CN121307464A - 一种高功率曲面天线近结冷却装置及使用方法 - Google Patents
一种高功率曲面天线近结冷却装置及使用方法Info
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Abstract
本发明涉及一种高功率曲面天线近结冷却装置，自上向下分别包括高功率芯片、盖板层、微通道层、过渡层和集分液层，过渡层和集分液层以焊接形式连通，构成全并联集分液板；盖板层和微通道层焊接后形成局部强化微流道载片，再整体以阵列形式排布于所述过渡层上方，通过焊接分别与集分液板互联；高功率芯片排布于所述盖板层上方；微通道层包括供液口、并联微通道和回液口；过渡层设有与微通道层一一对应的阵列供液口和阵列回液口；集分液层设有交错排列的多个供液静压腔和回液静压腔。本发明还提供了一种高功率曲面天线近结冷却装置的使用方法。本发明为高功率、高集成、轻量化曲面天线散热提供了一种解决路径，且设计合理、工程实现性高。
Description
技术领域
本发明涉及电子设备冷却技术领域，尤其涉及一种高功率曲面天线近结冷却装置及使用方法。
背景技术
随着电子技术的飞速发展，高功率、高集成、轻量化天线的需求日益迫切。其中，曲面天线因其能够与装载平台共形，具备气动阻力小、隐身性能好、空间利用率高等优势，在高性能电子设备中发挥着越来越重要的角色。为进一步提升设备性能，曲面天线的功率密度持续增加，导致芯片的散热问题日益突出，亟需高效的散热手段。
目前，高功率天线通常采用液冷散热架构：芯片与载片焊接后再整体与组件壳体焊接，组件壳体安装于金属冷板上，并利用界面材料填充间隙。当芯片工作时，其产生的热量先后经过载片、组件壳体、界面材料等传导至金属冷板，通过与冷板内的低温冷却液进行对流换热从而实现热量的散出。
例如，CN112670696A公开了一种天线液冷板，其内部流道主要由分水腔、并行流道、汇水腔组成，分水腔和汇水腔加工无序排布的扰流器，保证各个并行流道的均匀流量分配；并联流道设计为两层流道增加换热面积，每层流道为串联结构。CN110165355B公开了一种天线冷板，通过在单层串并联流道内设置微柱扰流结构，从而提高冷板局部换热能力。
上述液冷架构大多针对平面天线设计，在应用于高功率曲面天线时将面临以下挑战：1）曲面冷板难以加工复杂微流道特征，冷板局部强化设计受限；2）芯片的热量需经过载片、组件壳体、界面材料后才能传递至金属冷板，传热路径长，传导热阻大；3）曲面带来的不规则接触使得界面材料难以均匀填充，界面热阻问题突出；4）串联流道导致芯片温度一致性差。
因此，亟需开发一种曲面适配的冷却设计架构及装置，解决高功率曲面天线的散热难题。
发明内容
为解决现有的技术问题，本发明提供了一种高功率曲面天线近结冷却装置及使用方法。
本发明的具体内容如下：一种高功率曲面天线近结冷却装置，自上向下分别包括高功率芯片、盖板层、微通道层、过渡层和集分液层，所述过渡层和集分液层以焊接形式连通，构成全并联集分液板；所述盖板层和微通道层焊接后形成局部强化微流道载片，再整体以阵列形式排布于所述过渡层上方，通过焊接分别与集分液板互联；所述高功率芯片排布于所述盖板层上方；所述微通道层包括供液口、并联微通道和回液口；所述过渡层设有与微通道层一一对应的阵列供液口和阵列回液口；所述集分液层设有交错排列的多个供液静压腔和回液静压腔，所述供液静压腔一侧与主供液口连通，另一侧封闭，所述回液静压腔一侧与主回液口连通，另一侧封闭。
进一步的，所述高功率芯片尺寸为2-4mm，厚度为0.1-0.2mm，单芯片热流密度150~500W/cm2。
进一步的，所述高功率芯片与盖板层的排布形式包括但不限于矩形、圆形。
进一步的，所述盖板层采用铝金刚石、钼铜或铜钼铜材料，所述微通道层、过渡层和集分液层采用高导热、低密度铝合金。
进一步的，所述微通道层的并联微通道采用直肋结构，特征尺度0.2mm~0.4mm，高宽比为3~8；所述供液口和回液口采用圆孔结构，对应过流速度小于1.5m/s。
进一步的，所述过渡层的阵列供液口和阵列回液口采用圆孔结构，对应流速小于1.5m/s，与微通道层的供液口、回液口一一对应并同轴布置。
进一步的，所述集分液层的供液静压腔和回液静压腔通道面积与流量相匹配，平均流速小于4m/s，所述供液静压腔与回液静压腔间预留1~3mm的筋用于隔开相邻腔体。
本发明还提供了一种高功率曲面天线近结冷却装置的使用方法，包括如下步骤：低温冷却液从主供液口进入各个供液静压腔，经分配后进入阵列供液口，随之进入供液口，并在并联微通道与高功率芯片进行对流换热，吸收芯片热量后的高温冷却液通过回液口进入阵列回液口，并汇集至回液静压腔，最后通过主回液口流出，高功率芯片产生的热量通过盖板层传导后直接与微通道层内的低温冷却液进行对流换热。
本发明将传统的串联远程冷却架构改为包含集分液板+微流道载片的全并联近结冷却架构，通过微流道载片与集分液板的直接焊接互联极大地缩短了传热路径并去除界面热阻；通过将微通道集成至小尺度载片内避免了曲面大板跨尺度加工微流道特征的工艺限制；通过局部微流道结构有效强化对流换热，在低流量下实现高热流密度散热；通过集分液板实现全阵面流量的均匀分配，降低流动阻力并提升温度一致性。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步阐明。
图1为本发明的高功率曲面天线近结冷却装置的装配结构示意图；
图2为本发明的微通道层的结构示意图；
图3为本发明的过渡层的示意图；
图4为本发明的集分液层的示意图；
图5为本发明的高功率曲面天线近结冷却装置的剖面示意图。
其中，1-高功率芯片，2-盖板层，3-微通道层，4-过渡层，5-集分液层，6-供液口，7-并联微通道，8-回液口，9-阵列供液口，10-阵列回液口，11-供液静压腔，12-回液静压腔，13-主供液口，14-主回液口。
具体实施方式
结合图1-图5，本发明公开了一种高功率曲面天线近结冷却装置，其装配结构自上向下分别为高功率芯片1、盖板层2、微通道层3、过渡层4和集分液层5。盖板层2采用铝金刚石、钼铜、铜钼铜等低热膨胀系数材料，微通道层3、过渡层4和集分液层5采用高导热、低密度铝合金。过渡层4和集分液层5以焊接形式连通，构成全并联集分液板；盖板层2与微通道层3焊接后形成局部强化的微流道载片，微流道载片以10×10阵列形式排布于过渡层4上方，分别通过焊接与集分液板互联。单个盖板层2上方以2×2阵列形式排布4个高功率芯片1，高功率芯片1尺寸为2-4mm，厚度为0.1-0.2mm，单芯片热流密度150~500W/cm2，高功率芯片1通过导热胶或高导热焊料固定于盖板层2上方，高功率芯片1与盖板层2的排布形式包括但不限于矩形、圆形或其他形式。盖板层2厚度为0.5~1mm，微通道层3厚度为2.5~4mm，过渡层4厚度为1~2mm，集分液层5厚度为2~3mm，装置总厚度6~10mm，边长为100mm~1000mm。
微通道层3结构如图2所示，微通道层3内加工有与芯片位置对应的并联微通道7结构以实现局部换热强化；并联微通道7采用直肋结构，特征尺度0.2mm~0.4mm，高宽比为3~8；通过在小尺寸微通道层内加工微流道避免了曲面大板跨尺度加工微流道特征的工艺限制。微通道层3设有供液口6和回液口8与过渡层连通，供液口6和回液口7采用圆孔结构，便于焊接互联，对应过流速度小于1.5m/s。
过渡层4结构如图3所示，过渡层4设有与微通道层3一一对应且同轴布置的阵列供液口9和阵列回液口10，阵列供液口9和阵列回液口10同样采用圆孔结构，便于焊接互联，对应过流速度小于1.5m/s。
集分液层5结构如图4所示，集分液层5设有交错排列的多个供液静压腔11和回液静压腔12，以实现全阵面流量的均匀分配并减小整体厚度；供液静压腔11一侧与主供液口13连通，另一侧封闭；回液静压腔12一侧与主回液口14连通，另一侧封闭。供液静压腔11和回液静压腔12的通道面积与流量相匹配，保证平均流速小于4m/s，供液静压腔11与回液静压腔12间预留1~3mm的筋用于隔开相邻腔体。
本发明还公开了一种曲面天线近结冷却装置的使用方法，本发明的内部流动及传热示意如图5所示，结合图5，包括如下步骤：低温冷却液从主供液口13进入各个供液静压腔11，经分配后进入阵列供液口9，随之进入供液口6，并在并联微通道7与高功率芯片1进行对流换热，吸收芯片热量后的高温冷却液通过回液口8进入阵列回液口10，并汇集至回液静压腔12，最后通过主回液口14流出。高功率芯片1产生的热量通过盖板层2传导后直接与微通道层3内的低温冷却液进行对流换热，相较于传统天线阵面液冷架构极大地缩短了传热路径，降低传导热阻，同时消除了界面热阻对于热量传递的阻碍；通过微通道层3内的并联微通道7结构实现了局部换热强化，实现了低流量下局部高热流密度散热；通过集分液层5与过渡层4构成的集分液板实现了全阵面流量的均匀分配，降低流动阻力并提升温度一致性。
本发明针对传统天线冷却架构曲面不适配、传热路径长、界面热阻大、温度一致性差等问题，提出了一种高功率曲面天线近结冷却装置及使用方法，采用集分液板+微流道载片的全并联近结冷却架构，通过微流道载片与集分液板的直接焊接互联极大地缩短了传热路径并去除界面热阻，通过将微通道集成至小尺度载片内避免了曲面大板跨尺度加工微流道特征的工艺限制，通过局部微流道结构有效强化对流换热，在低流量下实现高热流密度散热，通过集分液结构实现全阵面流量的均匀分配，降低流动阻力并提升温度一致性。本发明为高功率、高集成、轻量化曲面天线散热提供了一种解决路径，且设计合理、工程实现性高，相较于传统天线串联远程冷却架构，散热能力提升3倍，流阻降低40%，温度一致性提升50%，厚度降低40%。
在以上的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是以上描述仅是本发明的较佳实施例而已，本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受上面公开的具体实施的限制。同时任何熟悉本领域技术人员在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (8)
1.一种高功率曲面天线近结冷却装置，其特征在于：自上向下分别包括高功率芯片（1）、盖板层（2）、微通道层（3）、过渡层（4）和集分液层（5），所述过渡层（4）和集分液层（5）以焊接形式连通，构成全并联集分液板；所述盖板层（2）和微通道层（3）焊接后形成局部强化微流道载片，再整体以阵列形式排布于所述过渡层（4）上方，通过焊接分别与集分液板互联；所述高功率芯片（1）排布于所述盖板层（2）上方；所述微通道层（3）包括供液口（6）、并联微通道（7）和回液口（8）；所述过渡层（4）设有与微通道层（3）一一对应的阵列供液口（9）和阵列回液口（10）；所述集分液层（5）设有交错排列的多个供液静压腔（11）和回液静压腔（12），所述供液静压腔（11）一侧与主供液口（13）连通，另一侧封闭，所述回液静压腔（12）一侧与主回液口（14）连通，另一侧封闭。
2.根据权利要求1所述的高功率曲面天线近结冷却装置，其特征在于：所述高功率芯片（1）尺寸为2-4mm，厚度为0.1-0.2mm，单芯片热流密度150~500W/cm2。
3.根据权利要求1所述的高功率曲面天线近结冷却装置，其特征在于：所述高功率芯片（1）与盖板层（2）的排布形式包括但不限于矩形、圆形。
4.根据权利要求1所述的高功率曲面天线近结冷却装置，其特征在于：所述盖板层（2）采用铝金刚石、钼铜或铜钼铜材料，所述微通道层（3）、过渡层（4）和集分液层（5）采用高导热、低密度铝合金。
5.根据权利要求1所述的高功率曲面天线近结冷却装置，其特征在于：所述微通道层（3）的并联微通道（7）采用直肋结构，特征尺度0.2mm~0.4mm，高宽比为3~8；所述供液口（6）和回液口（7）采用圆孔结构，对应过流速度小于1.5m/s。
6.根据权利要求1所述的高功率曲面天线近结冷却装置，其特征在于：所述过渡层（4）的阵列供液口（9）和阵列回液口（10）采用圆孔结构，对应流速小于1.5m/s，与微通道层（3）的供液口（6）、回液口（8）一一对应并同轴布置。
7.根据权利要求1所述的高功率曲面天线近结冷却装置，其特征在于：所述集分液层（5）的供液静压腔（11）和回液静压腔（12）通道面积与流量相匹配，平均流速小于4m/s，所述供液静压腔（11）与回液静压腔（12）间预留1~3mm的筋用于隔开相邻腔体。
8.一种高功率曲面天线近结冷却装置的使用方法，其特征在于：基于如权利要求1至7任一所述的高功率曲面天线近结冷却装置，包括如下步骤：低温冷却液从主供液口（13）进入各个供液静压腔（11），经分配后进入阵列供液口（9），随之进入供液口（6），并在并联微通道（7）与高功率芯片（1）进行对流换热，吸收芯片热量后的高温冷却液通过回液口（8）进入阵列回液口（10），并汇集至回液静压腔（12），最后通过主回液口（14）流出，高功率芯片（1）产生的热量通过盖板层（2）传导后直接与微通道层（3）内的低温冷却液进行对流换热。
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