CN111954445A - 一种肋柱式高效相变冷却装置及其冷却方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种肋柱式高效相变冷却装置及其冷却方法，冷却装置包括冷却底板、顶盖组成的箱体，箱体内设有水平隔热板，水平隔热板上方为回收腔室，下方为相变腔室，水平隔热板边缘与箱体内壁之间留有空隙作为回收口；顶盖上分布有工质出口和工质入口，所述的工质出口下端位于回收腔室内，所述的工质入口下端位于相变腔室内，工质入口由竖直隔热板围成，竖直隔热板的下端与水平隔热板中心的孔连接；在所述的相变腔室内，冷却底板上设置有分叉排布式肋柱。本发明设计简洁明了，且具有流动稳定、均匀高效、节能的优点，可以有效地解决高热流密度情况下微电子***的冷却问题。

Description

一种肋柱式高效相变冷却装置及其冷却方法
技术领域
本发明涉及微电子***散热领域，具体涉及一种肋柱式高效相变冷却装置及其冷却方法。
背景技术
随着微电子***性能的提高，其热功率也在逐步增大。传统的单相流动散热装置已经不能满足其高热流密度散热需求。由于相变散热技术可以使用巨大的蒸发潜热，其具有更好的散热性能，因此近些年来被广泛地使用在了微电子散热领域。
然而目前常见的平行微通道相变冷却装置存在以下问题：(1)流动稳定性差，不同微通道之间的相互影响较大，出现较大的压力波动及回流现象。(2)容易出现局部干涸现象，散热均匀性相对较差。(3)流动阻力及进出口压差较大，需要耗费较大的泵功。散热问题制约了微电子***的进一步发展，因此亟需解决。
发明内容
本发明针对现有技术所存在的上述问题，提出了一种新型肋柱式高效相变冷却装置及其冷却方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种肋柱式高效相变冷却装置，包括冷却底板、顶盖组成的箱体，箱体内设有水平隔热板，水平隔热板上方为回收腔室，下方为相变腔室，水平隔热板边缘与箱体内壁之间留有空隙作为回收口，将回收腔室和相变腔室连通；
顶盖上分布有工质出口和工质入口，所述的工质出口下端位于回收腔室内，所述的工质入口下端位于相变腔室内，工质入口由竖直隔热板围成，圆筒状竖直隔热板的下端与水平隔热板中心的孔连接；竖直隔热板与水平隔热板均采用低导热率材质制成；
在所述的相变腔室内，冷却底板上设置有分叉排布式肋柱；
冷却底板为高导热率材质制成，底部与被冷却物体相接。
所述的工质入口位于顶盖的中心位置。
所述的回收口为环绕水平隔热板的四周。
所述的分叉排布式肋柱顶部与水平隔热板下表面之间留有空隙。
所述的一种肋柱式高效相变冷却装置的冷却方法，冷却底板底部与被冷却物体相接；液体工质经由工质入口从冷却底板的中心位置进入相变腔室，随后发散流经分叉排布式肋柱表面，期间利用汽液相变过程吸收大量的热量；相变后的汽液混合工质由回收口汇集至回收腔室内，再经由工质出口流出相变冷却装置。
其中，所述的液体工质为HFE-7100、FC-72等环保制冷剂，可以根据被冷却设备的工作条件进行选择。
本发明的有益效果是，
与现有技术相比，本发明的相变冷却装置，采用具有分叉排布式肋柱的冷却底板及中心入口、周围出口的设计方式，尤其适用于高热流密度情况下微电子***的散热。本发明实施后能够具有较好的流动稳定性，抑制压力波动及回流现象；补液及时，具有较高的散热效率及均匀性；流动阻力小，显著降低泵功。此外本发明结构简洁明了，易于加工制造。
附图说明
图1为本发明的外观示意图；
图2为本发明的主视图；
图3为本发明的中心纵向剖面图(A-A)；
图4为本发明的横向剖面图(B-B)；
图5为本发明的横向剖面图(C-C)；
图6为不同截面形状的肋柱结构。
具体实施方式
结合附图说明本发明的具体技术方案。
图1为肋柱式高效相变冷却装置的外观示意图。位于上部的顶盖10与在下部冷却底板7的卡槽8部位进行紧密的衔接，保障装置具有良好的密封性。工质入口2位于相变冷却装置的中心位置，其由竖直隔热板13所围成，且与装置内部相变腔室6及回收腔室4之间的水平隔热板3紧密衔接为一体，其均采用低热导率材料制作。工质出口1位于工质入口2的旁侧，出口壁面与顶盖10为一体式结构。此图还给出了装置中心纵向剖面图即图3的位置，其穿过工质入口2及工质出口1的中心位置。
图2肋柱式高效相变冷却装置的主视图，此图给出了两个横向剖面图即图4和图5的位置，其中图4穿过相变腔室6，图5穿过回收腔室4。
图3为相变冷却装置的中心纵向剖面图(A-A)，直观地展示了冷却底板7，顶盖10及隔板的具体布局。在冷却底板7的上部设置有分叉排布式肋柱5,详见图5。冷却底板7采用高导热率材质制作，可以高效地传递热量并且促进底板温度的均匀性。
分叉排布式肋柱5上表面与水平隔热板3之间设置有间隙，可以增大工质与冷却底板7表面的接触面积，进而有效地提高换热性能。
当液体工质流入水平隔热板3下方的相变腔室6内后，其流动去向可以分为两部分：一部分在分叉排布式肋柱5间隙流动；另一部分在分叉排布式肋柱5与水平隔热板3的间隙流动。
由于冷却底板7表面具有一定的过热度，液体工质流经时会发生相变而转变为汽液混合工质。汽液混合工质经由水平隔热板3与顶盖10之间的回收口9流入回收腔室4内，冷却装置的四周均设置有回收口9。回收腔室4位于隔板与顶盖10之间，其具有较大的厚度及容积，可以降低汽液混合工质在其内部的流动阻力，进而提升相变腔室6内的流动均匀性。流入回收腔室4内的汽液混合工质最终在工质出口1位置处汇聚，经由工质出口1流出相变冷却装置，其内部具体的流动情况如图5所示。
由于汽液混合工质会存在一定的过热度，回收腔室4与入口通道及相变腔室6相邻的区域均采用绝热隔板，可以有效地降低汽液混合工质对液体工质的加热，将更多的显热/潜热利用在相变腔室6中，保障换热效率。
图4为相变冷却装置的横向剖面图(B-B)，该图上半部分展示了分叉排布式肋柱5间的流型演变，下半部分展示了分叉排布式肋柱5间工质的流动方向。
此处示意图所展示的分叉排布式肋柱5以椭圆形肋柱为例，其具体的结构可以根据实际的冷却需求进行选取。分叉排布式肋柱5的截面形状可以为三角形、梯形、矩形、菱形、矩形-圆弧、矩形-三角、翼型、仿生流线型，如图6，这些结构均在本发明权利要求的保护范围之内。此外，如果所需要的冷却面积较大，分叉排布式肋柱5的数量也可以进行相应的增加。
冷却底板7上部的分叉排布式肋柱5采用分叉排布方式。当液体工质从方形冷却底板7的中心位置进入后，其发散流向四周，该流动方式的阻力要小于平行微通道内的流动，可以减少给液泵的功耗，具有节能的特性。流体在每个肋柱的前端均产生分叉流动，此设计可以消除流动滞止区域，保障分叉排布式肋柱5侧表面不同位置具有相对较高的工质流速，提升整体散热强度。
相变冷却装置工作时，热量从被冷却物体传递至冷却底板7，分叉排布式肋柱5表面会具有一定的过热度，在其表面的汽化核心处会形成小汽泡。生成的小汽泡不断长大，其体积到达一定程度后开始脱离分叉排布式肋柱5表面。此时，相变腔室6内的流型结构已经从单相流动转换为泡状流动。脱离分叉排布式肋柱5表面后的汽泡在液体的推动下逐步向外流动，此时其体积仍在不断增大。由于汽泡在形成及长大过程中的汽液相变可以吸收大量的热量，因此壁面的换热系数会远大于单相流动时的换热系数。
当汽泡占据肋柱之间大部分的体积时，汽泡的生长开始受到壁面限制。汽泡与加热壁面之间的主要换热机理为薄液膜蒸发。薄液膜蒸发时的液膜厚度对于相变换热强度会产生较大的影响。本发明所提出的分叉排布式肋柱5，该结构可以使相变腔室6内的流动呈现发散状态，工质的流速也相应呈现由中心向***而逐步降低的变化趋势。在较低的流动速度下，汽泡与加热壁面之间的液膜厚度会相应变薄，而较薄的液膜厚度可以强化相变换热，进而实现更好的冷却效果，这是平行微通道相变冷却结构所不具备的优良特性。此外，该结构在相变工况下具有补液及时，防止蒸干的特点，有效地促进底板温度的均匀性。
该相变冷却装置设计为中心入口、周围出口的布局，相比一侧入口、一侧出口式的平行微通道布局，其在发生相变时的流动更加稳定，压力波动较小，且能够更好地抑制回流现象。

Claims (5)

1.一种肋柱式高效相变冷却装置，其特征在于，包括冷却底板(7)、顶盖(10)组成的箱体，箱体内设有水平隔热板(3)，水平隔热板(3)上方为回收腔室(4)，下方为相变腔室(6)，水平隔热板(3)边缘与箱体内壁之间留有空隙作为回收口(9)，将回收腔室(4)和相变腔室(6)连通；
顶盖(10)上分布有工质出口(1)和工质入口(2)，所述的工质出口(1)下端位于回收腔室(4)内，所述的工质入口(2)下端位于相变腔室(6)内，工质入口(2)由竖直隔热板(13)围成，竖直隔热板(13)的下端与水平隔热板(3)中心的孔连接；竖直隔热板(13)与水平隔热板(3)均采用低导热率材质制成；
在所述的相变腔室(6)内，冷却底板(7)上设置有分叉排布式肋柱(5)；
冷却底板(7)为高导热率材质制成，底部与被冷却物体相接。
2.根据权利要求1所述的一种肋柱式高效相变冷却装置，其特征在于，所述的工质入口(2)位于顶盖(10)的中心位置。
3.根据权利要求1所述的一种肋柱式高效相变冷却装置，其特征在于，所述的回收口(9)为环绕水平隔热板(3)的四周。
4.根据权利要求1所述的一种肋柱式高效相变冷却装置，其特征在于，所述的分叉排布式肋柱(5)顶部与水平隔热板(3)下表面之间留有空隙。
5.根据权利要求1到4任一项所述的一种肋柱式高效相变冷却装置的冷却方法，其特征在于，冷却底板(7)底部与被冷却物体相接；液体工质经由工质入口(2)从冷却底板(7)的中心位置进入相变腔室(6)，随后发散流经分叉排布式肋柱(5)表面，期间利用汽液相变过程吸收大量的热量；相变后的汽液混合工质由回收口(9)汇集至回收腔室(4)内，再经由工质出口(1)流出相变冷却装置。
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