一种复合型微通道散热装置

1.本发明涉及高热流密度设备的散热装置技术领域，特别涉及一种复合型微通道散热装置。


背景技术：

2.随着近年来信息通讯，航天航空，军工等前沿领域的快速发展，高功率设备的性能也稳步提升，随之带来的是巨大的信息流传递和处理需求。
3.作为信息处理的主要电子设备载体，高能芯片的数据处理能力不断提高，产热量也随之增大。例如，下一代igbt模块的热通量将从100w/cm2逐渐增加到500w/cm2。受集中化，小型化，微型化的产品外观需求限制，设备的散热空间有限，若设备产热无法被快速散除，热量积聚和设备过热的问题将越来越显著，高效的热管理手段至关重要。此外，数据中心作为信息处理和存储的主要环节，也面临着巨大的热负荷散除压力。我国数据中心的机架总规模在2021年2月已经突破226万，随数据流需求的增长，该数字将持续增长。数据中心机房的能耗主要由三部分组成：通讯设备能耗50％，空调系统能耗40％，电源系统能耗10％。有效提高设备的散热效率可以显著降低数据中心整体的能耗。其他行业，如激光器、核反应堆等设备的热通量也在保持持续增长的趋势。以高功率激光器件为例，每个二极管激光器耗散的热通量可达500w/cm2，此外，核电工程中，聚变反应堆和国防应用中包含的组件产生的热通量可高达104w/cm2。热管理技术逐渐成为设备发展的技术瓶颈之一。
4.当前被广泛使用的液冷散热手段可以按照驱动方式分为被动式冷却和主动式冷却两种。高热流密度散热场景下，热管和微通道是两种典型的热管理手段。
5.微通道换热器的通道截面特征尺度一般为10-200μm，换热能力高，作为一种高效的主动式液冷方式，被广泛应用于芯片、雷达、激光器等电子设备散热。传统型微通道流道通常由一个扁管构成，扁管内有多条细微流道，且扁管的两端与集液管相联。流道的截面以矩形居多，也有圆形，三角形等多边形截面。常见微通道制造材料有硅、不锈钢、铝、铜等。其中，因导热性高且便于工业工艺加工，铜常被用作微通道散热器的主体材料。微通道的工作过程为：热源与微通道换热器底部紧密接触，热量由热传导传递给热沉，冷却剂由换热器入口进入微通道流道，以对流换热的方式将热量带走，由换热器出口流出，以此循环达到冷却目的。微通道散热器的整体结构尺度较小，符合当前微小，紧凑的换热器发展趋势，且通道和流场的布局机动性高，可根据热源特性和换热需求更改换热器结构。
6.平板热管由上下两个平板紧密结合形成一个密闭腔体，腔体内部布置毛细结构。超薄平板热管相比压扁型的传统热管来说，厚度更小，与热源的接触面积更大，可以有效消除“热点”并提高换热器的均温性，更适用于紧凑型外观限制的高热流密度散热。平板热管的工作过程为：平板热管的热端受热，真空腔体内的工质受热蒸发由液态转变为气态，吸收热量并且快速膨胀。膨胀后的气相工质接触到冷端后发生凝结液化，释放热量。凝结后的液体由毛细结构产生的毛细力驱动回流到热端，形成循环。作为一种被动式换热手段，平板热管具有低热阻，高均温性的特点，此外，超薄热管的加工工艺成熟，结构设计轻巧灵活，在不
占据过使用空间的同时，可有效解决目前电子设备等高性能产品的散热问题。
7.目前公开的微通道换热器，大多选择较长的流道设计，例如：cn110986632a和cn110887388a虽然实现了较为有效的散热，但不可避免的出现了流道较长导致的通道压力损失大。过高的通道损失会增加循环所需要的泵功，提高能力损耗。此外换热器整体均温性不佳，易出现局部过热的现象。平板热管本身的换热能力低于微通道，但具有均温性的特点。
8.因此，有必要提供一种减少微通道的流动阻力，降低微通道内流动的压力损失进而降低泵功，同时提升换热器的整体均温性的复合型微通道散热装置。


技术实现要素：

9.为解决上述技术问题，本发明采取了如下技术方案：
10.一种复合型微通道散热装置，包括：
11.平板热管，所述平板热管包括盖板、毛细芯、矩形凹槽和双面夹层，所述双面夹层顶端设置有所述矩形凹槽，所述盖板和所述毛细芯从上到下依次安装于所述矩形凹槽内部；
12.微通道热沉，所述微通道热沉连接于所述双面夹层底端，包括底板、微通道、回型通道和工质流通口，所述微通道设置于所述底板顶端、所述回型通道和所述工质流通口均设置于所述双面夹层底端，所述双面夹层顶端设置有与所述工质流通口相连通的进出口液体管道，所述工质流通口另一端与所述回型通道相连通，所述回型通道和所述微通道连通。
13.进一步地，所述双面夹层一侧设置有充液管，所述充液管与所述矩形凹槽连通，所述充液管用于向矩形凹槽内部填充冷却液。
14.进一步地，所述盖板的材料采用铜、不锈钢、陶瓷、硅或铝中的一种，所述双面夹层的材料采用铜、不锈钢、陶瓷、硅或铝中的一种，所述微通道热沉的材料采用铜、不锈钢、陶瓷、硅或铝中的一种。
15.进一步地，所述盖板、所述毛细芯和所述双面夹层固定连接。
16.进一步地，所述微通道的表面设置有表面微结构，所述表面微结构用于增加微通道表面的粗糙度。
17.进一步地，所述毛细芯的横截面形状为矩形、梯形、三角形或半圆形中的一种。
18.进一步地，所述微通道的横截面形状为矩形、梯形、三角形或半圆形中的一种。
19.进一步地，所述微通道热沉固定连接于所述双面夹层底端。
20.本发明的有益效果在于：
21.1.装置均温性较高，消除热点效应。
22.平板热管具有良好的均温性和导热性，将平板热管布置在微通道热沉的一侧，不仅有效提高装置整体的均温性，还可将微通道热沉局部过热的热量传导至微通道热沉温度较低侧，更高效的利用未直接接触热源部分的微通道进行二次换热，提高换热效率。
23.2.换热性能显著提升，且降低能耗。
24.微通道表面具有处理后的表面微结构，该结构能够有效强化换热。单相换热时，表面微结构可明显增强通道内的流体扰动；两相换热时，表面微结构会增大壁面的表面粗糙度，提供更多的利于发生沸腾的成核点，使工质沸腾提前发生，从而提高换热能力。双面夹
层底部的回型通道与微通道的组合，可有效缩短工质在流道内的流程，降低流体进出换热器的压力损失，从而降低驱动泵的功耗，达到高效换热节能省电的效果；同时微通道与回型通道形成的往复型散热通路，可有效缩短工质在流道内的纵向流程，降低流体进出换热器的压力损失，进而降低工质驱动泵的功耗，达到高效换热且节能省电的技术效果。
25.3.有效解决高热流密度散热需求。
26.复合型微通道散热装置结合了平板热管和微通道散热器的换热特性，可作为一种高效的热管理手段来解决高热流密度散热需求。
27.4.工艺简单，制造成本低。
28.本发明中设计和使用的结构和材料都具有很好的工业工艺加工性，加工方式简单且工艺发展都十分成熟，成本较低。
附图说明
29.图1为本发明一种复合型微通道散热装置的立体示意图。
30.图2为本发明一种复合型微通道散热装置的平板热管部分分解图。
31.图3为本发明一种复合型微通道散热装置的微通道热沉部分示意图。
32.图4为本发明一种复合型微通道散热装置的微通道热沉内部示意图。
33.其中，图中：
34.1-平板热管；2-微通道热沉；3-双面夹层；11-盖板；12-毛细芯；13-矩形凹槽；14-充液管；21-微通道；22-工质流通口；23-回型通道；24-进出口液体管道。
具体实施方式
35.下面将结合本发明实施例中的附图1-4，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
36.实施例
37.结合图1-4本实施例提供了一种复合型微通道散热装置，包括平板热管1和微通道热沉2，所述平板热管1连接于所述微通道热沉的一侧；平板热管具有良好的均温性和导热性，将平板热管布置在微通道热沉的一侧，不仅可有效提高装置整体的均温性，还可将微通道热沉局部过热的热量传导至微通道热沉温度较低侧，更高效的利用未直接接触热源部分的微通道进行二次换热。
38.所述平板热管1包括盖板11、毛细芯12、矩形凹槽13和双面夹层3，所述双面夹层3顶端设置有所述矩形凹槽13，所述盖板11和所述毛细芯12从上到下依次安装于所述矩形凹槽13内部；所述微通道热沉2连接于所述双面夹层3底端，包括底板、微通道21、回型通道23和工质流通口22，所述微通道21设置于所述底板顶端、所述回型通道23和所述工质流通口22均设置于所述双面夹层3底端，所述双面夹层3顶端设置有与所述工质流通口22相连通的进出口液体管道24，本实施例中所述工质流通口靠近所述回型通道的一端设置有通口，所述工质流通口22另一端通过通口与所述回型通道23相连通，所述回型通道23和所述微通道21连通。
39.所述盖板11的材料采用铜、不锈钢、陶瓷、硅或铝中的一种，所述双面夹层3的材料采用铜、不锈钢、陶瓷、硅或铝中的一种，所述微通道热沉2的材料采用铜、不锈钢、陶瓷、硅或铝中的一种，本实施例所述盖板11、所述双面夹层3和所述微通道热沉2的材料均采用铜。
40.所述微通道热沉2采用焊接的方式固定连接于所述双面夹层3底端，焊接方式采用分子焊、钎焊、氩弧焊、压焊或气焊中的一种，本实施例采用氩弧焊的方式焊接；在将双面夹层和微通道热沉连接时，先将微通道热沉的微通道上表面与双面夹层底部的回型通道下表面紧密贴合，并使用石墨板将其固定烧结，其余缝隙填埋焊料并进行焊接密封，形成封闭的微通道热沉结构。
41.进一步地，所述双面夹层3一侧设置有充液管14，所述充液管14与所述矩形凹槽13连通，所述充液管14用于向矩形凹槽13内部填充冷却液；所述盖板11、所述毛细芯12和所述双面夹层3采用烧结的方式固定连接；平板热管安装时，将盖板和毛细芯从上到下依次烧结布置在矩形凹槽内，烧结结束后利用焊接工艺将各个缝隙密封，然后通过充液管对矩形凹槽内部抽真空并向其内部冲液，冲液完成后将充液管打扁密封，形成具有封闭结构的平板热管。
42.作为优化，在烧结盖板和毛细芯前使用石墨板将其位置固定，使内部结构在后续处理时不发生偏移。
43.所述微通道21的表面设置有表面微结构，所述表面微结构采用蚀刻、激光或烧结方式中的一种形成；所述表面微结构用于增加微通道表面的粗糙度，表面微结构可增加微通道与换热介质的接触面积，同时表面微结构可明显增强通道内的流体扰动，提高换热效率；单相换热时，表面微结构可明显增强通道内的流体扰动；两相换热时，表面微结构会增大壁面的表面粗糙度，提供更多的利于发生沸腾的成核点，使工质沸腾提前发生，从而提高换热能力。
44.所述毛细芯12的横截面形状为矩形、梯形、三角形或半圆形中的一种；所述毛细芯的烧结条状结构的尺寸范围为0.5-10mm，优选为1mm；所述微通道21的横截面形状为矩形、梯形、三角形或半圆形中的一种。
45.所述微通道的布置形式可根据液体流动设计更改，使微通道与回型通道形成往复型散热通路，本实施中微通道与回型通道形成蛇形散热通路，可有效缩短工质在流道内的纵向流程，降低流体进出换热器的压力损失，进而降低工质驱动泵的功耗，达到高效换热且节能省电的技术效果。
46.作为优化，本实施例中所述微通道热沉2的底端光滑平整，可与热源直接接触，提高对热源的散热效率。
47.本实施例公开的一种复合型微通道散热装置工作时，微通道热沉底端与热源直接接触，通过进出口液体管道将冷却工质通过工质流通口导入回型通道和微通道形成的蛇形散热通路内，冷却工质的循环输送实现对热源的冷却降温作用，同时平板热管内的毛细芯配合微通道热沉进行散热工作，将微通道热沉顶端的热量吸收并散发，提高散热效率；本装置结合了平板热管和微通道散热器的换热特性，可作为一种高效的热管理手段来解决高热流密度散热需求。
48.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对上述实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的
一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

技术特征：
1.一种复合型微通道散热装置，其特征在于，包括：平板热管，所述平板热管包括盖板、毛细芯、矩形凹槽和双面夹层，所述双面夹层顶端设置有所述矩形凹槽，所述盖板和所述毛细芯从上到下依次安装于所述矩形凹槽内部；微通道热沉，所述微通道热沉连接于所述双面夹层底端，包括底板、微通道、回型通道和工质流通口，所述微通道设置于所述底板顶端、所述回型通道和所述工质流通口均设置于所述双面夹层底端，所述双面夹层顶端设置有与所述工质流通口相连通的进出口液体管道，所述工质流通口另一端与所述回型通道相连通，所述回型通道和所述微通道连通。2.根据权利要求1所述的一种复合型微通道散热装置，其特征在于，所述双面夹层一侧设置有充液管，所述充液管与所述矩形凹槽连通，所述充液管用于向矩形凹槽内部填充冷却液。3.根据权利要求1所述的一种复合型微通道散热装置，其特征在于，所述盖板的材料采用铜、不锈钢、陶瓷、硅或铝中的一种，所述双面夹层的材料采用铜、不锈钢、陶瓷、硅或铝中的一种，所述微通道热沉的材料采用铜、不锈钢、陶瓷、硅或铝中的一种。4.根据权利要求1所述的一种复合型微通道散热装置，其特征在于，所述盖板、所述毛细芯和所述双面夹层固定连接。5.根据权利要求1所述的一种复合型微通道散热装置，其特征在于，所述微通道的表面设置有表面微结构，所述表面微结构用于增加微通道表面的粗糙度。6.根据权利要求1所述的一种复合型微通道散热装置，其特征在于，所述毛细芯的横截面形状为矩形、梯形、三角形或半圆形中的一种。7.根据权利要求1所述的一种复合型微通道散热装置，其特征在于，所述微通道的横截面形状为矩形、梯形、三角形或半圆形中的一种。8.根据权利要求1所述的一种复合型微通道散热装置，其特征在于，所述微通道热沉固定连接于所述双面夹层底端。

技术总结
本发明公开了一种复合型微通道散热装置,涉及高热流密度设备的散热装置技术领域。包括平板热管，平板热管包括盖板、毛细芯、矩形凹槽和双面夹层，双面夹层顶端设置有矩形凹槽，盖板和毛细芯从上到下依次安装于矩形凹槽内部；微通道热沉，微通道热沉连接于双面夹层底端，包括底板、微通道、回型通道和工质流通口，微通道设置于底板顶端、回型通道和工质流通口均设置于双面夹层底端，双面夹层顶端设置有与工质流通口相连通的进出口液体管道，工质流通口另一端与回型通道相连通，回型通道和微通道连通。本发明可有效降低工质流动阻力，消除局部热点，并提高散热器的均温性。并提高散热器的均温性。并提高散热器的均温性。


技术研发人员：李骥 孙波
受保护的技术使用者：中国科学院大学
技术研发日：2022.03.17
技术公布日：2023/9/23