專利名稱：散熱系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高換熱強(qiáng)度的散熱裝置。
背景技術(shù)：
隨著科學(xué)技術(shù)往微型化方向的發(fā)展，對(duì)在微小尺度下系統(tǒng)的熱管理提出了巨大挑 戰(zhàn)。在航空航天領(lǐng)域，隨著各大國(guó)在空間站、航天飛機(jī)和遠(yuǎn)距離探測(cè)飛船等載人航天領(lǐng)域 的發(fā)展，航天器載重與其有限空間之間的矛盾日益突出，從而使散熱問(wèn)題顯得異常重要，如 何在很小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)有效地?zé)峁芾?，成為決定一個(gè)國(guó)家載人航天技術(shù)水平的重要指標(biāo)之 一。此外，在半導(dǎo)體領(lǐng)域，伴隨著MEMS技術(shù)的進(jìn)步，各類電子器件精密程度不斷升高，導(dǎo)致 單位面積產(chǎn)熱熱流密度急劇增加，當(dāng)前計(jì)算機(jī)芯片的功率密度已達(dá)到10、/m、甚至更高，幾 乎比現(xiàn)代商用輕水反應(yīng)堆堆芯平均功率密度高出2 3個(gè)數(shù)量級(jí)。顯然，提供有效的冷卻 手段已經(jīng)成為維系電子技術(shù)發(fā)展和保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。
目前，微小尺度下高效散熱方式主要有以下幾種 自然對(duì)流冷卻，這種方式散熱功率低， 一般在1W/cm2量級(jí)，顯然，已經(jīng)遠(yuǎn)不能滿足 現(xiàn)代散熱需求； 熱沉強(qiáng)制對(duì)流散熱，這種冷卻方式是目前計(jì)算機(jī)芯片散熱的主要方式，這種方式 散熱量可以達(dá)到100W/ci^，但是這種冷卻方式震動(dòng)(噪音)大，并且目前市場(chǎng)上CPU散熱量 已接近或超過(guò)100W/cm2，因此，急需更高效的散熱方式； 微通道熱沉冷卻，由各種形式的微流道組成，靠工作流體攜帶熱量實(shí)現(xiàn)冷卻，是目 前最有應(yīng)用前景的冷卻方式之一。 在微通道熱沉冷卻系統(tǒng)里，高效換熱的微通道熱沉結(jié)構(gòu)和工作流體的驅(qū)動(dòng)力是兩 大關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前普遍采用的微通道熱沉結(jié)構(gòu)未能充分地實(shí)現(xiàn)換熱最大化以及降低換熱經(jīng) 濟(jì)性，即降低換熱與泵功率的比值。在進(jìn)一步加強(qiáng)換熱能力和降低外加驅(qū)動(dòng)力方面尚有很 大的進(jìn)步空間。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種散熱裝置，其具有自適應(yīng)特性，適用于小尺 寸、高熱流密度發(fā)熱部件，如電子器件、激光器件等。 本發(fā)明所涉及的散熱裝置，包括微通道熱沉系統(tǒng)、微泵裝置、動(dòng)力補(bǔ)給系統(tǒng)和供 電裝置，微通道熱沉系統(tǒng)用于接觸發(fā)熱部件，實(shí)施冷卻；微泵裝置與散熱系統(tǒng)的管路聯(lián)接， 消耗供電裝置提供的電能為散熱系統(tǒng)中的工作流體提供循環(huán)動(dòng)力；動(dòng)力補(bǔ)給系統(tǒng)利用工作 流體的余熱產(chǎn)生額外電能，補(bǔ)給微泵裝置；供電裝置具有外加電源和動(dòng)力補(bǔ)給系統(tǒng)并入的 電源，將動(dòng)力補(bǔ)給系統(tǒng)產(chǎn)生的電能并入外加電源，通過(guò)串聯(lián)電路共同給微泵裝置供電。
在上述的散熱裝置中，所述微通道熱沉系統(tǒng)由頂蓋板、引流板和熱沉板按照從上 到下的順序封裝而成。 在上述的散熱裝置中，所述熱沉板由入口導(dǎo)流區(qū)、出口導(dǎo)流區(qū)和散熱區(qū)組成，所述
4入口導(dǎo)流區(qū)從末端到微通道入口處寬度逐漸縮??；所述出口導(dǎo)流區(qū)從微通道出口處到末端寬度逐漸增加；所述散熱區(qū)由水力直徑不一的N種微通道通過(guò)N級(jí)組合而成，各個(gè)所述微通道是通過(guò)蝕刻、光刻在導(dǎo)熱性能優(yōu)越的金屬板或硅板上加工出的槽道，所述微通道的水力直徑范圍在1-1000微米范圍，其中N > 2。 在上述的散熱裝置中，所述散熱區(qū)由水力直徑不一的N種微通道平行布置而成。 在上述的散熱裝置中，所述N種微通道的各種微通道的深度相同，深度范圍為
1-1000微米，所述微通道的深度與第一級(jí)或第二級(jí)微通道的寬度相同。 在上述的散熱裝置中，所述微通道的N級(jí)組合的各級(jí)組合的交界面上通道間固壁
頂端為直線、半圓、或三角，所述三角的頂角范圍為30。
-90° 。 在上述的散熱裝置中，所述微通道的長(zhǎng)度由下列公式1求得
丄/ D =〖0.02847及eln( 、 、，' ， " ) +
為無(wú)量
*-0.02528、2.22x10'
(-0.18754 + i.0674r*)〗(0.2555+1.0343)公式i
式中，L為微通道的某級(jí)長(zhǎng)度，D為該級(jí)水力直徑，Re為該級(jí)入口 Reynolds數(shù)，T*T 一『
t綱溫度，定義為:r*= WT 0式中i;為熱沉部分固體溫度，T。為工作流體入口溫
度；x為工作流體的動(dòng)量調(diào)節(jié)系數(shù)。
在上述的散熱裝置中，從入口到出口各級(jí)通道水力直徑逐級(jí)遞減。 在上述的散熱裝置中，所述組合為單側(cè)布置、或者多側(cè)布置，相鄰兩側(cè)共享工作流
體入口。 在上述的散熱裝置中，所述動(dòng)力補(bǔ)給系統(tǒng)包括熱電部件，所述熱電部件的熱端與所述微通道熱沉系統(tǒng)出口高溫工作流體聯(lián)通，通過(guò)與所述熱電部件冷端溫差產(chǎn)生電能。
本發(fā)明的有益效果在于根據(jù)本發(fā)明，可以實(shí)現(xiàn)高換熱強(qiáng)度的散熱裝置，其具有自適應(yīng)特性，適用于小尺寸、高熱流密度發(fā)熱部件，如電子器件、激光器件等。


圖1是本發(fā)明的散熱系統(tǒng)的原理圖； 圖2是本發(fā)明的一實(shí)施例的單側(cè)三級(jí)微通道熱沉系統(tǒng)裝配圖； 圖3是微通道熱沉結(jié)構(gòu)M的局部放大圖； 圖4是微通道熱沉結(jié)構(gòu)N的局部放大圖； 圖5是現(xiàn)有技術(shù)的微通道熱沉結(jié)構(gòu)的一例局部放大圖； 圖6是現(xiàn)有技術(shù)的微通道熱沉結(jié)構(gòu)的另一例局部放大圖；以及 圖7是本發(fā)明的另一實(shí)施例的兩側(cè)三級(jí)微通道熱沉系統(tǒng)裝配圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的系統(tǒng)、局部結(jié)構(gòu)和技術(shù)細(xì)節(jié)作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
圖l是本發(fā)明的散熱系統(tǒng)的原理圖，如圖l所示，整個(gè)散熱系統(tǒng)由微通道熱沉系統(tǒng)
1、微泵裝置2、動(dòng)力補(bǔ)給系統(tǒng)3和供電裝置4組成自循環(huán)系統(tǒng)。工作流體在微通道熱沉系統(tǒng)1中冷卻發(fā)熱部件，高溫的工作流體從微通道熱沉系統(tǒng)1中流出后進(jìn)入動(dòng)力補(bǔ)給系統(tǒng)3，通過(guò)由熱電材料構(gòu)成的熱電部件利用工作流體與環(huán)境溫差產(chǎn)生電能，輔助供電裝置4給微泵裝置2提供能源，整個(gè)散熱系統(tǒng)中工作流體的驅(qū)動(dòng)力來(lái)自微泵裝置2。根據(jù)本發(fā)明，工作流體可以是空氣、氮?dú)?、水或各種制冷劑等，它們都能實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的高效散熱的目的。
本發(fā)明的微通道熱沉系統(tǒng)1由頂蓋板5、引流板6和熱沉板7按照從上向下的順序封裝而成。圖2是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的三級(jí)微通道熱沉系統(tǒng)裝配圖。頂蓋板5由導(dǎo)熱性能優(yōu)越的金屬板或硅板制成，上表面開(kāi)圓孔以便和管路聯(lián)接，構(gòu)成回路，下表面打通成矩形與引流板上矩形孔聯(lián)通。引流板6介于頂蓋板5和熱沉板7之間，由在導(dǎo)熱性能優(yōu)越的金屬板或硅板上加工出矩形通孔實(shí)現(xiàn)工作流體的引流。熱沉板7由在導(dǎo)熱性能優(yōu)越的金屬板或硅板上蝕刻、光刻或采用其他加工方式加工出的水力直徑不一的3種微通道通過(guò)3級(jí)組合而成，所說(shuō)的微通道水力直徑范圍在1-1000微米范圍。如圖2所示，熱沉板7又分入口導(dǎo)流區(qū)A、出口導(dǎo)流區(qū)C和散熱區(qū)B，入口導(dǎo)流區(qū)A的寬度逐漸減小，出口導(dǎo)流區(qū)C寬度逐漸增大，這種布置可以減小局部壓力損失，使流動(dòng)更均勻。 圖3是微通道熱沉結(jié)構(gòu)M的局部放大圖；圖4是微通道熱沉結(jié)構(gòu)N的局部放大圖；圖5是現(xiàn)有技術(shù)的微通道熱沉結(jié)構(gòu)的一例局部放大圖；圖6是現(xiàn)有技術(shù)的微通道熱沉結(jié)構(gòu)的另一例局部放大圖。 下面從理論上詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明中熱沉結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。眾所周知，內(nèi)流換熱入口段換熱強(qiáng)度最大，隨著邊界層的發(fā)展，換熱減弱，因此高效利用入口段和破壞邊界層的發(fā)展成為提高換熱強(qiáng)度的關(guān)鍵。本發(fā)明提出了一種新型微通道熱沉結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)充分利用了微尺度條件下?lián)Q熱的入口段效應(yīng)。具體而言，流體在入口導(dǎo)流區(qū)A中流向散熱區(qū)B，由于導(dǎo)流區(qū)A相對(duì)于散熱區(qū)B屬于大尺寸，因此，流向散熱區(qū)B的各個(gè)微小通道入口的工作流體可以認(rèn)為是均勻入口速度。此時(shí)在剛進(jìn)入散熱區(qū)B的部分散熱最強(qiáng)，隨后流體流動(dòng)與換熱均進(jìn)入發(fā)展階段，由于入口段換熱強(qiáng)度最大，本發(fā)明設(shè)計(jì)的各種水力直徑的微通道中流體流動(dòng)換熱均處于入口段，為保障該關(guān)鍵點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)各級(jí)長(zhǎng)度時(shí)，采用下面公式1進(jìn)行計(jì)算
『*—G
丄/ D =
(0.2555InO) +1.0343)公式1 式中，L為某級(jí)長(zhǎng)度，D為該級(jí)水力直徑，Re為該級(jí)入口 Reynolds數(shù)，T*為無(wú)量綱
ro ，
作流體的動(dòng)量調(diào)節(jié)系數(shù)。 當(dāng)工作流體在第一級(jí)通道中還處于高換熱的入口段并且未進(jìn)入充分發(fā)展段時(shí)，工
作流體即進(jìn)入下一級(jí)通道，這時(shí)上一級(jí)的邊界層處于下一級(jí)的主流區(qū)，工作流體的流動(dòng)和
換熱重新發(fā)展，即相當(dāng)于重新進(jìn)入新的流道，使得新的一級(jí)里流動(dòng)和換熱依舊處于入口段。
并且這里流體流動(dòng)被下一級(jí)通道固壁擾動(dòng)，也會(huì)強(qiáng)化傳熱，同時(shí)由于是順流，壓力損失也很
小。上述原理解釋了本發(fā)明實(shí)現(xiàn)換熱最大化以及降低換熱經(jīng)濟(jì)性的原因。 本發(fā)明中的微通道熱沉系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可以由N級(jí)構(gòu)成，圖2所示的是根據(jù)本發(fā)明實(shí)
施例的三級(jí)微通道熱沉系統(tǒng)，根據(jù)本發(fā)明還可以設(shè)計(jì)出各種不同水力直徑組合成的不同級(jí)
溫度，定義為"=*V "式中i;為熱沉部分固體溫度，T。為工作流體入口溫度；x為工數(shù)的散熱結(jié)構(gòu)，需要指出，不是級(jí)數(shù)越多或各級(jí)通道水力直徑越小散熱效果越好，需要根據(jù)實(shí)際散熱要求和換熱經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行合理配置。此外，本發(fā)明還可以布置成多側(cè)多級(jí)，這種布置方式適合于待冷卻部件面積較大，散熱強(qiáng)度很大的情況，圖7給出了其中一種兩側(cè)三級(jí)微通道熱沉系統(tǒng)的裝配圖。根據(jù)散熱實(shí)際，在布置方便的前提下，可以選擇合適的側(cè)數(shù)與級(jí)數(shù)。 本發(fā)明的自適應(yīng)功能主要由動(dòng)力補(bǔ)給系統(tǒng)3實(shí)現(xiàn)。動(dòng)力補(bǔ)給系統(tǒng)3的核心部件為高性能熱電材料，熱電材料的熱端由從微通道熱沉系統(tǒng)1流出的高溫工作流體提供余熱，冷端與環(huán)境大氣或者與低溫或極低溫流體如冰水、液氮等接觸，利用散熱后的高溫工作流體與冷端的溫差，產(chǎn)生電能。再將此處產(chǎn)生的電能通過(guò)電路與外加電源串聯(lián)，并入驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，提供微泵裝置2動(dòng)力，使得本發(fā)明具有自適應(yīng)功能。具體而言，如果被散熱部件的溫度高，從微通道熱沉系統(tǒng)1流出的工作流體溫度就高，與熱電材料冷端的溫差就大，產(chǎn)生的額外能源就多，提供給微泵的動(dòng)力就大，流體循環(huán)動(dòng)力就強(qiáng)，那么整個(gè)散熱系統(tǒng)的散熱能力就會(huì)提高，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)功能。 在本發(fā)明中，所說(shuō)的微通道熱沉系統(tǒng)，核心是本發(fā)明提出的一種新型微通道熱沉結(jié)構(gòu)，具體而言，熱沉由水力直徑不一 (水力直徑范圍在1-1000微米范圍)的N(N大于或等于2)種微通道通過(guò)N級(jí)組合而成，這種結(jié)構(gòu)利用了微尺度條件下?lián)Q熱的入口段效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)換熱最大化，同時(shí)由于熱沉由多級(jí)不同水力直徑微通道構(gòu)成，比單純采用極小直徑微通道熱沉壓損小，換熱強(qiáng)度大經(jīng)濟(jì)性好。微通道熱沉系統(tǒng)通過(guò)熱沉的封裝以及進(jìn)出口管線的連接接入整個(gè)系統(tǒng)。 所說(shuō)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，包含微泵和相應(yīng)供電電路，微泵提供工作流體驅(qū)動(dòng)力，供電電路有外加電源和動(dòng)力補(bǔ)給系統(tǒng)并入的電源，通過(guò)串聯(lián)電路共同給微泵提供電源。
所說(shuō)的動(dòng)力補(bǔ)給系統(tǒng)，該系統(tǒng)使得整個(gè)散熱裝置具有自適應(yīng)功能。作為核心部件的熱電部件由高性能熱電材料構(gòu)成，利用散熱后的高溫工作流體與熱電材料冷端的溫差，產(chǎn)生能源，并入驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，使得本發(fā)明具有自適應(yīng)功能。即根據(jù)被散熱部件的溫度高低，能產(chǎn)生大小不同的額外能源，提供給工作流體驅(qū)動(dòng)裝置一一微泵裝置，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)功能。
該熱沉結(jié)構(gòu)充分利用微尺度下?lián)Q熱入口段特性，具有新型散熱結(jié)構(gòu)，換熱強(qiáng)度大；動(dòng)力補(bǔ)償系統(tǒng)充分利用出口高溫流體與環(huán)境溫差，借助高性能低溫差熱電材料，產(chǎn)生電能補(bǔ)給微泵裝置提供循環(huán)動(dòng)力，使整個(gè)散熱系統(tǒng)具有自適應(yīng)特性；同時(shí)利用微型泵提供整個(gè)散熱裝置所需流體循環(huán)動(dòng)力。整個(gè)散熱系統(tǒng)散熱強(qiáng)度大，換熱效率高，并且具有自適應(yīng)特性，非常適用于高熱流密度、微小尺寸發(fā)熱部件上。 如上所述，對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)地說(shuō)明，但是只要實(shí)質(zhì)上沒(méi)有脫離本發(fā)明的發(fā)明點(diǎn)及效果可以有很多的變形，這對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是顯而易見(jiàn)的。因此，這樣的變形例也全部包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種散熱系統(tǒng)，其特征在于，包括微通道熱沉系統(tǒng)、微泵裝置、動(dòng)力補(bǔ)給系統(tǒng)和供電裝置，所述微通道熱沉系統(tǒng)用于接觸發(fā)熱部件，實(shí)施冷卻；所述微泵裝置與所述散熱系統(tǒng)的管路聯(lián)接，消耗所述供電裝置提供的電能為所述散熱系統(tǒng)中的工作流體提供循環(huán)動(dòng)力；所述動(dòng)力補(bǔ)給系統(tǒng)利用所述工作流體的余熱產(chǎn)生額外電能，補(bǔ)給所述微泵裝置；所述供電裝置具有外加電源和所述動(dòng)力補(bǔ)給系統(tǒng)并入的電源，將所述動(dòng)力補(bǔ)給系統(tǒng)產(chǎn)生的電能并入所述外加電源，通過(guò)串聯(lián)電路共同給所述微泵裝置供電。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的散熱裝置，其特征在于，所述微通道熱沉系統(tǒng)由頂蓋板、引流板和熱沉板按照從上到下的順序封裝而成。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的散熱裝置，其特征在于， 所述熱沉板由入口導(dǎo)流區(qū)、出口導(dǎo)流區(qū)和散熱區(qū)組成， 所述入口導(dǎo)流區(qū)從末端到微通道入口處寬度逐漸縮??； 所述出口導(dǎo)流區(qū)從微通道出口處到末端寬度逐漸增加；所述散熱區(qū)由水力直徑不一的N種微通道通過(guò)N級(jí)組合而成，各個(gè)所述微通道是通過(guò) 蝕刻、光刻在導(dǎo)熱性能優(yōu)越的金屬板或硅板上加工出的槽道，所述微通道的水力直徑范圍 在1-1000微米范圍，其中N > 2。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的散熱裝置，其特征在于，所述散熱區(qū)由水力直徑不一的N種微 通道平行布置而成。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的散熱裝置，其特征在于， 所述N種微通道的各種微通道的深度相同，深度范圍為1-1000微米， 所述微通道的深度與第一級(jí)或第二級(jí)微通道的寬度相同。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的散熱裝置，其特征在于，所述微通道的N級(jí)組合的各級(jí)組合的 交界面上通道間固壁頂端為直線、半圓、或三角，所述三角的頂角范圍為30。
-90° 。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的散熱裝置，其特征在于，所述微通道的長(zhǎng)度由下列公式1求<formula>formula see original document page 2</formula>)公式1式中，L為微通道的某級(jí)長(zhǎng)度，D為該級(jí)水力直徑，Re為該級(jí)入口 Reynolds數(shù)，T*為無(wú)r 一r.量綱溫度，定義為:"=1 %0式中i;為熱沉部分固體溫度，T。為工作流體入口溫度；X" ，為工作流體的動(dòng)量調(diào)節(jié)系數(shù)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的散熱裝置，其特征在于，從入口到出口各級(jí)通道水力直徑逐 級(jí)遞減。
9. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的散熱裝置，其特征在于，所述組合為單側(cè)布置、或者多側(cè)布 置，相鄰兩側(cè)共享工作流體入口 。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的散熱裝置，其特征在于，所述動(dòng)力補(bǔ)給系統(tǒng)包括由熱電材料構(gòu)成的熱電部件，所述熱電部件的熱端與所述微通道熱沉系統(tǒng)出口高溫工作流體聯(lián)通，通 過(guò)與所述熱電部件冷端溫差產(chǎn)生電能。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種散熱系統(tǒng)，包括微通道熱沉系統(tǒng)、微泵裝置、動(dòng)力補(bǔ)給系統(tǒng)和供電裝置，微通道熱沉系統(tǒng)用于接觸發(fā)熱部件，實(shí)施冷卻；微泵裝置與散熱系統(tǒng)的管路聯(lián)接，消耗供電裝置提供的電能為散熱系統(tǒng)中的工作流體提供循環(huán)動(dòng)力；動(dòng)力補(bǔ)給系統(tǒng)利用工作流體的余熱產(chǎn)生額外電能，補(bǔ)給微泵裝置；供電裝置具有外加電源和動(dòng)力補(bǔ)給系統(tǒng)并入的電源，將動(dòng)力補(bǔ)給系統(tǒng)產(chǎn)生的電能并入外加電源，通過(guò)串聯(lián)電路共同給微泵裝置供電。本發(fā)明的散熱裝置具有高換熱強(qiáng)度以及自適應(yīng)特性，適用于小尺寸、高熱流密度發(fā)熱部件，如電子器件、激光器件等。
文檔編號(hào)H01L23/46GK101778554SQ20101003363
公開(kāi)日2010年7月14日 申請(qǐng)日期2010年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月4日
發(fā)明者張?zhí)锾? 張靜茹, 李星, 楊立新, 賈力, 趙熙科 申請(qǐng)人:北京交通大學(xué)