CN111146544A - 一种用于小型高功率毫米波器件的高效冷却结构 - Google Patents

一种用于小型高功率毫米波器件的高效冷却结构 Download PDF

Info

Publication number
CN111146544A
CN111146544A CN201911391914.4A CN201911391914A CN111146544A CN 111146544 A CN111146544 A CN 111146544A CN 201911391914 A CN201911391914 A CN 201911391914A CN 111146544 A CN111146544 A CN 111146544A
Authority
CN
China
Prior art keywords
layer cavity
millimeter wave
holes
cavity
cooling
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201911391914.4A
Other languages
English (en)
Inventor
王建勋
万易鑫
芮灵珊
蒋伟
刘国
罗勇
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
University of Electronic Science and Technology of China
Original Assignee
University of Electronic Science and Technology of China
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by University of Electronic Science and Technology of China filed Critical University of Electronic Science and Technology of China
Priority to CN201911391914.4A priority Critical patent/CN111146544A/zh
Publication of CN111146544A publication Critical patent/CN111146544A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00—Auxiliary devices
    • H01P1/30—Auxiliary devices for compensation of, or protection against, temperature or moisture effects ; for improving power handling capability
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H05K7/2089—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating for power electronics, e.g. for inverters for controlling motor
    • H05K7/20927—Liquid coolant without phase change

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Abstract

本发明公开了一种用于小型高功率毫米波器件的高效冷却结构，涉及高功率毫米波及太赫兹技术领域。该冷却结构包括上层腔体、下层腔体、射流结构；射流结构包括若干列均匀设置的连接上层腔体与下层腔体的通孔阵列，以及设置于下层腔体下方的微型通道，每一列通孔正下方连通有两条微型通道。冷却介质通过上层腔体侧边的冷却介质输入口进入，经由通孔阵列形成冲击射流，喷射到下方的微型通道结构中，从而与热源区域进行热交换，最终换能后的冷却介质通过下层腔体的两侧出口流出。本发明具有高换热效率、结构紧凑等特点，特别适用于小型化高功率毫米波和太赫兹器件高频***的冷却。

Description

一种用于小型高功率毫米波器件的高效冷却结构
技术领域
本发明涉及高功率毫米波及太赫兹技术领域，具体涉及一种用于小型高功率毫米波器件的高效冷却结构。
背景技术
随着技术的不断进步，小型化、高频段、高效率成为了高功率毫米波及太赫兹器件的重要发展方向。毫米波器件已被广泛应用于军事和民用领域，它的正常工作离不开毫米波源，作为毫米波器件的核心，可以说毫米波源直接决定着毫米波器件性能的好坏。毫米波源主要分为两大类：固态半导体器件和真空电子器件。在高频段的大功率输出方面，真空电子器件具有突出地位，主要被应用于国防军事领域，是雷达、通信、电子对抗、导弹制导等的核心。
真空电子器件工作时，电磁波在器件中传输，器件壁上必然存在壁电流，由于材料的损耗特性和粗糙度，必定会有电磁波能量损耗产生热量，特别是高功率器件，如果不进行散热处理或散热不充分，器件的某些敏感部件会有热形变，从而影响***的正常工作，更严重地，一些脆弱部件可能会由于热应力而损坏。同时随着频率的升高，尺寸共渡效应使得器件体积又将进一步减小，热流密度已经超过了传统冷却方式的冷却能力。对于高热流密度的散热问题，如何在有限的体积下避免热量集中、提高器件的功率容量和工作稳定性成为热门的研究方向。
发明内容
为了更好解决上述散热技术问题，本发明提出了一种用于小型高功率毫米波器件的高效冷却结构。本发明的冷却介质通过上层腔体侧边的冷却介质输入口进入，经由通孔阵列形成冲击射流，喷射到下方的微型通道结构中，从而与热源区域进行热交换，最终换能后的冷却介质通过下层腔体的两侧出口流出。本发明具有高换热效率、结构紧凑等特点，特别适用于小型化高功率毫米波和太赫兹器件高频***的冷却。
本发明是通过以下技术方案实现的：一种用于小型高功率毫米波器件的高效冷却结构，包括上层腔体、下层腔体、射流结构、以及微型通道。
所述上层腔体为设置有冷却介质输入口的平板形腔体结构。
所述下层腔体为设置有冷却介质输出口的平板形腔体结构。
所述射流结构包括若干列均匀设置的连接上层腔体与下层腔体的通孔阵列。
所述微型通道设置于下层腔体下方，每一列通孔正下方连通有两条微型通道。
进一步地，一列通孔正下方的两条微型通道之间设置的隔离结构，其顶端低于下层腔体底面
进一步地，所述冷却结构为全金属无氧铜结构。
进一步地，所述通孔为圆形通孔或者方形通孔。
进一步地，上层腔体冷却介质输入口的对侧设计为阶梯状，提高了冷却介质的流通率。
进一步地，下层腔体两侧均设计了输出口，增加了冷却介质的流量。
进一步地，所述圆形通孔的直径为0.8mm，高度1.15mm，两列通孔之间的间距为1.2mm，一列通孔中相邻通孔的间距为1.6mm。
本发明的有益效果：
1.本发明所提出的新型换热结构具有高换热效率、结构紧凑等特点，特别适用于小型化高功率毫米波和太赫兹器件高频***的冷却。
2.本发明所提出的高效换热结构兼具了射流和微通道的换热结构特点，既解决了微通道冷却产生的流阻过大以及通道易堵塞问题，同时改进了冲击射流有效换热面积小的缺点。
3.本发明所提出的高效换热工艺结构简单，可通过传统的加工方法实现，而无需使用工艺复杂、加工成本极高的微加工工艺方法。本发明能够提供较传统冷却结构更高的换热系数和更小的压降，适用于多种小型高功率毫米波器件的冷却结构。
附图说明
图1为本发明的结构示意图，
图2为图1中截取的单元结构示意图，
图3为图1的主视图，
图4为W波段的带状注扩展互作用器件的高频结构示意图，
图5为该发明实际放置位置示意图，
图6为高频结构的温度分布剖面图，
图7为水流通道的整体压强分布图。
附图标号说明：标号1表示上层腔体，标号1-1表示冷却介质输入口，标号2表示下层腔体，2-2表示冷却介质输出口，标号3表示射流结构，3-1表示圆形通孔，标号3-2表示微型通道，3-3表示隔离结构，标号4表示阶梯结构，标号5表示太赫兹器件需冷却部分的结构，标号5-1为热源区域即互作用结构。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明：
参照附图1，本发明提出的一种用于小型高功率毫米波器件的高效冷却结构，包括上层腔体1、下层腔体2、射流结构3、以及微型通道3-2。整个结构为全金属无氧铜结构。射流结构包括多列均匀设置的连接上层腔体与下层腔体的通孔阵列，微型通道设置于下层腔体下方，每一列通孔正下方连通有两条微型通道，一列通孔正下方的两条微型通道之间设置的隔离结构顶端低于下层腔体底面。
冷却介质从上层腔体冷却介质输入口1-1流入，通过射流结构3的圆形通孔2-1形成冲击射流，喷射到下方的微型通道结构3-2中，对热源区域5-1进行冷却，极大地增加了散热面积，同时增强了水的紊流，进一步提高了换能效率。最终换能后的冷却介质经由下层腔体设置的双向冷却介质输出口1-2流出。
下面以本发明应用于一种W波段的带状注扩展互作用器件为例进行说明：
本实例中：互作用结构如附图4所示。该结构的热源分析主要包括两部分：欧姆损耗和电子截获。其中欧姆损耗可由固有品质因数Q0与外部品质因数Qe的比值算出，大约2.3kW；考虑2％的电子截获率时，腔体的最高温度为308.9℃且热量集中在谐振腔后半段。将本发明提出的一种用于小型高功率毫米波器件的高效冷却结构应用于该互作用结构的冷却***，具体结构参数如下：冷却介质出入口的尺寸统一为17.05mm*0.5mm，射流圆柱形通道的直径为0.8mm，高度1.15mm，Z轴向间距1.2mm，X轴向间距1.6mm，微型通道周期间隔P＝1.2mm，内部间距D1＝0.2375mm，外部间距D2＝0.594mm，高度H＝0.75mm。与高频结构的结合方式如附图5所示，将该结构放置于互作用结构上方，微通道结构紧挨着热源区域。通过商用流体动力学仿真软件FLUENT对模型进行热分析，其温度分布剖面图如附6图所示，冷却结构的整体压强分布如附图7所示。结果表明本发明提出的一种用于小型高功率毫米波器件的高效冷却结构具有极佳的冷却效果，具有广泛的应用前景和实际价值。
以上实例仅为方便说明本发明，本发明提出的一种用于小型高功率毫米波器件的高效冷却结构可应用不同频率、不同类型的高功率器件的散热结构中。通过改变本发明所提及的各个参数、使用本发明提及的微通道与射流的结合方式，以及使用各个组件的设计外形均属于本发明所保护的范畴。

Claims (6)

1.一种用于小型高功率毫米波器件的高效冷却结构，包括上层腔体、下层腔体、射流结构；
所述上层腔体为设置有一个冷却介质输入口的平板形腔体结构；
所述下层腔体为设置有两个冷却介质输出口的平板形腔体结构；
所述射流结构包括若干列均匀设置的连接上层腔体与下层腔体的通孔阵列，以及设置于下层腔体下方的微型通道，每一列通孔正下方连通有两条微型通道。
2.如权利要求1所述的一种用于小型高功率毫米波器件的高效冷却结构，其特征在于，所述一列通孔正下方的两条微型通道之间设置的隔离结构顶端低于下层腔体底面。
3.如权利要求1所述的一种用于小型高功率毫米波器件的高效冷却结构，其特征在于，所述冷却结构为全金属无氧铜结构。
4.如权利要求1所述的一种用于小型高功率毫米波器件的高效冷却结构，其特征在于，所述通孔为圆形通孔或者方形通孔。
5.如权利要求1所述的一种用于小型高功率毫米波器件的高效冷却结构，其特征在于，上层腔体冷却介质输入口的对侧设计为阶梯状。
6.如权利要求4所述的一种用于小型高功率毫米波器件的高效冷却结构，其特征在于，所述圆形通孔的直径为0.8mm，高度1.15mm，两列通孔之间的间距为1.2mm，一列通孔中相邻通孔的间距为1.6mm。
CN201911391914.4A 2019-12-30 2019-12-30 一种用于小型高功率毫米波器件的高效冷却结构 Pending CN111146544A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911391914.4A CN111146544A (zh) 2019-12-30 2019-12-30 一种用于小型高功率毫米波器件的高效冷却结构

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911391914.4A CN111146544A (zh) 2019-12-30 2019-12-30 一种用于小型高功率毫米波器件的高效冷却结构

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN111146544A true CN111146544A (zh) 2020-05-12

Family

ID=70521779

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201911391914.4A Pending CN111146544A (zh) 2019-12-30 2019-12-30 一种用于小型高功率毫米波器件的高效冷却结构

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111146544A (zh)

Citations (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2157094A5 (zh) * 1971-10-18 1973-06-01 Thomson Csf
US20060260784A1 (en) * 2005-05-19 2006-11-23 International Business Machines Corporation Microjet module assembly
CN102271485A (zh) * 2011-05-12 2011-12-07 南京理工大学 高热流密度条件下阵列射流、沸腾冷却耦合换热方法
CN202240910U (zh) * 2011-08-24 2012-05-30 长沙理工大学 一种对磨削加工进行喷雾冷却的喷嘴
CN204168700U (zh) * 2014-11-06 2015-02-18 广州高澜节能技术股份有限公司 一种具有扰流交错台阶直流道水冷板
CN105208837A (zh) * 2015-10-29 2015-12-30 中国电子科技集团公司第二十研究所 基于封闭微喷射流的错列微细通道热沉装置
CN205445689U (zh) * 2016-04-12 2016-08-10 河北工业大学 一种提高气膜冷却效率的结构
CN107155284A (zh) * 2017-06-15 2017-09-12 华南理工大学 一种基于射流微通道混合散热板
CN107940446A (zh) * 2017-12-08 2018-04-20 东方电气集团东方锅炉股份有限公司 一种大卷吸射流燃尽风***及喷射方法
CN208154428U (zh) * 2018-05-17 2018-11-27 衢州学院 一种双进双出大功率led室内通信***射流冲击冷却装置
CN108917255A (zh) * 2018-07-09 2018-11-30 成都酷卓生命科技有限公司 一种超高速降复温方法及装置
CN109524376A (zh) * 2018-09-18 2019-03-26 华中科技大学 一种多歧式射流微通道芯片液冷散热装置
CN209174158U (zh) * 2018-09-21 2019-07-30 山东亚特美环境科技有限公司 一种大流量y形喷嘴
CN110557924A (zh) * 2018-06-03 2019-12-10 武汉麦丘科技有限公司 冷板及具有其的制冷***

Patent Citations (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2157094A5 (zh) * 1971-10-18 1973-06-01 Thomson Csf
US20060260784A1 (en) * 2005-05-19 2006-11-23 International Business Machines Corporation Microjet module assembly
US7516776B2 (en) * 2005-05-19 2009-04-14 International Business Machines Corporation Microjet module assembly
CN102271485A (zh) * 2011-05-12 2011-12-07 南京理工大学 高热流密度条件下阵列射流、沸腾冷却耦合换热方法
CN202240910U (zh) * 2011-08-24 2012-05-30 长沙理工大学 一种对磨削加工进行喷雾冷却的喷嘴
CN204168700U (zh) * 2014-11-06 2015-02-18 广州高澜节能技术股份有限公司 一种具有扰流交错台阶直流道水冷板
CN105208837A (zh) * 2015-10-29 2015-12-30 中国电子科技集团公司第二十研究所 基于封闭微喷射流的错列微细通道热沉装置
CN205445689U (zh) * 2016-04-12 2016-08-10 河北工业大学 一种提高气膜冷却效率的结构
CN107155284A (zh) * 2017-06-15 2017-09-12 华南理工大学 一种基于射流微通道混合散热板
CN107940446A (zh) * 2017-12-08 2018-04-20 东方电气集团东方锅炉股份有限公司 一种大卷吸射流燃尽风***及喷射方法
CN208154428U (zh) * 2018-05-17 2018-11-27 衢州学院 一种双进双出大功率led室内通信***射流冲击冷却装置
CN110557924A (zh) * 2018-06-03 2019-12-10 武汉麦丘科技有限公司 冷板及具有其的制冷***
CN108917255A (zh) * 2018-07-09 2018-11-30 成都酷卓生命科技有限公司 一种超高速降复温方法及装置
CN109524376A (zh) * 2018-09-18 2019-03-26 华中科技大学 一种多歧式射流微通道芯片液冷散热装置
CN209174158U (zh) * 2018-09-21 2019-07-30 山东亚特美环境科技有限公司 一种大流量y形喷嘴

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
FENG ZHOU ET AL.: "Chip-scale cooling of power semiconductor devices: Fabrication of Jet impingement design", 《2018 IEEE 30TH INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON POWER SEMICONDUCTOR DEVICES AND ICS》 *
芮灵珊: "高功率毫米波带状束器件热_电耦合问题研究", 《中国硕士学位论文全文数据库信息科技辑》 *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110164835B (zh) 一种歧管式复杂结构微通道微型散热器
US8441794B2 (en) Liquid cooler and method of its manufacture
CN112086415B (zh) 一种新型多尺度热管理结构及微组装方法
CN111125923B (zh) 基于有源相控阵天线散热的微流道散热器设计方法
CN103594430A (zh) 用于功率电子器件散热的微通道散热器
CN203633055U (zh) 一种具有新型换热结构及自适应特性的热沉散热装置
CN114141733B (zh) 一种分级式歧管微通道散热装置
CN104201158A (zh) 一种硅基微通道散热器集成冷却装置
CN113056087B (zh) 一种内嵌微流道的印制电路板及其制备方法
WO2020181605A1 (zh) 一种带有喷管的微通道换热器结构及工作方法
CN108604771A (zh) 用于二极管激光器棒的冷却设备
CN216818326U (zh) 大功率芯片高效散热冷却装置
CN107481983B (zh) 一种微波功率管封装外壳、制作方法及冷却***
CN112216944B (zh) 一种大功率瓦式有源相控阵的液冷散热结构及阵列结构
CN111146544A (zh) 一种用于小型高功率毫米波器件的高效冷却结构
CN210040184U (zh) 一种微通道水冷板
CN210224020U (zh) 一种集成微流道的末级功放散热结构
CN116960084A (zh) 一种集成多岐管微流道的阵列芯片冷却装置及冷却方法
CN108712848B (zh) 一种内嵌式肋壁冲孔射流强化换热散热器
CN202712680U (zh) 一种液体制冷半导体激光器叠阵密封连接结构
TWI636230B (zh) Microchannel structure improvement
CN114664768A (zh) 一种针鳍与肋板组合式微通道散热器
CN214705906U (zh) 一种用于电子***中高功耗芯片的风冷散热模组
CN111356340A (zh) 一种高热通量冲击冷却式超临界二氧化碳散热器
CN115966533B (zh) 一种带有逆流区的歧管式微通道散热器

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20200512