CN205452266U - 超声波强化微槽道换热器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种超声波强化微槽道换热器，包括壳体、水冷系统、微针肋、超声波发生器和超声波换能器，水冷系统包括冷却水道、入水口和出水口，冷却水道设在壳体内，入水口和出水口与冷却水道相通组成水冷系统；壳体包括槽道主体和上封盖，两者连接密封，槽道主体内设有微针肋和冷却水道，微针肋沿槽道主体的轴线方向设置，微针肋之间以及微针肋与槽道主体内壁之间的空间形成冷却水道；超声波换能器振子分布在槽道主体的两侧，超声波发生器与换能器通过导线相连接。本实用新型通过超声波发生器发出高频信号，使换能器产生超声波振动，冷却水产生超声波空化效应变为超湍流状态，强化冷却；本实用新型能随时清理掉槽道内的污垢，减小传热热阻。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种应用于微电子散热的微槽道换热器，尤其涉及一种利用超声波空化机理强化微槽道换热及防垢、除垢的技术。
背景技术
微电子领域是最早提出微尺度流动和传热问题的工程领域，随着电子计算机容量和速度的快速发展以及导弹、卫星和军用雷达对高性能模块和大功率器件的要求，一方面器件的特征尺寸愈小愈好，已从微米量级向亚微米发展，另一方面器件的集成度自1959年以来每年以40％～50％高速度递增。随着集成度的提高，元件热流密度的增加速度将更为惊人，由此带来的过高温度会降低芯片的工作稳定性，增加出错率，同时模块内部与其外部环境间所形成的热应力会直接影响到芯片的电性能、工作频率、机械强度及可靠性，因此对微元件的高效散热要求就越来越高。如果微元件散热处理不好，元件温度就会上升，直接影响元件的性能，从而影响微电子器件的整体性能，所以研究微元件高效换热技术已具有非常重要的意义。
目前强化换热设备的传热手段主要有两种：(1)提高换热系数，例如改变换热器表面的性质或者改变表面结构使之传热系数得到提高；(2)减小传热热阻，从而实现强化传热，例如定时清洗热换器的污垢，采用不易结垢的材质制作换热器等，热阻减少，换热效果得到提高。
中国专利《超声波防垢、除垢的强化换热壳管式换热器》(申请号：CN201220480982.5)，公开了一种高效壳管式换热设备，该设备的显著特点为利用超声波的空化机理，清理沉降在换热器中的污垢，减小了传热热阻，提高换热效果；但是该管壳式换热器体积较大，不能应用于微电子散热领域，而且该技术中需要定期排污。
中国专利《微槽道与水冷联合的冷却系统》(申请号：201420752289.8)，该冷却系统利用了百微米量级尺寸的微槽道所具有的高强度取热能力，能够将刀片服务器中CPU芯片等微元件所产生的热量高效取出，该方法中微槽道所具有的高强度取热能力能够达到100W/cm2的量级，远高于目前CPU芯片的发热热流密度，传热效果较好；中国专利(申请号：2015100791197)主要是对针肋的形状做了改变，强化通道内流体的流动。但是，以上关于微槽道的专利在一定程度上通过对常规微通道换热器做了改进来提高传热效果，但流体在微通道中产生的流动阻力较大，仅仅依靠改变针肋的布置和形状还是不能彻底解决的；同时对冷却流体的要求较高，且会产生污垢，增加热阻，恶化传热效果。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本实用新型提供了一种超声波强化微槽道换热器，超声波在液体中传播时，产生的“空化效应”加剧了液体的振荡，强化微槽道内流体的扰动，也减小粘性阻力，进一步强化微槽道的换热；同时，超声波能量可使被处理液体中产生大量的空穴和气泡，当这些空穴和气泡迅速湮灭时，便在特定范围内形成强大的压力峰，使成垢物质迅速被粉碎成细小的垢粒而悬浮于液体中，并且导致已形成的垢物被破碎和脱落，减小传热热阻，提高微槽道的换热性能。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：
超声波强化微槽道换热器，包括散热壳体、水冷系统、微针肋、超声波发生器和超声波换能器；所述水冷系统包括冷却水道、入水口和出水口，冷却水道设置在散热壳体的内部，入水口和出水口分别设置在散热壳体上，入水口和出水口分别与冷却水道相通组成所述水冷系统，水冷系统的冷却工质为去离子水或乙醇；所述散热壳体包括槽道主体和上封盖，上封盖与槽道主体连接密封，槽道主体设为中空结构，在槽道主体的内部设有所述微针肋和冷却水道，微针肋沿槽道主体的轴线方向分布设置，微针肋的排列方式为叉排，微针肋之间以及微针肋与槽道主体的内壁之间的空间形成所述冷却水道；微针肋的直径设为0.1～1mm；所述超声波发生器和超声波换能器通过导线相连，超声波换能器设有多个超声波换能器振子，超声波换能器振子分布设置在槽道主体的两侧，超声波发生器的工作功率为0～100W。
进一步地，所述微针肋的形状为圆柱体、长方体或多边体；微针肋的高度与槽道主体的高度相同，为0.5～1mm；微针肋的横向间距比与纵向间距比均为0.5～2。
进一步地，所述冷却水道的数目取决于槽道主体中设置的微针肋的数目；冷却水道的横截面为长方形。
进一步地，所述槽道主体的材料为紫铜。
本实用新型通过超声波发生器发出高频信号，使超声波换能器产生超声波振动，对微槽道内的冷却水产生超声波空化效应，使冷却水变为超湍流状态，强化冷却。同时，通过超声波发生器发出的高频信号，使微槽道中的冷却水产生超声波振动，不仅使得微槽道中的水流速度减缓，降低了了水流的粘性系数；而且还可以随时清理掉沉降在微槽道内的污垢，减小传热热阻，提高微槽道的换热性能；其具体优点如下：
(1)本实用新型通过超声波换能器与超声波发生器可实现加强微槽道换热器中流体的扰动，提高对流换热系数，提高散热效率，本实用新型的换热性能得到改善；
(2)本实用新型换热器内的流体在超声波的作用下流速降低，延长了换热时间，加强换热，同时也降低液体的运动粘性系数，在一定程度上降低了液体的流动阻力，从而提高了微槽道换热器的通流能力、增强运行可靠性，延长使用寿命；
(3)本实用新型中微针肋呈叉排布置，叉排布置的流体扰动效果比顺排布置好，扰动增加，换热效果就会得到提高；
(4)本实用新型中流体冷却工质选用水的标准无需要那么严格，由于超声波的作用，可以减少甚至清楚槽道内污垢的形成，从而减少热阻的生成，增强换热效果；
(5)本实用新型的超声波微槽道换热器还可实现在线防除垢，超声波除垢对换热器的夹角、边缘角落等位置也可实现除垢，可以全面的清洗该微槽道换热器，在超声波的声场中使得污垢与冷却流体充分混合并随着流体一同流出槽道，不要定期排污；且抑垢率最高可达85％以上，传热热阻减小，相同情况下，传热效果就会提高；
(6)本实用新型的超声波微槽道换热器的散热率与微针肋的形状、大小、高度、数量以及超声波功率的大小有着很大的关系；同时，超声波的功率不是越大越好，在100W以内效果较好；
(7)相比于管壳式换热器，本实用新型的槽道换热器体积较小，能应用于微电子散热领域。
附图说明
图1是本实用新型超声波微槽道换热器的俯视图；
图2是本实用新型微针肋叉排布置的微槽道结构图；
图3是本实用新型的微针肋布置的几何参数示意图；
其中，1-槽道主体，2-入水口，3-出水口，4-冷却水道，5-微针肋，6-超声波发生器，7-超声波换能器，8-上封盖，9-微槽道夹角和边缘，10-超声波换能器振子。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
如图1所示，本实施例的超声波强化微槽道换热器包括散热壳体、水冷系统、微针肋5、超声波发生器6、超声波换能器7和超声波换能器振子10；
其中，水冷系统包括冷却水道4、入水口2和出水口3，冷却水道4设置在散热壳体的内部，冷却水道4的横截面为长方形(具体见图2)，入水口2和出水口3分别设置在散热壳体上，入水口2和出水口3分别与冷却水道4相连通组成水冷系统；冷却工质可为去离子水水或乙醇，可减少槽道内污垢的生成。
散热壳体包括槽道主体1和上封盖8，上封盖8与槽道主体1连接密封，确保冷却水道4中的流体不会从缝隙中溢出。槽道主体1的材料为紫铜；槽道主体1设为中空结构，在中空部位设置微针肋5和冷却水道4，微针肋5之间以及微针肋5与槽道主体1的内壁之间的空间形成冷却水道4，冷却水道4的数目为一个或者多个，冷却水道4的数目在于槽道主体1中间设置的微针肋5的数目。
微针肋5沿槽道主体1的轴线方向分布；微针肋5的形状为圆柱体、长方体、多边体等；微针肋5的高度与槽道主体1的高度一致，在约为0.5～1mm；微针肋5的直径在0.1～1mm范围内；微针肋5的横向间距比SL/D与纵向间距比SD/D均设置在0.5～2范围内(如图3所示)；微针肋5沿流道方向呈叉排布置，冷却工质在该通道内流动，叉排更能增加流体的扰动，利于传热。
超声波发生器6用来发出高频信号，工作匹配功率范围0～100W，超声波发生器6与超声波换能器7通过导线相连接，超声波换能器7用来接收高频信号并产生超声波振动，超声波换能器7具有多个超声波换能器振子10，超声波换能器振子10按照阵列的方式沿中心线排列在槽道主体1的两侧，便于超声波的声场涉及整个微槽道换热器，强化换热。
本实施例的超声波强化微槽道换热器的换热过程如下：通过超声波发生器6发出高频信号，通过超声波换能器7使超声波换能器振子10产生超声波振动，对槽道主体1内的冷却水产生超声波空化效应，使冷却水变为超湍流状态，强化冷却。同时，高频信号使槽道主体1中的冷却水产生超声波振动，不仅使得槽道主体1中的水流速度减缓，降低了了水流的粘性系数，而且还可以随时清理掉沉降在槽道主体1内的污垢，减小传热热阻，提高槽道主体1的换热性能。由此可见，该本实施例的超声波强化微槽道换热器可以大大提高换热效果。
使用本实施例的超声波强化微槽道换热器的注意事项是：
(1)超声波发生器6应按在通风阴凉处，超声波发生器6与超声波换能器7应避免淋水或撞击，保证其正常运行；
(2)在该超声波强化微槽道换热器运行前，要先将冷却水道4内充满冷却流体，避免共振和超声波换能器7产生的热效应使槽道主体1和微针肋5脱落；
在超声波强化微槽道换热器停用前，首先停运超声波发生器6；
在超声波强化微槽道换热器运行期间，不得随意停运任何设备。
以上所述仅为本实用新型的优选例实施方式，并不构成对本实用新型保护范围的限定。任何在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的权利要求保护范围之内。
Claims (7)
1.超声波强化微槽道换热器，其特征在于，所述微槽道换热器包括散热壳体、水冷系统、微针肋、超声波发生器和超声波换能器；所述水冷系统包括冷却水道、入水口和出水口，冷却水道设置在散热壳体的内部，入水口和出水口分别设置在散热壳体上，入水口和出水口分别与冷却水道相通组成所述水冷系统，水冷系统的冷却工质为去离子水或乙醇；
所述散热壳体包括槽道主体和上封盖，上封盖与槽道主体连接密封，槽道主体设为中空结构，在槽道主体的内部设有所述微针肋和冷却水道，微针肋沿槽道主体的轴线方向分布设置，微针肋的排列方式为叉排，微针肋之间以及微针肋与槽道主体的内壁之间的空间形成所述冷却水道；微针肋的直径设为0.1～1mm；
所述超声波发生器和超声波换能器通过导线相连，超声波换能器设有多个超声波换能器振子，超声波换能器振子分布设置在槽道主体的两侧，超声波发生器的工作功率为0～100W。
2.如权利要求1所述的超声波强化微槽道换热器，其特征在于，所述微针肋的形状为圆柱体、长方体或多边体。
3.如权利要求1所述的超声波强化微槽道换热器，其特征在于，所述微针肋的高度与槽道主体的高度相同，为0.5～1mm。
4.如权利要求1、2或3所述的超声波强化微槽道换热器，其特征在于，所述微针肋的横向间距比与纵向间距比均为0.5～2。
5.如权利要求1、2或3所述的超声波强化微槽道换热器，其特征在于，所述冷却水道的数目取决于槽道主体中设置的微针肋的数目。
6.如权利要求1、2或3所述的超声波强化微槽道换热器，其特征在于，所述冷却水道的横截面为长方形。
7.如权利要求1、2或3所述的超声波强化微槽道换热器，其特征在于，所述槽道主体的材料为紫铜。
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| CN107976076A (zh) * | 2017-11-27 | 2018-05-01 | 裴兆欣 | 一种冶炼冷却装置 |
| CN108006862A (zh) * | 2017-11-14 | 2018-05-08 | 南京师范大学 | 用于机房散热的伸缩式可变微槽道换热器 |
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