CN203633055U - 一种具有新型换热结构及自适应特性的热沉散热装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有新型换热结构及自适应特性的热沉散热装置，属于换热技术领域。所述热沉散热装置由微通道热沉系统、微泵装置、动力补给系统和供电装置组成；所述的微通道热沉系统由顶盖板、引流板和热沉板按照从上到下的顺序封装而成；所述热沉板上加工有微通道；所述微通道由水力直径不一的多种微通道通过多级组合而成。本实用新型可以实现高换热强度的散热装置，其具有自适应特性，适用于小尺寸、高热流密度发热部件，如电子器件、激光器件等。

Description

一种具有新型换热结构及自适应特性的热沉散热装置

技术领域

本实用新型是一种高换热强度的散热装置，具有自适应特性，适用于小尺寸，高热流密度发热部件，如电子器件、激光器件等。

背景技术

随着科学技术往微型化方向的发展，对在微小尺度下系统的热管理提出了巨大挑战。在航空航天领域，随着各大国家在空间站、航天飞机和远距离探测飞船等载人航天领域的发展，航天器载重与其有限空间之间的矛盾日益突出，使散热问题显得异常重要，如何在很小的空间内实现有效地热管理，成为决定一个国家载人航天技术水平的重要指标之一。在半导体领域，伴随着MEMS技术的进步，各类电子器件精密程度不断升高，导致单位面积产热热流密度急剧增加，当前计算机芯片的功率密度已达到10⁷W/m²甚至更高，几乎比现代商用轻水反应堆堆芯平均功率密度高出2～3个数量级。显然，提供有效的冷却手段已经成为维系电子技术发展和保障系统安全稳定运行的关键。

目前，微小尺度下高效散热方式主要有以下几种：自然对流冷却，这种方式散热功率低，一般在1W/cm²量级，显然，已经远不能满足现代散热需求；热沉强制对流散热，这种冷却方式是目前计算机芯片散热的主要方式，这种方式散热量可以达到100W/cm²，但是这种冷却方式震动（噪音）大，并且目前市场上CPU散热量已接近或超过100W/cm²，因此，急需更高效的散热方式；微通道热沉冷却，由各种形式的微流道组成，靠工作流体携带热量实现冷却，是目前最有应用前景的冷却方式之一。

微通道热沉冷却系统里，高效换热的微通道热沉结构和工作流体的驱动力是两大关键环节。目前普遍采用的微通道热沉结构未能充分的实现换热最大化以及降低换热经济性，即降低换热与泵功率的比值。在进一步加强换热能力和降低外加驱动力方面尚有很大的进步空间。

发明内容

本实用新型提供一种具有自适应特性的高换热强度的散热装置。所述散热装置包括微通道热沉系统、驱动系统和动力补给系统。

所述的微通道热沉系统包括顶盖板、引流板和热沉板，所述顶盖板上开有两个通孔，所述通孔在顶盖板的上表面加工成圆形，便于与工作流体管路贯通，下表面加工成矩形，便于与引流板上的矩形孔对应联通；所述引流板上加工有矩形通孔。所述热沉板上加工有微通道。

所述微通道由水力直径不一（水力直径范围在1-1000微米范围）的N（N大于或等于2）种微通道通过N级组合而成，这种结构利用了微尺度条件下换热的入口段效应，实现换热最大化，同时由于热沉由多级不同水力直径微通道构成，比单纯采用极小直径微通道热沉压损小，换热强度大经济性好。微通道热沉系统通过热沉的封装以及进出口管线的连接接入整个系统；所述微通道为单侧N级微通道，或者为两侧N级微通道。

所述的驱动系统，包含微泵装置和相应供电电路，微泵装置提供工作流体驱动力，供电电路有外加电源和动力补给系统并入的电源，通过串联电路共同给微泵装置提供电源；

所述的动力补给系统，该系统使得整个散热装置具有自适应功能。核心部件为高性能热电材料，利用散热后的高温工作流体与热电材料冷端的温差，产生能源，并入驱动系统，使得本实用新型具有自适应功能。即根据被散热部件的温度高低，能产生大小不同的额外能源，提供给工作流体驱动装置——微泵装置，实现自动调节功能。

本实用新型的优点在于：根据本实用新型，可以实现高换热强度的散热装置，其具有自适应特性，适用于小尺寸、高热流密度发热部件，如电子器件、激光器件等。

附图说明

图1是本实用新型的散热装置的结构组成示意图；

图2是本实用新型中微通道热沉系统的结构装配图；

图3是本实用新型中微通道热沉系统封装后的结构示意图；

图4是微通道热沉结构图2中局部M区的放大图；

图5微通道热沉结构第一级和第二级连接处详细结构示意图；

图6是微通道热沉结构图2中局部N区的放大图；

图7微通道热沉结构第二级和第三级连接处详细结构示意图；

图8第一个实施例中的三级微通道装置B-B剖面图；

图9是本实用新型提供的一个实施例中两侧三级微通道热沉系统装配图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进一步详细说明。

本实用新型提供一种具有新型换热结构及自适应特性的热沉散热装置，所述的散热装置的结构组成如图1所示，整个散热装置由微通道热沉系统1、微泵装置2、动力补给系统3和供电装置4组成。低温的工作流体在微通道热沉系统1中冷却发热部件，从微通道热沉系统1中流出的高温工作流体进入动力补给系统3，通过热电材料构成的热电部件利用工作流体与环境温差产生电能，辅助供电装置4给微泵装置2提供能源，整个散热装置中工作流体的驱动力来自微泵装置2。根据本实用新型的实施例，工作流体可以是空气、氮气、水或各种制冷剂等，它们都能实现本实用新型的高效散热的目的。

本实用新型的微通道热沉系统1，如图2所示，由顶盖板101、引流板102和热沉板103按照从上到下的顺序封装而成，如图3所示为封装之后的热沉板结构图，具体的封装方式可以通过焊接或者粘接的方法实现。图2是一种三级微通道热沉系统装配图。所述的顶盖板101由导热性能优越的金属板或硅板制成，上表面开有两个圆孔以便和工作流体的进出管路联接，构成回路，对应两个圆孔处的顶盖板101的下表面打通成矩形与引流板102上矩形孔联通。所述的引流板102介于顶盖板101和热沉板103之间，由在导热性能优越的金属板或硅板上加工出矩形通孔实现工作流体的引流。所述矩形通孔与顶盖板101下表面的矩形结构一致对应。所述的热沉板103由在导热性能优越的金属板或硅板上蚀刻、光刻或采用其他加工方式加工出的水力直径不一的三种微通道通过三级组合而成，所述的微通道104水力直径范围在1～1000微米范围。如图2中所示，热沉板103又分入口导流区A、出口导流区C和散热区B，入口导流区A的宽度逐渐减小，出口导流区C宽度逐渐增大，这种布置可以减小局部压力损失，使流动更均匀。图4和图6为微通道热沉结构局部M和N的放大图。散热区B由三级尺寸逐渐增加微通道组成，端部均采用矩形结构型式，第一级微通道B1的尺寸最小，第三级微通道B3尺寸最大，同一级微通道尺寸保持一致。图4和图5为第一级和第二级微通道连接处的详细结构示意图，第二级微通道B2设置在第一级两个微通道B1的正中间位置，并且第一级微通道B1中线与第二级微通道管壁B21中线重合，第一级微通道管壁B11端部与第二级微通道管壁B21端部在同一个平面上。每隔一个第一级微通道B1放置一个第二级微通道管壁B21。第二级微通道B2和第三级微通道B3的连接方式如图6和图7所示，第三级微通道管壁B31与第二级微通道管壁B21直接相连，并且第三级微通道管壁B31一侧与第二级微通道管壁B21中心线在同一平面内，使得微通道B2的尺寸进一步增加到微通道B3的尺寸。第三级微通道管壁B31连接在相邻的两个第二级微通道管壁B21上，并且该处形成类似扩张管的形状。每隔一个第二级微通道管壁B21，连续布置两个第三级微通道管壁B31，并且任意一个第三级微通道B3和微通道管壁B31关于第三级微通道B3的中心轴线呈现出轴对称的方式，第二级微通道B2和第三级微通道B3形成了一个周期结构。图8为图3中三级微通道装置B-B剖面图，由图8可知，热沉板103中的微通道由形状和大小均一致的微通道管壁围成，同一级微通道的形状和尺寸也相等。三级微通道管壁均为矩形板，端部也采用矩形连接方式。

下面从理论上详细说明本实用新型中热沉结构的优越性。众所周知，内流换热入口段换热强度最大，随着边界层的发展，换热减弱，因此高效利用入口段和破坏边界层的发展成为提高换热强度的关键。本实用新型提出了一种新型微通道热沉结构，这种结构充分利用了微尺度条件下换热的入口段效应。具体而言，工作流体在入口导流区A中流向散热区B，由于入口导流区A的宽度逐渐减小并衔接散热区B，因此相对于散热区B属于大尺寸，因此，流向散热区B的各个微小通道入口的工作流体可以认为是均匀入口速度。此时在刚进入散热区B的部分散热最强，随后工作流体流动与换热均进入发展阶段，由于入口段换热强度最大，本实用新型设计的各种水力直径的微通道中工作流体流动换热均处于入口段，为保障该关键点的实现，设计热沉结构中各级微通道104水力直径长度时（即相当于第一个实施例中第一级、第二级或者第三级的微通道104水力直径长度），采用下面公式进行计算：

$L/D=[0.02847\mathrm{Re}\ln \left(\frac{T^{*}-0.02528}{2.22\×{10}^{-4}}\right)+$

$(-0.18754+1.0674T^{*})](0.2555\ln \left(x\right)+1.0343)---\left(1\right)$

式中，L为某级长度，D为该级水力直径，Re为该级入口Reynolds数（雷诺数），T^*为无量纲温度，定义为：T^*=(T_w-T₀)/T₀，式中T_w为热沉部分固体温度，T₀为工作流体入口温度；x为工作流体的动量调节系数。

当工作流体在第一级通道中还处于高换热的入口段并且未进入充分发展段时，工作流体即进入下一级通道，这时上一级通道的边界层处于下一级通道的主流区，工作流体的流动和换热重新发展，即相当于重新进入新的通道，使得新的一级通道里流动和换热依旧处于入口段；并且这里工作流体流动被下一级通道固壁扰动，也会强化传热，同时由于是顺流，压力损失也很小。上述原理解释了本实用新型实现换热最大化以及降低换热经济性的原因。

本实用新型中的微通道热沉系统的结构可以由N级构成，图2所示的是一种三级微通道热沉系统，根据本实用新型技术方案还可以设计出各种不同水力直径组合成的不同级数的散热结构，需要指出，不是级数越多或各级通道水力直径越小散热效果越好，需要根据实际散热要求和换热经济性进行合理配置。此外，本实用新型还可以布置成多侧多级，这种布置方式适合于待冷却部件面积较大，散热强度很大的情况，图9给出了其中一种两侧三级微通道104热沉系统的装配图。该两侧三级热沉系统中，顶盖板101由三个圆孔组成，其中两侧的两个圆孔与管路相连为入流孔，流体从这两个尺寸较大的圆孔加入热沉板103。顶盖板101中间的圆孔为流体流出的通道。引流板102相应的具有矩形孔。顶盖板101下表面打成矩形与引流板102上矩形孔联通。在实际工作过程中，通过两个管路将流体导入热沉板103结构，通过顶盖板101两侧的圆孔将流体流经引流板102进入微通道104，然后通过三级微通道104装置，最后将流体从顶盖板101中间的圆孔流出，从而达到散热的目的，因此也可以将该系统称为两侧三级微通道热沉系统。该系统的侧数为加入热沉板103的途径数目，而级数则为热沉板103微通道104的种类。根据散热实际，在布置方便的前提下，可以选择合适的侧数与级数。

本实用新型的自适应功能主要由动力补给系统3实现。动力补给系统3的核心部件为高性能热电材料，热电材料的热端由从微通道热沉系统1流出的高温工作流体提供余热，冷端与环境大气或者与低温或极低温流体如冰水、液氮等接触，利用散热后的高温工作流体与冷端的温差，产生电能。再将此处产生的电能通过供电装置4与外加电源串联，并入驱动系统，提供微泵装置2的动力，使得本实用新型具有自适应功能。具体而言，如果被散热部件的温度高，从微通道热沉系统1流出的工作流体温度就高，与热电材料冷端的温差就大，产生的额外能源就多，提供给微泵装置2的动力就大，流体循环动力就强，那么整个散热系统的散热能力就会提高，从而实现自动调节功能。

Claims (4)

1.一种具有新型换热结构及自适应特性的热沉散热装置，其特征在于：所述热沉散热装置由微通道热沉系统、微泵装置、动力补给系统和供电装置组成；低温的工作流体在微通道热沉系统中冷却发热部件，从微通道热沉系统中流出的高温工作流体进入动力补给系统，通过热电材料构成的热电部件利用工作流体与环境温差产生电能，辅助供电装置给微泵装置提供能源，整个散热装置中工作流体的驱动力来自微泵装置；所述的微通道热沉系统由顶盖板、引流板和热沉板按照从上到下的顺序封装而成；所述顶盖板上开有通孔，所述通孔在顶盖板的上表面加工成圆形，下表面加工成矩形，便于与引流板上的矩形孔对应联通；所述引流板上加工有矩形通孔；所述热沉板上加工有微通道；所述微通道由水力直径不一的多种微通道通过多级组合而成。

2.根据权利要求1所述的一种具有新型换热结构及自适应特性的热沉散热装置，其特征在于：根据顶盖板上通孔数量，设置微通道为单侧多级微通道，或者两侧多级微通道。

3.根据权利要求1所述的一种具有新型换热结构及自适应特性的热沉散热装置，其特征在于：所述的热沉板由在金属板或硅板上蚀刻或光刻加工出的水力直径不一的三种微通道通过三级组合而成，所述的微通道水力直径范围在1～1000微米范围，热沉板又分入口导流区A、出口导流区C和散热区B，入口导流区A的宽度逐渐减小，出口导流区C宽度逐渐增大。

4.根据权利要求3所述的一种具有新型换热结构及自适应特性的热沉散热装置，其特征在于：所述的散热区由三级尺寸逐渐增加微通道组成，端部均采用矩形结构型式，第一级微通道的尺寸最小，第三级微通道尺寸最大，同一级微通道尺寸保持一致；第二级微通道设置在第一级两个微通道的正中间位置，并且第一级微通道中线与第二级微通道管壁中线重合，第一级微通道管壁端部与第二级微通道管壁端部在同一个平面上；每隔一个第一级微通道放置一个第二级微通道管壁；第三级微通道管壁与第二级微通道管壁直接相连，并且第三级微通道管壁一侧与第二级微通道管壁中心线在同一平面内；第三级微通道管壁连接在相邻的两个第二级微通道管壁上，并且该处形成扩张管的形状；每隔一个第二级微通道管壁，连续布置两个第三级微通道管壁，并且任意一个第三级微通道和微通道管壁关于第三级微通道的中心轴线呈现出轴对称的方式，第二级微通道和第三级微通道形成了一个周期结构。

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