CN117080188A - 基于热管与流线翼微通道的集成芯片散热装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于热管与流线翼微通道的集成芯片散热装置及方法，包括：散热基体和盖板，盖板设置在散热基体上，散热基体内设有多个相互平行的微通道，每一个微通道包括两个相对设置的侧板，两个侧板之间设有至少两排流线型翼，两排流线型翼上下交错设置；所述散热基体的底面嵌有多根热管，所述热管伸出散热基体并与热量导出器连接。本发明微通道上设有上下交错的两排的流线型翼，在将流体分流冲击底面扰乱热边界层的基础上，充分混合冷热流体，使得流体具有更好的带走热量的能力。

Description

基于热管与流线翼微通道的集成芯片散热装置及方法

技术领域

本发明涉及集成芯片散热技术领域，尤其涉及一种基于热管与流线翼微通道的集成芯片散热装置及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

在许多电子设备中，特别是大功率高性能的芯片、处理器和服务器等，电路的集成度和功耗不断增加，这导致设备产生大量热量。如果不能及时有效地散热，温度会快速上升，可能导致设备过热、性能下降、甚至损坏。传统的散热方式如风扇散热、散热片散热等效果有限，无法满足高功率电子设备的散热需求，微通道散热技术应运而生。

微通道是一种极细小的通道结构，通道一般在10μm-100μm，通常采用平行排列的方式。这些通道可以是直线、弯曲或螺旋状的，其尺寸通常在微米级别。冷却剂流过微通道，通过较大的散热面积传导出更多的热量。在目前的微通道散热器中大多采用平底的方式，随着流体的流动会在底部形成连续的较厚的热边界层，对散热造成不良影响。同时，要想能够带走更多热量，需要增大压力损失，增大泵功要求，但是由于通道微小，极易造成阻塞。因此，目前微通道散热器研究中需要在不损失压力的情况下，尽可能增大散热效率。

在现有的技术中，研究人员就散热提出了各种形状的微通道，但是压力损失与散热性能不能够兼顾，存在散热性能与压力损失同时增大或者两者改善都不明显的情况。

发明内容

为了解决现有微通道散热器散热效率低且与压力损失不可兼顾的问题，本发明提出了一种基于热管与流线翼微通道的集成芯片散热装置及方法，在不增大压力损失保证流体稳定通过微通道的情况下，提高散热性能，满足大功率、高热流密度的散热要求。

在一些实施方式中，采用如下技术方案：

一种基于热管与流线翼微通道的集成芯片散热装置，包括：散热基体和盖板，盖板设置在散热基体上，散热基体内设有多个相互平行的微通道，每一个微通道包括两个相对设置的侧板，两个侧板之间设有至少两排流线型翼，两排流线型翼上下交错设置；所述散热基体的底面嵌有多根热管，所述热管伸出散热基体并与热量导出器连接。

其中，所述流线型翼的每一个面均为菱形；或者，所述流线型翼为椭球型。

所述盖板上分别设有第一冷却液入口和第一冷却液出口，第一冷却液自盖板的第一冷却液入口进入散热基体，流经每一个微通道后，进入汇流区，然后自盖板的第一冷却液出口流出。

第一冷却液流经下排的流线型翼时，流体形成向下的势，冲击底部形成的热边界层，扰乱连续热边界层的形成；第一冷却液流经上排的流线型翼时，冷热流体充分混合，带走更多的热量。

所述热量导出器上分别设有第二冷却液入口和第二冷却液出口，第二冷却液入口和第二冷却液出口设置在同一端，在第二冷却液出口段上下交错设置矩形隔板，所述矩形隔板与冷却液的流动方向垂直，上下交错的矩形隔板之间形成冷却液流出通道。

所述热管的设置方向与散热基体内微通道的方向垂直分布。热管的末端伸入热量导出器的入口段。

在另一些实施方式中，采用如下技术方案：

一种基于热管与流线翼微通道的集成芯片散热方法，其特征在于，

集成芯片置于散热基体下方，第一冷却液自盖板的第一冷却液入口进入散热基体，流经带有上下交错流线型翼的微通道后，自盖板的第一冷却液出口流出；

其中，第一冷却液流经下排的流线型翼时，流体形成向下的势，冲击底部形成的热边界层，扰乱连续热边界层的形成；第一冷却液流经上排的流线型翼时，冷热流体充分混合，带走更多的热量；

散热基体底部的热管自散热基体吸收部分热量，所述热量经热管传递入热量导出器，与热量导出器内的第二冷却液进行热交换。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明使用微通道对大功率集成芯片进行散热，散热面积增大，能够带走更多的热量，比传统水冷热沉提高了效率。本发明的微通道上设有上下交错的两排的流线型翼，在将流体分流冲击底面扰乱热边界层的基础上，充分混合冷热流体，使得流体具有更好的带走热量的能力。传统微通道为增大散热通常会增大阻力以达到充分的热沉，本发明不会损失压力，流体能够稳定通过微通道，可以杜绝因为提高散热性能带来的压力损失造成的微通道阻塞风险。

(2)本发明在散热基体底面嵌有与流动方向垂直分布的热管装置。传统微通道为了破坏底部形成连续的热边界层，通常采用改变底部形状(比如锯齿形)的形式来达到目的，但是此种方法会在边角形成热量聚集点，热沉不均匀，温度极高。本发明采取的热管装置一方面可以打断连续热边界层的形成，不会形成热量聚集点，提高散热基体的结构散热能力，另一方面热管吸收一部分热量，加快热沉。

(3)本发明在热管末端增加了热量导出器，热管末端的热量与热量导出器内的冷却液进行热交换；热量导出器的冷却液出入口设置在同一端，且在出口方向上下交错设置有矩形隔板，使得热量与冷却液能够得到充分的混合，促使热管末端得到充分的冷却，较传统的热管末端冷却速度更快，吸热效率更高。

本发明的其他特征和附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本方面的实践了解到。

附图说明

图1为本发明实施例中的热量导出路径示意图；

图2为本发明实施例中的基于热管与流线翼微通道的集成芯片散热装置整体结构示意图；

图3(a)为本发明实施例中散热基体结构示意图；

图3(b)为图3(a)中A-A剖面图；

图4为本发明实施例中流线翼微通道示意图；

图5为热量导出器内部结构示意图；

其中，1.盖板，1.1.第一冷却液入口，1.2.第一冷却液出口，2.散热基体，2.1.侧板，2.2.流线型翼，3.热管，4.热量导出器，4.1.第二冷却液入口，4.2.第二冷却液出口，4.3.矩形隔板。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例一

在一个或多个实施方式中，公开了一种基于热管3与流线翼微通道的集成芯片散热装置，结合图1和图2，具体包括：散热基体2和盖板1，盖板1设置在散热基体上，与散热基体通过螺钉连接、铆接或粘接等方式连接在一起。散热基体内设有多个平行设置的微通道；盖板1上分别设有第一冷却液入口1.1和第一冷却液出口1.2，第一冷却液入口1.1和第一冷却液出口1.2分别设置在微通道的两端；第一冷却液自盖板1的第一冷却液入口1.1进入散热基体2内，流经各微通道后进入汇流区，然后自第一冷却液出口1.2流出。

集成芯片设置于散热基体的下方，集成芯片的热量进入散热基体后，与第一冷却液进行热交换，第一冷却液能够带走一部分热量。

散热基体的底面嵌有多根热管3，热管的设置方向与散热基体内第一冷却液的流动方向(即微通道的设置方向)垂直分布，热管伸出散热基体并与热量导出器4连接，热管吸收的热量进入热量导出器4，与热量导出器4内的第二冷却液进行热交换，使得热管末端携带的热量得到充分的冷却。

本实施例中，热管3嵌入散热基体的底面，设置在微通道下方；热管3与散热基体焊接，热管3伸出散热基体的位置以及热管3伸入热量导出器4的位置都进行焊接固定。

本实施例中，热管3与微通道的垂直分布设置，可以打断散热基体底面上的传热，避免形成连续的较厚的底面热边界层，并且由于微通道底面平整，不会形成热量聚集点，提高散热基体的结构散热能力，另一方面热管3会吸收一部分热量，加快热沉。

本实施例中，结合图3(a)-(b)和图4，每一个微通道包括两个相对设置的侧板2.1，两侧板2.1之间形成微通道；两个侧板2.1之间设有上下两排流线型翼2.2；上排和下排交错布置，能够增大流体的接触时间，提高散热效果；流线型翼的设计降低了冷却液的流动阻力，减少损失压力。本实施例流线型翼可以是图中所示的结构，即每一个面均为菱形；也可以是其他流线型结构，比如椭球型。

本实施例微通道之间上下交错设置的流线型翼2.2，在将流体分流冲击底面扰乱热边界层的基础上，充分混合冷热流体，使得流体具有更好的带走热量的能力，并且不会损失压力，流体能够稳定通过微通道，杜绝因为提高散热性能带来的压力损失造成的微通道阻塞风险。

流体流经下排流线型翼时，流体形成向下的势，冲击底部形成的热边界层，扰乱连续热边界的形成，有利于带走更多的热量；流体流经上排流线型翼时，将冷热流体充分混合，使得吸热能力增加，能够带走更多的热量，上下排菱形翼交错排列，流体混合更加均匀。

本实施例中，结合图5，热量导出器4上分别设有第二冷却液入口和第二冷却液出口，第二冷却液入口4.1和第二冷却液出口4.2设置在同一端，在第二冷却液出口段上下交错设有矩形隔板4.3，矩形隔板4.3与第二冷却液的流动方向垂直，上下交错的矩形隔板4.3之间形成第二冷却液的流出通道。

热管3的末端伸入热量导出器4的入口段，第二冷却液自第二冷却液入口4.1进入热量导出器4，流经热管3末端带走热管3末端的热量；然后进入出口段，经过上下交错的矩形隔板4.3后，自第二冷却液出口4.2流出。

上下交错的矩形隔板4.3可以促使热管3的热量与第二冷却液进行充分的交换，使得热管3末端能够得到充分的冷却，提高散热效率，同时，压力损失由传统的微通道损失变换到通道较大的热量导出器4中，避免微通道的阻塞；在不增大压力损失保证流体稳定通过微通道的情况下，能够提高散热性能，满足大功率、高热流密度散热要求。

需要说明的是，本实施例的第一冷却液和第二冷却液可以是相同的冷却液，也可以选用不同的冷却液，本领域技术人员可能根据实际需要进行选择。

实施例二

在一个或多个实施方式中，公开了一种基于热管3与流线翼微通道的集成芯片散热方法，具体包括：

集成芯片置于散热基体下方，第一冷却液自盖板1的第一冷却液入口1.1进入散热基体，流经带有上下交错流线型翼2.2的微通道后，自盖板1的第一冷却液出口1.2流出；

其中，第一冷却液流经下排的流线型翼2.2时，流体形成向下的势，冲击底部形成的热边界层，扰乱连续热边界层的形成；第一冷却液流经上排的流线型翼2.2时，冷热流体充分混合，带走更多的热量；

散热基体底部的热管3自散热基体吸收部分热量，所述热量经热管3传递入热量导出器4，与热量导出器4内的第二冷却液进行热交换。

热量导出器4内的第二冷却液入口4.1和第二冷却液出口4.2位于同一端，第二冷却液自第二冷却液入口4.1进入，经过出口段上下交错的矩形隔板4.3形成的通道，自第二冷却液出口4.2流出。

上述过程的具体效果与实施例一中相同，不再赘述。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种基于热管与流线翼微通道的集成芯片散热装置，其特征在于，包括：散热基体和盖板，盖板设置在散热基体上，散热基体内设有多个相互平行的微通道，每一个微通道包括两个相对设置的侧板，两个侧板之间设有至少两排流线型翼，两排流线型翼上下交错设置；所述散热基体的底面嵌有多根热管，所述热管伸出散热基体并与热量导出器连接。

2.如权利要求1所述的一种基于热管与流线翼微通道的集成芯片散热装置，其特征在于，所述流线型翼的每一个面均为菱形。

3.如权利要求1所述的一种基于热管与流线翼微通道的集成芯片散热装置，其特征在于，所述流线型翼为椭球型。

4.如权利要求1所述的一种基于热管与流线翼微通道的集成芯片散热装置，其特征在于，所述盖板上分别设有第一冷却液入口和第一冷却液出口，第一冷却液自盖板的第一冷却液入口进入散热基体，流经每一个微通道后，进入汇流区，然后自盖板的第一冷却液出口流出。

5.如权利要求1所述的一种基于热管与流线翼微通道的集成芯片散热装置，其特征在于，第一冷却液流经下排的流线型翼时，流体形成向下的势，冲击底部形成的热边界层，扰乱连续热边界层的形成；第一冷却液流经上排的流线型翼时，冷热流体充分混合，带走更多的热量。

6.如权利要求1所述的一种基于热管与流线翼微通道的集成芯片散热装置，其特征在于，所述热量导出器上分别设有第二冷却液入口和第二冷却液出口，第二冷却液入口和第二冷却液出口设置在同一端，在第二冷却液出口段上下交错设置矩形隔板，所述矩形隔板与冷却液的流动方向垂直，上下交错的矩形隔板之间形成冷却液流出通道。

7.如权利要求1所述的一种基于热管与流线翼微通道的集成芯片散热装置，其特征在于，所述热管的设置方向与散热基体内微通道的方向垂直分布。

8.如权利要求1所述的一种基于热管与流线翼微通道的集成芯片散热装置，其特征在于，所述热管的末端伸入热量导出器的入口段。

9.一种基于热管与流线翼微通道的集成芯片散热方法，其特征在于，

集成芯片置于散热基体下方，第一冷却液自盖板的第一冷却液入口进入散热基体，流经带有上下交错流线型翼的微通道后，自盖板的第一冷却液出口流出；

其中，第一冷却液流经下排的流线型翼时，流体形成向下的势，冲击底部形成的热边界层，扰乱连续热边界层的形成；第一冷却液流经上排的流线型翼时，冷热流体充分混合，带走更多的热量；

散热基体底部的热管自散热基体吸收部分热量，所述热量经热管传递入热量导出器，与热量导出器内的第二冷却液进行热交换。

10.如权利要求9所述的一种基于热管与流线翼微通道的集成芯片散热方法，其特征在于，所述热量导出器内的第二冷却液入口和第二冷却液出口位于同一端，第二冷却液自第二冷却液入口进入，经过出口段上下交错的矩形隔板形成的通道，自第二冷却液出口流出。