CN101778554A - 散热系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种散热系统，包括：微通道热沉系统、微泵装置、动力补给系统和供电装置，微通道热沉系统用于接触发热部件，实施冷却；微泵装置与散热系统的管路联接，消耗供电装置提供的电能为散热系统中的工作流体提供循环动力；动力补给系统利用工作流体的余热产生额外电能，补给微泵装置；供电装置具有外加电源和动力补给系统并入的电源，将动力补给系统产生的电能并入外加电源，通过串联电路共同给微泵装置供电。本发明的散热装置具有高换热强度以及自适应特性，适用于小尺寸、高热流密度发热部件，如电子器件、激光器件等。

Description

散热系统

技术领域

本发明涉及一种高换热强度的散热装置。

背景技术

随着科学技术往微型化方向的发展，对在微小尺度下系统的热管理提出了巨大挑战。在航空航天领域，随着各大国在空间站、航天飞机和远距离探测飞船等载人航天领域的发展，航天器载重与其有限空间之间的矛盾日益突出，从而使散热问题显得异常重要，如何在很小的空间内实现有效地热管理，成为决定一个国家载人航天技术水平的重要指标之一。此外，在半导体领域，伴随着MEMS技术的进步，各类电子器件精密程度不断升高，导致单位面积产热热流密度急剧增加，当前计算机芯片的功率密度已达到10⁷W/m²，甚至更高，几乎比现代商用轻水反应堆堆芯平均功率密度高出2～3个数量级。显然，提供有效的冷却手段已经成为维系电子技术发展和保障系统安全稳定运行的关键。

目前，微小尺度下高效散热方式主要有以下几种：

自然对流冷却，这种方式散热功率低，一般在1W/cm²量级，显然，已经远不能满足现代散热需求；

热沉强制对流散热，这种冷却方式是目前计算机芯片散热的主要方式，这种方式散热量可以达到100W/cm²，但是这种冷却方式震动(噪音)大，并且目前市场上CPU散热量已接近或超过100W/cm²，因此，急需更高效的散热方式；

微通道热沉冷却，由各种形式的微流道组成，靠工作流体携带热量实现冷却，是目前最有应用前景的冷却方式之一。

在微通道热沉冷却系统里，高效换热的微通道热沉结构和工作流体的驱动力是两大关键环节。目前普遍采用的微通道热沉结构未能充分地实现换热最大化以及降低换热经济性，即降低换热与泵功率的比值。在进一步加强换热能力和降低外加驱动力方面尚有很大的进步空间。

发明内容

鉴于上述技术问题，本发明提供一种散热装置，其具有自适应特性，适用于小尺寸、高热流密度发热部件，如电子器件、激光器件等。

本发明所涉及的散热装置，包括：微通道热沉系统、微泵装置、动力补给系统和供电装置，微通道热沉系统用于接触发热部件，实施冷却；微泵装置与散热系统的管路联接，消耗供电装置提供的电能为散热系统中的工作流体提供循环动力；动力补给系统利用工作流体的余热产生额外电能，补给微泵装置；供电装置具有外加电源和动力补给系统并入的电源，将动力补给系统产生的电能并入外加电源，通过串联电路共同给微泵装置供电。

在上述的散热装置中，所述微通道热沉系统由顶盖板、引流板和热沉板按照从上到下的顺序封装而成。

在上述的散热装置中，所述热沉板由入口导流区、出口导流区和散热区组成，所述入口导流区从末端到微通道入口处宽度逐渐缩小；所述出口导流区从微通道出口处到末端宽度逐渐增加；所述散热区由水力直径不一的N种微通道通过N级组合而成，各个所述微通道是通过蚀刻、光刻在导热性能优越的金属板或硅板上加工出的槽道，所述微通道的水力直径范围在1-1000微米范围，其中N≥2。

在上述的散热装置中，所述散热区由水力直径不一的N种微通道平行布置而成。

在上述的散热装置中，所述N种微通道的各种微通道的深度相同，深度范围为1-1000微米，所述微通道的深度与第一级或第二级微通道的宽度相同。

在上述的散热装置中，所述微通道的N级组合的各级组合的交界面上通道间固壁顶端为直线、半圆、或三角，所述三角的顶角范围为30°-90°。

在上述的散热装置中，所述微通道的长度由下列公式1求得：

公式1

式中，L为微通道的某级长度，D为该级水力直径，Re为该级入口Reynolds数，T^*为无量纲温度，定义为： $T^{*}=\frac{T_w-T_0}{T_0},$ 式中T_w为热沉部分固体温度，T₀为工作流体入口温度；x为工作流体的动量调节系数。

在上述的散热装置中，从入口到出口各级通道水力直径逐级递减。

在上述的散热装置中，所述组合为单侧布置、或者多侧布置，相邻两侧共享工作流体入口。

在上述的散热装置中，所述动力补给系统包括热电部件，所述热电部件的热端与所述微通道热沉系统出口高温工作流体联通，通过与所述热电部件冷端温差产生电能。

本发明的有益效果在于：根据本发明，可以实现高换热强度的散热装置，其具有自适应特性，适用于小尺寸、高热流密度发热部件，如电子器件、激光器件等。

附图说明

图1是本发明的散热系统的原理图；

图2是本发明的一实施例的单侧三级微通道热沉系统装配图；

图3是微通道热沉结构M的局部放大图；

图4是微通道热沉结构N的局部放大图；

图5是现有技术的微通道热沉结构的一例局部放大图；

图6是现有技术的微通道热沉结构的另一例局部放大图；以及

图7是本发明的另一实施例的两侧三级微通道热沉系统装配图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的系统、局部结构和技术细节作进一步详细说明。

图1是本发明的散热系统的原理图，如图1所示，整个散热系统由微通道热沉系统1、微泵装置2、动力补给系统3和供电装置4组成自循环系统。工作流体在微通道热沉系统1中冷却发热部件，高温的工作流体从微通道热沉系统1中流出后进入动力补给系统3，通过由热电材料构成的热电部件利用工作流体与环境温差产生电能，辅助供电装置4给微泵装置2提供能源，整个散热系统中工作流体的驱动力来自微泵装置2。根据本发明，工作流体可以是空气、氮气、水或各种制冷剂等，它们都能实现本发明的高效散热的目的。

本发明的微通道热沉系统1由顶盖板5、引流板6和热沉板7按照从上向下的顺序封装而成。图2是本发明一个实施例的三级微通道热沉系统装配图。顶盖板5由导热性能优越的金属板或硅板制成，上表面开圆孔以便和管路联接，构成回路，下表面打通成矩形与引流板上矩形孔联通。引流板6介于顶盖板5和热沉板7之间，由在导热性能优越的金属板或硅板上加工出矩形通孔实现工作流体的引流。热沉板7由在导热性能优越的金属板或硅板上蚀刻、光刻或采用其他加工方式加工出的水力直径不一的3种微通道通过3级组合而成，所说的微通道水力直径范围在1-1000微米范围。如图2所示，热沉板7又分入口导流区A、出口导流区C和散热区B，入口导流区A的宽度逐渐减小，出口导流区C宽度逐渐增大，这种布置可以减小局部压力损失，使流动更均匀。

图3是微通道热沉结构M的局部放大图；图4是微通道热沉结构N的局部放大图；图5是现有技术的微通道热沉结构的一例局部放大图；图6是现有技术的微通道热沉结构的另一例局部放大图。

下面从理论上详细说明本发明中热沉结构的优越性。众所周知，内流换热入口段换热强度最大，随着边界层的发展，换热减弱，因此高效利用入口段和破坏边界层的发展成为提高换热强度的关键。本发明提出了一种新型微通道热沉结构，这种结构充分利用了微尺度条件下换热的入口段效应。具体而言，流体在入口导流区A中流向散热区B，由于导流区A相对于散热区B属于大尺寸，因此，流向散热区B的各个微小通道入口的工作流体可以认为是均匀入口速度。此时在刚进入散热区B的部分散热最强，随后流体流动与换热均进入发展阶段，由于入口段换热强度最大，本发明设计的各种水力直径的微通道中流体流动换热均处于入口段，为保障该关键点的实现，设计各级长度时，采用下面公式1进行计算：

公式1

式中，L为某级长度，D为该级水力直径，Re为该级入口Reynolds数，T^*为无量纲温度，定义为： $T^{*}=\frac{T_w-T_0}{T_0},$ 式中T_w为热沉部分固体温度，T₀为工作流体入口温度；x为工作流体的动量调节系数。

当工作流体在第一级通道中还处于高换热的入口段并且未进入充分发展段时，工作流体即进入下一级通道，这时上一级的边界层处于下一级的主流区，工作流体的流动和换热重新发展，即相当于重新进入新的流道，使得新的一级里流动和换热依旧处于入口段。并且这里流体流动被下一级通道固壁扰动，也会强化传热，同时由于是顺流，压力损失也很小。上述原理解释了本发明实现换热最大化以及降低换热经济性的原因。

本发明中的微通道热沉系统的结构可以由N级构成，图2所示的是根据本发明实施例的三级微通道热沉系统，根据本发明还可以设计出各种不同水力直径组合成的不同级数的散热结构，需要指出，不是级数越多或各级通道水力直径越小散热效果越好，需要根据实际散热要求和换热经济性进行合理配置。此外，本发明还可以布置成多侧多级，这种布置方式适合于待冷却部件面积较大，散热强度很大的情况，图7给出了其中一种两侧三级微通道热沉系统的装配图。根据散热实际，在布置方便的前提下，可以选择合适的侧数与级数。

本发明的自适应功能主要由动力补给系统3实现。动力补给系统3的核心部件为高性能热电材料，热电材料的热端由从微通道热沉系统1流出的高温工作流体提供余热，冷端与环境大气或者与低温或极低温流体如冰水、液氮等接触，利用散热后的高温工作流体与冷端的温差，产生电能。再将此处产生的电能通过电路与外加电源串联，并入驱动系统，提供微泵装置2动力，使得本发明具有自适应功能。具体而言，如果被散热部件的温度高，从微通道热沉系统1流出的工作流体温度就高，与热电材料冷端的温差就大，产生的额外能源就多，提供给微泵的动力就大，流体循环动力就强，那么整个散热系统的散热能力就会提高，从而实现自动调节功能。

在本发明中，所说的微通道热沉系统，核心是本发明提出的一种新型微通道热沉结构，具体而言，热沉由水力直径不一(水力直径范围在1-1000微米范围)的N(N大于或等于2)种微通道通过N级组合而成，这种结构利用了微尺度条件下换热的入口段效应，实现换热最大化，同时由于热沉由多级不同水力直径微通道构成，比单纯采用极小直径微通道热沉压损小，换热强度大经济性好。微通道热沉系统通过热沉的封装以及进出口管线的连接接入整个系统。

所说的驱动系统，包含微泵和相应供电电路，微泵提供工作流体驱动力，供电电路有外加电源和动力补给系统并入的电源，通过串联电路共同给微泵提供电源。

所说的动力补给系统，该系统使得整个散热装置具有自适应功能。作为核心部件的热电部件由高性能热电材料构成，利用散热后的高温工作流体与热电材料冷端的温差，产生能源，并入驱动系统，使得本发明具有自适应功能。即根据被散热部件的温度高低，能产生大小不同的额外能源，提供给工作流体驱动装置一一微泵装置，实现自动调节功能。

该热沉结构充分利用微尺度下换热入口段特性，具有新型散热结构，换热强度大；动力补偿系统充分利用出口高温流体与环境温差，借助高性能低温差热电材料，产生电能补给微泵装置提供循环动力，使整个散热系统具有自适应特性；同时利用微型泵提供整个散热装置所需流体循环动力。整个散热系统散热强度大，换热效率高，并且具有自适应特性，非常适用于高热流密度、微小尺寸发热部件上。

如上所述，对本发明的实施例进行了详细地说明，但是只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果可以有很多的变形，这对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，这样的变形例也全部包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种散热系统，其特征在于，包括：微通道热沉系统、微泵装置、动力补给系统和供电装置，

所述微通道热沉系统用于接触发热部件，实施冷却；

所述微泵装置与所述散热系统的管路联接，消耗所述供电装置提供的电能为所述散热系统中的工作流体提供循环动力；

所述动力补给系统利用所述工作流体的余热产生额外电能，补给所述微泵装置；

所述供电装置具有外加电源和所述动力补给系统并入的电源，将所述动力补给系统产生的电能并入所述外加电源，通过串联电路共同给所述微泵装置供电。

2.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于，

所述微通道热沉系统由顶盖板、引流板和热沉板按照从上到下的顺序封装而成。

3.根据权利要求2所述的散热装置，其特征在于，

所述热沉板由入口导流区、出口导流区和散热区组成，

所述入口导流区从末端到微通道入口处宽度逐渐缩小；

所述出口导流区从微通道出口处到末端宽度逐渐增加；

所述散热区由水力直径不一的N种微通道通过N级组合而成，各个所述微通道是通过蚀刻、光刻在导热性能优越的金属板或硅板上加工出的槽道，所述微通道的水力直径范围在1-1000微米范围，其中N≥2。

4.根据权利要求3所述的散热装置，其特征在于，所述散热区由水力直径不一的N种微通道平行布置而成。

5.根据权利要求4所述的散热装置，其特征在于，

所述N种微通道的各种微通道的深度相同，深度范围为1-1000微米，

所述微通道的深度与第一级或第二级微通道的宽度相同。

6.根据权利要求5所述的散热装置，其特征在于，所述微通道的N级组合的各级组合的交界面上通道间固壁顶端为直线、半圆、或三角，所述三角的顶角范围为30°-90°。

7.根据权利要求6所述的散热装置，其特征在于，所述微通道的长度由下列公式1求得：

$L/D=[0.02847\mathrm{Re}\ln \left(\frac{T*-0.02528}{2.22\×{10}^{-4}}\right)+$

$(-0.18754+1.0674T*)](0.2555\ln \left(x\right)+1.0343)$ 公式1

式中，L为微通道的某级长度，D为该级水力直径，Re为该级入口Reynolds数，T^*为无量纲温度，定义为： $T^{*}=\frac{T_w-T_0}{T_0},$ 式中T_w为热沉部分固体温度，T₀为工作流体入口温度；x为工作流体的动量调节系数。

8.根据权利要求7所述的散热装置，其特征在于，从入口到出口各级通道水力直径逐级递减。

9.根据权利要求2所述的散热装置，其特征在于，所述组合为单侧布置、或者多侧布置，相邻两侧共享工作流体入口。

10.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于，所述动力补给系统包括由热电材料构成的热电部件，所述热电部件的热端与所述微通道热沉系统出口高温工作流体联通，通过与所述热电部件冷端温差产生电能。

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