微通道冷卻裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了微通道冷卻裝置。該微通道冷卻裝置包括：冷卻裝置本體，由形狀記憶合金材料制備而成，發(fā)熱器件貼合于該冷卻裝置本體的外表面；以及若干條的微通道，形成于冷卻裝置本體內(nèi)，該若干條微通道中每一條微通道的一端連接冷卻工質(zhì)的入口，另一端連接冷卻工質(zhì)的出口；其中，冷卻裝置本體的形狀記憶合金材料經(jīng)過訓(xùn)練，處于預(yù)設(shè)溫度以上時(shí)微通道的水力直徑大于處于預(yù)設(shè)溫度以下時(shí)微通道的水力直徑。在較高的熱流密度條件下，本發(fā)明微通道冷卻裝置中經(jīng)過訓(xùn)練的鎳鈦形狀記憶合金內(nèi)微通道的水力直徑擴(kuò)大1％-20％，增加微通道內(nèi)工質(zhì)的質(zhì)量流速，從而提高臨界熱流密度的數(shù)值。
【專利說明】微通道冷卻裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種電子器件散熱【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種微通道冷卻裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著電子器件性能和集成度的增加，電子器件的功耗在不斷的上升，尺寸在逐步減小，因此其發(fā)熱熱流密度在急劇上升，甚至達(dá)到了 lOOW/cm2以上的量級(jí)，這已經(jīng)成為制約電子器件向高性能發(fā)展的瓶頸。在這種熱流密度條件下，采用傳統(tǒng)的風(fēng)冷和水冷的方式由于取熱熱流密度有限(一般風(fēng)冷的取熱熱流密在lW/cm2以下，水冷的取熱熱流密能夠達(dá)到50-100ff/cm2)，已經(jīng)很難高效的從電子器件表面取熱，并高效的釋放到環(huán)境中，因此解決高熱流密度電子器件的散熱問題已成為非常迫切的要求。
[0003]近些年國內(nèi)外對(duì)相變傳熱微通道的試驗(yàn)和理論分析工作發(fā)現(xiàn)流體在小水力直徑微通道中產(chǎn)生了一系列復(fù)雜的流動(dòng)傳熱行為，極大地影響了微通道散熱器件的傳熱特性，證實(shí)了其具有高熱流密度的傳熱特性，采用相變傳熱微通道的取熱能力能夠達(dá)到lOOW/cm2以上的量級(jí)，充分說明該技術(shù)在電子器件散熱方面具有廣闊的前景。
[0004]圖1為現(xiàn)有技術(shù)采用微通道作為取熱部件的電子器件冷卻結(jié)構(gòu)示意圖。請(qǐng)參照?qǐng)D1，電子器件所產(chǎn)生的熱量通過微通道內(nèi)的冷卻工質(zhì)帶走。對(duì)于有相變的微通道內(nèi)流動(dòng)換熱，微通道中的臨界熱流密度現(xiàn)象不同于常規(guī)通道。在達(dá)到臨界熱流密度之前，微通道的流動(dòng)和傳熱主要是周期性的過冷流動(dòng)沸騰，從微通道逸出的汽泡和進(jìn)入微通道的液體反復(fù)交替沖刷微通道，一旦達(dá)到臨界熱流密度，微通道中的流動(dòng)和傳熱將逐步演變成一個(gè)蒸汽周期性逸出的過程，持續(xù)到過熱蒸汽的出現(xiàn)，直到最后整個(gè)微通道被過熱蒸汽阻塞。由此說明，微通道內(nèi)的氣泡對(duì)流體影響很大，微通道中臨界熱流密度的產(chǎn)生是由于微通道產(chǎn)生了蒸汽堵塞，而導(dǎo)致微通道內(nèi)發(fā)生干涸。進(jìn)一步通過文獻(xiàn)研究發(fā)現(xiàn)，臨界熱流密度的出現(xiàn)很大程度上取決于微槽道內(nèi)的工質(zhì)質(zhì)量流速，微通道的長度和直徑等，隨著管徑的增大和質(zhì)量流速的上升，臨界熱流密度均有所提高。
[0005]在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的過程中， 申請(qǐng)人:發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)存在如下技術(shù)缺陷:微通道在達(dá)到臨界熱流密度時(shí)會(huì)產(chǎn)生蒸汽堵塞微通道，微通道內(nèi)發(fā)生干涸，導(dǎo)致微通道散熱系統(tǒng)失效。目前采用銅或鋁等高導(dǎo)熱的金屬作為基體材料加工微通道的尺寸都是根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)的電子器件的負(fù)荷確定的，這樣無法根據(jù)熱流密度的大小改變微槽道的尺寸，從而調(diào)節(jié)微通道內(nèi)工質(zhì)的流量，因此一旦達(dá)到臨界熱流密度，將會(huì)產(chǎn)生蒸汽堵塞通道使電子器件燒毀。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006](一 )要解決的技術(shù)問題
[0007]鑒于上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種采用形狀記憶合金作為基體的微通道冷卻裝置，以提高微通道臨界熱流密度。
[0008]( 二 )技術(shù)方案
[0009]本發(fā)明微通道冷卻裝置包括:冷卻裝置本體，由形狀記憶合金材料制備而成，發(fā)熱器件貼合于該冷卻裝置本體的外表面；以及若干條的微通道，形成于冷卻裝置本體內(nèi)，該若干條微通道的一端連接冷卻工質(zhì)的入口，另一端連接冷卻工質(zhì)的出口 ；其中，冷卻裝置本體的形狀記憶合金材料經(jīng)過訓(xùn)練，處于預(yù)設(shè)溫度以上時(shí)微通道的水力直徑大于處于預(yù)設(shè)溫度以下時(shí)微通道的水力直徑。
[0010]優(yōu)選地，本發(fā)明微通道冷卻裝置中，與處于預(yù)設(shè)溫度以下時(shí)微通道橫截面的尺寸和/或形狀相比，處于預(yù)設(shè)溫度以上時(shí)微通道橫截面的尺寸和/或形狀發(fā)生變化，以實(shí)現(xiàn)水力直徑的增加。
[0011]優(yōu)選地，本發(fā)明微通道冷卻裝置中，微通道的橫截面形狀為圓形；處于預(yù)設(shè)溫度以上時(shí)微通道圓形橫截面的直徑較處于預(yù)設(shè)溫度以下時(shí)微通道圓形橫截面的直徑增加1% -20%。
[0012]優(yōu)選地，本發(fā)明微通道冷卻裝置中，微通道的橫截面形狀為三角形、四邊形、五邊形、六邊形或棱形；與處于預(yù)設(shè)溫度以下時(shí)微通道橫截面的形狀相比，處于預(yù)設(shè)溫度以上時(shí)微通道橫截面形狀發(fā)生變化，以實(shí)現(xiàn)水力直徑的增加。
[0013]優(yōu)選地，本發(fā)明微通道冷卻裝置中，微通道的橫截面形狀為四邊形；處于預(yù)設(shè)溫度以下時(shí)，該四邊形的各條邊朝向內(nèi)側(cè)收縮；處于預(yù)設(shè)溫度以上時(shí)，該四邊形的各條邊呈直線或朝向外側(cè)鼓起。
[0014]優(yōu)選地，本發(fā)明微通道冷卻裝置中，微通道的橫截面形狀為三角形；處于預(yù)設(shè)溫度以下時(shí)，該三角形的各條邊呈直線形；處于預(yù)設(shè)溫度以上時(shí)，該三角形的各條邊向外側(cè)鼓起。
[0015]優(yōu)選地，本發(fā)明微通道冷卻裝置中，處于預(yù)設(shè)溫度以下時(shí)微通道水力直徑介于10 μ m ?IOOOym 之間。
[0016]優(yōu)選地，本發(fā)明微通道冷卻裝置中，形狀記憶合金材料為以下材料中的一種:鎳鈦系形狀記憶合金、鐵系形狀記憶合金、銅鎳系形狀記憶合金、銅鋁系形狀記憶合金、銅鋅系形狀記憶合金。
[0017]優(yōu)選地，本發(fā)明微通道冷卻裝置中，冷卻裝置本體為長方體形、棱柱形或月牙形。
[0018]優(yōu)選地，本發(fā)明微通道冷卻裝置中，預(yù)設(shè)溫度以上為50°C?100°C，預(yù)設(shè)溫度以下為 25°C?50°C。
[0019](三)有益效果
[0020]本發(fā)明微通道冷卻裝置采用形狀記憶合金代替目前基底材料常用的銅或鋁等來制作微通道，將該形狀記憶合金微通道經(jīng)過訓(xùn)練，在較高的熱流密度條件下，經(jīng)過訓(xùn)練的鎳鈦形狀記憶合金內(nèi)微通道的水力直徑擴(kuò)大1% -20%，增加微通道內(nèi)工質(zhì)的流速，從而提高臨界熱流密度的數(shù)值。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為現(xiàn)有技術(shù)采用微通道作為取熱部件的電子器件冷卻結(jié)構(gòu)示意圖
[0022]圖2為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例微通道冷卻裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖3A和圖3B分別為圖2所示微通道冷卻裝置中微通道在低熱流密度和高熱流密度的橫截面形狀；
[0024]圖4A和圖4B分別為根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例微通道冷卻裝置中微通道在低熱流密度和高熱流密度的橫截面形狀。
[0025]【本發(fā)明主要元件符號(hào)說明】
[0026]100-冷卻裝置本體；200_微通道。
【具體實(shí)施方式】
[0027]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。需要說明的是，在附圖或說明書描述中，相似或相同的部分都使用相同的圖號(hào)。附圖中未繪示或描述的實(shí)現(xiàn)方式，為所屬【技術(shù)領(lǐng)域】中普通技術(shù)人員所知的形式。另外，雖然本文可提供包含特定值的參數(shù)的示范，但應(yīng)了解，參數(shù)無需確切等于相應(yīng)的值，而是可在可接受的誤差容限或設(shè)計(jì)約束內(nèi)近似于相應(yīng)的值。實(shí)施例中提到的方向用語，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，僅是參考附圖的方向。因此，使用的方向用語是用來說明并非用來限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0028]本發(fā)明是根據(jù)形狀記憶合金經(jīng)過訓(xùn)練后，在達(dá)到一定的溫度條件時(shí)，可改變?cè)行螤畹挠洃浶?yīng)，設(shè)計(jì)一種微通道結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)在接近臨界熱流密度時(shí)，微通道的水力直徑能夠增加，提高微通道內(nèi)工質(zhì)的流量，從而增加臨界熱流密度的數(shù)值，由此提高大功率高熱流密度器件的熱管理水平。
[0029]在本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例中，提供了一種微通道冷卻裝置。圖2為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例微通道冷卻裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。請(qǐng)參照?qǐng)D2，本實(shí)施例微通道冷卻裝置包括:冷卻裝置本體100，由鎳鈦系形狀記憶合金材料制備而成，發(fā)熱器件貼合于該冷卻裝置本體的外表面；以及若干條的微通道200，形成于冷卻裝置本體100內(nèi)，該若干條微通道的一端連接冷卻工質(zhì)的入口，另一端連接冷卻工質(zhì)的出口。其中，所述冷卻裝置本體的形狀記憶合金材料經(jīng)過訓(xùn)練，處于預(yù)設(shè)溫度以上時(shí)所述微通道的水力直徑大于處于預(yù)設(shè)溫度以下時(shí)所述微通道的水力直徑。
[0030]以下對(duì)本實(shí)施例微通道冷卻裝置的各個(gè)組成部分進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0031]本實(shí)施例中，冷卻裝置本體100為長方體形,其材質(zhì)為鎳鈦系形狀記憶合金,但本發(fā)明并不以此為限。該冷卻裝置本體100可以是具有一貼合發(fā)熱器件的外表面(包括平滑表面或圓滑表面)的任意形狀，例如:棱柱形、棱錐形、月牙形等等。此外，其他的形狀記憶合金材料，例如:鐵系形狀記憶合金、銅鎳系形狀記憶合金、銅鋁系形狀記憶合金、銅鋅系形狀記憶合金等等也可以應(yīng)用到本發(fā)明中。
[0032]需要說明的是，對(duì)于上述形狀記憶合金的每一種，合金中相應(yīng)組分和含量均為已知的。由于本發(fā)明只是涉及利用形狀記憶合金來加工，而未涉及形狀記憶合金材料的任何改進(jìn)，此處不再對(duì)各種形狀記憶合金材料的成分進(jìn)行詳細(xì)說明(http://baike.baidu.com/1ink?url=pRw7MEJKRj_qfBYlY7hp_p_RkEV-TVvBTsku3k7KMC_SVmCPCk_QWU8EvQ_3ElR9)。
[0033]在冷卻裝置本體100內(nèi)，采用電火花技術(shù)或激光技術(shù)加工有若干條的微通道200。該微通道的直徑在10-1000 μ m之間。在該尺度范圍內(nèi)的微通道能夠利用微尺度效應(yīng)，產(chǎn)生一系列復(fù)雜的流動(dòng)傳熱行為，相對(duì)于毫米和厘米量級(jí)的常規(guī)尺度通道，位于該直徑范圍內(nèi)的微通道的取熱能力能夠 大幅度的提高。
[0034]請(qǐng)參照?qǐng)D2，本實(shí)施例中，微通道橫截面的形狀為圓形。該冷卻裝置本體經(jīng)過訓(xùn)練，在低熱流密度條件下，即在25 °C?50°C時(shí)，微通道圓形橫截面的水力直徑介于ΙΟμπι-ΙΟΟΟμπι之間；在501:?100°C時(shí)微通道的水力直徑增加1% -20%。對(duì)微通道進(jìn)行訓(xùn)練的過程有很多種，并且均已被本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知。其中最為典型的一種為將具有微通道的形狀記憶合金材料的冷卻裝置本體重復(fù)的放入冷熱環(huán)境中進(jìn)行收縮和膨脹，經(jīng)過多次重復(fù)之后，該微通道自然而然就具有了上述性質(zhì)。
[0035]本實(shí)施例中，若干條微通道共用一條冷卻工質(zhì)管路。若干條微通道的一端連接冷卻工質(zhì)的入口，另一端連接冷卻工質(zhì)的出口。該冷卻工質(zhì)可以采用較高汽化潛熱的水、乙醇
坐寸ο
[0036]除了上述通過微通道橫截面尺寸發(fā)生變化引起微通道水力直徑變化的方式之外，本發(fā)明中還可以通過微通道橫截面形狀的變化來實(shí)現(xiàn)水力直徑的增加。
[0037]在本發(fā)明的另一個(gè)示例性實(shí)施例中，微通道的橫截面形狀為四邊形。該四邊形的邊長在10 μ m-1000 μ m范圍內(nèi)。在低熱流密度條件下，該四邊形的各條邊朝向內(nèi)側(cè)收縮，如圖3A所示，銳利的邊角更利于形成液膜彎月面，利于小流量下提高換熱系數(shù)。當(dāng)熱負(fù)荷增加時(shí)，該四邊形的各條邊朝向外側(cè)鼓起，如圖3B所示，通過變形擴(kuò)大水力直徑，減少阻力，利于大流量液體通過，提高冷卻能力。
[0038]在本發(fā)明的再一個(gè)示例性實(shí)施例中，微通道的橫截面形狀還可以是三角形。該三角形的邊長在10 μ m-1000 μ m范圍內(nèi)。在低熱流密度條件下，該三角形的各條邊呈直線狀，如圖4A所示，利于小流量下提高換熱系數(shù)。當(dāng)熱負(fù)荷增加時(shí)，該三角形的各條邊朝向外側(cè)鼓起，通過變形擴(kuò)大水力直徑，如圖4B所示。
[0039]本實(shí)施例中，冷卻裝置本體的外表面緊貼在電子器件的外表面，電子器件的熱量通過鎳鈦形狀記憶合金傳遞給微通道內(nèi)的冷卻工質(zhì)。在較低熱流密度條件下，這時(shí)微通道器件的溫度一般在25°C?50°C，微通道逸出的汽泡和進(jìn)入微通道的液體反復(fù)交替沖刷微通道，高效的帶走電子器件的熱量。在較高的熱流密度條件下，這時(shí)電子器件的發(fā)熱熱流密度已經(jīng)接近于微通道的臨界熱流密度，微通道器件的溫度在50°C?100°C的范圍，此時(shí)經(jīng)過訓(xùn)練的鎳鈦形狀記憶合金內(nèi)微通道的水力直徑擴(kuò)大1% -20%，微通道的流動(dòng)阻力減小，增加了微通道內(nèi)工質(zhì)的流速，從而提高臨界熱流密度的數(shù)值。這種方法契合了文獻(xiàn)中研究發(fā)現(xiàn)的隨著水力直徑的增大和質(zhì)量流速的上升，臨界熱流密度均有所提高的結(jié)果。
[0040]至此，已經(jīng)結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)描述。依據(jù)以上描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)對(duì)本發(fā)明微通道冷卻裝置有了清楚的認(rèn)識(shí)。
[0041]此外，上述對(duì)各元件和方法的定義并不僅限于實(shí)施例中提到的各種具體結(jié)構(gòu)、形狀或方式，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可對(duì)其進(jìn)行簡單地更改或替換，例如:
[0042](I)除了水、乙醇等冷卻介質(zhì)之外，還可以采用其他冷卻介質(zhì)，如氟利昂；
[0043](2)微通道橫截面形狀除了四邊形和三角形之外，還可以為其他形狀，例如五邊形、六邊形、棱形等。
[0044]綜上所述，本發(fā)明利用隨著管徑的增大和質(zhì)量流速的上升，臨界熱流密度有所提高的理論，充分利用低熱流密度的微尺度效應(yīng)，強(qiáng)化微通道的取熱能力，而在接近臨界熱流密度時(shí)，微通道的水力直徑擴(kuò)大，流動(dòng)阻力減小，工質(zhì)的質(zhì)量流速增加，從而進(jìn)一步提高臨界熱流密度的數(shù)值。
[0045]以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種微通道冷卻裝置，其特征在于，包括: 冷卻裝置本體，由形狀記憶合金材料制備而成，發(fā)熱器件貼合于該冷卻裝置本體的外表面；以及 若干條的微通道，形成于所述冷卻裝置本體內(nèi)，該若干條微通道的一端連接冷卻工質(zhì)的入口，另一端連接冷卻工質(zhì)的出口； 其中，所述冷卻裝置本體的形狀記憶合金材料經(jīng)過訓(xùn)練，處于預(yù)設(shè)溫度以上時(shí)所述微通道的水力直徑大于處于預(yù)設(shè)溫度以下時(shí)所述微通道的水力直徑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微通道冷卻裝置，其特征在于，與處于預(yù)設(shè)溫度以下時(shí)所述微通道橫截面的尺寸和/或形狀相比，處于預(yù)設(shè)溫度以上時(shí)所述微通道橫截面的尺寸和/或形狀發(fā)生變化，以實(shí)現(xiàn)水力直徑的增加。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微通道冷卻裝置，其特征在于，所述微通道的橫截面形狀為圓形； 處于預(yù)設(shè)溫度以上時(shí)所述微通道圓形橫截面的直徑較處于預(yù)設(shè)溫度以下時(shí)所述微通道圓形橫截面的直徑增加1% _20%。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微通道冷卻裝置，其特征在于，所述微通道的橫截面形狀為三角形、四邊形、五邊形、六邊形或棱形； 與處于預(yù)設(shè)溫度以下時(shí)所述微通道橫截面的形狀相比，處于預(yù)設(shè)溫度以上時(shí)所述微通道橫截面形狀發(fā)生變化，以實(shí)現(xiàn)水力直徑的增加。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的微通道冷卻裝置，其特征在于，所述微通道的橫截面形狀為四邊形； 處于預(yù)設(shè)溫度以下時(shí)，該四邊形的各條邊朝向內(nèi)側(cè)收縮；處于預(yù)設(shè)溫度以上時(shí)，該四邊形的各條邊呈直線或朝向外側(cè)鼓起。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的微通道冷卻裝置，其特征在于，所述微通道的橫截面形狀為三角形； 處于預(yù)設(shè)溫度以下時(shí)，該三角形的各條邊呈直線形；處于預(yù)設(shè)溫度以上時(shí)，該三角形的各條邊向外側(cè)鼓起。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的微通道冷卻裝置，其特征在于，處于預(yù)設(shè)溫度以下時(shí)所述微通道水力直徑介于10 μ m?1000 μ m之間。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的微通道冷卻裝置，其特征在于，所述形狀記憶合金材料為以下材料中的一種:鎳鈦系形狀記憶合金、鐵系形狀記憶合金、銅鎳系形狀記憶合金、銅鋁系形狀記憶合金、銅鋅系形狀記憶合金。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的微通道冷卻裝置，其特征在于，所述冷卻裝置本體為長方體形、棱柱形或月牙形。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的微通道冷卻裝置，其特征在于，所述預(yù)設(shè)溫度以上為50°C?100°C，所述預(yù)設(shè)溫度以下為25°C?50°C。
【文檔編號(hào)】H05K7/20GK103826422SQ201410049892
【公開日】2014年5月28日 申請(qǐng)日期:2014年2月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月13日
【發(fā)明者】姜玉雁, 王濤, 唐大偉 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院工程熱物理研究所