CN101005747B - 液冷散热装置及用于该液冷散热装置的热交换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液冷散热装置及用于该液冷散热装置的热交换器，该液冷散热装置包括基板、与基板配合并带有容腔和与容腔连通的入液口和出液口的壳体以及设置于基板的顶面并容置于壳体的容腔内的热交换器，热交换器上形成有柱状中空部和多数个将柱状中空部与外部连通的微流道；热交换器将容腔分隔成一被热交换器包围的第一子容腔以及一包围热交换器的第二子容腔，第二子容腔和第一子容腔该通过该多数个微流道连通；入液口与第一子容腔连通，用以将液态冷却剂喷射撞击在基板的顶面；出液口与第二子容腔连通，用以将进入第二子容腔内的液态冷却剂排出。本发明将射流撞击和微流道有机地结合在一起，有效地提高了液冷散热装置的整体散热性能。

Description

液冷散热装置及用于该液冷散热装置的热交换器

【技术领域】

本发明涉及一种散热装置，特别涉及一种电子元件用液冷散热装置。

【背景技术】

现有的电子元件或装置用的散热装置通常采用空气对流来驱散热源产生的热量。然而，空气的热容量相对较低，使这些散热装置仅适合于散发功率相对比较低的热源产生的热量。随着运行速度的增加，功率密度也跟着增长，从而需要更加有效的散热装置。为此，采用高热容量的水或水-乙二醇(water-glyco1)溶液等作为工作液的液冷散装置被用来散发高功率高密度的热源产生的热量。应用于这些散热装置中的冷却液体吸收热源产生的热量后被传送至远处，在远处使用液-气热交换器可以容易地将热量散发至空气流当中。

现有的液冷散热装置通常包括一钻有多数个流道的金属块，这些流道通过U形管连接成一连续的流道。电子器件连接于该金属块的一表面，液态冷却剂在这些流道和U形管内流动，该金属块的表面可以连接一个或多数个电子器件。此类散热装置亦可应用一蛇行管安装于金属块的一侧，而微电子器件连接于金属块的另一侧来实现。然而，此类散热装置相对比较重，给被冷却电子器件和用来安装散热装置的电路板带来了不必要的机械压力。

喷射撞击(Jet Impinging)冷却装置是另一种液冷散热装置，该散热装置的重量较轻，其工作原理是当液态冷却剂喷射撞击在一基板表面时，突然减速增压，在撞击区域形成非常薄的边界层，该边界层具有非常高的热交换系数。美国专利第5,329,419号即揭露了一种应用液态冷却剂喷射撞击的集成电路封装用冷却装置，该冷却装置包括一与集成电路芯片的顶面接触的冷却板、一端部固定在该冷却板上的柱状壳体、一***到该壳体内用于将液态冷却剂撞击到该冷却板的大体中央位置的喷嘴以及一设置在该壳体上用于将喷射到该壳体内的冷却剂排出的排液管。然而，此类散热装置仅在中央停滞区域形成较高的热交换系数，而在远离中央的区域的热交换系数急剧下降，因而应用在换热面较大的场合时，平均散热效率并不高。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题在于，提出一种液冷散热装置，具有较高的散热效率，并且重量轻、体积小。

本发明所要解决的另一技术问题在于，提供一种液冷散热装置，能够适用于换热面较大的场合，该液冷散热装置将喷射撞击冷却与微流道冷却相结合，具有较高的散热效率。

本发明采用的技术方案如下：一种液冷散热装置，包括一基板、一与该基板配合并带有容腔和与该容腔连通的入液口和出液口的壳体以及一设置于该基板的顶面并容置于该壳体的容腔内的热交换器，该热交换器上形成有一中空部和多数个将该中空部与外部连通的微流道；该热交换器将该容腔分隔成一被该热交换器包围的第一子容腔以及一包围该热交换器的第二子容腔，该第二子容腔和该第一子容腔通过该多数个微流道连通；该入液口与该第一子容腔连通，用以将液态冷却剂喷射撞击在该基板的顶面；该出液口与该第二子容腔连通，用以将进入第二子容腔内的液态冷却剂排出。本发明在第一子容腔内采用射流撞击冷却的方式对基板上热量最集中区域进行冷却，利用环绕该第一子容腔的热交换器中的多数个微流道对远离中心点的区域进行冷却，将射流撞击冷却与微流道冷却有机地结合在一起，从而有效地提高了液冷散热装置的整体散热性能。

一种热交换器，包括多数个环状换热板，每一环状换热板均具有多数个第一穿孔单元和多数个与这些第一穿孔单元交错排列的第二穿孔单元；该多数个环状换热板同轴地交错堆叠在一起，每一环状换热板的多数个第一穿孔单元均与相邻环状换热板的多数个第二穿孔单元对应，形成多数个将该多数个将这些环状换热板的内部与外部连通的微流道。本发明中的热交换器采用环状金属换热板交错堆叠而成，微流道的尺寸及换热板的堆叠高度均易于调节和最优化，且该热交换器体积小、重量轻、成本低、制程简单可靠。

【附图说明】

图1是本发明一个优选实施例中的液冷散热装置的组合图；

图2是图1中的液冷散热装置的分解图；

图3是图1中的液冷散热装置在III-III方向上的剖视图；

图4是图2中的壳体的局部剖视图；

图5是图2中的热交换器的分解图；

图6是本发明另一实施例中的液冷散热装置的壳体的局部剖视图。

【具体实施方式】

下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明：

如图1至图3所示，本发明一个优选实施例中的液冷散热装置是采用液态冷却剂作为工作液体来进行散热，特别适合于为诸如微处理器和计算机芯片等高发热量热源进行散热。该液冷散热装置主要包括一基板10、一与基板10配合的壳体20以及一设置在基板10上并容置于壳体20内的热交换器30。

基板10是由诸如铜、钢等导热性能良好的材料制成，其具有一顶面和一底面，其底面用于与热源(未图示)相接，来吸收热源产生的热量。壳体20可通过螺接、焊接等常规连接方式密封地结合在基板10的顶面。如图4所示，壳体20包括一顶壁21和一从顶壁21的周缘向下伸出的侧壁22，顶壁21和侧壁22可以是一体成型，也可以是组合而成，侧壁22与顶壁21配合形成一用于装载热交换器30的容腔24。基板10的顶面和容腔24的内壁面可根据需要做一些防腐蚀处理，以防被液态冷却剂腐蚀。侧壁22具有一用于与基板10配合的底缘面23，底缘面23上开设有一环状槽25，该环状槽25用于收容一密封环29，以藉密封环29与基板10的配合来防止液态冷却剂外泄。为了加强壳体20与基板10之间的密封性，可以在侧壁22的底缘面23上形成两道或两道以上环状槽，以进一步提高密封性能。

热交换器30固定在基板10的顶面，其在轴向上形成有一柱状中空部33，用于与基板10配合形成第一子容腔241。中空部33与基板10顶面大体垂直，以便液态冷却剂可以穿过该中空部33直接喷射撞击在基板10上进行换热。热交换器30的底面可以通过铜焊等导热性能良好的结合方式固定在基板10顶面，以使热量能够容易地从基板10传导至热交换器30。基板10的顶面被热交换器30分割成三个区域：一被热交换器30包围的第一区域11、一被该热交换器30覆盖的第二区域12以及一环绕该热交换器30的第三区域13。热交换器30的顶面与壳体20的顶壁21的下表面接触或将近接触，从而将容腔24分隔成两个子容腔：一被热交换器30包围的第一子容腔241以及一包围热交换器30的第二子容腔242。第一子容腔241是由该基板10顶面的第一区域11与热交换器30的柱状中空部33配合而成，第二子容腔242是由基板10顶面的第三区域13同热交换器30的外侧壁和容腔24配合而成。热交换器30在径向上形成有多数个将中空部33与外部连通的微流道32，该多数个微流道32将第一子容腔241与第二子容腔242连通，使进入第一子容腔241中的液体冷却剂可以通过该多数个微流道32进入到第二子容腔242内。

如图5所示，热交换器30大体呈柱状，其是由多数个环状换热板31从下往上同轴地交错堆叠而成，全部环状换热板31中部的内圆组合后形成热交换器30的柱状中空部33。换热板31可采用诸如铜、钢等导热性能良好的材料制成，每相邻两换热板31之间均采用铜焊等导热性能良好的连接方式结合，以便热量能容易地从下层换热板传导至上层换热板。为了便于制造和批量生产，每一换热板31的形状、结构和制造材料都相同。该多数个环状换热板31在堆叠制造过程中，第1，3，5....2n+1奇数组换热板31按相同的角度排列，第2，4，6...2n偶数组环状换热板31均相对奇数组环状换热板31绕纵轴旋转一预定角度α后，再堆叠在奇数组换热板31上，使该奇数组与偶数组交错地堆叠在一起。

每一换热板31上均具有多数个第一扇形穿孔单元a和多数个第二扇形穿孔单元b(虚线部分所示)，该多数个第二扇形穿孔单元b与该多数个第一扇形穿孔单元a交错排列，两者之间的错位角也为α，以使每一换热板31的多数个第一穿孔单元a均与一相邻换热板31的多数个第二穿孔单元b对应，从而形成多数个微流道32。每一第一穿孔单元a均具有一与第一子容腔241连通的第一V型穿孔部311、一与第二子容腔242连通的第二穿孔部312；每一第二穿孔单元b均具有两与该第二子容腔242连通的第三穿孔部313和一独立的第四穿孔部314，第四穿孔部314在径向上不与外界连通。在该热交换器30中，每一环状换热板31的第一穿孔单元a的第一穿孔部311均与相邻环状换热板31的第二穿孔单元b的第三穿孔部313连通，以使第一子容腔241内的液态冷却剂可以通过第一穿孔部311和第三穿孔部313进入到第二子容腔242内，这是形成微流道32的第一种形式。每一环状换热板31的第一穿孔单元a的第一穿孔部311及第二穿孔部312均与相邻环状换热板的第二穿孔单元b的第四穿孔部314连通，以使第一子容腔241内的液态冷却剂先从第一穿孔部311进入第四穿孔部314，再通过第四穿孔部314进入第二穿孔部312，最后进入第二子容腔242，这是形成微流道的第二种形式。因此，形成多数个将第一子容腔241与第二子容腔242连通的微流道32。可以理解的是，虽然在本实施例中微流道32的形成包含了上述第一和第二两种形式，单仅用该两种形式之一亦可形成微流道32，只是微流道32数量相对要少些；另外，第一穿孔部311、第二穿孔部312、第三穿孔部313和第四穿孔部314的数量均可以是一个以上。

壳体21上设置有一与第一子容腔241连通的入液口26，入液口26与远处的泵(未图示)相连，以向容腔24内输入液态冷却剂。入液口26正对基板10顶面的第一区域11，以便可以将液态冷却剂直接喷射撞击在基板10顶面的第一区域11上进行换热。为了提高冷却剂的射出速度，在入液口26处设置一减缩喷嘴28。壳体21的顶壁21的边缘部位设置有一出液口27，出液口27与容腔24内的第二子容腔242连通，以便将自第一子容腔241进入到第二子容腔242的液态冷却剂排出。

本发明在工作过程中，液态冷却剂首先从喷嘴28射出，穿过第一子容腔241后直接撞击在基板10顶面的第一区域11，然后通过热交换器30中的多数个微流道32流入第二子容腔242中，最后通过出液口27流出第二子容腔242，并被传送至一远处的冷却器(未图示)进行冷却，并在冷却后进入下一个工作循环。在该运行过程中，热源(未图示)产生的热量被传导至基板10，基板10中的第一部分热量在液态冷却剂撞击第一区域11时被传递至冷却剂中，第二部分热量先被传导至热交换器，然而在液态冷却剂流经多数个微流道32时，被传递至液态冷却剂中，第三部分热量在液体冷却在第二子容腔242内流动时传递至液态冷却剂中。

本发明采用射流撞击冷却对基板10上热量最集中区域进行散热，有效地提高了液冷散热装置在该区域的散热性能。另外，为克服在远离中心点的区域换热系数迅速下降的缺点，用带有多数个微流道32的热交换器30围绕在射流撞击区域的周围，使液态冷却剂完成撞击后能够在通过微流道32时，继续与热交换器30在边缘区域进行换热，从而大大的提高了液冷散热装置的整体换热效率。

本发明中的热交换器30采用环状金属换热板31交错堆叠而成，具有体积小、重量轻、成本低、制程简单可靠等优点，且微流道的尺寸及换热板31的堆叠高度均易于调节和最优化。

如图6所示，本发明另一优选实施例中的液冷散热装置的壳体40与上一实施例中的壳体20的结构类似，其不同点是，在入液口46设置的减缩喷嘴48的下端设有伸入到壳体40的容腔内部的延伸部481，使喷嘴48的出液口与基板10顶面之间的距离缩短，进而优化喷射撞击的性能。延伸部481的伸出长度根据需要可以不同，以适应不同场合或不同冷却剂种类等参数的需求。

Claims (20)

1.一种液冷散热装置，包括一基板、一与该基板配合并带有容腔和与该容腔连通的入液口和出液口的壳体以及一设置于该基板的顶面并容置于该壳体的容腔内的热交换器，其特征在于：该热交换器上形成有一中空部和多数个将该中空部与外部连通的微流道；该热交换器将该容腔分隔成一被该热交换器包围的第一子容腔以及一包围该热交换器的第二子容腔，该第二子容腔和该第一子容腔通过该多数个微流道连通；该入液口与该第一子容腔连通，用以将液态冷却剂喷射撞击在该基板的顶面；该出液口与该第二子容腔连通，用以将进入第二子容腔内液态冷却剂排出。

2.如权利要求1所述的液冷散热装置，其特征在于：该热交换器的中空部大体呈柱状，且与该基板的顶面大体垂直。

3.如权利要求2所述的液冷散热装置，其特征在于：该热交换器将该基板的顶面分割成一被该热交换器环绕的第一区域、一被该热交换器覆盖的第二区域以及一环绕该热交换器的第三区域。

4.如权利要求3所述的液冷散热装置，其特征在于：该基板顶面的第一区域与该热交换器的中空部配合形成该第一子容腔。

5.如权利要求3所述的液冷散热装置，其特征在于：该基板顶面的第二区域与该热交换器的外侧壁和该容腔的内侧壁配合形成该第二子容腔。

6.如权利要求1所述的液冷散热装置，其特征在于：该热交换器包括多数个共轴地堆叠在一起的环状换热板。

7.如权利要求6所述的液冷散热装置，其特征在于：每一环状换热板均包括多数个第一穿孔单元和多数个与该第一穿孔单元交错布置的第二穿孔单元。

8.如权利要求7所述的液冷散热装置，其特征在于：该多数个环状换热板交错地堆叠在一起，以使每一环状换热板的第一穿孔单元与相邻环状换热板的第二穿孔单元对应。

9.如权利要求8所述的液冷散热装置，其特征在于：每一第一穿孔单元均具有至少一与第一子容腔连通的第一穿孔部，每一第二穿孔单元均具有至少一与第二子容腔连通的第三穿孔部。

10.如权利要求9所述的液冷散热装置，其特征在于：每一环状换热板的第一穿孔单元的至少一第一穿孔部均与相邻环状换热板的第二穿孔单元的至少一第三穿孔部连通。

11.如权利要求8所述的液冷散热装置，其特征在于：每一第一穿孔单元均具有至少一与第一子容腔连通的第一穿孔部和至少一与第二子容腔连通的第二穿孔部，每一第二穿孔单元均具有至少一第四穿孔部，该第四穿孔部为在径向上与第一子容腔及第二子容腔相隔离的独立穿孔。

12.如权利要求11所述的液冷散热装置，其特征在于：每一第一穿孔单元上的至少第一穿孔部均通过相邻环状换热板的至少一第四穿孔部与至少一第二穿孔部连通。

13.如权利要求1所述的液冷散热装置，其特征在于：在该入液口设置有一渐缩喷嘴。

14.如权利要求13所述的液冷散热装置，其特征在于：该渐缩喷嘴具有一延伸部。

15.一种热交换器，其特征在于：包括多数个环状换热板，每一环状换热板均具有多数个第一穿孔单元和多数个与这些第一穿孔单元交错排列的第二穿孔单元；多数个环状换热板同轴地交错堆叠在一起，每一环状换热板的多数个第一穿孔单元均与相邻环状换热板的多数个第二穿孔单元对应，形成多数个沟通该这些环状换热板的内部与外部的微流道。

16.如权利要求15所述的热交换器，其特征在于：该热交换器内形成有一中空部，每一第一穿孔单元均具有至少一与该中空部连通的第一穿孔部，每一第二穿孔单元均具有至少一与热交换器外部连通的第三穿孔部。

17.如权利要求16所述的热交换器，其特征在于：每一环状换热板的第一穿孔单元的至少一第一穿孔部均与相邻环状换热板的第二穿孔单元的至少一第三穿孔部连通。

18.如权利要求15所述的热交换器，其特征在于：该热交换器内形成有一中空部，每一第一穿孔单元均具有至少一与该中空部连通的第一穿孔部和至少一与热交换器外部连通的第二穿孔部，每一第二穿孔单元均具有至少一第四穿孔部，该第四穿孔部为在径向上分别与中空部及热交换器外部相隔离的独立穿孔。

19.如权利要求18所述的热交换器，其特征在于：每一第一穿孔单元上的至少第一穿孔部均通过相邻环状换热板的至少一第四穿孔部与至少一第二穿孔部连通。

20.如权利要求16所述的热交换器，其特征在于：该第一穿孔部大体呈V型。

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