CN117542811A - 一种基于微纳结构的新型芯片冷却平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于微纳结构的新型芯片冷却平台，包括平台本体、冷却管道和外侧散热装置，冷却管道为闭环结构，且部分冷却管道设置于平台本体内；冷却管道内填充有冷却介质，位于平台本体内的冷却管道的内壁上设置有扰流结构；设置于平台本体外侧的冷却管道上安装有单向液压泵一；外侧散热装置用于对冷却管道内的冷却介质进行散热。本发明通过扰流结构的设置，破坏冷却介质的层流状态，同时扰流结构能够增强冷却介质的扰动，增强冷却介质间的对流，使其在冷却管道内保持紊流状态，减小冷却介质的接触角，达到增强换热的目的。
Description
技术领域
本发明涉及芯片散热技术领域，尤其涉及一种基于微纳结构的新型芯片冷却平台。
背景技术
现有的芯片散热装置在液冷方面主要利用冷却介质在管道内流动，通过冷板与芯片进行热交换。然而，不论是扁管还是圆管式，它们都存在冷却介质与芯片热交换的材料接触角大、润湿性能差的问题，这在一定程度上影响了换热性能。此外，随着科技的飞速发展，集成电路的集成度越来越高，电子产品的体积逐渐减小，对散热装置的要求也不断提高。目前市场上的散热装置受加工工艺的限制，存在体积较大、材料利用率低、有效散热面积和散热效率低等问题。这使得散热装置在满足高效散热的同时，还需满足体积小、材料利用率高、有效散热面积大且散热效率高等要求。因此，开发一种新型的、高效的、小体积的散热装置已成为当前亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于微纳结构的新型芯片冷却平台，以解决上述现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于微纳结构的新型芯片冷却平台，包括：
平台本体；
冷却管道，所述冷却管道为闭环结构，且部分所述冷却管道设置于所述平台本体内；所述冷却管道内填充有冷却介质，位于所述平台本体内的所述冷却管道的内壁上设置有扰流结构；设置于所述平台本体外侧的所述冷却管道上安装有单向液压泵一；
外侧散热装置，所述外侧散热装置用于对所述冷却管道内的冷却介质进行散热。
优选的，所述扰流结构包括布置在所述冷却管道内壁上的若干个微纳凸起，所述微纳凸起沿所述冷却管道的周向等间距设置，且所述微纳凸起沿所述冷却管道的轴线方向交错设置。
优选的，所述微纳凸起为泡沫金属。
优选的，相邻两所述微纳凸起的设置角度方向相反。
优选的，所述冷却介质为液态金属。
优选的，设置于所述平台本体内的所述冷却管道为蛇形结构。
优选的，本发明还包括：
连接管道，所述连接管道设置于所述平台本体的外侧，所述连接管道的两端均通过三通阀门安装在所述冷却管道上；所述连接管道上安装有单向液压泵二，所述单向液压泵二与所述单向液压泵一并联设置；
测温组件，所述测温组件设置于所述平台本体出口端的所述冷却管道上，所述测温组件用于测量所述冷却管道内的冷却介质的温度；
控制电机，所述控制电机用于控制所述三通阀门的启闭及流通方向，所述测温组件与所述控制电机电性连接。
优选的，所述测温组件为温度计。
优选的，所述外侧散热装置包括散热管道，所述散热管道的两端均连通在所述冷却管道上，所述散热管道上沿冷却介质流通方向依次设置的蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀阀，所述膨胀阀的出口端的散热管道通过所述蒸发器与所述冷却管道连通。
优选的，所述平台本体包括：
壁板；
导热组件，所述导热组件固定安装在所述壁板的内壁上，所述导热组件包括依次设置的散热薄板、T4紫铜板和导热硅脂，所述冷却管道设置于两组所述导热组件之间，且所述冷却管道与所述散热薄板接触配合。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：
1、相比以工质水做载冷剂的传统液冷散热技术，本发明借助液态金属自身特性，具有高导热性和低粘度，减少热阻和热应力，换热效果好，换热快，时间短；
2、相比传统液态散热的普通管道，本发明通过应用泡沫金属材料排列在冷却管道内适量数量的微纳凸起，破坏流体的层流区，使冷却管道内的冷却介质保持紊态，增强换热；与此同时，泡沫金属密度小、孔隙率高的自身特性和微纳结构，减小冷却流体的接触角，保证轻质的同时增强润湿性能及通透性；
3、使用了液态金属作为载冷剂，能过保证有效散热面积不变的情况下，缩小散热装置的占用空间，实现电子装置的微型化；相邻蛇形流道的紧贴排列，更是提高了对空间的利用率，使得管道四面接触芯片，强化了换热性能；
4、通过控制三通阀门及单向液压泵的开关，使液态金属能够在仍处较低温度时，继续在冷却平台中的冷却管道内不断地循环流动进行芯片冷却；在液态金属达到需要冷却的温度后，控制三通阀门的流向，使液态金属流出冷却管道，流入外侧散热装置进行散热冷却，以达到高效冷却、节能减排的效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明芯片冷却平台的冷却流程图；
图2为本发明芯片冷却平台的平面示意图；
图3为图2中A的局部放大图；
图4为图2中沿B-B方向的剖面图；
图中：1、平台本体；2、压缩机；3、冷凝器；4、膨胀阀；5、温度计；6、蒸发器；7、控制电机；8、冷却管道；9、微纳凸起；10、壁板；11、散热薄板；12、T4紫铜板；13、导热硅脂；14、单向液压泵一；15、单向液压泵二；16、三通阀门。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。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。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。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
本发明提供一种基于微纳结构的新型芯片冷却平台，包括：
平台本体1；
冷却管道8，冷却管道8为闭环结构，且部分冷却管道8设置于平台本体1内；冷却管道8内填充有冷却介质，位于平台本体1内的冷却管道8的内壁上设置有扰流结构；设置于平台本体1外侧的冷却管道8上安装有单向液压泵一14；
外侧散热装置，外侧散热装置用于对冷却管道8内的冷却介质进行散热。
本发明通过扰流结构的设置，破坏冷却介质的层流状态，同时扰流结构能够增强冷却介质的扰动，增强冷却介质间的对流，使其在冷却管道8内保持紊流状态，减小冷却介质的接触角，达到增强换热的目的。
进一步的，扰流结构包括布置在冷却管道8内壁上的若干个微纳凸起9，微纳凸起9沿冷却管道8的周向等间距设置，且微纳凸起9沿冷却管道8的轴线方向交错设置；微纳凸起9为泡沫金属，相邻两微纳凸起9的设置角度方向相反。
微纳凸起9使用由许多微小的金属颗粒连接而成，形成复杂的三维网络结构；微纳凸起9可以有效地增加管壁的表面积和湍流程度，从而提高换热系数；利用泡沫金属疏松多孔的特性，通过改变微纳凸起9的形状、排列等方式来实现对管壁冷却流体层流底层的破坏；同时微纳凸起9具有良好的导热性和机械强度，它可以与管壁紧密结合，保证了冷却介质冷却的稳定性和可靠性；同时利用微纳凸起9较低的密度和重量特性，减少本芯片冷却散热系统的负担和成本。
进一步的，冷却介质为液态金属。
使用液态金属作为载冷剂，具有高导热性、低粘度、低热阻等特性。
进一步的，设置于平台本体1内的冷却管道8为蛇形结构。
进一步的，本发明还包括：
连接管道，连接管道设置于平台本体1的外侧，连接管道的两端均通过三通阀门16安装在冷却管道8上；连接管道上安装有单向液压泵二15，单向液压泵二15与单向液压泵一14并联设置；
测温组件，测温组件设置于平台本体1出口端的冷却管道8上，测温组件用于测量冷却管道8内的冷却介质的温度；
控制电机7，控制电机7用于控制三通阀门16的启闭及流通方向，测温组件与控制电机7电性连接。
进一步的，测温组件为温度计5。
进一步的，外侧散热装置包括散热管道，散热管道的两端均连通在冷却管道8上，散热管道上沿冷却介质流通方向依次设置的蒸发器6、压缩机2、冷凝器3和膨胀阀4，膨胀阀4的出口端的散热管道通过蒸发器6与冷却管道8连通。
进一步的，平台本体1包括：
壁板10；
导热组件，导热组件固定安装在壁板10的内壁上，导热组件包括依次设置的散热薄板11、T4紫铜板12和导热硅脂13，冷却管道8设置于两组导热组件之间，且冷却管道8与散热薄板11接触配合。
本发明提供的基于微纳结构的新型芯片冷却平台，工作原理：液态金属通过冷却管道8流入平台本体1内开始工作时，通过控制三通阀门16的流通方向，开启单向液压泵二15，使具备优秀冷却性能的液态金属在冷却管道8和散热管道内往复循环冷却。循环冷却时通过冷却管道8内布置的微纳凸起9破坏液态金属层流状态，同时通过微纳凸起9的排列方式增强液态金属扰动，增强液态金属间对流，使其在冷却管道8内保持紊流状态，减小冷却流体的接触角，达到增强换热的目的。
通过温度计5对完成一次循环流出冷却平台的液态金属进行测温，同时将测温结果反馈给控制电机7，当控制电机7内程序检测温度达到程序所设定的阈值时，控制三通阀门16的流通方向，通过外侧散热装置对循环后温度较高的液态金属进行散热，当液态金属散热结束后，通过开启单向液压泵一14将恢复冷却效果的液态金属重新通入冷却管道8内，再次在冷却平台内的芯片进行循环冷却工作。
当温度计5检测流出液态金属未达到设定阈值温度时，通过控制三通阀门16的流通方向，使仍具有良好冷却性能的液态金属回流进入连接管道内，开启单向液压泵二15使液态金属重新通入冷却管道8内继续工作，达到充分换热、高效冷却的目的。
相比传统液态散热的普通管道，本发明通过应用泡沫金属材料在流道内排列适量数量的微纳凸起9，并通过微纳凸起9的设置方向，破坏流体的层流区，使冷却管道8内的液态金属保持紊态，增强换热。与此同时，泡沫金属密度小、孔隙率高的自身特性和微纳结构，可以减小液态金属的接触角，保证轻质的同时增强润湿性能及通透性。通过对液态金属的温度进行判断，使液态金属的利用效率大大提高，达到了节能减排的目的。
以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种基于微纳结构的新型芯片冷却平台，其特征在于，包括：
平台本体（1）；
冷却管道（8），所述冷却管道（8）为闭环结构，且部分所述冷却管道（8）设置于所述平台本体（1）内；所述冷却管道（8）内填充有冷却介质，位于所述平台本体（1）内的所述冷却管道（8）的内壁上设置有扰流结构；设置于所述平台本体（1）外侧的所述冷却管道（8）上安装有单向液压泵一（14）；
外侧散热装置，所述外侧散热装置用于对所述冷却管道（8）内的冷却介质进行散热。
2.根据权利要求1所述的基于微纳结构的新型芯片冷却平台，其特征在于，所述扰流结构包括布置在所述冷却管道（8）内壁上的若干个微纳凸起（9），所述微纳凸起（9）沿所述冷却管道（8）的周向等间距设置，且所述微纳凸起（9）沿所述冷却管道（8）的轴线方向交错设置。
3.根据权利要求2所述的基于微纳结构的新型芯片冷却平台，其特征在于，所述微纳凸起（9）为泡沫金属。
4.根据权利要求2所述的基于微纳结构的新型芯片冷却平台，其特征在于，相邻两所述微纳凸起（9）的设置角度方向相反。
5.根据权利要求1所述的基于微纳结构的新型芯片冷却平台，其特征在于，所述冷却介质为液态金属。
6.根据权利要求1所述的基于微纳结构的新型芯片冷却平台，其特征在于，设置于所述平台本体（1）内的所述冷却管道（8）为蛇形结构。
7.根据权利要求1所述的基于微纳结构的新型芯片冷却平台，其特征在于，还包括：
连接管道，所述连接管道设置于所述平台本体（1）的外侧，所述连接管道的两端均通过三通阀门（16）安装在所述冷却管道（8）上；所述连接管道上安装有单向液压泵二（15），所述单向液压泵二（15）与所述单向液压泵一（14）并联设置；
测温组件，所述测温组件设置于所述平台本体（1）出口端的所述冷却管道（8）上，所述测温组件用于测量所述冷却管道（8）内的冷却介质的温度；
控制电机（7），所述控制电机（7）用于控制所述三通阀门（16）的启闭及流通方向，所述测温组件与所述控制电机（7）电性连接。
8.根据权利要求7所述的基于微纳结构的新型芯片冷却平台，其特征在于，所述测温组件为温度计（5）。
9.根据权利要求1所述的基于微纳结构的新型芯片冷却平台，其特征在于，所述外侧散热装置包括散热管道，所述散热管道的两端均连通在所述冷却管道（8）上，所述散热管道上沿冷却介质流通方向依次设置的蒸发器（6）、压缩机（2）、冷凝器（3）和膨胀阀（4），所述膨胀阀（4）的出口端的散热管道通过所述蒸发器（6）与所述冷却管道（8）连通。
10.根据权利要求1所述的基于微纳结构的新型芯片冷却平台，其特征在于，所述平台本体（1）包括：
壁板（10）；
导热组件，所述导热组件固定安装在所述壁板（10）的内壁上，所述导热组件包括依次设置的散热薄板（11）、T4紫铜板（12）和导热硅脂（13），所述冷却管道（8）设置于两组所述导热组件之间，且所述冷却管道（8）与所述散热薄板（11）接触配合。
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| 李昊炜等: "高超声速飞行器冷电联供技术研究现状综述", 飞航导弹, no. 12, 31 December 2021 (2021-12-31), pages 63 - 68 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN117542811B (zh) | 2024-03-26 |
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