一种鱼鳃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，具体地指一种鱼鳃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，微通道结构可以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cn212810289 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：

5.本发明的目的就是要提供一种结构简单实用、在增大换热面积的前提下，不会大幅增加通道阻力的微通道散热器。
6.为实现上述目的，本发明公开了一种鱼鳃仿生结构微通道散热器，其包括壳体、内部流道和流经所述内部流道的冷却工质，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；所述内部流道中至少设置有一个鱼鳃结构单元，每个所述鱼鳃结构单元至少由两片平行布置的梳子状的肋片组成；所述鱼鳃结构单元横向布置于内部流道中；所述梳子状的肋片包括朝向所述冷却工质出口的梳齿部分和位于所述梳齿部分根部的梳体部分。
7.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，所述内部流道为所述下层壳体的凹槽状部分。
8.进一步地，多个所述鱼鳃结构单元沿冷却工质流动的方向平行等间距布置。
9.进一步地，单个所述鱼鳃结构单元上肋片的数量为2到8片。
10.更进一步地，上下相邻所述肋片之间留有间隙。
11.进一步地，单个所述鱼鳃结构单元的相邻两肋片之间沿冷却工质流动的方向错位排列布置，所述相邻肋片之间错位的距离d2大于梳体部分的宽度d3。
12.进一步地，单个所述鱼鳃结构单元的相邻两肋片上的梳齿部分在垂直于冷却工质流动的方向上相互错位布置。
13.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。
14.进一步地，所述内部流道的鱼鳃结构单元中最上层和最下层的肋片分别与所内部流道中的上下内表面抵接。
15.进一步地，所述鱼鳃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。
16.相比于现有技术，本发明的有益效果：1、本发明的鱼鳃仿生结构微通道散热器，通过设置多片上下平行的肋片，增强了冷却工质的混合，使其能更好地冷却通道内的高温区域，强化了通道的散热能力。同时冷却工质在流经鱼鳃结构时，由于冷却工质受到扰动，破坏了边界层，强化了微通道散热器的换热能力。
17.2、本发明的鱼鳃仿生结构微通道散热器，通过设置多个齿槽和梳齿，保证了换热的均匀性，增加了微通道的换热面积，增强了冷却工质的混合，从而强化传热，同时由于设置了沿垂直于冷却工质流动方向贯通的齿槽结构，不会大幅增加通道阻力。
18.3、通过逐渐增加沿流动的方向肋片的厚度，可以减小冷却工质流经路径的横截面积，使冷却工质流动的速度逐渐增加，提高散热器后半部分的换热效率，进而使散热器整体温度均匀性提高。
19.4、本发明的鱼鳃仿生结构微通道散热器，可以通过增加鱼鳃仿生结构单元及其上梳齿和齿槽的数量和增大肋片的厚度，以获得更优的散热能力，但是这会引起泵耗功率增加。本发明可以通过调节以上结构的尺寸，以满足不同的热源冷却需求，使泵耗功率增加的较少，具有很强的适用性。
附图说明
20.图1为本发明实施例一的微通道的立体结构示意图；图2为本发明实施例一的微通道的肋片的立体结构示意图；图3为本发明实施例一的微通道的右视图；图4为本发明实施例一的微通道的右视图中a处的局部放大图；图5为本发明实施例一的微通道的主视图；图6为本发明实施例一的微通道的立体结构示意图；图7为本发明实施例一的微通道的俯视图中b处的局部放大图；图8为本发明实施例二的微通道的立体结构示意图；图9为本发明实施例二的微通道的左视图；图10为本发明实施例三的微通道的立体结构示意图；图11为本发明实施例三的微通道中第一肋片的俯视图；
图12为本发明实施例三的微通道中第二肋片的俯视图；图13为本发明实施例三的微通道的主视图；图14为本发明实施例三的微通道的右视图；图15为本发明施例一的微通道的等温线云图；图16为本发明施例三的微通道的等温线云图。
21.附图标记：1、壳体；2、内部流道；3、鱼鳃结构单元；3.1、第一肋片；3.2、第二肋片；3.3、第三肋片；3.4、第四肋片；4、梳齿部分；4.1、梳齿；4.2、齿槽；5、梳体部分；6、平直部分；7、冷却工质入口；8、冷却工质出口。
22.具体实施方式
23.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。
24.实施例一参照图1所示，本发明的肋排仿生结构的冷却微通道散热器包括：壳体1，内部流道2和流经所述内部流道2的冷却工质。
25.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7指向冷却工质出口8的方向，以所述冷却工质入口7与冷却工质出口8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7的一端为前端，远离所述冷却工质出口8的另一端为后端，所述前后端即为所述纵向方向。
26.所述壳体1分为上层盖板、和与其大小配合的下层壳体；所述上层盖板的一端设置有冷却工质入口7，另一端设置有冷却工质出口8。其中，下层壳体具有内凹的容纳空间，在本实施例中，下层壳体为长方形槽体。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。所述冷却工质入口7和冷却工质出口8均设置为圆孔，冷却工质出入口的轴线与下层壳体的底面垂直。
27.本实施例中，如图1~2所示，位于所述冷却工质入口7和冷却工质出口8之间的内部流道2中依次设置有四个平行等间距布置的鱼鳃结构单元3，所述鱼鳃结构单元3以所述内部流道2的水平中心平面为基准面上下对称布置，从上到下依次布置有第一肋片3.1、第二肋片3.2、第三肋片3.3和第四肋片3.4，其中所述第一肋片3.1和第二肋片3.2沿纵向方向错位设置位于所述基准面之上，所述第三肋片3.3和第四肋片3.4沿纵向方向错位设置于所述基准面之下。本实施例中所述第二肋片3.2与第三肋片3.3的上下对齐，第二肋片3.2与第三肋片3.3也可合并为一整片肋片来进行布置。每个所述鱼鳃结构单元3横向布置于内部流道2中。本发明通过设置四个等间距分布的鱼鳃结构单元保证了散热的均匀性，再加上上下错位对称设置的四片肋片，增强了冷却工质的混合，使其能更好地冷却通道内的高温区域，强化了通道的散热能力。同时冷却工质在流经鱼鳃结构时，由于冷却工质受到扰动，破坏了边
界层，强化了微通道散热器的换热能力。
28.本实施例中，图2所示为单片肋片的立体示意图，单片所述肋片包括梳齿部分4和位于所述梳齿部分根部的梳体部分5。结合图2~5可知，所述梳齿部分4分为多根梳齿4.1和多个沿垂直于冷却工质流动的方向贯通的齿槽4.2，多根所述梳齿4.1与齿槽4.2依次相互交错布置，所述梳齿4.1方向朝向所述冷却工质出口8的一侧。本实施例中上下相邻所述肋片之间沿冷却工质流动的方向错位的距离d2大于梳体部分5的宽度d3，以方便冷却工质能顺利地从所述齿槽4.2流过。所述梳齿4.1和齿槽4.2的个数、位置和具体尺寸可以根据实际需要进行调整布置。本发明通过设置多个齿槽和梳齿，保证了换热的均匀性，增加了微通道的换热面积，增强了冷却工质的混合，从而强化传热，同时由于设置了沿垂直于冷却工质流动方向贯通的齿槽结构，不会大幅增加通道阻力。
29.本实施例中单个所述鱼鳃结构单元3中肋片的个数为四个，但是也可以采用两到八个中的任意数值以满足实际散热的需要。
30.本实施例中，图3为本实施例微通道的右视图，图4为图3中a处放大图，每个所述肋片的梳齿部分4和梳体部分5的横截面积沿冷却工质流动的方向逐渐平顺增大。本发明通过逐渐增加沿流动的方向肋片的厚度，可以减小冷却工质流经路径的横截面积，使冷却工质流动的速度逐渐增加，提高散热器后半部分的换热效率，进而使散热器整体温度均匀性提高。
31.本实施例中，所述梳体部分5上端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。
32.本实施例中，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。
33.本实施例中，如图4~7所示，鱼鳃仿生结构微通道散热器的长度l为16.5mm，宽度w为10mm,高度h为1mm, 冷却工质出入口的直径d均为1mm。所述鱼鳃结构单元3到入口处壁面的距离l2和到出口处壁面的距离l1相同。
34.如图4所示，所述梳齿部分4的宽度d4为梳体部分5宽度d3的四倍。所述第三肋片3.3与第四肋片3.4之间错位的距离d2和相邻两个鱼鳃结构单元3之间的间距d1相同，保证整体的散热性。从图中可以看出，所述第三肋片3.3与第四肋片3.4之间错位的距离d2大于梳体部分5的宽度d3以便冷却工质通过齿槽4.2顺利流经所述鱼鳃结构单元3。
35.从图4可以看出，相邻上下所述肋片之间留有间隙，本实施例中间隙为0.05mm，当然也可以采用小于0.1mm的其他数值，方便冷却剂通过，减小阻力。也可以根据实际情况采取不留间隙的方案。
36.本实施例中，如图6~7所示，所述齿槽4.2的宽度w2与梳齿4.1的宽度w1相同。
37.本实施例中，所述第一肋片3.1的上边和第四肋片3.4的下边分别与所述上层盖板和下层壳体的内表面抵接，避免形成狭长窄缝，影响冷却工质对流换热。
38.本实施例中，如图5~6所示，单个鱼鳃结构单元3上的四片肋片的左右两端的梳齿4.1和梳体部分5和内部流道2的左右侧壁相抵接，起到固定所述肋片的作用。
39.本实施例中，所述壳体1、冷却工质出入口的壳体厚度相同，保证整体散热的均匀性。
40.本实施例中，所述壳体1和鱼鳃结构单元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。但其材料也可以根据实际情况采用铜、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。
41.实施例二如图8~9所示为本发明第二实施例的鱼鳃仿生结构微通道散热器的立体结构示意图和左视图。本实施例与实施例一的区别在于本实施例中单个鱼鳃结构单元3的个数为两个，每个所述鱼鳃结构单元3由沿纵向方向依次平行错位堆叠的第一肋片3.1、第二肋片3.2和第三肋片3.3组成，其中所述第二肋片3.2以所述内部流道2的水平中间平面为基准面上下对称布置。和实施例一相比，实施例二可以减小冷却工质流体在流动时受到的阻力，以满足不同热源的冷却需求。
42.实施例三如图10-14为本发明实施例三的示意图，该实施例与实施例一的区别在于以下几点。
43.如图10所示，根据实际散热需要，本实施例中鱼鳃结构单元3的数量仅为一个。所述鱼鳃结构单元3上设置有四片肋片，中间第二肋片3.2和第三肋片3.3的结构相同，最上面第一肋片3.1和最下面第四肋片3.4的结构相同。所述肋片的俯视图如图11~12所示，其中图11中第一肋片3.1的形状与实施例一中的一致；图12为第二肋片3.2的俯视图，其中中间部分为平直部分6，所述平直部分6未设置齿槽4.2，所述平直部分6与梳体部分5结合为一整体。通过平直部分6的设置，减少了中间两片肋片上齿槽4.2的数量，强行让冷却工质从上方的第一肋片3.1或者下方的第四肋片3.4流过，以满足不同热源分布的需要。
44.图13为本实施例微通道的主视图。从图11和12可以看出，第一肋片3.1或第四肋片3.4中最左边或最右边梳齿4.1的宽度为其它两片肋片相同位置梳齿4.1宽度的两倍，这样就刚好使得上下所述齿槽4.2相互错位开来。本实施例通过上下错位齿槽的设置，可以增加冷却工质的扰动，进一步增加微通道散热器的散热性能。
45.图14为本实施例微通道的右视图，从图中可以看出各肋片之间留有间隔，并且靠近冷却工质入口7处的间隔大，靠近冷却工质出口8处的间隔小。
46.表1、2和图15、16分别为本发明实施例利用comsol软件进行实施例一和实施例三做的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。
47.本实施例中，所述微通道散热器的材料为硅质。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。
48.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。
49.从表1~2可以看出，当质量流量从0.5g/s变化到1g/s时，随着入口质量流量的增加，热沉的换热能力增强，对流换热系数增加，单位面积上带走的热量更多。在实施例三中，由于减少了位于鱼鳃结构单元3上中间的第二肋片3.2和第三肋片3.3上齿槽4.2的数量，强迫让冷却工质从上下的第一肋片3.1和第四肋片3.4中的齿槽4.2处流过。由于上下两片肋片距离热源位置较近，温度较高，更多的冷却工质流过上下两片肋片，强化了散热器整体的换热能力。但同时，由于齿槽4.2的减少，导致肋片对冷却工质的阻碍增加，通道压降有所增大。
50.从图15~16可以看出，当质量流量固定在0.5g/s时，实施例三比实施例一的温度分布更加均匀。齿槽4.2的设置可以拓宽冷却工质的流动路径，有减阻的作用，但是设置过多的齿槽4.2会导致通道中心位置的温度较高，从而使通道的冷却能力降低，因此中间的两片肋片采用了平直部分6，而且上下齿槽采用错位布置的形式，增加了冷却工质的流动，平衡了通道的冷却能力和压降。
51.本发明中第一和第三实施例中的单个鱼鳃结构单元3上中间的第二肋片3.2和第三肋片3.3可以合并成一个沿内部流道2的中心平面对称布置的整体肋片。
52.本发明的鱼鳃仿生结构微通道散热器，可以通过增加鱼鳃仿生结构单元及其上梳齿和齿槽的数量和增大肋片的厚度，以获得更优的散热能力，但是这会引起泵耗功率增加。本发明可以通过调节以上结构的尺寸，以满足不同的热源冷却需求，使泵耗功率增加的较少，具有很强的适用性。
53.本发明的鱼鳃仿生结构微通道散热器可以采用3d打印一体成型。
54.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。
55.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。