CN101155495B - 微通道单相对流与毛细微槽相变换热组合冷却方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明微通道单相对流与毛细微槽相变换热组合冷却方法及其装置，涉及一种散热冷却方法及专用部件。其方法是：高沸点液体工质流过发热体表面，吸收热量后进入到一导热材料内部设置的许多微通道中，在导热材料外表面上设置有许多能够产生毛细力的毛细微槽，毛细力将另一种低沸点液体工质吸入到毛细微槽内，微通道内的高沸点液体工质通过高强度的微尺度单相对流换热将热量传递给导热材料，导热材料加热外表面上毛细微槽内的另一种低沸点液体工质，这种液体工质受热后产生高强度的蒸发和沸腾，带走发热体的热量。导热材料内部设置有微通道，其外表面上设置有毛细微槽的换热结构是本发明方法的专用装置。
Description
技术领域：
本发明涉及一种散热冷却方法，特别是应用于大功率电子及光电子器件的冷却方法及其装置。
背景技术：
目前，对大功率电子及光电子器件的冷却主要采用两种方式：一种是采用散热片结合风扇进行空冷，这种技术通过在发热体表面加贴散热翅片并在两者的接触面上涂抹导热硅胶(硅脂)以减小导热热阻，风扇安置在散热翅片端面上利用对流换热原理将热量通过翅片表面散失到环境中去，从而保证器件在正常工作温度范围内工作。这种技术的主要缺陷是：随着电子及光电子器件功率的增加，维持正常工作温度所需散失的热量越大，风扇的功耗就越大，翅片所需的散热面积也越大，而散热面积的增大又会降低翅片效率，散热总能力无法大幅提高。另一种方法是采用水泵进行强制水冷，水流过发热体的表面带走发热体产生的热量，随着电子及光电子器件功率的增加，散热器的换热面积就会越大，散热总能力同样无法大幅提高。
发明内容：
本发明的目的是克服现有风冷及水冷散热技术需要较大散热面积、散热能力不足的技术缺陷，提供一种散热面积小、散热热流密度高及散热总能力大的微通道单相对流与毛细微槽相变换热组合冷却方法及其装置。
本发明的技术方案是：直接在导热材料内部设置许多微通道，形成微通道群，所述微通道大小适合利用微尺度效应强化换热；在导热材料外表面设置许多毛细微槽，形成微槽群，所述毛细微槽大小适合形成毛细力，以将毛细微槽边的液体工质吸入到微槽道内，并在毛细微槽内形成能进行高强度相变换热的薄液膜区域。高沸点的液体工质流过发热体表面吸收热量后，进入到导热材料内部的微通道中，通过高强度单相对流换热方式将热量传递给导热材料，导热材料外表面上毛细微槽中的另一种低沸点液体工质受热后形成高强度的蒸发与沸腾，带走发热体的热量，从而使发热体得到冷却。
上述微通道内高沸点液体工质常压下的沸点为0℃～300℃，毛细微槽内低沸点液体工质常压下的沸点为0℃～150℃，且毛细微槽内液体工质的沸点低于微通道内流动的液体工质的沸点。
上述微通道的截面为圆形，直径在0.05～1mm范围内，微通道之间的间距在0.05～5mm范围内，每根微通道的长度在5～50mm范围内。
上述毛细微槽的宽度和深度在0.05～2mm范围内，毛细微槽的间距在0.05～5mm范围内。
所述多个毛细微槽，在导热材料外表面纵向密布排列，其截面为梯形，梯形的上底边长度为0.05～2mm，下底边长度为0.08～2.5mm，槽深为0.05～2mm，毛细微槽之间的间距为0.05～5mm。
所述多个毛细微槽，在导热材料外表面纵向密布排列，其截面为三角形，三角形的槽底顶角为5°～60°，槽深为0.05～2mm，毛细微槽道之间的间距为0.05～5mm。
一种实现上述方法的专用装置——微通道与毛细微槽热沉，包括一导热材料，所述导热材料内部设置许多微通道，形成微通道群，所述微通道大小适合利用微尺度效应强化换热；外表面上设置有许多毛细微槽，形成毛细微槽群，所述毛细微槽的大小适合形成毛细力，以将所述毛细微槽边的液体工质吸入到微槽道内，并在微槽内形成能进行高强度相变换热的薄液膜区域。
上述微通道的截面为圆形，直径在0.05～1mm范围内，微通道之间的间距在0.05～5mm范围内，每根微通道的长度在5～50mm范围内。
上述微通道在导热材料内部横向密布排列。
上述毛细微槽的宽度和深度在0.05～2mm范围内，毛细微槽之间的间距在0.05～5mm范围内。
上述毛细微槽在导热材料表面纵向密布排列。
上述毛细微槽纵向密布排列，纵向密布排列的微槽上交叉排列有多根横向毛细微槽道，横向毛细微槽道的宽度和深度在0.05～2mm范围内，间距在0.05～10mm范围内。
技术效果：本发明通过使液体工质流过发热体表面需要散热的部位吸收热量后进入到导热材料内部的微通道中，通过微通道内的高沸点液体工质与微通道壁面之间的高强度微尺度对流换热和导热材料的导热将热量传递到导热材料的外表面上，在导热材料外表面上设置有许多能够产生毛细力的毛细微槽，毛细力将另一种低沸点液体工质吸入到毛细微槽内，并在微槽内形成能进行高强度相变换热的薄液膜区域，通过该区域内低沸点工质的高强度相变换热将发热体产生的热量最终带离导热材料外表面，从而达到使发热体降温的目的。国内外的研究表明，微尺度下流动及传热的总体特性与大尺度通道内的结果有很大不同，微通道内液体工质单相对流换热方式有着很高的对流换热系数，比常规尺寸单相对流换热系数至少高出一个数量级；同时，毛细微槽内工质的蒸发和沸腾也有着极高的强度，其蒸发和沸腾热流密度的理论极限值比目前高性能芯片的最高热流密度还要高出约两个数量级，导热材料内的微通道中液体工质单相对流换热和导热材料外表面上的毛细微槽群中液体工质薄液膜相变换热均属于微尺度空间下的传热传质的超常现象，利用这两种换热方式的组合可以获得非常好的冷却散热效果。这种高效率的微通道单相对流与毛细微槽相变组合冷却散热可以使换热面尺寸很小，因而采用本发明能在很大程度上解决目前以及今后大功率电子及光电子器件的散热问题，降低和控制大功率电子及光电子器件的工作温度，保证并提高器件的工作性能。
在微通道的直径为0.05～1mm范围内，其内部流动的液体工质与微通道壁面之间具有极高的对流换热系数。
毛细微槽的宽度和深度在0.05～2mm范围内时微槽内产生的毛细力强，具有较强的驱动液体工质流动的能力。
设置横向排列宽度和深度在0.05～2mm范围内，间距在0.05～10mm范围内的多根横向毛细微槽道可以保证超高热负荷下液体工质沿纵向毛细微槽流动的毛细驱动力，使蒸发掉的液体工质得到及时的补充，从而提高冷却效率。
附图说明：
图1是本发明的微通道和毛细微槽热沉的第一种结构示意图；
图2是本发明外表面毛细微槽排列方式示意图；
图3是图2的A-A剖面示意图；
图4是本发明的微通道和毛细微槽热沉中毛细微槽的第二种结构示意图；
图5是本发明的微通道和毛细微槽热沉中毛细微槽的第三种结构示意图。
具体实施方式：
实施例1：见图1，在金属板或其他导热材料1内部设置许多圆形微通道2，形成微通道群，外表面上设置许多矩形毛细微槽3，形成毛细微槽群，这种带有微通道和毛细微槽的换热结构称为热沉。见图1、图3中，微通道2在导热材料1内部横向密布排列，见图1、图2，毛细微槽3纵向密布排列。微通道2的直径在0.05～1mm范围内，微通道之间的间距在0.05～5mm范围内，每根微通道的长度在5～50mm范围内，且微通道截面为圆形，毛细微槽3的槽道为矩形微槽道，其宽度和槽道深度在0.05～2mm范围内，且微槽道之间的间距在0.05～5mm范围内，该范围的毛细微槽3对多种工质如无水乙醇或蒸馏水都有毛细力的吸引作用。微通道中的高沸点液体工质流过发热体表面，吸收发热体的热量后进入到微通道2中，在微通道2中与金属板导热材料1发生高强度的对流换热，金属板导热材料1发热，同时，毛细力将另一种低沸点液体工质吸到金属板导热材料1表面上的毛细微槽3内，液体工质在毛细微槽3的受热区域内蒸发和沸腾带走大量的热量，从而实现对发热体的散热冷却。发热体可以是电子和光电子器件或其他发热体。
微通道内高沸点液体工质常压下的沸点为0℃～300℃，毛细微槽内低沸点液体工质常压下的沸点为0℃～150℃，且毛细微槽内液体工质的沸点低于微通道内流动的液体工质的沸点。
实施例2：见图2，本实施例热沉的多个毛细微槽3纵向密布排列，纵向密布排列的毛细微槽3上交叉排列有多个横向毛细微槽道3′。设置横向排列毛细微槽道3′可保证超高热负荷下液体工质沿纵向毛细微槽3流动的毛细驱动力，使受热区蒸发掉的液体工质得到及时地补充，从而提高冷却效率。本实施例毛细微槽3的槽宽0.2mm、槽深0.5mm、槽间距0.2mm，横向毛细微槽道3′的槽宽0.4mm、槽深0.8mm、槽间距5mm。
实施例3：见图4，本实施例热沉的多个毛细微槽4纵向密布排列，其截面为梯形，梯形的上底边长度为0.2mm，下底边长度为0.4mm，槽深为0.8mm，间距为0.2mm。
实施例4：见图5，本实施例热沉的多个毛细微槽5纵向密布排列，其截面为三角形，三角形的槽底顶角为30°，槽深为0.6mm，间距为0.2mm。
Claims (9)
1.一种微通道单相对流与毛细微槽相变换热组合冷却方法，其特征在于，步骤如下：
a)高沸点液体工质流过发热体表面需要散热的部位，吸收热量后进入到一导热材料内部设置的许多微通道中；
b)在导热材料外部设置有许多能够产生毛细力的毛细微槽，毛细力将另一种低沸点液体工质吸入到毛细微槽内；
c)微通道内的高沸点液体工质通过与微通道壁面之间高强度的微尺度单相对流换热将热量传递给导热材料；
d)导热材料加热导热材料外表面上的毛细微槽内的低沸点液体工质，这种液体工质受热后在毛细微槽内产生高强度的蒸发和沸腾，从而带走发热体的热量，使发热体降温。
2.根据权利要求1所述的微通道单相对流与毛细微槽相变换热组合冷却方法，其特征在于，所述微通道内高沸点液体工质常压下的沸点为0℃～300℃，毛细微槽内低沸点液体工质常压下的沸点为0℃～150℃，且毛细微槽内液体工质的沸点低于微通道内流动的液体工质的沸点。
3.根据权利要求1所述的微通道单相对流与毛细微槽相变换热组合冷却方法，其特征在于，所述微通道的直径在0.05～1mm范围内，间距在0.05～5mm范围内，每根微通道的长度在5～50mm范围内；毛细微槽截面为矩形，其宽度和深度在0.05～2mm范围内，毛细微槽之间的间距在0.05～5mm范围内。
4.一种根据权利要求1所述的微通道单相对流与毛细微槽相变换热组合冷却方法的专用装置，其特征在于，包括一导热材料，导热材料内部设置有许多微通道，形成微通道群，所述微通道大小适合利用微尺度效应强化换热；导热材料外表面设置有许多毛细微槽，形成毛细微槽群，所述毛细微槽的大小适合形成毛细力，以将所述毛细微槽边的液体工质吸入到毛细微槽内。
5.根据权利要求4所述的专用装置，其特征在于，所述微通道的直径在0.05～1mm范围内，间距在0.05～5mm范围内，每根微通道的长度在5～50mm范围内；毛细微槽截面为矩形，其宽度和深度在0.05～2mm范围内，毛细微槽之间的间距在0.05～5mm范围内。
6.根据权利要求4或5所述的专用装置，其特征在于，所述许多微通道，在导热材料内部横向密布排列，多数个毛细微槽，在导热材料外表面纵向密布排列，与微通道走向正交设置。
7.根据权利要求6所述的专用装置，其特征在于，所述毛细微槽在导热材料外表面纵向密布排列，多数个纵向密布排列的毛细微槽上交叉排列有多数个横向毛细微槽，横向毛细微槽的截面为矩形，其宽度和深度在0.05～2mm范围内，毛细微槽之间的间距在0.05～10mm范围内。
8.根据权利要求4所述的专用装置，其特征在于，所述许多毛细微槽，在导热材料外表面纵向密布排列，其截面为梯形，梯形的上底边长度为0.05～2mm，下底边长度为0.08～2.5mm，槽深为0.05～2mm，毛细微槽之间的间距为0.05～5mm。
9.根据权利要求6所述的专用装置，其特征在于，所述许多毛细微槽，在导热材料外表面纵向密布排列，其截面为三角形，三角形的槽底顶角为5°～60°，槽深为0.05～2mm，毛细微槽之间的间距为0.05～5mm。
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