[發明專利]超聲波強化微槽道換熱器

在審

• 申請號: 201610162798.9
• 申請日: 2016-03-21
• 公開（公告）號: CN105609475A
• 公開（公告）日: 2016-05-25
• 發明（設計）人: 李棟;張文娣;趙孝保;朱琳;錢晨露
• 申請（專利權）人: 南京師范大學
• 主分類號: H01L23/367
• 分類號: H01L23/367;H01L23/473
• 代理公司: 南京知識律師事務所 32207
• 代理人: 李媛媛

技術領域

本發明涉及一種應用于微電子散熱的微槽道換熱器，尤其涉及一種利用超聲 波空化機理強化微槽道換熱及防垢、除垢的技術。

背景技術

微電子領域是最早提出微尺度流動和傳熱問題的工程領域，隨著電子計算 機容量和速度的快速發展以及導彈、衛星和軍用雷達對高性能模塊和大功率器件 的要求，一方面器件的特征尺寸愈小愈好，已從微米量級向亞微米發展，另一方 面器件的集成度自1959年以來每年以40％～50％高速度遞增。隨著集成度的提 高，元件熱流密度的增加速度將更為驚人，由此帶來的過高溫度會降低芯片的工 作穩定性，增加出錯率，同時模塊內部與其外部環境間所形成的熱應力會直接影 響到芯片的電性能、工作頻率、機械強度及可靠性，因此對微元件的高效散熱要 求就越來越高。如果微元件散熱處理不好，元件溫度就會上升，直接影響元件的 性能，從而影響微電子器件的整體性能，所以研究微元件高效換熱技術已具有非 常重要的意義。

目前強化換熱設備的傳熱手段主要有兩種：(1)提高換熱系數，例如改變 換熱器表面的性質或者改變表面結構使之傳熱系數得到提高；(2)減小傳熱熱 阻，從而實現強化傳熱，例如定時清洗熱換器的污垢，采用不易結垢的材質制作 換熱器等，熱阻減少，換熱效果得到提高。

中國專利《超聲波防垢、除垢的強化換熱殼管式換熱器》(申請號： CN201220480982.5)，公開了一種高效殼管式換熱設備，該設備的顯著特點為 利用超聲波的空化機理，清理沉降在換熱器中的污垢，減小了傳熱熱阻，提高換 熱效果；但是該管殼式換熱器體積較大，不能應用于微電子散熱領域，而且該技 術中需要定期排污。

中國專利《微槽道與水冷聯合的冷卻系統》(申請號：201420752289.8)， 該冷卻系統利用了百微米量級尺寸的微槽道所具有的高強度取熱能力，能夠將刀 片服務器中CPU芯片等微元件所產生的熱量高效取出，該方法中微槽道所具有 的高強度取熱能力能夠達到100W/cm²的量級，遠高于目前CPU芯片的發熱熱 流密度，傳熱效果較好；中國專利(申請號：2015100791197)主要是對針肋的 形狀做了改變，強化通道內流體的流動。但是，以上關于微槽道的專利在一定程 度上通過對常規微通道換熱器做了改進來提高傳熱效果，但流體在微通道中產生 的流動阻力較大，僅僅依靠改變針肋的布置和形狀還是不能徹底解決的；同時對 冷卻流體的要求較高，且會產生污垢，增加熱阻，惡化傳熱效果。

發明內容

為了克服現有技術存在的缺點與不足，本發明提供了一種超聲波強化微槽道 換熱器，超聲波在液體中傳播時，產生的“空化效應”加劇了液體的振蕩，強化微 槽道內流體的擾動，也減小粘性阻力，進一步強化微槽道的換熱；同時，超聲波 能量可使被處理液體中產生大量的空穴和氣泡，當這些空穴和氣泡迅速湮滅時， 便在特定范圍內形成強大的壓力峰，使成垢物質迅速被粉碎成細小的垢粒而懸浮 于液體中，并且導致已形成的垢物被破碎和脫落，減小傳熱熱阻，提高微槽道的 換熱性能。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：

超聲波強化微槽道換熱器，包括散熱殼體、水冷系統、微針肋、超聲波發生 器和超聲波換能器；所述水冷系統包括冷卻水道、入水口和出水口，冷卻水道設 置在散熱殼體的內部，入水口和出水口分別設置在散熱殼體上，入水口和出水口 分別與冷卻水道相通組成所述水冷系統，水冷系統的冷卻工質為去離子水或乙 醇；所述散熱殼體包括槽道主體和上封蓋，上封蓋與槽道主體連接密封，槽道主 體設為中空結構，在槽道主體的內部設有所述微針肋和冷卻水道，微針肋沿槽道 主體的軸線方向分布設置，微針肋的排列方式為叉排，微針肋之間以及微針肋與 槽道主體的內壁之間的空間形成所述冷卻水道；微針肋的直徑設為0.1～1mm；所 述超聲波發生器和超聲波換能器通過導線相連，超聲波換能器設有多個超聲波換 能器振子，超聲波換能器振子分布設置在槽道主體的兩側，超聲波發生器的工作 功率為0～100W。

進一步地，所述微針肋的形狀為圓柱體、長方體或多邊體；微針肋的高度與 槽道主體的高度相同，為0.5～1mm；微針肋的橫向間距比與縱向間距比均為 0.5～2。

進一步地，所述冷卻水道的數目取決于槽道主體中設置的微針肋的數目；冷 卻水道的橫截面為長方形。

進一步地，所述槽道主體的材料為紫銅。