專利名稱：流體橫掠針肋陣列式微型換熱器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種冷卻裝置。
背景技術(shù)：
隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，各種電子產(chǎn)品無(wú)不朝著體積小、重量輕、高熱流通量的方向發(fā)展。因此，對(duì)新一代的電子設(shè)備而言，傳統(tǒng)的冷卻器的設(shè)計(jì)極限與制作技術(shù)已無(wú)法合乎要求。微冷卻器的發(fā)展源于解決高速集成電路的散熱問(wèn)題，目前已向各種有重量限制與體積限制的高熱流通量領(lǐng)域發(fā)展，如航天工業(yè)、電子元器件冷卻、大功率半導(dǎo)體激光器冷卻、化工流程傳熱等。其主要目的是為了要降低電子設(shè)備因過(guò)熱而發(fā)生故障損壞的機(jī)率，并同時(shí)提高電子設(shè)備的性能及可靠性。
目前國(guó)內(nèi)外正在積極著手研究和已經(jīng)應(yīng)用的微冷卻器包括微熱交換器、微冷凍機(jī)、微通道熱沉、微熱管均熱片及整合式微冷卻器等。其中微通道熱沉因其加工制作技術(shù)比較成熟，得到了人們較多的關(guān)注。但是微通道熱沉存在兩個(gè)設(shè)計(jì)上的局限。其一，是由于小尺寸所產(chǎn)生的較大流動(dòng)阻力；其二，由于冷卻介質(zhì)在入口、出口間溫度變化較大，因而導(dǎo)致?lián)Q熱表面溫度分布不均。隨著微加工技術(shù)的迅速發(fā)展，一些基于不同傳熱機(jī)理、性能優(yōu)越的微型換熱器將不斷涌現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種微型換熱器，其傳熱機(jī)理是流體橫掠針肋陣列的對(duì)流換熱。
一種流體橫掠針肋陣列式微型換熱器，其特征在于，如圖1所示，包括有依次重疊封裝在一起的過(guò)流片1，出流導(dǎo)流片2，入流導(dǎo)流片3，傳熱片4；過(guò)流片1上開(kāi)有與外部管路連接的流體入口5和流體出口6；出流導(dǎo)流片2上設(shè)有出流通道7，在與過(guò)流片1上的流體入口5和流體出口6相對(duì)應(yīng)的位置分別開(kāi)有流體入口8和流體出口9；入流導(dǎo)流片3上在與過(guò)流片1上的流體入口5相對(duì)應(yīng)的位置也設(shè)有流體入口10，其上還設(shè)有導(dǎo)流橋11、入流縫12和出流縫13，微型換熱器封裝后導(dǎo)流橋11可將出流通道7和流體出口9連通；傳熱片4上用蝕刻方法加工入流通道14和針肋陣列15。
本發(fā)明提出的針肋陣列15的組數(shù)根據(jù)被冷卻器件對(duì)溫度分布的要求設(shè)計(jì)，增加組數(shù)可以提高換熱面溫度分布的均勻性，但是需要相應(yīng)增加入流縫12和出流縫13的數(shù)量。為更清楚地描述傳熱片4的結(jié)構(gòu)，圖1(e)、圖1(f)和圖1(g)分別給出了傳熱片4的主視圖、傳熱片A-A剖面圖和傳熱片B-B剖面圖。
如圖2所示，將換熱器各片組合封裝后形成流體橫掠針肋陣列式微型換熱器16。在換熱器內(nèi)部可形成封閉的流體循環(huán)，流體流經(jīng)順序?yàn)榱黧w入口5、流體入口8、流體入口10、入流通道14、入流縫12、針肋陣列15、出流縫13、出流通道7、導(dǎo)流橋11、流體出口9和流體出口6。冷卻流體經(jīng)入流縫12進(jìn)入后，將分為兩路沿著與傳熱面平行的方向流動(dòng)，橫向掠過(guò)針肋陣列15，從傳熱面和針肋表面吸收熱量，最后經(jīng)出流縫13流出換熱面。
本發(fā)明提出的微型換熱器基于流體橫掠針肋陣列對(duì)流換熱理論。針肋形狀(圓形、方形、三角形等)，針肋尺寸(高度、當(dāng)量直徑等)，陣列中針肋的排列方式(順排、叉排等)，陣列中針肋的疏密程度，傳熱面上針肋陣列的組數(shù)等均可根據(jù)實(shí)際情況優(yōu)化設(shè)計(jì)。針肋陣列一方面有效地拓展了傳熱面，提高了傳熱效率；另一方面采用優(yōu)化合理的針肋陣列分組布置方式，可以極大地提高被冷卻表面溫度分布的均勻性。因此，流體橫掠針肋陣列式微型換熱器是減小發(fā)熱器件傳熱表面最高溫度、降低溫度變化的有效方法之一。
換熱工質(zhì)可分別選用空氣、水、制冷劑等。根據(jù)所用工質(zhì)以及器件最佳工作溫度范圍，在傳熱表面上將形成流體橫掠針肋陣列的單相流體對(duì)流換熱、流體橫掠針肋陣列的相變換熱來(lái)實(shí)現(xiàn)冷卻技術(shù)要求。
微型換熱器片可選用無(wú)氧銅、硅等材料，總體幾何形狀尺寸可根據(jù)被冷卻器件尺寸及總體封裝要求確定。適用于條形、圓形、方形等發(fā)熱表面的冷卻。


圖1本發(fā)明的具有順排圓形針肋陣列的結(jié)構(gòu)示意圖；圖中1、過(guò)流片，2、出流導(dǎo)流片2，3、入流導(dǎo)流片2，4、傳熱片，5、流體入口，6、流體出口，7、出流通道，8、流體入口，9、流體出口，10、流體入口，11、導(dǎo)流橋，12、入流縫，13、出流縫，14、入流通道；15、針肋陣列(順排圓形)。
圖1(e)本發(fā)明具有順排圓形針肋陣列的傳熱片主視圖；圖1(f)本發(fā)明具有順排圓形針肋陣列的傳熱片A-A剖面圖；圖1(g)本發(fā)明具有順排圓形針肋陣列的傳熱片B-B剖面圖；圖2具有圖1所示結(jié)構(gòu)的本發(fā)明示意圖；圖中16、微型換熱器；圖3本發(fā)明冷卻半導(dǎo)體激光條的示意圖；圖中17、半導(dǎo)體激光條；圖4本發(fā)明的具有叉排圓形針肋陣列的結(jié)構(gòu)示意圖；圖中15、針肋陣列(叉排圓形)；圖5本發(fā)明的具有順排方形針肋陣列的結(jié)構(gòu)示意圖；圖中15、針肋陣列(順排方形)；圖6本發(fā)明的具有叉排方形針肋陣列的結(jié)構(gòu)示意圖；圖中15、針肋陣列(叉排方形)；圖7本發(fā)明冷卻大功率半導(dǎo)體激光器陣列的示意圖；圖中18、電源正極，19、絕緣層，20、光線，21、入口管，22、出口管，23、密封圈；圖8傳熱片上具有流體入口、出口的換熱器結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中24、流體入口，25、流體出口。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1如圖3所示，用流體橫掠針肋陣列式微型換熱器冷卻半導(dǎo)體激光條17，一種典型半導(dǎo)體激光條17的長(zhǎng)度、寬度、厚度的尺寸為10000×1000×115微米3，其中有數(shù)個(gè)均勻排列的激光發(fā)射器，流體橫掠針肋陣列式微型換熱器16由圖1所示的過(guò)流片1，出流導(dǎo)流片2，入流導(dǎo)流片3，傳熱片4依次焊接而成，每片均為長(zhǎng)方形，寬度與半導(dǎo)體激光條17的長(zhǎng)度相同，半導(dǎo)體激光條17固定在傳熱片4上，順排圓形針肋陣列15由三組共72個(gè)直徑為300微米的圓形針肋組成，針肋的高度為傳熱片4厚度的一半，為300微米，針肋順排布置。入流縫12有三條和出流縫13有四條。過(guò)流片1、出流導(dǎo)流片2、入流導(dǎo)流片3的厚度均為300微米，傳熱片4的厚度為600微米。在流體橫掠針肋陣列式微型換熱器內(nèi)部可形成封閉的流體循環(huán)，流體流經(jīng)順序?yàn)榱黧w入口5、流體入口8、流體入口10、入流通道14、入流縫12、順排圓形針肋陣列15、出流縫13、出流通道7、導(dǎo)流橋11、流體出口9和流體出口6。冷卻流體經(jīng)入流縫12進(jìn)入后，將分為兩路沿著與傳熱面平行的方向流動(dòng)，橫向掠過(guò)順排圓形針肋陣列15，從傳熱面和針肋表面吸收熱量，最后經(jīng)出流縫13流出換熱面，將激光發(fā)射器產(chǎn)生并傳到傳熱片4上的熱量帶走，實(shí)現(xiàn)了高熱流通量傳熱。
實(shí)施例2如圖4所示，在傳熱片4上的針肋陣列15采用叉排布置，整個(gè)針肋陣列18由三組共66個(gè)直徑為300微米的圓形針肋組成，針肋的高度為傳熱片4厚度的一半，為300微米。過(guò)流片1、出流導(dǎo)流片2、入流導(dǎo)流片3的厚度均為300微米，傳熱片4的厚度為600微米。在流體橫掠針肋陣列式微型換熱器內(nèi)部可形成封閉的流體循環(huán)，流體流經(jīng)順序?yàn)榱黧w入口5、流體入口8、流體入口10、入流通道14、入流縫12、叉排圓形針肋陣列15、出流縫13、出流通道7、導(dǎo)流橋11、流體出口9和流體出口6。冷卻流體經(jīng)入流縫12進(jìn)入后，將分為兩路沿著與傳熱面平行的方向流動(dòng)，橫向掠過(guò)叉排圓形針肋陣列15，從傳熱面和針肋表面吸收熱量，最后經(jīng)出流縫13流出換熱面，將激光發(fā)射器產(chǎn)生并傳到傳熱片4上的熱量帶走，實(shí)現(xiàn)了高熱流通量傳熱。
實(shí)施例3如圖5所示，在傳熱片4上的針肋陣列15采用順排布置，整個(gè)針肋陣列15由三組共72個(gè)截面為正方形(300×300微米2)的針肋組成，針肋的高度為傳熱片4厚度的一半，為300微米。過(guò)流片1、出流導(dǎo)流片2、入流導(dǎo)流片3的厚度均為300微米，傳熱片4的厚度為600微米。在流體橫掠針肋陣列式微型換熱器內(nèi)部可形成封閉的流體循環(huán)，流體流經(jīng)順序?yàn)榱黧w入口5、流體入口8、流體入口10、入流通道14、入流縫12、順排方形針肋陣列15、出流縫13、出流通道7、導(dǎo)流橋11、流體出口9和流體出口6。冷卻流體經(jīng)入流縫12進(jìn)入后，將分為兩路沿著與傳熱面平行的方向流動(dòng)，橫向掠過(guò)順排方形針肋陣列15，從傳熱面和針肋表面吸收熱量，最后經(jīng)出流縫13流出換熱面，將激光發(fā)射器產(chǎn)生并傳到傳熱片4上的熱量帶走，實(shí)現(xiàn)了高熱流通量傳熱。
實(shí)施例4如圖6所示，在傳熱片4上的針肋陣列15采用叉排布置，整個(gè)針肋陣列15由三組共66個(gè)截面為正方形(300×300微米2)的針肋組成，針肋的高度為傳熱片4厚度的一半，為300微米。過(guò)流片1、出流導(dǎo)流片2、入流導(dǎo)流片3的厚度均為300微米，傳熱片4的厚度為600微米。在流體橫掠針肋陣列式微型換熱器內(nèi)部可形成封閉的流體循環(huán)，流體流經(jīng)順序?yàn)榱黧w入口5、流體入口8、流體入口10、入流通道14、入流縫12、叉排方形針肋陣列15、出流縫13、出流通道7、導(dǎo)流橋11、流體出口9和流體出口6。冷卻流體經(jīng)入流縫12進(jìn)入后，將分為兩路沿著與傳熱面平行的方向流動(dòng)，橫向掠過(guò)叉排方形針肋陣列15，從傳熱面和針肋表面吸收熱量，最后經(jīng)出流縫13流出換熱面，將激光發(fā)射器產(chǎn)生并傳到傳熱片4上的熱量帶走，實(shí)現(xiàn)了高熱流通量傳熱。
實(shí)施例5如圖7所示，采用本發(fā)明冷卻大功率半導(dǎo)體激光器陣列，該陣列由M個(gè)發(fā)光單元組成，在本實(shí)施例中M＝4，每個(gè)發(fā)光單元間涂有絕緣層19；每個(gè)發(fā)光單元包括電源正極18、微型換熱器16、及置于它們之間的半導(dǎo)體激光條17和絕緣層19，微型換熱器16同時(shí)作為電源負(fù)極，半導(dǎo)體激光條17在電場(chǎng)的作用下發(fā)出光線20。流體經(jīng)入口管21分別進(jìn)入每個(gè)微型換熱器16，經(jīng)出口管22流出；入口管21、出口管22與微型換熱器16之間有橡膠密封圈23密封。
在本實(shí)施例中，最上方的微型換熱器16與圖1所示結(jié)構(gòu)相同，即傳熱片4上無(wú)流體入口和流體出口，下方的微型換熱器16的傳熱片4上在與過(guò)流片1上的流體入口5和流體出口6相對(duì)應(yīng)的位置分別加工有流體入口24和流體出口25，如圖8所示，這樣，冷卻流體可以經(jīng)過(guò)同一根入口管分別進(jìn)入每個(gè)微型換熱器，并經(jīng)同一出口管流出，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大功率半導(dǎo)體激光器疊陣的冷卻。
權(quán)利要求
1.一種流體橫掠針肋陣列式微型換熱器，其特征在于包括有依次重疊封裝在一起的過(guò)流片(1)，出流導(dǎo)流片(2)，入流導(dǎo)流片(3)，傳熱片(4)；過(guò)流片(1)上開(kāi)有與外部管路連接的流體入口(5)和流體出口(6)；出流導(dǎo)流片(2)上設(shè)有出流通道(7)，在與過(guò)流片(1)上的流體入口(5)和流體出口(6)相對(duì)應(yīng)的位置分別開(kāi)有流體入口(8)和流體出口(9)，入流導(dǎo)流片(3)上在與過(guò)流片(1)上的流體入口(5)相對(duì)應(yīng)的位置也設(shè)有流體入口(10)，其上還設(shè)有導(dǎo)流橋(11)、間隔布置的入流縫(12)和出流縫(13)，傳熱片(4)上設(shè)有入流通道(14)和針肋陣列(15)；其中，過(guò)流片(1)，出流導(dǎo)流片(2)，入流導(dǎo)流片(3)，傳熱片(4)上各自的流體通道之間互不連通；傳熱片(4)上的針肋陣列(15)設(shè)置在傳熱片(4)上的凹槽內(nèi)；入流導(dǎo)流片(3)上的入流縫(12)和出流縫(13)設(shè)置在與傳熱片(4)上針肋陣列(15)相對(duì)應(yīng)的位置，入流通道(14)與入流縫(12)導(dǎo)通，出流縫(13)與出流通道(7)導(dǎo)通，入流導(dǎo)流片(3)上的導(dǎo)流橋(11)將出流導(dǎo)流片(2)上的出流通道(7)和流體出口(9)導(dǎo)通。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種流體橫掠針肋陣列式微型換熱器，其特征在于所述的針肋陣列(15)中針肋的截面形狀為圓形、方形或三角形，陣列中針肋的排列方式采用順排或叉排。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種流體橫掠針肋陣列式微型換熱器，其特征在于所述的針肋陣列(15)的組數(shù)大于等于1，針肋高度小于傳熱片(4)的厚度。
全文摘要
流體橫掠針肋陣列式微型換熱器，屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種冷卻裝置。本裝置包括有依次重疊封裝在一起的過(guò)流片(1)，出流導(dǎo)流片(2)，入流導(dǎo)流片(3)，傳熱片(4)；過(guò)流片上開(kāi)有與外部管路連接的流體入口(5)和流體出口(6)；出流導(dǎo)流片上設(shè)有出流通道(7)，流體入口(8)和流體出口(9)，入流導(dǎo)流片(3)上在與過(guò)流片上的流體入口(5)相對(duì)應(yīng)的位置也設(shè)有流體入口(10)，其上還設(shè)有導(dǎo)流橋(11)、入流縫(12)和出流縫(13)，傳熱片上設(shè)有入流通道(14)和針肋陣列(15)。本發(fā)明的微型換熱器基于流體橫掠針肋陣列對(duì)流換熱理論，是強(qiáng)化發(fā)熱器件表面散熱、提高被冷卻表面溫度分布的均勻性的有效裝置。
文檔編號(hào)G12B15/06GK1805678SQ20061000205
公開(kāi)日2006年7月19日 申請(qǐng)日期2006年1月24日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月24日
發(fā)明者夏國(guó)棟 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)