热源面温度均匀的微通道散热器

摘要

本发明公开了一种热源面温度均匀的微通道散热器，主要解决现有微通道散热器热源面温度分布不均问题。其包括基板(1)和盖板(2)，基板(1)内设有由有入口主槽(31)、出口主槽(32)和平行通道(33)组成的流道结构(3)；该出口主槽(32)和入口主槽(31)均采用长方体结构；该入口主槽(31)的深度、长度与出口主槽(32)的深度、长度相同，宽度为逐级递减的阶梯状；平行通道(33)由平行排列的数个矩形通道构成，每个矩形通道沿着液体流动方向的截面为深度逐渐减小的直角梯形形状；盖板(1)固定在基板(2)上，使流道结构(3)在其之间形成密闭的通道。本发明提高了整个热源面的温度均匀性，保证了电子产品的性能。

说明书

技术领域

本发明属于微通道散热技术领域，具体涉及一种微通道散热器，可用于提高微电 子产品中微通道散热器热源面温度的均匀性。

背景技术

目前，随着电子产品的集成度越来越高，对电子产品的散热效果提出了更高的要 求。散热效果除了要保证电子产品的温度较低外，还需降低电子产品各器件间的温差。 在电子产品中嵌入微通道，可构成微通道散热器，这种散热器具有很好的散热能力， 但是存在温度分布不均匀的问题，如徐尚龙等在2011年发表于中国机械工程的文献“芯 片冷却用微通道散热结构热流耦合场数值研究”中提到的平行微通道散热器，如图1， 其流道结构由两个主槽和一排平行直通道构成，冷却液从入口主槽分配给各个通道的 冷却液流量不相等，造成通道内的流速不相等，从而使微通道散热器热源面温度分布 不均匀，这将直接影响电子产品的性能、工作的稳定性和使用寿命，尤其在高功率电 子产品中这个问题更为突出，亟需解决。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种热源面温度均匀的微通道 散热器结构，以提高热源面温度分布的均匀性，进而保证电子产品的性能、工作的稳 定性和使用寿命。

为了实现上述目标，本发明的热源面温度均匀的微通道散热器主要由基板和盖板 组成，基板内设有流道结构，流道结构包括入口主槽，出口主槽和平行通道，该出口 主槽和入口主槽均采用长方体结构；盖板上加载有热源，热源产生的热量分布在盖板 上，通过基板内流道结构中的冷却液循环流动而降温，其特征在于：

入口主槽的深度、长度与出口主槽的深度、长度相同，宽度为逐级递减的阶梯状；

平行通道是由平行排列的数个矩形通道构成，每个矩形通道沿着液体流动方向的 截面为深度逐渐减小的直角梯形形状。

作为优选，所述基板和盖板均为长方形板体，盖板固定在基板上，使流道结构在基 板和盖板之间形成密闭的通道。

作为优选，所述平行通道的两端分别与入口主槽和出口主槽相连接，且平行通道内 的冷却液流动方向与入口主槽和出口主槽的长度方向垂直。

作为优选，所述入口主槽阶梯数与平行通道的个数相同。

本发明具有如下优点：

1.本发明由于将入口主槽的宽度设计为逐级递减的阶梯状，可使入口主槽分流给 每个通道的流量相等，保证热源面在出口主槽的长度方向上温度均匀；

2.本发明由于将平行通道的每个矩形通道设计为沿着液体流动方向的截面为深 度逐渐减小的直角梯形形状，使热源面在平行通道内的冷却液流动方向上温度均匀；

3.本发明相比现有的平行微通道散热器，在微通道散热器材料相同，加载热源热 流密度相同，入口主槽冷却液的种类和流量相同的情况下，提高了整个热源面温度的 均匀性。

附图说明

图1为现有的微通道散热器结构图；

图2为现有的微通道散热器热源面温度云图；

图3为本发明的微通道散热器结构图；

图4本发明的入口主槽在垂直于入口主槽深度方向上的截面图；

图5为本发明入口主槽阶梯形尺寸的优化流程图；

图6本发明的平行通道沿着液体流动方向的截面图；

图7本发明的微通道散热器结构热源面温度云图。

具体实施方式

参照图1，现有的微通道散热器结构，包括基板1和盖板2，基板1和盖板2均为 长方形板体，由低温共烧陶瓷LTCC材料构成，盖板2固定在基板1上，基板1和盖 板2之间形成密闭的流道结构3；流道结构3包括入口主槽31，出口主槽32和平行通 道33，平行通道33由平行排列的8个矩形通道构成。每个矩形通道的的大小相同， 图1实例取每个矩形通道的长度为40.5mm，宽度为1mm，深度为0.6mm。平行通道 33两端分别与入口主槽31和出口主槽32相连接，且平行通道33内的冷却液流动方 向与入口主槽31和出口主槽32的长度方向垂直。入口主槽31和出口主槽32均采用 长方体结构，两者尺寸相同，图1实例的长方体长度为42mm，宽度为2.2mm,深度为 0.6mm。所述入口主槽31，出口主槽32和平行通道33管内装有去离子水冷却液，根 据电子产品所能承受的最高温度的限制，流量过小会造成热源面温度过高，影响电子 产品的正常工作，本实例取冷却液的流量0.5L/min，水温20℃；盖板2上加载有62 个热源21，根据目前电子产品的功率，图1实例热源的热流密度为56.25W/cm²，热 源21产生的热量分布在盖板2上，通过基板1内流道结构3中的冷却液循环流动而降 温。

该微通道散热器的热源面温度云图如图2所示。

由图2可以得到，自下而上的2号通道与3号通道上的温度最高，特别是偏向通 道后方，而1号通道和8号通道的温度最低，温度差异明显，取热源面62个热源中心 位置得到现有微通道散热器结构热源面温度标准差σ₁如下：

${\sigma }_1=\sqrt{\frac{1}{62}\underset{i=1}{\overset{62}{\Sigma }}(y_i-{\bar{y}}_1)}$

为现有微通道散热器结构热源面的平均温度，y_i为对应第i个热源中心位置的 温度i＝1,2...,62。计算得到：σ₁＝4.6420K。

为了降低现有微通道散热器结构热源面温度标准差σ₁，本发明的技术关健是对现 有微通道散热器的入口主槽结构和平行通道的结构进行改进，以降低热源面温度标准 差。

参照图3，本发明的微通道散热器主要结构与图1所述的现有微通道散热器相同， 其不同点在于：平行通道33是由平行排列的8个矩形通道构成，每个矩形通道沿着液 体流动方向的截面为深度逐渐减小的直角梯形形状，其大小相同，本实例取每个矩形 通道长度为40.5mm，宽度为1mm，入口深度为0.6mm，出口深度为0.4mm；取入口 主槽31和出口主槽32深度为0.6mm，长度为42mm，出口主槽32的宽度为2.2mm， 入口主槽31的宽度为逐级递减的阶梯状，且阶梯数与平行通道33的个数相同；

参照图4，所述的入口主槽31，其垂直于深度方向的截面形状呈阶梯状，根据微 通道散热器的平行通道数量与阶梯数量相同的原则，本实例的平行通道设为8个通道， 但不局限于8个，所以入口主槽有8个阶梯，每个阶梯有不同的宽度，即第一阶梯的 宽度为x₁，第二阶梯的宽度为x₂，第三阶梯的宽度为x₃，第四阶梯的宽度为x₄，第 五阶梯的宽度为x₅，第六阶梯的宽度为x₆，第七阶梯的宽度为x₇，第八阶梯的宽度 为x₈，这8个阶梯的宽度不同，且直接影响对应平行通道33内的冷却液流速。

为使所述的8个平行通道内的冷却液流速一致，提高热源面温度均匀性，需要对 这8个阶梯的宽度x₁，x₂，x₃，x₄，x₅，x₆，x₇，x₈进行优化。其优化方案如下：

(1)求得单个平行通道中的平均流速v_m：

v_m＝Q/(8*a*b)，

其中，Q为进入入口主槽的总流量，Q＝0.5L/min，a为单个平行通道宽，a＝1mm， b为单个平行通道深度，b＝0.6mm；将Q，a，b，带入上面的公式得到v_m＝1.741335m/s；

(2)计算第i个平行通道中的冷却液流速v_i，i＝1,2,3,4,5,6,7,8：

v_i＝f_i(x₁,x₂,x₃,x₄,x₅,x₆,x₇,x₈)，

f_i为v_i与8个阶梯的宽度x₁，x₂，x₃，x₄，x₅，x₆，x₇，x₈的关系

(3)计算8个平行通道中冷却液流速的方差D(v)为：

$D\left(v\right)=\underset{i=1}{\overset{8}{\Sigma }}{(v_i-v_m)}^2=\underset{i=1}{\overset{8}{\Sigma }}{(f_i(x_1,x_2,x_3,x_4,x_5,x_6,x_7,x_8)-v_m)}^2$

D(v)的计算是通过现有软件对8个阶梯宽度值x₁,x₂,x₃,x₄,x₅,x₆,x₇,x₈进行多次 优化进行，以保证其对应的8个平行通道中冷却液流速相同。

参照图5，对8个阶梯的宽度优化流程如下：

(3.1)通过优化软件Isight集成平台调用三维建模软件Pro/Engineer，划分网格 软件ICEMCFD，流动分析数值模拟软件Ansyscfx，并利用Pro/Engineer软件建立关于 8个阶梯的宽度x₁，x₂，x₃，x₄，x₅，x₆，x₇，x₈的微通道散热器模型；利用ICEMCFD 软件对微通道散热器模型进行网格划分；

(3.2)利用Ansyscfx软件求解微通道散热器模型每个平行通道中冷却液流速v_i及 其流速的方差D(v)：

(3.2a)初始情况下，令8个阶梯的宽度值均为2.2mm，利用Pro/Engineer软件建 立这种初始情况下的微通道散热器模型，利用Isight软件将Pro/Engineer软件建立的微 通道散热器模型传递给ICEMCFD软件；

(3.2b)利用ICEMCFD软件对(3.2a)中Pro/Engineer软件建立的微通道散热器 模型进行网格划分，并将得到的结果文件通过Isight软件传递给Ansyscfx软件；

(3.2c)利用Ansyscfx软件求解(3.2b)微通道散热器模型每个平行通道中冷却 液流速，然后通过Ansyscfx软件计算得到平行通道中冷却液流速方差D(v)，得到初始 条件下的D(v)＝0.5105；

(3.2d)对Pro/Engineer软件中建立的微通道散热器模型的8个阶梯宽度x₁，x₂， x₃，x₄，x₅，x₆，x₇，x₈的重新取值，然后重复(3.2a)至(3.2c)，使D(v)的值减 小，直到D(v)收敛于0.007时得到的8个阶梯的宽度为最终优化确定的参数，即 x₁＝0.1mm，x₂＝2.5mm，x₃＝2.2mm，x₄＝2.0mm，x₅＝1.5mm，x₆＝1.4mm，x₇＝0.65mm， x₈＝0.5mm。

将微通道散热器的入口主槽在宽度方向上按照上述尺寸设计为阶梯状，在这种结 构的基础上，将平行通道设计为沿着液体流动方向的截面为深度逐渐减小的直角梯形 形状，如图6所示，平行通道的入口深度为h₁，h₁＝0.6mm，出口深度为h₂，h₂＝0.4mm。

对在这种结构下的微通道散热器进行热仿真分析，计算微通道散热器热源面温度 标准差：

${\sigma }_3=\sqrt{\frac{1}{62}\underset{i=1}{\overset{62}{\Sigma }}(y_i-{\bar{y}}_3)}$

其中，y_i为对应第i个热源中心位置的温度，i＝1,2...62；为这种微通道散热 器结构下热源面平均温度，

将y_i，带入公式得到标准差公式，得到σ₃＝0.8847K。相比现有微通道散热器 的热源面温度标准差σ₁＝4.6420K，本发明的微通道散热器热源面标准差减小了4倍， 热源面温度均匀性得到了很好的改善,如图7所示，图7中热源面的颜色为红色和黄色， 从图7左侧温度标尺上可以看出红色和黄色表示的温度相近，热源面温度分布非常均 匀。

综上所述，本发明将微通道散热器的入口主槽的宽度设计为逐级递减的阶梯状， 将微通道散热器平行通道的每个矩形通道设计为沿着液体流动方向的截面为深度逐渐 减小的直角梯形形状，相比于现有的微通道散热器结构，本发明的微通道散热器热源 面温度分布更加均匀，保证电子产品的性能、工作的稳定性和使用寿命。