一種采用納米工質(zhì)流體及脈動(dòng)流的微通道散熱裝置制造方法
【專利摘要】該發(fā)明屬于一種與電子元件配套用散熱裝置，包括：液壓泵，溢流閥，進(jìn)液閥，葉片式脈動(dòng)流發(fā)生器及調(diào)速電動(dòng)機(jī)，葉脈式微通道散熱器及水基納米金屬氧化物冷卻介質(zhì)，流量調(diào)節(jié)閥，控制器，冷卻池。該發(fā)明由于采用葉片式脈動(dòng)流發(fā)生器及其調(diào)速電機(jī)作為脈動(dòng)流的發(fā)生源，不但大幅度降低了體積、結(jié)構(gòu)更緊湊、便于封裝，而且可方便地通過(guò)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)方便、靈活地調(diào)節(jié)脈動(dòng)流的頻率幅值；采用葉脈式微流道散熱器及水基納米金屬氧化物流體作為冷卻介質(zhì)，又強(qiáng)化了納米流體的對(duì)流換熱，尤其是在高熱環(huán)境下效果更明顯。因而該發(fā)明具有散熱裝置的結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，熱量傳輸快、散熱效果好、效率高，脈動(dòng)流的頻率幅值調(diào)節(jié)方便、靈活，便于封裝等特點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】一種采用納米工質(zhì)流體及脈動(dòng)流的微通道散熱裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種與電子元件配套用散熱裝置，具體的是涉及一種以水基納米金屬 氧化物流體為工質(zhì)、利用脈動(dòng)流發(fā)生器產(chǎn)生脈動(dòng)流以強(qiáng)化傳熱的熱散熱器。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著微電子技術(shù)和電子封裝技術(shù)的發(fā)展，電子設(shè)備的功能和復(fù)雜性日益增長(zhǎng)，在 有限的體積范圍內(nèi)，電子設(shè)備的功耗不斷增加，由于高功耗電子元件產(chǎn)生了更多的熱量，同 時(shí)高密度封裝將這些熱量分布在較小的表面，對(duì)電子元件的可靠性產(chǎn)生了很大的威脅，需 要對(duì)電子元器件進(jìn)行有效的散熱。以微電子芯片為例，目前熱流密度普遍已達(dá)60?90W/ cm2、最高已達(dá)200W/cm2。有研究表明，約占55%的電子元器件損壞或缺陷源自于溫度過(guò)高 的問(wèn)題。因此，對(duì)電子元件進(jìn)行高效率的熱設(shè)計(jì)，是提高其設(shè)備可靠性和工作性能，延長(zhǎng)使 用壽命的必要手段。
[0003] 在液壓傳動(dòng)，化工，醫(yī)學(xué)等科學(xué)研究中常常需要非穩(wěn)態(tài)流體系統(tǒng)，流體的脈動(dòng)可以 通過(guò)在流量或者壓力的平均值上面疊加一個(gè)波動(dòng)的幅值來(lái)描述。脈動(dòng)傳熱是因系統(tǒng)內(nèi)部的 某些擾動(dòng)或人工強(qiáng)制而發(fā)生流量及相關(guān)參數(shù)周期性振蕩或脈動(dòng)的流動(dòng)過(guò)程中的瞬態(tài)對(duì)流。 流體脈動(dòng)基本上不存在脈動(dòng)哀減問(wèn)題，而且脈動(dòng)源的安裝位置有很大的靈活性，脈動(dòng)還可 以防止壁面結(jié)垢的發(fā)生。眾多影響微通道散熱特性的參數(shù)中，工質(zhì)的選擇是重要的一類。近 年來(lái)不少研究學(xué)者在工質(zhì)對(duì)微通道散熱器傳熱性能的影響方面進(jìn)行了大量研究。主要的工 質(zhì)包括超純水（或蒸餾水）、乙醇、丙酮、含有銅納米顆粒的流體等。對(duì)于乙醇和丙酮，它們 的啟動(dòng)功率相對(duì)水來(lái)說(shuō)較低，但是傳熱極限不高；而水的傳熱極限相對(duì)乙醇和丙酮來(lái)說(shuō)較 高但是啟動(dòng)功率也高；而納米流體具有遠(yuǎn)高于水、空氣及許多非金屬介質(zhì)的熱導(dǎo)率，且具有 流動(dòng)性可實(shí)現(xiàn)快速高效的熱量運(yùn)輸能力。
[0004] 申請(qǐng)人:在申請(qǐng)?zhí)枮?01310373629、發(fā)明名稱為《一種采用脈動(dòng)流及葉脈式微流道 的散熱裝置》的專利文件中公開了一種以去離子水為工質(zhì)的采用活塞式脈動(dòng)流發(fā)生器及葉 脈式微流道散熱器的散熱裝置。該散熱裝置包括含冷卻介質(zhì)進(jìn)、出口的蓋板，設(shè)有冷卻介質(zhì) 進(jìn)、出端口的葉脈式微流道散熱基板的微流道散熱器，含活塞式液壓缸及其進(jìn)、出液電磁閥 的冷卻介質(zhì)脈動(dòng)流發(fā)生系統(tǒng)，含信號(hào)發(fā)射器和信號(hào)接收器在內(nèi)的電磁閥控制器。該散熱裝 置當(dāng)采用葉脈式微流道散熱板和微流道散熱基板底板的雙層散熱器時(shí)，散熱基板底部的最 高溫度區(qū)域?yàn)?3°C、最低溫度區(qū)域?yàn)?9°C、溫差為4°C，高、低溫區(qū)域的溫度分別較背景技 術(shù)低10°C及7°C，雖然較傳統(tǒng)散熱裝置的散熱效果好、散熱區(qū)域溫度均勻性好等優(yōu)點(diǎn)。但卻 存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大，脈動(dòng)頻率調(diào)節(jié)靈活性差，也不利于封裝，且仍不能滿足較高熱流密 度元器件工作時(shí)的散熱要求等缺陷。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是在【背景技術(shù)】微流道散熱器的基礎(chǔ)上，改進(jìn)設(shè)計(jì)一種采用納米工質(zhì) 流體及脈動(dòng)流的微通道散熱裝置，該散熱裝置利用葉片式脈動(dòng)流發(fā)生器產(chǎn)生脈動(dòng)流、以水 基納米金屬氧化物流體為冷卻介質(zhì)，與葉脈式微流道散熱器配合，以達(dá)到簡(jiǎn)化散熱裝置的 結(jié)構(gòu)、縮小其體積，提高傳熱上限、加快熱量傳輸，強(qiáng)化散熱效果，以及封裝和使用方便等目 的。
[0006] 本發(fā)明的解決方案是針對(duì)【背景技術(shù)】所存在的缺陷，采用葉片式脈動(dòng)流發(fā)生器作 為脈動(dòng)流的發(fā)生源，以有效簡(jiǎn)化脈動(dòng)流發(fā)生器的結(jié)構(gòu)、縮小其體積、提高脈動(dòng)流頻率調(diào)節(jié)的 靈活性，同時(shí)采用葉脈式微流道散熱器并利用水基納米金屬氧化物流體作為冷卻介質(zhì)，以 提高傳熱上限、加快熱量傳輸，強(qiáng)化散熱效果；從而實(shí)現(xiàn)其發(fā)明目的。因而，本發(fā)明采用納 米工質(zhì)流體及脈動(dòng)流的微通道散熱裝置，包括：液壓泵，溢流閥，進(jìn)液閥，脈動(dòng)流發(fā)生器及電 動(dòng)機(jī)，散熱器及冷卻介質(zhì)，控制器，冷卻池，關(guān)鍵在于在脈動(dòng)流發(fā)生器的輸出端還設(shè)有一與 散熱器并聯(lián)的流量調(diào)節(jié)閥，在脈動(dòng)流發(fā)生器的輸入端僅設(shè)一個(gè)進(jìn)液閥以向其提供產(chǎn)生脈動(dòng) 流的冷卻介質(zhì)流，而脈動(dòng)流發(fā)生器為葉片式脈動(dòng)流發(fā)生器，（與之配套的）電動(dòng)機(jī)為調(diào)速電 機(jī)，散熱器則為葉脈式微通道散熱器，冷卻介質(zhì)為水基納米金屬氧化物介質(zhì)；液壓泵將冷卻 池中的冷卻介質(zhì)經(jīng)溢流閥、進(jìn)液閥向葉片式脈動(dòng)流發(fā)生器提供冷卻介質(zhì)，脈動(dòng)流發(fā)生器輸 出的脈動(dòng)流中的工作部分脈動(dòng)流經(jīng)散熱器、多余部分的脈動(dòng)流經(jīng)流量調(diào)節(jié)閥分別返回冷卻 池內(nèi)，調(diào)速電動(dòng)機(jī)與葉片式脈動(dòng)流發(fā)生器的動(dòng)力軸連接以提供產(chǎn)生脈動(dòng)流的動(dòng)力，控制器 則分別與散熱器、調(diào)速電機(jī)、進(jìn)液閥及流量調(diào)節(jié)閥連接，以便根據(jù)散熱器的工作狀況調(diào)節(jié)調(diào) 速電機(jī)的轉(zhuǎn)速或/和進(jìn)液閥、流量調(diào)節(jié)閥的開啟度。
[0007] 所述水基納米金屬氧化物介質(zhì)為顆粒體積分?jǐn)?shù)在0. 5?5. 0%范圍內(nèi)的水基A1203 納米介質(zhì)或水基Fe304納米介質(zhì)。
[0008] 本發(fā)明由于采用葉片式脈動(dòng)流發(fā)生器及其調(diào)速電機(jī)作為脈動(dòng)流的發(fā)生源，較帶 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的活塞式脈動(dòng)流發(fā)生器不但大幅度降低了體積、結(jié)構(gòu)更緊湊、便于封裝，而 且可方便地通過(guò)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)方便、靈活地調(diào)節(jié)脈動(dòng)流的頻率幅值，進(jìn)而控制散熱 冷板的散熱效果并可適用于多種不同熱環(huán)境；采用葉脈式微流道散熱器及水基納米金屬 氧化物流體冷卻介質(zhì)，納米顆粒在葉脈式微流道內(nèi)隨機(jī)運(yùn)動(dòng)引起的附加熱耗散又強(qiáng)化了 納米流體的對(duì)流換熱，尤其是在高熱環(huán)境下效果更明顯，從而又可提高熱沉的冷卻性能和 散熱器的散熱效率；在相同條件下與【背景技術(shù)】相比：【背景技術(shù)】流道底部的最高溫度區(qū)域 328K(55°C )、最低溫度區(qū)域?yàn)?03K(30°C )，而本發(fā)明實(shí)施方式微通道底部的最高溫度區(qū)域 為323K (50°C )，最低溫度區(qū)域?yàn)?02K (29°C )，最高溫度區(qū)域較【背景技術(shù)】低5°C，且入口溫度 明顯低于出口，各流道中的溫度差異不大。因而本發(fā)明具有散熱裝置的結(jié)構(gòu)緊湊、體積小， 熱量傳輸快、散熱效果好、效率高，脈動(dòng)流的頻率幅值調(diào)節(jié)方便、靈活，便于封裝等特點(diǎn)。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0009] 圖1是本發(fā)明散熱裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0010] 圖2是本發(fā)明實(shí)施方式所用微通道散熱器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0011] 圖中：1.冷卻池，2.液壓泵，3.溢流閥，4.進(jìn)液閥，5.葉片式脈動(dòng)流發(fā)生器，6.流 量流調(diào)節(jié)閥，7.控制器，8.調(diào)速電動(dòng)機(jī)，9.散熱器、9-1.微通道、9-1. 1.進(jìn)口、9-1. 2.出口、 9-2.蓋板。

【具體實(shí)施方式】
[0012] 本實(shí)施方式中：液壓泵2采用型號(hào)為WX-20A的微型泵；溢流閥3采用型號(hào)為 RBG-03先導(dǎo)式平衡閥；進(jìn)液閥4型號(hào)為2WS1-15的常閉式二位二通電磁閥；葉片式脈動(dòng)流 發(fā)生器5本實(shí)施方式采用動(dòng)、靜葉片上的孔數(shù)均為6個(gè)，即動(dòng)葉片每轉(zhuǎn)動(dòng)一周，與靜葉片之 間開、閉6次，可對(duì)流經(jīng)的冷卻介質(zhì)流體實(shí)現(xiàn)6次脈動(dòng)激勵(lì)的葉片式脈動(dòng)流發(fā)生器；與該脈 動(dòng)流發(fā)生器匹配的調(diào)速電機(jī)8采用調(diào)速范圍90?1700rpm、型號(hào)為M206-002的微型調(diào)速 電機(jī)；流量調(diào)節(jié)閥6型號(hào)為WZCGB-8的二位二通電磁閥；控制器7型號(hào)為CJ1W-TC，其中：1 個(gè)信號(hào)輸入端口與設(shè)于散熱器9的工作面或發(fā)熱元器件上的溫度傳感器連接、以接收溫度 參數(shù)，3個(gè)控制信號(hào)輸出端口分別與進(jìn)液閥4、流量調(diào)節(jié)閥6及調(diào)速電動(dòng)機(jī)8連接，以分別調(diào) 節(jié)、控制兩電磁閥（進(jìn)液閥4、流量調(diào)節(jié)閥6)的開啟度及電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；散熱器9本實(shí)施方 式采用 申請(qǐng)人:在申請(qǐng)?zhí)枮?01310373629的專利文件實(shí)施例1中所公開的單層散熱器，即： 該散熱器微流道散熱基板9-1、即散熱器主體的尺寸為100 XIOOmm、厚度為3_，各流道深 均為2_，進(jìn)口端柄部尺寸為（長(zhǎng)X寬X厚）50X20X3. 0_，總散熱面積為5357. 7042mm2。 主流道是從進(jìn)口到出口逐級(jí)遞減的，進(jìn)口處的管道寬度為3. 54mm,出口處的管道寬度為 0. 5mm,各級(jí)分支管道寬度為1. 5mm,第一級(jí)分支管道長(zhǎng)度為69. 7mm,第一級(jí)分支管道的分 支管道長(zhǎng)度為41. 5mm,第二級(jí)分支管道的長(zhǎng)度為51. 3mm,第三級(jí)分支管道長(zhǎng)度42. lmm,第 四級(jí)分支管道長(zhǎng)度32. 8mm，第五級(jí)分支管道長(zhǎng)度23. 5mm，第六級(jí)分支管道長(zhǎng)度14. 2mm，第 七級(jí)分支管道長(zhǎng)度4. 8_，微通道為對(duì)稱結(jié)構(gòu)；蓋板尺寸為100 X 100mm，厚度為2mm ;微流道 基板9-1、蓋板9-2材質(zhì)均為銅（圖2即為該散熱器結(jié)構(gòu)示意圖）；本實(shí)施方式采用體積分 數(shù)為1 %的水基A1203納米流體冷卻介質(zhì)。
[0013] 本發(fā)明的工作原理（參見附圖1):假設(shè)脈動(dòng)流從葉片式脈動(dòng)流發(fā)生器5出來(lái)的流 量為Q，其幅值范圍為：q min?qmax錯(cuò)誤！未找到引用源。，葉片式脈動(dòng)流體發(fā)生器的流通面 積為S，葉片式脈動(dòng)流體發(fā)生器的最大流通面積為S d。當(dāng)脈動(dòng)流體發(fā)生器流通面積S = 0的 時(shí)候，這一瞬時(shí)相當(dāng)于脈動(dòng)流發(fā)生器流量Q = 〇 ;當(dāng)脈動(dòng)流體發(fā)生器流通面積S = Sd時(shí)，即 脈動(dòng)流體發(fā)生器全開的時(shí)候，脈動(dòng)流發(fā)生器內(nèi)流道的流阻為最小，此時(shí)，Q最大。散熱裝置 工作時(shí)：控制器7接收到散熱器9工作面溫度的實(shí)時(shí)反饋信息，往往需要改變散熱器的脈動(dòng) 流的幅值，即改變％的大小來(lái)增強(qiáng)或者削弱散熱效果。％的大小可通過(guò)控制器7控制流量 調(diào)節(jié)閥6的開度以調(diào)節(jié)其流量Q 2的大小來(lái)調(diào)節(jié)通過(guò)散熱器9流量％的大??；即當(dāng)流量調(diào)節(jié) 閥6關(guān)閉時(shí)，流經(jīng)散熱器9的流量％即為脈動(dòng)流發(fā)生器5輸出的流量Q ;當(dāng)流量調(diào)節(jié)閥6的 流量為Q2時(shí)，那么通過(guò)散熱器9的流量％為Q-Q2，因此，連續(xù)調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)閥6的流量范圍 (開啟度），Qi的值可以在Q?Q_Q 2范圍內(nèi)變化；此外，控制器7通過(guò)對(duì)散熱器9工作面溫 度的實(shí)時(shí)反饋又可給調(diào)速電動(dòng)機(jī)8執(zhí)行指令，調(diào)速電機(jī)根據(jù)指令改變轉(zhuǎn)速來(lái)改變脈動(dòng)流的 頻率及流量Q的大小。
[0014] 本實(shí)施方式通過(guò)流體力學(xué)軟件Ansys Fluentl3. 0分別對(duì)【背景技術(shù)】采用活塞式 脈動(dòng)流發(fā)生裝置及水冷卻介質(zhì)及本實(shí)施方式進(jìn)行仿真運(yùn)行，脈動(dòng)流發(fā)生系統(tǒng)向散熱器輸 入冷卻液溫度均為26°C，脈動(dòng)流的流量均為750mL/min，底部均施加熱流密度為50W/cm 2 的恒定熱源，模型的材質(zhì)設(shè)置為銅。其結(jié)果為：【背景技術(shù)】散熱器底部的最高溫度區(qū)域?yàn)?328K(55°C )、最低溫度區(qū)域?yàn)?03K(30°C );而本實(shí)施方式散熱器底部的最高溫度區(qū)域?yàn)?323K (50°C )，最低溫度區(qū)域?yàn)?02K (29°C )，最高溫度區(qū)域較【背景技術(shù)】低5°C，且入口溫度明 顯低于出口，各流道中的溫度差異不大。
【權(quán)利要求】
1. 一種采用納米工質(zhì)流體及脈動(dòng)流的微通道散熱裝置，包括：液壓泵，溢流閥，進(jìn)液 閥，脈動(dòng)流發(fā)生器及電動(dòng)機(jī)，散熱器及冷卻介質(zhì)，控制器，冷卻池，其特征在于在脈動(dòng)流發(fā)生 器的輸出端還設(shè)有一與散熱器并聯(lián)的流量調(diào)節(jié)閥，在脈動(dòng)流發(fā)生器的輸入端僅設(shè)一個(gè)進(jìn)液 閥以向其提供產(chǎn)生脈動(dòng)流的冷卻介質(zhì)流，而脈動(dòng)流發(fā)生器為葉片式脈動(dòng)流發(fā)生器，電動(dòng)機(jī) 為調(diào)速電機(jī)，散熱器則為葉脈式微通道散熱器，冷卻介質(zhì)為水基納米金屬氧化物介質(zhì)；液 壓泵將冷卻池中的冷卻介質(zhì)經(jīng)溢流閥、進(jìn)液閥向葉片式脈動(dòng)流發(fā)生器提供冷卻介質(zhì)，脈動(dòng) 流發(fā)生器輸出的脈動(dòng)流中的工作部分脈動(dòng)流經(jīng)散熱器、多余部分的脈動(dòng)流經(jīng)流量調(diào)節(jié)閥分 別返回冷卻池內(nèi)，調(diào)速電動(dòng)機(jī)與葉片式脈動(dòng)流發(fā)生器的動(dòng)力軸連接以提供產(chǎn)生脈動(dòng)流的動(dòng) 力，控制器則分別與散熱器、調(diào)速電機(jī)、進(jìn)液閥及流量調(diào)節(jié)閥連接，以便根據(jù)散熱器的工作 狀況調(diào)節(jié)調(diào)速電機(jī)的轉(zhuǎn)速或/和進(jìn)液閥、流量調(diào)節(jié)閥的開啟度。
2. 按權(quán)利要求1所述采用納米工質(zhì)流體及脈動(dòng)流的微通道散熱裝置，其特征在于所述 水基納米金屬氧化物介質(zhì)為顆粒體積分?jǐn)?shù)在〇. 5?5. 0%范圍內(nèi)的水基A1203納米介質(zhì)或 水基Fe30 4納米介質(zhì)。
【文檔編號(hào)】H01L23/473GK104159438SQ201410431070
【公開日】2014年11月19日 申請(qǐng)日期:2014年8月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月28日
【發(fā)明者】徐尚龍, 蔡奇彧, 王偉杰, 郭宗坤 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)