一种面向大阵面冷却的拓扑异构微通道散热器

技术领域

本发明属于射频电子设备散热技术领域，具体涉及一种面向大阵面冷却的拓扑异构微通道散热器。

背景技术

随着电子器件向集成化、小型化方向发展，微电子技术逐渐成为研究主流，微电子技术的飞速发展，使得相同空间内电子元器件的数量增加，热功耗和热流密度也大幅度提高，过高的温度会缩减电子元器件的寿命，严重时会直接导致元器件失效，有研究显示，温升超过电子元件的承受极限是导致其失效的主要因素，因此在电子设备中采用合理的散热方式会大大提高设备的可靠性、稳定性以及延长其使用寿命，与传统的风冷散热相比，液冷散热的能力更强，随着技术的不断进步，液冷散热逐渐取代风冷散热，成为电子器件散热的主流方向。

相控阵雷达具有较高的探测能力，在多阵元、大功率以及高频段等领域均具有广阔的发展空间，目前相控阵雷达的芯片热流密度已经达到300W/cm

微通道散热器具有良好的散热性能，散热通道的尺寸都在毫米乃至微米级别。微通道散热器作为一种高热通量电子产品冷却器件，具有对流换热系数大，质量小等优点，是目前最具应用潜力的冷却方式之一，经过理论分析与实验证明，微小通道的设计结构紧凑，相比传统散热方式来说，散热能力大大增强。目前微通道散热器中的流道结构具有矩形通道、圆形通道和S型通道等，这类型流道虽然结构简单，加工方便，但冷却效果不佳，由于各流道内流量分配不均匀从而使得微通道散热器均温性较差，拓扑优化微通道散热器能够改善散热效果。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种面向大阵面冷却的拓扑异构微通道散热器，能够满足整个阵面的散热要求，具有质量小，散热效率高，流阻小等特点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种面向大阵面冷却的拓扑异构微通道散热器，包括下层散热板2及与之连接的上层盖板1，上层盖板1的上表面与发热热源相接，上层盖板1的下表面与下层散热板2的上表面相连，下层散热板2上设有均为贯穿孔的冷却液入口3和冷却液出口9，冷却液入口3和主流道4入口连接，主流道4出口和“工”字型支流道5入口连接，“工”字型支流道5出口和由第一拓扑异构微通道6、第二拓扑异构微通道7形成的散热子单元入口连接，散热子单元入口出口和回流流道8入口连接，回流流道8出口和冷却液出口9连接，主流道4、“工”字型支流道5、第一拓扑异构微通道6、第二拓扑异构微通道7、回流流道8均位于下层散热板2的上表面。

所述的下层散热板2上表面上阵列着十六个拓扑异构微通道共四个散热子单元，其中十二个是第二拓扑异构微通道7，四个是第一拓扑异构微通道6，三个第二拓扑异构微通道7和一个第一拓扑异构微通道6构成一个散热子单元；四个散热子单元与上层盖板1上表面的热源安装位置相对应，下层散热板2上的冷却液在拓扑异构微通道里进行对流换热，将来自上层盖板1上表面的热量带走；四个散热子单元关于下层散热板2的轴线对称。

所述的下层散热板2为对称结构，下层散热板2上设有两个冷却液入口3和两个冷却液出口9，两个冷却液入口3设置在下层散热板2纵向轴线上，且关于下层散热板2横向轴线对称；两个冷却液出口9设置在下层散热板2横向轴线上，且关于下层散热板2纵向轴线对称；在下层散热板2的中心处设置的导流结构10将来自纵向轴线上回流流道8的冷却液均匀导流至横向轴线上的回流流道8，避免回流冷却液在此处局部速度为零。

所述的第二拓扑异构微通道7整体呈现叶片状，是轴对称结构，在轴线上分布着一个形状大的对称状的主翅片，在轴线两侧对称分布着多个微小翅片11；第一拓扑异构微通道6整体呈现叶片状，结构不对称，在其中心线上分布着一个不规则形状的主翅片，在其中心线两侧非对称分布着多个微小翅片11；两种拓扑异构微通道的外形是以阵面热源分布、流道压降、流道体积作为约束条件，使用拓扑优化技术设计而成，在优化设计时，第二拓扑异构微通道7设置对称热源，第一拓扑异构微通道6设置非对称热源，用于在实际工况中流量的适配。

所述的下层散热板2上位于两侧的回流流道8采用变截面宽度布置，回流流道8具有三级拓宽结构。

所述的上层盖板1和下层散热板2均为紫铜材料，下层散热板2和上层盖板1间的连接工艺采用扩散焊焊接，冷却液为去离子水。

所述的下层散热板2和上层盖板1的长为85mm，宽为85mm，散热器整体厚度为1.6mm。

本发明的有益效果是：

本发明采用拓扑异构微通道，可以降低流阻，从而减小压降，与主流道相接的“工”字型支流道实现每一个拓扑异构微通道所在的散热子单元流量的分配，设置两种拓扑异构散热微通道用于调配实际工况中各散热子单元的流量从而保证阵面高均温性。

本发明采用紫铜，质量超轻；其较大的散热阵面适用于电路分配，能够将阵面的温度降低在电子设备的正常工作温度区间内，并且可以改善相控阵天线阵面的均温性，保证每个热源间的温差不超过影响整个系统工作的温度范围，真正实现低温升、高均温性的散热效果，能够确保T/R组件的工作稳定性，可以在射频微电子领域中应用。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是下层散热板的结构示意图。

图3是下层散热板局部冷却液流动方向示意图。

图4是下层散热板上“工”字型支流道的局部示意图。

图5是拓扑异构微通道的结构示意图。

图6是回流流道的局部结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1-图3所示，一种面向大阵面冷却的拓扑异构微通道散热器，包括下层散热板2及与之连接的上层盖板1，上层盖板1的上表面与发热热源相接，上层盖板1的下表面与下层散热板2的上表面相连，下层散热板2上设有均为贯穿孔的冷却液入口3和冷却液出口9，冷却液入口3和主流道4入口连接，主流道4出口和“工”字型支流道5入口连接，“工”字型支流道5出口和和由第一拓扑异构微通道6、第二拓扑异构微通道7形成的散热子单元入口连接，散热子单元入口出口和回流流道8入口连接，回流流道8出口和冷却液出口9连接，主流道4、“工”字型支流道5、第一拓扑异构微通道6、第二拓扑异构微通道7、回流流道8均位于下层散热板2的上表面；冷却液从下层散热板2下表面上的冷却液入口3流入到下层散热板2上表面的主流道4中，在主流道4出口被分散到“工”字型支流道5中，进而进入与第一拓扑异构微通道6、第二拓扑异构微通道7中，从第一拓扑异构微通道6、第二拓扑异构微通道7的末端进入回流流道8中，最后由冷却液出口9流出。

如图1、图2所示，所述的下层散热板2上表面上阵列着十六个拓扑异构微通道共四个散热子单元，其中十二个是第二拓扑异构微通道7，四个是第一拓扑异构微通道6，三个第二拓扑异构微通道7和一个第一拓扑异构微通道6构成一个散热子单元；四个散热子单元与上层盖板1上表面的热源安装位置相对应，下层散热板2上的冷却液在拓扑异构微通道里进行对流换热，将来自上层盖板1上表面的热量带走；四个散热子单元关于下层散热板2的轴线对称。

如图1、图2所示，所述的下层散热板2为对称结构，下层散热板2上设有两个冷却液入口3和两个冷却液出口9，两个冷却液入口3设置在下层散热板2纵向轴线上，其中心间距为43mm，且关于下层散热板2横向轴线对称；两个冷却液出口9设置在下层散热板2横向轴线上，其中心间距为75.5mm，且关于下层散热板2纵向轴线对称；冷却液入口3和冷却液出口9的直径均为3mm；在下层散热板2的中心处设置的导流结构10将来自纵向轴线上回流流道8的冷却液均匀导流至横向轴线上的回流流道8，避免回流冷却液在此处局部速度为零。

如图4所示，所述的下层散热板2采用“工”字型支流道5进行分流，冷却液从主流道4出口流入“工”字型支流道5的主干道，在主干道的入口a1处进行一次分流，来自主流道4的冷却液被分为两路，在主干道的出口b1处和出口c1处进入二次分流流道，将冷却液分配到每一个拓扑异构微通道中。

所述的下层散热板2上的冷却液入口3和主流道4采用偏置式布置，将主流道4和冷却液入口3向位于右上方散热子单元的第一拓扑异构微通道6方向偏置1.5mm，冷却液入口3处的低温效应减轻，由于右上方散热子单元的第一拓扑异构微通道6所处的散热子单元距离冷却液出口9最远而导致的低流量高温升的影响，保证四个散热子单元的均温性。

所述的第一拓扑异构微通道6、第二拓扑异构微通道7两种拓扑异构微通道是通过拓扑优化的方法计算得到，方法流程为：1)确定设计域；2)设定热源分布区域；3)设置边界约束条件；4)实时调整优化过程；5)根据优化结果建立结构模型；在这两种拓扑异构微通道中，第二拓扑异构微通道7具有对称结构，在优化时设置对称分布的热源；第一拓扑异构微通道6具有非对称结构，在优化时设置非对称分布的热源，设置两种拓扑异构微通道提高均温性，降低整个流道的流阻，并且减小整个散热板的进出口压降。

如图5所示，所述的第二拓扑异构微通道7整体呈现叶片状，是轴对称结构，在轴线上分布着一个形状大的对称状的主翅片，在轴线两侧对称分布着十个微小翅片11；第一拓扑异构微通道6整体呈现叶片状，结构不对称，在中心线上分布着一个不规则形状的主翅片，在其中心线两侧非对称分布着九个微小翅片11。

如图6所示，所述的下层散热板2上位于两侧的回流流道8采用变截面宽度布置，回流流道8具有三级拓宽结构；来自右上方散热子单元出口处的冷却液在回流流道8的a处与对向的回流冷却液交汇，此处回流流道8的流道截面宽度在右上方散热子单元的出口流道截面宽度的基础上拓宽2倍；冷却液在回流流道8的b处进行分流，此处回流冷却液向左右两侧均分，因此b处回流流道8的截面宽度减半；回流冷却液在回流流道8的c处与来自左上方散热子单元的回流冷却液进行交汇，回流流道8在c处拓宽截面宽度；汇集后的回流冷却液在回流流道8的d处与来自左下方散热子单元的回流冷却液进行交汇，回流流道8在d处进一步拓宽截面宽度；从而减小冷却液回流时对右上方散热子单元、左上方散热子单元和左下方散热子单元的回流抑制作用；位于下层散热板2中央的两条“十字”交叉的回流流道8在e处、f处、g处、h处均有来自两路拓扑异构微通道的回流冷却液，故而位于下层散热板2中央的两条回流流道8的截面宽度均为拓扑异构微通道出口流道截面宽度的二倍，确保冷却液回流正常。

所述的上层盖板1和下层散热板2均为紫铜材料，下层散热板2和上层盖板1间的连接工艺采用扩散焊焊接，冷却液为去离子水。

所述的下层散热板2和上层盖板1的长为85mm，宽为85mm，散热器整体厚度为1.6mm。

尽管在上文中参考特定的实施例对本发明进行了描述，但是所属领域技术人员应当理解，在本发明公开的原理和范围内，可以针对本发明公开的配置和细节做出许多修改，本发明的保护范围由所附的权利要求来确定，并且权利要求意在涵盖权利要求中技术特征的等同物文字意义或范围所包含的全部修改。