CN2726112Y

CN2726112Y - 仿蜂巢结构分形微管道网络换热器

Info

Publication number: CN2726112Y
Application number: CN200420025351.XU
Authority: CN
Inventors: 董涛; 杨朝初; 陈运生; 陈强; 杨国来; 翟立奎
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2004-03-12
Filing date: 2004-03-12
Publication date: 2005-09-14
Anticipated expiration: 2014-03-12

Abstract

本实用新型涉及一种仿蜂巢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，仿生分形微管道网络为仿蜂巢结构分形微管道网络，微管道均匀分布，盖板为绝热玻璃盖板。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，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，也可用于燃料电池极板等相关的微流体网络结构设计。

Description

仿蜂巢结构分形微管道网络换热器

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，特别是一种仿蜂巢结构分形微管道网络换热器。

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 of Heat 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蜂巢结构分形微管道网络换热器。

本实用新型实现的技术方案为：一种仿蜂巢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。

本实用新型的仿蜂巢结构分形微管道网络换热器的仿生分形微管道网络为仿蜂巢结构分形微管道网络，微管道均匀分布。

本实用新型的仿蜂巢结构分形微管道网络换热器的盖板为绝热玻璃盖板。

本实用新型的原理是：蜂巢结构具有坚固、保暖的特性，体现一种和谐的自然美；具有分形特征的蜂巢正六边形结构显示，几种可以“密铺”一定面积的正多边形中，在密铺相同面积的条件下，正六边形具有最短的周长。将这一结论用于微管道换热器设计，可在散热面积相同的条件下使得微管道网络流路总长最短。

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是本实用新型的仿蜂巢结构分形微管道网络换热器基形结构。

图2～图5是本实用新型的仿蜂巢结构分形微管道网络形成过程示意图。

图6是本实用新型的仿蜂巢结构分形微管道网络换热器装配结构。

图7是本实用新型的仿蜂巢结构分形网络换热器硅衬底示意图。

五、具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。

结合图1，本实用新型的仿蜂巢结构分形微管道网络基形为正六边形结构(即第0层)，边长为a₀，N＝6。将基形的每一条边长作为第1层结构正六边形的长对角线(即外接圆直径)，用边长为a₀/2的正六边形依次替代基形中的每一边，即可得第1层结构，如图2所示。将第1层结构每一边长作为第2层结构正六边形的长对角线，用边长为a₀/4的正六边形代替，即可得到第2层结构，如图3所示。同理，第3、4层仿蜂巢分形结构图如图4、图5所示。类似地，第(k-1)层结构蜂巢单元的每一边作为第k层结构单元的长对角线，以边长为(a₀/2^k)的正六边形依次替代第(k-1)层结构中的每一边，即可得到第k层仿蜂巢结构分形网络。

表1 仿蜂巢分形结构单元总数和总边数与层数的关系

层数	蜂巢单元总数R	总边数M
层数	蜂巢单元总数R	总边数M	1234k	7＝(6+1)37＝(6²+1)217＝(6³+1)1297＝(6⁴+1)(6^k+1)	30(2⁵+2²-3×2)132(2⁷+2⁴-3×2²)546(2⁹+2⁶-3×2³)2256(2¹¹+2⁸-3×2⁴)(2^2k+3+2^2k-3·2^k)

表1给出了由数学归纳法获得仿蜂巢分形结构中蜂巢单元总数和边长总数随分形层数k的变化关系。

仿蜂巢结构的分形维数为：

D = \frac{\ln N}{\ln (1 / γ)} = \frac{\ln 6}{\ln 2} = 2.585 - - - (1)

对于给定的散热面积，先确定分形结构的基形参数和分形层数，即a₀和m；然后根据式(2)和(3)分别确定固体孤岛[10]的边长和微管道[12]宽度即可。最终生成的m层分形结构微管道网络的水力直径、微管道宽度均相等。

a_{opt} = 2^{- (m - \frac{1}{2})} a_{0} - - - (2)

W_{c, opt} = (2 - \sqrt{2}) 2^{- m} a_{0} - - - (3)

结合图6，本实用新型的仿蜂巢结构分形微管道网络换热器由硅衬底[1]和绝热玻璃盖板3组成。硅衬底1与绝热玻璃盖板[3]之间通过阳极键合连接。

结合图7，本实用新型的硅衬底1材料为厚度为400微米的多晶硅片。硅衬底1上设置了仿蜂巢结构分形微管道网络12、冷却工质入口蓄液槽2，冷却工质出口蓄液槽11。

本实用新型的盖板3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3上设置了冷却工质入、出口5、8，温度传感器接口4、9，压力传感器接口6、7。

本实用新型的仿蜂巢结构分形微管道网络换热器的冷却工质可以是去离子水、制冷剂或电子冷却剂；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

1、一种仿蜂巢结构分形微管道网络换热器，包括硅衬底[1]，盖板[3]，绝热玻璃盖板上设工质入口[5]、工质出口[8]、温度传感器接口[4、9]，压力传感器接口[6、7]，其特征在于：硅衬底[1]上设有仿生分形微管道网络[12]，微管道网络两端分别设有工质入口蓄液槽[2]、出口蓄液槽[11]。

2、根据权利要求1所述的仿蜂巢结构分形微管道网络换热器，其特征在于：仿生分形微管道网络[12]为仿蜂巢结构分形微管道网络，微管道均匀分布。

3、根据权利要求1所述的仿蜂巢结构分形微管道网络换热器，其特征在于：盖板[3]为绝热玻璃盖板。

4、根据权利2所述的仿蜂巢结构分形微管道网络换热器，其特征在于：具有单层平面仿蜂巢分形结构，微管道截面形状为矩形，微管道高度相等。