CN101026948A - 单相超高热流微柱群换热器 - Google Patents

Abstract

一种单相超高热流微柱群换热器，它包括上方开口且带有中空凹槽的壳体和与之配合的上盖板，所述壳体和上盖板之间水密封，所述壳体和上盖板封装在一起共同构成带有工质进口和工质出口的换热器，在所述壳体中的凹槽底板表面设置有由多个微柱交叉排列组成的微柱群。本发明主要用于换热器。

Description

单相超高热流微柱群换热器

技术领域

本发明涉及微尺度传热领域，尤其涉及一种单相超高热流微柱群换热器。

背景技术

随着科学技术的不断进步，各种尖端技术领域对其散热***要求越来越高，既要求散热功率大，又要求体积微小，这就必然涉及到微传热学(Micro HeatTransfer，简称MHT)的研究。无论在学术还是在技术上，微传热学正在上升为热学工程(Thermal Engineering)中一个新兴的主要分支，将在微型机械(MEMS)、新能源、航天、生物技术、微电子、大功率激光器、高性能换热器、高温燃气轮机及核聚反应器等领域有着极为广阔的应用前景。在各种微型换热***中，大多数的研究者从事微型热管技术，包括毛细型、强制震动(振荡)型等及微槽(群)内部单相与相变的研究，并取得了不少的研究成果。在微热管技术研究中，由于受微细管内部流动特性的制约，毛细型微热管技术已遇到了临界热流制约问题；而对于自励振荡热管来说，由于对其机理认识极不充分，其研究还处于初级阶级。

计算结果显示，微槽群内部蒸发热流密度的理论极限值已经达到1000W/cm2以上，同时借助相变蒸发力及毛细力，以微槽群为核心部件的换热装置可以在无动力情况下实现循环，然而微小尺寸(比如微槽群内部相变)内部相变稳定时间较长(在实验中，稳定时间一般需要几个小时)，且存在相变振荡现象，容易导致换热面温度较大幅度的波动，因此采用微槽群相变蒸发换热用于各种极端场合冷却暂时存在着无法克服的困难。微通道内部单相流时，冷却速度快、稳定，完全可以满足一些极端冷却场合下时间与稳定上的需要，但是为了能满足超高热流冷却的需要，微槽道内部单相换热必须以较高的流速流过微通道，这需要额外增加推动力。微槽道水力直径小，达到较高雷诺数(Re数)需要极高的压力，而目前尚不能制造出能连续长期运行的高压力、低流量的微型泵，因此开发一种在低流速下实现超高热流换热且冷却速度快、稳定的散热技术显得尤为重要。

微柱群强化传热技术是区别于空冷技术、微型热管技术及微槽群内部相变冷却技术的另一类正在开发和发展的微热***技术。目前国内外还没有大学或研究机构对此进行过***的研究。我们知道，常规尺度下单柱的绕流特性在雷诺数(Re数)小于150的时候尾流区就能形成卡门涡街，当雷诺数(Re数)大于300时，尾流区完全就变成紊流；而对于微柱群，尺寸变小后，微空间内的绕流更易受柱表面及底面粗糙度影响，同时柱与柱之间的流动也会相互扰动，这些会导致在更低雷诺数(Re数)下，在微柱群的尾流区形成卡门涡街和紊流，进一步减小原本就在微空间比常规空间薄得多的那层导热液层。因此，微柱群结构可能会在低雷诺数(Re数)下极大的提高对流换热系数。通过对比我们还发现，当微柱群内水力直径(在这里这个水力直径是以平均柱间距及柱高所形成通道的水力直径)与微槽的水力直径相同时，微柱群内部换热强度将远远高于微槽道内的换热强度。在微柱群中，由于其有更高的面积与体积之比及低雷诺数(Re数)下流动的转捩，从而在相同的流速下，微柱群内部换热强度将远远高于微槽道内的换热强度。尽管在低雷诺数(Re数)下，微柱群间就出现扰动或紊流，会增加一定的流动阻力，产生压力降，但由于流动转捩所导致的超强换热能力会使其在相同换热能力下具有一个更低的压力降，也就是说在相同水力直径且流速相同时具有更低的压力损失。通过以上分析可以看出，在理论上，微柱群可以有效的解决小空间，高发热量元器件的散热问题。同时我们又知道，目前的冷却方式都存在着无法克服的弊端。目前在热设计中广泛使用的冷却方式有以下几种：(1)自然冷却；(2)强迫风冷；(3)强迫液冷；(4)液体蒸发制冷。在发热***中都是采用某种冷却方式与相应散热结构及材料组合来完成发热元件的散热。以下是CPU散热中一般采用的两种散热模式：①散热片加风扇(如图1)，采用强制对流和自然对流结合散热。②液冷(单相，区别于相变，如图2)，采用强制对流散热。而现有CPU液冷换热器的散热能力有限，在考虑通道内结构的时候基本是以增大换热面积为出发点，因此其换热能力只有几十瓦(一般在50瓦以下)每平方厘米(取决于风扇功率和散热片的散热面积)。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足提出了一种能够满足微小空间、高热流下进行高效散热的换热器，这种换热器首先将柱群这一概念引入微尺度空间，与普通的换热器相比具有体积小、传热效率高等特性，这些特性主要依靠冷却器内部冷却模块上的微柱群内具有的超高的导热系数及其结构设计来实现的。

本方案是通过如下技术措施来实现的：它包括上方开口且带有中空凹槽的壳体和与之配合的上盖板，所述壳体和上盖板之间水密封，所述壳体和上盖板封装在一起共同构成带有工质进口和工质出口的换热器，其特征是在所述壳体中的凹槽底板表面设置有由多个微柱交叉排列组成的微柱群。

本方案的具体特点还有，所述换热器的材料为紫铜或者铝合金，本换热器在其材料选择上主要考虑的是高导热系数的金属，金属的导热系数主要取决于材料的种类和温度，可根据需要选择不同的金属，一般散热模块的核心选择有色金属材料中导热系数较高的紫铜，其导热系数高达388W/K.m，而为了减小微型换热器的自身重量，换热器的封装壳体也可选用铝合金。

所述微柱为圆柱或者棱柱。所述棱柱包括三棱柱和四棱柱。所述微柱群为圆柱群。所述微柱群为三棱柱群。所述三棱柱群中的三棱柱横截面可以为正三角形、等腰三角形、直角三角形、锐角三角形、钝角三角形。所述微柱群为四棱柱群。所述四棱柱群中的四棱柱的横截面可以为正方形，长方形，菱形或其他四边形。所述微柱群由圆柱和三棱柱组成的微柱群。所述微柱群由圆柱和四棱柱组成的微柱群。所述微柱群由三棱柱和四棱柱组成的微柱群。所述微柱群由圆柱、三棱柱和四棱柱组成的微柱群。所述柱群中微柱加工尺寸的范围是：长：0.1～5毫米；宽：0.1～5毫米，高：0.1～5毫米。本发明的换热器的冷却模块内有许多微型柱，包括圆柱、三棱柱、四棱柱以及两种或两种以上的柱形组合，两种柱形组合的包括圆柱与三棱柱、圆柱与四棱柱、三棱柱与四棱柱；三种柱形组合的圆柱、三棱柱和四棱柱。以上柱群中，微柱顶端面与凹槽底板面平行，且微柱可与底板面成一定角度α，0°＜α＜180°，在本发明中主要涉及α＝30°，α＝45°，α＝60°，α＝90°，α＝120°，α＝135°，α＝150°等情况，其中α＝90°的情况是主要研究对象。所述工质进口和工质出口设置于上盖板上。所述工质进口和工质出口设置于壳体上。

本方案的有益效果可根据对上述方案的叙述得知，本发明所设计的换热器，液体工质在微柱群内的流动是单相的，在散热的过程中不发生相变(发热元件一般工作温度都不允许超过80℃，因此散热工质的温度不会超过这一温度，一般选用工质都处于液态)，与普通的换热器相比不仅体积微小，而且具有超高的冷却性能。当选用40℃的纯净水作为工质，控制工质的入口流速在1m/s时，所有以上各种微柱群换热模块，均可以有效的将高发热模块的热量带走，其散热能力范围从50W/cm²到300W/cm²变化。因此本发明中换热器散热能力的增强是显而易见的。在本发明中，把柱群结构用于微尺度传热中，尤其在微型换热器的核心部分，它有如下优点：(1)当流体工质流过柱群时，由于柱群间空间限制，形成比常规空间内更薄的层流底层，使其具有更大的换热系数；(2)随着柱群的尺寸的减小，其体面比也随之减小，大大增加换热面积；(3)合理的柱群排布及组合可以有效的控制流过柱群的液体的流场，从而大大强化其换热效果。综合上述三点，所发明的换热器在单位空间内能带走更多的热量。因此本发明与现有技术相比，实现了技术目的。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详细的描述。

图1传统CPU风冷散热***示意图；

图2传统CPU液冷散热***示意图；

图3为壳体上带有工质出入口的换热器封装结构示意图；

图4为壳体带有工质出入口的换热器组件示意图；

图5为上盖板上带有工质出入口的换热器封装结构示意图；

图6为上盖板上带有工质出入口的换热器组件示意图；

图7为壳体中设置由圆柱组成的微柱群；

图8为壳体中设置由横截面为正三角形的三棱柱组成的微柱群；

图9为壳体中设置由横截面为菱形的四棱柱组成的微柱群；

图10为壳体中设置由横截面为长方形的四棱柱组成的微柱群；

图11为壳体中设置由横截面为长方形的四棱柱和圆柱组成的微柱群；

图12为壳体中设置由横截面为正三角形的三棱柱和圆柱组成的微柱群；

图13为壳体中设置由横截面为菱形的四棱柱和圆柱组成的微柱群；

图14为壳体中设置由横截面为长方形的四棱柱和横截面为菱形的四棱柱组成的微柱群；

图15为壳体中设置由横截面为长方形的四棱柱和横截面为三角形的三棱柱组成的微柱群；

图16为壳体中设置由横截面为三角形的三棱柱和横截面为菱形的四棱柱组成的微柱群；

图17为微柱群换热器循环***示意图；

图中，1、工质入口，2、工质出口，3、螺纹孔，4、微柱群，5、凹槽底板，6、通孔，7、上盖板，8、螺栓，9、密封垫，10、外壳。

具体实施方式

如图1所示，该模式是现有的一般计算机CPU散热的通用方式，其主要工作原理就是在CPU发热端面加装散热翅片，通过翅片把CPU中的热量带出，然后由风扇带来的风把翅片中的热量带走，该方案结构简单，比较容易实现。但是，我们知道，当发热元件的发热量达到20W/cm²，风冷就比较难以解决，图1方案中是通过增大换热面积的方法(翅片加工)来实现CPU的有效散热的。在Intel公司的奔腾4处理器(3.06GHz)中，其最高发热量已经接近50W/cm²，通过以上方案的结果就是散热结构庞大而沉重。然而发热芯片的发热量快速提高是发展的必然，尽管芯片制造商通过各种技术来降低芯片本身的发热量。

如图2所示，这一模式就是在风冷已经不能满足现有需求的情况下走上历史舞台的，这一方案就是通过一个液冷模块有效而又及时的把CPU的高发热量带出，然后通过一个二次散热***把热量散出。在图2中的液冷换热器中，一般是一个由金属为材料，通过机加工制作出的一个空腔，有部分产品内部结构上有简单处理，但基本是以增大换热面积为出发点，冷却液体在空腔中流动将热量带走。这一简单模式必然导致液冷散热效率的低下，同时其制作尺度一般较大，很难在一些小空间、高发热量元件上得到应用。

通过以上分析，我们知道，微柱群换热器在小空间、高发热元器件的散热中的应用是必然的也是可行的。而传统的CPU液冷散热模块内部，如图2中液体换热器的结构基本是以增加换热面积为出发点的。

本发明中主要采用了两种封装方式：一种是如图3～4所示，工质出口1和入口2设置在壳体10上，上盖板7通过密封垫9与壳体10用螺栓8连接在一起；一种是如图5～6所示，工质出口1和入口2设置在上盖板7上，上盖板7通过密封垫9与壳体10用螺栓8连接在一起。为了满足小空间、高热流的散热的要求，本发明选用很薄的紫铜板，采用特种机加工技术在紫铜板上做出微型柱群结构，即在一个金属板上通过机加工制作一个可供液体流过的中空凹槽，凹槽底板上制作的微柱群，在这里微柱群4和凹槽底板5是一体的。如图7～10所示，分别为壳体中设置由圆柱组成的微柱群；由横截面为正三角形的三棱柱组成的微柱群；由横截面为菱形的四棱柱组成的微柱群；由横截面为长方形的四棱柱组成的微柱群；

微型柱群的排列还可以根据实际需要进行尺寸、各柱形先后位置的不同排列方式、几种形状的微柱的排列组合上的变化，如图11～16所示，微柱群4的结构形式与前面的相同，主要的区别在于这几种都是两种柱形的组合排布。除此之外，本发明的微柱群还包括由圆柱和棱柱所能构成的所有组合方式；同时，还可以对各种柱形在微柱群中的不同排列顺序、排列密度及所占排数进行选择和组合。

其工作原理如图17所示，对于整个散热***的循环来说，单相超高热流微柱群换热器设计的回路简单，分为两次换热，一次换热由微柱群换热器把高发热热源中的热量导入工质中带出，二次换热将工质中的热量释放到环境中。冷却工质在微柱群换热器中流过，冷却工质经过微型换热器特殊设计的结构以后，带走了发热源的大部分热量，剩下的热量由散热片本身的材料来散发，这时冷却工质温度升高，高温工质经过管路输送到二次散热装置中，经过二次散热装置的散热后，高温工质变为低温工质。在这里二次换热装置可以根据需要而选择不同的换热方式和设备。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1、一种单相超高热流微柱群换热器，它包括上方开口且带有中空凹槽的壳体和与之配合的上盖板，所述壳体和上盖板之间水密封，所述壳体和上盖板封装在一起共同构成带有工质进口和工质出口的换热器，其特征是在所述壳体中的凹槽底板表面设置有由多个微柱交叉排列组成的微柱群。

2、根据权利要求1所述的单相超高热流微柱群换热器，其特征是所述换热器的材料为紫铜或者铝合金。

3、根据权利要求1所述的单相超高热流微柱群换热器，其特征是所述微柱为圆柱或者棱柱。

4、根据权利要求3所述的单相超高热流微柱群换热器，其特征是所述棱柱包括三棱柱和/或四棱柱。

5、根据权利要求1所述的单相超高热流微柱群换热器，其特征是所述微柱群由圆柱和三棱柱组成的微柱群。

6、根据权利要求1所述的单相超高热流微柱群换热器，其特征是所述微柱群由圆柱和四棱柱组成的微柱群。

7、根据权利要求1所述的单相超高热流微柱群换热器，其特征是所述微柱群由圆柱、三棱柱和四棱柱组成的微柱群。

8、根据权利要求1所述的单相超高热流微柱群换热器，其特征是所述柱群中微柱加工尺寸的范围是：长：0.1～5毫米；宽：0.1～5毫米，高：0.1～5毫米。

9、根据权利要求1所述的单相超高热流微柱群换热器，其特征是微柱顶端面与凹槽底板面平行，且微柱可与底板面成一定角度，即微柱侧棱与底板面的夹角为0°＜α＜180°。

10、根据权利要求9所述的单相超高热流微柱群换热器，其特征是α为30°或者45°或者60°或者90°或者120°或者135°或者150°。

Images