一种肋排仿生结构微通道散热器

1.本发明涉及高热流密度散热问题，具体地指一种肋排仿生结构微通道散热器，能应用于能源动力、电力电子、化工过程等各种应用领域，尤其应用于集成电路领域。


背景技术：

2.随着半导体技术的快速进步，芯片的集成度不断提高，导致芯片单位面积上的发热量激增。传统的空冷散热、液冷散热、热管散热和半导体散热等冷却技术已经很难满足高集成化芯片的散热需求。鉴于此，微通道冷却技术应运而生，微通道结构通过在芯片硅基层构建使冷却工质直接通过的微小通道，可以绕过芯片封装直接对集成电路表面进行冷却，为芯片散热提供了良好的解决方案。
3.现有平行微管道的主要缺点是冷却能力有限，对于芯片的高功率区域的冷却效果不好，会产生较高的温度梯度，这会引起机械应力并导致薄芯片的局部翘曲。现有的微针肋结构需要大功率泵，从而增加了能耗和成本，并会在半导体器件上产生潜在的破坏性机械应力。
4.申请号为cn 10707059 b的中国发明专利公开了一种多维度网状混合微通道冷却工质散热器，包括上层盖板、下层壳体、内部流道和散热工质，其中，内部流道设置于下层壳体内；内部流道包括若干个扰流柱、若干个网状微结构，若干个扰流柱呈阵列排布，相邻扰流柱侧面之间通过网状微结构连接，若干个扰流柱的侧面通过网状微结构交织连接形成多维度流道；扰流柱侧面上设有凹型和/或凸型结构，使多维度流道的侧壁上形成微流道结构，使呈阵列排布的若干扰流柱之间构成多维度网状混合微通道；工质入口与内部流道接通，散热工质通过工质入口进入内部流道内；上层盖板使热量经内部流道传递至散热工质中，通过散热工质带出，散热工质通过工质出口排出。该发明解决了大功率芯片的散热问题，但本结构相对复杂，结构中包含众多突缩突扩结构，导致流动阻力很大。同时网状连接结构的机械强度较弱，有被大功率泵产生的破坏性机械应力破坏的风险。
5.申请号为cn 212810289 u的中国实用新型专利公开了一种具有特殊肋结构的微通道热沉，属于换热器技术领域，其结构包括入流及出流结构、肋排结构和顶部盖板；入流及出流结构一端为入流通道，另一端为出流通道；肋排结构设置在入流通道和出流通道之间，包括间隔排列的z型肋板和直肋板；顶部盖板上设置有冷却工质入口和冷却工质出口。通过直肋板与z型肋板间隔排列的微通道，使得冷却工质的边界层不断被破坏，且在局部形成漩涡，有助于提高热沉的换热效率。该实用新型示例的技术方案，通过特殊的入口结构及微通道肋设计，使各微通道间流量均匀分配。但在肋片直角位置形成的涡流区域，阻碍了工质流体的流动，不利于通道的换热。同时，该实用新型结构中包含有众多突扩突缩结构，导致流动阻力很大。结构机械强度有限，有被大功率泵产生的破坏性机械应力破坏的风险。


技术实现要素：

6.本发明的目的要提供一种微通道散热器, 它一方面结构稳定，能够承受较大的机
械应力荷载；另外在增大换热面积强化换热的前提下，不会大幅度增加通道阻力。
7.为实现上述目的，本发明公开了一种肋排仿生结构微通道散热器，包括壳体、内部流道和流经所述内部流道的冷却工质；其特殊之处在于：所述壳体的一端设置有冷却工质入口，另一端设置有冷却工质出口，以所述冷却工质入口与冷却工质出口的连线方向为纵向方向；所述内部流道中设置有多个平行间隔布置的肋片结构单元，每个所述肋片结构单元的形状是由两片梳子状的肋片组成的横截面为人字形的长条状；每个所述肋片结构单元横向布置于内部流道中，所述人字形肋片结构单元开口部朝向所述冷却工质出口的一端，头部朝向冷却工质入口的一端；所述梳子状的肋片分为梳齿部分和位于所述梳齿部分根部的梳体部分，所述梳齿部分方向朝向所述人字形肋片结构单元的开口。
8.进一步地，所述壳体由上层盖板和凹槽状的下层壳体组装而成，所述内部流道位于所述下层壳体的凹槽状部分。进一步地，每个所述肋片结构单元上两片梳子状的肋片之间形成的夹角α为50~70
º
。
9.进一步地，每个所述肋片的梳齿部分和梳体部分的横截面积沿冷却工质流动的方向逐渐平顺增大。
10.进一步地，所述肋片结构单元的头部的迎流面为光滑过渡的弧形表面。
11.进一步地，所述内部流道的人字形肋片结构单元的开口部的两个外侧端部分别与所述内部流道中的上下内表面抵接。
12.进一步地，所述肋片结构单元的左右两端与所述内部流道中的左右内表面抵接。
13.进一步地，所述梳齿部分分为多根梳齿和多个沿冷却工质流动的方向贯通的齿槽。
14.更进一步地，每个所述肋片中，单个所述齿槽的宽度与梳齿的宽度相等。
15.更进一步地，靠近所述冷却工质入口一端的梳齿的高度h2大于靠近所述冷却工质出口一端的梳齿的高度h1。
16.相比于现有技术，本发明的有益效果：1、本发明的肋排仿生结构微通道散热器结构通过仿照生物肋排的布置形式，结合肋排结构保护生物器官的作用，提出了多个平行布置的人字形肋片结构单元的方案，提高了结构的稳定性。以上下肋片夹角为60
º
的人字形肋片结构单元为例，可以承受最大沿流方向产生的应力为常规垂直肋片的2倍，避免了被大功率泵产生的破坏性机械应力破坏的风险。
17.2、本发明的肋排仿生结构的微通道散热器通过分散的多个人字形肋片结构单元和其上多根梳齿和齿槽的设置，保证了换热的均匀性，提高了微通道换热面积，同时由于设置了多个沿冷却工质流动方向贯通的齿槽，不会大幅增加通道阻力。
18.3、本发明的肋排仿生结构的微通道散热器通过增加单片肋片沿梳齿方向的厚度和降低靠近冷却工质出口处齿槽的高度两种形式，可以减小冷却工质流经路径上的横截面积，使冷却工质流动的速度逐渐增加，提高了散热器后半部分的换热效率。
19.4、本发明的肋排仿生结构的微通道散热器可以通过调整肋片结构单元的个数、肋
片结构单元上梳齿的数量和肋片结构单元上梳体结构的宽度来调整整个散热器结构的散热能力和泵耗功率，来满足不同的热源冷却需求，具有很强的实用性。
附图说明
20.图1为本发明实施例一微通道的立体结构示意图；图2为本发明实施例一微通道肋片结构单元的立体结构示意图；图3为本发明实施例一微通道的左视图；图4为本发明实施例一微通道的左视图中a处的局部放大图；图5为本发明实施例一微通道的主视图；图6为本发明实施例一微通道的主视图中b处的局部放大图；图7为本发明实施例一微通道的俯视图；图8为本发明实施例二微通道前半段肋片结构单元的立体结构示意图；图9为本发明实施例二微通道的左视图；图10为本发明实施例二微通道的左视图中c处的局部放大图；图11为本发明微通道的等温线云图。
21.附图标记：1、壳体；2、内部流道；3、肋片结构单元；3.1、上肋片；3.2、下肋片；4、梳齿部分；4.1、梳齿；4.2、齿槽；5、梳体部分；6、冷却工质入口；7、冷却工质出口。
具体实施方式
22.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
23.实施例一参照图1所示，本发明的肋排仿生结构微通道散热器包括：壳体1，所述壳体1内有供冷却工质流动的内部流道2。所述壳体1可由上层盖板和与其大小相匹配的下层壳体拼接而成。所述上层盖板的一端设置有冷却工质入口6，另一端设置有冷却工质出口7。其中，下层壳体具有内凹的长方形槽体，容纳空间的四边为散热器外壁，内部流道2设置于下层壳体内的上表面。
24.本发明中各实施例的方向以图1为参照系，所述冷却工质流动的方向即为从冷却工质入口6指向冷却工质出口7的方向，以所述冷却工质入口6与冷却工质出口7的连线方向为纵向方向；横向方向为以所述上层盖板平面为基准，其垂直于所述纵向方向。所述横向方向即为左右端，以所述冷却工质出入口所在的一端为上端，所述壳体1所在的另一端为下端，以靠近所述冷却工质入口6的一端为前端，远离所述冷却工质出口7的另一端为后端，所述前后端即为所述纵向方向。
25.本实施例中，如图1~2所示，位于所述冷却工质入口6和冷却工质出口7之间的内部流道2中设置有八个平行且等间距布置的肋片结构单元3，每个所述肋片结构单元3的形状是由两片梳子状的肋片组成的横截面为人字形的长条状；每个所述肋片结构单元3横向布置于内部流道2中，所述人字形肋片结构单元3开口部朝向所述冷却工质出口7的一端，头部
朝向冷却工质入口6的一端。本发明通过多个平行布置的尺寸相同的人字形肋片结构单元的方案，保证了换热的均匀性，提高了整个微通道散热器的稳定性，减少了被大功率泵产生的破坏性机械应力破坏的风险。
26.本发明实施例一中，如图2~4所示，单个所述肋片结构单元3分为上肋片3.1和与其呈60
ꢀº
夹角对接的形状相同的下肋片3.2, 所述上下肋片以所述内部流道2的水平中心平面为基准面呈上下对称布置。所述梳子状的肋片分为梳齿部分4和位于所述梳齿部分根部的梳体部分5。所述梳齿部分4分为多根梳齿4.1和多个沿冷却工质流动的方向贯通的齿槽4.2，所述梳齿部分4方向朝向所述人字形肋片结构单元3的开口。本发明所述上肋片3.1与下肋片3.2之间形成的夹角也可以采用50~70
º
中的其他角度。本发明通过多根梳齿和齿槽的设置，提高了微通道换热面积，另外由于设置了沿冷却工质流动方向贯通的齿槽，不会大幅增加通道阻力。
27.本发明实施例一中，如图3~4所示，所述肋片结构单元3的头部的迎流面为光滑过渡的弧形表面，采用这样的设计可以减少冷却工质流动时遇到的阻力。
28.本发明实施例一中，如图3~4所示，每个所述肋片的梳体部分5的横截面积沿冷却工质流动的方向逐渐平顺增大，梳齿4.1的厚度e沿着冷却工质流动的方向也逐渐增大，这样可以减小冷却工质流经路径上的横截面积，减少了冷却工质在流动时受到的阻力。
29.本发明实施例一中，如图3~4所示，所述内部流道2的肋片结构单元3开口部的上肋片3.1和下肋片3.2的上下两个外侧端部分别与所述内部流道2中的上下内表面抵接，避免形成狭长窄缝，从而减小了冷却工质受到的阻力。
30.本发明实施例一中，如图5所示，所述肋片结构单元3上的上肋片3.1和下肋片3.2的左右两端抵接在壳体1的左右内壁上,起到了固定所述肋片结构单元的作用。
31.本发明实施例一中，如图5~7所示，所述冷却工质入口6和冷却工质出口7均为圆孔，冷却工质出入口的轴线与下层壳体的底面垂直。
32.本发明实施例一中，如图3所示，图中箭头所指方向为所述冷却工质流向，冷却工质从冷却工质入口6流入内部流道2，经过所述内部流道2内的多根齿槽4.2，最后再经过冷却工质出口7流出。
33.本发明实施例一中，如图6~7所示，通道散热器的长度l为16.5mm，所述肋片结构单元3到入口处壁面的距离l2和到出口处壁面的距离l1均为2mm。其宽度w为10mm,高度h为1mm, 冷却工质出入口的直径d均为1mm。本实施例中，如图4所示，所述散热器上肋片3.1中齿槽根部到上层盖板的高度d和其到内部流道2水平中心平面的投影高度c相同。
34.本发明实施例一中，如图5和图6所示，开设的所述齿槽4.2的个数为21个，所述齿槽4.2的宽度g与梳齿4.1的宽度f一致，一方面通过多根梳齿的设置，提高了微通道的换热面积，同时又不会大幅度增加通道阻力，另一方面两者宽度一致，保证了散热的均匀性。
35.本发明实施例一中，如图4所示，所述相邻两个肋片结构单元3之间的距离a与其宽度b相同，保证了换热的均匀性。
36.本发明实施例一中，所述壳体1和肋片结构单元3的材料均为硅质。由于硅在自然界中的储量丰富，提纯成本低，相对其他半金属元素在高温下的性质更为稳定，故被广泛用于半导体工业；同时硅具有良好的导热性，耐腐蚀性和易加工性，也可以根据实际需要采用铜、铁、银、铝、锌、镍合金、碳化硅、金刚石、石墨烯、碳纳米管、复合材料中的任意一种或两
种以上。
37.本发明可以通过调整肋片结构单元的个数和肋片结构单元上梳齿的数量来调整整个散热器结构的散热能力和泵耗功率，来满足不同的热源冷却需求。
38.本发明实施例一中，所述冷却工质为水，但也可以采用含纳米金属颗粒的水溶液、氟利昂、碳纳米管的悬浮液或石墨烯的悬浮液中的任意一种。
39.图11为本实施例一利用comsol软件进行本次仿真实验的数据结果图和入口流量为0.5g/s的等温线云图。所述微通道散热器的材料为硅质，仿真所用冷却工质为水。
40.本次仿真实验做出如下简化假设：(1) 冷却工质流动和传热均处于稳态，冷却工质不可压缩，流态为层流；(2) 固体材料均常物性，固体导热材料各向同性；(3) 流道壁面采用无滑移边界条件；(4) 不计重力，不考虑辐射换热和粘性耗散引起的耗散热。
41.边界条件如下：(1) 流动和传热充分发展，入口水温恒定 ；(2) 入口流量为0.5g/s~1g/s；(3) 出口：压力出口条件；(4) 给定热源功率100w，除与芯片接触的位置，热沉外壁面绝热。
42.由上表可以看出，随着冷却工质入口6质量流量的增加，一方面，微通道散热器的换热能力增强，对流换热系数增加，单位面积上带走的热量更多；另一方面，压降也随着增大，但是通过设置齿槽结构可以尽可能降低压降的增加量。
43.肋排结构扩大了冷却工质与微通道散热器的换热面积，同时在流经肋排结构时，冷却工质受到扰动，破坏了边界层，强化了微通道散热器的换热能力。
44.由于冷却工质温度的上升，内部流道2中靠近冷却工质出口7一侧的温度高于冷却工质入口6的一侧，可以通过增加冷却工质出口7一侧的肋片结构单元3的个数和梳齿4.1的数量来强化微通道散热靠近冷却工质出口7一侧的换热，提高温度的均匀性。
45.本发明实施例一的肋排仿生结构微通道散热器可以采用3d打印一体成型。
46.实施例二图8为本发明实施例二微通道散热器前半段肋片结构单元3的立体结构示意图，其中图2也为实施例二微通道散热器后半段肋片结构单元3的立体结构示意图。图9为本发明实施例二微通道散热器的左视图，图10为图9中c处放大图，本实施例中前半段的四个肋片结构单元3上梳齿4.1投影在竖直方向上的高度h2大于后半段的四个肋片结构单元3上梳齿4.1投影在竖直方向上的高度h1。如图2、4和图8~10所示，本实施例二与实施例一的区别在于本实施例二靠近冷却工质入口6处的肋片结构单元3中的梳齿4.1高度不同，采用减小后半段中肋片结构单元3中梳齿4.1的高度，而实施例一是采用增加沿冷却工质流动的方向的
肋片结构单元3中梳体部分5的横截面积和梳齿4.1的厚度e,两者都是可以减小冷却工质流经路径上的横截面积，使冷却工质流动的速度逐渐增加，提高了散热器后半部分的换热效率。
47.在本技术的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
48.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。同时集成电路只是本发明适用的应用领域之一，能源动力、电力电子、化工过程等各种应用领域均存在类似的散热需求，本领域技术人员均可以运用本发明构思及变形或改进进行有效散热。