CN112151478B - 一种微流道散热器及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及电子器件散热领域，具体提供一种微流道散热器及其应用。所述微流道散热器，包括基底，在基底上平行分布多个肋片，两相邻肋片之间形成微流道，微流道内有多个针鳍结构；所述肋片由双程记忆合金材料制成，所述肋片在加热条件下产生凹槽，每个针鳍结构对应一个凹槽，任意两相邻凹槽交错。解决现有技术中微流道散热器散热效率较低，且存在有效的平衡换热面积与热阻压降之间平衡关系较差的问题。
Description
技术领域
本公开涉及电子器件散热领域，具体提供一种微流道散热器及其制备方法与应用。
背景技术
这里的陈述仅提供与本公开有关的背景信息，而不必然构成现有技术。
随着科学技术的发展，电子设备的开发趋向于小型化、高速化，芯片已成为各种电子设备最重要的组成部分。随着设备或系统变得越来越小，系统内部的热通量不断增加，因此热管理对于确保大功率芯片和微冷却系统的性能和可靠性至关重要，也需要一种能用于微型设备的有效冷却方法。微流道散热器是解决超高热通量电子设备散热问题的先进技术之一。
现有技术中提出了一种对称式的波纹结构微流道散热器，当冷却剂流经微流道时，会在流道中形成涡旋从而达到更好的换热效果。与矩形微流道散热器相比，总热阻等于0.446K/W时，泵浦功率降低了18.99％，但这种对称式的波纹结构微流道散热器在流道中心流体相对稳定，冷流和热流换热效果较差。
微针鳍流道具有封装密度高、热阻小、温度分布均匀等特点，同样受到广泛的研究。现有技术中有人基于基本肋片的解析解，通过理论推到了不同形状的针鳍式模型(正方形、矩形、三角形和圆形)的换热效果。结果表明，圆柱形针鳍具有最长的优化高度和最小的有效传热面积，但是热阻也最大，并且致密的针鳍会导致流道内的压降过高。发明人从中发现，在微流道散热器中，有效的平衡换热面积与热阻压降之间的关系是目前微流道散热器结构设计的一个主要问题，目前的微流道散热器并不能很好的解决这一问题，且目前微流道散热器普遍存在散热较差的问题。
发明内容
针对现有技术中微流道散热器散热效率较低，且存在有效的平衡换热面积与热阻压降之间平衡关系较差的问题。
本公开一个或一些实施方式中，提供一种微流道散热器，包括基底，在基底上平行分布多个肋片，两相邻肋片之间形成微流道，微流道内有多个针鳍结构；每个针鳍结构对应一个凹槽，任意两相邻凹槽交错。
本公开一个或一些实施方式中，提供上述微流道散热器的制备方法，在基底上通过蚀刻或精加工形成肋片和针鳍结构，对肋片物理开挖或精准蚀刻形成凹槽。
本公开一个或一些实施方式中，提供上述另一种微流道散热器的制备方法，所述肋片单独制作，肋片经形状记忆训练后，将其复合于基底；通过蚀刻或精加工形成针鳍结构。
本公开一个或一些实施方式中，提供上述微流道散热器或上述微流道散热器的制备方法制得的产品在微流道散热中的应用，将冷却剂通入微流道中，冷却剂在微流道中经过针鳍和凹槽时形成涡旋，所述涡流为螺旋状涡流。
本公开一个或一些实施方式中，提供上述另一种微流道散热器或另一种微流道散热器的制备方法制得的产品在微流道散热中的应用，当微流道散热器的温度升高时，肋片受热产生变形，在肋片上产生凹腔，将冷却剂通入微流道中，待微流道内冷流和热流充分混合换热，随着温度的降低肋片又恢复原来的形状。
本公开一个或一些实施方式中，提供上述所有微流道散热器或上述所有微流道散热器的制备方法制得的产品在电子元件散热器中的应用。
上述技术方案中的一个或多个技术方案具有如下优点或有益效果：
1)本公开根据现有技术的不足发明了一种交错式的回流腔-针鳍结构微流道散热器，其结合波纹结构和针鳍结构的优点，在获得大的换热面积的同时，流道内冷却剂流过凹腔和针鳍产生的涡旋使得冷流和热流充分混合(冷却剂能够带走更多的热量)，热阻和压降也相应减小。并提出一种采用具有双程记忆效应的形状记忆合金制作的微流道散热器肋片，可以利用形状记忆合金的形状记忆效应改变散热器在不同温度下的微流道结构，进而达到更好的散热和节能效应。
2)由于微流道内的流体通常作典型的层流运动，而散热的关键之一在于流体充分混合，层流流体混合程度较差，而本公开所述的回流腔-针鳍结构能够实现形成多股螺旋状涡流，这也是本公开所述的微流道散热器散热效率较高的关键所在。
3)本公开将回流腔-针鳍结构中的回流腔凹槽交错排列，不止在回流腔中形成螺旋状涡流，还在针鳍结构的两侧形成了螺旋状涡流，增加了涡流数目，提高了换热效率。
4)本公开另一种微流道散热器中，还在交错式的波纹-针鳍结构中加入了一种采用具有双程记忆效应的形状记忆合金，使该结构利用形状记忆合金的记忆效应来改变散热器的微流道结构，降低压降与泵浦功率，从而达到很好地散热和节能效果。
附图说明
构成本公开一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为实施例中冷却剂流经针鳍与回流腔结构时的流态图。
图2为实施例中温度较低时模型示意图。
图3为实施例中温度较高时模型示意图。
图4为实施例中温度较高时微流道散热器立体示意图。
图5为实施例中温度较高时微流道散热器结构俯视图。
图6为实施例中温度较高时微流道散热器基底沿图2中AA1方向的剖面示意图。
图7为实施例中温度较高时微流道散热器基底沿图2中BB1方向的剖面。
图8为实施例中微流道散热器基底上视图。
图9为实施例中梭形针鳍示意图。
图10为实施例的设计原理图，其中，图上方的三个局部图为基底加直肋片的结构、仅包含交错式的波纹结构，不含针鳍的结构、仅包含针鳍结构，不包含肋片结构的局部图。
其中，1.盖板；2.基底；3.冷却剂入口；4.冷却剂出口；5.针鳍结构；6.回流腔；7.微流道；8.肋片；9.冷却剂流线；10.涡旋。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本公开所述双程记忆合金的解释为：形状记忆合金(shape memory alloys,SMA)是一种具有形状记忆效应(shape memory effect)的材料，形状记忆效应是指在一定条件下进行一定限度以内的变形后，再对材料施加适当的外界条件，材料变形消失，恢复到变形前形状的现象。某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复低温相形状，称为双程记忆效应，具备双程记忆效应的合金称为双程记忆合金。
针对现有技术中微流道散热器存在有效的平衡换热面积与热阻压降之间平衡关系较差的问题。本公开提出一种微流道散热器，该微流道散热器具有交错式的波纹-针鳍结构，在一定程度上优化了散热结构，获得大的散热面积的同时也降低了压降。本公开另一种微流道散热器中，还在交错式的波纹-针鳍结构中加入了一种采用具有双程记忆效应的形状记忆合金，使该结构利用形状记忆合金的记忆效应来改变散热器的微流道结构，从而达到很好地散热和节能效果。
本公开一个或一些实施方式中，提供一种微流道散热器，包括基底1，在基底1上平行分布多个肋片8，两相邻肋片8之间形成微流道7，微流道7内有多个针鳍结构5；每个针鳍结构5对应一个凹槽，任意两相邻凹槽交错。
所述基底2上可通过蚀刻或精加工形成肋片8和针鳍结构5，肋片8上有凹槽形成回流腔6，针鳍5均匀的分布在流道7中心。
如图10所示，传统的微通道散热器为基底加直肋片的结构，该结构压降小，泵浦功率低，但由于换热面积小，导致冷流体与热流体换热换热差，散热效果差。而仅包含交错式的波纹结构，不含针鳍的结构虽然提高了换热面积，冷流体和热流体换热效果较好，散热效果好，但依然有压降较大的缺点。仅包含针鳍结构，不包含肋片的换热器则由于针鳍结构的存在，导热性强，冷流体与热流体换热效果差，散热效果尚可，但由于致密针鳍结构导致压降大，泵浦功率高。
而本公开将针鳍与带有回流腔的肋片组合形成的散热器结构，即增大了散热面积，也增强了冷流和热流的对流换热。针鳍与回流腔的组合结构使得散热器克服了流道中心流动稳定的缺点，也克服了致密的针鳍导致的流道内压降过高的弊端。利用具有双程记忆效应的形状记忆合金形成散热器微流道结构，该结构在温度较低时压降小，能够有效地达到节能的目的。
本公开也尝试所述凹槽在肋片8上以针鳍结构为对称点呈轴对称分布。对冷却剂流经针鳍结构5时回流腔中的流体进行测试，发现对称分布的凹槽中虽然也可以形成螺旋涡流，但在针鳍结构的两侧基本为层流，换热效率不高。
所述基底1上还有冷却剂入口3与冷却剂出口4，所述冷却剂入口3与冷却剂出口4分别分布于肋片8端部两侧。与流体在微通道7的流动相适应。基底2两端分别设置有冷却剂进口3和冷却剂出口4，流体介质通过基底上的冷却剂进口3进入微流道7，工质在微流道7内流动时经过针鳍结构5和回流腔6的扰动产生涡旋，使得热流和冷流的热交换更加充分，针鳍结构5与回流腔6的存在也增大了换热面积。具体的，冷却剂可选择去离子水，在微流道7中冷却剂经过针鳍结构5和回流腔6时形成涡旋，从图1可以看出，所述涡流呈螺旋形，为微流道散热的典型涡流类型，打破了微流道层流的结构，且从图1的放大图中可以看出，每个凹槽中形成一股涡流，而每个针鳍结构两侧至少形成一股涡流，螺旋状涡流数量增多，大大提高了扰动换热能力，使得冷流和热流能够进行充分的换热，其次回流腔6和针鳍结构5也增大了换热面积，提高换热效率。
本公开将回流腔6和针鳍结构5结合，可以获得大的换热面积，同时当冷却剂流经回流腔6与针鳍结构5时，如图1所示，靠近回流腔6内壁和针鳍结构5外壁的流体受到凹腔内壁和针鳍结构5外壁的阻力而流速减慢进而吸收更多的热量，而离回流腔6内壁和针鳍结构5外壁较远的流体速度不变，由于流速差会在回流腔6内与针鳍结构5后侧产生涡旋，使得冷流(离回流腔内壁和针鳍外壁较远的流体流速较快，随着温度较低的冷却剂不断从工质入口进入，其温度也会较低)和热流(靠近回流腔内壁和针鳍外壁的流体由于流速较慢吸收的热量多，其温度较高)充分混合换热，从而带走更多的热量。另一方面回流腔6与针鳍结构5的结合即克服了只有针鳍结构时压降较大的缺点，也克服了只有回流腔结构时热阻较大的问题。
所述微流道散热器还包括盖板1。如图4所示，整个散热器包括盖板1和基底2两个部分。盖板1位于整个基底2上边并与基底进行密封封装。基底2和针鳍结构5材料为高导热材料如铜、硅等材料。针鳍可以是圆柱、梭形和三棱柱等。盖板1可以使用导热较低的材料。
所述针鳍结构5与肋片高度相同，可以更好的实现散热。
基底和针鳍结构5为高导热材料，如常见的金属钛，铝合金等常用于电子散热元件中的材料。
所述针鳍结构在微流道中分布均匀，且每个微流道对应一排针鳍结构，该结构与图1导流图相对应，可以发挥最大程度的扰流。
所述针鳍结构5横截面为梭形，所述梭形一端大一端小，小的一端位于流体流动方向的前端。从而改变冷却剂在流道中的流型。可以根据不同的降温要求选择不同的针鳍结构，当降温要求较大时，梭形的两端的大小差异越大。
本公开还提供另一种肋片8，所述另一种肋片8由双程记忆合金材料制成，所述肋片8在加热条件下产生凹槽。
具体的，在基底上通过蚀刻或精加工形成肋片8和针鳍结构5，对肋片8物理开挖或精准蚀刻形成凹槽。使用具有双程记忆效应的形状记忆合金制成微流道散热器的肋片8，肋片8单独制作，不再是通过在基底2上刻蚀或加工得到，将制作好的肋片8与导热性较好的基底2进行装配，具体装配方式可选择焊接、卡槽拼接等。平行布置构成微流道结构。冷却剂流体通过从基底下部的冷却剂入口3流入，经过微流道7最终从基底下端的冷却剂出口流出。
如图2所示，当温度较低时，肋片8为侧边平整的长方体结构，同样在微流道7中间隔布置由铜等高导热材料制成的圆柱形针鳍结构5，相邻肋片8之间形成微流道7，此时的微流道7两侧平整光滑，冷却剂流经时受到的阻力小，压降低；当散热器的温度升高时，由形状记忆合金制成的肋片8受热产生变形，在肋片8上产生凹腔(回流腔6)。如图3所示，当温度升高时，冷却剂通过流道时受到的扰动增大，冷流和热流充分混合换热，达到降温的目的，随着温度的降低肋片8又恢复原来的平整光滑的形状。
利用形状记忆合金的形状记忆效应，使用具有双程记忆效应的形状记忆合金制成微通道散热器的肋片，当温度较低时，肋片为长方体结构如图2所示，在散热器中平行布置，相邻肋片之间形成微流道7，此时的微流道7两侧平整光滑，冷却剂流经时受到的阻力小，压降低；当散热器的温度升高时，由形状记忆合金制成的肋片受热产生变形，在肋片上产生凹腔(回流腔6)如图3所示，使得冷却剂通过流道时受到的扰动增大，冷流和热流充分混合换热，达到降温的目的，随着温度的降低肋片8又恢复原来的平整光滑的形状。
本公开一个或一些实施方式中，提供上述另一种微流道散热器的制备方法，所述肋片单独制作，肋片经形状记忆训练后，将其复合于基底；通过蚀刻或精加工形成针鳍结构。
本公开一个或一些实施方式中，提供上述微流道散热器或上述微流道散热器的制备方法制得的产品在微流道散热中的应用，将冷却剂通入微流道中，冷却剂在微流道中经过针鳍和凹槽时形成涡旋，所述涡流为螺旋状涡流。
每个凹槽内有一股螺旋涡流，在针鳍结构两侧有多股螺旋涡流。
本公开一个或一些实施方式中，提供上述另一种微流道散热器或另一种微流道散热器的制备方法制得的产品在微流道散热中的应用，当微流道散热器的温度升高时，肋片受热产生变形，在肋片上产生凹腔，将冷却剂通入微流道中，待微流道内冷流和热流充分混合换热，随着温度的降低肋片又恢复原来的形状。
本公开一个或一些实施方式中，提供上述所有微流道散热器或上述所有微流道散热器的制备方法制得的产品在电子元件散热器中的应用。
所述电子元件包括手机、电脑、计算器、台灯等任何需要进行芯片换热的元件。
以上所揭露的仅为本发明的优选实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (13)
1.一种微流道散热器，其特征在于，包括基底，在基底上平行分布多个肋片，两相邻肋片之间形成微流道，微流道内有多个针鳍结构；每个针鳍结构对应一个凹槽，任意两相邻凹槽交错；
所述针鳍结构在微流道中分布均匀，且每个微流道对应一排针鳍结构；
肋片由双程记忆合金材料制成，所述肋片在加热条件下产生凹槽。
2.如权利要求1所述的微流道散热器，其特征在于，所述基底上还有冷却剂入口与冷却剂出口，所述冷却剂入口与冷却剂出口分别分布于肋片端部两侧。
3.如权利要求1所述的微流道散热器，其特征在于，所述微流道散热器还包括盖板。
4.如权利要求1所述的微流道散热器，其特征在于，所述针鳍结构与肋片高度相同。
5.如权利要求1所述的微流道散热器，其特征在于，基底和针鳍结构为高导热材料。
6.如权利要求1所述的微流道散热器，其特征在于，所述针鳍结构横截面为梭形，所述梭形一端大一端小，小的一端位于流体流动方向的前端。
7.权利要求1-6任一项所述的微流道散热器的制备方法，其特征在于，在基底上通过蚀刻或精加工形成肋片和针鳍结构，对肋片物理开挖或精准蚀刻形成凹槽。
8.权利要求7所述的微流道散热器的制备方法，其特征在于，所述肋片单独制作，肋片经形状记忆训练后，将其复合于基底；通过蚀刻或精加工形成针鳍结构。
9.权利要求1-6任一项所述的微流道散热器或权利要求7所述的微流道散热器的制备方法制得的产品在微流道散热中的应用，其特征在于，将冷却剂通入微流道中，冷却剂在微流道中经过针鳍和凹槽时形成涡旋，所述涡流为螺旋状涡流。
10.如权利要求9所述的应用，其特征在于，每个凹槽内有一股螺旋涡流，在针鳍结构两侧有多股螺旋涡流。
11.权利要求1所述的微流道散热器或权利要求9所述的微流道散热器的制备方法制得的产品在微流道散热中的应用，其特征在于，当微流道散热器的温度升高时，肋片受热产生变形，在肋片上产生凹腔，将冷却剂通入微流道中，待微流道内冷流和热流充分混合换热，随着温度的降低肋片又恢复原来的形状。
12.权利要求1-6任一项所述的微流道散热器或权利要求7或8所述的微流道散热器的制备方法制得的产品在电子元件散热器中的应用。
13.权利要求1-6任一项所述的微流道散热器或权利要求7或8所述的微流道散热器的制备方法制得的产品在电子元件散热器中的应用，其特征在于，所述电子元件包括手机、电脑、计算器、台灯。
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