CN115377027A - 一种混合结构热沉 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种混合结构热沉，包括上盖板、漩涡发生器、主通道、基底、主通道壁；所述基底的上方包括主通道、主通道壁；所述主通道、主通道壁的上方为上盖板和漩涡发生器；所述主通道两端为主通道壁；所述热沉的主通道为n条，n≥1的整数；所述每条主通道在热沉的侧面两端具有热沉冷却液出口；所述漩涡发生器设置在上盖板的中部，位于主通道的上端，由单排狭缝阵列通道组成；所述漩涡发生器的单排狭缝阵列通道数量与热沉的主通道数量相同。本发明的一种混合结构热沉，破坏了热沉内部主通道壁处的边界层，降低压力损失，实现热沉基底温度的均匀性，维持热沉温度稳定。
Description
技术领域：
本发明涉及热沉技术领域，尤其是涉及大热流密度散热的热沉技术领域。
背景技术：
随着工业制造的不断进步，芯片的运算速度越来越快，集成度也越来越高。而芯片温度是影响芯片特性的主要因素之一。在芯片功率不断提高的背景下，如果不能维持芯片温度稳定在合适的状态，芯片的工作效率会降低，性能会下降，甚至芯片本身发生损坏而使运行系统崩溃。
1981年，Tuckerman&Pease以水为冷却介质，利用截面50×300μm2的矩形微通道在面积为1cm2的硅板上实现热流密度为790W/cm2的散热，但是压力损失也达到了213.59KPa，无法在实际中得到应用。Qu和Mudawar用无氧铜设计了通道截面为231×713μm2的微通道热沉，并以去离子水作为冷却流体，并当入口雷诺数为1690，热流密度为100W/cm2时，加热面与进口流体之间的温差为31K且在有限的温升范围内，即温升低于100K。传统的微通道热沉实现的热流密度大多在100-400W/cm2之间，已经无法满足日益增长的散热需求。
微通道热沉具有比表面积大，结构紧凑，传热效率高的优点，但是沿流动方向上温度梯度和压力损失较大，较大的温度梯度造成了底面温度的不均匀性较大，给芯片带来较大的热应力，缩短了芯片的使用寿命，而较大的压力损失则需要消耗较大的泵功，其主要原因在于流体在微通道内流动时会在壁面处产生边界层，且随着流动距离增加边界层逐渐增厚，边界层增厚使得热沉的流动和传热性能恶化，因此提高微通道热沉的流动传热性能的关键在于削弱边界层。针对于此，很多学者对微通道热沉进行了研究，但是这些研究大多都是基于平行流动而言的，并没有有效地破坏通道内的边界层，提高热沉的流动与传热性能。
技术内容
本发明提供一种混合结构热沉，破坏了热沉内部主通道壁处的边界层，降低压力损失，实现热沉基底温度的均匀性，维持热沉温度稳定。
本发明解决其技术问题采取的技术方案是：
一种混合结构热沉，包括上盖板、漩涡发生器、主通道、基底、主通道壁；所述基底的上方包括主通道、主通道壁；所述主通道、主通道壁的上方为上盖板和漩涡发生器；所述主通道两端为主通道壁；所述热沉的主通道为n条，n≥1的整数；所述每条主通道在热沉的侧面两端具有热沉冷却液出口；所述漩涡发生器设置在上盖板的中部，位于主通道的上端，由单排狭缝阵列通道组成；所述漩涡发生器的单排狭缝阵列通道数量与热沉的主通道数量相同。
进一步，所述单排狭缝阵列通道中每个狭缝通道的右侧面与对应的主通道的右侧主通道壁相平齐；或者所述单排狭缝阵列通道中每个狭缝通道的左侧面与对应的主通道的左侧主通道壁相平齐。
进一步，包括二次流道；所述基底的上方包括二次流道，所述二次流道的上方为上盖板；所述二次流道穿过热沉内部的主通道壁，实现热沉内部的主通道壁两侧的主通道连通。
进一步，所述热沉内部相邻主通道之间的主通道壁对应设置m条二次流道，m≥1的整数。
进一步，所述二次流道沿主通道方向交错设置。
进一步，所述热沉为高导热材料；冷却液从漩涡发生器流入，在热沉冷却液出口流出；所述冷却液为液态水、纳米流体、酒精、液态金属。
进一步，所述热沉的横截面为长方形、三角形、梯形。
进一步，所述漩涡发生器的单排狭缝阵列通道的形状为长方体、三角锥形、圆柱状、梯状体结构。
进一步，所述二次流道的形状为平行四边形、梯形、波浪形。
本发明的有益效果是：
一是将主通道、漩涡发生器、二次流道进行整合，充分发挥各种结构的优势，实现多种结构优势的正面叠加，降低热沉的热阻，减小压力损失，降低了热沉底面的温度，提高底部温度的均匀性，减小了泵功，提高热沉的使用寿命。
二是冷却液采用“中间进两边出”的流动方向，使得冷却液具有更短的流动路程，大大减少了流动带来的压力损失。
三是漩涡发生器使得流体在主通道内产生强烈的漩涡效应，使得主通道壁面附近的冷却液与主通道中心处的冷却液充分混合，破坏了主通道壁面附近的边界层，增强了流体的扰动，提升了主通道内部冷却液流动传热整体特性。
四是二次流道使得相邻主通道内的流体可以相互流进和流出，破坏了主通道中的边界层，增强了流体的扰动，使得沿主通道方向传热系数的衰竭减弱，提高了底面温度的均匀性，此外增加了流体与热沉的接触面积，增强了换热。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1：混合结构热沉示意图
图2：混合结构热沉剖面示意图
图3：二次流道结构示意图
图4：主通道内冷却液漩涡流动示意图
1-上盖板；2-漩涡发生器；3-主通道；4-二次流道；5-基底；6-二次流道角度；7-主通道壁；8-热沉冷却液出口；9-冷却液漩涡流体。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述，实施例不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定以下实施例。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”“下”“左”“右”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申请和简化描述，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申请的限制。
一种混合结构热沉，包括上盖板1、漩涡发生器2、主通道3、二次流道4、基底5、主通道壁7。
一种混合结构热沉，是一种微型散热片，用来冷却芯片的装置。所述热沉与芯片是连接设置或接近设置，优选例为热沉与芯片的散热面连接，设置在芯片的上方，热沉的底部与芯片的散热面尺寸相同，对芯片的散热面进行全覆盖。所述热沉采用高导热材料，优选例为铜或硅。所述热沉的横截面为长方形、三角形、梯形，优选例为长方形。
所述热沉的基底5与芯片的散热面连接设置或接近设置。所述基底5的上方包括主通道3、二次流道4、主通道壁7；所述主通道3、二次流道4、主通道壁7的上方为上盖板1和漩涡发生器2。所述上盖板能够密封盖住主通道3、二次流道4、主通道壁7，所述上盖板1、基底5、主通道壁7的密封设置，使得冷却液在热沉中流动时，仅能从漩涡发生器2流入，在热沉冷却液出口8流出，冷却液无法从热沉的其他部位泄露，防止冷却液与芯片接触。所述漩涡发生器2设置在热沉的上端，所述热沉冷却液出口8设置在热沉侧面两端。所述冷却液为液态水、纳米流体、酒精、液态金属。
所述主通道3是冷却液在热沉中流动的主要通道。所述热沉的主通道3为n条，n≥1的整数。所述每条主通道3在热沉的侧面两端具有热沉冷却液出口8，即1条主通道具有2个热沉冷却液出口。所述热沉中n条主通道具有2n个热沉冷却液出口。所述每条主通道3的下端为热沉的基底5，上端为热沉的上盖板1，所述主通道3的两端为主通道壁7。所述冷却液在主通道3中流动，分别与基底5、主通道壁7、上盖板1进行换热。一种混合结构热沉吸收芯片释放的热量后，通过基底、主通道壁、上盖板将热量传递至热沉中的冷却液，冷却液吸收热沉的热量，并将热量带离热沉，使得热沉温度不变，实现芯片散热的作用。
所述漩涡发生器2设置在上盖板的中部，位于主通道3的上端，由单排狭缝阵列通道组成。通过单排狭缝阵列通道的设置，使得冷却液经过后，以射流的方式流入主通道，发挥了射流冲击在驻点附近较高的传热系数的特点，增强了冷却液与热沉的换热。所述漩涡发生器的单排狭缝陈列通道的形状为长方体、三角锥形、圆柱状、梯状体结构。
所述漩涡发生器2的单排狭缝阵列通道数量与热沉的主通道3数量相同，即一种混合结构热沉中具有n条主通道，相应设置n个单排狭缝阵列通道。所述每个狭缝通道的右侧面与对应的主通道3的右侧主通道壁7相平齐；或者所述每个狭缝通道的左侧面与对应的主通道3的左侧主通道壁7相平齐；所述狭缝通道与主通道壁7平齐设置，能够使得冷却液经过漩涡发生器时，以射流的方式流入主通道，在主通道的横截面上发生强烈的漩涡流动，形成冷却液漩涡流体9，沿着主通道向热沉冷却液出口流动，沿途与主通道壁面发生强烈的对流传热。冷却液漩涡流动使得主通道壁7附近冷却液与主通道3中心处的冷却液充分混合，破坏了主通道壁处的边界层，增强了冷却液的扰动，冷却液的流动和传热性能都得到了明显增强，进而热沉冷却芯片的效果明显增强。
所述二次流道4穿过热沉内部的主通道壁7，实现热沉内部的主通道壁7两侧的主通道3连通，即相邻的两个主通道3实现连通。冷却液通过二次流道4能够在相邻的两个主通道3之间流动。所述热沉内部相邻主通道3之间的主通道壁7对应设置m条二次流道，m≥1的整数。所述二次流道沿主通道方向交错设置，使得同一主通道既有冷却液的流入，也有冷却液的流出，保证相邻主通道3之间冷却液的流量分配均匀，同时能够破坏主通道壁7处的边界层，增强了流体的扰动，同时增加了流体与热沉的接触面积，使流体的换热性能大大提升。所述二次流道的形状为平行四边形、梯形、波浪形。
一种混合结构热沉的工作流程如下：
芯片工作散热，将热量传递至混合结构热沉。冷却液通过漩涡发生器2以射流冲击的方式进入主通道3，在主通道3的横截面上发生强烈的漩涡流动，形成冷却液漩涡流体9，促使主通道壁7面附近的冷却液与主通道3中心处的冷却液充分混合，破坏了主通道壁7附近处的边界层，增强了流体的扰动，并且漩涡沿着主通道向热沉冷却液出口8流动。当冷却液流经二次流道4时，部分冷却液经过二次流道4流出该主通道3，流入相邻主通道3，其余冷却液继续沿着主通道3向热沉冷却液出口8流动，同时也有部分冷却液从相邻主通道3经过二次流道流入该主通道3，破坏了该主通道3中的边界层，增强了流体的扰动。最后所有冷却液经过与热沉的基底、主通道壁、上盖板换热后，都从热沉冷却液出口流出。漩涡发生器和二次流道都增强了主通道壁面处冷却液的扰动，使得边界层遭到了破坏，增强了冷却液与热沉的换热。
实施例1：一种混合结构热沉仿真实现实施例。
利用ANSYSICEM软件对混合结构热沉进行几何模型的构建和网格划分，利用FLUENT软件进行仿真计算。其中，流动模型选择Transition SST模型；固体域材料选择铜；流体域材料选择液态水；基底底面设置恒定的热流密度200W/cm2；热沉入口设置为速度边界条件，给定冷却液的入口速度为3m/s，入口水温为293.15K；出口设置为压力出口边界条件，相对压力设置为环境压力0Pa；所有流固面都设置为无滑移边界条件；其他边界均设为绝热边界条件。
通过仿真计算后的冷却液从漩涡发生器进入主通道后发生强烈的漩涡效应，形成冷却液漩涡流体，主通道壁面处附近的冷却液与主通道中心处的冷却液充分混合，破坏了主通道壁面附近的边界层，漩涡沿着主通道向下游延续，大大增强了流体与热沉的换热能力。
实施例2：
一种混合结构热沉，所述上盖板1的长、宽、高分别为10mm、10mm、0.5mm；所述漩涡发生器的长、宽、高分别为0.4mm、2.5mm、0.5mm；所述主通道的长、宽、高分别为1mm、10mm、1mm；所述二次流道的横截面的宽、高分别为1mm、1mm，二次流道的角度6为45°；所述基底的长、宽、高分别为10mm、10mm、1mm。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属技术领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种混合结构热沉，其特征在于：包括上盖板、漩涡发生器、主通道、基底、主通道壁；所述基底的上方包括主通道、主通道壁；所述主通道、主通道壁的上方为上盖板和漩涡发生器；所述主通道两端为主通道壁；所述热沉的主通道为n条，n≥1的整数；所述每条主通道在热沉的侧面两端具有热沉冷却液出口；所述漩涡发生器设置在上盖板的中部，位于主通道的上端，由单排狭缝阵列通道组成；所述漩涡发生器的单排狭缝阵列通道数量与热沉的主通道数量相同。
2.根据权利要求1所述的一种混合结构热沉，其特征在于：所述单排狭缝阵列通道中每个狭缝通道的右侧面与对应的主通道的右侧主通道壁相平齐；或者所述单排狭缝阵列通道中每个狭缝通道的左侧面与对应的主通道的左侧主通道壁相平齐。
3.根据权利要求1或2所述的一种混合结构热沉，其特征在于：包括二次流道；所述基底的上方包括二次流道，所述二次流道的上方为上盖板；所述二次流道穿过热沉内部的主通道壁，实现热沉内部的主通道壁两侧的主通道连通。
4.根据权利要求3所述的一种混合结构热沉，其特征在于：所述热沉内部相邻主通道之间的主通道壁对应设置m条二次流道，m≥1的整数。
5.根据权利要求4所述的一种混合结构热沉，其特征在于：所述二次流道沿主通道方向交错设置。
6.根据权利要求1所述的一种混合结构热沉，其特征在于：所述热沉为高导热材料；冷却液从漩涡发生器流入，在热沉冷却液出口流出；所述冷却液为液态水、纳米流体、酒精、液态金属。
7.根据权利要求1所述的一种混合结构热沉，其特征在于：所述热沉的横截面为长方形、三角形、梯形。
8.根据权利要求1所述的一种混合结构热沉，其特征在于：所述漩涡发生器的单排狭缝阵列通道的形状为长方体、三角锥形、圆柱状、梯状体结构。
9.根据权利要求3所述的一种混合结构热沉，其特征在于：所述二次流道的形状为平行四边形、梯形、波浪形。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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