CN103327792A - 一种无源驱动的微通道散热冷却装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于高功率微电子器件或LED灯的无源驱动微通道散热冷却装置，包括铜板块微通道阵列热沉、铜毛细管和注液口。铜板块热沉内每个微通道两端都包含一个阶梯状突扩，用于和外部毛细管直接插拔连接，两者通过胶接或银焊密封。铜板块热沉和毛细管连接构成三维空间结构后可充注一定体积的液体工质，在加热状态下热沉微通道内的工质能够发生相变和大幅振荡运动，将热量从热沉内的吸热工质传递至毛细管，并由毛细管侧的自然对流或风扇强制对流将热量散发至周围环境，实现对与热沉连接的发热器件的散热冷却目的。本发明具有结构紧凑、制作成本低、无需外加辅助装置和能够长期稳定运行的特点。

Description

一种无源驱动的微通道散热冷却装置

技术领域

本发明涉及高功率微电子器件或LED灯的散热冷却技术领域，具体涉及到一种无源，即无外加辅助装置或设备驱动的微通道冷却装置。

背景技术

近年来，随着微电子技术的迅猛发展，各种信息通讯产品正以前所未有的速度实现高度集成化和微小型化，直接导致其工作热负荷和单位面积发热量的显著增加，由于热对电子元器件的负面影响很大，散热问题日益突出，并成为制约其发展的重要瓶颈。

散热问题同样影响着基于照明用途的大功率LED灯。大功率LED灯在使用过程中若不能及时改善散热条件、排除周围聚集的高热量，其温度将迅速上升，严重缩短其使用寿命。

对于上述高功率的微电子器件和LED灯，传统的翅片加风扇冷却的方式已越来越难以满足其高强度的散热要求。为此，近年来有不少学者提出采用微通道（或微槽道）热沉的液体强制循环冷却方式来解决该问题。如专利号为200710008315，名称为“微通道散热装置”公开了一种利用微通道和与之相连的歧管的装置对电子器件进行散热。微通道当量直径一般只有数百微米，因此由微通道阵列构成的热沉整体尺寸较小，可以很好地满足目前微电子器件或LED灯对使用紧凑式散热器的要求；同时，微通道和常规通道相比其换热面积-体积比显著提高，具有更强的散热冷却能力（可达数十W/cm²到数百W/cm²）。但微通道受迫对流冷却需要外加动力装置或辅助设备，增大了系统的复杂度和成本，并且对外部冷却液和电源依赖较大，降低其安全可靠性，一定程度上制约了其推广应用。

发明内容

本发明的目的是提出一种结构紧凑型的无源驱动微通道散热冷却装置，克服传统微通道散热器需外加动力装置或辅助设备的不足，通过冷却液在微通道内的相变循环运动实现对高功率微电子器件或LED灯的有效冷却，并可以长期稳定可靠运行。

本发明的技术方案为所述装置包括一块含有微通道阵列的金属板块热沉和铜毛细管，金属板块热沉内的微通道与铜毛细血管连接，两者构成三维空间回路结构，所述微通道与铜毛细管内注有冷却工质，所述微通道金属板块热沉底面可直接与高功率微电子器件或LED灯连接。

在金属板块内加工由若干圆形微通道构成的微通道阵列，板块内每个微通道的两侧端口处都留有一个阶梯状突扩，突扩直径可与外部连接的铜毛细管外径相等，而铜毛细管内径大小则与突扩内微通道直径相一致，突扩和铜毛细管能够直接进行插拔连接。由此，毛细管的一端可与微通道的一侧相连，而另一端则与相邻的另一个微通道相连，多根铜毛细管与金属板块微通道连接，其中一根铜毛细管将分别与金属板中最外侧的两个微通道相连，如此可构成三维空间结构的微通道回路。为便于充注工质液体，可将连接金属板块上最外侧两个微通道的毛细管分割为两部分，留出注液口6，并用三通主管道将其连接，三通的分支管可与外部注液管连接。

当金属板块和铜毛细管连接妥当后，通过胶接或银焊工艺将两者在接合处融为一体，由此可避免微通道热沉工作过程中工质液体的泄漏。

通过注液口6对微通道回路先进行抽真空处理，待其内部空气充分排除后可充注一定量的工质液体。液体不能充满微通道回路，充注量可控制在整个微通道内部空间体积的30%-70%，然后对其密封，即可得到紧凑型无源驱动的微通道散热冷却装置。在工作过程中，微通道内的工质处于汽、液塞交替分布的状态。

本发明的无源驱动微通道散热冷却装置的工作原理如下:

带有微通道阵列的金属板块热沉底面与高功率微电子器件或LED灯发热模块平面紧密接触，热量通过金属板块热沉传递至冷却液，汽塞吸热发生膨胀，推动液塞运动，冷却液吸热温度上升到一定程度后也将发生沸腾相变产生气泡，气泡膨胀聚集长大又形成汽塞并进一步推动液塞运动，汽、液塞在热沉微通道内反复来回振荡，冲刷微通道。随着热负荷的增大，汽、液塞的振荡幅度也会相应提高，并将完全跑出微通道热沉，进入直接与外侧空气接触的铜毛细管内，由于外侧铜毛细管的冷却散热面积远大于热沉微通道面积，因此能够通过自然对流或借助风扇强制对流的方式将吸收的热量充分散出。同时，微通道散热冷却装置的三维空间结构本身有利于增强流体工质在微通道内的运动不稳定性，因此在无外加辅助装置或设备的情况下，整个微通道回路内的冷却液能够在金属板块热沉内快速来回振荡运动，当加热负荷较大时甚至可实现单向循环运动（顺时针或逆时针），由此能够通过工质在微通道内的流动沸腾实现对发热模块的散热冷却目的。

本发明相对于现有技术，具有如下优点和效果：

由于采用沸点较低的冷却液，液体在经过金属板块热沉微通道的过程中，通常处于流动沸腾状态，具有极强的冷却温控效果，可以有效保障高功率微电子器件或LED灯的使用温度维持在安全范围以内。因此，本发明在基本保留传统微通道高强度散热冷却特点的同时，有效克服了其使用过程需外加辅助装置或设备的不足，装置整体结构更加紧凑，可靠性增强，同时还具有长期使用无需维护和制作成本低等优点。

附图说明

图1为本发明无源驱动微通道散热冷却装置结构示意图。

图2为本发明无源驱动微通道散热冷却装置的铜毛细管与金属板块热沉内微通道连接示意图。

图3为本发明无源驱动微通道散热冷却装置带相同内径微通道阵列的金属板块热沉。

图4为本发明无源驱动微通道散热冷却装置带两种不同内径微通道阵列的金属板块热沉。

图1中，1为内含微通道阵列的金属板块热沉，2为铜毛细管，6为注液口。图2中， 1为内含微通道阵列的金属板块热沉，2为铜毛细管。图3中，1为内含微通道阵列的金属板块热沉，3为微通道，4为微通道两侧端口外的阶梯状突扩。图4中，1为内含微通道阵列的金属板块热沉，3为微通道，4为微通道两侧端口外的阶梯状突扩，5为大的微通道。

具体实施方式

下面结合具体实施方式及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

如图1至图4所示，本发明实施例的一种无源驱动的微通道散热冷却装置，主要由含有微通道阵列的铜板块热沉1和与微通道3连接的铜毛细管2构成。微通道3截面为圆形，直径在0.2~1.5mm之间，铜毛细管2内径与微通道3直径相等，铜毛细管2的外径与微通道3两侧端口外的阶梯状突扩4圆截面直径相等，突扩4和铜毛细管2能够插拔连接。铜毛细管2与铜板块内微通道3通过高温胶E-7进行密封。为提高胶合效果，首先需将铜毛细管2和带微通道的铜板块1在丙酮溶液中进行超声清洗，去除其表面的油污等杂质。然后，将调制的高温胶均匀涂于铜毛细管2端头，插入铜块内后在其连接处添涂高温胶。最后，将涂有高温胶并接合的铜毛细管2和铜板1块放入烘箱内，在150℃温度下持续加热3小时后铜毛细管2和板块1微通道热沉将完全连接为一体，由此可避免微通道3热沉工作过程中工质液体的泄漏问题。

为使液体工质在微通道内能够大幅快速振荡运动，有效提高对微电子器件或LED灯的冷却温控效果，本发明中需要选择沸点较低和(dp/dT)_sat值较高的液体工质，比如氟碳化合物电子冷却液FC-72、FC-7100和制冷剂R141b等。

在充注液体工质前，需通过注液口6对由铜板块1和铜毛细管2构成的微通道回路进行抽真空处理，待内部空气充分排除后，方可充注一定量的工质液体，充注量可控制在整个铜板块微通道3和铜毛细管2两者内部空间之和的30%-70%，然后将注液口6密封，即可得到无源驱动的微通道散热冷却装置。在铜板块热沉底面一侧，可与高功率发热器件，比如LED灯直接连接，当发热器件将热量传递给热沉微通道内的液体工质后，工质吸热发生相变产生气泡，推动周围的液塞进行不稳定振荡运动，热量通过汽、液塞的运动传递至热沉外与之连接的毛细管内，最终由毛细管通过自然对流或风扇强制对流的方式传递给周围环境，实现冷却的效果。本散热器结构紧凑，利用相变和工质振荡运动的方式实现热量的传递，对高功率发热器件具有很强的散热冷却效果，在发热器件和环境温差作用下能够不借助外力实现长期安全稳定运行。

图3中所示为带相同直径微通道的铜板块热沉2。

图4所示为具有两种交替排列不同微通道圆形截面直径，其包括较大的微通道5，但突扩直径相等的铜板块，而外部与之连接的铜毛细管2则具有与突扩相匹配的外径。与图3中带相同直径微通道3的铜板块热沉2相比，带有微通道3直径交替变化的热沉能够显著增强工质在整个微通道回路内振荡运动的不稳定性，由此加快汽、液塞在热沉微通道内的运动冲刷速度，进而增强其对发热器件的冷却温控效果和自身承载热负荷的能力。对于铜毛细管内径的选择，可与图4中的微通道较小内径3一致，由此可保证其在与微通道热沉连接过程中一端的内径能够直接吻合。但另一端则有所差别（较热沉微通道的直径小），为此可用圆头锉刀打磨该端的毛细管内径，使之与铜板块微通道直径向匹配，通过此方法能够有效减小微通道回路内工质运动因通道直径尺寸不同而造成的阻力增大问题，提高换热冷却效果。

上例详细说明是针对本发明可行的实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (10)

1. 一种无源驱动的微通道散热冷却装置，其特征在于，所述装置包括一块含有微通道阵列的金属板块热沉和铜毛细管，金属板块热沉内的微通道与铜毛细管连接，两者构成三维空间回路结构，所述微通道与铜毛细管内注有冷却工质，微通道金属板块热沉底面可直接与高功率微电子器件或LED灯连接。

2.  根据权利要求1所述的一种无源驱动的微通道散热冷却装置，其特征在于，金属板块热沉内每个微通道的两侧端口处都含有一个阶梯状突扩，所述突扩直径与铜毛细管外径相等，微通道的内径与铜毛细管的内径相同；所述突扩与毛细管通过的连接采用胶接或银焊的方式。

3.根据权利要求1所述的一种无源驱动的微通道散热冷却装置，其特征在于，

所述金属板块热沉微通道的横截面为圆形，微通道的直径在0.2~1.5mm之间。

4.根据权利要求3所述的一种无源驱动的微通道散热冷却装置，其特征在于，所述阵列的金属板块热沉微通道直径相等。

5.根据权利要求3所述的一种无源驱动的微通道散热冷却装置，其特征在于，所述阵列的金属板块热沉微通道直径交替变化。

6.  根据权利要求1所述一种无源驱动的微通道散热冷却装置，其特征在于，由金属板块微通道热沉和铜毛细管构成的三维空间结构是弯曲环形、矩形或者梯形。

7.  根据权利要求1所述一种无源驱动的微通道散热冷却装置，其特征在于，微通道无源驱动冷却装置微通道和铜毛细管内的充注工质所占总体积比为30%-70%。

8.  根据权利要求7所述一种无源驱动的微通道散热冷却装置，其特征在于，所用工质为沸点低和(dp/dT)_sat值较高的液体。

9.根据权利要求8所述一种无源驱动的微通道散热冷却装置，其特征在于，所述工质为氟碳化合物电子冷却液FC-72、FC-7100或制冷剂R141b等。

10.  根据权利要求1所述一种无源驱动的微通道散热冷却装置，其特征在于，所用金属板块热沉材料为是铜或者铝。

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