一种多结构复合式异型微肋液冷散热均温装置
阅读说明：本技术 一种多结构复合式异型微肋液冷散热均温装置 (Multi-structure combined type special-shaped micro-rib liquid cooling heat dissipation and temperature equalization device ) 是由 郑师晨 徐尚龙 任维泽 徐冲 叶鑫龙 于 2021-08-24 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种多结构复合式异型微肋液冷散热均温装置,属于芯片散热领域,包括微肋液冷散热器和均温装置,微肋液冷散热器包括相互拼合的散热器盖板和散热器基板,均温装置包括相互拼合的芯体和底板,散热器基板与芯体相互拼合,空腔内设置有多段主流道和多段微肋流道,多段主流道和多段微肋流道共同形成相变回路,微肋流道内设置有微肋结构。通过本发明通过相互拼合的微肋液冷散热器和均温装置,整个散热结构紧凑,整体噪声较小,增大了散热性能和均温性能；对整体发热源进行流道规划,采用主流道和微肋流道串并联结合的方式,本发明适用于任意分布不均匀多热源的情形,本发明能够有效解决分布不均、发热不均的多热源芯片的散热均温问题。(The invention discloses a multi-structure combined special-shaped micro-rib liquid cooling heat dissipation temperature equalizing device, which belongs to the field of chip heat dissipation and comprises a micro-rib liquid cooling radiator and a temperature equalizing device, wherein the micro-rib liquid cooling radiator comprises a radiator cover plate and a radiator base plate which are mutually spliced, the temperature equalizing device comprises a core body and a base plate which are mutually spliced, the radiator base plate and the core body are mutually spliced, a plurality of sections of main flow channels and a plurality of sections of micro-rib flow channels are arranged in a cavity, the plurality of sections of main flow channels and the plurality of sections of micro-rib flow channels jointly form a phase change loop, and a micro-rib structure is arranged in each micro-rib flow channel. According to the invention, through the mutually spliced micro-rib liquid cooling radiator and the temperature equalizing device, the whole radiating structure is compact, the whole noise is small, and the radiating performance and the temperature equalizing performance are improved; the invention can effectively solve the problem of uniform heat dissipation and temperature equalization of multi-heat-source chips with uneven distribution and uneven heating.)
技术领域
本发明涉及芯片散热领域，更具体的是涉及一种多结构复合式异型微肋液冷散热均温装置。
背景技术
目前，大功率PCB板的应用越来越广泛，无论在民用领域还是在军用领域上都是必不可少的，例如图像处理器、工控机、服务器、通信基站等，同时也应用于很多高端设备。大功率PCB板上集成了多个芯片、晶体管、电感等发热量较大的电子元器件。随着技术的进步，电子元器件的性能在不断优化，尺寸在不断减小，数量在不断增加，使得电子元器件的热功耗和热流密度大幅提升，长期工作在高温环境下，电子元器件性能会降低，寿命会缩短，当温升超过电子元器件承受极限时，电子元器件会直接失效。因此，现代电子产品离不开散热设计，如何合理解决散热问题，并大大提高其稳定性、可靠性是目前研究的关键。
传统的均温板(Vapor Chamber)技术从原理上类似于热管，不同点在于热源是一维线性传导，而真空腔均温板是热量则是在二维平面上传导，散热效率高于热管。它的运作原理是：均热板底部受热，真空腔中的冷却液在低压环境下受热快速蒸发，热空气上升遇到均热板冷凝端后重新凝结成液体，完成散热过程，凝结后的冷却液通过毛细结构管道回流至蒸发端，通过吸热，传热，导热，散热完成一个循环，如此反复，达到散热的目的。
液冷均温板原理上同微通道冷板相同，发热元件热量通过热传导的形式被冷板吸收，冷却箱中的液体通过水泵流入冷板通过对流换热方式带走热源传递给冷板的热量，冷却液再通过管道流回冷却箱，如此反复。
但是，现有技术中没有针对于当散热对象是分布不均匀、发热功率相差大的多热源时的有效的散热均温解决方案。
发明内容
本发明的目的在于：为了解决上述技术问题，本发明提供一种多结构复合式异型微肋液冷散热均温装置，用以解决现有技术中散热对象是分布不均匀、发热功率相差大的多热源时的散热问题。
本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：一种多结构复合式异型微肋液冷散热均温装置，包括微肋液冷散热器和均温装置，所述微肋液冷散热器包括相互拼合的散热器盖板和散热器基板，所述均温装置包括相互拼合的芯体和底板，所述散热器基板与所述芯体相互拼合，所述散热器基板与所述底板之间形成有空腔，所述空腔为真空，所述空腔作为所述均温装置中相变介质的工作空间，所述空腔内设置有多段主流道和多段微肋流道，所述多段主流道和所述多段微肋流道共同形成相变回路，所述微肋流道设置于热源，任一段所述微肋流道内设置有微肋结构。
作为一种可行的技术方案，所述微肋结构为等距交叉排列分布的梯台形微肋。
作为一种可行的技术方案，多段所述主流道之间相互并联，所述主流道与所述微肋流道串联。
作为一种可行的技术方案，空腔内设置有支撑柱，所述支撑柱用于支撑所述散热器基板，所述支撑柱包括第一支撑柱和若干个第二支撑柱，所述第一支撑柱设置于所述空腔的中心，若干个所述第二支撑柱为垂直交叉的双排线状布置、并以所述第二支撑柱为交叉中心，其中一排所述第二支撑柱的两侧对称设置有若干个回流柱。
作为一种可行的技术方案，所述芯体包括铜粉烧结支撑结构和铜粉烧结内壁，所述铜粉烧结支撑结构设置为绕所述第一支撑柱中心发散布置，并且所述铜粉烧结支撑结构设置于双排线状的所述第二支撑柱之间，所述铜粉烧结内壁环绕设置于所述铜粉烧结支撑结构的外侧。
作为一种可行的技术方案，所述散热器盖板上设置有进液口和出液口。
作为一种可行的技术方案，所述散热器基板上设置有密封槽，所述密封槽内设置有密封圈，所述密封圈用于将散热器基板和散热器底板之间形成的空间的密封。
作为一种可行的技术方案，所述微肋液冷散热器之中的液冷冷却液材料为纳米流体。
作为一种可行的技术方案，所述纳米流体为浓度0.2％的石墨烯纳米流体。
作为一种可行的技术方案，所述相变介质为石蜡和CNT(纳米管)的混合物。
本发明的有益效果如下：
1、本发明通过相互拼合的微肋液冷散热器和均温装置，其中，微肋液冷散热器的基板就相当于均温装置的盖板，微肋液冷散热器和均温装置各自均为一体化设计，节约用材并减小热阻，并且整个散热结构紧凑，整体噪声较小，增大了散热性能和均温性能；对整体发热源进行流道规划，再加之对核心发热量大的地方进行微肋设计，这样的结构能够在较小泵功率的情况下获得较大的散热性，综合散热能较优，本发明适用于任意分布不均匀多热源的情形，整个的流道规划可随着热源的变化而变化，微肋通道更是贴合于核心发热部分进行设置，这样的设置会使流过的液体产生扰动，破坏流体热边界层，增强对流换热系数；故而，本发明能够有效解决分布不均、发热不均的多热源芯片的散热均温问题。
2、本发明在相变均温装置中，对内腔部分吸真空，内腔部分加入一定量的相变介质，相变均温装置吸热端受热后，相变介质在真空状态下吸热、散热效率更高；由于微肋液冷散热器的基板就相当于均温装置的盖板，相变装置冷凝端的热量直接传递到液冷微通道冷板(即散热器基板)，散热器基板的结构能有效改善多热源发热均温问题，液冷微通道中采用液体为纳米流体，纳米流体的热导率远高于水，整个液冷微通道冷板的散热流程则是通过热传导将相变装置冷凝端释放的热量传递到液冷微通道冷板，液冷微通道冷板通过流动液体将热量带走，从而提高整个散热器的散热均温效果。
3、作为本发明的一种优选方案，本发明中使用的纳米流体是浓度为0.2％的石墨烯纳米流体，其热导率提高了74.3％，将纳米流体作为微通道液冷散热装置的冷却液，可以在损失较小压降的前提下较大提升散热性能。
4、此外，本发明中均温装置和液冷微通道装置采用一体式设计，在均温装置的芯体设置有铜粉烧结的支撑柱，具有一定空隙，并在均温装置中加入相变材料，作为本发明的一种优选方案，相变材料采用复合PCM材料，即是石蜡和CNT的混合物，相较于纯石蜡，其导热率也有一定程度地提高。
附图说明
图1是本发明中多结构复合式异型微肋液冷散热均温装置爆炸图；
图2是本发明的液冷微通道散热器盖板的结构示意图；
图3是本发明的液冷微通道散热器基板的立体结构示意图；
图4是图3中A处的局部放大结构示意图；
图5是本发明的相变均温装置的盖板立体结构示意图；
图6是本发明液冷微通道散热器的平面结构示意图；
图7是图6中A-A处的剖面结构示意图；
图8是本发明的相变均温装置的立体结构示意图；
图9是本发明一种实施方式的热源分布示意图。
图中标记：1-散热器盖板；2-散热器基板；3-底板；4-芯体；11-进液口；12-出液口；21-主流道；22-密封槽；23-散热器安装孔；24-梯台形微肋；25-第一支撑柱；26-第二支撑柱；27-回流柱；28-空腔；31-均温装置安装孔；41-铜粉烧结支撑柱；42-第二支撑柱定位槽；43-第一支撑柱定位槽；44-回流柱定位槽；9-微肋通道。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，如图9所示，本发明下述实施例是以图9中产生分布不均匀热量的多热源芯片为例进行说明的，图9中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ分别代表不同的热源，其中，发热功率的大小为热源Ⅶ>热源Ⅸ>热源Ⅱ>热源Ⅵ>热源Ⅲ>热源Ⅳ>热源Ⅰ>热源Ⅷ>热源Ⅴ，其中热源Ⅶ与热源Ⅴ、热源Ⅷ、热源Ⅰ、热源Ⅳ的发热功率不在一个量级；本发明所公开实施例中的热源分布只是为了说明本发明的一种示例性布置，并非对本发明适用范围的限制，在本发明的主流道及微肋流道布置思路下，没有进行创造性的改变，都应纳入本发明的保护范围之内。
实施例1
如图1到9所示，本实施例提供的一种多结构复合式异型微肋液冷散热均温装置，包括微肋液冷散热器和均温装置，所述微肋液冷散热器包括相互拼合的散热器盖板1和散热器基板2，所述均温装置包括相互拼合的芯体4和底板3，所述散热器基板2与所述芯体4相互拼合，所述散热器基板2与所述底板3之间形成有空腔28，所述空腔28为真空，所述空腔28作为所述均温装置中相变介质的工作空间，所述空腔28内设置有多段主流道21和多段微肋流道9，所述多段主流道21和所述多段微肋流道9共同形成相变回路，所述微肋流道9设置于热源，任一段所述微肋流道9内设置有微肋结构。
其中，散热器盖板1和散热器基板2通过散热器安装孔23完成拼合，可以采用任意的固定连接方式进行拼合，例如，焊接、榫卯、螺栓、销轴等方式进行拼合，本发明对此不做具体限定；芯体4和底板3之间通过均温装置安装孔31完成拼合，可以采用任意的固定连接方式进行拼合，例如，焊接、榫卯、螺栓、销轴等方式进行拼合，本发明对此不做具体限定。
作为可选的，所述微肋结构为等距交叉排列分布的梯台形微肋24。可以理解的是，本实施例将微肋结构设置为梯台形微肋24，是因为等距交叉排列分布的梯台形微肋24之间形成的是变截面通道，其结构上的变化能提升均温装置的散热性能；梯台形微肋24的综合散热性和均温性优于正方体微肋、圆柱体微肋，但是在发明的技术思路之下，也是可以选择为正方体微肋、圆柱体微肋。
具体地，正方体微肋有很好的换热性能，通过仿真得到其平均努赛尔数高于其他微肋，即平均努塞尔数：正方体>梯台>圆柱，但是其压降很大，压降：正方体>梯台>圆柱，为了比较各微肋的综合散热性能，即在损失较小泵功率的情况下，得到尽可能高的散热性能，利用公式综合散热性能＝平均努塞尔数/压降1/3。
可以理解的是，在本发明的技术思路之下，通过改变微肋结构的数目和尺寸，可以获得不同的散热效果，可以有效针对不同类型热源获得不同均温调整能力。
进一步的，所述散热器盖板1上设置有进液口11和出液口12。
进一步的，所述散热器基板2上设置有密封槽22，所述密封槽22内设置有密封圈，所述密封圈用于将散热器基板2和散热器底板3之间形成的空间的密封。
进一步的，空腔28内设置有支撑柱，所述支撑柱用于支撑所述散热器基板2，所述支撑柱包括第一支撑柱25和若干个第二支撑柱26，所述第一支撑柱25设置于所述空腔28的中心，若干个所述第二支撑柱26为垂直交叉的双排线状布置、并以所述第二支撑柱26为交叉中心，其中一排所述第二支撑柱26的两侧对称设置有若干个回流柱27。
其中，第一支撑柱25通过第一支撑柱定位槽43完成安装定位，第二支撑柱26通过第二支撑柱定位槽42完成安装定位，回流柱27通过回流柱定位槽44完成安装定位。
进一步的，所述芯体4包括铜粉烧结支撑结构41和铜粉烧结内壁，所述铜粉烧结支撑结构41设置为绕所述第一支撑柱25中心发散布置，并且所述铜粉烧结支撑结构41设置于双排线状的所述第二支撑柱26之间，所述铜粉烧结内壁环绕设置于所述铜粉烧结支撑结构41的外侧。
本实施例的流道设计是针对于图9而言的，图9中存在三处高热位置，故而相应地，微肋流道也应设计在这三处高热位置。在工作时，本实施例的多热源芯片产生分布不均匀的热量，从整个传输过程来说，热源发出的热量传递方向为热源(I～Ⅸ)—相变均温模块的底板3—相变均温的芯体4—第一支撑柱25、第二支撑柱26、回流柱27—相变均温模块盖板(即液冷微通道的散热器基板2)—冷却液—外部环境。
实施例2
如图9所示，本实施例在实施例1的基础之上，本实施例是对于主流道21和微肋流道9的一种示例性实施例，具体而言，本实施例将多段所述主流道21之间相互并联，所述主流道21与所述微肋流道9串联。
这里主流道21和微肋流道9不同于传统的微通道，本发明是一个分布不均匀的流道，是为了适应不均匀分布的热源，更好地解决均温性问题，依据热源位置定制化设计的流道。微肋液冷散热器的主流道21采用适应性设计，设计为串并联相结合的流道，采用先并联和串联的模式，一主流道21贴合于热源I和热源Ⅱ设置，一主流道21贴合于热源Ⅷ和热源Ⅸ设置，上述两主流道21之间为并联关系，一微肋流道贴合于热源Ⅲ、热源Ⅳ、热源Ⅴ、热源Ⅵ设置，另一微肋流道贴合于核心发热区的热源Ⅶ设置，核心发热区的微肋流道为两并联主流道21的汇总区域，由于热源Ⅶ的发热功率和热流密度远高于其他热源，因此还需在此主流道21的汇总区域再设置一微肋流道，微肋流道中的采用的是梯台微肋结构24。
实施例3
本实施例在实施例1-2任一实施例的基础之上，将所述相变介质设置为石蜡和CNT的混合物。
相变均温装置中包含了相变均温装置盖板(即散热器基板2)、相变均温装置的芯体4和相变均温装置的基板3，在相变材料容纳腔体(即空腔28)中注入一定量的复合PCM(Phase Change Material)材料，并采用焊接技术，将其焊接密封，热源发出热量先通过导热硅脂再通过相变均温装置的基板3进入到相变材料容纳腔体(即空腔28)，这时受热的复合PCM由固态变为液态，能够在整个腔体中流动，由固相变为液相的过程，吸收大量热量，发散式的铜粉烧结支撑柱41能够使液态复合PCM工质分布更均匀，回流柱27的表面温度低，能够帮助复合PCM材料凝固回流，便于下一循环使用，发散式的铜粉烧结支撑柱41中会有很多孔隙，这些孔隙也会产生吸附力，能更好地吸附液态PCM工质，使其流动更均匀，回流速率加快，达到更优地热传导和均温散热目的。热量经过相变均温装置后，直接进行热传导到液冷微通道散热器基板2，能够有效减小热阻损失，而后，经过微通道液冷技术，由循环流动的冷却液将热量带走。
实施例4
所述微肋液冷散热器之中的液冷冷却液材料是浓度0.2％的石墨烯纳米流体。
本发明旨在解决发热不均，分布不均多热源的散热均温问题，液冷冷却液采用浓度为0.2％的石墨烯纳米流体，一定条件下，该浓度的石墨烯纳米流体能使其综合散热性能最优。相变均温模块的基板和盖板利用焊接技术焊接为一体，在焊接前，需在基板芯体内加入石蜡和CNT的混合物，石蜡经济实用性较高，加入CNT后能明显提升其热导率，本发明中使用的纳米流体是浓度为0.2％的石墨烯纳米流体，其热导率提高了74.3％，
由于纳米流体的加入，可以形成高热导率的流体，其对流换热效率增强。
纳米流体热导率计算公式为纳米流体热导率＝(1+241*溶液质量分数)(溶液温度/环境温度)1.0233
通过该计算公式进行纳米流体热导率的预测，同时根据实验进行对比，其增长趋势与预测值基本符合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明的保护范围，任何熟悉本领域的技术人员在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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