CN116314084B - 一种基于射流激励器的微颗粒流换热装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于芯片散热领域，具体是涉及到一种基于射流激励器的微颗粒流换热装置,包括射流激励器和微通道换热器；所述射流激励器的射流通道与微通道换热器的微通道连通，且所述射流通道朝向微通道的换热工作面设置；所述微通道换热器的微通道内流通微颗粒换热介质；射流激励器朝向微通道的换热工作面喷出射流，射流与微通道内流通的微颗粒换热介质掺混，且射流冲击换热工作面上沉积的微颗粒,本发明所提供的基于射流激励器的微颗粒流换热装置，实现了换热效率显著的提升，能有效解决高集成度、微型化电子器件的更高热流“热障”问题。

Description

一种基于射流激励器的微颗粒流换热装置

技术领域

本发明属于芯片散热领域，具体是涉及到一种基于射流激励器的微颗粒流换热装置。

背景技术

随着社会及信息技术的不断发展，人们对于电子设备的使用需求也越来越大，要求越来越高。电子器件逐渐朝着微小型化、集成化的方向发展，导致了越来越高的热流密度。有研究表明，芯片局部热点热流密度将超过1000W/cm2，平均热流密度将达到500W/cm2。而芯片可靠性随着芯片温度每升高10℃而降低50%，由于热导致的芯片失效原因可达55%。另外数据中心由于散热问题所引起的能耗占数据中心总能耗的近一半，亟需一种散热高效、体积小、重量轻、能耗低的散热技术来满足高热流芯片的散热需求。

研究表明，微通道液冷技术如蜘蛛网微通道、菱形微通道等都具有很好的散热效果。但微通道散热能力的提升往往需要以更大的压降为代价，增加了泵功的消耗。

有关微通道另一方面的研究是流体工质的研究。常规的流体工质为水。随着更小尺度颗粒研究的深入，采用微颗粒两相流进行换热成为一种有效的换热方式。它在成本和环境友好性上均具有优势，符合碳中和的目标需求，将微颗粒流与微通道结合，是一种散热高效、体积小、重量轻、能耗低的散热技术发展方向。

但是目前微颗粒换热介质存在聚集、沉积等现象，长时间换热面上会沉积微颗粒，影响换热面的散热效果，同时使用久了还会堵塞通道，导致换热效果大打折扣。目前减少微颗粒换热介质沉积堵塞现象一般采取以下方式，1、选择适当的微颗粒大小和密度，减少沉积现象的发生；2、增加流体流速；3、流道内壁使用特殊材质或涂层；4，对流道内壁定期进行清洗和维护，上述四种方式需要增加劳动强度或者成本，且由于微通道的通道尺寸小，堵塞情况更加频繁，且清洗和维护难度大。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种解决微颗粒流应用在微通道内缺陷的基于射流激励器的微颗粒流换热装置。

本发明提供一种基于射流激励器的微颗粒流换热装置，包括射流激励器和微通道换热器；

所述射流激励器的射流通道与微通道换热器的微通道连通，且所述射流通道朝向微通道的换热工作面设置；

所述微通道换热器的微通道内流通微颗粒换热介质；

射流激励器朝向微通道的换热工作面喷出射流，射流与微通道内流通的微颗粒换热介质掺混，且射流冲击换热工作面上沉积的微颗粒。

更进一步地，所述射流激励器的空腔通入微颗粒换热介质。

更进一步地，所述微通道换热器包括散热器壳体和设置在散热器壳体内的微通道，还包括连通微通道两端的冷却介质入口和冷却介质出口。

更进一步地，所述微通道为矩形通道，所述散热器壳体一侧设置有芯片安装槽，所述微通道内靠近一侧芯片安装槽为换热工作面。

更进一步地，所述微通道截面长32.5mm，宽1mm。

更进一步地，所述射流激励器包括壳体和振动膜片，所述壳体内设置有空腔，所述振动膜片设置在空腔内并将空腔分割为两个腔体，所述壳体上还设置有为两个腔体注入微颗粒换热介质的入水口，两个腔体均设置有连通微通道换热器的射流通道，两个腔体所连接的所述射流通道沿微通道换热器流向交错排布。

更进一步地，每个所述射流通道与微通道换热器的连接处沿微通道换热器宽度方向等距设置有若干个射流孔，多个所述射流通道的射流孔呈矩形阵列排布。

更进一步地，所述微通道内流通微颗粒换热介质中微颗粒材质为石墨，微颗粒尺寸为5微米，微颗粒浓度为1%-5%。

更进一步地，所述射流激励器内流通微颗粒换热介质中微颗粒材质为石墨，微颗粒尺寸为5微米，微颗粒浓度为1%-5%。

本发明的有益效果是，本发明微通道换热器的微通道内流通微颗粒换热介质进行换热，相对于常规换热介质而言，微颗粒冷却介质的存在能够提高流体的热导率，极大的提高了微通道换热器的热量传递效率，另外，本发明通过设置射流激励器，并将射流激励器的射流通道与微通道换热器的微通道连通，且将射流通道朝向微通道的换热工作面设置，第一，射流与微通道内流通的微颗粒换热介质掺混，增加微颗粒换热介质的湍流度，破坏热边界层，提高微通道换热器的换热能力，第二，射流会直接冲击换热工作面，提高换热工作面的换热能力，第三，射流会增强微颗粒换热介质内微颗粒的分散程度，提高换热效果，降低对微颗粒换热介质的质量要求，第四，射流冲击换热工作面，会避免微颗粒沉积于换热工作面上，以及会将换热工作面上已经沉积附着的微颗粒冲刷至微颗粒换热介质内，一方面保证换热工作面的传热性能，另一方面，将换热工作面上冲刷下的微颗粒会重新进行微颗粒换热介质内参与换热，保证从微颗粒换热介质的微颗粒浓度和换热效果，第五，射流从换热工作面的对面喷出，射流的喷出位置形成涡系结构，涡系结构会避免微通道该侧微颗粒沉积，且一定程度上也会将该侧已经沉积附着的微颗粒冲刷至微颗粒换热介质内。

本发明所提供的基于射流激励器的微颗粒流换热装置，相对于单纯流通微颗粒换热介质的微通道换热器而言，在极大的提升了换热效果的同时，解决了微颗粒换热介质会沉积微通道内壁上影响换热性能且难以进行清理维护的问题，同时降低了微颗粒换热介质的质量要求，进而降低成本，提高适配性。相对于流通普通冷却液的基于双射流激励器的液冷散热装置而言，仅改为流通微颗粒换热介质，在无需增加其它结构的情况下，对微颗粒换热介质进行适配，解决了微颗粒换热介质易沉积、易堵塞、微颗粒分散程度要求的缺陷，最终实现了换热效率显著的提升，能有效解决高集成度、微型化电子器件的更高热流“热障”问题。

附图说明

附图1为本发明的结构示意图；

附图2为本发明的结构爆炸示意图；

附图3为本发明中射流激励器的正剖视图；

附图4为本发明中微通道部分的正剖视图；

附图5为本射流激励器流通水时开启前微通道换热器的温度示意图；

附图6为本射流激励器流通水时开启后微通道换热器的温度示意图；

附图7为本发明加入5%微颗粒流后射流激励器开启前微通道换热器的温度示意图；

附图8为本发明加入5%微颗粒流后射流激励器开启后微通道换热器的温度示意图；

附图9为本发明射流激励器开启前纵向流场示意图；

附图10为本发明射流激励器开启前平面流场示意图；

附图11为本发明射流激励器开启后纵向流场示意图；

附图12为本发明射流激励器开启后平面流场示意图；

附图13为本发明中芯片表面温度和微通道进出口压降随微颗粒浓度的变化图；

附图14为本发明中FOM值随石墨颗粒浓度的变化图。

在图中，1-射流激励器；11-壳体；111-上壳；112-中壳；113-下壳；12-振动膜片；13-空腔；131-腔体Ⅰ；132-腔体Ⅱ；14-入水口；141-入水口Ⅰ；142-入水口Ⅱ；15-射流通道；151-射流通道Ⅰ；152-射流通道Ⅱ；16-射流孔；2-微通道换热器；21-散热器壳体；22-微通道；221-换热工作面；222-安装面；23-冷却介质入口；24-冷却介质出口。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

如附图1-14所示，本发明提供一种基于射流激励器的微颗粒流换热装置，包括射流激励器1和微通道换热器2；

所述射流激励器1的射流通道15与微通道换热器2的微通道22连通，且所述射流通道15朝向微通道22的换热工作面221设置；

所述微通道换热器2的微通道22内流通微颗粒换热介质；

射流激励器1朝向微通道22的换热工作面221喷出射流，射流与微通道22内流通的微颗粒换热介质掺混，且射流冲击换热工作面221上沉积的微颗粒。

本发明微通道换热器2的微通道22内流通微颗粒换热介质进行换热，相对于常规换热介质而言，微颗粒能提高流体的热导率，进一步强化换热，极大的提高了微通道换热器2的热量传递效率，另外，本发明通过设置射流激励器1，并将射流激励器1的射流通道15与微通道换热器2的微通道22连通，且将射流通道15朝向微通道22的换热工作面221设置，第一，射流与微通道22内流通的微颗粒换热介质掺混，增加微颗粒换热介质的湍流度，破坏热边界层，提高微通道换热器2的换热能力，第二，射流会直接冲击换热工作面221，提高换热工作面221的换热能力，第三，射流会增强微颗粒换热介质内微颗粒的分散程度，提高换热效果，降低对微颗粒换热介质的质量要求，第四，射流冲击换热工作面221，会避免微颗粒沉积于换热工作面221上，以及会将换热工作面221上已经沉积附着的微颗粒冲刷至微颗粒换热介质内，一方面保证换热工作面221的传热性能，另一方面，将换热工作面221上冲刷下的微颗粒会重新进行微颗粒换热介质内参与换热，保证从微颗粒换热介质的微颗粒浓度和换热效果，第五，射流从换热工作面221的对面喷出，射流的喷出位置（安装面222上）形成涡系结构，涡系结构会避免微通道22的安装面222微颗粒沉积，且一定程度上也会将该侧已经沉积附着的微颗粒冲刷至微颗粒换热介质内。

本发明所提供的基于射流激励器的微颗粒流换热装置，相对于单纯流通微颗粒换热介质的微通道换热器2而言，在极大的提升了换热效果的同时，解决了微颗粒换热介质会沉积微通道22内壁上影响换热性能且难以进行清理维护的问题，同时降低了微颗粒换热介质的质量要求，进而降低成本，提高适配性。相对于流通普通冷却液的基于双射流激励器的液冷散热装置而言，仅改为流通微颗粒换热介质，在无需增加其它结构的情况下，对微颗粒换热介质进行适配，解决了微颗粒换热介质易沉积、易堵塞、微颗粒分散程度要求的缺陷，最终实现了换热效率显著的提升，能有效解决高集成度、微型化电子器件的更高热流“热障”问题。

在其中一个实施例中，所述射流激励器1的空腔13通入微颗粒换热介质，即从射流通道15喷出的射流同样为微颗粒换热介质，两组微颗粒换热介质在微通道22内换热工作面221范围内碰撞、掺混，可以避免微通道22内流入气泡影响换热效果，另外，两组微颗粒换热介质碰撞同样会加强微颗粒的分散状态，进一步提高换热效果。

在其中一个实施例中，所述微通道换热器2包括散热器壳体21和设置在散热器壳体21内的微通道22，还包括连通微通道22两端的冷却介质入口23和冷却介质出口24，本实施例中，微通道换热器2外部可以连接冷却介质循环装置，并通过冷却介质入口23和冷却介质出口24实现循环，射流通道15喷出的射流可以保证微颗粒换热介质中微颗粒的分散程度，冲刷沉积在微通道22内的微颗粒。

在其中一个实施例中，所述微通道22为矩形通道，所述散热器壳体21一侧设置有芯片安装槽，芯片安装槽用于安装发热量高的芯片，所述微通道22内靠近一侧芯片安装槽为换热工作面221，微通道22内与射流通道15连接的一侧为安装面222，本实施例中，微通道22为矩形通道，方便射流通道15与换热工作面221正对设置，同时可以提高换热工作面221的面积，提高对芯片的换热效果。

在其中一个实施例中，所述微通道22截面长32.5mm，宽1mm，即微通道22截面为长方形，本实施例中，由于微通道22的宽度较窄，可以保证射流通道15内喷出的射流可以冲击至换热工作面221表面，本实施例中，射流通道15仅作用于微通道22对应芯片的一部分，有利于保证流动稳定性，同时，宽度选择1mm，在微通道22冷却介质入口23流量较小以及射流激励器1不工作时，还能保证一定的散热能力。

在其中一个实施例中，所述射流激励器1包括壳体11和振动膜片12，所述壳体11内设置有空腔13，所述振动膜片12设置在空腔13内并将空腔13分割为两个腔体，所述壳体11上还设置有为两个腔体注入微颗粒换热介质的入水口14，两个腔体均设置有连通微通道换热器2的射流通道15，两个腔体所连接的所述射流通道15沿微通道换热器2流向交错排布。

参考图1-图4，壳体11包括上壳111、中壳112和下壳113，中壳112用于固定振动膜片12，上壳111和中壳112配合后围合形成腔体Ⅰ131，下壳113和中壳112配合后围合形成腔体Ⅱ132，腔体Ⅰ131连通射流通道Ⅰ151，腔体Ⅱ132连通射流通道Ⅱ152，射流通道Ⅰ151和射流通道Ⅱ152端面与射流孔16连通。本实施例中，射流激励器1采用双射流激励器，具有两个交错工作的射流通道15，即一组射流通道15的射流注入微通道22内，同时另一组射流通道15从微通道22内吸入微颗粒换热介质，两组射流通道15交替间隔工作，使微通道22在任一时刻始终有喷射的射流对微通道22内微颗粒换热介质产生相互作用，提高换热效果，且射流通道15从微通道22内吸入微颗粒换热介质时，会在微通道22的安装面产生涡系结构，涡系结构一方面增加微颗粒换热介质的掺混，另一方面还可以防止安装面222沉积微颗粒，以及会将安装面222上已经沉积附着的微颗粒冲刷至微颗粒换热介质内。

另一方面，双射流激励器的结构简单可靠，射流的流速可通过双射流激励器驱动参数（驱动频率、驱动电压等）及结构参数（通道高度和宽度等）调节，具有结构简单、体积小、散热效率高，调节方便等效果，适合有限空间高热流芯片的散热。

在其中一个实施例中，每个所述射流通道15与微通道换热器2的连接处沿微通道换热器2宽度方向等距设置有若干个射流孔16，多个所述射流通道15的射流孔16呈矩形阵列排布，本实施例中，将射流通道15的注入方式转化为多个射流孔16的注入方式将微颗粒换热介质喷注至微通道22内，最终作用于微通道22内的射流呈矩形阵列排布，适配芯片形状，且相邻列或者相邻行间隔工作，使得微通道22宽度方向内的冷却介质均能与射流进行相互作用，使微通道换热器2流向和宽度方向的换热能力均有提升，另外，采用射流孔16的喷注方式可以提高射流的流速和压强，进而提高混合效果。

在其中一个实施例中，所述微通道22内流通微颗粒换热介质中微颗粒材质为石墨，微颗粒具体参数如表1所示，所研究的微颗粒浓度包括1%，2%，3%，5%的石墨-水微米颗粒流。与水相比，加入石墨微米颗粒后散热增强。且散热装置的性能随着微米颗粒浓度的增加而提高。

表1 材料物性参数

在其中一个实施例中，所述射流激励器1内流通微颗粒换热介质中微颗粒具体参数见表1。

本发明提供一个具体实施例，其中，微通道22的截面长度（y方向）为32.5mm，宽度（z方向）为1mm。射流孔16孔径为0.36mm，沿y方向间隔为2.25mm，沿着x方向间隔为1.5mm。微通道22内流通的微颗粒换热介质入口流速为1.5m/s，所述微通道22内流通微颗粒换热介质中微颗粒材质为石墨，微颗粒尺寸为5微米，微颗粒浓度为5%。所述射流激励器1内流通微颗粒换热介质中微颗粒材质为石墨，微颗粒尺寸为5微米，微颗粒浓度为5%。

在需要对芯片进行散热时，微通道换热器2的微通道22内流通微颗粒冷却介质；

射流激励器1通过入水口Ⅰ141为腔体Ⅰ131注入微颗粒冷却介质，入水口Ⅱ142为腔体Ⅱ132内注入微颗粒冷却介质，控制振动膜片12工作，振动膜片12使腔体Ⅰ131和腔体Ⅱ132的体积发生变化，两个腔体的体积周期性的增大或减小，微颗粒冷却介质间接性经过射流通道Ⅰ151或射流通道Ⅱ152以射流形式注入到微通道22内，同时另一个射流通道Ⅱ152或射流通道Ⅰ151吸入微通道22内的微颗粒冷却介质，最终以呈矩形排布的射流孔16交替工作，微通道22内的微颗粒冷却介质与射流相互作用，最终经过微通道22的冷却介质出口24流出。

参考图5和图6以及图7和图8，观察图5和图6发现，激励器关闭时温度为81.38℃，开启激励器后，温度降到60.04℃，合成双射流的存在强化了对流换热。观察图7和图8发现，加入5%微米颗粒流后，关闭激励器时，与图5相比，温度降到73.17℃，降低了8.21℃。开启激励器后，与图6相比，温度降到56.89℃，降低了3.15℃。本发明开启射流激励器1，加入微米颗粒后能够进一步降低温度，极大的增强了换热效果，其热源温度仅为56.89℃，这是因为微颗粒的存在提高了流体的热导率，且射流冲刷沉积微颗粒避免微通道22壁面导热率降低和保证微颗粒浓度相互结合，实现了更好的换热效果。

参考图10-图12，射流激励器1工作后较射流激励器1工作前速度明显提高，流场发展更为紊乱，射流孔16截面（即通道下表面）观察到一系列涡结构，有利于将壁面附近的热流体与通道内的冷流体进行混合，强化换热。射流激励器1工作后射流孔16附近较射流激励器1工作前明显紊乱。

图13为芯片表面温度和微通道进出口压降随微颗粒浓度的变化图。图中左侧坐标轴为热源表面温度，右侧坐标轴为微通道压降，横纵标为微颗粒浓度。从图中可以看出，热源表面温度随颗粒浓度的增加而降低，压降随颗粒浓度的增加而略微增加。与射流激励器1关闭相比，射流激励器1开启后热源温度更低，合成双射流对压降的影响不大。

图14为本技术FOM值随石墨颗粒浓度的变化图。FOM值为换热与流阻能力的比值，换热越强，FOM值越大，意味着装置综合性能越强。

图中参考工况为射流激励器1关闭，流体介质为水，此时FOM值为1。从图中可以看出，FOM值随着颗粒浓度的增加而增加。浓度为5%时，激励器开启后FOM值达到1.98，强化换热明显增强。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (8)

1.一种基于射流激励器的微颗粒流换热装置，其特征是，包括射流激励器（1）和微通道换热器（2）；

所述射流激励器（1）的射流通道（15）与微通道换热器（2）的微通道（22）连通，且所述射流通道（15）朝向微通道（22）的换热工作面（221）设置；

所述微通道换热器（2）的微通道（22）内流通微颗粒换热介质；

射流激励器（1）朝向微通道（22）的换热工作面（221）喷出射流，射流与微通道（22）内流通的微颗粒换热介质掺混，且射流冲击换热工作面（221）上沉积的微颗粒，所述射流激励器（1）的空腔（13）通入微颗粒换热介质。

2.如权利要求1所述的基于射流激励器的微颗粒流换热装置，其特征是，所述微通道换热器（2）包括散热器壳体（21）和设置在散热器壳体（21）内的微通道（22），还包括连通微通道（22）两端的冷却介质入口（23）和冷却介质出口（24）。

3.如权利要求2所述的基于射流激励器的微颗粒流换热装置，其特征是，所述微通道（22）为矩形通道，所述散热器壳体（21）一侧设置有芯片安装槽，所述微通道（22）内靠近一侧芯片安装槽为换热工作面（221）。

4.如权利要求3所述的基于射流激励器的微颗粒流换热装置，其特征是，所述微通道（22）截面长32.5mm，宽1mm。

5.如权利要求1-4任一项所述的基于射流激励器的微颗粒流换热装置，其特征是，所述射流激励器（1）包括壳体（11）和振动膜片（12），所述壳体（11）内设置有空腔（13），所述振动膜片（12）设置在空腔（13）内并将空腔（13）分割为两个腔体，所述壳体（11）上还设置有为两个腔体注入微颗粒换热介质的入水口（14），两个腔体均设置有连通微通道换热器（2）的射流通道（15），两个腔体所连接的所述射流通道（15）沿微通道换热器（2）流向交错排布。

6.如权利要求5所述的基于射流激励器的微颗粒流换热装置，其特征是，每个所述射流通道（15）与微通道换热器（2）的连接处沿微通道换热器（2）宽度方向等距设置有若干个射流孔（16），多个所述射流通道（15）的射流孔（16）呈矩形阵列排布。

7.如权利要求1-4任一项所述的基于射流激励器的微颗粒流换热装置，其特征是，所述微通道（22）内流通微颗粒换热介质中微颗粒材质为石墨，微颗粒尺寸为5微米，微颗粒浓度为1%-5%。

8.如权利要求1-4任一项所述的基于射流激励器的微颗粒流换热装置，其特征是，所述射流激励器（1）内流通微颗粒换热介质中微颗粒材质为石墨，微颗粒尺寸为5微米，微颗粒浓度为1%-5%。