超聲波強化微槽道換熱器的制造方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種超聲波強化微槽道換熱器，包括殼體、水冷系統(tǒng)、微針肋、超聲波發(fā)生器和超聲波換能器，水冷系統(tǒng)包括冷卻水道、入水口和出水口，冷卻水道設在殼體內，入水口和出水口與冷卻水道相通組成水冷系統(tǒng)；殼體包括槽道主體和上封蓋，兩者連接密封，槽道主體內設有微針肋和冷卻水道，微針肋沿槽道主體的軸線方向設置，微針肋之間以及微針肋與槽道主體內壁之間的空間形成冷卻水道；超聲波換能器振子分布在槽道主體的兩側，超聲波發(fā)生器與換能器通過導線相連接。本實用新型通過超聲波發(fā)生器發(fā)出高頻信號，使換能器產生超聲波振動，冷卻水產生超聲波空化效應變?yōu)槌牧鳡顟B(tài)，強化冷卻；本實用新型能隨時清理掉槽道內的污垢，減小傳熱熱阻。
【專利說明】
超聲波強化微槽道換熱器
技術領域
[0001]本實用新型涉及一種應用于微電子散熱的微槽道換熱器，尤其涉及一種利用超聲波空化機理強化微槽道換熱及防垢、除垢的技術。
【背景技術】
[0002]微電子領域是最早提出微尺度流動和傳熱問題的工程領域，隨著電子計算機容量和速度的快速發(fā)展以及導彈、衛(wèi)星和軍用雷達對高性能模塊和大功率器件的要求，一方面器件的特征尺寸愈小愈好，已從微米量級向亞微米發(fā)展，另一方面器件的集成度自1959年以來每年以40%?50%高速度遞增。隨著集成度的提高，元件熱流密度的增加速度將更為驚人，由此帶來的過高溫度會降低芯片的工作穩(wěn)定性，增加出錯率，同時模塊內部與其外部環(huán)境間所形成的熱應力會直接影響到芯片的電性能、工作頻率、機械強度及可靠性，因此對微元件的高效散熱要求就越來越高。如果微元件散熱處理不好，元件溫度就會上升，直接影響元件的性能，從而影響微電子器件的整體性能，所以研究微元件高效換熱技術已具有非常重要的意義。
[0003]目前強化換熱設備的傳熱手段主要有兩種:(I)提高換熱系數(shù)，例如改變換熱器表面的性質或者改變表面結構使之傳熱系數(shù)得到提高；(2)減小傳熱熱阻，從而實現(xiàn)強化傳熱，例如定時清洗熱換器的污垢，采用不易結垢的材質制作換熱器等，熱阻減少，換熱效果得到提高。
[0004]中國專利《超聲波防垢、除垢的強化換熱殼管式換熱器》(申請?zhí)?CN201220480982.5)，公開了一種高效殼管式換熱設備，該設備的顯著特點為利用超聲波的空化機理，清理沉降在換熱器中的污垢，減小了傳熱熱阻，提高換熱效果;但是該管殼式換熱器體積較大，不能應用于微電子散熱領域，而且該技術中需要定期排污。
[0005]中國專利《微槽道與水冷聯(lián)合的冷卻系統(tǒng)》(申請?zhí)?201420752289.8)，該冷卻系統(tǒng)利用了百微米量級尺寸的微槽道所具有的高強度取熱能力，能夠將刀片服務器中CPU芯片等微元件所產生的熱量高效取出，該方法中微槽道所具有的高強度取熱能力能夠達到lOOW/cm2的量級，遠高于目前CPU芯片的發(fā)熱熱流密度，傳熱效果較好；中國專利(申請?zhí)?2015100791197)主要是對針肋的形狀做了改變，強化通道內流體的流動。但是，以上關于微槽道的專利在一定程度上通過對常規(guī)微通道換熱器做了改進來提高傳熱效果，但流體在微通道中產生的流動阻力較大，僅僅依靠改變針肋的布置和形狀還是不能徹底解決的；同時對冷卻流體的要求較高，且會產生污垢，增加熱阻，惡化傳熱效果。
【發(fā)明內容】
[0006]為了克服現(xiàn)有技術存在的缺點與不足，本實用新型提供了一種超聲波強化微槽道換熱器，超聲波在液體中傳播時，產生的“空化效應”加劇了液體的振蕩，強化微槽道內流體的擾動，也減小粘性阻力，進一步強化微槽道的換熱；同時，超聲波能量可使被處理液體中產生大量的空穴和氣泡，當這些空穴和氣泡迅速煙滅時，便在特定范圍內形成強大的壓力峰，使成垢物質迅速被粉碎成細小的垢粒而懸浮于液體中，并且導致已形成的垢物被破碎和脫落，減小傳熱熱阻，提高微槽道的換熱性能。
[0007]本實用新型解決其技術問題所采用的技術方案是:
[0008]超聲波強化微槽道換熱器，包括散熱殼體、水冷系統(tǒng)、微針肋、超聲波發(fā)生器和超聲波換能器;所述水冷系統(tǒng)包括冷卻水道、入水口和出水口，冷卻水道設置在散熱殼體的內部，入水口和出水口分別設置在散熱殼體上，入水口和出水口分別與冷卻水道相通組成所述水冷系統(tǒng)，水冷系統(tǒng)的冷卻工質為去離子水或乙醇;所述散熱殼體包括槽道主體和上封蓋，上封蓋與槽道主體連接密封，槽道主體設為中空結構，在槽道主體的內部設有所述微針肋和冷卻水道，微針肋沿槽道主體的軸線方向分布設置，微針肋的排列方式為叉排，微針肋之間以及微針肋與槽道主體的內壁之間的空間形成所述冷卻水道;微針肋的直徑設為0.1?1_;所述超聲波發(fā)生器和超聲波換能器通過導線相連，超聲波換能器設有多個超聲波換能器振子，超聲波換能器振子分布設置在槽道主體的兩側，超聲波發(fā)生器的工作功率為O?
10ffo
[0009]進一步地，所述微針肋的形狀為圓柱體、長方體或多邊體;微針肋的高度與槽道主體的高度相同，為0.5?Imm;微針肋的橫向間距比與縱向間距比均為0.5?2。
[0010]進一步地，所述冷卻水道的數(shù)目取決于槽道主體中設置的微針肋的數(shù)目；冷卻水道的橫截面為長方形。
[0011]進一步地，所述槽道主體的材料為紫銅。
[0012]本實用新型通過超聲波發(fā)生器發(fā)出高頻信號，使超聲波換能器產生超聲波振動，對微槽道內的冷卻水產生超聲波空化效應，使冷卻水變?yōu)槌牧鳡顟B(tài)，強化冷卻。同時，通過超聲波發(fā)生器發(fā)出的高頻信號，使微槽道中的冷卻水產生超聲波振動，不僅使得微槽道中的水流速度減緩，降低了了水流的粘性系數(shù);而且還可以隨時清理掉沉降在微槽道內的污垢，減小傳熱熱阻，提高微槽道的換熱性能;其具體優(yōu)點如下:
[0013](I)本實用新型通過超聲波換能器與超聲波發(fā)生器可實現(xiàn)加強微槽道換熱器中流體的擾動，提高對流換熱系數(shù)，提高散熱效率，本實用新型的換熱性能得到改善；
[0014](2)本實用新型換熱器內的流體在超聲波的作用下流速降低，延長了換熱時間，加強換熱，同時也降低液體的運動粘性系數(shù)，在一定程度上降低了液體的流動阻力，從而提高了微槽道換熱器的通流能力、增強運行可靠性，延長使用壽命；
[0015](3)本實用新型中微針肋呈叉排布置，叉排布置的流體擾動效果比順排布置好，擾動增加，換熱效果就會得到提高；
[0016](4)本實用新型中流體冷卻工質選用水的標準無需要那么嚴格，由于超聲波的作用，可以減少甚至清楚槽道內污垢的形成，從而減少熱阻的生成，增強換熱效果；
[0017](5)本實用新型的超聲波微槽道換熱器還可實現(xiàn)在線防除垢，超聲波除垢對換熱器的夾角、邊緣角落等位置也可實現(xiàn)除垢，可以全面的清洗該微槽道換熱器，在超聲波的聲場中使得污垢與冷卻流體充分混合并隨著流體一同流出槽道，不要定期排污;且抑垢率最高可達85%以上，傳熱熱阻減小，相同情況下，傳熱效果就會提高；
[0018](6)本實用新型的超聲波微槽道換熱器的散熱率與微針肋的形狀、大小、高度、數(shù)量以及超聲波功率的大小有著很大的關系；同時，超聲波的功率不是越大越好，在100W以內效果較好；
[0019](7)相比于管殼式換熱器，本實用新型的槽道換熱器體積較小，能應用于微電子散熱領域。
【附圖說明】
[0020]圖1是本實用新型超聲波微槽道換熱器的俯視圖；
[0021 ]圖2是本實用新型微針肋叉排布置的微槽道結構圖；
[0022]圖3是本實用新型的微針肋布置的幾何參數(shù)示意圖；
[0023]其中，1-槽道主體，2-入水口，3_出水口，4_冷卻水道，5-微針肋，6-超聲波發(fā)生器，7-超聲波換能器，8-上封蓋，9-微槽道夾角和邊緣，10-超聲波換能器振子。
【具體實施方式】
[0024]下面結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。
[0025]如圖1所示，本實施例的超聲波強化微槽道換熱器包括散熱殼體、水冷系統(tǒng)、微針肋5、超聲波發(fā)生器6、超聲波換能器7和超聲波換能器振子10;
[0026]其中，水冷系統(tǒng)包括冷卻水道4、入水口2和出水口 3，冷卻水道4設置在散熱殼體的內部，冷卻水道4的橫截面為長方形(具體見圖2)，入水口 2和出水口 3分別設置在散熱殼體上，入水口 2和出水口 3分別與冷卻水道4相連通組成水冷系統(tǒng);冷卻工質可為去離子水水或乙醇，可減少槽道內污垢的生成。
[0027]散熱殼體包括槽道主體I和上封蓋8，上封蓋8與槽道主體I連接密封，確保冷卻水道4中的流體不會從縫隙中溢出。槽道主體I的材料為紫銅;槽道主體I設為中空結構，在中空部位設置微針肋5和冷卻水道4，微針肋5之間以及微針肋5與槽道主體I的內壁之間的空間形成冷卻水道4，冷卻水道4的數(shù)目為一個或者多個，冷卻水道4的數(shù)目在于槽道主體I中間設置的微針肋5的數(shù)目。
[0028]微針肋5沿槽道主體I的軸線方向分布;微針肋5的形狀為圓柱體、長方體、多邊體等;微針肋5的高度與槽道主體I的高度一致，在約為0.5?Imm;微針肋5的直徑在0.1?1_范圍內；微針肋5的橫向間距比Sl/D與縱向間距比Sd/D均設置在0.5?2范圍內(如圖3所示)；微針肋5沿流道方向呈叉排布置，冷卻工質在該通道內流動，叉排更能增加流體的擾動，利于傳熱。
[0029]超聲波發(fā)生器6用來發(fā)出高頻信號，工作匹配功率范圍O?100W，超聲波發(fā)生器6與超聲波換能器7通過導線相連接，超聲波換能器7用來接收高頻信號并產生超聲波振動，超聲波換能器7具有多個超聲波換能器振子10，超聲波換能器振子10按照陣列的方式沿中心線排列在槽道主體I的兩側，便于超聲波的聲場涉及整個微槽道換熱器，強化換熱。
[0030]本實施例的超聲波強化微槽道換熱器的換熱過程如下:通過超聲波發(fā)生器6發(fā)出高頻信號，通過超聲波換能器7使超聲波換能器振子10產生超聲波振動，對槽道主體I內的冷卻水產生超聲波空化效應，使冷卻水變?yōu)槌牧鳡顟B(tài)，強化冷卻。同時，高頻信號使槽道主體I中的冷卻水產生超聲波振動，不僅使得槽道主體I中的水流速度減緩，降低了了水流的粘性系數(shù)，而且還可以隨時清理掉沉降在槽道主體I內的污垢，減小傳熱熱阻，提高槽道主體I的換熱性能。由此可見，該本實施例的超聲波強化微槽道換熱器可以大大提高換熱效果O[0031 ]使用本實施例的超聲波強化微槽道換熱器的注意事項是:
[0032](I)超聲波發(fā)生器6應按在通風陰涼處，超聲波發(fā)生器6與超聲波換能器7應避免淋水或撞擊，保證其正常運行；
[0033](2)在該超聲波強化微槽道換熱器運行前，要先將冷卻水道4內充滿冷卻流體，避免共振和超聲波換能器7產生的熱效應使槽道主體I和微針肋5脫落；
[0034]在超聲波強化微槽道換熱器停用前，首先停運超聲波發(fā)生器6;
[0035]在超聲波強化微槽道換熱器運行期間，不得隨意停運任何設備。
[0036]以上所述僅為本實用新型的優(yōu)選例實施方式，并不構成對本實用新型保護范圍的限定。任何在本實用新型的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型的權利要求保護范圍之內。
【主權項】
1.超聲波強化微槽道換熱器，其特征在于，所述微槽道換熱器包括散熱殼體、水冷系統(tǒng)、微針肋、超聲波發(fā)生器和超聲波換能器;所述水冷系統(tǒng)包括冷卻水道、入水口和出水口，冷卻水道設置在散熱殼體的內部，入水口和出水口分別設置在散熱殼體上，入水口和出水口分別與冷卻水道相通組成所述水冷系統(tǒng)，水冷系統(tǒng)的冷卻工質為去離子水或乙醇； 所述散熱殼體包括槽道主體和上封蓋，上封蓋與槽道主體連接密封，槽道主體設為中空結構，在槽道主體的內部設有所述微針肋和冷卻水道，微針肋沿槽道主體的軸線方向分布設置，微針肋的排列方式為叉排，微針肋之間以及微針肋與槽道主體的內壁之間的空間形成所述冷卻水道;微針肋的直徑設為0.1?Imm; 所述超聲波發(fā)生器和超聲波換能器通過導線相連，超聲波換能器設有多個超聲波換能器振子，超聲波換能器振子分布設置在槽道主體的兩側，超聲波發(fā)生器的工作功率為O?10ffo2.如權利要求1所述的超聲波強化微槽道換熱器，其特征在于，所述微針肋的形狀為圓柱體、長方體或多邊體。3.如權利要求1所述的超聲波強化微槽道換熱器，其特征在于，所述微針肋的高度與槽道主體的高度相同，為0.5?1mm。4.如權利要求1、2或3所述的超聲波強化微槽道換熱器，其特征在于，所述微針肋的橫向間距比與縱向間距比均為0.5?2。5.如權利要求1、2或3所述的超聲波強化微槽道換熱器，其特征在于，所述冷卻水道的數(shù)目取決于槽道主體中設置的微針肋的數(shù)目。6.如權利要求1、2或3所述的超聲波強化微槽道換熱器，其特征在于，所述冷卻水道的橫截面為長方形。7.如權利要求1、2或3所述的超聲波強化微槽道換熱器，其特征在于，所述槽道主體的材料為紫銅。
【文檔編號】H01L23/367GK205452266SQ201620216951
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月21日
【發(fā)明人】李棟, 張文娣, 趙孝保, 朱琳, 錢晨露
【申請人】南京師范大學