CN110707059A - 一种多维度网状混合微通道流体散热器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多维度网状混合微通道流体散热器，包括上层盖板、下层盖板、内部流道和散热工质，其中，内部流道设置于下层盖板内；内部流道包括若干个扰流柱、若干个网状微结构，若干个扰流柱呈阵列排布，相邻扰流柱侧面之间通过网状微结构连接，若干个扰流柱的侧面通过网状微结构交织连接形成多维度流道；扰流柱侧面上设有凹型和/或凸型结构，使多维度流道的侧壁上形成微流道结构，使呈阵列排布的若干扰流柱之间构成多维度网状混合微通道；工质入口与内部流道接通，散热工质通过工质入口进入内部流道内；上层盖板使热量经内部流道传递至散热工质中，通过散热工质带出，散热工质通过工质出口排出。本发明解决大功率芯片的散热问题。

Description

一种多维度网状混合微通道流体散热器

技术领域

本发明涉及电子元器件散热技术和高效热交换技术领域，具体地，涉及一种多维度网状混合微通道流体散热器。

背景技术

伴随着芯片制程技术的发展以及三维封装技术的发展，电子器件的高密度集成化、微型化、功能化已经成为趋势，随之而来的集成芯片过热的问题成为困扰芯片性能和稳定性的核心问题。散热器的微型化和其高接触面积的微流道能够增大散热面积并提高散热效率，创造了与工质高效热交换的良好条件。

现在的微通道散热器的微流道壁面比较光滑、二维平面排布，普遍存在交换面积不足、边界层较厚、工质流速不均、散热效率较低等问题。

经过对现有技术的检索发现Husain A.等人在IEEE Transactions on Part A:Packaging Technologies发表的文章《Shape optimization of micro-channel heatsink for micro-electronic Cooling》研究了矩形微流道内流体的多维度流动和热传递，改变了槽道的宽深比，但这种方式对工质的热交换效率改变不大，且容易产生工质泄露的问题。

流道截面研究方面，P.S.Lee等人在International Journal of Heat and MassTransfer发表的文章《Investigation of Heat Transfer in RectangularMicrochannels》，实验研究了单管矩形截面微流道的散热级流动特性，但仍存在温度分布不均匀、微流道内工质流动不均匀的问题，且散热交换面积交换率较低。

在微流道的侧壁方面，Lei Chai等人在International Journal of Heat andMass Transfer发表的文章《Thermohydraulic performance of microchannel heatsinks with triangular ribs on sidewalls》发现在微通道的平行侧壁上制备三角肋，可以改善流体的温度的均匀性，可显著降低散热器基座的温升，并伴随着摩擦系数的增大。此设计仍可认为是二维设计方案，因此，可继续提升散热效率、降低温度梯度并兼顾摩擦系数变化幅度较小的空间很大。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种多维度网状混合微通道流体散热器。

根据本发明提供一种多维度网状混合微通道流体散热器，包括上层盖板、下层盖板、内部流道和散热工质；其中，

所述下层盖板具有内凹的容纳空间，所述容纳空间的四边为所述散热器外壁，所述内部流道设置于所述下层盖板内，所述散热器外壁围于所述内部流道与所述散热工质的四周；

所述内部流道包括若干个扰流柱、若干个网状微结构，若干个所述扰流柱呈阵列排布，相邻所述扰流柱侧面之间通过所述网状微结构连接，若干个所述扰流柱的侧面通过所述网状微结构交织连接形成多维度流道；

所述扰流柱侧面上设有凹型和/或凸型结构，使所述多维度流道的侧壁上形成微流道结构，使呈阵列排布的若干所述扰流柱之间构成多维度网状混合微通道；

所述下层盖板上至少设有一对工质入口、工质出口,所述工质入口与所述内部流道接通，使所述散热工质由所述工质入口进入所述内部流道内；所述工质出口与所述内部流道接通，使所述散热工质由所述工质出口排出；

所述上层盖板设置于所述内部流道的上方，所述上层盖板的下表面与所述内部流道相接触互连为一体，通过所述上层盖板使热量经所述内部流道传递至所述散热工质中，由所述散热工质带出，实现所述散热工质与热源的热交换。

优选地，所述扰流柱内部为实心或多孔结构，所述扰流柱的侧面上分别设有凸起和/或凹槽。

优选地，所述扰流柱为椭圆体、圆柱体、正弦体、长方体、正方体、三角形柱体、五边形柱体、六边形柱体、液滴形柱体中的任意一种或两种以上。

优选地，所述网状微结构为刀片式、交织式、均匀式、闭合式中的任意一种或两种以上。

优选地，所述微流道结构为叶脉仿生结构、肋脊仿生结构、根系仿生结构、辐射结构、交错状结构、波浪状结构中的任意一种或两种以上。

优选地，所述工质入口设置于所述内部流道的中心位置，将所述散热工质从所述内部流道的中心区域附近导入所述下层盖板内并从四周流出。

优选地，所述散热工质为水、含纳米金属颗粒的水溶液、氟利昂、碳纳米管的悬浮液或石墨烯的悬浮液中的任意一种。

优选地，所述多维度流道的侧壁上设有高表面积比的纳微结构，用于增加换热面积、破坏边界层。

优选地，所述上层盖板的材料采用铜、铁、银、铝、锌、镍合金、碳化硅、金刚石、石墨烯、碳纳米管、复合材料中的任意一种或两种以上。

优选地，所述内部流道的材料采用铜、铁、银、铝、锌、镍合金、碳化硅、金刚石、石墨烯、碳纳米管、复合材料中的任意一种或两种以上。

与现有技术相比，本发明具有如下至少一种的有益效果：

本发明上述结构，与现有的散热器具有传统扰流柱柱体或二维阵列排布的流道相比较，本发明的多维度流道结构，其散热能力效率更高。这种排列方式避免了散热工质在微流道中的部分滞留导致流速不均的现象，增大了与散热工质与热源的对流换热面积，破坏边界层、降低转变雷诺数，能够最大限度地提高散热工质与待散热芯片换热效率，解决大功率芯片的散热问题。使得芯片在工作过程中的稳定性大大增加。

本发明有效的提高微通道流体散热的效率，增大了与散热工质与流道的对流换热面积、破坏边界层、降低转变雷诺数、提高散热工质的流动均匀性，解决大功率芯片的散热问题。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例的立体结构示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为图1的侧视图；

图4为本发明一实施例的扰流柱与网状微结构连接局部示意图；

图5为图4的立体结构示意图；

图6为图4的侧向示意图；

图中标记分别表示为：1为第一工质出口、2为散热器外壁、3为内部流道、4为散热工质、5为第二工质出口、6为工质入口，7为扰流柱、8为网状微结构、9为下层盖板、10为上层盖板。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

参照图1-5所示，为本发明一实施例中的多维度网状混合微通道流体散热器的结构示意图。

参照图1所示，图中包括：上层盖板10、下层盖板9、内部流道3和散热工质4；其中，下层盖板9具有内凹的容纳空间，在一具体实施例中，下层盖板9为长方形槽体。容纳空间的四边为散热器外壁2，内部流道3设置于下层盖板9内的上表面，内部流道3是单一或多流道结合而成，散热器外壁2围于内部流道3与散热工质4的四周。

参照图1-3所示，内部流道3包括若干个扰流柱7、若干个网状微结构8。将若干个扰流柱7呈阵列排布，相邻的扰流柱7之间通过网状微结构8连接，网状微结构8的边界附着于扰流柱7侧面的任意位置，若干个扰流柱7的通过网状微结构8交织连接形成多维度流道。网状微结构8在一定程度上破坏了散热工质4的流速和方向，使得在单一方向(假设为X方向)流动的散热工质4在流道中行成湍流，则散热工质4不局限于仅在X方向流动，可以在Y/Z方向等各个角度都有分流，实现了多维度排布。

参照图4、图5、图6所示，扰流柱7内部为实心或多孔结构，扰流柱7侧面上设有凹型和/或凸型结构，使多维度流道的侧壁上形成微流道结构，使呈阵列排布的若干扰流柱7之间构成多维度网状混合微通道。不同扰流柱7之间通过网状微结构8联结，空隙形成微流道，由于扰流柱7柱体侧面不光滑且凹凸不平，联结后形成的微通道形成有凸起或者凹型的侧壁，使得散热工质4在微流道中流速得以控制，散热工质4可以在微通道中以稳定流速与待散热芯片(热源)进行热交换，能使芯片的工作温度保持恒定。微流道结构有利于调整散热工质4的流速，降低转变雷诺数，使散热工质4在微流道中流速得以控制。

参照图1所示，下层盖板9上至少设有一对工质出口、工质入口，工质入口与内部流道3接通，散热工质4由工质入口6进入内部流道3内。工质出口与内部流道3接通，散热工质4由工质出口排出。具体实施时，散热工质4从工质入口6进入内部流道3，然后分为数个支流，经过由扰流柱7、网状微结构8形成的微通道后汇聚，最后由工质出口流出。作为一种优选实施方式，为了迅速排出内部流道3内的散热工质4，一方面，可以将流体的工质出口的直径设置为不小于流体工质入口6的直径，另一方面，可以设置多个工质出口。通常采用一进多出的结构形式，参照图1所示，在内部流道3的中心位置设置一个工质入口6，为工质入口6位置的优化选择，即将散热工质4从中心区域附近导入下层盖板9内并从四周流出，工质入口6设置在散热器中心位置，使得散热器的温度分布最为均匀，并且能够使散热器工质的流动更均匀更加方便，且散热器整体散热效率大幅度提升，提高了工作的稳定性。

在下层盖板9的两个对角处设置第一工质出口1和第二工质出口5，并在散热器外壁2与多维度流道之间设有引流道，引流道与第一工质出口1、第二工质出口5连通，使散热工质4的流出。将引流道的宽度设置为大于内部流道3的宽度，便于散热工质4的流出。

参照图1所示，下层盖板9容纳空间的上表面与内部流道3互连为一体。上层盖板10下表面与内部流道3相接触互连为一体，上层盖板10上表面与待散热芯片底层相连。上层盖板10使热量经内部流道3传递至散热工质4中，通过散热工质4带出，实现热交换过程。作为一优选方式，上层盖板10与内部流道3均采用导热性较好的材料制成，用于传递热量。

在其他优选实施例中：参照图4所示，扰流柱7为长方体，长方体相对的两侧面上分别设有凸起和/或一个凹槽，网状微结构8的边界直接附着于扰流柱7侧面上，排布形式如图2的排布形式，网状微结构8与扰流柱7在制作时通过电镀、刻蚀等加工工艺形成一体。

在其他优选实施例中：网状微结构8为刀片式、交织式、均匀式或闭合式中一种或多种结构。采用上述结构可增加换热面积、破坏边界层，使散热工质4流速均匀，提高了散热工质4与热源的热交换效率。网状微结构8提供了更多空间，多种微结构与扰流柱7组合可增加换热面积、破坏边界层，使散热工质4流速均匀，提高了散热工质4与热源的热交换效率。

网状微结构8可以由3D打印、激光切割、微机械加工或MEMS微加工中一种或多种工艺集成制备。采用3D打印技术制备，3D打印技术方便制备复杂立体空间结构，工艺操作简单。用这种技术空间复合材料，减少裂纹的扩展，具有更好的韧性和抗冲击性能。采用激光切割技术具有极高的电光转换效率，切割热影响小，不损伤材料表面。采用微机械加工、MEMS微加工等工艺，可实现纳米尺寸微结构的分辨与加工能力，具备纳米级的检测和控制技术。

扰流柱7为椭圆体、圆柱体、正弦体、长方体、正方体、三角形柱体、五边形柱体、六边形柱体、液滴形柱体结构等任意一种或两种以上。扰流柱7的排布形式可以为二维阵列、交错阵列式或多维度阵列排布。

在其他优选实施例中：微流道结构为叶脉仿生结构、肋脊仿生结构、根系仿生结构、辐射结构、交错状结构、波浪状结构等一种或多种。可以减少工质中气泡的停留，有利于避免散热工质4边界层的破坏，降低转变雷诺数。

在其他优选实施例中：散热工质4为水、含纳米金属颗粒的水溶液、氟利昂、碳纳米管的悬浮液或石墨烯的悬浮液中的任一种。

在其他优选实施例中：多维度流道的侧壁还设有高表面积比的纳微结构，可增加换热面积、破坏边界层。

在其他优选实施例中：上层盖板10的材料采用铜、铁、银、铝、锌、镍合金、碳化硅、金刚石、石墨烯、碳纳米管、复合材料的一种或几种组合。

多维度流道的材料采用铜、铁、银、铝、锌、镍合金、碳化硅、金刚石、石墨烯、碳纳米管、复合材料的一种或几种组合。

在其他优选实施例中：多维度流道贯穿下层盖板9的容纳空间。增大了散热流体的流动面积，且散热器整体散热效率大幅度提升。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种多维度网状混合微通道流体散热器，其特征在于：包括上层盖板、下层盖板、内部流道和散热工质；其中，

所述下层盖板具有内凹的容纳空间，所述容纳空间的四边为所述散热器外壁，所述内部流道设置于所述下层盖板内，所述散热器外壁围于所述内部流道与所述散热工质的四周；

所述内部流道包括若干个扰流柱、若干个网状微结构，若干个所述扰流柱呈阵列排布，相邻所述扰流柱侧面之间通过所述网状微结构连接，若干个所述扰流柱的侧面通过所述网状微结构交织连接形成多维度流道；

所述扰流柱侧面上设有凹型和/或凸型结构，使所述多维度流道的侧壁上形成微流道结构，使呈阵列排布的若干所述扰流柱之间构成多维度网状混合微通道；

所述下层盖板上至少设有一对工质入口、工质出口,所述工质入口与所述内部流道接通，使所述散热工质由所述工质入口进入所述内部流道内；所述工质出口与所述内部流道接通，使所述散热工质由所述工质出口排出；

所述上层盖板设置于所述内部流道的上方，所述上层盖板的下表面与所述内部流道相接触互连为一体，通过所述上层盖板使热量经所述内部流道传递至所述散热工质中，由所述散热工质带出，实现所述散热工质与热源的热交换。

2.根据权利要求1所述的一种多维度网状混合微通道流体散热器，其特征在于：所述扰流柱内部为实心或多孔结构，所述扰流柱的侧面上分别设有凸起和/或凹槽。

3.根据权利要求1所述的一种多维度网状混合微通道流体散热器，其特征在于：所述扰流柱为椭圆体、圆柱体、正弦体、长方体、正方体、三角形柱体、五边形柱体、六边形柱体、液滴形柱体中的任意一种或两种以上。

4.根据权利要求1所述的一种多维度网状混合微通道流体散热器，其特征在于：所述网状微结构为刀片式、交织式、均匀式、闭合式中的任意一种或两种以上。

5.根据权利要求1所述的一种多维度网状混合微通道流体散热器，其特征在于：所述微流道结构为叶脉仿生结构、肋脊仿生结构、根系仿生结构、辐射结构、交错状结构、波浪状结构中的任意一种或两种以上。

6.根据权利要求1所述的一种多维度网状混合微通道流体散热器，其特征在于：

所述工质入口设置于所述内部流道的中心位置，将所述散热工质从所述内部流道的中心区域附近导入所述下层盖板内并从四周流出。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的一种多维度网状混合微通道流体散热器，其特征在于：所述散热工质为水、含纳米金属颗粒的水溶液、氟利昂、碳纳米管的悬浮液或石墨烯的悬浮液中的任意一种。

8.根据权利要求1-6中任一项所述的一种多维度网状混合微通道流体散热器，其特征在于：所述多维度流道的侧壁上设有高表面积比的纳微结构，用于增加换热面积、破坏边界层。

9.根据权利要求1-6中任一项所述的一种多维度网状混合微通道流体散热器，其特征在于：所述上层盖板的材料采用铜、铁、银、铝、锌、镍合金、碳化硅、金刚石、石墨烯、碳纳米管、复合材料中的任意一种或两种以上。

10.根据权利要求1-6中任一项所述的一种多维度网状混合微通道流体散热器，其特征在于：所述内部流道的材料采用铜、铁、银、铝、锌、镍合金、碳化硅、金刚石、石墨烯、碳纳米管、复合材料中的任意一种或两种以上。

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