基于封閉微噴射流的錯(cuò)列微細(xì)通道熱沉裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種體小、質(zhì)輕、高效的新體制熱控技術(shù)，主要用于下一代有源相控陣?yán)走_(dá)高密度射頻組件的散熱。
【背景技術(shù)】
[0002]雷達(dá)熱控系統(tǒng)作為雷達(dá)電子裝備的生命保障系統(tǒng)，通過雷達(dá)內(nèi)部與外部環(huán)境熱交換過程，承擔(dān)著保證雷達(dá)內(nèi)部各元器件在各種運(yùn)行狀態(tài)下均能處于要求的溫度范圍內(nèi)的使命，其性能的優(yōu)劣將直接影響到雷達(dá)的工作性能和服役壽命。伴隨著電子技術(shù)和微波器件的飛速發(fā)展，固態(tài)化技術(shù)和相控陣技術(shù)已經(jīng)成為雷達(dá)領(lǐng)域的重要課題。隨著技術(shù)水平的發(fā)展，作為固態(tài)有源相控陣?yán)走_(dá)核心部件之一的射頻組件逐漸向著高度集成化的方向發(fā)展，子陣模塊的發(fā)熱密度大幅增加，而熱輻射面積的減小、傳熱路徑的加長都使得散熱更加困難，主要體現(xiàn)在:
[0003]a.由于器件體積的縮小，組裝密度隨之增加，使得散熱問題不易解決，需要更高效率的散熱設(shè)計(jì)方法來解決過熱問題；
[0004]b.器件堆疊后發(fā)熱量急劇增加，散熱面積卻沒有隨之增加，因此，熱流密度將大幅度提高；
[0005]c.多器件封裝雖然保持原散熱面積，但由于熱源相互連接，熱耦合增強(qiáng)，會造成更為嚴(yán)重的熱問題；
[0006]d.內(nèi)埋置基板中的無源器件有一定的發(fā)熱問題，而陶瓷基板與有機(jī)基板的散熱不良，也會產(chǎn)生嚴(yán)重的熱問題。
[0007]目前國內(nèi)對于高密度射頻組件的冷卻一般采用基于傳統(tǒng)強(qiáng)迫風(fēng)冷或液冷冷板的冷卻方法，散熱能力均很難突破lOOW/cm2，散熱問題已經(jīng)成為制約高密度射頻組件性能進(jìn)一步提高的瓶頸難題，散熱技術(shù)的發(fā)展水平也已經(jīng)落后于我國電子技術(shù)本身的發(fā)展需求，實(shí)際冷卻需求至少是當(dāng)前技術(shù)水平的5?10倍，嚴(yán)重制約了電子技術(shù)的進(jìn)一步革新。
[0008]由于當(dāng)前極高熱流密度電子設(shè)備對重量和體積的嚴(yán)格限制，采用微噴射流或微細(xì)通道的冷卻方法日益受到廣泛關(guān)注并逐漸推廣到工程應(yīng)用，但這兩種冷卻方法均存在各自固有的缺點(diǎn):在微噴射流冷卻方法中，若將冷卻流體直接噴射到發(fā)熱器件表面，考慮到電絕緣的需求，則必須采用電絕緣冷卻介質(zhì)，若采用類似于液冷冷板的形式，則在散熱系統(tǒng)集成的過程中必須采用導(dǎo)熱膠等熱界面材料，增加額外的界面熱阻。同時(shí)，射流沖擊過程中橫流的存在也會對射流沖擊主流產(chǎn)生擾動，影響換熱效果。對于微細(xì)通道冷卻方法，冷卻流體在流經(jīng)熱沉下游時(shí)，換熱效果逐漸減弱，同時(shí)，在極細(xì)的流道中流動的冷卻流體流動路程過長，沿程壓力損失大，對栗的功率要求較高。因此，開發(fā)新一代體小、質(zhì)輕、高效的散熱裝置已經(jīng)迫在眉睫。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種基于封閉微噴射流的錯(cuò)列微細(xì)通道熱沉裝置，在錯(cuò)列微細(xì)通道熱沉中引入封閉微噴射流散熱技術(shù)，由于射流沖擊在所有對流換熱方式中具有最佳的協(xié)同度，流動方向與溫度梯度完全吻合，因而具有最高的傳熱效率，有助于提高雷達(dá)電子設(shè)備散熱系統(tǒng)的散熱能力，減小散熱裝置尺寸，降低重量，增強(qiáng)雷達(dá)系統(tǒng)的機(jī)動能力。
[0010]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:包括微噴器件、微栗和上蓋板。
[0011]所述的微噴器件分為下部的流體腔和上部的射流腔，流體腔和射流腔之間通過陣列微噴射流孔連通，上蓋板位于射流腔頂部，下表面帶有錯(cuò)列微細(xì)通道，上蓋板上載有發(fā)熱器件；冷卻工質(zhì)在微栗的作用在進(jìn)入流體腔，通過陣列微噴射流孔形成射流進(jìn)入射流腔，射流沖擊上蓋板，與發(fā)熱器件產(chǎn)生熱量交換，換熱后的冷卻工質(zhì)流出射流腔；冷卻工質(zhì)流出射流腔后經(jīng)過散熱裝置或制冷裝置降溫，再次由微栗栗入流體腔。
[0012]所述微噴器件的整體尺寸為46mmX46mmX 11mm,壁厚為2mm，冷卻工質(zhì)進(jìn)出微噴器件的出入口直徑為4mm ;單個(gè)微噴射流孔的直徑為0.5mm，陣列微噴射流孔采用9X9陣列，采用順排或叉排方式布置，相鄰射流孔的間距均為4mm，射流孔深度2mm ;錯(cuò)列微細(xì)通道的肋片寬度和高度均為0.5_，肋片長度為6_，相鄰肋片間距為3_，在微噴器件出口處的肋片間距減小至1.5mm。
[0013]本發(fā)明的有益效果是:將錯(cuò)列微細(xì)通道強(qiáng)化換熱結(jié)構(gòu)和微噴射流冷卻技術(shù)相結(jié)合，從而可有效提高系統(tǒng)的散熱能力，減小散熱裝置尺寸，降低重量。主要優(yōu)勢如下:
[0014]射流流體直接噴射到被冷卻物體表面，流程短，射流沖擊駐點(diǎn)區(qū)附近的附面層非常薄，對流換熱系數(shù)極高，傳熱效率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的冷卻方式；錯(cuò)列微細(xì)通道的引入可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的傳熱傳質(zhì)效率，傳熱效果相比常規(guī)尺度能夠提高2?3個(gè)數(shù)量級；
[0015]系統(tǒng)中同時(shí)采用多個(gè)噴嘴形成陣列微噴結(jié)構(gòu)可以得到均勻的溫度分布，同時(shí)，系統(tǒng)采用封閉形式，氣體、液體甚至金屬液體等均可以作為工作介質(zhì)，無需考慮采用電絕緣冷卻介質(zhì)；
[0016]可以采用與傳統(tǒng)冷卻方式相似的熱沉結(jié)構(gòu)，與現(xiàn)有芯片封裝結(jié)構(gòu)兼容且易于實(shí)現(xiàn)集成，能夠簡化封裝結(jié)構(gòu)；射流冷卻介質(zhì)可以直接沖擊封裝基板，熱界面材料可以省略，能夠明顯縮短傳熱路徑；
[0017]熱量轉(zhuǎn)移效果好，是應(yīng)對極高熱負(fù)荷的首選冷卻方式，尤其對于局部散熱效果甚好，可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制冷卻，并且對水栗功率要求不高。
【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明的原理圖；
[0019]圖中，I為發(fā)熱器件，2為帶錯(cuò)列微細(xì)通道的上蓋板，3為陣列微噴射流孔，4為微噴器件，5為微栗，6為散熱裝置(或制冷機(jī)組)。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明，本發(fā)明包括但不僅限于下述實(shí)施例。
[0021]一種基于封閉微噴射流的錯(cuò)列微細(xì)通道熱沉裝置，其特征在于將錯(cuò)列微細(xì)通道強(qiáng)化換熱結(jié)構(gòu)和微噴射流冷卻技術(shù)相結(jié)合，可以有效提高雷達(dá)熱控系統(tǒng)的散熱能力，減小散熱裝置尺寸，降低重量。錯(cuò)列微細(xì)通道是一種強(qiáng)化換熱結(jié)構(gòu)，屬于一種周期性的結(jié)構(gòu)，由多排平行短通道組成，通過流道的間斷與交錯(cuò)布置破壞了熱邊界層的發(fā)展，同時(shí)可以增加橫流的擾動以減少對沖擊流的影響并且增大橫流與壁面的對流換熱，具有顯著的強(qiáng)化換熱效果；微噴射流冷卻采用射流沖擊冷卻技術(shù)，對設(shè)備中的高熱元器件進(jìn)行有效冷卻，依靠沖擊射流良好的對流換熱效果，將熱量從高熱元器件帶入冷卻系統(tǒng)從而實(shí)現(xiàn)散熱，系統(tǒng)中同時(shí)采用多個(gè)微噴可以得到均勻的溫度分布。
[0022]其特征還在于整個(gè)散熱裝置包括微噴器件(含陣列微噴射流孔)、微栗、散熱裝置(或制冷機(jī)組)、帶錯(cuò)列微細(xì)通道的上蓋板以及管路系統(tǒng)。
[0023]所述的微噴器件主要完成熱量交換過程，包括下部的流體腔和上部的射流腔，整體尺寸為46mmX46mmX 11mm,四周壁厚為2mm。冷卻工質(zhì)水通過微噴器件入口進(jìn)入流體腔，微噴器件入口直徑為4_。冷卻工質(zhì)水在壓力作用下通過陣列微噴射流孔形成強(qiáng)烈的射流并進(jìn)入射流腔，射流流體直接沖擊位于射流腔正上方的載有發(fā)熱器件的上蓋板，與發(fā)熱器件產(chǎn)生熱量交換，換熱后的冷卻工質(zhì)水通過微噴器件出口流出進(jìn)入管路系統(tǒng)，微噴器件出口直徑為4mm。
[0024]單個(gè)微噴射流孔的直徑為0.5mm，陣列微噴射流孔采用9X9陣列，采用順排或叉排方式布置(由優(yōu)化結(jié)果確定)，相鄰射流孔沿橫向和縱向的間距均為4_，射流孔深度2mm ο
[0025]所述的微栗主要為散熱裝置中冷卻工質(zhì)水的循環(huán)提供動力，使其進(jìn)入微噴器件并噴射到待冷卻器件表面，達(dá)到熱量交換的目的。微栗采用電磁原理驅(qū)動，通過調(diào)整輸入電壓可以改變流量。
[0026]所述的散熱裝置(或制冷機(jī)組)主要完成升溫后的冷卻工質(zhì)水和環(huán)境的熱交換過程，使其溫度下降，低溫冷卻工質(zhì)水重新進(jìn)入微栗中開始下一輪次的循環(huán)。
[0027]所述的帶錯(cuò)列微細(xì)通道的上蓋板與現(xiàn)有芯片封裝結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)兼容設(shè)計(jì)，不采用熱界面材料，減小界面熱阻。錯(cuò)列微細(xì)通道肋片寬度和高度均為0.5mm，肋片長度為6mm，相鄰肋片間距為3mm，在靠近微噴器件出口處對肋片進(jìn)行局部加密，間距可減小至1.5mm，形成前疏后密的錯(cuò)列布置。錯(cuò)列微細(xì)通道的存在既可為流體的回流提供通道，又可以起到一定的擾流作用，通過流道的間斷與交錯(cuò)布置破壞了熱邊界層的發(fā)展，增加橫流的擾動以減少對沖擊流的影響并且增大橫流與壁面的對流換熱，具有顯著的強(qiáng)化換熱效果。
[0028]所述的管路系統(tǒng)采用不銹鋼管道，管道的連接采用快速接頭，方便冷卻工質(zhì)水的注入并提高管路系統(tǒng)的密封性。
[0029]參見圖1，如其中的具體實(shí)施例所示，系統(tǒng)運(yùn)行前，首先通過連接口注入冷卻工質(zhì)水進(jìn)入系統(tǒng)，而后密封各連接口以防冷卻工質(zhì)的泄漏。當(dāng)微栗5開始工作后，流體通過微噴器件4的入口流入流體腔，在壓力作用下通過陣列微噴射流孔3形成強(qiáng)烈的射流并進(jìn)入射流腔，射流流體直接沖擊正上方載有發(fā)熱器件的上蓋板，產(chǎn)生強(qiáng)烈的對流換熱效果，發(fā)熱器件I產(chǎn)生的熱量被射流流體吸收，其溫度下降，而射流流體由于吸收了熱量溫度升高，升溫后的射流流體通過微噴器件出口流出，進(jìn)入管路系統(tǒng)，在散熱裝置(或制冷機(jī)組)6的作用下，受熱后的射流流體和環(huán)境發(fā)生熱量交換，其溫度下降，降溫后的射流流體重新流入微栗5中，在微栗5的作用下再次進(jìn)入到熱沉中開始下一輪次的循環(huán)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于封閉微噴射流的錯(cuò)列微細(xì)通道熱沉裝置，包括微噴器件、微栗和上蓋板，其特征在于:所述的微噴器件分為下部的流體腔和上部的射流腔，流體腔和射流腔之間通過陣列微噴射流孔連通，上蓋板位于射流腔頂部，下表面帶有錯(cuò)列微細(xì)通道，上蓋板上載有發(fā)熱器件；冷卻工質(zhì)在微栗的作用在進(jìn)入流體腔，通過陣列微噴射流孔形成射流進(jìn)入射流腔，射流沖擊上蓋板，與發(fā)熱器件產(chǎn)生熱量交換，換熱后的冷卻工質(zhì)流出射流腔；冷卻工質(zhì)流出射流腔后經(jīng)過散熱裝置或制冷裝置降溫，再次由微栗栗入流體腔。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于封閉微噴射流的錯(cuò)列微細(xì)通道熱沉裝置，其特征在于:所述微噴器件的整體尺寸為46mmX46mmX 11mm,壁厚為2mm，冷卻工質(zhì)進(jìn)出微噴器件的出入口直徑為4mm ;單個(gè)微噴射流孔的直徑為0.5mm，陣列微噴射流孔采用9X9陣列，采用順排或叉排方式布置，相鄰射流孔的間距均為4mm，射流孔深度2mm ;錯(cuò)列微細(xì)通道的肋片寬度和高度均為0.5mm，肋片長度為6mm，相鄰肋片間距為3mm，在微噴器件出口處的肋片間距減小至1.5mm。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于封閉微噴射流的錯(cuò)列微細(xì)通道熱沉裝置，包括微噴器件、微泵和上蓋板，微噴器件分為下部的流體腔和上部的射流腔，流體腔和射流腔之間通過陣列微噴射流孔連通，上蓋板位于射流腔頂部，下表面帶有錯(cuò)列微細(xì)通道，上蓋板上載有發(fā)熱器件；冷卻工質(zhì)在微泵的作用在進(jìn)入流體腔，通過陣列微噴射流孔形成射流進(jìn)入射流腔，射流沖擊上蓋板，與發(fā)熱器件產(chǎn)生熱量交換，換熱后的冷卻工質(zhì)流出射流腔；冷卻工質(zhì)流出射流腔后經(jīng)過散熱裝置或制冷裝置降溫，再次由微泵泵入流體腔。本發(fā)明有助于提高雷達(dá)電子設(shè)備散熱系統(tǒng)的散熱能力，減小散熱裝置尺寸，降低重量，增強(qiáng)雷達(dá)系統(tǒng)的機(jī)動能力。
【IPC分類】H05K7/20
【公開號】CN105208837
【申請?zhí)枴緾N201510717842
【發(fā)明人】馬巖, 張小安, 宋丹
【申請人】中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所
【公開日】2015年12月30日
【申請日】2015年10月29日