CN103954162B - 一种强化微通道换热的低阻水力空化结构 - Google Patents

一种强化微通道换热的低阻水力空化结构 Download PDF

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Abstract

一种强化微通道换热的低阻水力空化结构，主要包括：一基底平板，该基底平板上均匀平行地设置有若干冷却微通道；冷却微通道的一端为入口，另一端为出口，入口设有流量分配腔，出口设有液体汇集腔；在流量分配腔与液体汇集腔之间的各冷却微通道中设有诱发空化现象的渐缩-渐扩水力结构；渐缩-渐扩水力结构的喉部段长度与冷却微通道宽度的比值为0.1～1，渐缩-渐扩水力结构的渐缩段入口锥角为15～45°，渐缩-渐扩水力结构的渐扩段出口锥角为15～90°。本发明可以在强化微通道换热的同时，降低液体的流动阻力损失，减少为了诱发空化而额外增加的泵功输入。

Description

一种强化微通道换热的低阻水力空化结构
技术领域
本发明属于高效冷却技术领域，具体地涉及一种强化微通道换热的低阻水力空化结构。
背景技术
微通道热沉以高效的冷却能力、简单的冷却结构以及良好的兼容性，已成为微电子器件行业最具发展潜力的高效冷却方式。然而，随着电子元器件集成度的不断提高，其功率密度急剧上升，以大功率器件(如IGBT)和激光二极管(DL)列阵等器件为例，其功率密度已达数百瓦、甚至千瓦量级，其中50％以上的功率以热量的形式消耗。面对如此高的热流密度，传统微通道结构的冷却能力已无法满足其冷却要求，迫切需要研发强化微通道换热的新型冷却结构和方法。近年来，国外研究学者借助实验研究手段发现，通过在微通道热沉中置入水力结构诱发空化现象，可以显著强化微通道传热，从而提高微通道热沉的换热能力(参考文献：Schneider B.,etal.,Cavitation Enhanced Heat Transfer in Microchannels,ASME J.HeatTransfer,2006,128:1293-1301)。在此基础上，蔡军等人申请了发明专利“一种微通道热沉及微通道热沉性能测试装置”(专利号：ZL201210090080.5)。不过，上述文献和专利涉及的空化诱发结构均为流动界面突缩的水力结构，流动阻力比较大，传热性能的提高以大幅增加泵功为代价。
发明内容
本发明的目的在于提供一种强化微通道换热的低阻水力空化结构。
为实现上述目的，本发明提供的强化微通道换热的低阻水力空化结构，包括：
一基底平板，该基底平板上均匀平行地设置有若干冷却微通道；
冷却微通道的一端为流体入口，另一端为流体出口，流体入口设有流量分配腔，流体出口设有液体汇集腔；
在流量分配腔与液体汇集腔之间的各冷却微通道中设有诱发空化现象的渐缩-渐扩水力结构；
渐缩-渐扩水力结构的喉部段长度与冷却微通道宽度的比值为0.1～1，渐缩-渐扩水力结构的渐缩段入口锥角为15～45°，渐缩-渐扩水力结构的渐扩段出口锥角为15～90°。
所述的强化微通道换热的低阻水力空化结构，其中，冷却微通道通过化学蚀刻或者激光方法加工，其宽度d的范围为20～500μm，高度h的范围为20～200μm。
所述的强化微通道换热的低阻水力空化结构，其中，渐缩-渐扩水力结构在每个冷却微通道中的数量按以下公式确定：n是渐缩-渐扩水力结构的数量；符号代表向下取整；Lm为冷却微通道的长度；Lc为渐缩-渐扩水力结构的长度；W为各冷却微通道中，相邻两个渐缩-渐扩水力结构中的上一个渐缩-渐扩水力结构的出口至下一个渐缩-渐扩水力结构的入口之间的距离，W的范围为5～30mm。
所述的强化微通道换热的低阻水力空化结构，其中，渐缩-渐扩水力结构的入口宽度d1和出口宽度d2等于冷却微通道的宽度d。
所述的强化微通道换热的低阻水力空化结构，其中，渐缩-渐扩水力结构的喉部宽度与冷却微通道宽度比值d0/d的范围为0.1～0.5。
本发明提供的低阻水力空化结构通过确定了渐缩-渐扩水力结构的各种几何参数(如喉部宽度、喉部长度、入口锥角以及出口锥角等)的最佳范围，可以在强化冷却微通道换热的同时，降低液体的流动阻力损失，减少为了诱发空化而额外增加的泵功输入，取得较好的空化和强化换热效果。
附图说明
图1是本发明的置入水力空化结构的微通道热沉立体示意图。
图2a是图1中微通道热沉的二维平面示意图。
图2b是图2a沿A-A线的剖面侧视图。
图3是图2a中B部分所示水力空化结构的放大示意图。
图4a是本发明的实际微通道热沉的空化效果。
图4b是本发明的实际微通道热沉的强化换热结果。
具体实施方式
以下结合附图1～4对本发明的具体实施方式进行说明。
如图1和图2a、图2b所示，本发明所述的强化微通道换热的低阻水力空化结构，包括：基底平板1、冷却微通道2、微通道入口流量分配腔3、微通道出口液体汇集腔4以及诱发空化现象的水力结构5。
基底平板1上均匀平行地设置有若干冷却微通道2，冷却微通道，的一端为流体入口，另一端为流体出口，流体入口设有流量分配腔3，流体出口设有液体汇集腔4，在流量分配腔3与液体汇集腔4之间的各冷却微通道2中设有诱发空化现象的渐缩-渐扩水力结构5。
每个冷却微通道中的渐缩-渐扩水力结构的数量视冷却微通道总长度而定，具体地是按以下公式确定：
式中：n是渐缩-渐扩水力结构的数量；
符号代表向下取整；
Lm为冷却微通道的长度；
Lc为渐缩-渐扩水力结构的长度；
W为各冷却微通道中，相邻两个渐缩-渐扩水力结构中的上一个渐缩-渐扩水力结构的出口至下一个渐缩-渐扩水力结构的入口之间的距离，W的范围为5～30mm。
请结合图3，水力结构的入口宽度d1和出口宽度d2等于冷却微通道的宽度d，喉部宽度与冷却微通道宽度比值d0/d的范围为0.1～0.5，喉部段长度L与冷却微通道宽度d的比值L/d的范围为0.1～1，渐缩段入口锥角α的范围为15～45°，渐扩段出口锥角β的范围为15～90°。
液体进入热沉之后，经过流量分配腔3的分配作用，均匀流入到各个冷却微通道中，当流体达到水力结构5的入口时，由于流通截面积逐渐缩小，液体速度增加导致内部静压降低，当液体到达水力结构5的喉部时，液体流速达到最大值，液体静压降到最低值，从而诱发空化现象的产生。随着液体继续向下水力结构5的下游流动，其流通截面积逐渐扩大，液体速度逐渐减小，液体静压上升，由于液体压力的恢复，将迫使之前产生的空化气泡发生溃灭现象，形成液体微射流，从而对液体形成扰动并且对加热壁面形成冲击，微通道局部换热得以强化。当液体流经每个渐缩-渐扩水力结构时，都将经历相同的情况，从而使整个微通道热沉的换热能力得到提升。与此同时，由于引入了渐缩-渐扩水力空化结构，相对于矩形限流空化结构(ZL201210090080.5)，液体的流动阻力损失大幅减少，降低了泵功的输入。
本发明的渐缩-渐扩水力结构其喉部宽度、入口锥角和出口锥角是非常重要的参数，这些参数只有处于最佳范围，才能取得最好的空化和强化换热效果。图4a所示为根据本发明构思加工制作的实际微通道热沉的空化效果，图4b所示为根据本发明构思加工制作的实际微通道热沉的和实际换热能力。可以看出，冷却微通道内存在空化流动时其换热能力明显高于非空化流动。
以上内容是结合具体实施例对本发明所作的进一步阐述，并不代表本发明的实施方式仅限与此，在不脱离本发明构思的前提下做出的任何替换方式都视为本发明所提交的权利要求确定的保护范围。

Claims (3)

1.一种强化微通道换热的低阻水力空化结构，主要包括：
一基底平板，该基底平板上均匀平行地设置有若干冷却微通道；
冷却微通道的一端为流体入口，另一端为流体出口，流体入口设有流量分配腔，流体出口设有液体汇集腔；
在流量分配腔与液体汇集腔之间的各冷却微通道中设有诱发空化现象的渐缩-渐扩水力结构，渐缩-渐扩水力结构在每个冷却微通道中的数量按以下公式确定：
n是渐缩-渐扩水力结构的数量；
符号代表向下取整；
Lm为冷却微通道的长度；
Lc为渐缩-渐扩水力结构的长度；
W为各冷却微通道中，相邻两个渐缩-渐扩水力结构中的上一个渐缩-渐扩水力结构的出口至下一个渐缩-渐扩水力结构的入口之间的距离，W的范围为5～30mm；
渐缩-渐扩水力结构的喉部段长度与冷却微通道宽度的比值为0.1～1，渐缩-渐扩水力结构的渐缩段入口锥角为15～45°，渐缩-渐扩水力结构的渐扩段出口锥角为15～90°。
2.如权利要求1所述的强化微通道换热的低阻水力空化结构，其中，渐缩-渐扩水力结构的入口宽度和出口宽度等于冷却微通道的宽度。
3.如权利要求1所述的强化微通道换热的低阻水力空化结构，其中，渐缩-渐扩水力结构的喉部宽度与冷却微通道宽度比值范围为0.1～0.5。
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