一种基于翅片的浸没式射流冷却模块的制作方法

1.本发明涉及芯片级高功率电子元器件散热技术领域，具体涉及一种基于翅片的浸没式射流冷却模块。


背景技术：

2.随着集成电路的发展，电子产品及电子设备中的一些器件热流密度越来越大，传统的风冷和液冷技术已不能满足部分电子设备的散热需求，强迫液冷技术就在这样的挑战和机遇下应运而生。
3.从热耗散的角度来看，采用强迫液冷技术将液体以射流冲击的形式直接应用于电子器件的冷却，具有一定初速度的冷却介质在流动通道内冲击散热翅片，冲击作用使得散热翅片的边界层变的很薄，增强了换热性能。射流冲击是目前所知单相传热领域内传热系数最高的对流换热方式。散热翅片对射流冲击效果的影响非常大，选用合理的散热翅片类型及其排列方式不仅可以在有限的体积内极大地拓展传热面积，还会增加射流紊流度并连续破坏散热翅片壁面的边界层。
4.为了进一步获得更强的换热能力来满足更大的散热需求，有必要深入发掘射流冲击散热技术的应用潜力，针对高热流密度电子元器件，设计更加合理的射流冲击换热装置。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是提供一种基于翅片的浸没式射流冷却模块，旨在解决现有技术中的问题。
6.本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
7.一种基于翅片的浸没式射流冷却模块，包括内壳体、顶板和翅片机构，所述内壳体的顶部敞口，且其两端分别设有内外贯穿的冷却介质入口和冷却介质出口；所述顶板安装在所述内壳体的顶部，并封住所述内壳体的顶部；所述翅片机构固定安装在所述顶板的下表面，并穿过所述内壳体的顶部延伸至所述内壳体内。
8.本发明的有益效果是：工作时，将待散热的高热流密度电子元器件通过焊接或螺栓连接等方式固定于顶板上，电子元器件工作产生的热量传导至通道内的散热翅片机构，随后由流经通道内的冷却介质将热量带走，散热效果较佳，散热效率高。
9.本发明结构简单，设计合理，通过将翅片机构使得冷却介质在翅片间的流速分布更加合理，提升了电子元器件和冷却介质之间的换热能力，同时充分考虑了浸没式射流换热机理，大幅提升了高功率电子元器件的散热效果。
10.在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
11.进一步，所述翅片机构包括多个翅片组件，多个所述翅片组件并排分布在所述顶板的下表面。
12.采用上述进一步方案的有益效果是结构简单，设计合理，通过多个翅片组件将电子元器件产生的热量进行传导，并与内壳体内的冷却介质进行换热处理，实现快速散热，散
热效果较佳。
13.进一步，每个所述翅片组件均包括多个翅片，多个所述翅片均匀间隔固定安装在所述顶板的下表面，其一端分别穿过所述内壳体的顶部延伸至所述内壳体内，并贴近所述内壳体的底部。
14.采用上述进一步方案的有益效果是结构简单，设计合理，多个翅片的分布合理，进一步保证散热的效果。
15.进一步，每个所述翅片分别呈波形片状结构。
16.采用上述进一步方案的有益效果是结构简单，翅片的形状设计合理，进一步增加翅片与冷却介质的接触面积，从而提高散热效果。
17.进一步，多个所述翅片组件中的多个所述翅片依次交错分布，且相邻的两个所述翅片组件中的多个所述翅片部分重叠。
18.采用上述进一步方案的有益效果是结构简单，设计合理，进一步提高散热效果。
19.进一步，所述顶板的上表面固定安装有衬垫，所述衬垫用于固定电子元器件，并将电子元器件产生的热量传递给所述翅片机构。
20.采用上述进一步方案的有益效果是衬垫设计合理，通过衬垫可迅速传导电子元器件产生的热量，并实现均温效果，使得热量能够快速传递至翅片，进一步提高散热的效果。
21.进一步，还包括底板，所述内壳体固定安装在所述底板上；所述顶板通过连接机构与所述底板可拆卸连接。
22.采用上述进一步方案的有益效果是结构简单，设计合理，通过底板将内壳体和顶板集成于一体，集成度高，使用方便。
23.进一步，所述底板上固定安装有凸台，所述凸台上设置有限位器，所述内壳体的底部设有与所述限位器配合的限位槽。
24.采用上述进一步方案的有益效果是结构简单，设计合理，通过限位器和限位槽的设计可实现内壳体的快速精确装配，装配效率高。
25.进一步，还包括外壳体，所述外壳体的顶部和底部分别敞口，其固定套设在所述内壳体外，且其两端分别设有内外贯穿的入口和出口，所述入口和所述出口分别与所述冷却介质入口和所述冷却介质出口连通。
26.采用上述进一步方案的有益效果是结构简单，外壳体设计合理，通过外壳体可进行二次密封，避免冷却介质发生二次渗漏。
27.进一步，所述外壳体由两个半壳体拼接而成，所述入口和所述出口分别位于两个所述半壳体上。
28.采用上述进一步方案的有益效果是结构简单，外壳体设计合理，两个半壳体的设计可实现快速装配，效率高。
附图说明
29.图1为本发明的整体结构示意图；
30.图2为本发明的部分结构示意图；
31.图3为本发明中外壳体的结构示意图；
32.图4为本发明中顶板、衬垫及翅片的结构示意图之一；
33.图5为本发明中顶板、衬垫及翅片的结构示意图之二；
34.图6为本发明中底板的结构示意图；
35.图7为本发明中内壳体的结构示意图之一；
36.图8为本发明中内壳体的结构示意图之二；
37.图9为本发明的透视图；
38.图10为本发明的侧视图；
39.图11为图10中a-a的剖视图。
40.附图中，各标号所代表的部件列表如下：
41.1、内壳体；2、顶板；3、冷却介质入口；4、冷却介质出口；5、翅片；6、衬垫；7、底板；8、凸台；9、限位器；10、限位槽；11、半壳体；12、入口；13、出口；14、支撑柱；15、固定板；16、连接套。
具体实施方式
42.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
43.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
44.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
45.下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
46.实施例1
47.如图1至图11所示，本实施例提供一种基于翅片的浸没式射流冷却模块，包括内壳体1、顶板2和翅片机构，所述内壳体1的顶部敞口，且其两端分别设有内外贯穿的冷却介质入口3和冷却介质出口4；所述顶板2安装在所述内壳体1的顶部，并封住所述内壳体1的顶部；所述翅片机构固定安装在所述顶板2的下表面，并穿过所述内壳体1的顶部延伸至所述内壳体1内。
48.基于上述方案，内壳体1和顶板2形成冷却用的通道。
49.工作时，将待散热的高热流密度电子元器件通过焊接或螺栓连接等方式固定于顶板2上，电子元器件工作产生的热量传导至通道内的散热翅片机构，随后由流经通道内的冷却介质将热量带走，散热效果较佳，散热效率高。
50.优选地，本实施例中，上述内壳体1呈两端细、中部粗的结构。
51.而且，上述内壳体1优选铜或铝制成。
52.另外，上述内壳体1的顶部优选矩形敞口状结构。
53.优选地，本实施例中，上述冷却介质入口3和冷却介质出口4分别优选圆形口。
54.优选地，本实施例中，上述顶板2优选矩形板状结构。
55.而且，上述顶板2优选铜或铝制成。
56.冷却介质从所述冷却介质入口3流入，经由所述流动通道流向冷却介质出口4，所述冷却介质为冷却液，例如可用水或r134a制冷剂。
57.本实施例结构简单，设计合理，通过将翅片机构使得冷却介质在翅片间的流速分布更加合理，提升了电子元器件和冷却介质之间的换热能力，同时充分考虑了浸没式射流换热机理，大幅提升了高功率电子元器件的散热效果。
58.实施例2
59.在实施例1的基础上，本实施例中，所述翅片机构包括多个翅片组件，多个所述翅片组件并排分布在所述顶板2的下表面。
60.该方案结构简单，设计合理，通过多个翅片组件将电子元器件产生的热量进行传导，并与内壳体1内的冷却介质进行换热处理，实现快速散热，散热效果较佳。
61.基于上述方案，多个翅片组件沿冷却介质在通道内流动的方向均匀间隔分布，设计合理，保证冷却介质能够在通道内顺利流动。
62.实施例3
63.在实施例2的基础上，本实施例中，每个所述翅片组件均包括多个翅片5，多个所述翅片5均匀间隔固定安装在所述顶板2的下表面，其一端分别穿过所述内壳体1的顶部延伸至所述内壳体1内，并贴近所述内壳体1的底部。
64.该方案结构简单，设计合理，多个翅片5的分布合理，进一步保证散热的效果。
65.优选地，本实施例中，每个翅片5的另一端与通道底部的间距范围通常为0.5-1mm，保证翅片5与冷却介质之间充分换热。
66.优选地，本实施例中，上述每个翅片组件中的多个翅片5沿垂直于通道内冷却介质流动方向的方向均匀间隔分布，冷却介质从相邻两个翅片5之间的缝隙流过。
67.优选地，本实施例中，每个翅片5优选片状结构。
68.另外，每个翅片5垂直于顶板2设置，其一端与顶板2的下表面固定连接。
69.上述内壳体1与顶板2共同组成冷却介质的流动通道，冷却介质由入口流入通道时主流速度矢量不是垂直于散热翅片，冷却介质主流速度矢量可分解为垂直于散热翅片的速度矢量和沿顶板法向指向顶板内表面的速度矢量。
70.实施例4
71.在实施例3的基础上，本实施例中，每个所述翅片5分别呈波形片状结构。
72.该方案结构简单，翅片5的形状设计合理，进一步增加翅片5与冷却介质的接触面积，从而提高散热效果。
73.优选地，本实施例中，每个翅片5的波形角范围为120
°
～122
°
。
74.除上述实施方式外，上述每个翅片5也可以采用平板状结构，但是这种结构冷却的效果及效率不如上述方案。
75.实施例5
76.在实施例3至实施例4任一项的基础上，本实施例中，多个所述翅片组件中的多个所述翅片5依次交错分布，且相邻的两个所述翅片组件中的多个所述翅片5部分重叠，即其中一个翅片组件中的每个翅片5的另一端延伸至相邻一个翅片组件中相邻两个翅片5之间。
77.该方案结构简单，设计合理，进一步提高散热效果。
78.实施例6
79.在上述各实施例的基础上，本实施例中，所述顶板2的上表面固定安装有衬垫6，所述衬垫6用于固定电子元器件，并将电子元器件产生的热量传递给所述翅片机构。
80.工作时，将待散热的高热流密度电子元器件通过焊接或螺栓连接等方式固定于衬垫6上，电子元器件工作产生的热量传导至衬垫6后实现均温效果，均温后的衬垫6继续将热量均匀地传导至通道内散热的翅片5，随后由流经通道内的冷却介质将热量带走，散热效果较佳，散热效率高。
81.上述衬垫6设计合理，通过衬垫6可迅速传导电子元器件产生的热量，并实现均温效果，使得热量能够快速传递至翅片5，进一步提高散热的效果。
82.优选地，本实施例中，上述衬垫6优选矩形板状结构，其位于顶板2上表面的中心处。
83.另外，上述衬垫6的材料为金刚石铜，热量传导效果较佳。
84.实施例7
85.在上述各实施例的基础上，本实施例还包括底板7，所述内壳体1固定安装在所述底板7上；所述顶板2通过连接机构与所述底板7可拆卸连接。
86.该方案结构简单，设计合理，通过底板7将内壳体1和顶板2集成于一体，集成度高，使用方便。
87.优选地，本实施例中，上述底板7优选矩形板状结构，且其尺寸大于内壳体1的尺寸。
88.另外，上述底板7优选铜或铝制成。
89.优选地，本实施例中，上述连接机构包括多个支撑柱14，多个支撑柱14均匀间隔竖直固定安装在底板7上，且其分别围绕在内壳体1的周围。
90.另外，每个支撑柱14均呈上端细、下端粗的柱状结构，且其上端均设有螺孔。
91.而且，上述顶板2上设有多个贯穿的通孔，多个支撑柱14分别穿插在多个通孔内，且顶板2分别与多个支撑柱14的粗端和细端交界处抵接，然后通过螺钉分别与多个螺孔螺纹连接，使得多个螺钉的螺母分别紧压顶板2，实现顶板2的快速拆装。
92.优选地，本实施例中，螺孔的数量优选四个，分别位于顶板2的四个角处。
93.或者，顶板2和衬垫6上相对设有多对通孔，螺栓贯穿顶板2和衬垫6。
94.实施例8
95.在实施例7的基础上，本实施例中，所述底板7上固定安装有凸台8，所述凸台8上设置有限位器9，所述内壳体1的底部设有与所述限位器9配合的限位槽10。
96.该方案结构简单，设计合理，通过限位器9和限位槽10的设计可实现内壳体1的快速精确装配，装配效率高。
97.优选地，本实施例中，上述凸台8与底板7一体成型。
98.另外，上述限位器9优选十字形限位块，且限位槽10优选十字形限位槽，十字形限位块可卡入十字形限位槽内，以实现内壳体1的快速装配，精确度高。
99.或者，上述限位器9也可以采用其他适宜的几何形状，例如方块，此时限位槽10的形状与限位器9相适应即可。
100.实施例9
101.在上述各实施例的基础上，本实施例还包括外壳体，所述外壳体的顶部和底部分别敞口，其固定套设在所述内壳体1外，且其两端分别设有内外贯穿的入口12和出口13，所述入口12和所述出口13分别与所述冷却介质入口3和所述冷却介质出口4连通。
102.该方案结构简单，外壳体设计合理，通过外壳体可进行二次密封，避免冷却介质发生二次渗漏。
103.优选地，本实施例中，上述入口12和出口13分别优选圆形口。
104.优选地，本实施例中，上述入口12和出口13分别向外延伸并形成连接部，两个连接部分别呈筒状结构，且其内部分别设有螺纹，用于连接输送和回收冷却介质的管道接头。
105.实施例10
106.在实施例9的基础上，本实施例中，所述外壳体由两个半壳体11拼接而成，所述入口12和所述出口13分别位于两个所述半壳体11上。
107.该方案结构简单，外壳体设计合理，两个半壳体11的设计可实现快速装配，效率高。
108.优选地，本实施例中，两个半壳体11分别优选矩形体状结构，其分别由铜或铝制成。
109.另外，两个半壳体11的两侧分别相对固定连接有固定板15，每对固定板15上均相对设有多对通孔，每对通孔内穿插有螺栓以连接两个半壳体11。
110.而且，每个固定板15与对应的半壳体11一体成型。
111.优选地，本实施例中，其中一个半壳体11的一侧设有插块，另一侧设有插槽，另一个半壳体的一侧设有插槽，另一侧设有插块。装配时，其中一个半壳体11上的插块插入另一个半壳体11上的插槽内，另一个半壳体11上的插块插入其中一个半壳体11上的插槽内。该方案设计合理，密封效果较佳，可有效防止冷却介质二次渗漏。
112.或者，两个半壳体11的两侧分别呈齿状结构，并可相互咬合。
113.另外，两对固定板上同样设置有插块和插槽，且插块和插槽的设置与上述两个半壳体11上插块和插槽的设置相同。
114.优选地，本实施例中，两个半壳体11组成外壳体的四个角处分别固定连接有连接套16，四个连接套16分别用于将外壳体固定于相应的载体上。
115.本发明的工作原理如下：
116.工作时，将待散热的高热流密度电子元器件通过焊接或螺栓连接等方式固定于衬垫6上，电子元器件工作产生的热量传导至衬垫6后实现均温效果，均温后的衬垫6继续将热量均匀地传导至通道内散热的翅片5，随后由流经通道内的冷却介质将热量带走，散热效果较佳，散热效率高。
117.需要说明的是，本发明所涉及到的各个电子部件均采用现有技术，并且上述各个部件与控制器电连接，控制器与各个部件之间的控制电路为现有技术。
118.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
119.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
120.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于翅片的浸没式射流冷却模块，其特征在于：包括内壳体(1)、顶板(2)和翅片机构，所述内壳体(1)的顶部敞口，且其两端分别设有内外贯穿的冷却介质入口(3)和冷却介质出口(4)；所述顶板(2)安装在所述内壳体(1)的顶部，并封住所述内壳体(1)的顶部；所述翅片机构固定安装在所述顶板(2)的下表面，并穿过所述内壳体(1)的顶部延伸至所述内壳体(1)内。2.根据权利要求1所述的基于翅片的浸没式射流冷却模块，其特征在于：所述翅片机构包括多个翅片组件，多个所述翅片组件并排分布在所述顶板(2)的下表面。3.根据权利要求2所述的基于翅片的浸没式射流冷却模块，其特征在于：每个所述翅片组件均包括多个翅片(5)，多个所述翅片(5)均匀间隔固定安装在所述顶板(2)的下表面，其一端分别穿过所述内壳体(1)的顶部延伸至所述内壳体(1)内，并贴近所述内壳体(1)的底部。4.根据权利要求3所述的基于翅片的浸没式射流冷却模块，其特征在于：每个所述翅片(5)分别呈波形片状结构。5.根据权利要求3所述的基于翅片的浸没式射流冷却模块，其特征在于：多个所述翅片组件中的多个所述翅片(5)依次交错分布，且相邻的两个所述翅片组件中的多个所述翅片(5)部分重叠。6.根据权利要求1-5任一项所述的基于翅片的浸没式射流冷却模块，其特征在于：所述顶板(2)的上表面固定安装有衬垫(6)，所述衬垫(6)用于固定电子元器件，并将电子元器件产生的热量传递给所述翅片机构。7.根据权利要求1-5任一项所述的基于翅片的浸没式射流冷却模块，其特征在于：还包括底板(7)，所述内壳体(1)固定安装在所述底板(7)上；所述顶板(2)通过连接机构与所述底板(7)可拆卸连接。8.根据权利要求7所述的基于翅片的浸没式射流冷却模块，其特征在于：所述底板(7)上固定安装有凸台(8)，所述凸台(8)上设置有限位器(9)，所述内壳体(1)的底部设有与所述限位器(9)配合的限位槽(10)。9.根据权利要求1-5任一项所述的基于翅片的浸没式射流冷却模块，其特征在于：还包括外壳体，所述外壳体的顶部和底部分别敞口，其固定套设在所述内壳体(1)外，且其两端分别设有内外贯穿的入口(12)和出口(13)，所述入口(12)和所述出口(13)分别与所述冷却介质入口(3)和所述冷却介质出口(4)连通。10.根据权利要求9所述的基于翅片的浸没式射流冷却模块，其特征在于：所述外壳体由两个半壳体(11)拼接而成，所述入口(12)和所述出口(13)分别位于两个所述半壳体(11)上。

技术总结
本发明涉及一种基于翅片的浸没式射流冷却模块，包括内壳体、顶板和翅片机构，内壳体的顶部敞口，且其两端分别设有内外贯穿的冷却介质入口和冷却介质出口；顶板安装在内壳体的顶部，并封住内壳体的顶部；翅片机构固定安装在顶板的下表面，并穿过内壳体的顶部延伸至内壳体内。本发明的有益效果是结构简单，设计合理，通过将波形翅片错位排列的方式，使得冷却介质在翅片间的流速分布更加合理，提升了电子元器件和冷却介质之间的换热能力，同时充分考虑了浸没式射流换热机理，大幅提升了高功率电子元器件的散热效果。器件的散热效果。器件的散热效果。


技术研发人员：邓环宇 任可欣 张柯远 王镇虎 刘舒昕
受保护的技术使用者：北京无线电测量研究所
技术研发日：2023.06.26
技术公布日：2023/9/23