CN100486410C - 流体横掠针肋阵列式微型换热器 - Google Patents

Abstract

流体横掠针肋阵列式微型换热器，属于微电子技术领域，涉及一种冷却装置。本装置包括有依次重叠封装在一起的过流片(1)，出流导流片(2)，入流导流片(3)，传热片(4)；过流片上开有与外部管路连接的流体入口(5)和流体出口(6)；出流导流片上设有出流通道(7)，流体入口(8)和流体出口(9)，入流导流片(3)上在与过流片上的流体入口(5)相对应的位置也设有流体入口(10)，其上还设有导流桥(11)、入流缝(12)和出流缝(13)，传热片上设有入流通道(14)和针肋阵列(15)。本发明的微型换热器基于流体横掠针肋阵列对流换热理论，是强化发热器件表面散热、提高被冷却表面温度分布的均匀性的有效装置。

Description

流体横掠针肋阵列式微型换热器

技术领域：

本发明属于微电子技术领域，涉及一种冷却装置。

背景技术：

随着工业技术的不断发展，各种电子产品无不朝着体积小、重量轻、高热流通量的方向发展。因此，对新一代的电子设备而言，传统的冷却器的设计极限与制作技术已无法合乎要求。微冷却器的发展源于解决高速集成电路的散热问题，目前已向各种有重量限制与体积限制的高热流通量领域发展，如航天工业、电子元器件冷却、大功率半导体激光器冷却、化工流程传热等。其主要目的是为了要降低电子设备因过热而发生故障损坏的机率，并同时提高电子设备的性能及可靠性。

目前国内外正在积极着手研究和已经应用的微冷却器包括：微热交换器、微冷冻机、微通道热沉、微热管均热片及整合式微冷却器等。其中微通道热沉因其加工制作技术比较成熟，得到了人们较多的关注。但是微通道热沉存在两个设计上的局限。其一，是由于小尺寸所产生的较大流动阻力；其二，由于冷却介质在入口、出口间温度变化较大，因而导致换热表面温度分布不均。随着微加工技术的迅速发展，一些基于不同传热机理、性能优越的微型换热器将不断涌现。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种微型换热器，用于解决具有狭长型发热区域电子元器件冷却问题。其传热机理是流体横掠针肋阵列的对流换热，通过合理的结构设计，可以在保持优越传热性能的基础上，提高传热表面温度分布的均匀性。

本发明的一种流体横掠针肋阵列式微型换热器，其具体结构为：包括有依次重叠封装在一起的过流片1，出流导流片2，入流导流片3，传热片4；过流片1上开有与外部管路连接的流体入口5和流体出口6；出流导流片2上设有出流通道7，在与过流片1上的流体入口5和流体出口6相对应的位置分别开有流体入口8和流体出口9；入流导流片3上在与过流片1上的流体入口5相对应的位置也设有流体入口10，其上还设有导流桥11、间隔布置的入流缝12和出流缝13；传热片4上设有入流通道14和针肋阵列15；其中，过流片1，出流导流片2，入流导流片3，传热片4上各自的流体通道之间互不连通；封装后，过流片1上流体入口5、出流导流片2上流体入口8、入流导流片3上流体入口10与传热片4上入流通道14连通；传热片4上的针肋阵列15设置在传热片4上的凹槽内；入流导流片3上的入流缝12和出流缝13设置在与传热片4上针肋阵列15相对应的位置，入流通道14与入流缝12导通，出流缝13与出流通道7导通，入流导流片3上的导流桥11将出流导流片2上的出流通道7和流体出口9导通。

其中，针肋阵列15中针肋的截面形状为圆形、方形或三角形，阵列中针肋的排列方式采用顺排或叉排。

其中，针肋阵列15的组数大于等于1，针肋高度小于传热片4的厚度。

本发明提出的微型换热器基于流体横掠针肋阵列对流换热理论。针肋形状(圆形、方形、三角形等)，针肋尺寸(高度、当量直径等)，阵列中针肋的排列方式(顺排、叉排等)，阵列中针肋的疏密程度，传热面上针肋阵列的组数等均可根据实际情况优化设计。针肋阵列一方面有效地拓展了传热面，提高了传热效率；另一方面采用优化合理的针肋阵列分组布置方式，可以极大地提高被冷却表面温度分布的均匀性。因此，流体横掠针肋阵列式微型换热器是减小发热器件传热表面最高温度、降低温度变化的有效方法之一。

换热工质可分别选用空气、水、制冷剂等。根据所用工质以及器件最佳工作温度范围，在传热表面上将形成流体横掠针肋阵列的单相流体对流换热、流体横掠针肋阵列的相变换热来实现冷却技术要求。

微型换热器片可选用无氧铜、硅等材料，总体几何形状尺寸可根据被冷却器件尺寸及总体封装要求确定。适用于条形、圆形、方形等发热表面的冷却。

附图说明：

图1：本发明的具有顺排圆形针肋阵列的结构示意图；

图中：1、过流片，2、出流导流片2，3、入流导流片2，4、传热片，5、流体入口，6、流体出口，7、出流通道，8、流体入口，9、流体出口，10、流体入口，11、导流桥，12、入流缝，13、出流缝，14、入流通道；15、针肋阵列(顺排圆形)。

图1(e)：本发明具有顺排圆形针肋阵列的传热片主视图；

图1(f)：本发明具有顺排圆形针肋阵列的传热片A-A剖面图；

图1(g)：本发明具有顺排圆形针肋阵列的传热片B-B剖面图；

图2：具有图1所示结构的本发明示意图；

图中：16、微型换热器；

图3：本发明冷却半导体激光条的示意图；

图中：17、半导体激光条；

图4：本发明的具有叉排圆形针肋阵列的结构示意图；

图中：15、针肋阵列(叉排圆形)；

图5：本发明的具有顺排方形针肋阵列的结构示意图；

图中：15、针肋阵列(顺排方形)；

图6：本发明的具有叉排方形针肋阵列的结构示意图；

图中：15、针肋阵列(叉排方形)；

图7：本发明冷却大功率半导体激光器阵列的示意图；

图中：18、电源正极，19、绝缘层，20、光线，21、入口管，22、出口管，23、密封圈；

图8：传热片上具有流体入口、出口的换热器结构示意图。

图中：24、流体入口，25、流体出口。

具体实施方式：

下面结合附图具体说明本发明的具体实施方式：

一种流体横掠针肋阵列式微型换热器，如图1所示，包括有依次重叠封装在一起的过流片1，出流导流片2，入流导流片3，传热片4；过流片1上开有与外部管路连接的流体入口5和流体出口6；出流导流片2上设有出流通道7，在与过流片1上的流体入口5和流体出口6相对应的位置分别开有流体入口8和流体出口9；入流导流片3上在与过流片1上的流体入口5相对应的位置也设有流体入口10，其上还设有导流桥11、入流缝12和出流缝13，微型换热器封装后导流桥11可将出流通道7和流体出口9连通；封装后，过流片1上流体入口5、出流导流片2上流体入口8、入流导流片3上流体入口10与传热片4上入流通道14连通；传热片4上的针肋阵列15设置在传热片4上的凹槽内，用蚀刻方法加工入流通道14和针肋阵列15。

本发明提出的针肋阵列15的组数根据被冷却器件对温度分布的要求设计，增加组数可以提高换热面温度分布的均匀性，但是需要相应增加入流缝12和出流缝13的数量。为更清楚地描述传热片4的结构，图1(e)、图1(f)和图1(g)分别给出了传热片4的主视图、传热片A-A剖面图和传热片B-B剖面图。

如图2所示，将换热器各片组合封装后形成流体横掠针肋阵列式微型换热器16。在换热器内部可形成封闭的流体循环，流体流经顺序为：流体入口5、流体入口8、流体入口10、入流通道14、入流缝12、针肋阵列15、出流缝13、出流通道7、导流桥11、流体出口9和流体出口6。冷却流体经入流缝12进入后，将分为两路沿着与传热面平行的方向流动，横向掠过针肋阵列15，从传热面和针肋表面吸收热量，最后经出流缝13流出换热面。

下面具体说明本发明的5种实施例：

实施例1：

如图3所示，用流体横掠针肋阵列式微型换热器冷却半导体激光条17，一种典型半导体激光条17的长度、宽度、厚度的尺寸为10000×1000×115微米³，其中有数个均匀排列的激光发射器，流体横掠针肋阵列式微型换热器16由图1所示的过流片1，出流导流片2，入流导流片3，传热片4依次焊接而成，每片均为长方形，宽度与半导体激光条17的长度相同，半导体激光条17固定在传热片4上，顺排圆形针肋阵列15由三组共72个直径为300微米的圆形针肋组成，针肋的高度为传热片4厚度的一半，为300微米，针肋顺排布置。入流缝12有三条和出流缝13有四条。过流片1、出流导流片2、入流导流片3的厚度均为300微米，传热片4的厚度为600微米。在流体横掠针肋阵列式微型换热器内部可形成封闭的流体循环，流体流经顺序为：流体入口5、流体入口8、流体入口10、入流通道14、入流缝12、顺排圆形针肋阵列15、出流缝13、出流通道7、导流桥11、流体出口9和流体出口6。冷却流体经入流缝12进入后，将分为两路沿着与传热面平行的方向流动，横向掠过顺排圆形针肋阵列15，从传热面和针肋表面吸收热量，最后经出流缝13流出换热面，将激光发射器产生并传到传热片4上的热量带走，实现了高热流通量传热。

实施例2：

如图4所示，在传热片4上的针肋阵列15采用叉排布置，整个针肋阵列18由三组共66个直径为300微米的圆形针肋组成，针肋的高度为传热片4厚度的一半，为300微米。过流片1、出流导流片2、入流导流片3的厚度均为300微米，传热片4的厚度为600微米。在流体横掠针肋阵列式微型换热器内部可形成封闭的流体循环，流体流经顺序为：流体入口5、流体入口8、流体入口10、入流通道14、入流缝12、叉排圆形针肋阵列15、出流缝13、出流通道7、导流桥11、流体出口9和流体出口6。冷却流体经入流缝12进入后，将分为两路沿着与传热面平行的方向流动，横向掠过叉排圆形针肋阵列15，从传热面和针肋表面吸收热量，最后经出流缝13流出换热面，将激光发射器产生并传到传热片4上的热量带走，实现了高热流通量传热。

实施例3：

如图5所示，在传热片4上的针肋阵列15采用顺排布置，整个针肋阵列15由三组共72个截面为正方形(300×300微米²)的针肋组成，针肋的高度为传热片4厚度的一半，为300微米。过流片1、出流导流片2、入流导流片3的厚度均为300微米，传热片4的厚度为600微米。在流体横掠针肋阵列式微型换热器内部可形成封闭的流体循环，流体流经顺序为：流体入口5、流体入口8、流体入口10、入流通道14、入流缝12、顺排方形针肋阵列15、出流缝13、出流通道7、导流桥11、流体出口9和流体出口6。冷却流体经入流缝12进入后，将分为两路沿着与传热面平行的方向流动，横向掠过顺排方形针肋阵列15，从传热面和针肋表面吸收热量，最后经出流缝13流出换热面，将激光发射器产生并传到传热片4上的热量带走，实现了高热流通量传热。

实施例4：

如图6所示，在传热片4上的针肋阵列15采用叉排布置，整个针肋阵列15由三组共66个截面为正方形(300×300微米²)的针肋组成，针肋的高度为传热片4厚度的一半，为300微米。过流片1、出流导流片2、入流导流片3的厚度均为300微米，传热片4的厚度为600微米。在流体横掠针肋阵列式微型换热器内部可形成封闭的流体循环，流体流经顺序为：流体入口5、流体入口8、流体入口10、入流通道14、入流缝12、叉排方形针肋阵列15、出流缝13、出流通道7、导流桥11、流体出口9和流体出口6。冷却流体经入流缝12进入后，将分为两路沿着与传热面平行的方向流动，横向掠过叉排方形针肋阵列15，从传热面和针肋表面吸收热量，最后经出流缝13流出换热面，将激光发射器产生并传到传热片4上的热量带走，实现了高热流通量传热。

实施例5：

如图7所示，采用本发明冷却大功率半导体激光器阵列，该阵列由M个发光单元组成，在本实施例中M＝4，每个发光单元间涂有绝缘层19；每个发光单元包括：电源正极18、微型换热器16、及置于它们之间的半导体激光条17和绝缘层19，微型换热器16同时作为电源负极，半导体激光条17在电场的作用下发出光线20。流体经入口管21分别进入每个微型换热器16，经出口管22流出；入口管21、出口管22与微型换热器16之间有橡胶密封圈23密封。

在本实施例中，最上方的微型换热器16与图1所示结构相同，即传热片4上无流体入口和流体出口，下方的微型换热器16的传热片4上在与过流片1上的流体入口5和流体出口6相对应的位置分别加工有流体入口24和流体出口25，如图8所示，这样，冷却流体可以经过同一根入口管分别进入每个微型换热器，并经同一出口管流出，实现了对大功率半导体激光器叠阵的冷却。

Claims (3)

1、一种流体横掠针肋阵列式微型换热器，其特征在于：包括有依次重叠封装在一起的过流片(1)，出流导流片(2)，入流导流片(3)，传热片(4)；过流片(1)上开有与外部管路连接的流体入口(5)和流体出口(6)；出流导流片(2)上设有出流通道(7)，在与过流片(1)上的流体入口(5)和流体出口(6)相对应的位置分别开有流体入口(8)和流体出口(9)；入流导流片(3)上在与过流片(1)上的流体入口(5)相对应的位置也设有流体入口(10)，其上还设有导流桥(11)、间隔布置的入流缝(12)和出流缝(13)；传热片(4)上设有入流通道(14)和针肋阵列(15)；其中，过流片(1)，出流导流片(2)，入流导流片(3)，传热片(4)上各自的流体通道之间互不连通；封装后，过流片(1)上流体入口(5)、出流导流片(2)上流体入口(8)、入流导流片(3)上流体入口(10)与传热片(4)上入流通道(14)连通；传热片(4)上的针肋阵列(15)设置在传热片(4)上的凹槽内；入流导流片(3)上的入流缝(12)和出流缝(13)设置在与传热片(4)上针肋阵列(15)相对应的位置，入流通道(14)与入流缝(12)导通，出流缝(13)与出流通道(7)导通，入流导流片(3)上的导流桥(11)将出流导流片(2)上的出流通道(7)和流体出口(9)导通。

2、根据权利要求1所述的一种流体横掠针肋阵列式微型换热器，其特征在于：所述的针肋阵列(15)中针肋的截面形状为圆形、方形或三角形，阵列中针肋的排列方式采用顺排或叉排。

3、根据权利要求1或2所述的一种流体横掠针肋阵列式微型换热器，其特征在于：所述的针肋阵列(15)的组数大于等于1，针肋高度小于传热片(4)的厚度。

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