CN117937089A - 一种曲面天线立体高效冷板 - Google Patents
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Abstract
针对传统单层串联小通道平面冷板散热能力差、流阻高、温度一致性差、不适用曲面阵面的问题，本发明提供了一种曲面天线立体高效冷板，将单层串联平面流道改为包含集分液层+散热层的多层立体曲面随形流道，通过集分液层的均匀流量分配，实现了阵列高功率芯片的全并联，大大缩短了流程，降低了流阻并提高了温度一致性；通过散热层的局部强化微通道结构，在低流量下实现了单点高热流密度散热；通过3D打印实现内嵌复杂立体流道的曲面冷板一体化成型。
Description
技术领域
本发明属于电子器件冷却技术领域，具体涉及一种曲面天线立体高效冷板。
背景技术
天线阵面一般由大规模组件组成，组件内部芯片热流密度已超百瓦平方厘米。天线阵面装载在无人机、直升机等平台时，为了满足威力提升的需求，逐渐向多口径、曲面共形的方向发展。但是曲面阵面冷却的相关工作报道较少，目前主流的平面天线阵面一般采用主动液冷方式，常用散热架构为：高功率芯片通过载片、基板等与组件壳体焊接，组件壳体通过界面材料与金属冷板压接；高功率芯片产生的热量经过载片/基板的热扩展后传导至组件壳体，在金属冷板中与低温冷却液进行对流换热，最后将热量带走。
现有技术中大多采用单层串联小通道平面液冷冷板，不适用于未来高热流密度曲面阵面的发展需求，主要存在以下问题：1)阵面功率提升导致冷却液流量需求增加，串联流道的流阻大幅上升；2)小通道翅片对流换热面积小，散热能力有限(＜100W/cm2)；3)串联流道的芯片温度一致性差；4)平面冷板不满足曲面阵面需求。
因此，亟需发展一种低流阻高效曲面冷板，解决阵面高功率和高热流密度的散热问题。
发明内容
针对传统单层串联小通道平面冷板散热能力差、流阻高、温度一致性差、不适用曲面阵面的问题，本发明提出了一种曲面天线立体高效冷板，将单层串联平面流道改为包含集分液层+散热层的多层立体曲面随形流道，通过集分液层的均匀流量分配，实现了阵列高功率芯片的全并联，大大缩短了流程，降低了流阻并提高了温度一致性；通过散热层的局部强化微通道结构，在低流量下实现了单点高热流密度散热；通过3D打印实现内嵌复杂立体流道的曲面冷板一体化成型。
本发明的低流阻高效曲面冷板由五层曲面结构组成，从下到上分别为盖板层(1)、散热层(2)、中间层(3)、集分液层(4)和底板层(5)，散热层(2)和集分液层(3)为流体层，其余三层为结构层；盖板层(1)背面以阵列形式排布多个组件(6)，组件(6)内部以阵列形式排布多个高功率芯片(7)；散热层(2)设有与高功率芯片(7)一一对应的阵列曲面微通道(8)，曲面微通道(8)由进液腔(9)、并联微通道(10)和出液腔(11)组成；中间层(3)设有与所述阵列曲面微通道(8)一一对应的阵列供液口(12)和阵列回液口(13)；集分液层(4)设有水平并排的多个曲面供液静压腔(14)和多个曲面回液静压腔(15)，曲面供液静压腔(14)一端布置主进液口(16)，另一端封闭，曲面回液静压腔(15)在与主进液口(16)的相反端布置主出液口(17)，另一端封闭。
散热层(2)的所述并联微通道(10)为直肋结构，特征尺度为0.2mm～0.5mm，深宽比为5～10。
中间层(3)的供液口(12)和回液口(13)为大尺寸矩形，对应流速低于1m/s。
集分液层(4)的曲面供液静压腔(14)和曲面回液静压腔(15)截面积与流量匹配，保证平均流速不大于5m/s，曲面供液静压腔(14)和曲面所述回液静压腔(15)之间用厚度为1.5mm～3mm的筋隔开。
冷板材料为AlSi10Mg、AlSi7Mg等高导热、低密度铝合金，采用3D打印一体化成型。
中间层(3)的供液口(12)与散热层(2)的进液腔(11)、集分液层(4)的曲面供液静压腔(14)连通，中间层(3)的回液口(13)与散热层(2)的出液腔(11)、集分液层(4)的曲面回液静压腔(15)连通；低温冷却液从主进液口(16)进入曲面供液静压腔(14)，经过分配后进入阵列供液口(12)，随之进入进液腔(9)，并在并联微通道(10)内部与高功率芯片(7)进行对流换热升温，高温冷却液回到出液腔(11)并进入回液口(13)，并汇集到曲面回液静压腔(15)，最后从主出液口(17)流出。
本发明的有益效果在于
本发明采用集分液层+散热层的多层立体曲面随形流道结构，集分液层结构实现了阵列高功率芯片的全并联冷却，散热层采用高换热效率的并联微通道结构，在低流阻条件下大幅提升散热能力和温度一致性；通过3D打印实现内嵌复杂立体流道的曲面冷板一体化成型，避免了多层流道焊接漏液风险。为高功率密度、轻薄化、曲面天线阵面散热提供了一种解决方案，且设计合理、工程实现性高，相比目前串联小通道平面冷板，散热能力提升2倍，流阻降低40％，温度一致性提升50％，厚度降低30％。
附图说明
图1为本发明的装配结构示意图。
图2为散热层结构示意图。
图3为中间层结构示意图。
图4为集分液层结构示意图。
图5为冷却液流动和传热示意图。
图中附图标记为：1为盖板层，2为散热层，3为中间层，4为集分液层，5为底板层，6为组件，7为高功率芯片，8为曲面微通道，9为进液腔，10为并联微通道，11为出液腔，12为供液口，13为回液口，14为曲面供液静压腔，15为曲面回液静压腔，16为主进液口，17为主出液口。
具体实施方式
下面将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。
如图1所示，冷板由五层曲面结构组成，从下到上分别为盖板层1、散热层2、中间层3、集分液层4和底板层5，散热层2和集分液层3为流体层，其余三层为结构层；盖板层1正面以6×6阵列形式排布36个组件6，组件6边长为20mm～30mm；单个组件内部以2×2阵列形式排布4个高功率芯片7，高功率芯片7尺寸在1-3mm，厚度约0.1-0.2mm，热流密度约200～400W/cm2，高功率芯片7通过高导热焊料或导热胶固定在组件6正面；组件6和高功率芯片7的阵列排布包括但不限于矩形、圆形或其他形式；盖板层1和底板层5厚度为1.5mm～2mm，中间层2厚度为1mm，散热层3厚度为1mm～1.5mm，集分液层4厚度为2mm～3mm；冷板总厚度为8mm～12mm，边长为100mm～1500mm；冷板材料为AlSi10Mg、AlSi7Mg等高导热、低密度铝合金，采用3D打印一体化成型，避免了多层复杂曲面流道焊接后漏液风险；冷板不仅具有高效散热功能，还具有承载组件功能，实现了结构与冷却一体化设计。
散热层2结构如图2所示，散热层2设有与阵列高功率芯片7一一对应的阵列曲面微通道8，由进液腔9、并联微通道10和出液腔11组成；进液腔9和出液腔11的截面积与单个曲面微通道8流量匹配，使得平均流速不大于3m/s，从而保证并联微通道10内部流量均匀分配；并联微通道10为直肋结构，特征尺度为0.2mm～0.5mm，深宽比为5～10；并联微通道8能提升冷板容杂质可靠性；并联微通道8平面内换热面积大，厚度尺寸需求小，有利于降低冷却厚度。
中间层3结构如图3所示，中间层3设有与阵列曲面微通道8一一对应的阵列供液口12和阵列回液口13，供液口12和回液口13为大尺寸矩形，对应流速低于1m/s，有利于实现并联微通道10内部流量均匀分配并增加系统容杂质能力；供液口12与散热层2的进液腔9连通，回液口13与散热层2的出液腔11连通。
集分液层4结构如图4所示，集分液层4设有水平并排的多个曲面供液静压腔14和多个曲面回液静压腔15，有利于减小冷板整体厚度；单个曲面供液静压腔14与多个供液口12连通，单个曲面回液静压腔15与多个回液口13连通；曲面供液静压腔14一端布置主进液口16，另一端封闭，曲面回液静压腔15在与主进液口的相反端布置主出液口17，另一端封闭；曲面供液静压腔14和曲面回液静压腔15的截面积需与流量匹配，保证平均流速不大于5m/s，曲面供液静压腔14和曲面回液静压腔15之间用厚度为1.5mm～3mm的筋隔开。
冷却液流动和传热示意如图5所示，低温冷却液从主进液口16进入曲面供液静压腔14，经过分配后进入阵列供液口12，随之进入进液腔9，并在并联微通道10内部与高功率芯片7进行对流换热升温，高温冷却液回到出液腔11进入回液口13，并汇集到曲面回液静压腔15，最后从主出液口17流出；高功率芯片7产生的热量经过组件6、盖板层1传导至曲面微通道8，经过对流换热将热量传递给冷却液带走；通过集分液层4的均匀流量分配，实现了阵列高功率芯片7的全并联，大大缩短了流程，降低了流阻并提高了温度一致性；通过散热层2的局部强化微通道结构，在低流量下实现了单点高热流密度散热。
本发明不局限于上述具体的实施方式，本发明可以有各种更改和变化。凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种曲面天线立体高效冷板，其特征在于：由五层曲面结构组成，从下到上分别为盖板层(1)、散热层(2)、中间层(3)、集分液层(4)和底板层(5)；所述散热层(2)和所述集分液层(3)为流体层，其余三层为结构层；所述盖板层(1)背面以阵列形式排布多个组件(6)，所述组件(6)内部以阵列形式排布多个高功率芯片(7)；所述散热层(2)设有与所述高功率芯片(7)一一对应的阵列曲面微通道(8)，所述曲面微通道(8)由进液腔(9)、并联微通道(10)和出液腔(11)组成；所述中间层(3)设有与所述阵列曲面微通道(8)一一对应的阵列供液口(12)和阵列回液口(13)；所述集分液层(4)设有水平并排的多个曲面供液静压腔(14)和多个曲面回液静压腔(15)，所述曲面供液静压腔(14)一端布置主进液口(16)，另一端封闭，所述曲面回液静压腔(15)在与所述主进液口(16)的相反端布置主出液口(17)，另一端封闭。
2.根据权利要求1所述的一种曲面天线立体高效冷板，其特征在于：低温冷却液从所述主进液口(16)进入所述曲面供液静压腔(14)，经过分配后进入所述阵列供液口(12)，随之进入所述进液腔(9)，并在所述并联微通道(10)内部与所述高功率芯片(7)进行对流换热升温，高温冷却液回到所述出液腔(11)并进入所述回液口(13)，并汇集到所述曲面回液静压腔(15)，最后从所述主出液口(17)流出。
3.根据权利要求2所述的一种曲面天线立体高效冷板，其特征在于：所述高功率芯片(7)尺寸在1-3mm，厚度约0.1-0.2mm，热流密度约200～400W/cm2，通过高导热焊料或导热胶固定在组件(6)正面，组件(6)和高功率芯片(7)的阵列排布包括但不限于矩形、圆形或其他形式。
4.根据权利要求2所述的一种曲面天线立体高效冷板，其特征在于：所述并联微通道(10)为直肋结构，特征尺度为0.2mm～0.5mm，深宽比为5～10。
5.根据权利要求2所述的一种曲面天线立体高效冷板，其特征在于：所述供液口(12)和所述回液口(13)为大尺寸矩形，对应流速低于1m/s。
6.根据权利要求2所述的一种曲面天线立体高效冷板，其特征在于：所述曲面供液静压腔(14)和所述曲面回液静压腔(15)之间用厚度为1.5mm～3mm的筋隔开。
7.根据权利要求1-6任一项所述的一种曲面天线立体高效冷板，其特征在于：所述冷板材料为AlSi10Mg、AlSi7Mg铝合金，采用3D打印一体化成型。
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