CN219164986U - 一种低热阻低泵功的阵列热源的微通道散热集成系统 - Google Patents

Abstract

一种低热阻低泵功的阵列热源的微通道散热集成系统，属于强化换热领域。包括三层结构，依次为顶板、分流板、底板。分流板背面加工流体进口、进液分流槽道、注液孔、一级H型分流槽道分支、二级H型分流槽道分支、末端槽道；正面加工流体出口、出液合流槽道、微通道和蓄液区槽道、合流槽道分支、一级H型分流槽道分支、二级H型分流槽道分支、汇液槽道。多个热源阵列布置于顶板上，分流板焊于顶板与底板之间，形成完整的系统。本发明针对每个热源，采用“两进三出”的结构，缩短了流体在微通道中的流动长度，抑制热量在流道末端的积聚，提高热源表面的温度均匀性。系统内各槽道采用对称原则，保证系统内流体分配均匀性，有利于同时对多热源散热。

Description

一种低热阻低泵功的阵列热源的微通道散热集成系统

技术领域

本实用新型属于强化换热领域，设计了一种低热阻低泵功的阵列热源的微通道散热集成系统。

背景技术

随着工业技术的快速发展，各种工业产品都有向高功率、高集成度以及轻型化的方向发展的趋势，微电子器件的瞬时热流密度已经超过10⁶W/m²，如果无法及时有效对其进行散热，将会严重影响电子器件的稳定性和使用寿命，高热流密度电子器件的散热问题已经成为制约高新技术发展的重要因素，传统的散热方式已经无法满足日益增长的散热需求。微通道散热器因其具有较大的传热系数、比表面积大、自重轻、体积小以及可以直接集成在散热芯片上等优点，一经问世就得到国内外专家或学者的青睐。微通道广泛应用于微电子行业、空调、航空工业等领域。

流体在通过微通道带走热量的过程中，由于沿着流动方向不断吸热，在流动末端会出现热量积聚的现象，导致温度沿着流体流向越来越高，在通道末端形成“热点”，恶化了传热。并且在微机电系统的应用背景下，散热元件例如芯片，往往都不是单独存在的，而是需要同时给系统内的多个热源散热，不仅要满足较高的散热需求，还要保持各器件的温度一致性，这就需要采用合理的方案将系统内的微通道散热器集成起来。近年来，对于微电子系统的研究主要集中在单热源方面，对单个微通道散热器进行结构的优化改进来增强换热，而对于多个微通道散热器的集成系统研究较少。为保证多热源存在时系统能够良好的散热，需要将具有良好散热性能的微通道系统进行集成，同时对多热源进行散热，保证该系统工作性能稳定。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低热阻低泵功的阵列热源的微通道散热集成系统，使得当多个散热元件阵列存在时，可以对将多个微通道区域集成起来的系统进行高效散热，并且保证各元件之间温度分布均匀。本发明设计的系统装置中，每个微通道区域采用“两进三出”的流动方式，将一段微通道分成了四段，降低了流体流动长度，有效的抑制热量在流动末端积聚，减少了“热点”的出现，降低了系统内热阻；同时由于流动长度变短，一定流量下流体流速减小，系统内压降随之降低，外接管路消耗的泵功减小。系统采用对称设计，使得流入每个散热区域的流量分配均匀，流体分配均匀性越好，各散热区域散热性能越相近，更能保证各散热元件间的温度一致性，为电子器件的稳定运行提供可靠的温度环境。

本发明设计了一种低热阻低泵功的阵列热源的微通道散热集成系统，如图1所示。为进一步明确系统结构，图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11、图12、图13和图14分别为系统的整体结构正面爆炸示意图、系统的整体结构背面爆炸示意图、分流板俯视图、分流板仰视图、顶板轴侧图、底板轴侧图、系统的主视图、A-A剖面图、B-B剖面图、C-C剖面图、D-D剖面图、E-E剖面图和H型分流槽道分支结构示意图。

本发明设计了一种低热阻低泵功的阵列热源的微通道散热集成系统，其特征在于：包括依次层叠封装到一起的顶板(1)、分流板(2)和底板(3)；分流板(2)的背面即与底板(3)贴合的面加工有外接管路的流体进口(4)与进液分流槽道(6)，进液分流槽道(6)位于分流板(2)的背面的一侧且进液分流槽道(6)的长度方向平行于分流板(2)的长度方向；进液分流槽道(6)的长度方向的中间位置引出流体进口(4)，流体进口(4)从分流板(2)的侧面与外界连通；进液分流槽道(6)的两端分别通过一个平行于分流板(2)的宽度方向的槽道各与一个一级H型分流槽道分支(13)中的中间连接槽道连通，总计有两个一级H型分流槽道分支(13)；一级H型分流槽道分支(13)中的中间连接槽道与分流板(2)的长度方向平行；每个一级H型分流槽道分支(13)的四个端部分别通过一个平行于分流板(2)的长度方向的槽道各与一个二级H型分流槽道分支(14)中的中间连接槽道连通，总计8个二级H型分流槽道分支(14)，每个二级H型分流槽道分支(14)中的中间连接槽道平行于分流板(2)的宽度方向；每个二级H型分流槽道分支(14)的四个端部分别各连通一个平行于分流板(2)的宽度方向的末端槽道(15)，末端槽道(15)的中间位置设有一个注液孔(8)，总计有32个注液孔(8)，每个注液孔(8)穿透分流板(2)厚度达到分流板(2)正面；

分流板(2)正面即与顶板(1)贴合的面加工了数个微通道区域(9)，一个微通道区域(9)对应顶板(1)上一个热源(11)，多个阵列布置的热源(11)对应多个阵列布置的微通道区域(9)；每个微通道区域(9)内的微通道的方向平行于分流板(2)的长度方向，使得液体在微通道内的流动方向平行于分流板(2)的长度方向；每个微通道区域(9)在微通道方向的中间和两端分别设有合流槽道分支(12)，合流槽道分支(12)的长度方向平行于分流板(2)的宽度方向；同一个微通道区域(9)中相邻合流槽道分支(12)之间的微通道区域中间设有一个独立的蓄液区槽道(10)，蓄液区槽道(10)长度方向平行于合流槽道分支(12)长度方向；每个蓄液区槽道(10)中间对应有一个注液孔(8)；每个二级H型分流槽道分支(14)对应两个微通道区域(9)；所有的合流槽道分支(12)与一个汇液槽道(16)连通，汇液槽道(16)长度方向平行于分流板(2)的长度方向；平行于汇液槽道(16)的出液合流槽道(7)的两端与汇液槽道(16)连通，出液合流槽道(7)的中间设有流体出口(5)，流体出口(5)通过分流板(2)的侧面与外界连通；流体出口(5)和流体进口(4)分别通过分流板(2)相对的两个侧面与外界连通；

分流板(2)正面结构沿中间宽度方向的中心线对称分布；分流板(2)背面结构沿中间宽度方向的中心线对称分布。

通过真空钎焊的方式将顶板(1)、分流板(2)与底板(3)焊接在一起，组成封闭的流体流动系统。

所述注液孔(8)、进液分流槽道(6)、出液合流槽道(7)和微通道(9)的加工方式不受限制，可采用各种增材制造技术或者切割技术加工，要求尽可能保证较好的加工精度。所有的槽道形状均为矩形，所有的孔形状均为圆形。

冷却工质的流动路线为：冷却工质从流体进口(4)流入系统，通过T型总分流槽道(6)进行一次分流，之后两股流体分别经过一级H型分流槽道和二级H型分流槽道继续分流，最终分成了32股流体，各股流体通过各注液孔(8)流入各个蓄液区槽道(10)；每个热源(11)覆盖的微通道(9)区域均采用“两进三出”的结构，即流体从两个蓄液区(10)进入，从三个合流槽道分支(12)流出；最终通过总合流槽道(7)汇聚于流体总出口(5)，流出系统。

为避免各部分槽道流量积聚影响流动分配均匀性，应根据保证各部分槽道截面积尽量相等的原则调整各槽道深度和宽度。

冷却工质可选用水，固体材料可选用导热系数较大的金属材料，例如铝。

本发明具有下列优点与效果：

1、通过“两进三出”的结构，将一段微通道分成了四段，减小了流道长度，最大化利用入口段效应，有效强化了传热，降低了系统热阻，又因流体流动长度变短，给定流量下流速降低，系统泵功随之减小。

2、各槽道各分支完全对称，保证系统装置有较好的流动分配均匀性，使得各热源表面温度分布均匀，使系统有较高的控温精度。

3、直接在分流板上加工各种槽道和微通道，通过真空钎焊技术将顶板和底板与分流板焊在一起，可以保证系统的密封性。

附图说明

图1：本发明的整体结构的三维示意图；

图2：本发明的整体结构正面爆炸示意图；

图3：本发明的整体结构背面爆炸示意图；

图4：本发明的分流板俯视图；

图5：本发明的分流板仰视图；

图6：本发明的顶板轴测图；

图7：本发明的底板轴测图；

图8：本发明的主视图；

图9：本发明的A-A剖面图；

图10：本发明的B-B剖面图；

图11：本发明的C-C剖面图；

图12：本发明的D-D剖面图；

图13：本发明的E-E剖面图；

图14：H型分流槽道分支结构示意图；

其中：1-顶板、2-分流板、3-底板、4-流体进口、5-流体出口、6-进液分流槽道、7-出液合流槽道、8-注液孔、9-微通道、10-蓄液区槽道、11-热源；12-合流槽道分支，13-一级H型分流槽道分支，14-二级H型分流槽道分支，15-末端槽道，16-汇液槽道。

具体实施方法

下面结合附图对本发明作进一步的描述说明，但本发明并不限于以下实施例。在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，功能相似的部分不重复叙述。附图所示的每一组件的尺寸都是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸。

如图1、图2和图3所示，包括依次层叠封装到一起的顶板(1)、分流板(2)和底板(3)；分流板的背面加工有外接管路的流体进口(4)与进液分流槽道(6)，进液分流槽道(6)分成一个T型总分流槽道和数个H型分流槽道分支，所有的分流槽道分支沿着分流板中心线对称分布；每个分支末端的通道底部设有圆形通孔记为注液孔(8)，供流体流入分流板正面的蓄液区槽道(10)；分流板(2)正面加工了数个微通道(9)，微通道(9)覆盖区域对应的是阵列布置的多个热源(11)，每个热源区域的微通道(9)中间等距离布置了两个上文提到的蓄液区槽道(10)，将微通道隔开；并在微通道两端及流道中心处加工了流体流出系统用的合流槽道分支，数个合流槽道分支和一个T型总合流槽道构成出液合流槽道(7)，供流体通过与外部管路连接的流体出口(5)流出系统。

分流板(2)背面每个分流槽道分支末端的注液孔(8)位于所在分支槽道的中心处，以达到两侧对称的目的，并且与分流板(2)正面的蓄液区槽道(10)是贯通的，确保流体可以通过注液孔(8)流入分流板(2)正面蓄液区槽道(10)并流入微通道(9)；通过真空钎焊的方式将顶板(1)、分流板(2)与底板(3)焊接在一起，组成封闭的流体流动系统。

实施例1：

在多个热源阵列布置的情况下，设计一种低热阻低泵功的阵列热源的微通道散热集成系统，本装置通过焊接技术将各结构连接起来，具体结构如图1所示。装置材质选用铝合金，冷却工质选用水。将模拟热源放置于顶板上，一共阵列布置16个热源，覆盖在各微通道区域。通过控制外接电路电压调节发热量。通过恒温水箱为系统提供足够入口流量，并控制流体入口温度维持在常温。

流体从流体入口流入系统之后，通过第一个T型通道，流体均匀分成两股，之后各自流入数个H型通道，又均匀分成了32股流体，之后各自通过注液孔流入分流板背面的蓄液槽，再分别流向微通道两端，最终通过数个合流槽道进行合流，并通过流体出口流出系统。因为系统采用严格对称的原则，整个流动过程中，每一次流量分配都是相对均匀的，为了防止出口处流体堆积，可以沿着流向逐渐加深合流槽道的深度，最大限度保证了系统的流体分配均匀性，增强了散热元件的温度均匀性。又因为每部分的微通道都被分成了四段流道，抑制了流道末端的热量积聚，防止热点形成，进一步强化了换热。一定程度上提高了散热元件的工作稳定性并延长了使用寿命。

以上所述仅为本发明方法的较佳实施例，并不用于限制本发明方法。在实际的实施过程中，根据分流板上的进液分流槽道和出液合流槽道的深度和宽度、微通道的尺寸及深宽比，蓄液区槽道的形状及尺寸的不同，系统可以得到不同的传热效果。加工方式、冷却工质与固体材料种类、本装置的应用环境都可能被改变或被替换，但上述形式的改变都不会从根本上改变本发明方法。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种低热阻低泵功的阵列热源的微通道散热集成系统，其特征在于：包括依次层叠封装到一起的顶板(1)、分流板(2)和底板(3)；分流板(2)的背面即与底板(3)贴合的面加工有外接管路的流体进口(4)与进液分流槽道(6)，进液分流槽道(6)位于分流板(2)的背面的一侧且进液分流槽道(6)的长度方向平行于分流板(2)的长度方向；进液分流槽道(6)的长度方向的中间位置引出流体进口(4)，流体进口(4)从分流板(2)的侧面与外界连通；进液分流槽道(6)的两端分别通过一个平行于分流板(2)的宽度方向的槽道各与一个一级H型分流槽道分支(13)中的中间连接槽道连通，总计有两个一级H型分流槽道分支(13)；一级H型分流槽道分支(13)中的中间连接槽道与分流板(2)的长度方向平行；每个一级H型分流槽道分支(13)的四个端部分别通过一个平行于分流板(2)的长度方向的槽道各与一个二级H型分流槽道分支(14)中的中间连接槽道连通，总计8个二级H型分流槽道分支(14)，每个二级H型分流槽道分支(14)中的中间连接槽道平行于分流板(2)的宽度方向；每个二级H型分流槽道分支(14)的四个端部分别各连通一个平行于分流板(2)的宽度方向的末端槽道(15)，末端槽道(15)的中间位置设有一个注液孔(8)，总计有32个注液孔(8)，每个注液孔(8)穿透分流板(2)厚度达到分流板(2)正面；

分流板(2)正面即与顶板(1)贴合的面加工了数个微通道区域(9)，一个微通道区域(9)对应顶板(1)上一个热源(11)，多个阵列布置的热源(11)对应多个阵列布置的微通道区域(9)；每个微通道区域(9)内的微通道的方向平行于分流板(2)的长度方向，使得液体在微通道内的流动方向平行于分流板(2)的长度方向；每个微通道区域(9)在微通道方向的中间和两端分别设有合流槽道分支(12)，合流槽道分支(12)的长度方向平行于分流板(2)的宽度方向；同一个微通道区域(9)中相邻合流槽道分支(12)之间的微通道区域中间设有一个独立的蓄液区槽道(10)，蓄液区槽道(10)长度方向平行于合流槽道分支(12)长度方向；每个蓄液区槽道(10)中间对应有一个注液孔(8)；每个二级H型分流槽道分支(14)对应两个微通道区域(9)；所有的合流槽道分支(12)与一个汇液槽道(16)连通，汇液槽道(16)长度方向平行于分流板(2)的长度方向；平行于汇液槽道(16)的出液合流槽道(7)的两端与汇液槽道(16)连通，出液合流槽道(7)的中间设有流体出口(5)，流体出口(5)通过分流板(2)的侧面与外界连通；流体出口(5)和流体进口(4)分别通过分流板(2)相对的两个侧面与外界连通。

2.按照权利要求1所述的一种低热阻低泵功的阵列热源的微通道散热集成系统，其特征在于：分流板(2)正面结构沿中间宽度方向的中心线对称分布；分流板(2)背面结构沿中间宽度方向的中心线对称分布。

3.按照权利要求1所述的一种低热阻低泵功的阵列热源的微通道散热集成系统，其特征在于：通过真空钎焊的方式将顶板(1)、分流板(2)与底板(3)焊接在一起，组成封闭的流体流动系统。

4.按照权利要求1所述的一种低热阻低泵功的阵列热源的微通道散热集成系统，其特征在于：所有的槽道形状均为矩形，所有的孔形状均为圆形。

5.按照权利要求1所述的一种低热阻低泵功的阵列热源的微通道散热集成系统，其特征在于：冷却工质的流动路线为：冷却工质从流体进口(4)流入系统，通过T型进液分流槽道(6)进行一次分流，之后两股流体分别经过一级H型分流槽道和二级H型分流槽道继续分流，最终分成了32股流体，各股流体通过各注液孔(8)流入各个蓄液区槽道(10)；每个热源(11)覆盖的微通道区域(9)区域均采用“两进三出”的结构，即流体从两个蓄液区槽道(10)进入，从三个合流槽道分支(12)流出；最终通过出液合流槽道(7)汇聚于流体出口(5)，流出系统。

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