[發明專利]一種水滴形擾流元微通道換熱器

在審

• 申請號: 201410802220.6
• 申請日: 2014-12-21
• 公開（公告）號: CN104576573A
• 公開（公告）日: 2015-04-29
• 發明（設計）人: 劉趙淼;張龍祥
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: H01L23/46
• 分類號: H01L23/46
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 沈波

技術領域

本發明用于高集成度、大功率微電子元器件散熱領域，微通道換熱器通道中加入合理的水滴形擾流元，該換熱器同光滑通道換熱器相比，努賽爾數Nu即換熱性能提高，這為集成度高、熱功率大微電子元器件有效散熱提供了可能。

背景技術

隨著微電子機械系統(MEMS)飛速發展以及微電子元器件朝著體積小、重量輕、集成度高的方向飛速發展，其散熱問題直接關乎系統的可靠性和穩定性，需要有效地把它們運行過程中產生的高熱流密度熱量帶走，且能保證系統運行可靠性和穩定性，應用傳統的冷卻技術已經不能滿足實際需求。微通道具有大面體比，大換熱系數等特點，因而用于散熱的微通道熱沉可以有效帶走微電子元器件和微電子機械系統運行中產生的高熱流密度熱量，微通道熱沉已經被證實是傳熱性能最佳且最具應用潛力的冷卻方式之一。盡管微通道換熱具有高換熱系數等優點，但仍不能滿足當前高度集成電子元器件和微電子機械系統散熱需求，亟需對微通道強化換熱進行深入研究。盡管國內外對微通道強化換熱做了大量研究，但有關于在通道內部加水滴形擾流元的微通道熱沉尚見報道。

發明內容

本發明是基于常用的多根平行微通道換熱器，在每個單通道加入水滴形擾流元，以提高換熱器的換熱量以解決微電子元器件和微電子機械系統(MEMS)的高熱流密度熱量散熱問題。本發明在常規光滑微通道中加入水滴形擾流元，使得流體和固體的接觸面積即換熱面積增大，該結構使得工質在通道中流動過程中產生了渦流，冷熱流體混合增強，從而換熱量增加，即達到強化換熱的目的。

本發明所述水滴形擾流元微通道換熱器在常規微尺度通道的基礎之上稍作改進，主要結構如下：

該換熱器由七部分組成，分別是通道冷卻工質入口1、冷卻工質出口2、玻璃蓋板3、通道進口端4、通道出口端5、冷卻硅基通道6、水滴形擾流元7。

通道冷卻工質入口1與通道進口端4相連接，通道出口端5與冷卻工質出口2相連接；通道進口端4、通道出口端5之間為冷卻硅基通道6；水滴形擾流元7置于冷卻硅基通道6內；玻璃蓋板3粘合在該結構的頂端且起到絕熱作用。

所述冷卻硅基微通道6利用刻蝕加工工藝，加工出水滴形擾流元7的微槽道。

工作時，溫度較低(約20℃)的冷卻工質由通道冷卻工質入口1進入通道進口端4，分別流進水滴形擾流元單根冷卻硅基通道6，由于單根通道中存在水滴形擾流元7，和常規微通道換熱器相比，該換熱器換熱面積增大，工質在流道內產生了渦流，冷熱流體混合增強，換熱效果增強。較高溫度(與通道尺寸、熱功率密度等有關)的工質最終通過通道出口端5到達冷卻工質出口2，進而流出系統，即電子元器件和微電子機械系統產生的高熱流密度熱量由水滴形擾流元微通道中流動的流體帶走，達到冷卻的目的。本發明在通道中加入了合理的水滴形擾流元結構，該換熱器同光滑通道換熱器相比，努賽爾數Nu即換熱性能大幅度提升，這為集成度高、熱功率大微電子元器件和微電子機械系統有效散熱提供了可能。

本發明可以在不增加額外驅動或者控制裝置的基礎上，利用簡單的水滴形擾流元結構增大換熱面積，冷熱流體混合增強以達到強化換熱的目的。

附圖說明

圖1是本發明水滴形擾流元微通道換熱器設計三維總體輪廓示意圖。

圖2是本發明水滴形擾流元微通道換熱器單根通道俯視圖。

圖3是本發明水滴形擾流元微通道換熱器單根通道水滴形擾流元局部放大圖。

圖中：1、通道冷卻工質入口；2、冷卻工質出口；3、玻璃蓋板；4、通道進口端；5、通道出口端；6、冷卻硅基通道；7、水滴形擾流元。

具體實施方式

下面結合結構附圖對發明水滴形擾流元微通道換熱器工作過程和效果進行進一步詳細說明和驗證。

圖1為水滴形擾流元微通道換熱器三維總體輪廓示意圖。該水滴形擾流元微通道換熱器主要包含通道冷卻工質入口1、冷卻工質出口2、玻璃蓋板3、通道進口端4、通道出口端5、冷卻硅基通道6、水滴形擾流元7構成。為了驗證該發明較常規通道有更好的換熱效果，表1列出了該換熱器給定雷諾數Re條件下的熱阻R、努賽爾數Nu、換熱系數h等表征換熱效果的參量，并和常規光滑通道進行了對比。由表可知，該發明顯著提高了換熱器的換熱性能。

表1水滴形擾流元微通道換熱器換熱性能同常規通道對比情況