一種微通道散熱器及由其組成的微機電產品散熱系統裝置制造方法
【專利摘要】本發明涉及微機電系統，特指一種微通道散熱器及由其組成的微機電產品散熱系統裝置。微機電產品散熱系統裝置由儲液池，微型泵，微過濾器，微通道散熱器，回流閥和管路組成；儲液池、微型泵、微過濾器、微通道散熱器和儲液池之間依次通過管路連接，微型泵的管路出口與儲液池之間設有旁通回路，旁通回路上設有回流閥。微通道散熱器包括左端蓋、右端蓋和微通道散熱器基體，微通道散熱器基體左右兩端加工出矩形凹槽，然后與左端蓋、右端蓋之間進行裝配，并連接固定，微通道散熱器基體開有若干條矩形微通道，左右端蓋上分別設有冷卻流體進口和冷卻流體出口。本發明具有結構簡單、體積小、散熱性能優良、可用于空間狹小、發熱量大的發熱面的散熱等優點。
【專利說明】一種微通道散熱器及由其組成的微機電產品散熱系統裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及微機電系統，特指一種微通道散熱器及由其組成的微機電產品散熱系統裝置。
【背景技術】
[0002]隨著微機電系統的快速發展，微機電產品的熱處理已經成為保證產品性能和壽命的關鍵技術；傳統的換熱裝置和換熱工質(如水、油、醇等)已很難滿足高傳熱強度和微系統散熱等特殊條件下的散熱和冷卻要求，換熱裝置微型化成為迫切要求和必然趨勢；另一方面，低導熱系數的換熱工質也成為制約研究新一代高效散冷卻技術的主要障礙；同時，隨能源問題的日益突出，也要求在滿足熱量交換前提下，進一步研制體積小、重量輕、散熱性能好的高效緊湊式熱交換設備；以及從工質本身入手研制導熱系數高，散熱性能好的高效新型換熱工質，盡而縮小設備體積、節約材料、減輕設備重量、提高設備的緊湊性、增強散熱效率。
[0003]在微機電系統中，除了性能提高和可靠性增加必須要求電子設備具有良好散熱性以外，消除噪聲，減少能量消耗，也需要有良好的散熱；針對微機電產品，目前的普遍散熱方式是采用散熱片與冷卻風扇的組合，利用冷卻風扇對電子產品上的散熱片進行散熱冷卻，這種方式散熱效率較低，且空氣的導熱系數較低，比熱較小，對流換熱效果不顯著；正如本發明將要描述的，一些散熱途徑，包括熱傳導、自然對流、輻射并不需要風扇；如果設備通過這些途徑合理散熱，風扇的噪聲，能量消耗和費用將會消除；而且，相較于固定機械部件，風扇的故障率更高，去掉風扇增加了可靠性。
[0004]與風冷相比，水冷使用較空氣導熱系數高的換熱工質(水的導熱系數約為空氣導熱系數的30倍)，且流動的水可以更快、更好帶走熱量，起到好的散熱效果，水冷兼顧了靜音和效能這兩大貌似難以融合的特征。
[0005]提高液體導熱系數的一種有效方式是在液體中添加金屬，非金屬或聚合物固體粒子；1995年,美國Argonne國家實驗室的Choi提出一個概念一納米流體，即以一定的方式和比例在液體中添加納米級金屬或金屬氧化物粒子，形成一類新的換熱工質；與傳統的純液體工質及在液體中添加毫米或微米級固體粒子相比，納米流體可以有效提高液體的導熱系數，強化液體的換熱性能；Masuda(Netsu Bussei，1993，4，227-233)等人研究了體積分數為1.30-4.30%，平均粒徑為13nm時，Al2O3—水納米流體的導熱系數與基液的導熱系數之比左nf/Af 為 1.109~1.324 ；ffang (Journal of Thermophysics and Heat Transfer, 1999, 13,474-480)等人研究了體積分數為5.00-8.00%，平均粒徑為28nm時，Al2O3—乙二醇納米流體AnfZAf 為 1.25~1.41 ；Das (ASME Journal of Heat Transfer, 2003，125，567-574)等人研究了體積分數為1.00~4.00%，平均粒徑為28.6nm時，CuO—水納米流體Anf/々f為1.29~1.36 ；Xuan (International Journal of Heat and Fluid Flow, 2000, 21, 58-64)等人研究了體積分數為1.0~5.0%。平均粒徑為IOOnm時，Cu—水納米流體Anf/々f為1.08~1.45。
[0006] 更為重要的是由于納米粒子的小尺寸效應，其行為接近于液體分子，納米粒子自身強烈的布朗運動有利于其保持穩定懸浮而不沉淀，不像毫米或微米級粒子易產生磨損或堵塞等不良結果，且流動壓降與純液體相比并沒有顯著增大，顯示了納米流體在散熱領域有廣闊的應用前景。
[0007]微通道散熱器是一種借助先進加工制造技術，如線切割、光刻、化學刻蝕、激光刻蝕等在固體基質上制造的可用于流體和固體熱傳遞的三維結構單元；按照目前國際上的一般分類方法，將特征尺度在0.2 ~ 3_的通道稱為細通道，特征尺度在0.2mm ~ IOOnm的通道稱為微通道，而IOOnm以下稱為納米通道；將微制造技術應用于散熱器或冷板的加工，可以極大地增加微通道散熱器單位體積的換熱面積；劉青林(申請號:201120155173.2)提出一種用于電子元器件的微通道散熱器，在空腔殼體內表面加工出凹凸形狀的內翅片組成微通道，但這種方法流體與微通道接觸面積有限，只有靠近壁面附近的流體參與有效對流換熱，沒有充分發揮微通道散熱器高比表面積的優勢；丁桂甫(申請號:201310513130.0)等人提出在金屬殼體上加工出蜂窩狀長方體結構擾流柱，擾流柱之間形成微通道，但這種方法沒有考慮流體的在散熱器內部的循環流動速度，造成換熱速率的較低。
[0008]綜合以上的分析，本發明針對微機電產品中對散熱問題的高要求，同時鑒于目前普遍采用的散熱方法效率低，散熱均勻性差，結構臃腫等問題，提供了一種微機電產品中散熱系統裝置；本發明采用流固共軛傳熱的微通道散熱技術，以高導熱系數的納米流體(體積分數小于10%)作為換熱工質；具有結構簡單、體積小、散熱性能優良、可用于空間狹小、發熱量大的發熱面的散熱等優點，極大地滿足微機電系統散熱的需求。
【發明內容】
[0009]本發明屬于微機電系統散熱領域及納米流體應用領域，特指一種微機電產品中散熱系統裝置；該裝置由儲液池，微型泵，微過濾器，微通道散熱器，回流閥，管道等幾部分組成，系統裝置示意圖如圖1所示；由儲液池，微型泵，微過濾器，微通道散熱器，回流閥等組成；微通道散熱器通道內流體流量較小，因此在裝置管路中設置了旁通回路，回流閥設在旁通回路上，儲液池內的納米流體經過微型泵驅動后，一部分通過微過濾器過濾后進入微通道散熱器，另一部分通過回流閥返回到儲液池；本發明散熱系統裝置的核心散熱器采用流固共軛傳熱的微通道散熱器，以納米流體為換熱工質，可取得較水作為換熱工質更為優良的散熱效果；在固體基板上加工出矩形微通道構成散熱單元，并通過納米流體的強制對流換熱與散熱單元的組合，制成具有散熱能力均勻、體積微小、結構緊湊、傳熱效率高的散熱器，其結構如圖2所示；有冷卻流體進口，左端蓋，微通道散熱器基體，右端蓋，微通道，冷卻流體出口 ；圖中所示微通道散熱器基體左右兩端加工出矩形凹槽，然后與左端蓋、右端蓋之間進行裝配，并通過低溫釬料片連接固定，以保證整體結構密封性和牢固性；基板上的每條微通道結構相同，間距相同，每條微通道的單位面積散熱功率Q相同，基體與所要散熱的發熱物的表面貼合，待散熱面的熱量通過散熱器的底面傳至散熱器翅片及微通道底面，進而傳入散熱工質中，再由流體流動把熱量帶走；其工作原理如圖3所示；微通道的加工采用先進的加工制造技術，如線切割、光刻、化學刻蝕、激光刻蝕等；本發明將納米流體的高導熱系數與微通道散熱器的高比表面積的特點結合起來，以提高微機電系統散熱效率，優化了微機電系統空間結構配置。
[0010]作為優選，微通道散熱器固體基質可采用廣泛使用的金屬銅或鋁，二者均具有高的導熱系數，對于絕緣性要求高的系統，固體基質可采用硅，其既是熱的優良導體，導熱系數可比肩銅、鋁，同時其又是電的不良導體，因而在微機電系統廣泛應用。
[0011]作為優選，本裝置換熱工質可采用Al2O3-水、CuO-水、Cu-水納米流體等，導熱系數高，成本低廉，同時由于微管道的結構尺寸微細，推薦使用的納米流體體積分數不超過10%，納米粒子直徑不超過lOOnm。
[0012]作為優選，用于本散熱裝置的泵必須體積小、成本低、可靠性高、且采用直流電源驅動；對于液體流量需要精密控制的系統，可采用適合用于微型電子產品水冷散熱，電腦芯片水冷散熱的壓電微型水泵，其體積小、重量輕、低功耗、無電磁干擾、壓電隔膜片直接驅動、無電磁線圈，且無傳統泵馬達及軸等轉動部件，壽命長；壓電隔膜片振動時發熱極小，且可通過被輸送流體散熱，適合長時間連續工作；適應各種流體，流量控制極為方便，改變電壓即可精確控制輸出流量。
[0013]作為優選，為防止工質中意外混入的固體雜質進入微通道進而堵塞通道，工質先經過過濾網去除雜質，但過濾網篩孔直徑遠大于納米顆粒直徑，因此過濾網對納米流體中納米顆粒的順利通過沒有影響。
[0014]作為優選，在具有相對較高的散熱性能的同時，需要使系統壓降保持在一個可接受的范圍，因而需要對散熱器的結構尺寸進行優化選擇；微通道散熱器基本結構尺寸寬度X長度(WXL)與要求散熱的元器件尺寸相適應，而對與微通道結構的相關尺寸(He、Hb, ffw, Wc)，需要綜合考慮散熱效率與壓降的平衡，這樣即可達到高的散熱效率，又可以減小系統壓力損失。
[0015](I)通道高度H e越大，流動壓降越小，但當增大He到一定程度時，遠離加熱面的通道高度方向上頂部的固體部分對于熱性能的增加意義不大，該部分流體與相鄰流體的溫差較小，無法起到應有的散熱作用，反而會引起材料浪費，結構臃腫；并且從散熱器的緊湊性和通道易加工性方面來考慮，通道高度He不應太大，取值范圍應為2飛mm。
[0016](2)當通道底面厚度Hb很薄時，從側壁進入通道流體的熱量很小，側壁的對流換熱作用得不到發揮，隨著底面厚度的增大，從底面進入側壁的熱量增大，相應地就需要增大底面的最高溫度Tmax才能將這些熱量傳遞到水中，導致熱阻增加，取值范圍應為0.f 1mm。
[0017](3)如圖3所示，熱量從冷卻通道底面導入，最終通過冷卻液體帶走，可以認為，從加熱面到通道內流體的傳熱過程包括兩個熱阻，即底面與通道壁厚的導熱熱阻和通道壁面與流體之間的對流換熱熱阻；當通道壁面很薄時，從側壁進入部分很小，側壁的對流換熱作用沒有充分發揮，但隨著通道壁面厚度Ww的增大，在散熱器基本結構尺寸W固定的情況下，通道個數N就會受到限制，從而影響整體散熱性能，取值范圍應為0.1~1mm
【權利要求】
1.一種微通道散熱器，采用流固共軛傳熱，其特征在于:所述微通道散熱器包括左端蓋、右端蓋和微通道散熱器基體，微通道散熱器基體左右兩端加工出矩形凹槽，然后與左端蓋、右端蓋之間進行裝配，并連接固定，微通道散熱器基體開有若干條矩形微通道，左右端蓋上分別設有冷卻流體進口和冷卻流體出口。
2.如權利要求1所述的一種微通道散熱器，其特征在于:所述連接固定指通過低溫釬料片連接固定。
3.如權利要求1所述的一種微通道散熱器，其特征在于:所述冷卻流體指納米流體，納米流體體積分數不超過10%,納米粒子直徑不超過lOOnm。
4.如權利要求3所述的一種微通道散熱器，其特征在于:所述納米流體包括Al2O3-水、CuO-水和Cu-水納米流體。
5.如權利要求1所述的一種微通道散熱器，其特征在于:所述微通道散熱器基本結構尺寸寬度X長度(WXL)與要求散熱的元器件尺寸相適應。
6.如權利要求1所述的一種微通道散熱器，其特征在于:所述微通道散熱器的微通道高度H。取值范圍應為2飛_ ;微通道底面厚度Hb取值范圍應為0.rimm ;微通道壁面厚度Ww取值范圍應為0.rimm ;通道寬度W。取值范圍應為0.1-0.5mm。
7.如權利要求1所述的一種微通道散熱器，其特征在于:所述微通道散熱器的微通道個數
8.如權利要求1所述的一種微通道散熱器，其特征在于:所述微通道散熱器固體基質采用金屬銅或鋁；對于絕緣性要求高的系統，固體基質采用硅。
9.由如權利要求1所述的一種微通道散熱器組成的微機電產品散熱系統裝置，其特征在于:該裝置由儲液池，微型泵，微過濾器，微通道散熱器，回流閥和管路組成；儲液池、微型泵、微過濾器、微通道散熱器和儲液池之間依次通過管路連接，微型泵的管路出口與儲液池之間還設有旁通回路，旁通回路上設有回流閥。
10.如權利要求9所述的微機電產品散熱系統裝置，其特征在于:所述微型泵指用于微型電子產品水冷散熱，電腦芯片水冷散熱的壓電微型水泵。
【文檔編號】H05K7/20GK103997880SQ201410223580
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年5月26日 優先權日:2014年5月26日
【發明者】凌智勇, 牛廣清, 丁建寧, 郭立強, 程廣貴, 張忠強, 黃躍濤 申請人:江蘇大學