CN2699434Y - 仿哺乳动物呼吸系统微管道网络换热器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种仿哺乳动物呼吸系统微管道网络换热器。包括硅衬底，盖板，绝热玻璃盖板上设工质入口、工质出口，温度传感器接口，压力传感器接口，硅衬底上设有仿生分形微管道网络，微管道网络两端分别设有工质入口蓄液槽、出口蓄液槽。本实用新型与现有技术相比，其显著优点是：结构紧凑，可直接刻蚀在硅芯片的背部，二维平面结构便于电子器件引脚布置和整体封装，用相变换热，具有更高的换热能力，而只需较小的泵送功率，也可用于燃料电池极板等相关的微流体网络结构设计。

Description

仿哺乳动物呼吸系统微管道网络换热器

一、技术领域

本实用新型涉及一种集成电路芯片冷却用微管道换热器，特别是一种仿哺乳动物呼吸系统微管道网络换热器。

二、背景技术

现有的用于电子器件冷却用微管道换热器结构形型式多是基于Tuckerman等人于1981年提出的平行阵列直微管道型式，其结构形式及制造工艺相对简单。随着电子器件集成度日益增大，电子芯片越来越小型化，现有冷却系统所能达到的散热能力受到极大挑战，设计一种具有更优换热性能、更低流动压降的微冷却系统成为微管道换热器发展的趋势。

文献1：美国专利US6,474,074.Ghoshal，Uttam Shyamalindu.Apparatus for dense chippackaging using heat pipes and thermoelectric coolers.2002.5公开了一种集成热管及热电冷却器的集成电路封装装置，其中的毛细区虽然也具有树状分形结构特征，但其作用在于单相液体的回流而不是换热；且该装置为集成电路的封装装置，与微管道网络换热器不属同类产品。

文献2：Yongping Chen，Ping Cheng.Heat transfer and pressure drop in tree-likemicrochannel net.International Journal ofHeat and Mass Transfer，2002(45)：2643-2648.提出了一种T形树状微管道网络模型，并分析其中层流对流换热特性，以用于电子器件冷却。这种T形树状分形微管道网络为双层立体结构，需占用电子器件的上下两个表面，且两层微管道之间需要有通道连接，实际应用时给器件本身的电路设计、引脚布置、整体封装均带来诸多困难。

三、发明内容

本实用新型的目的是提供一种具有单层平面结构、便于芯片引脚布置与整体封装、可采用等离子刻蚀工艺实现批量制造的集成电路芯片冷却用仿哺乳动物呼吸系统微管道网络换热器。

本实用新型实现的技术方案为：一种仿哺乳动物呼吸系统结构分形微管道网络换热器，包括硅衬底，盖板，绝热玻璃盖板上设工质入口、工质出口，温度传感器接口，压力传感器接口；其特征在于：硅衬底上设有仿生分形微管道网络，微管道网络两端分别设有工质入口蓄液槽、出口蓄液槽。

本实用新型的仿哺乳动物呼吸系统微管道网络换热器仿生分形微管道网络为仿哺乳动物呼吸系统微管道网络，由两部分完全相同的分形结构对接而成。

本实用新型的仿哺乳动物呼吸系统微管道网络换热器盖板为绝热玻璃盖板。

本实用新型的原理是：哺乳动物血液循环系统和呼吸系统中的物质运输与分配网络具有典型的分形结构特征，例如动脉、静脉、支气管网络等，这些结构中的物质传输效率被证实是极其高效的；根据热、质输运在机理上的相似性，参照哺乳动物呼吸系统和消化系统的物质运输与分配网络所具有的分形结构特征，将电子器件冷却系统设计成具有分形特征的微管道网络换热器。

本实用新型与现有技术相比，其显著优点是：

1.结构紧凑，可直接刻蚀在硅芯片的背部；

2.二维平面结构便于电子器件引脚布置和整体封装；

3.采用相变换热，具有更高的换热能力，而只需较小的泵送功率。

4.也可用于燃料电池极板等相关的微流体网络结构设计。

四附图说明

图1是本实用新型的仿哺乳动物呼吸系统微管道网络换热器基形结构。

图2是本实用新型的仿哺乳动物呼吸系统微管道网络换热器结构示意图。

图3是本实用新型的仿哺乳动物呼吸系统微管道网络换热器硅衬底结构图。

五具体实施方式

以下结合附图，详细说明本实用新型的实施方式。

结合图1，本实用新型的仿哺乳动物呼吸系统分形微管道网络换热器的基形为二分叉结构12，即微管道的下一层均具有两个分叉，分叉数N＝2；根据Mandelbort的实验结论，哺乳动物肺支气管分叉树结构的分叉角φ约为2π/9，取微管道的分叉角为2π/9，分形维数D＝1.8；二分叉的末端增加了一段沿轴线方向的流动段13，起导向作用，保证下一层沿预定方向伸展。

结合图2，相邻两层微管道的长度比γ为定值，由式(1)确定；则第k层微管道的长度按照式(2)计算：

γ＝N^-1/D                               (1)

L_k＝L₀γ^k                               (2)

各层微管道截面为矩形，高度均相同。相邻两层微管道的水力直径之比由式(3)计算：

z＝D_h，k+1/Dk＝N^-1/Δ                   (3)

式(3)中Δ为分形指数，取Δ＝3。

设相邻两层微管道的宽度之比ζ＝W_k+1/W_k；各层微管道的高宽比为a_k；则ζ根据式(4)确定：

$\mathrm{\ζ}=z\frac{1+1/{\mathrm{\α}}_{k+1}}{1+1/{\mathrm{\α}}_k}---\left(4\right)$

由给定的设计条件(L₀、H_c、W₀)，根据式(1)～(4)即可确定分形结构中各层微管道的结构参数。由于仿哺乳动物呼吸系统分形结构初始层次(第1-2层)的微管道分布较为稀疏，设计微管道换热器结构时可从第3层以后开始，具体应用时根据需要选择合适的层数。

仿哺乳动物呼吸系统微管道网络换热器由硅衬底[8]和绝热玻璃盖板[1]组成。绝热玻璃盖板[1]与硅衬底[8]之间通过阳极键合连接。

结合图3，硅衬底材料为厚度为400微米的多晶硅片。硅衬底[8]上刻蚀了仿哺乳动物呼吸系统微管道网络[11]、冷却工质入口蓄液槽[10]，冷却工质出口蓄液槽[9]；仿哺乳动物呼吸系统微管道网络[11]由两完全相同的分形结构(从第3层开始)对接而成。

盖板1为绝热玻璃盖板，材料厚度为500微米的Pyrex 7740耐热玻璃，具有强度高、便于同硅衬底结合的特点。绝热玻璃盖板[1]上设置了冷却工质入、出口[3、6]，温度传感器接口[2、7]，压力传感器接口[4、5]。

中仿哺乳动物呼吸系统微管道网络换热器的冷却工质可以是去离子水、具制冷剂或电子冷却剂，根据被冷却器件所需的温度确定；冷却工质流经微管道网络换热器时汽化吸热，从而将热量带走，而换热器系统温度则稳定在工质沸点温度附近。

Claims (5)

1、一种仿哺乳动物呼吸系统微管道网络换热器，包括硅衬底[8]，盖板[1]，绝热玻璃盖板上设工质入口[3]、工质出口[6]，温度传感器接口[2、7]，压力传感器接口[4、5]；其特征在于：硅衬底[8]上设有仿生分形微管道网络[11]，微管道网络两端分别设有工质入口蓄液槽[10]、出口蓄液槽[9]。

2、根据权利要求1所述的仿哺乳动物呼吸系统微管道网络换热器，其特征在于：仿生分形微管道网络[11]为仿哺乳动物呼吸系统微管道网络，由两部分完全相同的分形结构对接而成。

3、根据权利要求1或2所述的仿哺乳动物呼吸系统微管道网络换热器，其特征在于：盖板[1]为绝热玻璃盖板。

4、根据权利要求1或2所述的仿哺乳动物呼吸系统微管道网络换热器，其特征在于：具有单层平面仿生分形结构，微管道截面为矩形，微管道高度相等。

5、根据要求权利1或2所述的仿哺乳动物呼吸系统结构分形微管道网络换热器，其特征在于：二分叉分形结构N＝2，分叉角为2π/9；分形维数D＝1.8；分形指数为Δ＝3。

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