CN218827074U - 一种微通道散热器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及芯片散热的技术领域，具体公开了一种微通道散热器，包括两侧贯通的散热器主体，所述散热器主体包括基板和与基板顶部密封连接的盖板，基板上设有相连通的主通道和副通道，主通道平行连接散热器主体贯通的两侧，其中一侧为入口处，另一侧为出口处，副通道设于相邻两个主通道之间并与主通道形成夹角θ，主通道上两侧的相邻两个副通道共同朝向入口侧的连接位置为分流部，分流部上设有分流结构。本实用新型通过分流结构使换热流体在相邻的主通道之间交替流动，中断换热流体温度边界层发展，由此有效地打破了温度边界层，有助于提升换热流体的均温性，提高所述微通道散热器的工作效率。

Description

一种微通道散热器

技术领域

本实用新型涉及芯片散热的技术领域，更具体地，涉及一种微通道散热器。

背景技术

随着电子工业的迅猛发展，各种相关产品向着高度集成化和微型化的方向升级。随着电子器件集成化程度的提高，单位面积的热流密度将达到100～1000W/cm²，由高能量密度与热流密度引起的电子器件热安全问题日益突出。在高密度的集成电路的工作过程中，产生的热量若没有及时带走，过高的温度会极大地影响元件的正常运行，降低其运行效果，缩短其运行寿命。为保证微电子产品稳定可靠地工作，降低局部热流密度过高导致的温升是推动微电子器件发展的关键所在，要求在微电子器件(如芯片)上设置体积小、重量轻、散热性能高的散热器，由此，微通道散热器应运而生。Tuckerman和Pease首次研发了微通道散热器，并对其在高热流密度(790W/cm²)下的散热性能进行了研究。结果表明，微通道散热器表现出极好的散热效果。

目前的微通道换热器结构主要采用若干平行间隔阵列排布的微槽道，所述微槽道沿着高度方向的横截面为矩形，并且所述微槽道的任意两条相邻微槽道周期性交错排布若干分流合流微槽道，可显著增大换热面积，同时破坏流体的正常流动，实现强化换热的效果。但是，这类结构大多数都是将主流道两侧的流体引入到微槽道，并不能实现对于主流道中部流体换热的效果。此外，当多个流道并联使用时，中部的流道会获得明显比边缘流道高的流量，使中部流道不易沸腾换热，而边缘流道则有烧干的危险，使用这种微通道换热器不能产生较好的均温性，无法有效地打破温度边界层。

实用新型内容

本实用新型公开一种微通道散热器，其目的在于克服现有的微通道散热器均温性差、整体传热性能不能达到所预期效果的弊端。本实用新型通过设置分流结构，将主通道内中部的流体引流进入副通道中，并且使得流体可以在相邻的主通道中交替的流动，由此可以有效地打破温度边界层。

本实用新型采用的技术方案是：

一种微通道散热器，包括两侧贯通的散热器主体，所述散热器主体包括基板和与基板顶部密封连接的盖板，基板上设有相连通的主通道和副通道，主通道平行连接散热器主体贯通的两侧，其中一侧为入口处，另一侧为出口处，副通道设于相邻两个主通道之间并与主通道形成夹角θ，主通道上两侧的相邻两个副通道共同朝向入口处的连接位置为分流部，分流部上设有分流结构。

本实用新型的工作原理如下：所述微通道散热器设置于微电子器件(如芯片)的上方，与微电子器件紧贴以尽可能地吸收微电子器件散发的热量。所述微通道散热器包括两侧贯通的散热器主体，散热器主体包括基板和盖板，盖板设于基板的顶部，起密封作用，防止基板内的换热流体溢出。基板上设有相连通的主通道和副通道。所述主通道平行连通散热器主体贯穿的两侧，所述副通道位于相邻的两个主通道之间，并且相对于主通道呈对称分布。当换热流体从入口处进入时，一部分沿着主通道向出口处流动，另一部分则流入与主通道连通的副通道，以增加接触发生的热交换，提升换热流体的均温性。为了实现换热流体更有效地从主通道流向副通道，主通道上设有分流部，所述分流部为主通道上两侧的相邻两个副通道共同朝向入口处的连接位置，分流部上设有为实现热换流体分流的分流结构。分流部即为副通道的入口处，沿主通道流动的换热流体在分流结构的作用下，部分流入副通道。所述分流结构可以有效地增强对于换热流体的扰流效果，可以将主通道中部位置的换热流体引流至副通道内，使换热流体在相邻的主通道之间交替流动，进一步增加了热接触，最大程度利用换热流体的散热能力，从而增加所述微通道散热器的散热效果，打破温度边界层。值得注意的是，副通道连通相邻的主通道，并且沿主通道内流体流向的相邻的两个副通道内流体的流向相反。所述副通道实现将部分换热流体从某一主通道引流至相邻的其他主通道内，有利于优化换热流体在所述微通道散热器内的均温性，能够使得相邻主通道之间的换热流体可以交替地流动，可以增加传热面积和提升流体的混合。

进一步地，分流结构设置于主通道的中线与副通道中线的延长线的交叉位置，有利于将更多的换热流体从主通道分流进入副通道中，进一步冲刷隔壁的壁面，破坏边界层，提升流体的混乱度，增强换热流体在所述微通道散热器内的均温性。

进一步地，分流结构为直立的肋条状结构，分流结构靠近入口处一侧设有导向面，用于将换热流体更好地引流至副通道内。分流结构垂直于主通道和副通道的截面可以为前三角、后三角、菱形、椭圆、水滴形等，可以根据换热流体性质而选择最佳的截面形状。比如，前三角型截面的分流结构可以使其拥有最大的综合性能，对于温降和散热器主体内部的流体压力有比较均衡的效果。

进一步地，为了实现最大的温降效果，分流结构垂直于主通道和副通道的截面为菱形，所述菱形的短对角线长度w为20～100微米，长对角线长度l为35～115微米。经计算机模拟，分流结构的截面为菱形时的平均温降效果最佳；且当分流结构沿主通道切面的长对角线长度l为副通道宽度W₂的3/4时，对于主通道内换热流体的分流效果较佳。作为其中一种优选方案，当副通道的宽度W₂为100微米时，分流结构沿主通道切面的长对角线长度l是75微米、短对角线长度w为60微米，形成了比较好的分流效果。

进一步地，主通道和副通道之间形成的相对凸起为隔壁，隔壁垂直于主通道和副通道的截面为梯形，位于同一列的相邻两个隔壁之间形成主通道，位于同一行的相邻两个隔壁之间形成副通道，隔壁沿主通道内流体的流向正反交替设置，在相邻的两条主通道之间形成若干副通道，副通道与主通道之间形成的角度与隔壁的斜边角度相同。隔壁的设置位置可以是等距设置，也可以根据实际需求，采用前段疏、后段密的设置方式，以增强后段的换热流体交替流动的频率，实现更好地打破温度边界层。隔壁之间的相对位置可以根据实际需要进行对应设计，在此不作一一穷举。

进一步地，隔壁顶面与地面之间的高度h与所述微通道散热器的高度保持一致，为100～1000微米，具体可以根据相应的微电子元件的工作散热量需求进行设计和调整。

进一步地，主通道与副通道之间形成的夹角θ为15°～75°，既有利于换热流体从主通道进入副通道，又不会使主通道内形成反向的涡流。作为其中一种优选方案，所述夹角θ为45°，使得换热流体在流入副通道后，在分支处分流破坏流体正常流动，中断流体边界层发展，增强扰流，起到强化传热效果；同时，副通道的结构符合分形理论，换热流体流动过程中局部阻力损失增加较小，系统稳定性增加。

进一步地，主通道的宽度W₁为副通道宽度W₂的1-10倍。其中，主通道的宽度W₁为100～1000微米，副通道W₂的宽度为60～100微米，主通道的宽度W₁优选地为副通道的宽度W₂的3～5倍，可以实现较好的分流和散热效果。

进一步地，盖板内设有绝热层，所述盖板可以通过卡扣或者螺栓连接的方式连接于基板顶部，既起到密封作用，避免基板内的换热流体渗漏，又可以将热量隔离在基板内，不会进一步将热量传递至环境中，避免微电子器件散出的热量对其他的元器件造成影响。

进一步地，基板底部粘接有与基板覆盖面积相同的导热层。由于所述微通道散热器设置于微电子器件(如芯片)的上方，为了进一步将微电子器件的热量传递到所述微通道散热器内再由换热流体带走热量，基板的底部设有导热层，所述导热层优选地为银硅脂层。银硅脂是一种常用的导热硅脂，即在导热胶中加入了氧化银化合物或者银粉，利用银的强导热性来弥补碳矽化合物导热上的不足。与此同时，由于所述微通道散热器和微电子器件之间的接触面难以做到完全紧贴，在实际使用时，涂覆银硅脂可以填合微通道散热器和微电子器件之间的空隙，使微电子器件的热量可以尽快地散发出去。当然，涂覆其他材质的导热层也可以实现类似的导热效果，在此不作一一穷举。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1.本实用新型提供一种微通道散热器，通过分流结构使换热流体在相邻的主通道之间交替流动，中断换热流体温度边界层发展，由此有效地打破了温度边界层，增加换热流体接触发生的热交换；

2.本实用新型有利于将主通道内中部的换热流体分流到副通道中，并产生扰流，有助于提升换热流体的均温性，能够更好地利用换热流体的散热能力，提高所述微通道散热器的工作效率；

3.与此同时，分流结构和副通道的结构符合分形理论，基板、隔壁与分类结构可以一体成型制造，效率高、成本低，适用于多种场合。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构示意图；

图2为本实用新型的基板的内部结构示意图；

图3为图2的A处放大图。

附图中的标示如下：

1-基板、2-隔壁、3-主通道、301-分流部、4-副通道、5-分流结构、501-导向面、6-盖板、7-导热层、8-入口处、9-出口处。

附图中：

w：分流结构垂直于主通道和副通道的截面的短对角线距离；

l：分流结构垂直于主通道和副通道的截面的长对角线距离；

h：隔壁的顶面与底面之间的高度；

W₁：主通道的宽度；

W₂：副通道的宽度；

θ：主通道与副通道之间形成的进入夹角；

箭头为所述换热流体的流动方向。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本实用新型作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本实用新型实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本实用新型的描述中，需要理解的是，若有术语“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，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的具体含义。另外，在本实用新型中如涉及“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。

实施例一：

如图1至图3所示，本实施例提供一种微通道散热器，包括两侧贯穿的散热器主体，所述散热器主体包括基板1和与基板1顶部连接密封的盖板6，基板1上设有相连通的主通道3和副通道4。其中，主通道3的两端连接散热器主体贯穿的两侧，形成换热流体的流动通道，散热器主体贯穿的两侧其中一侧为入口处8，另一侧为出口处9；副通道4设于相邻两个主通道3之间，与主通道3连通并形成夹角θ，并且相对于主通道3呈对称分布。当换热流体从入口处8进入时，一部分沿着主通道3向出口处9流动，另一部分则流入与主通道3连通的副通道4，以增加换热流体与发热源接触发生的热交换，提升换热流体在主通道3中的均温性，打破温度边界层。为了实现换热流体更有效地从主通道3流向副通道4，主通道3上设有分流部301，所述分流部301为主通道3上两侧的相邻两个副通道4共同朝向入口处8的连接位置，分流部301上设有为实现热换流体分流的分流结构5。所述分流结构5可以有效地增强对于换热流体的扰流效果，使换热流体在相邻的主通道3之间交替流动，进一步增加了换热流体与发热源的热接触，最大程度利用换热流体的散热能力，从而增加所述微通道散热器的散热效果。

实施例二：

如图1至图3所示，在实施例一的基础上，所述分流结构5设置于主通道3中线与副通道4中线的延长线的交叉位置，可以将更多的换热流体从主通道3分流进入副通道4中，进一步冲刷基板1的壁面，破坏换热流体的温度边界层，提升换热流体的混乱度，增加换热流体在所述微通道散热器内的均温性。

更进一步的，分流结构5为直立的肋条状结构，分流结构5靠近入口处8一侧设有导向面501，同于将换热流体更好地引流至副通道4内。为了实现最大的温降效果，分流结构5垂直于主通道3和副通道4的截面为菱形，并且，所述菱形的长对角线长度l为副通道4宽度W₂的3/4，其可以形成较好的分流效果。本实施例中，副通道4的宽度W₂为100微米，分流结构5截面的长对角线长度l是75微米、短对角线长度w是60微米，所述分流结构5能够均匀地将主通道3中部的换热流体导流到副通道4中，有利于对换热流量产生扰流效果，使换热流体在相邻的主通道3之间交替流动。

实施例三：

如图3所示，在实施例一或二的基础上，主通道3和副通道4之间形成的相对凸起为隔壁2，隔壁2垂直于主通道3和副通4道的截面为梯形，位于同一列的相邻两个隔壁2之间形成主通道3，位于同一行的相邻两个隔壁2之间形成副通道4。隔壁2沿主通道3内换热流体的流向正反交替设置，具体为，前一隔壁2沿主通道3的切面为正梯形，而后一隔壁2沿主通道3的切面为倒梯形，前一隔壁2与后一隔壁2相邻的斜边形成副通道4。

所述副通道4的两端分别连通相邻的两段主通道3，从而将部分换热流体从某一主通道3引流至相邻的主通道3内，有利于优化换热流体在所述微通道散热器内的均温性，并且，在所述分流结构5的引流作用下，还能够使得相邻主通道3之间中部的换热流体可以交替地流动，有利于打破温度边界层，也可以延长换热流体在本实施例所述的微通道散热器内的行程时间。

更进一步的，主通道3和副通道4之间形成的夹角θ与隔壁2沿主通道3的切面的斜边角度相同，为45°，既有利于换热流体从主通道3进入副通道4，又不会在主通道3内形成反向的涡流。换热流体在进入副通道4后，在分支处分流破坏换热流体正常流动，中断换热流体边界层发展，增强扰流，起到强化传热效果；同时，副通道4的结构符合分形理论，换热流体流动过程中局部阻力损失增加较小，系统稳定性增加。

实施例四：

如图1所示，在上述任一实施例的基础上，基板1顶部的盖板6为绝热材料制成或者内含绝热层。盖板6通过卡扣连接的方式与基板1可拆卸连接。盖板6既起到密封作用，避免基板1内的换热流体渗漏，又可以将热量隔离在基板1内，不会进一步将热量传递至环境中，避免微电子器件散出的热量对其他的元器件造成影响。

与此同时，为了进一步将微电子器件的热量传递到所述微通道散热器内，再由换热流体带走热量，基板1的底部设有导热层7。所述导热层优选采用银硅脂涂料，即在导热胶中加入了氧化银化合物或者银粉，利用银的强导热性来弥补碳矽化合物导热上的不足。与此同时，由于所述微通道散热器和微电子器件之间的接触面难以做到完全紧贴，在实际使用时，涂覆银硅脂导热层7可以填合微通道散热器和微电子器件之间的空隙，使微电子器件的热量可以尽快地散发出去。

在上述具体实施方式的具体内容中，各技术特征可以进行任意不矛盾的组合，为使描述简洁，未对上述各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡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权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种微通道散热器，包括两侧贯通的散热器主体，所述散热器主体包括基板(1)和与基板(1)顶部密封连接的盖板(6)，基板(1)上设有相连通的主通道(3)和副通道(4)，主通道(3)平行连接散热器主体贯通的两侧，其中一侧为入口处(8)，另一侧为出口处(9)，副通道(4)设于相邻两个主通道(3)之间并与主通道(3)形成夹角θ，其特征在于，主通道(3)上两侧的相邻两个副通道(4)共同朝向入口处(8)的连接位置为分流部(301)，分流部(301)上设有分流结构(5)。

2.根据权利要求1所述的微通道散热器，其特征在于，分流结构(5)设置于主通道(3)的中线与副通道(4)中线的延长线的交叉位置。

3.根据权利要求2所述的微通道散热器，其特征在于，分流结构(5)为直立的肋条状结构，分流结构(5)靠近入口处(8)一侧设有导向面(501)。

4.根据权利要求3所述的微通道散热器，其特征在于，分流结构(5)垂直于主通道(3)和副通道(4)的截面为菱形，所述菱形的长对角线距离l为35～115微米，短对角线距离w为20～100微米。

5.根据权利要求1所述的微通道散热器，其特征在于，主通道(3)和副通道(4)之间形成的相对凸起为隔壁(2)，隔壁(2)垂直于主通道(3)和副通道(4)的截面为梯形。

6.根据权利要求5所述的微通道散热器，其特征在于，隔壁(2)顶面与底面之间的高度h为100～1000微米。

7.根据权利要求5所述的微通道散热器，其特征在于，主通道(3)与副通道(4)之间形成的夹角θ为15°～75°。

8.根据权利要求7所述的微通道散热器，其特征在于，主通道(3)的宽度W₁为副通道(4)宽度W₂的1-10倍。

9.根据权利要求1-8任一项所述的微通道散热器，其特征在于，盖板(6)内设有绝热层。

10.根据权利要求9所述的微通道散热器，其特征在于，基板(1)底部粘接有与基板(1)覆盖面积相同的导热层(7)。

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