CN104159438B - 一种采用纳米工质流体及脉动流的微通道散热装置 - Google Patents

Abstract

该发明属于一种与电子元件配套用散热装置，包括：液压泵，溢流阀，进液阀，叶片式脉动流发生器及调速电动机，叶脉式微通道散热器及水基纳米金属氧化物冷却介质，流量调节阀，控制器，冷却池。该发明由于采用叶片式脉动流发生器及其调速电机作为脉动流的发生源，不但大幅度降低了体积、结构更紧凑、便于封装，而且可方便地通过调节电动机的转速来方便、灵活地调节脉动流的频率幅值；采用叶脉式微流道散热器及水基纳米金属氧化物流体作为冷却介质，又强化了纳米流体的对流换热，尤其是在高热环境下效果更明显。因而该发明具有散热装置的结构紧凑、体积小，热量传输快、散热效果好、效率高，脉动流的频率幅值调节方便、灵活，便于封装等特点。

Description

一种采用纳米工质流体及脉动流的微通道散热装置

技术领域

本发明涉及一种与电子元件配套用散热装置，具体的是涉及一种以水基纳米金属氧化物流体为工质、利用脉动流发生器产生脉动流以强化传热的热散热器。

背景技术

随着微电子技术和电子封装技术的发展，电子设备的功能和复杂性日益增长，在有限的体积范围内，电子设备的功耗不断增加，由于高功耗电子元件产生了更多的热量，同时高密度封装将这些热量分布在较小的表面，对电子元件的可靠性产生了很大的威胁，需要对电子元器件进行有效的散热。以微电子芯片为例，目前热流密度普遍已达60～90W/cm²、最高已达200W/cm²。有研究表明，约占55％的电子元器件损坏或缺陷源自于温度过高的问题。因此，对电子元件进行高效率的热设计，是提高其设备可靠性和工作性能，延长使用寿命的必要手段。

在液压传动，化工，医学等科学研究中常常需要非稳态流体系统，流体的脉动可以通过在流量或者压力的平均值上面叠加一个波动的幅值来描述。脉动传热是因系统内部的某些扰动或人工强制而发生流量及相关参数周期性振荡或脉动的流动过程中的瞬态对流。流体脉动基本上不存在脉动哀减问题，而且脉动源的安装位置有很大的灵活性，脉动还可以防止壁面结垢的发生。众多影响微通道散热特性的参数中，工质的选择是重要的一类。近年来不少研究学者在工质对微通道散热器传热性能的影响方面进行了大量研究。主要的工质包括超纯水(或蒸馏水)、乙醇、丙酮、含有铜纳米颗粒的流体等。对于乙醇和丙酮，它们的启动功率相对水来说较低，但是传热极限不高；而水的传热极限相对乙醇和丙酮来说较高但是启动功率也高；而纳米流体具有远高于水、空气及许多非金属介质的热导率，且具有流动性可实现快速高效的热量运输能力。

申请人在申请号为201310373629、发明名称为《一种采用脉动流及叶脉式微流道的散热装置》的专利文件中公开了一种以去离子水为工质的采用活塞式脉动流发生器及叶脉式微流道散热器的散热装置。该散热装置包括含冷却介质进、出口的盖板，设有冷却介质进、出端口的叶脉式微流道散热基板的微流道散热器，含活塞式液压缸及其进、出液电磁阀的冷却介质脉动流发生系统，含信号发射器和信号接收器在内的电磁阀控制器。该散热装置当采用叶脉式微流道散热板和微流道散热基板底板的双层散热器时，散热基板底部的最高温度区域为33℃、最低温度区域为29℃、温差为4℃，高、低温区域的温度分别较背景技术低10℃及7℃，虽然较传统散热装置的散热效果好、散热区域温度均匀性好等优点。但却存在结构复杂、体积大，脉动频率调节灵活性差，也不利于封装，且仍不能满足较高热流密度元器件工作时的散热要求等缺陷。

发明内容

本发明的目的是在背景技术微流道散热器的基础上，改进设计一种采用纳米工质流体及脉动流的微通道散热装置，该散热装置利用叶片式脉动流发生器产生脉动流、以水基纳米金属氧化物流体为冷却介质，与叶脉式微流道散热器配合，以达到简化散热装置的结构、缩小其体积，提高传热上限、加快热量传输，强化散热效果，以及封装和使用方便等目的。

本发明的解决方案是针对背景技术所存在的缺陷,采用叶片式脉动流发生器作为脉动流的发生源，以有效简化脉动流发生器的结构、缩小其体积、提高脉动流频率调节的灵活性，同时采用叶脉式微流道散热器并利用水基纳米金属氧化物流体作为冷却介质，以提高传热上限、加快热量传输，强化散热效果；从而实现其发明目的。因而，本发明采用纳米工质流体及脉动流的微通道散热装置，包括：液压泵，溢流阀，进液阀，脉动流发生器及电动机，散热器及冷却介质，控制器，冷却池，关键在于在脉动流发生器的输出端还设有一与散热器并联的流量调节阀，在脉动流发生器的输入端仅设一个进液阀以向其提供产生脉动流的冷却介质流，而脉动流发生器为叶片式脉动流发生器，(与之配套的)电动机为调速电机，散热器则为叶脉式微通道散热器，冷却介质为水基纳米金属氧化物介质；液压泵将冷却池中的冷却介质经溢流阀、进液阀向叶片式脉动流发生器提供冷却介质，脉动流发生器输出的脉动流中的工作部分脉动流经散热器、多余部分的脉动流经流量调节阀分别返回冷却池内，调速电动机与叶片式脉动流发生器的动力轴连接以提供产生脉动流的动力，控制器则分别与散热器、调速电机、进液阀及流量调节阀连接，以便根据散热器的工作状况调节调速电机的转速或/和进液阀、流量调节阀的开启度。

所述水基纳米金属氧化物介质为颗粒体积分数在0.5～5.0％范围内的水基Al₂O₃纳米介质或水基Fe₃O₄纳米介质。

本发明由于采用叶片式脉动流发生器及其调速电机作为脉动流的发生源，较带曲柄连杆机构的活塞式脉动流发生器不但大幅度降低了体积、结构更紧凑、便于封装，而且可方便地通过调节电动机的转速来方便、灵活地调节脉动流的频率幅值，进而控制散热冷板的散热效果并可适用于多种不同热环境；采用叶脉式微流道散热器及水基纳米金属氧化物流体冷却介质，纳米颗粒在叶脉式微流道内随机运动引起的附加热耗散又强化了纳米流体的对流换热，尤其是在高热环境下效果更明显，从而又可提高热沉的冷却性能和散热器的散热效率；在相同条件下与背景技术相比：背景技术流道底部的最高温度区域328K(55℃)、最低温度区域为303K(30℃)，而本发明实施方式微通道底部的最高温度区域为323K(50℃)，最低温度区域为302K(29℃)，最高温度区域较背景技术低5℃，且入口温度明显低于出口，各流道中的温度差异不大。因而本发明具有散热装置的结构紧凑、体积小，热量传输快、散热效果好、效率高，脉动流的频率幅值调节方便、灵活，便于封装等特点。

附图说明

图1是本发明散热装置的结构示意图；

图2是本发明实施方式所用微通道散热器的结构示意图。

图中：1.冷却池，2.液压泵，3.溢流阀，4.进液阀，5.叶片式脉动流发生器，6.流量流调节阀，7.控制器，8.调速电动机，9.散热器、9-1.微通道、9-1.1.进口、9-1.2.出口、9-2.盖板。

具体实施方式

本实施方式中：液压泵2采用型号为WX-20A的微型泵；溢流阀3采用型号为RBG-03先导式平衡阀；进液阀4型号为2WS1-15的常闭式二位二通电磁阀；叶片式脉动流发生器5本实施方式采用动、静叶片上的孔数均为6个，即动叶片每转动一周，与静叶片之间开、闭 6次，可对流经的冷却介质流体实现6次脉动激励的叶片式脉动流发生器；与该脉动流发生器匹配的调速电机8采用调速范围90～1700rpm、型号为M206-002的微型调速电机；流量调节阀6型号为WZCGB-8的二位二通电磁阀；控制器7型号为CJ1W-TC，其中：1个信号输入端口与设于散热器9的工作面或发热元器件上的温度传感器连接、以接收温度参数，3个控制信号输出端口分别与进液阀4、流量调节阀6及调速电动机8连接，以分别调节、控制两电磁阀(进液阀4、流量调节阀6)的开启度及电动机的转速；散热器9本实施方式采用申请人在申请号为201310373629的专利文件实施例1中所公开的单层散热器，即：该散热器微流道散热基板9-1、即散热器主体的尺寸为100×100mm、厚度为3mm，各流道深均为2mm，进口端柄部尺寸为(长×宽×厚)50×20×3.0mm，总散热面积为5357.7042mm²。主流道是从进口到出口逐级递减的，进口处的管道宽度为3.54mm，出口处的管道宽度为0.5mm，各级分支管道宽度为1.5mm，第一级分支管道长度为69.7mm，第一级分支管道的分支管道长度为41.5mm，第二级分支管道的长度为51.3mm，第三级分支管道长度42.1mm，第四级分支管道长度32.8mm，第五级分支管道长度23.5mm，第六级分支管道长度14.2mm，第七级分支管道长度4.8mm，微通道为对称结构；盖板尺寸为100×100mm，厚度为2mm；微流道基板9-1、盖板9-2材质均为铜(图2即为该散热器结构示意图)；本实施方式采用体积分数为1％的水基Al₂O₃纳米流体冷却介质。

本发明的工作原理(参见附图1)：假设脉动流从叶片式脉动流发生器5出来的流量为Q，其幅值范围为：q_min～q_max，叶片式脉动流体发生器的流通面积为S，叶片式脉动流体发生器的最大流通面积为S_d。当脉动流体发生器流通面积S＝0的时候，这一瞬时相当于脉动流发生器流量Q＝0；当脉动流体发生器流通面积S＝S_d时，即脉动流体发生器全开的时候，脉动流发生器内流道的流阻为最小，此时，Q最大。散热装置工作时：控制器7接收到散热器9工作面温度的实时反馈信息，往往需要改变散热器的脉动流的幅值，即改变Q₁的大小来增强或者削弱散热效果。Q₁的大小可通过控制器7控制流量调节阀6的开度以调节其流量Q₂的大小来调节通过散热器9流量Q₁的大小；即当流量调节阀6关闭时，流经散热器9的流量Q₁即为脉动流发生器5输出的流量Q；当流量调节阀6的流量为Q₂时，那么通过散热器9的流量Q₁为Q-Q₂，因此，连续调节流量调节阀6的流量范围(开启度)，Q₁的值可以在Q～Q-Q₂范围内变化；此外，控制器7通过对散热器9工作面温度的实时反馈又可给调速电动机8执行指令，调速电机根据指令改变转速来改变脉动流的频率及流量Q的大小。

本实施方式通过流体力学软件Ansys Fluent13.0分别对背景技术采用活塞式脉动流发生装置及水冷却介质及本实施方式进行仿真运行，脉动流发生系统向散热器输入冷却液温度均为26℃，脉动流的流量均为750mL/min，底部均施加热流密度为50W/cm²的恒定热源，模型的材质设置为铜。其结果为：背景技术散热器底部的最高温度区域为328K(55℃)、最低温度区域为303K(30℃)；而本实施方式散热器底部的最高温度区域为323K(50℃)，最低温度 区域为302K(29℃)，最高温度区域较背景技术低5℃，且入口温度明显低于出口，各流道中的温度差异不大。

Claims (2)

1.一种采用纳米工质流体及脉动流的微通道散热装置，包括：液压泵，溢流阀，进液阀，脉动流发生器及电动机，散热器及冷却介质，控制器，冷却池，其特征在于在脉动流发生器的输出端还设有一与散热器并联的流量调节阀，在脉动流发生器的输入端仅设一个进液阀以向其提供产生脉动流的冷却介质流，而脉动流发生器为叶片式脉动流发生器，电动机为调速电机，散热器则为叶脉式微通道散热器，冷却介质为水基纳米金属氧化物介质；液压泵将冷却池中的冷却介质经溢流阀、进液阀输入叶片式脉动流发生器，脉动流发生器输出的脉动流中的工作部分脉动流经散热器、多余部分的脉动流经流量调节阀分别返回冷却池内，调速电动机与叶片式脉动流发生器的动力轴连接以提供产生脉动流的动力，控制器则分别与散热器、调速电机、进液阀及流量调节阀连接，以便根据散热器的工作状况调节调速电机的转速或/和进液阀、流量调节阀的开启度。

2.按权利要求1所述采用纳米工质流体及脉动流的微通道散热装置，其特征在于所述水基纳米金属氧化物介质为颗粒体积分数在0.5～5.0％范围内的水基Al₂O₃纳米介质或水基Fe₃O₄纳米介质。