一种低温升局部加密型正弦波纹微通道散热器

1.本实用新型属于强化传热技术领域，具体涉及一种应用于微电子技术领域的冷却装置。


背景技术：

2.随着微电子技术、大型集成电路、高速计算机等科学技术的发展，高功率、高集成度以及微型化已经成为电子器件的主要发展趋势。但其较高的热流密度成为阻碍其进一步发展的瓶颈。微电子技术的发展很大程度上推进了微尺度传热和流动研究在工程领域的进展，传统的散热方法已无法满足如此高热流密度的散热要求，空间微尺度和时间微尺度条件下的流动和传热问题在传热界越来越受到众多研究人员的关注。
3.其中，微通道热沉液体冷却是去除高热流密度行之有效的强化传热方法之一。通道内流体的强化传热有三种常用的方法，即可采用主动法、被动法及复合法来强化通道内部传热。主动法是需要额外能量来增强流体的换热；而被动法需要采用特殊的表面结构或改变工质。复合法是被动法及主动法相结合。其中，被动技术因无需消耗额外能量，操作简单，成本低等诸多优点而备受青睐。
4.常见的被动技术有增加通道表面粗糙度、扩展表面、改进通道几何形状等。其强化换热主要机理有；破坏热边界层和流体动力边界层，通过产生流体扰动来加强冷却剂的混合，或提高边界层中的流体速度。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的在于提供一种在单相对流换热的基础上，能够有效控制温升、增强换热，用于解决芯片高效散热和局部温度过大的散热器。
6.本实用新型设计了一种局部加密的波纹微通道散热器，其特征在于，如图1所示，包括由依次堆叠封装在一起的封装片(1)、基板(2)组成；封装片(1)上开有与外部管路连接的流体入口(3)和流体出口(4)；基板正面即与封装片(1)相连接的面加工有长方形凹槽(9)，长方形凹槽分为三段，中间段为局部加密正弦波纹微通道(5)，中间段的两侧分别对应为入口储液池(6)和出口储液池(7)；入口储液池(6)与流体入口(3)上下相对连通，出口储液池(7)与流体出口(4)上下相对连通；
7.局部加密正弦波纹微通道(5)是多条平行排列的正弦波纹组成的微通道，其中所述的波纹分为至少不同的两段，即与入口储液池(6)连接的段称为上游，与出口储液池(7)连接的段称为下游，上游的波纹的波长大于下游的波纹的波长，使得下游的正弦波纹微通道相对于上游的正弦波纹微通道局部加密。
8.正弦波纹微通道的高度不大于长方形凹槽(9)的槽深。正弦波纹微通道的高度小于等于300微米。
9.本实用新型提出的局部加密正弦波纹微通道(5)的加工区域可根据电子器件尺寸确定。为了更加明确基板(2)的结构，图1(c)、图1(d)、图1(e)分别给出了基板(2)的主视图、
a-a剖面图和b-b剖面图。
10.如图2所示，将封装片(1)与基板(2)键合在一起形成局部加密正弦波纹微通道换热器(8)。在微通道换热器内，工质依次流经流体入口(3)、入口储液池(6)、局部加密正弦波纹微通道(5)、出口储液池(7)、流体出口(4)。换热工质流经入口储液池(6)后，将均匀分散进入局部加密正弦波纹微通道(5)，通过单项对流换热从微通道底面带走热量，然后汇集到出口储液池(7)中。
11.本实用新型采用如下技术方案：
12.在换热器主要部分采用局部加密正弦波纹微通道(5)。局部加密正弦波纹微通道(5)由上游、中部、下游组成，其中下游波长加密为500微米。正弦波纹微通道加密的部位和加密程度可根据实际芯片的局部换热环境及尺寸等实际情况来设计优化。局部加密正弦波纹微通道(5)一方面对波形加密增加流体扰动混合，有效增强了换热系数；另一方面由于局部加密的设计相比于传统整体加密的设计，有效降低了流动阻力。因此，用于单相对流换热的局部加密正弦波纹微通道换热器是高热流密度芯片散热的有效方法之一。
13.考虑到微型换热器与芯片的封装集成，微型换热器的进出口设计在封装片(1)上，与流体在微通道内的流动方向垂直。相比于流体水平方向进出口，流体垂直方向进出口的微型换热器与芯片集成板连接更加简单方便，可根据不同芯片的散热量来控制每个微型换热器的流量，使得芯片集成板上的各个芯片温度分布均匀。
14.换热工质可选用去离子水，制冷剂等绝缘流体。根据所用工质及电子器件的最佳工作温度范围，在换热表面上形成局部加密正弦波纹微通道单相对流换热来实现冷却技术要求。
15.微型换热器材料可以选用无氧铜和硅等。总体几何形状、尺寸可根据电子器件尺寸及总体封装要求确定。主要适用于条形、方形等发热表面的冷却。
16.本实用新型具有下列优点与效果：
17.1、垂直流体入口，方便集成安装；
18.2、相比矩形微通道换热器，局部加密正弦波纹微通道换热器流动和换热的综合性能增加。
19.3、相比于传统正弦波纹微通道，在相同的换热效果下游局部加密正弦波纹微通道换热器的压降明显降低。
20.4、局部加密正弦波纹微通道能有效改善热边界层沿流动方向逐渐变厚的现象。
21.5、局部加密正弦波纹微通道可根据实际应用改善局部温度过高的情况。
附图说明
22.图1(a)：本实用新型开有与外部管路连接流体入口和流体出口的封装片。
23.图1(b)：本实用新型具有下游局部加密正弦波纹微通道的基板示意图
24.图1(c)：本实用新型具有下游局部加密正弦波纹微通道的基板主视图。
25.图1(d)：本实用新型具有下游局部加密正弦波纹微通道的基板a-a剖面图。
26.图1(e)：本实用新型具有下游局部加密正弦波纹微通道的基板b-b剖面图。
27.图2：具有图1所示结构的本实用新型示意图。
28.图3：本实用新型模拟冷却芯片示意图。
29.图4：本实用新型具体实施方式中局部加密波纹微通道单个通道示意图。
30.图中标号：1-封装片，2-基板，3-流体入口，4-流体出口，5-局部加密正弦波纹微通道，6-入口储液池，7-出口储液池，8-微型换热器，9-长方形凹槽，10-加热面。
具体实施方式
31.本文提供了一种用于单相对流换热的局部加密正弦波纹微通道换热器，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的描述。
32.实施例1
33.局部加密正弦波纹微通道换热器由封装片(1)和微通道基地(2)组成。封装片采用7740耐热玻璃，基底采用硅，工质采用去离子水。由于大功率芯片的成本非常昂贵，本实施方案采用数值模拟的方法对微通道换热器进行性能测试。本实施方案共测试了三种不同的微通道换热器，其硅基厚度均为400微米，微通道深300微米，进出口直径为1mm，硅基底面加热面面积为6
×
3mm2，为微通道散热器提供200w/cm2均匀的热流密度，整个微型换热器的外形尺寸为9
×4×
0.6mm3。局部加密正弦波纹微通道的振幅(波峰与波谷之间的垂直距离)为120微米，波长在不加密处即上游和中部的波长为1000微米(沿水流方向上游的总长度为4mm)，下游加密处波长为500微米(沿水流方向下游的总长度为2mm)；微通道的宽度为0.1mm。整个模拟过程为，去离子水经流体入口(3)进到入口储液池(6)中，均匀分散进入局部加密正弦波纹微通道(5)，通过对流换热从通道底面带走热量后，汇集到出口储液池(7)中，最后从流体出口(4)流出。
34.局部加密波纹微通道(5)的侧壁正弦波纹的正弦表达式为：式中，振幅a＝120微米；波长λ下游加密处为500微米，不加密处为1000微米。
35.将矩形微通道换热器、传统正弦波纹微通道换热器和局部加密正弦波纹微通道换热器的模拟结果进行对比。当微通道散热器的通道截面相同、底面热流密度为200w/cm2、入口速度为1.5m/s时，矩形微通道散热器底面最大温度为321k，最大温差为28k。这主要是由于热边界层沿着流动方向逐渐变厚导致传热恶化，对散热器的实际应用不利。正弦波纹微通道散热器的底面最大温度为309k，最大温差为16k，较矩形微通道散热器最大温度降低了12k。这主要是由于波形壁面增强了换热面积，增加了流体的扰动从而增强了换热器的换热强度，但正弦波纹微通道的最高温度仍出现在散热器下游，温度分布不均。下游加密型正弦波纹微通道散热器的底面最大温度为307k，底面最大温差为14k。较矩形微通道散热器，最大温度降低了14k；较正弦波纹微通道最大温差降低了2k。且下游加密型正弦波纹微通道散热器有效增强了下游的局部换热，解决了下游局部换热较差温度较高的问题，实现了高热流密度电子器件的散热，保证电子器件的温度能够维持在最佳工作温度范围内，延长使用寿命。