CN108444325B - 一种纳米薄膜与微通道相结合的冷却装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种纳米薄膜与微通道相结合的冷却装置，包括壳体、冷凝器和泵；所述壳体内的中间位置竖直且等距设有多条微通道，所述冷凝器通过输送管连通所述微通道的上端，所述泵处于所述输送管上；在所述壳体内对应所述微通道的上方设有芯片；所述壳体内对应所述微通道的下方设有疏水性纳米薄膜；所述冷凝器通过冷凝管连通所述疏水性纳米薄膜下端的蒸汽出口并回收冷凝冷却液气体以供循环使用。该装置使工作流体在多孔纳米薄膜产生的毛细压力驱动下进入到多孔疏水性薄膜，同时结合单相冷却，即将多孔疏水性薄膜技术使用于微通道中，更好地改善了蒸发制冷技术的制冷效果。
Description
技术领域
本发明涉及热管理散热领域，具体涉及一种纳米薄膜与微通道相结合的冷却装置。
背景技术
由于微处理器，激光二极管和功率放大器的功率密度越来越高，热管理已经成为半导体行业瓶颈的一个关键问题。当前和下一代电子学中最迫切的挑战之一就是高功率射频应用中基于氮化镓和碳化硅等半导体的散热问题。为了降低接近结温并处理高热负荷，需要新的冷却方法。已经采取了许多方法，包括单相强制对流，池式沸腾和流动沸腾。
在微通道中，单相冷却已经被实验证明散热量高达1.25kW/cm2，但是它需要大的温差和高的泵功率。同时，利用汽化焓，降低泵功率要求，相变冷却更加有效。然而，相变冷却机制，例如池沸腾，基本上受到临界热通量的限制，其中约400W/cm2。另一方面，虽然流动沸腾有望减小泵送功率，并且实现更高的传热系数和热通量，但是流动不稳定性，温度和压力波动仍然是主要关注的问题。为了解决这些流动沸腾问题，以前的研究已经研究了动态主动流动控制，积分微结构，流动再入口，入口限制和相分离。特别地，在相分离方法中，液体被主动泵入由疏水纳米多孔膜覆盖的微通道中，并且蒸汽通过毛孔被排出。在这些情况下，我们注意到相变发生在膜下面，这可以产生额外的热阻，因为蒸气分子从纳米孔逸出的传输概率可能远远小于1。
另一种利用汽化焓自然分离两相的方法是实现薄膜蒸发。在这种情况下，通过保持整个热传输显着增强的薄液膜，使蒸发液体上的热阻最小化。然而，由于高压降，主动泵送液体进入蒸发薄膜区域可能是不切实际的，需要大功率泵送。因此，为了促进被动液体流动，利用纳米多孔膜产生毛细管压力以将液体吸入蒸发疏水性薄膜区域。例如，钛柱阵列和氧化铝纳米多孔膜。
发明内容
综上所述，为克服现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种纳米薄膜与微通道相结合的冷却装置，利用微通道来实现冷却液在纳米多孔疏水性薄膜中的蒸发冷却，依靠多孔纳米疏水性薄膜产生的毛细管压力促进工作流体即冷却液流动，并利用冷却液相变消散大量的热量，更好地实现制冷效果，与此同时流经微通道和多孔纳米疏水性薄膜的粘性损失以及穿过流体的整体热电阻均达到了最小化。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于疏水性纳米薄膜与微通道相结合的高热通量热管理蒸发冷却装置，包括壳体、冷凝器和泵；所述壳体内的中间位置竖直且等距设有多条微通道，所述冷凝器处于所述壳体的外部，并且所述冷凝器通过输送管连通所有所述微通道的上端，所述泵处于所述输送管上用于驱动所述冷凝器内的冷却液通过所述输送管向所述微通道内输送；在所述壳体内对应所述微通道的上方设有将热量沿微通道的侧壁向下传递的芯片；所述壳体内对应所述微通道的下方设有驱动微通道的冷却液流动并吸收芯片传递的热量将冷却液加热蒸发成气体的疏水性纳米薄膜；所述冷凝器通过冷凝管连通所述疏水性纳米薄膜下端的蒸汽出口并回收且冷凝冷却液气体以供循环使用。
本发明的有益效果是：利用蒸发制冷技术原理，通过使用纳米多孔疏水性薄膜，使工作流体主动被吸入到多孔纳米疏水性薄膜，同时结合单相冷却，即将多孔疏水性薄膜技术使用于微通道中，更好地改善了蒸发制冷技术的制冷效果。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：
进一步，所述疏水性纳米薄膜内均匀分布有若干纳米孔，并且所述纳米孔形成可产生一定毛细压力来驱动并吸入所述微通道中的冷却液的毛细结构；所述纳米孔上端与所述微通道的下端连通，其下端形成所述蒸汽出口并连通所述冷凝管。
采用上述进一步方案的有益效果是：纳米薄膜的纳米孔形成的毛细结构产生的毛细压力，驱动微通道中的工作流体流入纳米多孔薄膜中，疏水性薄膜不断地吸收微通道壁的热量，使冷却液发生相变，薄膜中形成的液体-蒸汽界面将冷却液和蒸汽隔开，实现了单相制冷。
进一步，还包括用于承载所述芯片的基板，所述芯片安装在所述基板上，所述基板处于所述微通道的顶部。
采用上述进一步方案的有益效果是：芯片产生的热量，依次通过基板衬底和微通道壁传到并传递到纳米薄膜中发生蒸发的液体—蒸汽界面，冷却液吸收微通道壁的热量变为蒸汽，经过疏水性薄膜下端的蒸汽出口排出。
进一步，还包括回流管，所述回流管一端连接处于所述疏水性纳米薄膜中间位置的液体出口，其另一端与所述泵的入口连接并在泵的驱动下使回流的冷却液再一次进入所述微通道内。
采用上述进一步方案的有益效果是：控制输送管中的压力处于正常范围内。
进一步，所述壳体为中空的方体结构或者柱体结构。
进一步，所述冷凝器上设置有为其散热的风扇。
采用上述进一步方案的有益效果是：防止冷凝器的温度过高。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为壳体内工作流体路线示意图(空心箭头表示热量的走向)；
图3为图2的A-A截面图(实心箭头表示冷却液的走向，蒸发发生在A-A界面下部)。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、壳体，2、冷凝器，3、微通道，4、输送管，5、冷凝管，6、疏水性薄膜，7、微通道壁，8、纳米孔，9、蒸汽出口，10、芯片，11、基板，12、衬底，13、泵，14、风扇，15、回流管。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1和2所示，一种纳米薄膜与微通道相结合的冷却装置，包括壳体1、冷凝器2和泵13。所述壳体1为封闭的中空的方体结构或者柱体结构。所述壳体1内的中间位置竖直且等距的设有多条微通道3，所述冷凝器2处于所述壳体1的外部，并且所述冷凝器2通过输送管4连通所有所述微通道3的上端，所述泵13处于所述输送管14上用于驱动所述冷凝器2内的冷却液通过所述输送管4向所述微通道3内输送冷却液。所述芯片10安装在基板12上，所述基板12处于所述微通道3的顶部。所述芯片10与所述微通道3的顶部之间上下依次设有基板11与衬底12。所述壳体1内对应所述微通道3的下方设有自动吸入微通道3的冷却液并吸收芯片10传递的热量的疏水性薄膜6，在疏水性薄膜6内冷却液吸热蒸发后形成两相(气体和液体)，通过疏水性薄膜6后使冷却液的两相分离。所述冷凝器2通过冷凝管5连通所述疏水性薄膜6下端的出口9并回收且冷凝冷却液气体以供循环使用。该冷却装置还包括回流管15，所述回流管15一端连接处于所述疏水性纳米薄膜6中间位置的液体出口，其另一端与所述泵13的入口连接并在泵13的驱动下使回流的冷却液再一次进入所述微通道3内。
如图3所示，所述疏水性薄膜6内均匀分布有若干纳米孔8，并且所述纳米孔8形成可产生一定毛细压力来驱动并吸入所述微通道3中的冷却液的毛细结构。所述纳米孔8上端与所述微通道3的下端连通，其下端形成所述蒸汽出口9并连通所述冷凝管5。
在实际相变制冷的过程中，初始时冷却液在泵13的驱动下通过输送管4进入微通道3，在疏水性薄膜6的毛细管结构压力作用下，冷却液被驱动至疏水性薄膜6的纳米孔8中，原理如下：冷却液主动流入疏水性薄膜6是由毛细孔即纳米孔8产生的毛细压力驱动的。在装置中，纳米孔8的孔径确定了毛细管压力；同时，粘性阻力仅由疏水性薄膜6的厚度决定，并与毛细管压力分离。冷却液在疏水性薄膜6的纳米孔8中时，芯片10产生热量，经过衬底12和微通道3传递到疏水性薄膜6，热量于疏水性薄膜6的纳米孔8中吸收，将纳米孔8中的冷却液蒸发成冷却液蒸汽。冷却液蒸汽经过出口9后，再通过冷凝管5最终在冷凝器2内冷凝并循环回到微通道3中被再次使用。输送管4中的压力过高时，疏水性薄膜6中会充满冷却液而不发生蒸发；输送管4中的压力过低时，微通道3的液体会沸腾导致系统烧干。通过设置回流管15可保证输送管4中的压力处于正常的范围之内，具体如下：没有蒸发的冷却液通过回流管15在泵13的驱动下再一次被送入微通道3中，使得泵13-输送管4-微通道3-疏水性薄膜6-回流管15-泵13形成一个循环，该循环就可以控制了输送管4中的压力处于正常的范围之内。芯片10产生热量穿过衬底12传导至微通道6，然后进入疏水性薄膜6并于其内部发生相变，在疏水性薄膜6内形成到的液体-气体界面(A-A界面下部)，冷却液在该液体-气体界面处发生蒸发，蒸发的冷却液气体通过出口9进入冷凝管5最终进入到冷凝器2中。该装置依赖于疏水性薄膜6的纳米孔8提供的毛细管压力来驱动冷却液流动，并利用其相变消散大量的热量，并且上述散热是在流经微通道3和疏水性薄膜6的粘性损失最小化以及整个液体的整体热阻最小化的前提下完成的。因此，该装置可提供高热通量进行冷却，整体温度较低，同时，其能潜在地提供高热通量用于冷却，具有较低的总体温差以及最小的泵功率要求。依靠疏水性薄膜6内的毛细管压力来驱动流动也导致自调节装置，其能够更好地解决与空间变化的热通量相关的挑战。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种纳米薄膜与微通道相结合的冷却装置，其特征在于，包括壳体(1)、冷凝器(2)和泵(13)；所述壳体(1)内的中间位置竖直且等距的设有多条微通道(3)，所述冷凝器(2)处于所述壳体(1)的外部，并且所述冷凝器(2)通过输送管(4)连通所有所述微通道(3)的上端，所述泵(13)处于所述输送管(4)上用于驱动所述冷凝器(2)内的冷却液通过所述输送管(4)向所述微通道(3)内输送；在所述壳体(1)内对应所述微通道(3)的上方设有将热量沿微通道(3)的侧壁向下传递的芯片(10)；所述壳体(1)内对应所述微通道(3)的下方设有驱动微通道(3)的冷却液流动并吸收芯片(10)传递的热量的疏水性纳米薄膜(6)；所述冷凝器(2)通过冷凝管(5)连通所述疏水性纳米薄膜(6)下端的蒸汽出口(9)并回收且冷凝冷却液气体以供循环使用；
所述疏水性纳米薄膜(6)内均匀分布有若干纳米孔(8)，并且所述纳米孔(8)形成可产生毛细压力来吸入所述微通道(3)中的冷却液的毛细结构；所述纳米孔(8)上端与所述微通道(3)的下端连通，其下端形成所述蒸汽出口(9)并连通所述冷凝管(5)；
还包括用于承载所述芯片(10)的基板(12)，所述芯片(10)安装在所述基板(12)上，所述基板(12)处于所述微通道(3)的顶部。
2.根据权利要求1所述的纳米薄膜与微通道相结合的冷却装置，其特征在于，还包括回流管(15)，所述回流管(15)一端连接处于所述疏水性纳米薄膜(6)中间位置的液体出口，其另一端与所述泵(13)的入口连接并在泵(13)的驱动下使回流的冷却液再一次进入所述微通道(3)内。
3.根据权利要求1至2任一项所述的纳米薄膜与微通道相结合的冷却装置，其特征在于，所述壳体(1)为中空的方体结构或者柱体结构。
4.根据权利要求1至2任一项所述的纳米薄膜与微通道相结合的冷却装置，其特征在于，所述冷凝器(2)上设置有为其散热的风扇(14)。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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