一種強化微通道換熱的低阻水力空化結構的制作方法
【專利摘要】一種強化微通道換熱的低阻水力空化結構，主要包括：一基底平板，該基底平板上均勻平行地設置有若干冷卻微通道；冷卻微通道的一端為入口，另一端為出口，入口設有流量分配腔，出口設有液體匯集腔；在流量分配腔與液體匯集腔之間的各冷卻微通道中設有誘發(fā)空化現(xiàn)象的漸縮-漸擴水力結構；漸縮-漸擴水力結構的喉部段長度與冷卻微通道寬度的比值為0.1～1，漸縮-漸擴水力結構的漸縮段入口錐角為15～45°，漸縮-漸擴水力結構的漸擴段出口錐角為15～90°。本發(fā)明可以在強化微通道換熱的同時，降低液體的流動阻力損失，減少為了誘發(fā)空化而額外增加的泵功輸入。
【專利說明】一種強化微通道換熱的低阻水力空化結構
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于高效冷卻【技術領域】，具體地涉及一種強化微通道換熱的低阻水力空化結構。
【背景技術】
[0002]微通道熱沉以高效的冷卻能力、簡單的冷卻結構以及良好的兼容性，已成為微電子器件行業(yè)最具發(fā)展?jié)摿Φ母咝Ю鋮s方式。然而，隨著電子元器件集成度的不斷提高，其功率密度急劇上升，以大功率器件(如IGBT)和激光二極管(DL)列陣等器件為例，其功率密度已達數(shù)百瓦、甚至千瓦量級，其中50%以上的功率以熱量的形式消耗。面對如此高的熱流密度，傳統(tǒng)微通道結構的冷卻能力已無法滿足其冷卻要求，迫切需要研發(fā)強化微通道換熱的新型冷卻結構和方法。近年來，國外研究學者借助實驗研究手段發(fā)現(xiàn)，通過在微通道熱沉中置入水力結構誘發(fā)空化現(xiàn)象，可以顯著強化微通道傳熱，從而提高微通道熱沉的換熱能力(參考文獻:Schneider B., et al., Cavitation Enhanced HeatTransfer in Microchannels, ASME J.Heat Transfer, 2006，128:1293-1301)。在此基礎上，蔡軍等人申請了發(fā)明專利“一種微通道熱沉及微通道熱沉性能測試裝置”(專利號:ZL201210090080.5)。不過，上述文獻和專利涉及的空化誘發(fā)結構均為流動界面突縮的水力結構，流動阻力比較大，傳熱性能的提高以大幅增加泵功為代價。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種強化微通道換熱的低阻水力空化結構。
[0004]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的強化微通道換熱的低阻水力空化結構，包括:
[0005]一基底平板，該基底平板上均勻平行地設置有若干冷卻微通道；
[0006]冷卻微通道的一端為流體入口，另一端為流體出口，流體入口設有流量分配腔，流體出口設有液體匯集腔；
[0007]在流量分配腔與液體匯集腔之間的各冷卻微通道中設有誘發(fā)空化現(xiàn)象的漸縮-漸擴水力結構；
[0008]漸縮-漸擴水力結構的喉部段長度與冷卻微通道寬度的比值為0.1?1，漸縮-漸擴水力結構的漸縮段入口錐角為15?45°，漸縮-漸擴水力結構的漸擴段出口錐角為15 ?90°。
[0009]所述的強化微通道換熱的低阻水力空化結構，其中，冷卻微通道通過化學蝕刻或者激光方法加工，其寬度d的范圍為20?500 μ m，高度h的范圍為20?200 μ m。
[0010]所述的強化微通道換熱的低阻水力空化結構，其中，漸縮-漸擴水力結構在每個冷卻微通道中的數(shù)量按以下公式確定:n=LLm/(U+W)」，n是漸縮-漸擴水力結構的數(shù)量；
符號L」代表向下取整山m為冷卻微通道的長度；L。為漸縮-漸擴水力結構的長度；W為各冷卻微通道中，相鄰兩個漸縮-漸擴水力結構中的上一個漸縮-漸擴水力結構的出口至下一個漸縮-漸擴水力結構的入口之間的距離，W的范圍為5?30mm。[0011]所述的強化微通道換熱的低阻水力空化結構，其中，漸縮-漸擴水力結構的入口寬度Cl1和出口寬度d2等于冷卻微通道的寬度d。
[0012]所述的強化微通道換熱的低阻水力空化結構，其中，漸縮-漸擴水力結構的喉部寬度與冷卻微通道寬度比值屯/d的范圍為0.1?0.5。
[0013]本發(fā)明提供的低阻水力空化結構通過確定了漸縮-漸擴水力結構的各種幾何參數(shù)(如喉部寬度、喉部長度、入口錐角以及出口錐角等)的最佳范圍，可以在強化冷卻微通道換熱的同時，降低液體的流動阻力損失，減少為了誘發(fā)空化而額外增加的泵功輸入，取得較好的空化和強化換熱效果。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明的置入水力空化結構的微通道熱沉立體示意圖。
[0015]圖2a是圖1中微通道熱沉的二維平面示意圖。
[0016]圖2b是圖2a沿A-A線的剖面?zhèn)纫晥D。
[0017]圖3是圖2a中B部分所示水力空化結構的放大示意圖。
[0018]圖4a是本發(fā)明的實際微通道熱沉的空化效果。
[0019]圖4b是本發(fā)明的實際微通道熱沉的強化換熱結果。
【具體實施方式】
[0020]以下結合附圖1?4對本發(fā)明的【具體實施方式】進行說明。
[0021]如圖1和圖2a、圖2b所示，本發(fā)明所述的強化微通道換熱的低阻水力空化結構，包括:基底平板1、冷卻微通道2、微通道入口流量分配腔3、微通道出口液體匯集腔4以及誘發(fā)空化現(xiàn)象的水力結構5。
[0022]基底平板I上均勻平行地設置有若干冷卻微通道2，冷卻微通道，的一端為流體入口，另一端為流體出口，流體入口設有流量分配腔3，流體出口設有液體匯集腔4，在流量分配腔3與液體匯集腔4之間的各冷卻微通道2中設有誘發(fā)空化現(xiàn)象的漸縮-漸擴水力結構5。
[0023]每個冷卻微通道中的漸縮-漸擴水力結構的數(shù)量視冷卻微通道總長度而定，具體地是按以下公式確定:
[0024]
n4Lm/(Lc+W)」，
[0025]式中:η是漸縮-漸擴水力結構的數(shù)量；
[0026]符號L」代表向下取整；
[0027]Lm為冷卻微通道的長度；
[0028]Lc為漸縮-漸擴水力結構的長度；
[0029]W為各冷卻微通道中，相鄰兩個漸縮-漸擴水力結構中的上一個漸縮-漸擴水力結構的出口至下一個漸縮-漸擴水力結構的入口之間的距離，W的范圍為5?30mm。
[0030]請結合圖3，水力結構的入口寬度Cl1和出口寬度d2等于冷卻微通道的寬度d，喉部寬度與冷卻微通道寬度比值屯/d的范圍為0.1?0.5，喉部段長度L與冷卻微通道寬度d的比值L/d的范圍為0.1?1，漸縮段入口錐角α的范圍為15?45°，漸擴段出口錐角β的范圍為15?90°。
[0031]液體進入熱沉之后，經(jīng)過流量分配腔3的分配作用，均勻流入到各個冷卻微通道中，當流體達到水力結構5的入口時，由于流通截面積逐漸縮小,液體速度增加導致內(nèi)部靜壓降低，當液體到達水力結構5的喉部時，液體流速達到最大值，液體靜壓降到最低值，從而誘發(fā)空化現(xiàn)象的產(chǎn)生。隨著液體繼續(xù)向下水力結構5的下游流動，其流通截面積逐漸擴大，液體速度逐漸減小，液體靜壓上升，由于液體壓力的恢復，將迫使之前產(chǎn)生的空化氣泡發(fā)生潰滅現(xiàn)象,形成液體微射流,從而對液體形成擾動并且對加熱壁面形成沖擊,微通道局部換熱得以強化。當液體流經(jīng)每個漸縮-漸擴水力結構時，都將經(jīng)歷相同的情況，從而使整個微通道熱沉的換熱能力得到提升。與此同時，由于引入了漸縮-漸擴水力空化結構，相對于矩形限流空化結構(ZL201210090080.5)，液體的流動阻力損失大幅減少，降低了泵功的輸入。
[0032]本發(fā)明的漸縮-漸擴水力結構其喉部寬度、入口錐角和出口錐角是非常重要的參數(shù)，這些參數(shù)只有處于最佳范圍，才能取得最好的空化和強化換熱效果。圖4a所示為根據(jù)本發(fā)明構思加工制作的實際微通道熱沉的空化效果，圖4b所示為根據(jù)本發(fā)明構思加工制作的實際微通道熱沉的和實際換熱能力。可以看出，冷卻微通道內(nèi)存在空化流動時其換熱能力明顯高于非空化流動。
[0033]以上內(nèi)容是結合具體實施例對本發(fā)明所作的進一步闡述，并不代表本發(fā)明的實施方式僅限與此，在不脫離本發(fā)明構思的前提下做出的任何替換方式都視為本發(fā)明所提交的權利要求確定的保護范圍。
【權利要求】
1.一種強化微通道換熱的低阻水力空化結構，主要包括: 一基底平板，該基底平板上均勻平行地設置有若干冷卻微通道； 冷卻微通道的一端為流體入口，另一端為流體出口，流體入口設有流量分配腔，流體出口設有液體匯集腔； 在流量分配腔與液體匯集腔之間的各冷卻微通道中設有誘發(fā)空化現(xiàn)象的漸縮-漸擴水力結構； 漸縮-漸擴水力結構的喉部段長度與冷卻微通道寬度的比值為0.1?1，漸縮-漸擴水力結構的漸縮段入口錐角為15?45° ,漸縮-漸擴水力結構的漸擴段出口錐角為15?90。。
2.如權利要求1所述的強化微通道換熱的低阻水力空化結構，其中，漸縮-漸擴水力結構在每個冷卻微通道中的數(shù)量按以下公式確定:n=LLm/(Lc+W)」， η是漸縮-漸擴水力結構的數(shù)量； 符號]_」.代表向下取整； Lffl為冷卻微通道的長度； Lc為漸縮-漸擴水力結構的長度； W為各冷卻微通道中，相鄰兩個漸縮-漸擴水力結構中的上一個漸縮-漸擴水力結構的出口至下一個漸縮-漸擴水力結構的入口之間的距離，W的范圍為5?30mm。
3.如權利要求1所述的強化微通道換熱的低阻水力空化結構，其中，漸縮-漸擴水力結構的入口寬度和出口寬度等于冷卻微通道的寬度。
4.如權利要求1所述的強化微通道換熱的低阻水力空化結構，其中，漸縮-漸擴水力結構的喉部寬度與冷卻微通道寬度比值范圍為0.1?0.5。
【文檔編號】H01L23/473GK103954162SQ201410206430
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年5月16日 優(yōu)先權日:2014年5月16日
【發(fā)明者】蔡軍, 淮秀蘭, 劉斌 申請人:中國科學院工程熱物理研究所