CN103996665B - 一种采用脉动流及波壁微通道的强化散热装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及散热装置。本发明公开了一种采用脉动流及波壁微通道的强化散热装置，包括微通道散热冷板、脉动泵、冷却器以及连接它们的液体工质注入管道和液体工质回流管道，所述微通道散热冷板为矩形薄板，由微通道热沉和微通道热沉盖板组成，所述微通道热沉沿周边设置有连通的集液腔，所述集液腔包围的部分被位于矩形薄板对称轴上的两条相互垂直的分液腔分为四等份，每一等份中沿所述矩形薄板对角线方向布满微通道，所述微通道为波壁微通道，所述微通道热沉盖板上设置有四个液体工质出口与液体工质回流管道连接，所述微通道热沉盖板上设置有一个液体工质入口与液体工质注入管道连接。本发明充分优化了液体工质流动路径，热交换效率大大提高。

Description

一种采用脉动流及波壁微通道的强化散热装置

技术领域

本发明涉及散热装置，特别涉及一种采用脉动流及分形波壁微通道相结合的强化传热传质技术的微通道散热冷板及装置。

背景技术

自1948年半导体器件问世以来，电子元器件的小型化、微小型化和集成技术迅速发展，新型材料(如SiC和GaN)的出现和应用，使得电子设备的功率密度不断增大。以计算机芯片为例，1971年，Intel公司生产的第一个电子芯片CPU，当时在芯片上面共集成了2300万余个晶体管，到现在计算机CPU上集成的晶体管数己超过10亿个，有学者推算，每18个月芯片上集成的晶体管数翻一翻，这种高集成度给计算机的处理速度和性能带来了质的提升，同时电子芯片上所有元器件的总功率也急剧上升，学者R.Mahajan,R.Nair等的研究表明，CPU的功率每36个月翻一番，预计CPU的散热需求将达到150～200w/cm2以上。现阶段，计算机芯片的散热一直采用传统的强制风冷散热，相比液冷散热，这种散热方式最大的优点就是安全可靠，液冷散热工质泄露可能直接损毁计算机芯片，强制风冷散热主要借助风扇实现空气和散热助片之间的强制对流换热，它不存在工质泄露的问题，对芯片的运行安全没有威胁，但它也有明显的缺点，由于空气的导热系数较低，空气和散热片对流换热带走的热量是有限的，ClemensJ.M等研究表明空气对流散热的极限热流密度不超过50W/cm²，显然这不能满足高集成度计算机CPU芯片的散热需求，不仅在电子芯片的散热领域，随着机械系统向小型化的趋势发展，在航空航天、光伏光热一体化、生物科学、纳米科学等领域的系统散热都是亟待解决的问题，新的高效散热方式研究刻不容缓。尽管强制液冷散热的可靠性存在问题，但由于液体比空气的导热系数高许多，在耗相同的电功的情况下，强制液冷比强制风冷具有更高的散热效率，因此，未来高效散热方式的研究中离不开强制液冷。

现有技术液冷散热系统，一般由微通道散热冷板、脉动泵、冷却器以及连接它们的管道等部分构成。脉动泵驱动液体工质注入微通道散热冷板，进行吸热交换后将微通道散热冷板的热量带回冷却器进行放热交换。液体工质冷却后又通过脉动泵注入微通道散热冷板，完成一次散热循环。这种散热系统中重要部件为微通道散热冷板，是完成传热传质的关键部件。传统的微通道散热冷板，是在很薄的硅片、金属(铝、铜等)薄板或其他合适的材料(称为热沉)表面上加工流体流动通道，盖上热沉盖板密封构成。传统的微通道散热冷板主要存在以下缺陷，散热能力低，壁面温差大，温度分布不均，所需泵送功率大等。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，就是提供一种采用脉动流及波壁微通道的强化散热装置，提高散热效率。

本发明解决所述技术问题，采用的技术方案是，一种采用脉动流及波壁微通道的强化散热装置，包括微通道散热冷板、脉动泵、冷却器以及连接它们的液体工质注入管道和液体工质回流管道，其特征在于，所述微通道散热冷板为矩形薄板，由微通道热沉和微通道热沉盖板组成，所述微通道热沉沿周边设置有连通的集液腔，所述集液腔包围的部分被位于矩形薄板对称轴上的两条相互垂直的分液腔分为四等份，四等份具有相同结构，每一等份中沿所述矩形薄板对角线方向布满微通道，所述微通道一端连接集液腔，一端连接分液腔，所述微通道为波壁微通道，所述分液腔端部通过两条微通道与集液腔连接，所述微通道热沉盖板上设置有四个液体工质出口，其位置分别与集液腔四个拐角处对应，所述微通道热沉盖板上设置有一个液体工质入口，其位置与两条分液腔交叉处对应，所述液体工质出口与液体工质回流管道连接，所述液体工质入口与液体工质注入管道连接。

本发明的散热装置，改进了微通道散热冷板的结构，配合脉动流的液体工质进行热交换，大大提高了散热效率。本发明的微通道散热冷板，被位于矩形薄板对称轴上的两条相互垂直的分液腔分为四个结构和形状完全相同的部分，每一部分中沿矩形薄板对角线方向布满微通道，这些微通道一端连接集液腔，一端连接分液腔。分液腔端部并不直接与集液腔联通，而是通过两条微通道与集液腔连接，进一步增加了液体工质与微通道散热冷板的接触面积。本发明的这种微通道散热冷板，液体工质从矩形薄板中心，即两条分液腔交叉处进入微通道热沉，进行热交换后从集液腔四个拐角处流出。这种液体工质的流动分配路径，保证了充分的热交换和微通道散热冷板温度的均匀性，可以大大提高散热效率。本发明热沉中的微通道为波壁微通道。波壁微通道是一种通道侧壁成波浪形的微通道，液体工质在波壁微通道中流动，经过波浪形的曲折路径，破坏了流体的边界层。与直壁微通道比较，液体工质与固体壁面接触面积大大增加，混流扰动更加充分，热交换效率更高。

优选的，所述冷却器为循环水冷却器。

本方案采用水作为液体工质，具有价格低廉、环保无污染的特点。

进一步的，所述波壁微通道侧壁为正弦曲线或余弦曲线平移构成的曲面。

这种特殊形状的微通道侧壁结构，液体工质在波壁微通道中流动经过的路径为正弦曲线或余弦曲线，与其他结构的波壁微通道比较，除了接触面积大，液体工质混流扰动更加充分外，压力损失更小，流速更快、更均匀是这种正弦曲线或余弦曲线微通道的特点。

进一步的，所述脉动泵脉动频率ω满足关系式：ω＝v/f，其中，f为正弦曲线或余弦曲线频率，v为液体工质流速。

脉动流与周期性波壁微通道结合，是提高散热效率的重要方法，特别是脉动泵脉动频率ω满足关系式ω＝v/f时，散热效率提高非常显著。

优选的，所述矩形板薄板长和宽相等。

这是一种正方形结构的微通道散热冷板，其形状与大多数CPU芯片形状匹配，非常适合这种形状芯片的散热装置采用。由于正方形结构的对称性，配合本发明的微通道分布和结构，能够进一步提高微通道散热冷板温度分布均匀性，充分发挥本发明微通道散热冷板的优势。

优选的，所述分液腔中间部分最宽两端逐渐收缩。

采用这种由中间向两端逐渐收窄的分液腔结构，可以提高各个微通道液体工质流速的均匀性，有利于保证微通道散热冷板温度的均匀性提高散热效率。

进一步的，所述微通道对称分布在所述矩形薄板对角线两边，距离所述对角线越远，微通道宽度递减。

这是一种仿生结构的微通道，分液腔可以看成是树干，微通道即为该树干上的枝桠，从树干下部(分液腔交叉处)往两端，树干逐渐变细，枝桠也越来越细。这种结构能够兼顾流速和压力的平衡，合理分配液体工质，有利于提高散热均匀性和效率。

本发明的有益效果是，微通道散热冷板采用分形微通道结构，液体工质从微通道散热冷板中心进入，经过各个微通道从四角流出，充分优化了液体工质流动路径，使得进入热沉的液体工质，分布更加均匀，热交换效率大大提高。波壁微通道进一步增加了液体工质与热沉的接触面积，破坏微通道中流体的边界层，大大增加流体的相互渗混与扰动，热交换效率进一步提高。本发明的散热装置，采用脉动流和微通道相结合的强化传热传质技术，脉动流场增强了流体的扰动和相互渗混，与本发明的微通道散热冷板结合可以显著的提高散热效率。进一步采用仿生学原理设计的微通道散热冷板，能提高壁面温度分布的均匀性。将其应用于CPU的散热，可以良好的对CPU进行散热，使其温度更低，温度分布更加均匀，不会出现局部温度过高，散热不均的情况。

附图说明

图1是实施例1结构示意图；

图2是实施例1微通道散热冷板结构示意图；

图3是实施例1微通道热沉的主视图；

图4是定常流和脉动流场下波璧微通道热沉盖板与直璧微通道热沉盖板的温度分布等值线图。

图中，11为微通道热沉；12为微通道热沉盖板；111为微通道；1110为侧壁；112为分液腔；113为积液腔；121为液体工质入口；122液体工质出口；1为微通道散热冷板；2为脉动泵；3为冷却器；4为管道；5为CPU芯片；6为机箱；31为密封口；41为工质注入管道；42为工质回流管道；OX、OY为两条垂直的对称轴；d1、d2…dn为微通道宽度；α为分液腔两腰夹角。

具体实施方式

下面结合附图将实施例，详细描述本发明的技术方案。

液冷循环散热系统在热量和质量传递过程中，流体的流动状态对整个传递过程有着重要的影响，破坏微通道中流体的边界层，增加流体的相互渗混与扰动可以降低热阻、增强流体与固体壁面间的热交换，显著提高散热能力。由于壁面特性，波壁微通道内流体存在明显的稳定流动和不稳定流动两种结构，可以很好的实现渗混与扰动，相对于壁面平直的矩形微通道来说具有高得多的对流换热能力。仿生学原理，如参照动植物体内养分传输系统的分形结构来设计微通道换热器在很多领域被逐渐应用。此外在脉动流场下，一个脉动周期内，波壁微通道内流体的流动混合情况比定常流动状态下强烈很多，意味着脉动流场具有更加优越的质量和热量传递特性。已有研究结果表明，周期性流动路径与脉动流场的结合是强化热质传递过程的有效手段之一。

实施例1

本例散热装置结构如图1所示，主要由微通道散热冷板1、脉动泵2、循环水冷却器3及连接它们的管道4四大部分构成。从密封口31将该散热装置抽成真空并充注一定体积的水或其他液体工质后密封。脉动泵2产生的脉动流通过连接微通道散热冷板1与脉动泵2的注入管道41进入微通道散热冷板1，CPU5产生的热量通过传导的方式被微通道散热冷板1吸收，然后被流经微通道散热冷板1的液体工质通过连接微通道散热冷板1与循环水冷却器3的回流管道42带入循环水冷却器3中进行冷凝，最后又流经连接脉动泵2和循环水冷却器3的管道4回到脉动泵中，形成一个封闭的液冷循环系统。CPU5与微通道散热冷板通过导热硅胶胶接，为了防止脱落，再通过螺栓固定在一起。管道4的内径为3～8mm，与脉动泵2和循环水冷却器3采用焊接工艺连接。液体工质出口122与液体工质回流管道42的连接，以及液体工质入口121与液体工质注入管道41的连接可以采用胶接或焊接。

为了提高密封及连接效果，本例散热装置在进行装配前，需将各部件放在丙酮溶液中进行超声清洗，去除其表面的油污等杂质。脉动泵(2)的型号可以采用VLK系列的VLK4506、VLK5504等，循环水冷却器的型号为XSB系列的XSB260、XSB500等，脉动泵2与循环水冷却器3通过螺栓固定在机箱6上。

本例微通道散热冷板1结构参见图2和图3，微通道散热冷板1为正方形薄板，为了便于加工，采用两个外形相同的正方形铜板，分别称为微通道热沉11和微通道热沉盖板12，如图2所示。由于需要在微通道热沉11上加工深度约1～3mm的液腔112、集液腔113和微通道111，通常微通道热沉11选用厚度大约4mm的铜板，经冲压成型。由图3可见，集液腔113成连通的正方形环，沿微通道热沉11周边布置，用于收集液体工质，集液腔113宽度为2～5mm。集液腔113包围的部分被位于正方形薄板对称轴上的两条相互垂直的分液腔112分成四等份，如图3所示，四等份具有相同结构，每一等份中沿所述正方形薄板对角线方向布满微通道111。微通道111一端连接集液腔113，一端连接分液腔112。本例微通道111采用侧壁1110由正弦曲线或余弦曲线平移构成的波壁微通道，如图3所示。正弦曲线方程为y＝A*sin(2πfx)(或余玄曲线方程y＝A*cos(2πfx))，其中，A是振幅，决定波壁微通道波峰到波谷的距离，f是频率，决定波峰和波谷重复变化的周期。本例分液腔112并不直接与集液腔113连通，分液腔112的端部都通过两条微通道111与集液腔113连接。本例微通道热沉盖板12上设置有四个液体工质出口122，参见图2。他们的位置分别与集液腔113四个拐角处对应，四个液体工质出口122与液体工质回流管道42连接。微通道热沉盖板12上设置的一个液体工质入口121位置则与两条分液腔112交叉处对应，并与液体工质注入管道41连接。本例微通道热沉盖板12采用约1mm厚的铜板经过冲压加工成型。液体工质从入口121注入分液腔112，经过波壁微通道111汇集到集液腔113，最后从出口122流出。

本例分液腔112中间部分最宽，取值3～8mm，两端逐渐收缩，两腰的夹角为0～8°，如图3中的夹角α。微通道111对称分布在矩形薄板对角线两边，距离对角线越远，微通道111宽度递减，如图2所示。根据仿生学原理，如大树主躯干是分液腔112，每根枝桠就是每条微通道111，每条微通道111宽度沿着与其相连通的分液腔112大端至小端按一定的规律逐渐减小，即图3中d1＞d2…＞dn。最大宽度d1为1～3mm，然后以0.1～0.5mm等差递减或按0.8～0.9等比递减直至dn。

本例微通道散热冷板采用铜板构成，具有成本低、热阻小、延展性好、便于加工等特点。特别是对于结构比较复杂的微通道热沉，可以采用适当厚度的铜板通过冲压工艺一次成型，加工非常方便。微通道热沉盖板和微通道热沉可以采用胶接或焊接工艺进行装配，构成本发明的微通道散热冷板。

仿真实验

试验条件：模型的材质设置为铜，液体工质为水，相应边界条件的设置如下：

入口：为体积流量进口，采用脉动流时，体积流量平均值为1000ml/min，采用定常流时，体积流量为定值1000ml/min。

出口：为压力出口，基准压力为大气压力。

界面设置：为了进行流固耦合计算，流动域与固体域之间设置为耦合界面。

发热设置：在模型的底面上均设置了热流密度为80W/cm²的恒定热源。

如图4(a)所示，在脉动流场下，直璧微通道热沉盖板的壁面峰值温度为332K，最低温度为311.9K。图4(b)是定常流的条件下，波壁微通道热沉盖板的壁面峰值温度为327.2K，最低温度为311.9K。图4(c)为在脉动流场下，波壁微通道热沉盖板的壁面峰值温度为321.8K，最低温度为309.5K。由于脉动流场可以增强传热传质，从图4中可以看出，直璧微通道采用脉动流时分别比采用定常流和脉动流场的波壁微通道热沉盖板的峰值温度与最低温度都高，所以其传热性能相对较弱，同时其温度分布均匀性也相对较差。不管在何种条件下，它们的边缘处有热集中效应，入水口处温度明显低于出水口，主流道中温度低于其他支流道。上述仿真结果与实验数据非常吻合。综上所述，采用脉动流场和波壁微通道的结合，可以明显的提高散热性能与温度分布的均匀性。试验还证明，当脉动泵脉动频率ω满足关系式：ω＝v/f时，散热效率最大。其中，f为正弦曲线或余弦曲线频率，v为液体工质流速。

Claims (7)

1.一种采用脉动流及波壁微通道的强化散热装置，包括微通道散热冷板(1)、脉动泵(2)、冷却器(3)以及连接它们的液体工质注入管道(41)和液体工质回流管道(42)，其特征在于，所述微通道散热冷板(1)为矩形薄板，由微通道热沉(11)和微通道热沉盖板(12)组成，所述微通道热沉(11)沿周边设置有连通的集液腔(113)，所述集液腔(113)包围的部分被位于矩形薄板对称轴上的两条相互垂直的分液腔(112)分为四等份，四等份具有相同结构，每一等份中沿所述矩形薄板对角线方向布满微通道(111)，所述微通道(111)一端连接集液腔(113)，一端连接分液腔(112)，所述微通道(111)为波壁微通道，所述分液腔(112)端部通过两条微通道(111)与集液腔(113)连接，所述微通道热沉盖板(12)上设置有四个液体工质出口(122)，其位置分别与集液腔(113)四个拐角处对应，所述微通道热沉盖板(12)上设置有一个液体工质入口(121)，其位置与两条分液腔(112)交叉处对应，所述液体工质出口(122)与液体工质回流管道(42)连接，所述液体工质入口(121)与液体工质注入管道(41)连接。

2.根据权利要求1所述的一种采用脉动流及波壁微通道的强化散热装置，其特征在于，所述冷却器(3)为循环水冷却器。

3.根据权利要求1所述的一种采用脉动流及波壁微通道的强化散热装置，其特征在于，所述波壁微通道侧壁为正弦曲线或余弦曲线平移构成的曲面。

4.根据权利要求3所述的一种采用脉动流及波壁微通道的强化散热装置，其特征在于，所述脉动泵(2)脉动频率ω满足关系式：ω＝v/f，其中，f为正弦曲线或余弦曲线频率，v为液体工质流速。

5.根据权利要求1所述的一种采用脉动流及波壁微通道的强化散热装置，其特征在于，所述矩形板薄板长和宽相等。

6.根据权利要求1～5任意一项所述的一种采用脉动流及波壁微通道的强化散热装置，其特征在于，所述分液腔(112)中间部分最宽并从中间向两端逐渐收缩。

7.根据权利要求6所述的一种采用脉动流及波壁微通道的强化散热装置，其特征在于，所述微通道(111)对称分布在所述矩形薄板对角线两边，距离所述对角线越远，微通道(111)宽度递减。