CN116697796A - 一种高效能比的温度控制设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种温度控制设备，具体涉及一种高效能比的温度控制设备，对待换热物件进行控温，包括壳体、控温基座、流体入口和流体出口；壳体内设有连接流体入口和流体出口的流体通道，流体通道包括连接流体入口的进液主流道、连接流体出口的出液主流道以及并联于进液主流道与出液主流道之间的分支流道；分支流道以控温基座在壳体内的投影中心为中心盘绕，包括连接进液主流道的输入流道以及连接出液主流道的输出流道；输入流道与输出流道盘绕至投影中心并连通，且间隔交替布置；控温基座设于壳体表面，且对应待换热物件设置。与现有技术相比，本发明解决现有技术中液冷散热装置的流道设计不合理使部分高温元器件无法获得良好散热效果的问题。

Description

一种高效能比的温度控制设备

技术领域

本发明涉及一种温度控制设备，具体涉及一种高效能比的温度控制设备。

背景技术

随着半导体技术不断发展和进步，半导体芯片的功率及发热持续提升，导致其高热流密度带来的温度控制问题成为一个巨大挑战。半导体芯片的性能、使用寿命和稳定性与工作温度密切相关。为了确保芯片能在各种工况下稳定、高效地运行，一款高性能的温度控制设备对于半导体芯片具有至关重要的意义。

针对半导体芯片的温度控制问题，目前最广泛采用的是风冷散热装置，它将多余的热量传导至散热翅片后通过气流吹拂翅片使热量传递到周边环境中并带离半导体芯片，从而维持温度的稳定。然而，面对不断提升的芯片功率和热流密度，风冷散热装置由于效率较低，逐渐显得力不从心，对于高发热芯片存在无法及时移除热量的缺陷而导致发热堆积。液冷散热凭借其高换热效率、低噪音以及在高负载下的稳定性等优点，正逐步取代风冷散热在温度控制领域的地位。

然而，目前采用的传统液冷散热装置主要采用串联液体回路和并联液体回路的设计方案，如CN201410169099.8中提出的散热件。当液体工质经过高温元器件吸收附近热量后，工质的温度会显著提高，导致下游高温元器件无法获得良好的散热效果，使温度显著偏离目标温度，不利于设备的稳定高效运行。同时，这种异常温度偏差会在元器件内部产生较大的温度差异，从而导致电导率和热应力失衡，严重影响元器件的性能和使用寿命。特别是在半导体芯片功率和热流密度不断提升的情况下，这种温度偏移问题进一步加剧，甚至已经对设备的日常使用产生了影响，并可能导致一定程度的风险隐患。

由此，需要一种具有新型高效的液冷散热装置以应对日益增长的散热需求。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题至少其一而提供一种高效能比的温度控制设备，以解决现有技术中液冷散热装置的流道设计不合理使部分高温元器件无法获得良好的散热效果的问题，实现了均匀地将输入工质的温度迅速传递至控温基座，并确保控温基座的温度与输入流体温度始终保持极为接近的状态。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种高效能比的温度控制设备，用于对待换热物件进行控温，包括壳体、控温基座、流体入口和流体出口；

所述的壳体内设有连接流体入口和流体出口的流体通道，所述的流体通道包括连接流体入口的进液主流道、连接流体出口的出液主流道以及并联于进液主流道与出液主流道之间的若干分支流道；

所述的分支流道以控温基座在壳体内的投影中心为中心盘绕，包括由进液主流道引入流体的输入流道以及向出液主流道排出流体的输出流道；输入流道与输出流道分别盘绕至投影中心并构成连通，输入流道与输出流道间隔交替布置；

所述的控温基座设置于壳体表面，且对应于待换热物件设置。

该温度控制设备在安装于待换热物件的热源处后，控温基座与待换热物件的换热面形成紧密贴合并发生热传递。

优选地，所述的输入流道由进液主流道以顺时针或逆时针盘绕至投影中心，所述的输出流道由出液主流道以逆时针或顺时针盘绕至投影中心，输入流道与输出流道的盘绕方向相反。

优选地，所述的盘绕结构为回字形、圆形或椭圆形。

优选地，所述的流体通道中流道的高度与宽度的比值为0.1～10，具体选取需要根据目标换热物件尺寸、能效比以及加工难度进行定制化设计，并充分考虑边际递减效应。

优选地，所述的壳体包括固定连接的顶盖和底座，所述的控温基座设置于顶盖表面，所述的流体入口与所述的流体出口设置于底座侧壁，所述的流体通道设置于底座内部。

优选地，所述的顶盖与所述的底座焊接固定，所述的控温基座采用一体成型技术设置于顶盖表面，所述的流体入口与所述的流体出口焊接于底座侧壁。

优选地，所述的顶盖的厚度与所述的底座的厚度的比值为1：2，以兼顾换热效果及结构刚度稳定性。

优选地，所述的流体通道中流道的高度与所述的底座的厚度的比值为1：2，以兼顾换热效果及结构刚度稳定性。

优选地，所述的控温基座的表面平整光滑，厚度可取0.1～30mm，具体厚度根据待换热物件的换热面高度定制化设计。其设计目是优化目标换热位置表面的平整光滑度并贴合待换热物件的换热面。因此，在保证平整光滑且贴合良好的条件下，应尽可能取较小厚度以优化换热效果。

优选地，所述的流体入口与所述的流体出口为密封螺纹接头。

本发明的工作原理为：

热(冷)工质流体由流体入口进入设备内部，并经由进液主流道依次均匀分配至各分支流道中，工质流体沿分支流道的输入流道流动时同步与控温基座进行换热，使得本温度控制设备在充入工质流体后可迅速开始与待换热物件进行换热。盘绕结构使得换热面增大并覆盖控温基座，使控温基座的温度与工质输入温度保持极为接近的状态。流至投影中心的工质由输出流道离开分支流道并进入出液主流道；出液主流道汇集各分支流道流出的换热后的工质并由流体出口离开设备。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

一、本发明通过设计流道盘绕方式，实现流体在流动过程中形成扩散式的交叉逆流。输入与输出流道间隔排列，且流向相反，能够迅速且均匀地将输入工质温度传递至控温基座，并确保控温基座的温度与输入流体温度保持极为接近且稳定的状态。

二、本发明针对目标换热器件的尺寸、位置和热流密度，采用单元化结构设计的流道，能够更迅速地将控温基座温度调整至目标温度，同时保持温度控制的均匀性和准确性。此外，本发明通过将单元化结构并联的原理，可根据单元目标换热功率对区域间流量分配进行调整优化，以降低流动阻力和所需泵功。相较于传统控温设备，本发明在均温性、控温效果和经济性方面均展现出显著优势。

本发明可适用于加热/降温的不同换热情况，与传统控温设备相比，在相同泵功条件下，本设备能更快地将控温基座温度调整至目标温度。

附图说明

图1为温度控制设备的结构示意图；

图2为温度控制设备的剖视结构示意图；

图3为流道盘绕结构的结构示意图；

图中：1：顶盖；2：底座；2-1：流体通道；2-2：投影中心；3：控温基座；4-1：流体入口；4-2：流体出口。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

一种高效能比的温度控制设备，如图1～3所示，用于对待换热物件进行控温，包括壳体、控温基座3、流体入口4-1和流体出口4-2；

所述的壳体内设有连接流体入口4-1和流体出口4-2的流体通道2-1，所述的流体通道2-1包括连接流体入口4-1的进液主流道、连接流体出口4-2的出液主流道以及并联于进液主流道与出液主流道之间的若干分支流道；

所述的分支流道以控温基座3在壳体内的投影中心2-2为中心盘绕，包括由进液主流道引入流体的输入流道以及向出液主流道排出流体的输出流道；输入流道与输出流道分别盘绕至投影中心2-2并构成连通，输入流道与输出流道间隔交替布置；

所述的控温基座3设置于壳体表面，且对应于待换热物件设置。

所述的温度控制设备安装后，控温基座3与待换热物件的换热面紧密贴合并进行热交换以实现对待换热物件的控温。

更具体地，本实施例中：

如图1所示，一种高效能比的温度控制设备，包括温度控制设备顶盖1、温度控制设备底座2、控温基座3和流体出入口(分为流体出口4-2和流体入口4-1)，该设备由各组件经焊接组合形成一个完全封闭的温度调节设备，特别地控温基座3采用一体成型技术设置于顶盖1表面，流体出口4-2和流体入口4-1均位于底座2的侧壁上。

如图2所示，在底座2的内部设置有通过换热工质的流体通道2-1，该流体通道2-1进一步可细分为进液主流道、出液主流道以及多个分支流道，进液主流道连接流体入口4-1，出液主流道连接流体出口4-2，分支流道对应于控温基座3的位置依次并联于进液主流道与出液主流道之间，并以控温基座3在壳体内的投影中心2-2为中心进行盘绕。本实施例具体在壳体表面均布设置6个控温基座3，以两行三列的形式布置；在其他实施例中可根据实际控温的待换热物件的结构、形状以及换热需要设计对应数量、合理排布与合适尺寸。

结合图3所示，分支流道包括与投影中心2-2相互连通的输入流道和输出流道，输入流道由进液主流道向分支流道引入换热工质，输出流道将分支流道的换热工质排至出液主流道中；输入流道与输出流道均采用盘绕结构并且采取间隔交替形式布置。输入流道由进液主流道盘绕至投影中心2-2，输出流道再由投影中心2-2盘绕至出液主流道。输入流道与输出流道的盘绕形式保持一致，可采用回字形、圆形或椭圆形，输入流道的盘绕方向与输出流道保持相反，即，输入流道为顺时针时，输出流道为逆时针；输入流道为逆时针时，输出流道为顺时针。本实施例中的分支流道回字形盘绕结构，其中输入流道以顺时针方向由进液主流道至投影中心2-2进行盘绕，输出流道以逆时针方向由投影中心2-2至出液主流道进行盘绕。

流体通道2-1的尺寸大小可以根据目标换热器件的功率进行调整，控制流道高度与宽度之比值为0.1～10，流道的高度与温度控制设备底座2的厚度比值为1：2。流道高度与宽度比值的具体选取需要根据目标换热物件尺寸、能效比以及加工难度进行定制化设计，并充分考虑边际递减效应；而该比值在0.1～10范围内其对温度控制的影响不明显，可在该范围内任取。

顶盖1与底座2尺寸配合一致，所使用的材质相同，焊接形成的壳体呈表面平整的长方体，顶盖1与底座2的厚度比值为1：2。

控温基座3采用与顶盖1/底座2一致的材料，采用一体成型技术设置于顶盖1表面。控温基座3的形状、尺寸、位置与待换热物件换热面保持一致，厚度通常可根据待换热物件的换热面高度在0.1～30mm内进行客制化设计，保证相互贴合的换热面平整光滑、贴合良好，提高传热效果，并且在保证如上需求时，应尽可能减小控温基座3的高度以减少热量堆积。本实施例中可直接选用控温基座3为0.1mm。控温基座3设置位置对应分支流道盘绕的中心位置(即投影中心2-2位置)，位于分支流道盘绕中心位置的正上方；控温基座3的顶面平整光滑，可充分贴合待换热物件的换热面。

流体入口4-1与流体出口4-2均为密封螺纹接头，可与外部管路快速、紧密连接。

热(冷)工质流体由流体入口4-1进入设备内部，并经由进液主流道依次均匀分配至各分支流道，工质流体沿分支流道的输入流道流动时同步与控温基座3进行换热，使得本温度控制设备在充入工质流体后可迅速开始与待换热物件进行换热。盘绕结构使得换热面增大并覆盖控温基座3，使控温基座3的温度与工质输入温度保持极为接近的状态。流至投影中心2-2的工质由输出流道离开投影中心2-2并进入出液主流道；出液主流道汇集各分支流道流出的换热后的工质并由流体出口4-2离开设备。

该温度控制设备相较于现有技术，通过设计流道盘绕方式，实现流体在流动过程中形成扩散式的交叉逆流。输入与输出流道间隔排列，且流向相反，能够迅速且均匀地将输入工质温度传递至控温基座3，并确保控温基座3的温度与输入流体温度保持极为接近的状态。与传统控温设备相比，在相同泵功条件下，本设备能更快地将控温基座3温度调整至目标温度。本设备在均温性、控温效果和经济性方面相较于传统控温设备均具有显著优势：在相同工质流量下，本设备换热功率可提升42％，换热面最大温差可减小65％，流动阻力及泵功可减少33％。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高效能比的温度控制设备，用于对待换热物件进行控温，其特征在于，包括壳体、控温基座(3)、流体入口(4-1)和流体出口(4-2)；

所述的壳体内设有连接流体入口(4-1)和流体出口(4-2)的流体通道(2-1)，所述的流体通道(2-1)包括连接流体入口(4-1)的进液主流道、连接流体出口(4-2)的出液主流道以及并联于进液主流道与出液主流道之间的若干分支流道；

所述的分支流道以控温基座(3)在壳体内的投影中心(2-2)为中心盘绕，包括由进液主流道引入流体的输入流道以及向出液主流道排出流体的输出流道；输入流道与输出流道分别盘绕至投影中心(2-2)并构成连通，输入流道与输出流道间隔交替布置；

所述的控温基座(3)设置于壳体表面，且对应于待换热物件设置。

2.根据权利要求1所述的一种高效能比的温度控制设备，其特征在于，所述的输入流道由进液主流道以顺时针或逆时针盘绕至投影中心(2-2)，所述的输出流道由出液主流道以逆时针或顺时针盘绕至投影中心(2-2)，输入流道与输出流道的盘绕方向相反。

3.根据权利要求2所述的一种高效能比的温度控制设备，其特征在于，所述的盘绕结构为回字形、圆形或椭圆形。

4.根据权利要求1～3任一所述的一种高效能比的温度控制设备，其特征在于，所述的流体通道(2-1)中流道的高度与宽度的比值为0.1～10。

5.根据权利要求1所述的一种高效能比的温度控制设备，其特征在于，所述的壳体包括固定连接的顶盖(1)和底座(2)，所述的控温基座(3)设置于顶盖(1)表面，所述的流体入口(4-1)与所述的流体出口(4-2)设置于底座(2)侧壁，所述的流体通道(2-1)设置于底座(2)内部。

6.根据权利要求5所述的一种高效能比的温度控制设备，其特征在于，所述的顶盖(1)与所述的底座(2)焊接固定，所述的控温基座(3)一体成型于顶盖(1)表面，所述的流体入口(4-1)与所述的流体出口(4-2)焊接于底座(2)侧壁。

7.根据权利要求5所述的一种高效能比的温度控制设备，其特征在于，所述的顶盖(1)的厚度与所述的底座(2)的厚度的比值为1：2。

8.根据权利要求5所述的一种高效能比的温度控制设备，其特征在于，所述的流体通道(2-1)中流道的高度与所述的底座(2)的厚度的比值为1：2。

9.根据权利要求1所述的一种高效能比的温度控制设备，其特征在于，所述的控温基座(3)的表面平整光滑，厚度为0.1～30mm。

10.根据权利要求1所述的一种高效能比的温度控制设备，其特征在于，所述的流体入口(4-1)与所述的流体出口(4-2)为密封螺纹接头。