CN204948606U - 两相流微通道冷板 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开的一种两相流微通道冷板，旨在提供一种构造简单，工作可靠,重量轻,温差小，换热性能好的微通道冷板。本实用新型通过下述技术方案予以实现：微通道冷板上制有工质入口(3)和工质出口(4)，微通道冷板上制有深度≤1.5mm，宽度≤0.5mm，深宽比在2～6区间范围内的双通槽道，工质入口(3)从微通道冷板一侧连通第一矩形双通槽道，第一矩形双通槽道通过微通道冷板的腔体流道2连通第二矩形双通槽道，工质出口(4)连通第二矩形双通槽道尾部，采用氟碳化合物的工作介质从工质入口(3)进入，通过腔体流道(2)进入另一侧第二矩形双通槽道，经工质出口(4)离开微通道冷板的出口。

Description

两相流微通道冷板

技术领域

本实用新型涉及一种适用于产生高热流密度的电子设备中，使用氟碳化合物作为工质的两相流微通道冷板。

背景技术

从集成电路开始发展以来,热设计即成为电子设备结构设计的关键技术之一。随着电子器件和系统设备的集成度越来越高,热设计工程师的压力也越来越大。在微波电路中,尤其是高频微波电路,包括单元间距,组件间距等在内的结构尺寸很小,受到严格限制,给冷板、分流腔的设计带来很大困难。也因为工作频率的影响,高频微波组件对温度较其它组件更加敏感,相对来说,热设计的要求也更高。

微通道是目前最受国内外学者关注的冷却方式之一,它是随着机加工技术特别是MEMS技术的发展而在传统常规通道冷却技术基础上发展起来的一种技术。所谓微通道(microchannels)，在学术上是指流体通道的水力直径在几微米到几百微米的通道。微制造技术在散热器或冷板中的应用可以极大地增大微通道散热器单位体积的换热面积。微通道传热传质一般采用一组或单根矩形槽道形式流动。微通道研究的尺寸小到数微米大到数毫米,制作微通道的材料有硅、铜、铝及其合金等。冷却介质除水外还有液氮,乙醇,硅油,氟利昂等液体,工程常用的乙二醇水溶液；气体如空气、氮气也有使用。

目前，电子设备中的发热源(芯片)的热流密度越来越高，工程上的应用已达到300W/cm²的量级，预计很快将要达到1000W/cm²这一数量级。为了解决这一问题，现有技术采用了几种技术方法：一是使用液冷的散热方法；二是对于热流密度很大(一般不低于100W/cm²)的热源，使用乙二醇水溶液或水作为工质的微通道冷板作为其热沉进行冷却。使用液冷的散热方法的成本较低、应用较广，但是普通的液冷无法解决高热流密度条件下的散热问题。对于第二种方法：若使用乙二醇水溶液作为工质，往往会带来腐蚀的问题，导致冷板寿命下降、严重时甚至会出现泄漏，影响安全性；若使用水作为工质，则其相变点过高，不易将热沉的表面温度控制在电子设备所需的良好工作温度区间之内；而且，以上两种被普遍采用工质中的任何一种一旦发生泄漏，很可能造成电路短路，直接损坏电子设备。传统冷板(传统单流体热交换器)采用水或乙二醇水溶液作为工质，而以上工质很容易和目前常用的冷板材料发生腐蚀，造成泄漏。另外，一旦出现工质泄漏，水或乙二醇水溶液极易造成电路短路，从而产生巨大的损失。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对上述现有技术存在的不足之处，提供一种构造简单，工作可靠,重量轻,温差小，换热性能好的两相流微通道冷板。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是，一种两相流微通道冷板，包括带有上盖板的微通道冷板基板，微通道冷板上制有工质入口3和工质出口4，其特征在于：微通道冷板上制有深度≤1.5mm，宽度≤0.5mm，深宽比在2～6区间范围内的双通槽道，工质入口3从微通道冷板一侧连通第一矩形双通槽道，第一矩形双通槽道通过微通道冷板的腔体流道2连通第二矩形双通槽道，工质出口4连通第二矩形双通槽道尾部，采用氟碳化合物的工作介质从工质入口3进入，通过腔体流道2进入另一侧第二矩形双通槽道，经工质出口4离开微通道冷板的出口。

本实用新型相比于现有技术具有如下有益效果。

解决了腐蚀、短路和相变点过高的问题。本实用新型中采用氟碳化合物FC-72作为工作介质，在工作温度区间内，该工质与铝合金之间不发生化学反应，彻底解决了困扰冷板技术多时的腐蚀问题。FC-72的电阻率达到了1×10¹⁵ohm·cm，即使直接洒在普通电路板或芯片上，也不会发生短路，极大地提高了冷板的安全性，同时降低了冷板泄漏的代价。FC-72的沸点为56℃，在该温度下进行相变可以将电子设备的芯片结温控制在良好的工作区间，避免了传统工质沸点过高导致芯片结温过高的问题。

极大地提高了冷板的对流换热系数。本实用新型采用深度≤1.5mm，宽度≤0.5mm，深宽比在(2～6)区间范围内的双通槽道，通过对系列尺寸微通道冷板进行分析比较,以及试验验证,可获得较大换热系数；以换热系数进行比较，在占空比为20％时，换热性能最佳；若不计冷板体积的影响，微通道冷板中槽道的深宽比越接近1:4,换热性能越好。由于通道内部相变时存在较高的湍流(Re数较高)，因此冷板内部的对流换热系数有了极大提高，导致冷板热阻减小，传热路径更加畅通。

可以对热沉温度进行控制。传统冷板只能粗略地控制温度，本实用新型工质入口3从微通道冷板一侧连通第一矩形双通槽道，第一矩形双通槽道通过微通道冷板的腔体流道2连通第二矩形双通槽道，工质出口4连通第二矩形双通槽道尾部，构造简单，工作可靠，重量轻，温差小，换热性能好，可以使液冷散热的冷板具有均匀的温度分布，具有更低的热阻和更好的散热性能，增强微通道冷板中的两相流工作介质的流动稳定性，从而更加适用于电子领域的散热装置。而相变冷板由于其包含了沸腾相变过程，因此，在流量合适的情况下，可以把热沉温度控制在相变点±1℃的范围内。这样一来，就可以通过控制工质的种类及流量来达到控制发热体安装面温度的目的。

具有更好的结构适应性。由于微通道的结构尺寸很小(通常水力直径在1mm以内)，因此，可以在有限的空间内尽可能的开展设计，提高冷板的设备适应性。解决了传统冷板的腐蚀、短路问题。而本实用新型中使用的氟碳化合物化学性能非常稳定，几乎不会产生任何腐蚀现象；另外其电阻率非常高，即使出现泄漏也不会造成短路。

提高了设计初期对产品的控制力。由于使用氟碳化合物作为工质的两相流微通道冷板各方面性能稳定，不易由于生产或使用上的问题造成性能的波动，因此，设计师可在产品生命周期的初期就形成较为完善的方案，避免了传统冷板设计可能导致的错误。

针对无法解决高热流密度条件下的散热问题，本实用新型拟采用微通道相变冷却的方式解决。在微通道中，相变能激起通道内的流体成为湍流，极大地提升对流换热系数，再加上相变本身吸收的大量热量，微通道中的相变能够解决高热流密度的问题。应用本实用新型后，电子设备可加大热流密度、保持热沉相对恒温、设计能力出众且无腐蚀、短路的现象，因此使用本实用新型，可以打破电子设备热设计上的一些传统瓶颈。

附图说明

图1是本实用新型两相流微通道冷板外形示意图。

图2是图1的分解示意图。

图中：1双通槽道，2腔体流道，3工质入口，4工质出口，5微通道冷板基板。

图3是微通道放大图。

具体实施方式

本实用新型可参照以下实施例。

如图1和图2所示，一种两相流微通道冷板上制有工质入口3和工质出口4，其中：微通道冷板上制有深度≤1.5mm，宽度≤0.5mm，深宽比在(2～6)区间范围内的双通槽道1，工质入口3从微通道冷板一侧连通第一矩形双通槽道，第一矩形双通槽道通过微通道冷板的腔体流道2连通第二矩形双通槽道，工质出口4连通第二矩形双通槽道尾部，工作介质从工质入口3进入，通过腔体流道2进入另一侧第二矩形双通槽道，经工质出口4离开微通道冷板的出口。为避免流道变形或堵塞，本实施例采取扩散焊的方式，选用焊接性好的铝合金3A21或铝合金6063，将上盖板和微通道冷板固联为一个整体，形成如图1所示的微通道冷板。本实施例中，图3所示微通道冷板的微通道数量为61组，微通道冷板厚度为3mm，上盖板厚度为1.5mm。

在热源发热时，使用液体工质通过微通道冷板并沸腾相变以达到冷却的目的。使用时，将本冷板螺装在热源的散热路径上，并向流道中通入氟碳化合物FC-72，控制好流量使通道中氟碳化合物的干度保持在(0～1)之间(即发生相变但不蒸干)的状态。

Claims (3)

1.一种两相流微通道冷板，包括带有上盖板的微通道冷板基板，微通道冷板上制有工质入口(3)和工质出口(4)，其特征在于：微通道冷板上制有深度≤1.5mm，宽度≤0.5mm，深宽比在2～6区间范围内的双通槽道，工质入口(3)从微通道冷板一侧连通第一矩形双通槽道，第一矩形双通槽道通过微通道冷板的腔体流道2连通第二矩形双通槽道，工质出口(4)连通第二矩形双通槽道尾部，采用氟碳化合物的工作介质从工质入口(3)进入，通过腔体流道(2)进入另一侧第二矩形双通槽道，经工质出口(4)离开微通道冷板的出口。

2.如权利要求1所述的两相流微通道冷板，其特征在于：上盖板和微通道冷板固联为一个整体，形成微通道冷板。

3.如权利要求1所述的两相流微通道冷板，其特征在于：微通道冷板的微通道数量为61组，微通道冷板厚度为3mm，上盖板厚度为1.5mm。