一种基于脉动热管组的芯片冷却结构及装置

1.本发明属于芯片冷却技术领域，具体涉及一种基于脉动热管组的芯片冷却结构及装置。


背景技术：

2.随着电子器件的高度集成化，单位面积发热量越来越高。一些设备芯片已达到每平方厘米上百瓦的发热功率。热管散热技术效率高，结构紧凑，成本低廉。脉动热管作为一种新型传热装置，具有体积小、灵活性高、成本低、传热性能高以及无外部机械要求等优异特性，在微电子器件冷却散热、余热回收、太阳能集热以及航空航天热控技术等领域中都具有巨大的应用潜力。当其在稳定运行时，由吸热和冷凝引起的工质的膨胀和收缩是振荡运动的驱动力，而驱动流入管内的工质是液塞和气塞的振荡运动，并非由芯结构产生的毛细管力。由于表面张力的作用，液塞和气塞随机地形成并随机地分布在管道内。
3.风冷存在能耗巨大、空气换热系数低、冷源距离热源远、散热不均等多方面问题。传统脉动热管蒸发部分和冷凝部分尺寸相同，对于微小面积热源来说，加热段的周长较小，很难使所有通道重叠在加热段上，这就导致了部分通道存在热隔离，其应用会受到一定的限制。
4.目前的脉动热管多采用单通道或双通道的蛇形管路布局，带有沸腾室的脉动热管通道内液塞和气塞的振荡运动在微小面积热源下振荡运动不足以将热量转移到冷凝段，导致换热效果较差。在径向脉动热管中，所有通道的均匀分布，使得相邻的管路间压差较小，从而通道内液塞和气塞的振荡运动没有足够的驱动力，换热效果依旧不能令人满意。


技术实现要素：

5.针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于脉动热管组的芯片冷却结构及装置，结构简单，成本低廉，能够提高芯片冷却效率。
6.本发明是通过以下技术方案来实现：
7.一种基于脉动热管组的芯片冷却结构，其特征在于，包括脉动热管组和冷凝器；
8.所述脉动热管组包括多根脉动热管；
9.所述多根脉动热管的端部分别交汇连接于冷凝器的降温侧，并形成多个降温端部，且相邻的脉动热管尾部不对称互连；
10.所述脉动热管组的端部和尾部具有落位差。
11.进一步，所述多个降温端部包括弯折段；
12.所述弯折段的两端分别连接多根相邻且并联的脉动热管。
13.进一步，所述弯折段位于冷凝器的降温侧，所述相邻且并联的脉动热管位于冷凝器降温侧的外围区域。
14.进一步，所述相邻的脉动热管尾部不对称互连的方式为，处于同一降温端部的多根脉动热管尾部一部分并联，另一部分接入相邻降温端部的多根脉动热管部分尾部。
15.进一步，所述脉动热管组的端部和尾部之间的管体倾斜设置，形成绝热段。
16.进一步，所述脉动热管内部的工质液体采用单一溶液或纳米颗粒流体混合液。
17.进一步，所述脉动热管的充液量为30％～70％。
18.进一步，所述降温端部封装于冷凝器内部，且冷凝器内部填充有导热材料；
19.所述导热材料为导热硅脂或液态金属。
20.一种基于脉动热管组的芯片冷却结构的装置，包括多个脉动热管组，且多个脉动热管组的降温端部均设置于冷凝器的降温侧。
21.进一步，所述多个脉动热管组的降温端部凸出设置冷凝器的降温侧；
22.所述降温端部的弯折段的两端设置有延伸段，所述延伸段连接多根脉动热管。
23.与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
24.本发明提供一种基于脉动热管组的芯片冷却结构及装置，多根脉动热管的端部分别交汇连接于冷凝器的降温侧，并形成多个降温端部，多根脉动热管的蒸发端交汇合流后，减少了占用冷凝器降温侧的面积，同时其吸热能力又是多根脉动热管的总和，提高了芯片单位面积的降温效率；相邻的脉动热管尾部不对称互连，从而能够使得脉动热管组中多根脉动热管发生主动脉动运动，所有的液塞存在于相邻的气塞之间，解决了仅仅合并加热段导致部分脉动热管管道内部压差较小导致的部分脉动热管主动振荡较弱和现有技术中脉动热管的这些通道中的液体塞不会积极脉动的问题，同时，多根脉动热管尾部连接能够延缓管内液体工质烧干的速度，进而延长本结构的使用寿命；进一步的，多个脉动热管组的降温端部均设置于冷凝器的降温侧上，进一步提高本技术的降温能力，本技术结构简单，保证大功率芯片在正常温度范围内高效稳定运行，降低冷却能耗，保障芯片稳定可靠运行。
25.进一步的，降温端部包括弯折段，弯折段能够减少占用冷凝器表面积的作用，在相同尺寸的冷凝器降温侧能够并联更多数量的脉动热管，进而提高降温效率。
附图说明
26.图1为本发明具体实施例中一种基于脉动热管组的芯片冷却结构；
27.图2为本发明具体实施例中一种基于脉动热管组的芯片冷却结构俯视图；
28.图3为本发明具体实施例中一种基于脉动热管组的芯片冷却结构的内部液体工质流动示意图；
29.图4为本发明具体实施例中一种基于脉动热管组的芯片冷却结构的装置示意图；
30.图5为本发明具体实施例中一种基于脉动热管组的芯片冷却结构的装置的弯折段结构示意图。
31.图中：脉动热管组1，脉动热管10，降温端部11，弯折段110，延伸段111，冷凝器2。
具体实施方式
32.下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
33.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
34.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
35.本发明提供一种基于脉动热管组的芯片冷却结构，如图1、图2和图3所示，包括脉动热管组1和冷凝器2；
36.所述脉动热管组1包括多根脉动热管10，具体的，所述脉动热管10是一种结构简单的新型传热装置，其内部工质吸热形成气塞，放热形成液塞，其热量传递是通过工质显热和相变潜热，以及气塞和液塞之间的振荡来实现的，其传热效果比传统热管更佳优良；
37.具体的，本技术中采用的脉动热管10由毛细管弯折而成，蒸发端和冷凝端脉动热管10连接在一个金属空腔内，使得相邻的脉动热管10连通，毛细管是内壁为光滑的金属管，其材质可以是金属或金属合金，例如铜、铝等。
38.所述多根脉动热管10的端部分别交汇连接于冷凝器2的降温侧，并形成多个降温端部11，减少了占用冷凝器2降温侧的面积，同时其吸热能力又是多根脉动热管的总和，提高了芯片单位面积的降温效率；且相邻的脉动热管10尾部不对称互连，从而能够使得脉动热管组1中多根脉动热管10发生主动脉动运动，所有的液塞存在于相邻的气塞之间，解决了仅仅合并加热段导致部分脉动热管10管道内部压差较小导致的部分脉动热管10主动振荡较弱和现有技术中脉动热管10的这些通道中的液体塞不会积极脉动的问题，同时，多根脉动热管10尾部连接能够延缓管内液体工质烧干的速度，进而延长本结构的使用寿命；
39.所述脉动热管组1的端部和尾部具有落位差，能够加强脉动热管10气塞和液塞的振动运动，提升传热性能，进而提高芯片的降温效率；进一步的，脉动热管10可以根据实际情况进行弯曲，从而可以避免对芯片附件其他内部元件空间干涉。。
40.需要说明的是，脉动热管10的具体毛细管材料和结构尺寸，以及工质的种类，都可以根据具体数据中心大功率芯片散热和实际运行需求进行改变选取，脉动热管10冷凝端的散热方式可以根据实际条件灵活选取分离式热管、液冷和风扇等方式，本技术不进行具体限制。
41.本发明提供的一种优选实施例为，所述多个降温端部11包括弯折段110；所述弯折段110的两端分别连接多根相邻且并联的脉动热管10；具体的，所述弯折段110位于冷凝器2的降温侧，所述相邻且并联的脉动热管10位于冷凝器2降温侧的外围区域，在不影响多根并联脉动热管10的冷却效率的情况下，降低降温端部11在冷凝器2降温侧的占有面积，进而能够加装更多的降温端部11，提高降温效率，与现有技术中心采用直接将多根脉动热管10搭接于冷凝器2上的方式相比较，本技术能够缩小4/5左右的面积。
42.本发明提供的另一种优选实施例为，所述相邻的脉动热管10尾部不对称互连的方式为，处于同一降温端部11的多根脉动热管10尾部一部分并联，另一部分接入相邻降温端
部11的多根脉动热管10部分尾部；具体的，这样的连接方式能够将脉动热管组1中的蒸发端和冷凝端形成多通路连接，形成具有更多的循环通路，保证内部循环的通畅，进而更易于发生气塞和液塞之间的振荡。
43.进一步的，所述脉动热管组1的端部和尾部之间的管体倾斜设置，形成绝热段，能够加强脉动热管10气塞和液塞的振动运动，提升传热性能，进而提高芯片的降温效率。
44.本发明提供的另一种优选实施例为，所述脉动热管10内部的工质液体采用单一溶液或纳米颗粒流体混合液；具体的，所述单一溶液可以为水、甲醇、乙醇和氟利昂等；进一步的，所述脉动热管10的充液率为30％～70％。
45.本发明提供的另一种优选实施例为，所述降温端部11封装于冷凝器2内部，且冷凝器2内部填充有导热材料；所述导热材料为导热硅脂或液态金属，便于本技术中冷却结构向芯片进行热传导；具体地，功率芯片产生热量，通过冷凝器2传导至本技术中冷却结构的蒸发端，利用脉动热管10的优异导热性能快速将热量从芯片转移走，最后将热量转移到冷凝端，通过与其他设备的连接即可带走热量，从而实现大功率芯片的快速散热，保证芯片高效运行；
46.进一步的，所述冷凝器2可根据具体脉动热管结构确定，其主要由上下两块盖板组成，上下盖板均设置有于降温端部11卡接的的沟槽，上下盖板构成的冷凝器2与降温端部11一体式封装。
47.本发明提供一种基于脉动热管组的芯片冷却结构的装置，如图4所示，包括多个脉动热管组1，且多个脉动热管组1的降温端部11均设置于冷凝器2的降温侧。
48.进一步的，如图5所示，所述多个脉动热管组1的降温端部11凸出设置冷凝器2的降温侧；所述降温端部11的弯折段110的两端设置有延伸段111，所述延伸段111连接多根脉动热管10。
49.具体的，由于对弯折段110加装延伸段111，位于降温端部11两侧的多个脉动热管10结构上不会产生相互干扰，进而可以在相同大小的冷凝器降温侧加装更多的脉动热管组1；
50.需要说明的是，多个脉动热管组1不限于通过加装延伸段111的方式实现进行排列，可以在不同平面内设计多个脉动热管组1，进而实现高效的降温效果。
51.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。