CN201383909Y - 一种液冷散热器用的微通道冷板装置 - Google Patents

Abstract

一种液冷散热器用的微通道冷板装置，其包括一上盖及一下底板，该上盖之一侧开设有一工作介质进入冷板的进口，另一侧则开设有一工作介质离开冷板的出口，该工作介质进入冷板的进口系为逐渐扩大型态的进口，工作介质离开冷板的出口为逐渐缩小型态的出口。本实用新型可以使液冷散热的冷板具有均匀的温度分布，具有更低的热阻和更好的散热性能，增强微通道冷板中的两相流工作介质的流动稳定性，从而更加适于实用。适用于电子领域的散热装置。

Description

一种液冷散热器用的微通道冷板装置

技术领域

本实用新型涉及一种电子产品领域的散热装置，尤其是一种涉及汽液相变的液冷散热装置。

背景技术

英特尔的创始人之一高登·摩尔在1965年提出预言：半导体芯片上的晶体管的数量大约每隔18个月就会翻倍，这就是摩尔定律。英特尔近40年的发展历程验证了摩尔的预言，到2010年，晶体管的数量将达到10亿个，而随着32纳米技术的成熟，下一代微处理器将集成20亿个晶体管。随着计算机芯片晶体管数量的增加，单位面积上的电路越来越密，所产生的热量也将是现在芯片的10倍以上，其当量发热密度可以达到每平方厘米1000瓦以上，尤其是芯片内部的高功率元器件，其核心温度可接近6000℃，该高温点称为热斑，如果没有适当的散热方式，将严重影响芯片的性能和寿命。

目前高端电子产品的主要散热方式为液冷散热，请参阅图1所示，现有常用的液冷产品主要包括冷板1、泵2、鳍片散热器3和连接上述组件的软管。冷板1紧贴热源(即电子芯片，例如CPU)，在泵2驱动下的液体流经冷板1吸收热量后，在鳍片散热器3处向外部环境释放热量，被冷却的液体再次流经冷板1，循环往复连续不断地把热量从发热芯片传递到环境中。鳍片散热器可采用自然风或风扇强制冷却。冷却液体可以是去离子的纯净水、掺加有防冻液的纯净水、或者其它液体及混合物，例如四氟乙烷R134a。

目前商用液冷散热器内部工质在循环时不产生相变，即在散热器内部无论受加热或者冷却，都保持液态.虽然上述液冷方式具有热阻低、传递热容量大、传输距离较远的优点，但是，由于冷板材料的局限性，以及液体吸热温度升高，使得冷板的热阻不能得到进一步降低，并且冷板内部存在高的温度梯度，导致和其接触的电子芯片的温度也是不均匀的，从而产生热应力。另外，在一定的液体驱动力下，其热阻值是一定的，而该热阻值很难满足未来电子芯片的散热需求，尤其是难以对热斑有效冷却，且高热流密度条件也使风扇噪声和液体泵的寿命面临巨大挑战。

由此可见，上述现有的液冷散热装置在结构与使用上，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。为了解决液冷散热装置存在的问题，相关厂商无不费尽心思来谋求解决之道，但长久以来一直未见适用的设计被发展完成，而一般产品又没有适切的结构能够解决上述问题，此显然是相关业者急欲解决的问题。因此如何能创设一种低热阻、高散热性能的新型结构液冷散热装置，实属当前重要研发课题之一，亦成为当前业界极需改进的目标。长期的实验研究证实通过微通道的液体产生相变后的汽液两相流动可以显着地降低工质流率或驱动工质所需的泵功(Pumping Power)，并且在工质及冷板(Heat Sink)内部温度更加均匀。由于微通道汽液两相流动及传热具有上述的所有优点，以及其潜在的应用前景，包括微电子芯片及高能激光器的冷却，和在微小型动力机械及能源***中的应用，使得微通道两相流成为近10年来学术界的一个研究热点。但是人们发现微通道冷板内存在强烈的两相流不稳定性。不稳定性会降低***的性能和可靠性，会引起机械故障，甚至造成破坏。因此，带有工质相变的冷板尚未在商业化液冷散热技术中有报道。

实用新型内容

为了克服现有的液冷散热装置存在的缺陷，本实用新型的目的在于：提供一种液冷散热器用的微通道冷板装置，该装置可以使液冷散热的冷板具有均匀的温度分布，具有更低的热阻和更好的散热性能，增强微信道冷板中的两相流工作介质的流动稳定性，从而更加适于实用。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案如下：

一种液冷散热器用的微通道冷板装置，它包括一上盖及一下底板，上盖和下底板系结合为一体，在上盖之一侧开有一工作介质进入冷板的进口，另一侧则开有一工作介质离开冷板的出口，工作介质进入冷板的进口为逐渐扩大的进口，工作介质离开冷板的出口为逐渐缩小的出口。

前述下底板的进口处设有液体储存区，该下底板的出口处则设有蒸汽排放区，在该液体储存区和蒸汽排放区之间设有微通道区，该微通道区的二端系分别与液体储存区及蒸汽排放区相连通；此外该蒸汽排放区和液体储存区均各为一空腔体，而微通道区为连通的格栅式通道；液体储存区与微通道区联通的空间结构符合喷管结构，蒸汽排放区和微通道区联通的空间结构为直通结构。

由于采用上述技术方案，使本实用新型与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本实用新型提出的冷板，工质的进出口流道采用渐扩及渐缩形状，可以减小工质流动阻力；

(2)本实用新型提出的冷板，在工质进口段采用大的储液区逐渐收缩结构(即喷管结构)过渡到微通道区，可以拟制传统冷板结构中普遍存在的流动分配不均的现象；

(3)由于采取喷管结构，流体流速在微通道区入口处往下游方向附近流速达到最大，从而辅助起到拟制在微通道中工质相变发生时的蒸汽回流现象；

(4)本实用新型提出的冷板，其内部的微通道结构在芯片加热区的上游和下游存在一段很长的微信道区，即微信道区的长度大于芯片长度，在芯片加热区上下游存在一段加长的微通道区域，该区域对芯片散热贡献不大，但是该加长区域可以很好地拟制蒸汽回流造成的不稳定性现象，其原理是在微通道中一旦相变，由于工质体积膨胀所产生的蒸汽回流现象，由于加长的微通道结构，因此蒸汽无法回流到加长的微通道的前端，这样必然在微通道内部产生汽液界面-弯月面，根据拉普拉斯方程，在该弯月面处会产生毛细力，毛细力的大小取决于表面张力和弯月面半径，而弯月面半径又取决于微通道截面尺寸，越小的截面水利半径具有越大的毛细力，该毛细力会产生很强的抽吸作用，从而推动液体向微通道出口端流动，达到拟制蒸汽回流的作用，同时芯片加热区的下游端的加长的微通道结构可以稳定蒸汽流动(实现充分发展的流动)，从而在微通道的进出口端起到稳定流动的目的；

(5)由于汽液相变，热量传递通过汽化潜热完成，工质温度增加有限，使整个冷板的热阻明显下降，电子芯片温度更加均匀。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是现有的液冷散热装置的结构示意图。

图2是本实用新型液冷散热器用的微通道冷板装置的结构示意图。

图3A是本实用新型中的冷板结构的第一个实施例立体结构示意图。

图3B是图3A的俯视图。

图3C是图3B的A-A剖视图。

图3D是图3B的B-B剖视放大图。

图4A是图3A中的下底板的立体结构示意图。

图4B是图4A的俯视图。

图4C是图4B的A-A剖视图及微通道区的放大图。

图5A是本实用新型中的冷板结构的第二个实施例的立体结构示意图。

图5B是图5A的俯视图。

图5C是图5B的A-A剖视图。

图5D是图5B的B-B剖视放大图。

图6是图5A中的下底板结构示意图。

图7A是本实用新型中的冷板结构第三个实施例的立体结构示意图。

图7B是图7A的俯视图。

图7C是图7B的A-A剖视图。

图7D是图7B的B-B剖视放大图。

图8是图7A中的下底板结构示意图。

图9是本实用新型工作过程的示意图。

图中，1.冷板，2.泵，3.鳍片散热器，5.导热材料，6.电子芯片，11.上盖，12.下底板，111.进口，112.出口，113.沟槽，121.液体储存区，122.微通道区，123.蒸汽排放区，124.通孔，13.螺钉，14.密封O型圈。

具体实施方式

请参阅图2所示，本实用新型一种液冷散热器用的微通道冷板1，该冷板系由一上盖11及一下底板12所组合而成。其中该上盖11之一侧开设有一工作介质进入冷板1的进口111，另一侧则开设有一工作介质离开冷板1的出口112，工作介质进入冷板的进口为逐渐扩大型态的进口111，工作介质离开冷板的出口为逐渐缩小型态的出口112。

上盖11和下底板12的材质可以是铜或铝等金属，也可以是硅等非金属。工质可以是水，也可以是丙酮，甲醇，氨水或氟立昂类，例如R134a等其它工质，根据使用的条件而选择。

请参阅图3A、图3B、图3C、图3D所示的本实用新型液冷散热器的冷板结构的第一个实施例，其下底板12材料为半导体材料硅，上盖11材料可以是硅可以是石英玻璃等，下底板12与上盖11通过键合(Bonding)的方式结合为一体。其上盖11可以通过在硅或者石英玻璃材料上通过等向性蚀刻(微电子加工工艺的一种-isotropic wet etching)，加工出渐扩和渐缩的进口111和出口112。第一个实施例的渐扩的进口111和渐缩的出口112的顶端均与上盖11的顶面平齐。在下底板12的进口处设有带有喷管结构的液体储存区121，在下底板12的出口处设有蒸汽排放区123，在液体储存区121和蒸汽排放区123之间设有微通道区122，该微通道区122的一端与液体储存区121相连通，另一端与蒸汽排放区123相连通；蒸汽排放区123和液体储存121区均各为一空腔体，微通道区122为图4C所示的连通的格栅式通道。液体储存区与微通道区联通的空间结构符合喷管结构，所谓喷管结构，即一种管道过渡结构，由于液体流速小于当地声速，因此此处的喷管结构为由一大尺寸管道圆滑收缩到一小尺寸管道的结构，蒸汽排放区和微通道区联通的空间结构为直通结构。

图4A、图4B、图4C、图4D为图3A所示的冷板结构的下底板12示意图，它可以通过在硅材料上采用深干蚀刻的方法(微电子加工工艺的一种-DRIE)，同时加工出带有喷管结构的液体储存区121，微通道区122和蒸汽排放区123。

请参阅图5A、图5B、图5C、图5D所示的本实用新型液冷散热器的冷板结构的第二个实施例，其下底板12材料为金属，例如铜或者铝，上盖11材料可以是和下底板相同的金属，也可以不同.下底板12与上盖11通过焊接的方式结合为一体，如果是同一种金属材料，可是通过硬焊结合(brazing)，如果为不同金属材料，可以采用软焊接(soldering)。第二个实施例的渐扩的进口111和渐缩的出口112均伸出于上盖11的顶面之外。第二个实施例的上盖11可以通过金属机加工(CNC)或者压力铸造(die casting)，或者金属射出(metalinjection module)的方式，加工出渐扩和渐缩的进口111和出口112以及带有喷管结构的液体储存区121和与微通道区直通的蒸汽排放区123.图6为图5A所示的冷板结构的下底板12示意图，可以通过在金属材料上采用刨片(skived fin)的方式产生微通道区122。

请参阅图7A、图7B、图7C、图7D所示的本实用新型液冷散热器的冷板结构的第三个实施例，其下底板12材料为金属，例如铜或者铝，上盖11材料可以是金属，也可以是塑料.下底板12与上盖11通过螺钉13紧固的方式结合为一体，考虑到密封要求，对于螺钉13紧固，需要在下底板12和上盖11之间可再加装密封之O型圈14。第三个实施例的渐扩的进口111和渐缩的出口112均伸出于上盖11的顶面之外。该实施例的上盖11可以通过塑料射出，或者金属射出(metal injection module)的方式，加工出渐扩和渐缩的进口111和出口112、带有喷管结构的液体储存区121和与微通道区直通的蒸汽排放区123，以及放置O型密封圈14的沟槽113.图8为图7A所示的冷板结构的下底板12示意图，可以通过在金属材料上采用刨片(skived fin)的方式产生微通道区122，然后通过机加工产生用来穿过螺钉13的通孔124.

图9为本实用新型所提出的一种液冷散热器用的微通道冷板装置具体应用时的工作过程实例示意图，该带有工质相变的液冷装置包括鳍片散热器、泵和软管(图中均未画出)，冷板1通过一层界面导热材料5和电子芯片6相连，电子芯片6所产生的热量通过界面导热材料5传递到冷板1的下底板12的下表面，该热量通过导热传递到微通道区122，工质流过微通道芯片加热区吸热后由液体变为蒸汽，在泵的驱动下(包括前面所提的毛细力的作用)汽液两相流工质沿箭头所示方向流动，将下底板12传递上来的热量带走，经过风冷鳍片散热器时把热量传递给自然环境，蒸汽液化，再重新回到冷板1中，循环往复。在图9应用实例中，冷板1的结构为本实用新型所提出的实施例三。

本实用新型适用于电子领域的散热装置。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims (7)

1、一种液冷散热器用的微通道冷板装置，其包括一上盖及一下底板，在上盖一侧开设有一工作介质进入冷板的进口，另一侧则开设有一工作介质离开冷板的出口，其特征在于：所述的工作介质进入冷板的进口为逐渐扩大的进口，所述的工作介质离开冷板的出口为逐渐缩小的出口。

2、根据权利要求1所述的液冷散热器用的微通道冷板装置，其特征在于：其中下底板的进口处设有液体储存区，在下底板的出口处设有蒸汽排放区，在液体储存区和蒸汽排放区之间设有微通道区。

3、根据权利要求2所述的液冷散热器用的微通道冷板装置，其特征在于：其中蒸汽排放区和液体储存区均各为一空腔体，所述的微通道区为连通的格栅式通道；液体储存区与微通道区联通的空间结构符合喷管结构，蒸汽排放区与微通道区联通的空间结构为直通结构。

4、根据权利要求1或2所述的液冷散热器用的微通道冷板装置，其特征在于：对于下底板和上盖均为半导体材料并通过键合结合为一体的冷板装置，由微电子工艺加工出的渐扩的进口和渐缩的出口的顶端均与上盖的顶面平齐。

5、根据权利要求1或2所述的液冷散热器用的微通道冷板装置，其特征在于：对于下底板和上盖均为金属材料并通过焊接结合为一体的冷板装置，由机械加工生产出来的渐扩的进口和渐缩的出口均伸出于上盖的顶面之外。

6、根据权利要求1或2所述的液冷散热器用的微通道冷板装置，其特征在于：对于下底板为金属，上盖为金属或塑料，并通过螺纹紧固连接为一体的冷板装置，由注塑或机加工生产出来的渐扩的进口和渐缩的出口均伸出于上盖的顶面之外。

7、根据权利要求6所述的液冷散热器用的微通道冷板装置，其特征在于：在上盖和下底板之间加装密封O型圈。

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