合成双射流激励器的液冷散热装置，其特征是，所述微通道散热器（2）包括散热器壳体（21）和设置在散热器壳体（21）内的微通道（22），所述散热器壳体（21）一侧设置有芯片安装槽（23），所述射流通道（15）与微通道（22）背离芯片安装槽（23）一侧连通。

5.如权利要求4所述的基于合成双射流激励器的液冷散热装置，其特征是，多个所述射流通道（15）与芯片安装槽（23）对应。

6.如权利要求4所述的基于合成双射流激励器的液冷散热装置，其特征是，所述微通道（22）的水力直径在0.5mm至3mm之间。

7.如权利要求1所述的基于合成双射流激励器的液冷散热装置，其特征是，所述振动膜片（12）为圆盘形结构，振动膜片（12）的圆盘外侧与壳体（11）固定连接，振动膜片（12）的圆盘隔开两个腔体，所述入水口（14）设置有两个，两个入水口（14）分别对应两个腔体。

8.如权利要求7所述的基于合成双射流激励器的液冷散热装置，其特征是，所述振动膜片（12）为压电陶瓷片，所述振动膜片（12）与两个腔体的连接处设置有垫圈（17）。

9.如权利要求1、2、4、5、6、7或8任一项所述的基于合成双射流激励器的液冷散热装置，其特征是，所述微通道散热器（2）设置在双射流激励器（1）侧边，所述射流通道（15）通过两个腔体的侧边延伸至微通道散热器（2）上。

10.如权利要求1、2、4、5、6、7或8任一项所述的基于合成双射流激励器的液冷散热装置，其特征是，所述微通道散热器（2）设置在双射流激励器（1）上方，靠近微通道散热器（2）一侧的腔体直接通过腔体顶壁与微通道散热器（2）连接，背离微通道散热器（2）的腔体内设置的所述射流通道（15）通过壳体（11）的侧壁与微通道散热器（2）连接。

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