CN209133496U - 液态金属微流道散热装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种液态金属微流道散热装置，涉及散热技术领域。其包括用于与发热元件接触的主体，在主体上设有第一流道层及第二流道层，第一流道层位于第二流道层上方，第一流道层包括若干第一微流道，第二流道层包括若干第二微流道，每一第一微流道与每一第二微流道分别贯通主体的相对两侧，第一微流道用于流通冷却介质，第二微流道用于流通液态金属。本实用新型提供的液态金属微流道散热装置，在主体上设有第一流道层和第二流道层两层上下分布的流道，分别流通冷却介质和液态金属，通过两层流道的叠加可以在发热元件表面获得更好的温度均匀性；第一微流道与第二微流道各自均贯穿主体的相对两侧，能提高流道内临界热流密度。
Description
技术领域
本实用新型实施例涉及散热技术领域，尤其涉及一种液态金属微流道散热装置。
背景技术
在当今信息化和工业现代化的进程中，芯片和各种电子电路设备逐渐向着小型化、集成化和高功率的方向发展。在提高计算速度和实现各种设计功能的同时，也带来了更大的热功耗和热流密度，使得散热问题逐渐成为了制约芯片和电子电路设备进一步发展的技术瓶颈。
目前，解决芯片和各种电子电路设备散热问题的主要手段可以分为三类：风冷、液冷和热管。单一的风冷散热装置通常结构简单，依靠空气等气体对流换热进行冷却，具有可靠性高的优点，但其散热能力远远满足不了集成芯片和电子电路设备的散热要求；液冷散热装置的散热能力比较优异，但液冷散热装置的体积较大，不利于设备的小型化和集成化；热管的导热性能优异，但当热流密度超过热管的工作极限时，热管将无法正常工作，可能出现温度迅速攀升，甚至出现爆管的事故。
现在，微流道液冷技术自从提出以来在大功率高热流散热领域得到广泛关注。理论上，微流道热沉具有较高的比表面积和体积比，因而具有较低的热阻。然而，流道尺寸减小后若要在流道中产生湍流则需要极高的压力，因此单相微流道中的工质通常处于低雷诺数的层流状态。在没有湍流扰动的情况下，微流道内的传热受到热扩散过程的限制，其冷却能力不超过100W/cm2量级。同时，由于泵送压力有限，冷却工质通过流道时温度会立即升高，并建立温度梯度，该温度梯度可能在电子设备中产生热应力，从而危害设备的安全运行。另一方面，采用微流道中流动沸腾的方式进行散热，可以显著提高换热系数，其散热能力是单相流动的微流道的10倍，可以达到1kW/cm2以上的量级。但是由于回流与不稳定性的问题，相变微流道具有不易控制的缺点。此外，在对大功率激光器等具有极高热流密度的设备进行散热时，一旦达到临界热流密度，冷却工质会产生大量过热蒸汽堵塞流道，使流道内部出现干涸，导致微流道散热系统失效。
实用新型内容
(一)要解决的技术问题
本实用新型的目的是提供一种液态金属微流道散热装置，提高散热效果，以获得更好的冷却性能与温度均匀性，实现高热流密度下的散热，提高临界热流密度。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种液态金属微流道散热装置，包括用于与发热元件接触的主体，在所述主体上设有第一流道层及第二流道层，所述第一流道层位于所述第二流道层上方，所述第一流道层包括若干第一微流道，所述第二流道层包括若干第二微流道，每一所述第一微流道与每一所述第二微流道分别贯通所述主体的相对两侧，所述第一微流道用于流通冷却介质，所述第二微流道用于流通液态金属。
其中，所述第一微流道的出口端通过第一管道与冷却介质泵相连；所述第二微流道的出口端通过第二管道与液态金属泵相连。
其中，所述液态金属泵为电磁泵或内壁为不锈钢或石墨或聚四氟乙烯的液体泵，所述冷却介质泵为液泵或气泵。
其中，所述主体采用硅或铜或石墨制成，在所述第二微流道的内壁镀有防护层，所述防护层采用钼或铬或不锈钢或镍中的一种或多种制成。
其中，所述第一微流道与所述第二微流道分别呈直槽形或蛇形或螺旋形或折线形或工字形或树形，所述第一微流道和所述第二微流道的形状相同或不同。
其中，所述第一微流道的截面形状与所述第二微流道的截面形状分别呈圆形或多边形，所述第一微流道的截面形状与所述第二微流道的截面形状相同或不同。
其中，所述第一微流道的出口端与所述第二微流道的出口端位于所述主体的同一侧或不同侧。
其中，所述第一微流道与所述第二微流道平行设置或交错设置。
其中，在所述第一微流道内流动的冷却介质为气体或液体或气液混合物，在所述第二微流道内流动的液态金属熔点在300℃以下。
其中，所述液态金属为镓、铟、锡、铋和水银中至少一种金属单质流体或合金流体。
(三)有益效果
本实用新型提供的液态金属微流道散热装置，在主体上设有第一流道层和第二流道层两层上下分布的流道，其中第一流道层内的第一微流道流通冷却介质，第二流道层内的第二微流道流通液态金属，通过两层流道的叠加可以在发热元件表面获得更好的温度均匀性；另外，液态金属在工作温度下呈液态，具有良好的导热性能，而且粘度和水接近，在不增加功耗的情况下即可显著提高微流道热沉的散热性能；第一微流道与第二微流道各自均贯穿主体的相对两侧，从而使液体金属和冷却介质进行单相对流换热，利用液态金属的高热导率和高沸点特点可以实现高热流密度下的散热，提高流道内临界热流密度。
附图说明
图1为本实用新型实施例液态金属微流道散热装置的结构示意图；
图2为图1中所示的液态金属微流道散热装置的应用示意图；
图3为图1中所示的液态金属微流道散热装置的纵向剖视图；
图4为本实用新型另一实施例液态金属微流道散热装置的应用示意图。
图中：10、主体；11、第一流道层；12、第二流道层；13、第一微流道；14、第二微流道；20、发热元件。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
如图1所示，一种液态金属微流道散热装置，包括用于与发热元件20接触的主体10，在主体10上设有第一流道层11及第二流道层12，第一流道层11位于第二流道层12上方，第一流道层11包括若干第一微流道13，第二流道层12包括若干第二微流道14，每一第一微流道13与每一第二微流道14各自分别贯穿主体10的相对两侧，第一微流道13用于供冷却介质流通，第二微流道14用于供液态金属流通。
本实用新型实施例中的液态金属微流道散热装置，主体10的外表面与发热元件20保持接触，通过内部的冷却介质和液态热金属吸收发热元件20的热量，并将热量传递给内部流体，实现对发热元件20的冷却。在主体10上设有第一流道层11和第二流道层12两层上下分布的流道，其中第一流道层11内的第一微流道13流通冷却介质，第二流道层12内的第二微流道14流通液态金属，通过两层流道的叠加可以在发热元件20表面获得更好的温度均匀性。另外，液态金属在工作温度下呈液态，具有良好的导热性能，而且粘度和水接近，在不增加功耗的情况下即可显著提高微流道热沉的散热性能。第一微流道13与第二微流道14各自均贯穿主体10的相对两侧，从而使液体金属和冷却介质进行单相对流换热，利用液态金属的高热导率和高沸点特点可以实现高热流密度下的散热，提高流道内临界热流密度。
其中，第一微流道13的出口端通过第一管道与冷却介质泵相连；第二微流道14的出口端通过第二管道与液态金属泵相连。使用过程中，可以仅开启冷却介质泵，通过第一微流道13进行散热；当发热元件20进入高功耗工作状态时，也可以同时开启冷却介质泵和液态金属泵，通过向第一微流道13和第二微流道14分别泵入冷却介质和液态金属。当两个微流道同时开启时，可以利用其中一个微流道对另一微流道进行冷却。由此，本实用新型实施例中的液态金属微流道散热装置可以有两种工作状态，在使用时能够根据发热元件20的功耗状态进行及时调整冷却介质泵和液态金属泵的工作状态。
具体地，在第一微流道13内流动的冷却介质为气体或液体或气液混合物。当冷却介质为液体时，其可以为水或者水溶液、纳米流体、磁流体、离子液体、醇类、熔融盐、氟利昂或液态金属中的一种或多种的混合液；当冷却介质为气体时，可以选用冷空气、氮气或二氧化碳等气体。根据冷却介质的不同，冷却介质泵可相应地选用液泵或气泵。在第二微流道14内流动的液态金属熔点在300℃以下，其可以为低熔点的金属或合金，如镓、铟、锡、铋、水银中的一种或多种。为了延长整个装置的使用寿命，液态金属采用电磁泵或内壁为不锈钢或石墨或聚四氟乙烯的液体泵来输送，当冷却介质采用熔融盐时，为了防止泵内壁被腐蚀，同样可以采用电磁泵或内壁为不锈钢或石墨或聚四氟乙烯的液体泵进行输送。
其中，主体10采用硅或铜或石墨等具有较高热导率的材料制成，在第二微流道14的内壁镀有防护层，防护层采用钼或铬或不锈钢或镍等金属或其合金制成，以防第二微流道14的内壁被液态金属腐蚀。
其中，第一微流道13与第二微流道14分别呈直槽形或蛇形或螺旋形或折线形或工字形或树形，第一微流道13和第二微流道14的形状相同或不同。当然，第一微流道13与第二微流道14也可以为其他形状，不局限于上述所列的形状类型，对此本实用新型不做具体限制。
另外，第一微流道13的截面形状与第二微流道14的截面形状可以为圆形，也可以为三角形或四边形等多边形，第一微流道13的截面形状与第二微流道14的截面形状相同或不同。
具体地，第一微流道13的入口端与出口端位于主体10的相对两侧；当然，第一微流道13的入口端与出口端也可以位于主体10的相邻两侧，此时，第一微流道为弧形槽。同样的，第二微流道14的出口端与入口端也可以位于主体10的相对两侧或相邻两侧。第一微流道13与第二微流道14相互平行设置，比如第一微流道13与第二微流道14可以均贯穿主体10的同一相对两侧，此时，第一微流道13与第二微流道14的出口端可以位于同一侧或不同侧。第一微流道13与第二微流道14之间可以相互交错设置，比如第一微流道13与第二微流道14均贯穿主体10不同的相对两侧，此时第一微流道13与第二微流道14的出口端位于不同侧。
如图2所示，为本实用新型实施例中的液态金属微流道散热装置的使用状态图，发热元件20为电子器件，其外表面与主体10的外表面贴合，其可以第一流道层11实现顶面散热，也可以靠近第二流道层12实现底面散热，对此本实用新型实施例不做具体限定。当电子器件在工作中产生热量时，通过热传导的方式可以将热量传递至下方的第二微流道14中，从而使电子器件保持较好的温度均匀性。沿冷却介质或液体金属的流动方向，冷却介质和液态金属的温度分别增高，为了进一步提高冷却效果，冷却介质与液态金属的流动方向相反，通过对流将热量带走，实现冷却。具体如图3所示。当然，冷却介质与液态金属的流动方向也可以相同。
在实际应用中，第一流道层11包括采用电火花技术或激光技术加工的98条直槽形第一微流道13，第一微流道13中的流通的冷却介质为去离子水，其流动雷诺数为200-2000。第一微流道13的宽度为200μm，高度为500μm。第一微流道13的宽度可以为50-1000μm，高度可以为50-1000μm，在该尺寸范围内的第一微流道13均可以大幅提高换热能力。而第二流道层12由采用电火花技术或激光技术加工的20条直槽形第二微流道14组成，第二微流道14中的冷却介质为镓铟锡合金Ga68In20Sn12，流动雷诺数为200-2000。第二微流道14的宽度为1mm，高度为5mm。本实施例中，在上述条件下经过计算可知，双层微流道热沉的热阻仅为0.015-0.045K/W，沿流道方向的温差可以控制在20K以下，可见，本实用新型实施例中的双层微流道热沉具有优良的散热能力与温度均匀性。
需要说明的是，本实用新型实施例中的第一微流道13的数量可以根据实际工作情况来选择，不限于上述所列数量。第一微流道13的形状还可以为蛇形、螺旋形、折线形、工字形及树形等，第一微流道13的横截面形状可以为圆形或三角形、四边形等多边形。冷却工质还可以水、醇类、熔融盐、氟利昂、液态金属等液体工质，在第一微流道13中发生或者不发生相变；还可以为气体工质如冷空气、氮气、二氧化碳等。需要说明的是，第二微流道14的数量可以根据实际工作情况来选择。第二微流道14的形状可以为蛇形、螺旋形、折线形、工字形及树形等，第二微流道14的横截面形状可以为圆形或三角形、四边形等多边形。第二微流道14的宽度可以为500-5000μm，高度可以为500-5000μm，在该尺寸范围内的第二微流道14均可以大幅提高换热能力。
如图4所示，为本实用新型另一实施例液态金属微流道散热装置的应用示意图，在第一微流道13和第二微流道14中采用两种不同的液态金属作为流动介质，其工作过程为：电子器件与液态金属微流道散热装置的顶面保持良好接触，电子器件在工作中产生的热量通过导热的方式传递至下方的第二流道层12。第一流道层11和第二流道层12中的液态金属流动方向为逆流布置，通过对流的方式将热量带走，对电子器件进行冷却，使电子器件具有较好的温度均匀性。假设电子器件的稳定发热功率为100W/cm2，第一微流道13与第二微流道14均为一个长方体，长宽高分别40mm×40mm×13mm。第一微流道13与第二微流道14均由采用电火花技术或激光技术加工的20条直槽形流道组成，流道中的工质为镓铟锡合金Ga68In20Sn12，流动雷诺数为200-2000。第一微流道13与第二微流道14宽度为1mm，高度为5mm。在上述条件下经过计算可知，双层微流道热沉的热阻仅为0.02-0.05K/W，沿流道方向的温差可以控制在30K以下，从而验证了双层微流道结构具有优良的散热能力与温度均匀性。当然，电子器件也可以与液态金属微流道散热装置的底面进行贴合，通过底面加热。第一流道层11和第二流道层12中流体的流动方向可以为顺流布置，即两层流道的出入口分别在相同方向。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种液态金属微流道散热装置，其特征在于，包括用于与发热元件接触的主体，在所述主体上设有第一流道层及第二流道层，所述第一流道层位于所述第二流道层上方，所述第一流道层包括若干第一微流道，所述第二流道层包括若干第二微流道，每一所述第一微流道与每一所述第二微流道分别贯通所述主体的相对两侧，所述第一微流道用于流通冷却介质，所述第二微流道用于流通液态金属。
2.根据权利要求1所述的液态金属微流道散热装置，其特征在于，所述第一微流道的出口端通过第一管道与冷却介质泵相连；所述第二微流道的出口端通过第二管道与液态金属泵相连。
3.根据权利要求2所述的液态金属微流道散热装置，其特征在于，所述液态金属泵为电磁泵或内壁为不锈钢或石墨或聚四氟乙烯的液体泵，所述冷却介质泵为液泵或气泵。
4.根据权利要求1所述的液态金属微流道散热装置，其特征在于，所述主体采用硅或铜或石墨制成，在所述第二微流道的内壁镀有防护层，所述防护层采用钼或铬或不锈钢或镍制成。
5.根据权利要求1所述的液态金属微流道散热装置，其特征在于，所述第一微流道与所述第二微流道分别呈直槽形或蛇形或螺旋形或折线形或工字形或树形，所述第一微流道和所述第二微流道的形状相同或不同。
6.根据权利要求1-4任一项所述的液态金属微流道散热装置，其特征在于，所述第一微流道的截面形状与所述第二微流道的截面形状分别呈圆形或多边形，所述第一微流道的截面形状与所述第二微流道的截面形状相同或不同。
7.根据权利要求1所述的液态金属微流道散热装置，其特征在于，所述第一微流道的出口端与所述第二微流道的出口端位于所述主体的同一侧或不同侧。
8.根据权利要求1所述的液态金属微流道散热装置，其特征在于，所述第一微流道与所述第二微流道平行设置或交错设置。
9.根据权利要求1所述的液态金属微流道散热装置，其特征在于，在所述第一微流道内流动的冷却介质为气体或液体或气液混合物，在所述第二微流道内流动的液态金属熔点在300℃以下。
10.根据权利要求9所述的液态金属微流道散热装置，其特征在于，所述液态金属为镓、铟、锡、铋和水银中的一种。
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