CN110838476A - 内置微转子强化流动沸腾散热的微通道热沉系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了内置微转子强化流动沸腾散热的微通道热沉系统，包括：微通道热沉、磁力搅拌器和铁磁性微转子，所述铁磁性微转子设置在所述微通道热沉内，其在所述磁力搅拌器驱动下转动，搅拌所述微通道热沉内的沸腾气液两相流，促进气泡脱离并及时给沸腾表面补充液体。本发明可促进气泡脱离并及时给沸腾表面补充液体，抑制干烧，提高散热热流密度，确保流动沸腾换热高效运行。

Description

内置微转子强化流动沸腾散热的微通道热沉系统

技术领域

本申请涉及微电子芯片散热领域，特别涉及内置微转子强化流动沸腾散热的微通道热沉系统。

背景技术

据统计，现有电子设备由于温度失效的比例高达55％，是电子设备失效的第一大原因。已有文献表明，现有电子芯片的发热热流密度已经超过1000 W/cm²。在微电子芯片领域，随着温度的升高其运行性能急剧下降，面临失效甚至被烧毁的风险。因此，需要及时高效的将芯片产生的热量迅速带走，以保证其安全、可靠、高效的运行。

微通道内流动沸腾换热是一种高效的散热技术，它利用液体气化所需的气化潜热能实现比单纯的单相液体散热高出2个数量级以上的传热量。但气泡在微通道内生长以后，由于空间受限，气泡会向通道的上游和下游同时膨胀。向上游膨胀的气泡引发上游的液体倒流至进口。同时，气体在膨胀过程中，气液界面的液体持续迅速蒸发沸腾，加速壁面液膜的减少。由于气泡向上游膨胀导致上游来的液体不能对下游壁面及时补充，造成下游壁面由于缺少液体发生干烧现象。当上游来的液体积蓄足够大的压力克服气泡脱离阻力时，液体才能再次补充并湿润下游壁面。当气泡再次长出以后，再次向上游和下游膨胀，由此形成气泡生成长大-上游膨胀-下游脱离的周期，即出现微通道内的沸腾不稳定现象。它导致的不利现象有：壁面温度、进出口压力严重震荡；芯片壁面局部温度过高，热应力不均；使临界热流密度提前产生，无法实现系统的高热流密度散热。严重的沸腾不稳定性会导致冷却系统失效，进而威胁芯片安全、可靠的运行以及相应设备的安全。因此，微通道内气泡的迅速脱离和壁面液体的及时补充，是实现微通道内高效沸腾换热的关键。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明提出通过在微通道内内置微转子，在磁力搅拌器的作用下带动转子转动，强烈搅拌沸腾气液两相流，促进气泡脱离并及时给沸腾表面补充液体，抑制干烧，提高散热热流密度，确保流动沸腾换热高效运行。

为了解决上述问题，本发明提供了内置微转子强化流动沸腾散热的微通道热沉系统，包括：微通道热沉、磁力搅拌器和铁磁性微转子，所述铁磁性微转子设置在所述微通道热沉内，其在所述磁力搅拌器驱动下转动，搅拌所述微通道热沉内的沸腾气液两相流，促进气泡脱离并及时给沸腾表面补充液体。

较佳地，所述微通道热沉包括：一微通道热沉基底，所述微通道热沉基底的第一平面上开设有一容纳铁磁性微转子的微腔室、流体工质流入通道、流体工质流出通道、第一流体工质入口孔和第一流体工质出口孔，所述第一流体工质入口孔与所述第一流体工质出口孔依次经所述流体工质流入通道、微腔室和流体工质流出通道连通；一微通道热沉盖板，所述微通道热沉盖板设有第二流体工质入口孔和第二流体工质出口孔，分别对应所述微通道热沉基底开设的第一流体工质入口孔和第一流体工质出口孔。

较佳地，所述微腔室内设置有一微圆柱，所述铁磁性微转子可套设于所述微圆柱上。

较佳地，所述微通道热沉基底的尺寸为10mm*30mm*0.5mm，所述第一流体工质入口孔11的直径为1mm，所述第一流体工质出口孔12的直径为2mm，所述微腔室13的直径为5mm，所述微圆柱14的直径为0.8mm，所述流体工质流入通道的宽度为0.4mm，所述流体工质流出通道的宽度为0.8mm。

较佳地，所述微通道热沉盖板的尺寸为10mm*30mm*0.5mm，所述第二流体工质入口孔的直径为1mm，所述第二流体工质出口孔的直径为2mm。

较佳地，所述微通道热沉基底采用硅基、铜基或铝基。

较佳地，所述气液两相流的流体为电子氟化液。

较佳地，所述铁磁性微转子采用镀锌的铁丝绕制而成。

较佳地，所述磁力搅拌器提供的转速为0-6000rpm。

较佳地，所述微通道热沉盖板采用玻璃盖板。

较佳地，还包括一模拟热源，设于所述微通道热沉基底的第二平面，其大小和位置与所述微腔室对应。

与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：

1、本发明实施例通过在微通道微腔内设置铁磁性微转子，铁磁性微转子在磁力搅拌器驱动下转动，强烈搅拌微通道内的沸腾气液两相流。通过加速流动沸腾产生的气泡脱离，抑制沸腾表面的气膜形成；同时及时实现对沸腾表面的液体供给，抑制沸腾干烧，提高临界热流密度，最终实现强化传热。

2、本发明微通道热沉可广泛应用于微电子芯片散热等领域。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。附图中：

图1为本发明实施例内置微转子强化流动沸腾散热的微通道热沉系统的三维爆炸示意图；

图2为本发明实施例微通道内内置微转子的平面结构示意图；

图3为本发明实施例微通道内微腔室的平面结构示意图；

图4为本发明实施例微通道热沉基底背部的模拟热源示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明提供的内置微转子强化流动沸腾散热的微通道热沉系统进行详细的描述。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。但本发明的保护范围不限于下述的实施例，本领域技术人员在不改变本发明精神和内容的范围内，能够对其进行修改和润色。

本发明微通道热沉通过在微通道微腔内设置磁力微转子，磁力微转子在磁力搅拌器驱动下转动，强烈搅拌微通道内的沸腾气液两相流，加速流动沸腾产生的气泡脱离，即抑制沸腾表面的气膜形成；同时能及时实现对沸腾表面的液体供给，抑制沸腾干烧，提高临界热流密度，最终实现强化传热。因此，本发明微通道热沉可有效解决微通道内沸腾气液两相流中气泡脱离困难和壁面液体不易补充进而引发的干烧这两大典型的沸腾传热问题，可广泛应用于微电子芯片散热等领域。

请参考图1-图3，内置微转子强化流动沸腾散热的微通道热沉系统，包括微通道热沉、磁力搅拌器4和铁磁性微转子3，所述铁磁性微转子3设置在所述微通道热沉内，其在所述磁力搅拌器4驱动下转动，搅拌所述微通道热沉内的沸腾气液两相流体，促进气泡脱离并及时给沸腾表面补充液体。

具体地，微通道热沉包括一微通道热沉基底1，所述微通道热沉基底1的第一平面上开设有一容纳所述铁磁性微转子3的微腔室13、流体工质流入通道15、流体工质流出通道16、第一流体工质入口孔11和第一流体工质出口孔12，所述第一流体工质入口孔11与所述第一流体工质出口孔12依次经所述流体工质流入通道15、微腔室13和流体工质流出通道16连通；

一微通道热沉盖板2，所述微通道热沉盖板2设有第二流体工质入口孔 21和第二流体工质出口孔22，分别对应所述微通道热沉基底1开设的第一流体工质入口孔11和第一流体工质出口孔12；

所述磁力搅拌器4，设于所述微通道热沉基底1的第二平面，本实施例中，第一平面和第二平面为微通道热沉基底1上相对的两个平面。

所述铁磁性微转子3在所述磁力搅拌器4驱动下转动，搅拌所述微腔室 13内的沸腾气液两相流。

本发明实施例的微通道热沉采用微通道热沉基底1和微通道热沉盖板2 封装而成，微通道热沉盖板2设于所述微通道热沉基底1的第一平面上，且使第二流体工质入口孔21与第一流体工质入口孔11对应，第二流体工质出口孔22与第一流体工质出口孔12对应。

作为一种优选实施例，微腔室13内设置有一微圆柱14，铁磁性微转子3 可套设于所述微圆柱14上。

具体地，为了保证铁磁性微转子3能可靠地运转，本实施例铁磁性微转子3采用直径0.2mm镀锌的铁丝制成，铁磁性微转子3的结构包括一圆圈结构，铁磁性微转子3通过该圆圈结构套设至微圆柱14上；镀锌的目的是为了防止裸露的铁丝在运行条件下被流体工质中溶解的氧气氧化。可以理解地，铁磁性微转子3可利用铁丝绕制而成或采用其他具有铁磁性的材料制成，对其形状不做限制，只要将其挂在微腔室13的微圆柱14上可转动即可。同时，需要注意铁磁性微转子3的转动当量直径需要小于微腔室13的直径，铁磁性微转子3的高度需要小于微腔室13的深度，以便铁磁性微转子3可以容纳在微腔室13内。

进一步地，为了保证铁磁性微转子3套在微圆柱14上能可靠地运转，需保证微转子结构上的圆圈内径比微圆柱14的直径大至少20微米。同时，铁磁性微转子3的转动当量直径应比微腔室13的直径小至少20微米，铁磁性微转子3的高度需要比微腔室13的深度小至少20微米。

在微通道热沉键合封装前，将铁磁性微转子3套入微腔室13内的微圆柱 14上，且确保铁磁性微转子3能可靠转动。

本实施例中，微通道热沉基底1采用硅基材料，当然，在实际应用过程中，也可采用铜基、铝基等材料，其尺寸为10mm*30mm*0.5mm。通过深硅刻蚀技术，在微通道热沉基底1上刻蚀出深度为0.22mm的微槽道，其中，第一流体工质入口孔11的直径为1mm，第一流体工质出口孔12的直径为2mm，微腔室13的直径为5mm，微圆柱14的直径为0.8mm，高为0.22mm。在微腔室13左边的流体工质流入通道15的宽度为0.4mm，在微腔室13右边的流体工质流出通道16的宽度为0.8mm；

微通道热沉盖板2的尺寸为10mm*30mm*0.5mm，通过激光打孔技术加工第二流体工质入口孔21和第二流体工质出口孔22，第二流体工质入口孔 21的直径为1mm，第二流体工质出口孔22的直径为2mm。

本实施例中，磁力搅拌器4提供的转速为0-6000rpm。

作为一种优选实施例，所述流体工质流出通道16的宽度至少为所述流体工质流入通道15的宽度的2倍，以促进气泡顺利排出流体工质流出通道16，

作为一种优选实施例，本发明实施例的内置微转子强化流动沸腾散热的微通道热沉系统对于所有流体工质均适用，如FC72、F7100等各种电子氟化液，本发明实施例采用的是F7100。

作为一种优选实施例，微通道热沉盖板2采用玻璃盖板。

作为一种优选实施例，请参考图4，在微通道热沉基底1的背部还集成了模拟热源5，模拟热源5呈圆形，直径为5mm，其大小和位置与微通道热沉基底1正面的微腔室13对应，可用于模拟真实电子芯片的发热过程。硅材料具有较高的导热系数148w/(m·k)，能迅速传输热量。目前芯片的制造材料也为硅，因此，微通道热沉基底1在后期可与真实电子芯片器件良好集成。

使用时，流体工质由第二流体工质入口孔21流入，当流体工质流入微通道热沉以后，通过顶部的微通道热沉盖板2观察流体工质在微通道内沸腾气泡的产生情况。当微腔室13内产生气泡以后，开启磁力搅拌器4，在磁力搅拌的作用下，气泡被铁磁性微转子3赶走，迅速脱离加热壁面；同时，新的液体将补充壁面，可有效避免气泡在微腔室13内的合并进而堵塞通道，同时也抑制了气膜对加热壁面的覆盖造成的传热恶化。最后，流体工质将电子芯片产生的热量带走，并由第二流体工质出口孔22流出。

以上公开的仅为本申请的一个具体实施例，但本申请并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化，都应落在本申请的保护范围内。

Claims (11)

1.内置微转子强化流动沸腾散热的微通道热沉系统，其特征在于，包括：微通道热沉、磁力搅拌器和铁磁性微转子，所述铁磁性微转子设置在所述微通道热沉内，其在所述磁力搅拌器驱动下转动，搅拌所述微通道热沉内的沸腾气液两相流，促进气泡脱离并及时给沸腾表面补充液体。

2.根据权利要求1所述的内置微转子强化流动沸腾散热的微通道热沉系统，其特征在于，所述微通道热沉包括：

一微通道热沉基底，所述微通道热沉基底的第一平面上开设有一容纳铁磁性微转子的微腔室、流体工质流入通道、流体工质流出通道、第一流体工质入口孔和第一流体工质出口孔，所述第一流体工质入口孔与所述第一流体工质出口孔依次经所述流体工质流入通道、微腔室和流体工质流出通道连通；

一微通道热沉盖板，所述微通道热沉盖板设有第二流体工质入口孔和第二流体工质出口孔，分别对应所述微通道热沉基底开设的第一流体工质入口孔和第一流体工质出口孔。

3.根据权利要求2所述的内置微转子强化流动沸腾散热的微通道热沉系统，其特征在于，所述微腔室内设置有一微圆柱，所述铁磁性微转子可套设于所述微圆柱上。

4.根据权利要求2所述的内置微转子强化流动沸腾散热的微通道热沉系统，其特征在于，所述微通道热沉基底的尺寸为10mm*30mm*0.5mm，所述第一流体工质入口孔的直径为1mm，所述第一流体工质出口孔的直径为2mm，所述微腔室的直径为5mm，所述微圆柱的直径为0.8mm，所述流体工质流入通道的宽度为0.4mm，所述流体工质流出通道的宽度为0.8mm。

5.根据权利要求2或4所述的内置微转子强化流动沸腾散热的微通道热沉系统，其特征在于，所述微通道热沉盖板的尺寸为10mm*30mm*0.5mm，所述第二流体工质入口孔的直径为1mm，所述第二流体工质出口孔的直径为2mm。

6.根据权利要求2所述的内置微转子强化流动沸腾散热的微通道热沉系统，其特征在于，所述微通道热沉基底采用硅基、铜基或铝基。

7.根据权利要求1或2所述的内置微转子强化流动沸腾散热的微通道热沉系统，其特征在于，所述气液两相流的流体为电子氟化液。

8.根据权利要求1或2所述的内置微转子强化流动沸腾散热的微通道热沉系统，其特征在于，所述铁磁性微转子采用镀锌的铁丝绕制而成。

9.根据权利要求1或2所述的内置微转子强化流动沸腾散热的微通道热沉系统，其特征在于，所述磁力搅拌器提供的转速为0-6000rpm。

10.根据权利要求2所述的内置微转子强化流动沸腾散热的微通道热沉系统，其特征在于，所述微通道热沉盖板采用玻璃盖板。

11.根据权利要求2所述的内置微转子强化流动沸腾散热的微通道热沉系统，其特征在于，还包括一模拟热源，设于所述微通道热沉基底的第二平面，其大小和位置与所述微腔室对应。

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