[發(fā)明專利]負壓相變散熱裝置及高熱流密度電子芯片模擬散熱系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011492092.1
• 申請日: 2020-12-15
• 公開（公告）號: CN112702889B
• 公開（公告）日: 2021-10-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張永海;劉萬渤;魏進家
• 申請（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類號: H05K7/20
• 分類號: H05K7/20
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責(zé)任公司 61200
• 代理人: 張海平

本發(fā)明公開了一種負壓相變散熱裝置及高熱流密度電子芯片模擬散熱系統(tǒng)，利用沸騰耦合薄膜蒸發(fā)，使用水工質(zhì)在負壓環(huán)境下產(chǎn)生相變，進而實現(xiàn)芯片高效散熱，以解決目前芯片冷板存在的供液通道和氣體脫離通道混雜、傳熱能力低下的問題，本發(fā)明在蒸發(fā)防水透氣薄膜一側(cè)產(chǎn)生負壓環(huán)境，增加薄膜兩側(cè)的壓力差，一方面避免了傳統(tǒng)沸騰換熱氣體脫離和液體補給的相互干擾，另一方面增強了液體的蒸發(fā)動力和速率，利用薄膜蒸發(fā)機理顯著提升冷板工作效率，可實現(xiàn)熱流密度超過1kW/cm²的散熱需求。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及微納米傳熱學(xué)中微小空間的薄膜相變傳熱領(lǐng)域，特別涉及一種負壓相變散熱裝置及高熱流密度電子芯片模擬散熱系統(tǒng)。

背景技術(shù)

隨著當(dāng)今電子產(chǎn)品的不斷升級發(fā)展，單位面積上的晶體管數(shù)量成倍增長，器件與設(shè)備的功耗越來越高，對新型芯片冷卻裝置散熱能力提出了更高的要求。傳統(tǒng)的鋁基或銅基冷板單純依靠熱傳導(dǎo)和空氣對流散熱，其散熱能力有限、局部熱點突出，極大地影響高功率芯片的工作性能。沸騰換熱依靠液體汽化吸收的相變潛熱，結(jié)合氣泡的成長與脫離迅速將熱表面的能量帶離，傳熱效率更高、傳熱能力顯著增強。薄膜沸騰蒸發(fā)有助于液體與加熱面更充分的接觸，減少氣泡的最大成長直徑。此外液體蒸發(fā)量與液面上承受大氣壓的大小有關(guān)，負壓可以使同一液體沸點降低、蒸汽流動速度加快，是促進蒸發(fā)換熱的高效手段，有潛力解決熱通量超過1000W/cm²的散熱問題。同時，聚四氟乙烯薄膜具有良好的隔水透氣性能，薄液層蒸發(fā)出的氣體可以及時穿過薄膜進入負壓區(qū)，從根本上實現(xiàn)了汽體脫離通道和液體供應(yīng)通道的絕對分離。目前狹小空間熱管理設(shè)備主要包括毛細泵環(huán)、環(huán)路熱管、脈動熱管等，換熱能力十分有限，而百微米級的薄膜蒸發(fā)與核態(tài)沸騰轉(zhuǎn)變機制仍待進一步探索，技術(shù)熱點集中在擴展高效傳遞熱流區(qū)域和控制局部熱點防止芯片干燒等領(lǐng)域。因此，基于沸騰耦合薄膜蒸發(fā)高效換熱原理，從抑制沸騰氣泡融合和強化相變后氣液分離的角度出發(fā)，開發(fā)一款新型負壓相變蒸發(fā)芯片冷板結(jié)構(gòu)，對于設(shè)計適用于常重力/微重力條件下超高熱流密度的流體相變冷板意義重大。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種負壓相變散熱裝置及高熱流密度電子芯片模擬散熱系統(tǒng)，以克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明在蒸發(fā)薄膜一側(cè)產(chǎn)生負壓環(huán)境，增加薄膜兩側(cè)的壓力差，一方面避免了傳統(tǒng)沸騰換熱氣體脫離和液體補給的相互影響，另一方面加速了液體的蒸發(fā)動力和速率，顯著提升冷板工作效率，可實現(xiàn)熱流密度超過1kW/cm²的散熱需求。

為達到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種負壓相變散熱裝置，所述負壓相變散熱裝置包括頂蓋、中間殼體以及流道板，所述頂蓋連接在中間殼體頂部，流道板連接在中間殼體的底部，頂蓋與中間殼體內(nèi)部形成負壓蒸汽腔；

所述流道板中設(shè)置有流道，流道板上還設(shè)有與流道連通的冷卻工質(zhì)進液口和冷卻工質(zhì)排出口，流道板的中央位置設(shè)置有與流道連通的方孔，方孔中設(shè)置有表面刻蝕有微結(jié)構(gòu)的模擬熱源，且微結(jié)構(gòu)浸沒于流道中；

所述流道板上部設(shè)置有與流道連通的凹槽，中間殼體下部設(shè)置有與凹槽配合的凸臺，凸臺內(nèi)部設(shè)置有用于連通流道和負壓蒸汽腔的蒸汽通道，所述流道與凸臺底部之間形成夾縫，夾縫中從下至上設(shè)置有致密銅網(wǎng)、防水透氣膜和硅膠墊；

所述中間殼體的側(cè)壁上設(shè)置有用于連接真空泵的真空泵接口以及用于安裝熱電偶的第一熱電偶孔，所述頂蓋的內(nèi)側(cè)連接有冷卻盤管，所述冷卻盤管的盤管進液口和盤管出液口貫穿在頂蓋上。

進一步地，所述模擬熱源包括熱源本體，熱源本體上部設(shè)置過渡平臺，過渡平臺的中心位置設(shè)置模擬熱源凸臺，模擬熱源凸臺上刻蝕有微結(jié)構(gòu)，所述微結(jié)構(gòu)包括若干呈規(guī)則陣列排布的微柱。

進一步地，所述模擬熱源凸臺的長L1和寬W1均為10mm，模擬熱源凸臺的周圍設(shè)置有長L2和寬W2均為20mm的密封槽道，所述過渡平臺的長L3和寬W3均為30mm；所述微柱的長A1和寬B1均為0.3-0.5mm，高C1為0.8-1.5mm，相鄰的微柱之間間距均為0.3-0.5mm。