CN203523219U - 微尺寸超临界co2制冷散热器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种微尺寸超临界CO2制冷散热器，它包括具有超临界CO2制冷剂进口和超临界CO2制冷剂出口的散热基座，所述散热基座内设置有不少于一条弯曲的微尺寸冷却通道，每条所述微尺寸冷却通道的两端分别连通所述超临界CO2制冷剂进口和所述超临界CO2制冷剂出口。本实用新型使用超临界CO2作为制冷剂，将微尺寸冷却通道设置为周期性S形弯曲，制冷剂在微尺寸冷却通道内流动时受周期性离心力作用而产生二次流，强化了对流换热，具有换热效率高的优点，解决了现有技术中微尺寸冷却通道内对流换热不足造成的换热效果不佳，以及随着换热过程的进行，换热效果趋于弱化的问题。
Description
技术领域
本实用新型涉及了一种微尺寸散热器，具体的说，涉及了一种微尺寸超临界CO2制冷散热器。
背景技术
近年来微电子设备的发展趋势呈现高集成度、大功率、微型化的特点。同时由于采用高集成度、大功率的设计，微电子设备在工作时也产生大量的热无法及时散去，以致微电子设备容易温度过高，由此引起微电子器件高温状态下输出功率降低甚至热失效的比率越来越高，而这对于实际应用来说是极为不利的。
现有技术中普遍采用制冷剂为水，通道为矩形槽、放射型矩形槽或并列型矩形槽的散热器。采用这种设计的散热器，其制冷剂水或其他常规制冷剂的散热效果会随着散热过程的进行呈现弱化趋势；而采用直槽散热通道，在其中呈湍流状态的流体对流换热效果较差，制冷剂常常一侧温度较高一侧较低，制冷剂没有充分发挥热传导的功能，影响热交换效率。这种设计的散热器，不仅散热效果不尽如人意，同时由于采用水或其他液体作为制冷剂，还要需加强措施避免制冷剂泄漏引起微电子原件导电短路等危险情况发生，从而增加成本与危险系数。
因此，如何快速、可靠、低成本地为微电子设备散去所产生热量已经成了亟待解决的技术问题，为此人们一直在寻找一种理想的技术方案。
发明内容
本实用新型的目的是针对现有技术的不足，提供一种微尺寸超临界CO2制冷散热器，其能够相对于现有技术，提高对流换热效率。
另外，本实用新型另一目的在于，提供一种微尺寸超临界CO2制冷散热器，其散热效率不随散热过程弱化。
为了实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：一种微尺寸超临界CO2制冷散热器，它包括具有超临界CO2制冷剂进口和超临界CO2制冷剂出口的散热基座，所述散热基座内设置有不少于一条弯曲的微尺寸冷却通道，每条所述微尺寸冷却通道的两端分别连通所述超临界CO2制冷剂进口和所述超临界CO2制冷剂出口。
基于上述，所述微尺寸冷却通道是呈周期性弯曲的微尺寸冷却通道。
基于上述，所述微尺寸冷却通道是S形微尺寸冷却通道。
基于上述，所述散热基座包括基底和与所述基底密封连接的基底盖板，所述微尺寸冷却通道是刻设在所述基底上的通道或者是刻设在所述基底和所述基底盖板上的复合通道。
基于上述，所述散热基座内设置有一条连通所述超临界CO2制冷剂进口的涌入通道和一条连通所述超临界CO2制冷剂出口的汇集通道，所述散热基座内设置有多条所述微尺寸冷却通道，多条所述微尺寸冷却通道的两端分别连通所述涌入通道和所述汇集通道。
基于上述，所述散热基座包括基底和与所述基底密封连接的基底盖板，所述微尺寸冷却通道、所述涌入通道和所述汇集通道分别是刻设在所述基底上的通道或者是刻设在所述基底和所述基底盖板上的复合通道。
本实用新型相对现有技术具有实质性特点和进步，具体的说，本实用新型将以往的直槽微尺寸冷却通道改进为周期性S形微尺寸冷却通道以便使用超临界CO2作为制冷剂并使之充分发挥其换热特性，利用其在超临界范围内的物性突变，对比传统应用于微型电子领域的散热器用制冷剂，明显增强了比热与换热系数，解决了现有微尺寸散热器散热效果不佳的技术问题。其具有设计科学、实用性强、安全环保、散热速率快和散热效果可靠的优点。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图。
图2是S形微尺寸冷却通道与直槽微尺寸冷却通道局部壁面温度与局部流体温度对比图。
图3是S形微尺寸冷却通道与直槽微尺寸冷却通道局部换热系数hx数值结果对比图。
附图标记的说明：1 、基底，2 、微尺寸冷却通道，3、 基底盖板，
11、超临界CO2制冷剂涌入通道，12、超临界CO2制冷剂汇集通道，21、超临界CO2制冷剂进口，22、超临界CO2制冷剂出口。
具体实施方式
下面通过具体实施方式，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。
如图1所示，一种微尺寸超临界CO2制冷散热器，它包括具有超临界CO2制冷剂进口21和超临界CO2制冷剂出口22的散热基座，所述散热基座包括基底1和与所述基底1密封连接的基底盖板3；所述基底1和所述基底盖板3上复合刻设有多条微尺寸冷却通道2、一条连通所述超临界CO2制冷剂进口21的涌入通道11和一条连通所述超临界CO2制冷剂出口22的汇集通道12，所述微尺寸冷却通道2是呈周期性弯曲的S形微尺寸冷却通道，所述微尺寸冷却通道2的两端分别连通所述涌入通道11和所述汇集通道12。
需要特别说明的是，在其它实施例中，所述微尺寸冷却通道2可以是刻设在所述基底1上的通道；所述涌入通道11和所述汇集通道12可以是刻设在所述基底1上的通道。
本实用新型将以往的微尺寸直槽冷却通道改进为周期性弯曲的S形微尺寸冷却通道，以便使用超临界CO2作为制冷剂并使之充分发挥其换热特性；其中，超临界CO2是指处于临界温度和临界压力以上的CO2流体，是CO2存在的一种特殊状态。超临界CO2具有气体的低粘度、高扩散系数和液体的高密度的特性，其放热过程是一种典型的强变物性换热过程，特别是在近临界区，流体的热物性随压力、温度等参数变化十分剧烈。优良的热物性及流动性、较高的单位容积制冷量、蒸发潜力大等优势，使超临界CO2作为制冷剂不仅能大大提高制冷设备的效率，而且还对环境的友好。当超临界CO2周期性流经S形微尺寸冷却通道时，由于受周期性离心力作用而产生二次流和反向二次扰流，从而加强了对流换热效率。
下面对S形微尺寸冷却通道和直槽微尺寸冷却通道的对流换热系数进行对比分析，首先对试验进行正确性验证，设定通道几何模型：S形通道内径100μm，曲率半径为0.4mm，总长40mm，具有16个完整周期，采用低雷诺数湍流Y-S模型、标准K-e湍流模型及RNG湍流模型分别进行计算，对比结果发现RNG湍流模型最接近实验结果，故而RNG湍流模型可以用于微尺寸管道的数值计算。
设定直槽微尺寸冷却通道进出口绝热段长度为5mm，冷却段长度为40mm，与S形微尺寸冷却通道冷却段长度相等，二者均为向上流动，入口雷诺数5100（湍流），进口温度为340.15K，压力9MPa，冷却热流密度为q=-600KW/m2。为方便对比，建立曲率半径为2.122mm的S形管道，该S形微尺寸冷却通道模型具有三个完整周期，每个周期由四个四分之一圆弧构成，其中，具体数据对比图如图2和图3所示。
局部对流换热系数hx公式如下：
其中，Tb1为直槽微尺寸冷却通道壁面温度；Tb2 为S形微尺寸冷却通道壁面温度；Tw1 为直槽微尺寸冷却通道局部流体温度；Tw2 为S形微尺寸冷却通道局部流体温度；hx1 为直槽微尺寸冷却通道的局部换热系数；hx2 为S形微尺寸冷却通道的局部换热系数；x/d 中x为所测位置与起始位置之间长度，d为模型通道直径。
如图2所示，将S形微尺寸冷却通道温度分布曲线分为三个完整周期，流体流动方向依次为A、B、C。从图中可以看出S形微尺寸冷却通道的局部壁面温度低于直槽微尺寸冷却通道段相应位置的温度，而S形微尺寸冷却通道局部流体温度高于直槽微尺寸冷却通道段相应位置的温度，所以S形微尺寸冷却通道局部壁面温度与局部流体温度的温差小，因此造成同样换热长度的管道，S形微尺寸冷却通道的局部换热系数要高。同时，由图中还可以看出单元周期内同向弯曲段入口截面平均温度与壁面平均温度温差较小，而单元周期内同向弯曲段出口截面平均温度与壁面平均温度温差相对较大，因此局部换热系数会出现如图3所示的2与4的分布，其中hx1和hx2分别为直槽微尺寸冷却通道与S形微尺寸冷却通道的局部换热系数。可以看出S形微尺寸冷却通道局部换热系数呈现周期性分布且每个周期拥有自己的换热峰值，且直槽微尺寸冷却通道与S形微尺寸冷却通道局部换热系数峰值出现位置相同，即出现在超临界CO2局部流体温度降低至准临界温度点附近。
综合前述的流动与换热分析，可以得出设置周期性S形微尺寸冷却通道的散热器，当制冷剂超临界CO2流体流经同向弯曲截面时，由于离心力作用，流体产生二次流，对流动和换热起到强化作用；但经过反向弯曲截面时，离心力方向将要发生改变，因此，由上个弯曲面所产生的二次流首先被削弱，出现流动换热的低谷，跨过此面，反向离心力逐渐起主导作用，将再次形成反向二次扰流，流动换热又被强化。所以得出具有周期性S形微尺寸冷却通道的散热器的对流换热效率高于直槽微尺寸冷却通道的对流换热效率。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本实用新型技术方案的精神，其均应涵盖在本实用新型请求保护的技术方案范围当中。
Claims (9)
1.一种微尺寸超临界CO2制冷散热器，其特征在于：它包括具有超临界CO2制冷剂进口和超临界CO2制冷剂出口的散热基座，所述散热基座内设置有不少于一条弯曲的微尺寸冷却通道，每条所述微尺寸冷却通道的两端分别连通所述超临界CO2制冷剂进口和所述超临界CO2制冷剂出口。
2.根据权利要求1所述的微尺寸超临界CO2制冷散热器，其特征在于：所述微尺寸冷却通道是呈周期性弯曲的微尺寸冷却通道。
3.根据权利要求1或2所述的微尺寸超临界CO2制冷散热器，其特征在于：所述微尺寸冷却通道是S形微尺寸冷却通道。
4.根据权利要求1或2所述的微尺寸超临界CO2制冷散热器，其特征在于：所述散热基座包括基底和与所述基底密封连接的基底盖板，所述微尺寸冷却通道是刻设在所述基底上的通道或者是刻设在所述基底和所述基底盖板上的复合通道。
5.根据权利要求3所述的微尺寸超临界CO2制冷散热器，其特征在于：所述散热基座包括基底和与所述基底密封连接的基底盖板，所述微尺寸冷却通道是刻设在所述基底上的通道或者是刻设在所述基底和所述基底盖板上的复合通道。
6.根据权利要求1或2所述的微尺寸超临界CO2制冷散热器，其特征在于：所述散热基座内设置有一条连通所述超临界CO2制冷剂进口的涌入通道和一条连通所述超临界CO2制冷剂出口的汇集通道，所述散热基座内设置有多条所述微尺寸冷却通道，多条所述微尺寸冷却通道的两端分别连通所述涌入通道和所述汇集通道。
7.根据权利要求6所述的微尺寸超临界CO2制冷散热器，其特征在于：所述散热基座包括基底和与所述基底密封连接的基底盖板，所述微尺寸冷却通道、所述涌入通道和所述汇集通道分别是刻设在所述基底上的通道或者是刻设在所述基底和所述基底盖板上的复合通道。
8.根据权利要求3所述的微尺寸超临界CO2制冷散热器，其特征在于：所述散热基座内设置有一条连通所述超临界CO2制冷剂进口的涌入通道和一条连通所述超临界CO2制冷剂出口的汇集通道，所述散热基座内设置有多条所述微尺寸冷却通道，多条所述微尺寸冷却通道的两端分别连通所述涌入通道和所述汇集通道。
9.根据权利要求8所述的微尺寸超临界CO2制冷散热器，其特征在于：所述散热基座包括基底和与所述基底密封连接的基底盖板，所述微尺寸冷却通道、所述涌入通道和所述汇集通道分别是刻设在所述基底上的通道或者是刻设在所述基底和所述基底盖板上的复合通道。
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