專利名稱：單相超高熱流微柱群換熱器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微尺度傳熱領(lǐng)域，尤其涉及一種單相超高熱流微柱群換熱器。
背景技術(shù)：
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，各種尖端技術(shù)領(lǐng)域?qū)ζ渖嵯到y(tǒng)要求越來越高，既要求散熱功率大，又要求體積微小，這就必然涉及到微傳熱學(xué)(Micro HeatTransfer，簡稱MHT)的研究。無論在學(xué)術(shù)還是在技術(shù)上，微傳熱學(xué)正在上升為熱學(xué)工程(Thermal Engineering)中一個新興的主要分支，將在微型機(jī)械(MEMS)、新能源、航天、生物技術(shù)、微電子、大功率激光器、高性能換熱器、高溫燃?xì)廨啓C(jī)及核聚反應(yīng)器等領(lǐng)域有著極為廣闊的應(yīng)用前景。在各種微型換熱系統(tǒng)中，大多數(shù)的研究者從事微型熱管技術(shù)，包括毛細(xì)型、強(qiáng)制震動(振蕩)型等及微槽(群)內(nèi)部單相與相變的研究，并取得了不少的研究成果。在微熱管技術(shù)研究中，由于受微細(xì)管內(nèi)部流動特性的制約，毛細(xì)型微熱管技術(shù)已遇到了臨界熱流制約問題；而對于自勵振蕩熱管來說，由于對其機(jī)理認(rèn)識極不充分，其研究還處于初級階級。
計算結(jié)果顯示，微槽群內(nèi)部蒸發(fā)熱流密度的理論極限值已經(jīng)達(dá)到1000W/cm2以上，同時借助相變蒸發(fā)力及毛細(xì)力，以微槽群為核心部件的換熱裝置可以在無動力情況下實現(xiàn)循環(huán)，然而微小尺寸(比如微槽群內(nèi)部相變)內(nèi)部相變穩(wěn)定時間較長(在實驗中，穩(wěn)定時間一般需要幾個小時)，且存在相變振蕩現(xiàn)象，容易導(dǎo)致?lián)Q熱面溫度較大幅度的波動，因此采用微槽群相變蒸發(fā)換熱用于各種極端場合冷卻暫時存在著無法克服的困難。微通道內(nèi)部單相流時，冷卻速度快、穩(wěn)定，完全可以滿足一些極端冷卻場合下時間與穩(wěn)定上的需要，但是為了能滿足超高熱流冷卻的需要，微槽道內(nèi)部單相換熱必須以較高的流速流過微通道，這需要額外增加推動力。微槽道水力直徑小，達(dá)到較高雷諾數(shù)(Re數(shù))需要極高的壓力，而目前尚不能制造出能連續(xù)長期運行的高壓力、低流量的微型泵，因此開發(fā)一種在低流速下實現(xiàn)超高熱流換熱且冷卻速度快、穩(wěn)定的散熱技術(shù)顯得尤為重要。
微柱群強(qiáng)化傳熱技術(shù)是區(qū)別于空冷技術(shù)、微型熱管技術(shù)及微槽群內(nèi)部相變冷卻技術(shù)的另一類正在開發(fā)和發(fā)展的微熱系統(tǒng)技術(shù)。目前國內(nèi)外還沒有大學(xué)或研究機(jī)構(gòu)對此進(jìn)行過系統(tǒng)的研究。我們知道，常規(guī)尺度下單柱的繞流特性在雷諾數(shù)(Re數(shù))小于150的時候尾流區(qū)就能形成卡門渦街，當(dāng)雷諾數(shù)(Re數(shù))大于300時，尾流區(qū)完全就變成紊流；而對于微柱群，尺寸變小后，微空間內(nèi)的繞流更易受柱表面及底面粗糙度影響，同時柱與柱之間的流動也會相互擾動，這些會導(dǎo)致在更低雷諾數(shù)(Re數(shù))下，在微柱群的尾流區(qū)形成卡門渦街和紊流，進(jìn)一步減小原本就在微空間比常規(guī)空間薄得多的那層導(dǎo)熱液層。因此，微柱群結(jié)構(gòu)可能會在低雷諾數(shù)(Re數(shù))下極大的提高對流換熱系數(shù)。通過對比我們還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)微柱群內(nèi)水力直徑(在這里這個水力直徑是以平均柱間距及柱高所形成通道的水力直徑)與微槽的水力直徑相同時，微柱群內(nèi)部換熱強(qiáng)度將遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于微槽道內(nèi)的換熱強(qiáng)度。在微柱群中，由于其有更高的面積與體積之比及低雷諾數(shù)(Re數(shù))下流動的轉(zhuǎn)捩，從而在相同的流速下，微柱群內(nèi)部換熱強(qiáng)度將遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于微槽道內(nèi)的換熱強(qiáng)度。盡管在低雷諾數(shù)(Re數(shù))下，微柱群間就出現(xiàn)擾動或紊流，會增加一定的流動阻力，產(chǎn)生壓力降，但由于流動轉(zhuǎn)捩所導(dǎo)致的超強(qiáng)換熱能力會使其在相同換熱能力下具有一個更低的壓力降，也就是說在相同水力直徑且流速相同時具有更低的壓力損失。通過以上分析可以看出，在理論上，微柱群可以有效的解決小空間，高發(fā)熱量元器件的散熱問題。同時我們又知道，目前的冷卻方式都存在著無法克服的弊端。目前在熱設(shè)計中廣泛使用的冷卻方式有以下幾種(1)自然冷卻；(2)強(qiáng)迫風(fēng)冷；(3)強(qiáng)迫液冷；(4)液體蒸發(fā)制冷。在發(fā)熱系統(tǒng)中都是采用某種冷卻方式與相應(yīng)散熱結(jié)構(gòu)及材料組合來完成發(fā)熱元件的散熱。以下是CPU散熱中一般采用的兩種散熱模式①散熱片加風(fēng)扇(如圖1)，采用強(qiáng)制對流和自然對流結(jié)合散熱。②液冷(單相，區(qū)別于相變，如圖2)，采用強(qiáng)制對流散熱。而現(xiàn)有CPU液冷換熱器的散熱能力有限，在考慮通道內(nèi)結(jié)構(gòu)的時候基本是以增大換熱面積為出發(fā)點，因此其換熱能力只有幾十瓦(一般在50瓦以下)每平方厘米(取決于風(fēng)扇功率和散熱片的散熱面積)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中的不足提出了一種能夠滿足微小空間、高熱流下進(jìn)行高效散熱的換熱器，這種換熱器首先將柱群這一概念引入微尺度空間，與普通的換熱器相比具有體積小、傳熱效率高等特性，這些特性主要依靠冷卻器內(nèi)部冷卻模塊上的微柱群內(nèi)具有的超高的導(dǎo)熱系數(shù)及其結(jié)構(gòu)設(shè)計來實現(xiàn)的。
本方案是通過如下技術(shù)措施來實現(xiàn)的它包括上方開口且?guī)в兄锌瞻疾鄣臍んw和與之配合的上蓋板，所述殼體和上蓋板之間水密封，所述殼體和上蓋板封裝在一起共同構(gòu)成帶有工質(zhì)進(jìn)口和工質(zhì)出口的換熱器，其特征是在所述殼體中的凹槽底板表面設(shè)置有由多個微柱交叉排列組成的微柱群。
本方案的具體特點還有，所述換熱器的材料為紫銅或者鋁合金，本換熱器在其材料選擇上主要考慮的是高導(dǎo)熱系數(shù)的金屬，金屬的導(dǎo)熱系數(shù)主要取決于材料的種類和溫度，可根據(jù)需要選擇不同的金屬，一般散熱模塊的核心選擇有色金屬材料中導(dǎo)熱系數(shù)較高的紫銅，其導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)388W/K.m，而為了減小微型換熱器的自身重量，換熱器的封裝殼體也可選用鋁合金。
所述微柱為圓柱或者棱柱。所述棱柱包括三棱柱和四棱柱。所述微柱群為圓柱群。所述微柱群為三棱柱群。所述三棱柱群中的三棱柱橫截面可以為正三角形、等腰三角形、直角三角形、銳角三角形、鈍角三角形。所述微柱群為四棱柱群。所述四棱柱群中的四棱柱的橫截面可以為正方形，長方形，菱形或其他四邊形。所述微柱群由圓柱和三棱柱組成的微柱群。所述微柱群由圓柱和四棱柱組成的微柱群。所述微柱群由三棱柱和四棱柱組成的微柱群。所述微柱群由圓柱、三棱柱和四棱柱組成的微柱群。所述柱群中微柱加工尺寸的范圍是長0.1～5毫米；寬0.1～5毫米，高0.1～5毫米。本發(fā)明的換熱器的冷卻模塊內(nèi)有許多微型柱，包括圓柱、三棱柱、四棱柱以及兩種或兩種以上的柱形組合，兩種柱形組合的包括圓柱與三棱柱、圓柱與四棱柱、三棱柱與四棱柱；三種柱形組合的圓柱、三棱柱和四棱柱。以上柱群中，微柱頂端面與凹槽底板面平行，且微柱可與底板面成一定角度α，0°＜α＜180°，在本發(fā)明中主要涉及α＝30°，α＝45°，α＝60°，α＝90°，α＝120°，α＝135°，α＝150°等情況，其中α＝90°的情況是主要研究對象。所述工質(zhì)進(jìn)口和工質(zhì)出口設(shè)置于上蓋板上。所述工質(zhì)進(jìn)口和工質(zhì)出口設(shè)置于殼體上。
本方案的有益效果可根據(jù)對上述方案的敘述得知，本發(fā)明所設(shè)計的換熱器，液體工質(zhì)在微柱群內(nèi)的流動是單相的，在散熱的過程中不發(fā)生相變(發(fā)熱元件一般工作溫度都不允許超過80℃，因此散熱工質(zhì)的溫度不會超過這一溫度，一般選用工質(zhì)都處于液態(tài))，與普通的換熱器相比不僅體積微小，而且具有超高的冷卻性能。當(dāng)選用40℃的純凈水作為工質(zhì)，控制工質(zhì)的入口流速在1m/s時，所有以上各種微柱群換熱模塊，均可以有效的將高發(fā)熱模塊的熱量帶走，其散熱能力范圍從50W/cm2到300W/cm2變化。因此本發(fā)明中換熱器散熱能力的增強(qiáng)是顯而易見的。在本發(fā)明中，把柱群結(jié)構(gòu)用于微尺度傳熱中，尤其在微型換熱器的核心部分，它有如下優(yōu)點(1)當(dāng)流體工質(zhì)流過柱群時，由于柱群間空間限制，形成比常規(guī)空間內(nèi)更薄的層流底層，使其具有更大的換熱系數(shù)；(2)隨著柱群的尺寸的減小，其體面比也隨之減小，大大增加換熱面積；(3)合理的柱群排布及組合可以有效的控制流過柱群的液體的流場，從而大大強(qiáng)化其換熱效果。綜合上述三點，所發(fā)明的換熱器在單位空間內(nèi)能帶走更多的熱量。因此本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，實現(xiàn)了技術(shù)目的。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。
圖1傳統(tǒng)CPU風(fēng)冷散熱系統(tǒng)示意圖；圖2傳統(tǒng)CPU液冷散熱系統(tǒng)示意圖；圖3為殼體上帶有工質(zhì)出入口的換熱器封裝結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為殼體帶有工質(zhì)出入口的換熱器組件示意圖；圖5為上蓋板上帶有工質(zhì)出入口的換熱器封裝結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為上蓋板上帶有工質(zhì)出入口的換熱器組件示意圖；圖7為殼體中設(shè)置由圓柱組成的微柱群；圖8為殼體中設(shè)置由橫截面為正三角形的三棱柱組成的微柱群；圖9為殼體中設(shè)置由橫截面為菱形的四棱柱組成的微柱群；
圖10為殼體中設(shè)置由橫截面為長方形的四棱柱組成的微柱群；圖11為殼體中設(shè)置由橫截面為長方形的四棱柱和圓柱組成的微柱群；圖12為殼體中設(shè)置由橫截面為正三角形的三棱柱和圓柱組成的微柱群；圖13為殼體中設(shè)置由橫截面為菱形的四棱柱和圓柱組成的微柱群；圖14為殼體中設(shè)置由橫截面為長方形的四棱柱和橫截面為菱形的四棱柱組成的微柱群；圖15為殼體中設(shè)置由橫截面為長方形的四棱柱和橫截面為三角形的三棱柱組成的微柱群；圖16為殼體中設(shè)置由橫截面為三角形的三棱柱和橫截面為菱形的四棱柱組成的微柱群；圖17為微柱群換熱器循環(huán)系統(tǒng)示意圖；圖中，1、工質(zhì)入口，2、工質(zhì)出口，3、螺紋孔，4、微柱群，5、凹槽底板，6、通孔，7、上蓋板，8、螺栓，9、密封墊，10、外殼。
具體實施例方式
如圖1所示，該模式是現(xiàn)有的一般計算機(jī)CPU散熱的通用方式，其主要工作原理就是在CPU發(fā)熱端面加裝散熱翅片，通過翅片把CPU中的熱量帶出，然后由風(fēng)扇帶來的風(fēng)把翅片中的熱量帶走，該方案結(jié)構(gòu)簡單，比較容易實現(xiàn)。但是，我們知道，當(dāng)發(fā)熱元件的發(fā)熱量達(dá)到20W/cm2，風(fēng)冷就比較難以解決，圖1方案中是通過增大換熱面積的方法(翅片加工)來實現(xiàn)CPU的有效散熱的。在Intel公司的奔騰4處理器(3.06GHz)中，其最高發(fā)熱量已經(jīng)接近50W/cm2，通過以上方案的結(jié)果就是散熱結(jié)構(gòu)龐大而沉重。然而發(fā)熱芯片的發(fā)熱量快速提高是發(fā)展的必然，盡管芯片制造商通過各種技術(shù)來降低芯片本身的發(fā)熱量。
如圖2所示，這一模式就是在風(fēng)冷已經(jīng)不能滿足現(xiàn)有需求的情況下走上歷史舞臺的，這一方案就是通過一個液冷模塊有效而又及時的把CPU的高發(fā)熱量帶出，然后通過一個二次散熱系統(tǒng)把熱量散出。在圖2中的液冷換熱器中，一般是一個由金屬為材料，通過機(jī)加工制作出的一個空腔，有部分產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)上有簡單處理，但基本是以增大換熱面積為出發(fā)點，冷卻液體在空腔中流動將熱量帶走。這一簡單模式必然導(dǎo)致液冷散熱效率的低下，同時其制作尺度一般較大，很難在一些小空間、高發(fā)熱量元件上得到應(yīng)用。
通過以上分析，我們知道，微柱群換熱器在小空間、高發(fā)熱元器件的散熱中的應(yīng)用是必然的也是可行的。而傳統(tǒng)的CPU液冷散熱模塊內(nèi)部，如圖2中液體換熱器的結(jié)構(gòu)基本是以增加換熱面積為出發(fā)點的。
本發(fā)明中主要采用了兩種封裝方式一種是如圖3～4所示，工質(zhì)出口1和入口2設(shè)置在殼體10上，上蓋板7通過密封墊9與殼體10用螺栓8連接在一起；一種是如圖5～6所示，工質(zhì)出口1和入口2設(shè)置在上蓋板7上，上蓋板7通過密封墊9與殼體10用螺栓8連接在一起。為了滿足小空間、高熱流的散熱的要求，本發(fā)明選用很薄的紫銅板，采用特種機(jī)加工技術(shù)在紫銅板上做出微型柱群結(jié)構(gòu)，即在一個金屬板上通過機(jī)加工制作一個可供液體流過的中空凹槽，凹槽底板上制作的微柱群，在這里微柱群4和凹槽底板5是一體的。如圖7～10所示，分別為殼體中設(shè)置由圓柱組成的微柱群；由橫截面為正三角形的三棱柱組成的微柱群；由橫截面為菱形的四棱柱組成的微柱群；由橫截面為長方形的四棱柱組成的微柱群；微型柱群的排列還可以根據(jù)實際需要進(jìn)行尺寸、各柱形先后位置的不同排列方式、幾種形狀的微柱的排列組合上的變化，如圖11～16所示，微柱群4的結(jié)構(gòu)形式與前面的相同，主要的區(qū)別在于這幾種都是兩種柱形的組合排布。除此之外，本發(fā)明的微柱群還包括由圓柱和棱柱所能構(gòu)成的所有組合方式；同時，還可以對各種柱形在微柱群中的不同排列順序、排列密度及所占排數(shù)進(jìn)行選擇和組合。
其工作原理如圖17所示，對于整個散熱系統(tǒng)的循環(huán)來說，單相超高熱流微柱群換熱器設(shè)計的回路簡單，分為兩次換熱，一次換熱由微柱群換熱器把高發(fā)熱熱源中的熱量導(dǎo)入工質(zhì)中帶出，二次換熱將工質(zhì)中的熱量釋放到環(huán)境中。冷卻工質(zhì)在微柱群換熱器中流過，冷卻工質(zhì)經(jīng)過微型換熱器特殊設(shè)計的結(jié)構(gòu)以后，帶走了發(fā)熱源的大部分熱量，剩下的熱量由散熱片本身的材料來散發(fā)，這時冷卻工質(zhì)溫度升高，高溫工質(zhì)經(jīng)過管路輸送到二次散熱裝置中，經(jīng)過二次散熱裝置的散熱后，高溫工質(zhì)變?yōu)榈蜏毓べ|(zhì)。在這里二次換熱裝置可以根據(jù)需要而選擇不同的換熱方式和設(shè)備。
當(dāng)然，上述說明并非是對本發(fā)明的限制，本發(fā)明也并不僅限于上述舉例，本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的實質(zhì)范圍內(nèi)所做出的變化、改型、添加或替換，也應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種單相超高熱流微柱群換熱器，它包括上方開口且?guī)в兄锌瞻疾鄣臍んw和與之配合的上蓋板，所述殼體和上蓋板之間水密封，所述殼體和上蓋板封裝在一起共同構(gòu)成帶有工質(zhì)進(jìn)口和工質(zhì)出口的換熱器，其特征是在所述殼體中的凹槽底板表面設(shè)置有由多個微柱交叉排列組成的微柱群。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單相超高熱流微柱群換熱器，其特征是所述換熱器的材料為紫銅或者鋁合金。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單相超高熱流微柱群換熱器，其特征是所述微柱為圓柱或者棱柱。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的單相超高熱流微柱群換熱器，其特征是所述棱柱包括三棱柱和/或四棱柱。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單相超高熱流微柱群換熱器，其特征是所述微柱群由圓柱和三棱柱組成的微柱群。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單相超高熱流微柱群換熱器，其特征是所述微柱群由圓柱和四棱柱組成的微柱群。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單相超高熱流微柱群換熱器，其特征是所述微柱群由圓柱、三棱柱和四棱柱組成的微柱群。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單相超高熱流微柱群換熱器，其特征是所述柱群中微柱加工尺寸的范圍是長0.1～5毫米；寬0.1～5毫米，高0.1～5毫米。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單相超高熱流微柱群換熱器，其特征是微柱頂端面與凹槽底板面平行，且微柱可與底板面成一定角度，即微柱側(cè)棱與底板面的夾角為0°＜α＜180°。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的單相超高熱流微柱群換熱器，其特征是α為30°或者45°或者60°或者90°或者120°或者135°或者150°。
全文摘要
一種單相超高熱流微柱群換熱器，它包括上方開口且?guī)в兄锌瞻疾鄣臍んw和與之配合的上蓋板，所述殼體和上蓋板之間水密封，所述殼體和上蓋板封裝在一起共同構(gòu)成帶有工質(zhì)進(jìn)口和工質(zhì)出口的換熱器，在所述殼體中的凹槽底板表面設(shè)置有由多個微柱交叉排列組成的微柱群。本發(fā)明主要用于換熱器。
文檔編號G12B15/06GK101026948SQ20071001384
公開日2007年8月29日 申請日期2007年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月26日
發(fā)明者劉志剛, 張承武 申請人:山東省科學(xué)院能源研究所