一种低热阻低泵功稳定性好的歧管微通道散热器

1.本发明属于强化换热领域，涉及一种针对高功率器件的歧管微通道散热器。


背景技术：

2.随着宽带隙半导体材料(氮化镓、碳化硅)的大规模商业应用，以功率转换器(dc-dc)为代表的电子器件尺寸不断缩小，功率密度直线飙升。例如，氮化镓高电子迁移率晶体管(hemts)可以在更高的频率下工作，有利于缩小功率转换器尺寸。然而，高开关频率带来的开关损耗导致器件表面热流超过102w/cm2，远远超出了传统冷却方式的极限。如果不采取恰当的冷却方案，电子器件温度过高，器件故障率必然增大，随之而来的便是器件的可靠性降低，使用寿命缩短。
3.1981年，学者首次提出了“微通道热沉”概念。与常规通道相比，微通道具有比表面积大、自重轻、可以集成到电子器件衬底上等优点。因此，微通道热沉液体冷却被认为是解决电子器件散热的有效方法。经过近半个世纪的研究发现，微通道液相冷却技术还存在一些问题，诸如平行通道流量分配不均、沿流动方向换热效率降低导致器件表面温度分布不均，致使其长时间承受过高的热应力。而歧管微通道一方面能借助歧管缩短微通道长度，降低泵功，提高对流换热效率；另一方面利用相变能在极小温差下耗散极高热流的优势，改善温度不均的问题。但歧管微通道依然存在很多问题，比如，采用u型歧管虽然能保证流量分配均匀，但加工工艺复杂且密封性差，而z型歧管虽然结构简单，但流量分配不均，研究表明流量分配不均严重影响壁面温度分布特性。而且这种流量分配不均在直流-直流功率转换器和泵浦源等多热源系统造成的温度分布不均以及“热点”现象更加明显。另外，微通道内发生相变时，流量分配不均还会加剧沸腾不稳定性，以至于消耗更多泵功，拉低散热极限。
4.因此，如何在z型歧管基础上优化结构，对于降低泵功、提高散热能力并改善温度分布特性，为下一步歧管微通道散热器应用到多热源系统中至关重要。


技术实现要素：

5.为解决上述问题，本发明提供一种既能降低泵功，又能强化换热并改善温度分布特性的高效歧管微通道散热方案，如图1～3所示，其特征在于：依次包含盖板(1)、歧管分流板(2)和微通道基板(4)，盖板(1)盖在歧管分流板(2)上，歧管分流板(2)盖在微通道基板(4)正上方；盖板(1)上加工有与外部管道连接的流体入口(10)和流体出口(11)；
6.歧管分流板(2)上加工有入口储液池(7)、入口歧管通道(8)、出口歧管通道(3)以及出口储液池(9)，入口储液池(7)、入口歧管通道(8)、出口歧管通道(3)以及出口储液池(9)分别对应部位处歧管分流板(2)上下相通；入口储液池(7)和出口储液池(9)之间采用弯折折流的肋壁(12)阻隔；在对应入口储液池(7)这一侧，弯折折流的肋壁(12)之间形成四个平行的槽道即四根入口歧管通道(8)，入口歧管通道(8)与入口储液池(7)连通；在出口储液池(9)这一侧弯折折流的肋壁(12)之间形成四个平行的槽道即出口歧管通道(3)，出口歧管通道(3)与出口储液池(9)连通；出口歧管通道(3)和入口歧管通道(8)依次平行交叉排布，
出口歧管通道(3)和入口歧管通道(8)之间采用肋壁(12)间隔；
7.盖板(1)上的流体入口(10)和出口(11)分别对应歧管分流板(2)上的入口储液池(7)、出口储液池(9)并连通；
8.微通道基板(4)包含依次平行交叉排布的微通道区域(5)和限流通道区域(6)，在微通道区域(5)和限流通道区域(6)的两端对应的为没有微通道的平面结构；微通道区域(5)是由多个平行的微通道组成，限流通道区域(6)是由多个平行的限流通道组成；微通道区域(5)和限流通道区域(6)交叉排列方向与微通道的长度方向、限流通道的长度方向一致；其中，限流通道区域(6)位于入口歧管通道(8)的正下方且正好对应入口歧管通道(8)部位，限流通道区域(6)每个限流通道的长度等于入口歧管通道(8)宽度，限流通道的长度方向垂直于歧管通道(8)宽度；出口歧管通道(3)和入口歧管通道(8)的肋壁(12)和出口歧管通道(3)的下方对应的是微通道区域(5)；入口储液池(7)、出口储液池(9)下方对应的分别是微通道基板(4)上微通道区域(5)和限流通道区域(6)两端的平面结构。
9.微通道区域(5)内微通道的宽度对应大于限流通道区域(6)内限流通道的宽度，微通道区域(5)内微通道的间隔对应小于限流通道区域(6)内限流通道的间隔。
10.四根入口歧管通道(8)，其中三根入口歧管通道等宽，靠边的另一根宽度较窄为上述三根的一半；四根出口歧管通道，其中三根出口歧管通道等宽，另一根靠边的宽度较窄为上述三根宽度的一半；宽度较窄的入口歧管通道(8)与宽度较窄的出口歧管通道分别对应位于歧管分流板(2)的两边。
11.上述微通道基板(4)的微通道区域与需散热的功率器件尺寸相同。
12.为了明确盖板(1)、歧管分流板(2)和微通道基板(4)的装配方式以及各结构的相对位置，图4-7给出了微通道热沉主视图、盖板剖视图(a-a剖视图)、歧管分流板剖视图(b-b剖视图)以及微通道基板剖视图(c-c剖视图)。
13.结合图1～8，进一步阐述本发明技术方案：
14.盖板(1)、歧管分流板(2)和微通道基板(4)键合在一起后，与供液系统连接形成密封系统。流体在微通道散热器内的流动路径依次为流体入口(10)、入口储液池(7)、入口歧管通道(8)、限流通道(6)、微通道(5)、出口歧管通道(3)、出口储液池(9)和流体出口(11)。流体经过盖板(1)上的流体入口(10)进入歧管分流板(2)；歧管分流板包含入口储液池(7)、入口歧管通道(8)、出口歧管通道(3)以及出口储液池(9)，其中，入口歧管通道(8)和出口歧管通道(3)之间通过肋壁阻隔开。从流体入口(10)进入散热器的流体经入口储液池(7)分别进入四根入口歧管通道(8)。由于受到歧管肋壁的阻碍，在流体入口(10)外微泵的驱动下，入口歧管通道(8)内的流体向下流入限流通道(6)。随后，流体受到微通道基板(4)的基底阻碍，流体转向90
°
，沿垂直于入口歧管通道(8)的方向在微通道(5)内流动。接着，在出口歧管通道(3)正下方的微通道内，流体受到壁面(包括肋壁的壁面)或者流体阻碍，再次转向90
°
，垂直向上流出微通道(5)，进入出口歧管通道(3)。最后，因为四根出口歧管通道(3)与出口储液池(7)连通，所以，流入出口歧管通道(3)的流体汇集在出口储液池(7)内并从流体出口(11)流出微通道散热器。流体流动过程中利用显热和潜热吸热，对电子器件实现散热。
15.本发明具有以下优点和效果：
16.1、流体垂直进出微通道散热器。微通道散热器作为一个散热单元，可以集成到直流-直流转换模块、泵浦源等多热源系统的冷板中。
17.2、在进出口储液池基础上，利用歧管通道和限流通道将流体均匀分配到微通道内，从而明显地改善散热器受热面温度分布，这对于降低热应力，减小热疲劳具有重大意义。
18.3、在实现流量分配均匀基础上，利用相变在极小温差下能耗散极高热流的特点，使用有机工质作为冷却介质，例如hfe-7100，在极小的流量下就能耗散300w/cm2的热流密度，且该数值可以提高一倍以上，在电子器件热管理领域具有重大应用前景。
19.4、如上所述，相同散热功率下，采用不同工质可以实现单相和两相换热。而采用如图2～3所示的流动方式，入口歧管通道下方布置限流通道能够抑制过冷度过大引起的沸腾不稳定，提高换热系数和临界热流密度，即最大散热功率；当以去离子水为工质采用单相冷却方案时，流体进、出口调换，即限流通道布置在出口歧管通道下方，如图8所示。在保证流量分配均匀的情况下，流体在出口附近出现“射流”冲击效应，换热系数增大，出口附近壁面温度降低，受热面温度分布更加均匀。
20.5、研究表明歧管分流板对换热性能影响较小，因此，为了降低成本，歧管分流板和盖板可以用导热率远低于硅晶圆但价格低廉、加工工艺简单的玻璃等材质加工，且玻璃-硅键合技术成熟，密封性好。随着3d打印等增材技术的发展，歧管分流板和盖板整体加工，则成本可以进一步降低。
附图说明
21.图1为本发明一种针对高功率器件的歧管微通道散热器的三维示意图。
22.图2为本发明歧管微通道散热器在入口歧管通道下方布置限流通道的爆炸视图。
23.图3为本发明歧管微通道散热器的歧管分流板和微通道基板装配示意图。
24.图4为本发明歧管微通道散热器的主视图。
25.图5为本发明歧管微通道散热器盖板a-a剖面图。
26.图6为本发明歧管微通道散热器歧管分流板b-b剖面图。
27.图7为本发明歧管微通道散热器微通道基板c-c剖面图。
28.图8为本发明歧管微通道散热器在出口歧管通道下方布置限流通道的爆炸视图。
29.盖板(1)、歧管分流板(2)、出口歧管通道(3)、微通道基板(4)、微通道(5)、限流通道(6)、入口储液池(7)、入口歧管通道(8)、以及出口储液池(9)；流体入口(10)、流体出口(11)、肋壁(12)。
具体实施方式
30.本发明提出了一种歧管微通道散热器，其核心思想是：(1)歧管通道和限流通道配合，避免为改善流量分配特性制造复杂的分级歧管结构，从成本角度看，简化歧管结构，有利于降低制造成本；从效益上，简化歧管结构，有利于降低微通道所需泵功，同时改善流体分配特性，提高了散热器的换热效率。(2)限流通道本质上是减小微通道宽度，以实现流体在微通道内流动阻力大于在歧管通道内的流动阻力；除了能改善流量分配特性外，单相散热应用中布置在出口歧管通道下方能增强换热效率，进一步改善壁面温度分布特性，在两相散热应用时布置在入口歧管通道下方可以抑制沸腾不稳定。综上所述，新型歧管微通道散热器既能在小尺寸下改善常规歧管微通道散热器流体分配不均的弊端，又能强化单相、
两相换热；从实用性角度，部件少有利于增强密封性，降低工质泄露风险。
31.下面结合附图和具体实施方案对本发明专利做进一步的描述。
32.实施例1
33.如图1～3所示为一种新型歧管微通道散热器，整体结构自上而下包括7740耐热玻璃盖板(1)、硅质歧管分流板(2)和硅质微通道基板(4)。工质采用去离子水。7740耐热玻璃盖板(1)和硅质歧管分流板(2)的尺寸相同。硅质微通道基板(4)与盖板(1)、硅质歧管分流板(2)的平面尺寸一致，但高度取决于硅晶圆厚度。采用蚀刻技术加工硅质微通道的硅晶圆厚度约为0.3～0.4mm。7740耐热玻璃盖板(1)上加工有横截面积约为0.5mm2的矩形或者圆形通孔，分别作为流体入口(10)和流体出口(11)。如果发明涉及的歧管微通道散热器针对单热源散热，一般采用圆形通孔作为流体入口，便于散热器与外部供液管路连接；但如果歧管微通道散热器作为冷板的一个单元，对多热源系统散热，采用矩形通孔作为流体入口有助于减小装配误差的影响。
34.硅质歧管分流板(2)包含入口储液池、入口歧管通道、出口储液池和出口歧管通道。由于最左侧的入口歧管通道(8)仅向一个歧管微通道单元供液，因此，基于截面流速恒等原则，这根入口歧管通道宽度仅为其他三根入口歧管通道宽度的一半。同理，入口储液池(7)整体宽度约为1～2mm，但最左侧入口歧管通道(8)对应的储液池宽度减半。与分流系统类似，最右侧出口歧管通道(3)仅收集一个歧管微通道单元内的升温工质，因此，宽度仅为其余三根出口歧管通道(3)宽度的一半，对应的出口储液池宽度也减半。硅质微通道基板的微通道散热区域与需散热器件尺寸一致。微通道散热区域包含微通道(5)和限流通道(6)构成的一系列微通道换热单元，微通道宽度一般为硅晶圆厚度的0.15～0.35倍,限流通道宽度为微通道宽度的0.33～0.5倍，限流通道长度与歧管通道宽度相等，微通道和限流通道高度取决于硅晶圆厚度，一般为0.67～0.75倍。
35.结合上述结构参数，以去离子水为工质，对工质流动路径做进一步阐述：去离子水通过外部管路从入口(10)流进入口储液池(7)，流通面积增大、流速降低；随后，去离子水均匀流入入口歧管通道(8)，由于限流通道(6)的存在，微通道内流动阻力增大，消除了惯性作用导致靠近散热器出口(11)附近微通道内去离子水流量远远大于靠近入口(10)附近微通道内去离子水流量；去离子水流过微通道(5)的过程中不断吸收壁面热量，保证器件工作过程中“自热”效应产生的废热及时导出器件；升温后的流体垂直流入出口歧管通道(3)并在出口储液池(9)内混合，最后经流体出口(11)流出散热器。
36.去离子水通过歧管结构将流体均匀分配到微通道内，通道内流速减小为原来的七分之一，流体流动长度也缩小为原来的七分之一，而微通道内压降与流速、流动长度均成正比关系。因此，新型歧管微通道散热器内的压降显著减小，这对降低泵功消耗，进一步减小器件散热系统尺寸具有重大意义。
37.数值模拟发现，在散热器整体流量为1.5～2g/s，热流密度为300w/cm2时，常规歧管微通道壁面最大温度高达67℃，平均温度也高于47℃，而将限流通道布置在入口歧管通道下方后，最大温度降低了约25％，平均温度降低了约12％，加热面最大温差减小了50％。这主要是因为微通道内布置限流通道改善了流量分配不均的弊端，具体来说，第一根微通道与最后一根微通道的流量差值从10-2
g/s减小到10-3
g/s量级。
38.进一步，如图8所示，将限流通道(6)布置在出口歧管通道(3)下方，尺寸不变，流量
分配特性与上述案例基本一致。但将限流通道(6)布置在出口歧管通道(3)下方，去离子水在流动过程中，通道水力直径突然缩小，流速增大。在微通道内整体压降不变的情况下，换热系数增大，壁面温度迅速降低，数值模拟结果表明，与限流通道(6)布置在入口歧管通道(8)下方相比，加热面最大温差又减小50％。
39.更进一步，在本发明的优化结构下，限流通道越窄，换热性能越好，但与无限流通道(6)相比，压降略有升高。例如，针对一个散热单元，限流通道宽度减小至微通道三分之一时，压降增大50％。针对上述情况，在靠近入口的微通道内布置宽度稍大的限流通道，在靠近出口的微通道内布置宽度稍小的限流通道，形成非均匀宽度限流微通道。一方面，增大入口附近的限流通道宽度能增大通道内流量，进一步改善流量分配不均匀的问题；另一方面，通过增大入口附近的限流通道宽度，减小限流通道内流速从而减小局部摩擦损失，有助于降低泵功消耗。数值模拟结果表明，采用非均匀宽度限流通道，在去离子水流量和入口温度不变的情况下，与图8的结构相比，加热面最大温差又降低了25％，压降降低7％。
40.实施例2
41.微通道内流动沸腾能在极小的温差下耗散极高热流。当进入微通道的有机工质温度远低于饱和温度时，可以同时利用工质的显热和潜热吸收器件废热，保证器件长时间安全稳定运行。如图2～3所示，在实施方案一中，将限流通道(6)布置在入口歧管通道(8)下方，可以保证流体分配均匀。在此基础上提出本发明的实施方案二：
42.以hfe-7100等低沸点制冷剂为工质，流动路径与实施方案一完全一致，需要强调的是，此时限流通道(6)布置在入口歧管(8)正下方，限流通道(6)长度与入口歧管通道(8)宽度相等。限流通道布置在入口，一方面能保证流量分配均匀性，抑制微通道间流量分配不均导致的通道间的沸腾不稳定，避免低流量微通道内壁面出现干涸进而降低临界热流密度的问题；另一方面，研究表明适当减小工质进入微通道散热器的温度，虽然有利于强化换热，但会引起严重的沸腾不稳定，而限流通道布置在入口减小了微通道上游可压缩空间，抑制了沸腾不稳定，避免压降和加热面温度出现大幅度波动。
43.数值模拟结果表明，在微通道入口布置限流通道(6)且宽度仅为微通道宽度三分之一时，加热面平均温度下降约为4.3％。加热面最大温差远低于5℃。这将有效降低器件的热应力，延长器件使用寿命。
44.综上所述，以上仅为本发明的部分实施方案及参数只是为了更加清晰的解释本发明内容，并非用于限制本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。