CN109275311A - 一种三维微通道及脉动流散热装置 - Google Patents

Abstract

该发明公开了一种三维微通道及脉动流散热装置，涉及散热器技术领域，具体来说是涉及采用脉动或间歇流体散热的新型三维微通道散热器及其3D打印制造方法。该散热装置包括散热器、脉动泵、冷却器、连接管道；所述散热器紧贴于热源上，通过连接管道将散热器、脉动泵、冷却器依次串联，所述散热器包括：注液口、底层散热结构、中间层散热结构、顶层散热结构、出液口，所述底层散热结构、中间层散热结构、顶层散热结构依次堆叠，具有良好的散热效果，采用3D打印的方法制作为一体的装置后散热效果得到进一步的提升。

Description

一种三维微通道及脉动流散热装置

技术领域

本发明涉及散热器技术领域，具体来说是涉及采用脉动或间歇流体散热的新型三维微通道散热器及其3D打印制造方法。

背景技术

随着电子设备也向着小型化、集成化的方向发展，这使得各种元器件的集成度越来越高，封装密度越来越小，电子设备的热流密度急剧增加，传统的风冷技术已经无法满足高热流密度器件的散热需求，高效的液冷技术已经被应用于电子设备的散热中。微通道液冷技术因其高效的散热效率在众多的散热技术中脱颖而出，该技术能够大幅度的提高设备的冷却能力，满足电子设备日益增长的冷却需求。其通常采用传统的生产模式，即先机械加工流道结构，再通过焊接的方式将流道密封。

这种传统的生产模式一般受限于传统制造技术和工匠制造产品的形状，同时存在原材料浪费严重、物体形状越复杂，制造成本越高等局限和缺点。而3D打印技术可以突破这些局限，目前3D打印已经可以实现微通道的制造。金属3D打印技术作为3D打印体系中最前沿和最有潜力的技术，几乎可以代替大部分的传统成型方法来制造复杂的金属零件，激光选区熔化技术能够使金属粉末快速成型，此技术可以直接成型出接近完全致密度、力学性能良好的金属零件，工艺过程简单。

现有3D打印微通道技术制造散热器时，冷板上微通道的结构单一，制造的微通道都是单层结构，该微通道所能覆盖到的面积较小，因而该类散热器各个部分散热能力无法通过冷板结构调控。经过实验分析，三维微通道散热器相比一维微通道散热器来说，与热源接触的对流散热面积增大，整体热阻减小，散热能力增强，散热均匀性也越好。现有对散热器的研究很少涉及3D打印技术一次性制造封闭型三维微通道结构的冷板，以及三维流道结构的温度分布均匀性的问题。

一般散热装置由微通道冷板、脉动泵和冷却水箱以及管道组成。冷板和发热元件贴合连接，发热元件热量通过热传导的方式被冷板吸收，脉动泵的动力将冷却水箱中的冷却液体泵入冷板，流动的液体工质通过对流换热的方式带走冷板的热量，冷板出口的高温液体回流入冷却水箱，高温液体在冷却水箱中冷却，这样完成一个循环。

在对流传热过程中，脉动的流体会破坏流道中流体的边界层，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换热，显著的提高散热能力，此外脉动还可以防止流道壁面结垢的发生；而间歇流体可以用于间隙工作的发热器件的散热，可增加器件和冷却系统使用寿命。流体脉动基本上不存在脉动哀减问题，且脉动源的安装位置灵活，应用前景广泛。

在申请号为201520260907.1的专利《一种应用3D打印技术的新型水冷板结构》中，公开了一种3D打印微通道水冷板结构，其结构不是三维的，采用定常流，微通道间是互不相通的。专利201410431070.2，即《一种采用纳米工质流体及脉动流的微通道散热装置》公开了一种采用脉动流的微通道散热装置，该流道结构是二维的，且脉动流发生装置较复杂，体积大，是通过机械加工后组装的铜散热器，没有采用3D打印实现散热器整体加工。

发明内容

本发明针对现有技术的不足之处,改进设计了一种三维微通道及脉动流散热装置,进一步解决现有散热装置中热交换率低散热慢的问题。

一种三维微通道及脉动流散热装置，该散热装置包括：散热器、脉动泵、冷却器、连接管道；所述散热器紧贴于热源上，通过连接管道将散热器、脉动泵、冷却器依次串联，所述散热器包括：注液口、底层散热结构、中间层散热结构、顶层散热结构、出液口，所述底层散热结构、中间层散热结构、顶层散热结构依次堆叠，所述底层散热结构包括底层冷板和底层盖板，底层冷板和底层盖板之间设置有微通道；所述中间层散热结构包括中间层冷板和中间层盖板，中间层冷板和中间层盖板设置有微通道；所述顶层散热结构包括顶层冷板和顶层盖板，顶层冷板和顶层盖板之间设置有微通道；所述注液口与底层散热结构中微通道的一端连通，底层散热结构中微通道的另一端与中间层散热结构中微通道的一端连通，中间层散热结构的另一端与顶层散热结构的一端连接，顶层散热结构的另一端与出液口连通。

进一步的，所述该散热装置还包括PWM脉冲频率信号发生器，脉动泵通过PWM脉冲频率信号发生器输入的脉冲电流产生脉动流。

进一步的，所述底层散热结构、中间层散热结构或顶层散热结构的微通道两端各包括一个散热通道，两端的散热通道通过多条微通道连通；所述注液口与底层散热结构中一端的散热通道连通，底层散热结构中另一端的散热通道与中间层散热结构中一端的散热通道连通，中间层散热结构中另一端的散热通道与顶层散热结构中一端的散热通道连通，顶层散热结构中另一端的散热通道与出液口连通。

进一步的，所述底层散热结构、中间层散热结构、顶层散热结构的外型为长立方体，其中底层散热结构、中间层散热结构、顶层散热结构的宽和高相等，底层散热结构、中间层散热结构、顶层散热结构的长依次减小；所述底层散热结构微通道的长度最长，所述中间层散热结构和顶层散热结构中的微通道长度相等，所述中间层散热结构中与顶层散热结构连接的散热通道的长度大于顶层散热结构中与中间层散热结构连接的散热通道的长度。

进一步的，所述注液口设置于底层散热结构的底层盖板上表面未覆盖中间层散热结构的位置；所述出液口设置于顶层散热结构的顶层盖板的上表面。

进一步的，所述底层散热结构、中间层散热结构、顶层散热结构中的微通道截面为椭圆形、菱形、圆形和三角形。

一种三维微通道及脉动流散热装置，该散热装置采用3D打印的方法制作为一体的装置，采用铝合金粉末进行3D打印，打印完成后首先进行热等静压的热处理方式来强化机械性能；然后对表面进行抛光处理，最后采用磨粒流或振动光式加工提高产品内表面光洁度。

脉动泵用以产生脉动的流体，脉动流进入散热器与热源进行对流换热，从散热器流出的脉动流进入冷却器进行冷却，再返回脉动泵进行新一轮散热。

在散热器中，振动和结垢问题往往是非常难以解决的问题，振动会造成散热器的疲劳损坏，结垢则会使其换热性能不断下降。使用脉动传热方式，将流体流动过程中所造成的整体振动转化为传热元件的有序振动，对水流产生有效的脉动干扰，与定常流相比，脉动流能够增大散热器的散热能力，同时采用脉动流可以利用水的冲击波来防止结垢和进行除垢，在提高设备换热性能的同时又能达到抑制结垢的效果，具有独特的优越性。

散热器作为散热装置的关键部件，该散热器的具体结构为：底板冷板及底层盖板、中间层冷板、盖板及设置有冷却液注液口、顶层冷板、顶层盖板及设置有冷却液出液口，除此之外每层冷板上都具有椭圆形或者菱形微通道及散热通道，通过从进液口注入冷却液，经过三层散热处理，达到一个较高的散热需求。

在相同的流体入口流量下，散热器的层数越多，散热器微流道中流体的流速越小，散热器的对流散热面积越大，整体热阻逐渐减小，散热能力逐渐增强，散热均匀性越来越好。在层流状态下，散热器的层数对散热器的散热性能具有较大影响，且这种影响随着散热器层数的增加而减小。当散热器的层数增加到一定值时，散热器的层数对散热器的散热性能不再有影响。经实验证明，综合考虑散热器的散热特性和散热器的成本，最合理的散热器层数为三层。

近年来，金属3D打印技术发展迅速，从开始打印材料稀缺、成型后致密度极低，到选择性激光熔化加工技术实现常见材料的打印并且成型后的致密度极高。本发明是一种基于选区激光烧结的金属3D打印技术的多层微通道散热器，利用铝合金材料加工微小通道冷板，所属散热器包括各层冷板、各层盖板、散热通道，冷板采用上述的微通道冷板，盖板盖合在冷板上。该散热器是一种新型的多维微通道散热器，采用金属3D打印技术可是实现这种封闭腔结构的一体化成型。

该散热器各层冷板的顶面上设置微小通道结构，中间层盖板的顶面上开设有冷却液注液口，该注液口通入冷却液至底层散热通道，顶层盖板的顶面上开设有出液口，注、出液口均与冷板上的散热通道连通，通过设置各个散热通道及注、出液口的位置，使得冷却液能够逐次经过各层冷板进行对流散热，完成一轮散热。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明针对的是多层微通道散热器一次成型，因此存在封闭腔内部结构的3D打印，该技术作用于内部腔体结构微小通道冷板的加工时，能够完成流道截面为椭圆形、菱形、圆形和三角形等，也能够很好地解决流道的密封性。因此，金属3D打印技术能够实现封闭腔内的打印功能，实现包含注、出液口的三维微通道散热器的一次性制造。

2、设计的三维台阶型微通道换热器，内部流道层之间是隔开的，该结构上可布置不同发热功率的器件，且沿着流体方向可获得更均匀的温度分布。冷却液在散热器内部逐次经过各层冷板，能够带走热源的大部分热量，由于进口处媒质温度低，出口处媒质经过吸热温度变高，这种三维微通道结构能使散热后的温度分布更均匀，具有更大的散热面积，散热效果更好。

3、该3D打印的三维微通道散热器采用脉动流或者间歇流体进行散热，脉动流由外部散热装置中的脉动泵产生，其脉动频率和幅值可根据器件温度条件。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，可将流体流动过程中所造成的整体振动转化为传热元件的有序振动，对水流产生有效的脉动干扰，从而提高对流换热系数。脉动流或间歇流能增加器件和冷却系统的使用寿命，在提高设备换热性能的同时达到灵活热控的效果。

附图说明

图1为本发明中采用3D打印方法制作的散热器的结构示意图；

图2为本发明中散热器工作过程示意图；

图3为本发明流道结构示意图；

图4为本发明中散热器的系统结构示意图；

图5(a)、(b)为本发明散热器温度分布云图；

图中标记：Ⅰ-热源、Ⅱ-散热器、Ⅲ-循环液体冷却器、Ⅳ-脉动泵、Ⅴ-连接管道、Ⅵ-PWM 脉冲频率信号发生器、1-底层冷板、2-底层盖板、3-底层微通道、4-中间层冷板、5-中间层盖板、6-中间层微通道、7-注液口、8-顶层冷板、9-顶层盖板、10-顶层微通道、11-出液口、12- 底层散热通道、13-中间层散热通道、14-顶层散热通道、15-安装孔。

具体实施方式

为了明确本发明的目的、技术方案及优点，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

一种基于3D打印技术的的三维微通道及脉动流散热装置,包括有热源Ⅰ、散热器Ⅱ、循环液体冷却器Ⅲ、脉动泵Ⅳ、连接管道Ⅴ和PWM脉冲频率信号发生器Ⅵ，散热器Ⅱ安装在热源Ⅰ上，散热器Ⅱ的注液口7通过连接管道Ⅴ、脉动泵Ⅳ与连通，循环液体冷却器Ⅲ外部有金属散热翅片，散热器Ⅱ的出液口11通过连接管道Ⅴ与循环液体冷却器Ⅲ连通，最终形成一个封闭的液冷循环系统，其中脉动泵Ⅳ通过PWM脉冲频率信号发生器Ⅵ输入的脉冲电流产生脉动流，在散热装置中进行对流换热。

该散热器包括有底层冷板1、底层盖板2、中间层冷板4、中间层盖板5、顶层冷板8、顶层盖板9，在底层冷板1、中间层冷板4以及顶层冷板8上均开设有容纳槽，这些容纳槽可将底层冷板1、中间层冷板4及顶层冷板8上的微通道组件包围在内。在将底层盖板2、中间层盖板5，顶层盖板9盖合在各层冷板上以后，盖板与冷板之间再进行密封。在底层冷板1、中间层冷板4、顶层冷板8、底层盖板2、中间层盖板5、顶层盖板9上均开设有安装孔15，冷板与盖板之间通过安装孔15、连接螺栓等进行连接。具体结构如图1所示。

工作时，脉动泵Ⅳ产生脉动流经循环液体冷却器Ⅲ后将脉动流从中间层盖板5上的注液口注入；注入的冷却液将以“……—底层微通道3—中间层散热通道13—中间层微通道6—顶层散热通道14—顶层微通道10—出液口11”的顺序进行完成一轮散热，冷却液去离子水或者乙醇从注液口7首先经过底层微通道3与热源首先进行对流散热，以热传导的方式将热源的热量传递给冷却液，再从中间层散热通道13进入中间层微通道6在进行一次对流散热，之后又从顶层散热通道14进入顶层微通道10进行最后一轮对流散热，经过三次对流散热后已经带走热源的一部分热量，最后冷却液从出液口11排出，完成一轮在散热器中的流动。

本次申请主要是三维微通道散热器的设计，该散热器采用循环的冷却液进行散热。冷却液从注液口7注入，逐次经过底层微通道3、中间层微通道6以及顶层微通道10之后从出液口 11排出，之后由外部的散热装置将冷却液进行冷却。这种三维叠层散热器能够大大提高散热的效率，通过设置多层的微通道，能够使三维微通道结构散热后的温度分布的更均匀，延长散热器的使用寿命，更加有效地对热源进行散热处理，大大降低了热源的温度，满足散热需求。

该散热器采用金属3D打印技术中的选区激光熔化成型技术。该技术借助计算机辅助设计与制造，基于“离散-分层-叠加”的原理，利用高能激光束将金属粉直接成型为致密的三维实体零件，该成型过程不需要任何工装模具，也不受零件形状复杂程度的限制，因此适用于本次申请中三维叠层封闭腔的一次性打印。

金属3D打印工艺流程主要分为三维模型建立、分层切片处理、逐层堆积至粗坯成型、强化热处理、表面处理、无损检测等。首先通过Solidworks、UG等软件进行建模，绘制出打印零件的三维CAD模型，根据金属3D打印工艺特点对模型进行相应的结构调整。将设计好的三维模型按照一定的厚度分成多层结构，设计打印路径，将切片后的文件储存成.gcode格式，通过控制软件把文件发送给3D打印机并控制打印参数。启动3D打印机，装入打印材料，调试打印平台，设定打印参数。开始工作后，材料经分层打印，层层粘合，逐层堆砌，至粗坯成型。金属3D打印初成型的产品一般都存在致密度不高、局部缺陷等问题，在这种情况下，还需要进行热等静压的热处理方式来强化机械性能，从而消除内部缺陷，改善力学性能。另外，还可以改善材料的韧性和抗疲劳裂纹扩展能力。热等静压前还要考虑防止变形措施。除此之外，金属3D打印初成型的产品表面都较粗糙，还需要进行抛光处理。对于本次申请这种内部腔体结构的微小通道冷板，可以采用磨粒流或振动光式加工提高产品内表面光洁度。产品成型后还需要对结构形状，尺寸，精度等各项指标进行无损检测，采用工业CT检测缺陷位置并提出改善方案。

本申请中各层冷板的微通道采用的是椭圆形或者菱形,微通道组件的材料可采用导热性能较好的铝材料，金属3D打印时铝粉烧结工艺比较完善，通过这种方法发制造的微通道能够增大制造成功率，提高生产效率，节约生产成本。金属3D打印技术加工微小通道冷板的最大优势在于结构的一体加工成型，盖板与流道板之间无界面，不存在界面热阻，可以保证流道良好的密封性，具备优异的散热性能，应根据3D打印工艺特点优化零件结构以及工艺参数，寻找合适的加工方式进行组合，更好的利用实际工程零件的加工。

该散热器的微通道组件在运用3D打印技术加工时，盖板、进出液口与微通道冷板一体打印成型，这里涉及到金属3D打印加工封闭腔内部结构微通道的技术，首先完成底层冷板1、底层微通道3、底层散热通道12及安装孔15的一次性打印；再完成底层盖板2、中间层微通道6、中间层散热通道13、注液口7及安装口14的一次性打印；之后完成中间层盖板5、顶层微通道10、顶层散热通道14及安装孔15的一次性打印；最后在完成顶层盖板9、出液口 11与安装孔15的一次性打印；之后在使用连接螺栓在安装孔15上进行连接。

下面，结合具体实施例对本发明做进一步解释和说明。

实施例1

一种基于金属3D打印技术的微通道冷板，该微通道冷板包括有底层冷板板体1、中间层冷板板体以及顶层冷板板体，在板体1的工作面上分布有椭圆形或者菱形微通道组件，各层冷板上均开设有散热通道，使冷却液能够逐次经过各层冷板，完成一轮散热。

实施例2

在实施例1的基础上，针对某一部位热源范围较大的的情况下，可以从注液口7注入冷却液，经过底层微通道3与热源进行对流散热，以热传导的方式通过铝制冷板将热源的热量传递给冷却液；之后冷却液经过中间层散热通道13至中间层微通道6进行新一轮对流散热；再经过顶层散热通道14至顶层微通道10在进行最后一轮对流散热，最后从出液口11排出冷却液完成一轮散热，经过三维叠层散热器后相比普通单层散热器来说可以来走更多的热源的热量，散热效率更高。

实施例3

使用金属3D打印技术进行该三维微通道散热器的一次性打印时，首先完成底层冷板1、底层微通道3、底层散热通道12及安装孔15的一次性打印；再完成底层盖板2、中间层冷板 4、中间层散热通道13、注液口7及安装口14的一次性打印；之后完成中间层盖板5、顶层冷板8、顶层散热通道14及安装孔15的一次性打印；最后在完成顶层盖板9、出液口11与安装孔15的一次性打印；之后在使用连接螺栓在安装孔15上进行连接。

实施例4

该微通道散热器尺寸设计为：底层冷板1结构59mm×40mm×4mm，开设有40mm长的底层微通道3，微通道两边开设有38mm×4mm×2mm且倒有半径3mm的圆角的底层散热通道12；中间层冷板4结构46mm×40mm×3mm，开设有18mm长的中间层微通道6，微通道一侧开设32mm ×17.5mm×2mm且倒有半径3mm的圆角以及另一侧32mm×4mm×2mm且倒有半径3mm的圆角的中间层换热通道13；顶层冷板8结构40mm×32.5mm×3mm，开设有18mm长的顶层微通道10，微通道两侧开设有38mm×4mm×2mm且倒有半径3mm的圆角的顶层散热通道14；注液口7、出液口11内径3.5mm，外径6mm，且向外拉伸6mm；各层微通道为环形结构，以半径为0.5mm的两个半圆加1mm×1mm的矩形构成，数量为19且均匀分布于各层冷板；安装孔15半径2.5mm。

实施例5

在研究三维微流道散热器的散热特性时，使用去离子水作为冷却介质，流道中流体的流动状态为层流，采用1.5m/s的定常流，入口温度设置为293K，出口压力为0Pa，设置热点热流密度为300W/cm²时，单层散热器的热阻0.92K/W，底座底面最大温度为67.7℃，如图5(a) 三维微通道散热器的热阻为0.75K/W，底座底面最大温度为58.1℃，如图5(b)温度相差9.6℃，相比热阻降低，散热能力增强，散热器的温度分布更均匀，散热效果更好。

以上所述仅为本发明的部分实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种三维微通道及脉动流散热装置，该散热装置包括：散热器、脉动泵、冷却器、连接管道；所述散热器紧贴于热源上，通过连接管道将散热器、脉动泵、冷却器依次串联，所述散热器包括：注液口、底层散热结构、中间层散热结构、顶层散热结构、出液口，所述底层散热结构、中间层散热结构、顶层散热结构依次堆叠，所述底层散热结构包括底层冷板和底层盖板，底层冷板和底层盖板之间设置有微通道；所述中间层散热结构包括中间层冷板和中间层盖板，中间层冷板和中间层盖板设置有微通道；所述顶层散热结构包括顶层冷板和顶层盖板，顶层冷板和顶层盖板之间设置有微通道；所述注液口与底层散热结构中微通道的一端连通，底层散热结构中微通道的另一端与中间层散热结构中微通道的一端连通，中间层散热结构的另一端与顶层散热结构的一端连接，顶层散热结构的另一端与出液口连通。

2.如权利要求1所述的一种三维微通道及脉动流散热装置，其特征在于所述该散热装置还包括PWM脉冲频率信号发生器，脉动泵通过PWM脉冲频率信号发生器输入的脉冲电流产生脉动流。

3.如权利要求1所述的一种三维微通道及脉动流散热装置，其特征在于所述底层散热结构、中间层散热结构或顶层散热结构的微通道两端各包括一个散热通道，两端的散热通道通过多条微通道连通；所述注液口与底层散热结构中一端的散热通道连通，底层散热结构中另一端的散热通道与中间层散热结构中一端的散热通道连通，中间层散热结构中另一端的散热通道与顶层散热结构中一端的散热通道连通，顶层散热结构中另一端的散热通道与出液口连通。

4.如权利要求3所述的一种三维微通道及脉动流散热装置，其特征在于所述底层散热结构、中间层散热结构、顶层散热结构的外型为长立方体，其中底层散热结构、中间层散热结构、顶层散热结构的宽和高相等，底层散热结构、中间层散热结构、顶层散热结构的长依次减小；所述底层散热结构微通道的长度最长，所述中间层散热结构和顶层散热结构中的微通道长度相等，所述中间层散热结构中与顶层散热结构连接的散热通道的长度大于顶层散热结构中与中间层散热结构连接的散热通道的长度。

5.如权利要求4所述的一种三维微通道及脉动流散热装置，其特征在于所述注液口设置于底层散热结构的底层盖板上表面未覆盖中间层散热结构的位置；所述出液口设置于顶层散热结构的顶层盖板的上表面。

6.如权利要求1或3所述的一种三维微通道及脉动流散热装置，其特征在于所述底层散热结构、中间层散热结构、顶层散热结构中的微通道截面为椭圆形、菱形、圆形和三角形。

7.如权利要求1所述的一种三维微通道及脉动流散热装置，其特征在于该散热装置采用3D打印的方法制作为一体的装置，采用铝合金粉末进行3D打印，打印完成后首先进行热等静压的热处理方式来强化机械性能；然后对表面进行抛光处理，最后采用磨粒流或振动光式加工提高产品内表面光洁度。

8.如权利要求1或7所述的一种三维微通道及脉动流散热装置，其特征在于该散热装置尺寸设计为：底层冷板1结构59mm×40mm×4mm，开设有40mm长的底层微通道3，微通道两边开设有38mm×4mm×2mm且倒有半径3mm的圆角的底层散热通道12；中间层冷板4结构46mm×40mm×3mm，开设有18mm长的中间层微通道6，微通道一侧开设32mm×17.5mm×2mm且倒有半径3mm的圆角以及另一侧32mm×4mm×2mm且倒有半径3mm的圆角的中间层换热通道13；顶层冷板8结构40mm×32.5mm×3mm，开设有18mm长的顶层微通道10，微通道两侧开设有38mm×4mm×2mm且倒有半径3mm的圆角的顶层散热通道14；注液口7、出液口11内径3.5mm，外径6mm，且向外拉伸6mm；各层微通道为环形结构，以半径为0.5mm的两个半圆加1mm×1mm的矩形构成，数量为19且均匀分布于各层冷板；安装孔15半径2.5mm。

9.如权利要求1或7所述的一种三维微通道及脉动流散热装置，其特征在于使用去离子水作为冷却介质，流道中流体的流动状态为层流，采用1.5m/s的定常流，入口温度设置为293K，出口压力为0Pa，设置热点热流密度为300W/cm²。