一种基于微凹槽与小翼的微通道热沉

技术领域

本发明涉及微电子芯片的散热技术领域，具体涉及一种基于微凹槽和小翼的微通道热沉。

背景技术

在能源动力、微电子技术以及航空航天工程等领域中，随着微机电系统(MEMS)快速发展和电子元件集成度不断提高，导致电子元件的热流密度迅速增加。据专家预测，整个芯片的平均热流密度将达到500W/cm

微通道热沉(MCHS)具有高效散热、结构紧凑、占地面积小以及制冷剂充注量少等优点，是解决微电子器件在热环境下散热问题的重要途径之一。目前，微通道热沉大多采用平直矩形截面的微通道，随着冷却剂在微通道中流动，在平直通道内会形成较厚的速度边界层、热边界层，影响微通道中的流动与传热过程，对散热效果的提高有限。同时，如果要满足较大的热流密度要求，需要付出的压力损失较大，系统所需的泵功也较大。因此，在高效散热技术研究中，减小压力损失是一个需要考虑的重要因素。为此，研究人员对微通道热沉的结构进行了改进和优化。

在现有技术中，研究人员在平直矩形截面微通道中增加针肋、凸起、矩形小翼以及凹槽等扰流装置来增强散热能力，例如：在(Wang,Hua,Sheng,etal.Numerical study oflaminar flow and heat transfer in microchannel heat sink with offset ribs onsidewalls[J].Applied thermal engineering:Design,processes,equipment,economics,2016,92:32-41)中提出，微通道中采用三角形、矩形和圆形的凸肋破坏连续发展的边界层，虽然传热能力有所提升，但是也产生较大的压力损失；在(Zhu Q,Xia H,ChenJ,et al.Fluid flow and heat transfer characteristics of microchannel heatsinks with different groove shapes[J].International Journal of ThermalSciences,2021,161:106721)中提出，微通道中采用三角形、矩形、水滴形等凹槽结构，凹槽结构能够增大流体与热沉的接触面积，减小通道内的压力损失，但是对于换热能力的提升十分有限。上述结构相较于传统热沉结构具有较大改进，但是目前微通道热沉存在的问题有：1.提出的结构能够改善传热性能，但是产生的压力损失较大，系统所需的泵功较大；2.提出的结构能够在一定程度上减小压力损失，但是传热性能的提升不明显，无法满足大功率芯片的散热需求。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于微凹槽与小翼的高效低阻的微通道热沉，以解决现有微通道热沉在明显提升换热能力的同时压力损失较大的问题。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于微凹槽与小翼的微通道热沉，包括热沉基体，热沉基体下方设置有热源，热沉基体上方设置有盖板，热沉基体一体成型并设置有结构相同、平行等间距的槽型流体通道，槽型流体通道的侧壁表面设置有三角形凹槽和矩形小翼，盖板上设置流体进口和流体出口，热沉基体上设置有分别与流体进口和流体出口对应的入流通道和出流通道；使用时，冷却介质从流体进口流入，经过入流通道流经各个槽型流体通道至出流通道，最后从流体出口流出。

进一步地，所述槽型流体通道的侧壁表面等间距设置所述三角形凹槽，所述槽型流体通道的侧壁表面等间距设置所述矩形小翼，且槽型流体通道两侧的三角形凹槽和矩形小翼均对称设置。

进一步地，所述三角形凹槽和矩形小翼相互交错设置。

进一步地，所述三角形凹槽的截面形状为等腰三角形、等边三角形或直角三角形。

进一步地，所述矩形小翼由一体成型的上半部分矩形和下半部分矩形组成。

进一步地，所述矩形小翼的上半部分矩形和下半部分矩形的倾斜方向相反，且上半部分矩形和下半部分矩形与水平方向之间的锐角大小一致，取值范围为30°～60°。

进一步地，所述槽型流体通道的底面为光滑表面。

进一步地，所述流体进口和流体出口均为圆孔。

进一步地，所述盖板上设置若干个流体进口和若干个流体出口。

进一步地，所述热沉基体材料为铜或硅。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明结构简单，能使流体产生射流作用、纵向涡、混沌对流，具有增强冷热流体的掺混、降低加热面温度、提高热沉结构温度均匀性的优点。本发明在微通道侧壁间隔设置矩形小翼和三角形凹槽，在冷却工质流经微通道内的矩形小翼时，流向上产生纵向涡结构，促进冷热流体的掺混，起到强化换热作用，同时纵向涡的产生会削薄边界层，产生的流体压力损失较小。冷却工质周期性地流经微通道内凹槽时，由于边界层的中断和再发展、涡的形成以及周期性的节流和射流作用，增加了流体的扰动，具有改善换热的作用，同时冷却工质在流经所述凹槽结构时，形成平滑扰动，降低了流体的粘性阻力。

进一步地，本发明所设置的若干矩形小翼尺寸一致、间距一致，若干三角形凹槽的尺寸一致、间距一致，保持微通道热沉内部各流动单元几何尺寸一致，换热有较好的均匀性。

进一步地，本发明在微通道侧壁间隔设置矩形小翼和三角形凹槽，由于矩形小翼和三角形凹槽的耦合作用，纵向涡增加了凹槽内的漩涡强度，增强了局部散热能力。

进一步地，本发明设置矩形小翼上半部分和小半部分的倾斜角度一致，取值范围为30°-60°，在冷却工质流动方向上，保证微通道热沉内部各流动单元的几何尺寸一致，换热具有较好的均匀性，同时冷却工质在经过矩形小翼上下部分的空隙时，可以产生局部射流效果，冷却工质流速增加，换热能力增强，有助于提高微通道热沉的换热效率。

进一步地，本发明的冷却工质入口和冷却工质出口设置在顶部盖板上，冷却工质的入口和出口均与微通道底面垂直，冷却工质通过盖板顶部的入口垂直进入微通道内，形成射流冲击，强化入口段的换热。

附图说明

说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明的外观结构三维视图。

图2为本发明各部件的爆炸视图。

图3为本发明内部结构的俯视图。

图4为本发明的矩形小翼和三角形凹槽的局部放大图。

图5为实施例一的换热效果与压力损失展示图。

其中，1、热沉基体；2、盖板；3、热源；1.1、槽型流体通道；1.2、三角形凹槽；1.3、矩形小翼；1.4、入流通道；1.5、出流通道；2.1、流体进口；2.2、流体出口。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合附图，对本发明技术方案进行进一步详细描述，所述是对本发明的解释而不是限定。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

如图1-图4所示，本发明公开了一种基于微凹槽与小翼的微通道热沉，包括热沉基体1和盖板2，热源3设置在热沉基体1下方，热沉基体1一体成型并设置有若干个结构相同、平行、等间距布置的槽型流体通道1.1，槽型流体通道1.1的侧壁表面等间距设置有三角形凹槽1.2或矩形小翼1.3。盖板2位于热沉基体1上方，盖板2上设置流体进口2.1和流体出口2.2，冷却介质从流体进口2.1流入，经过入流通道1.5流经各个微通道单元至出流通道1.6，最后从流体出口2.2流出。冷却介质的流体进口2.1和流体出口2.2均为圆孔，其个数不限于一个，可根据实际工质流动的耗功及实际工艺要求增减。槽型流体通道1.1侧壁设置的三角形凹槽1.2或所述矩形小翼1.3相互交错设置，流体通道的底面为光滑表面。槽型流体通道1.1的侧壁表面分别等间距设置有三角形凹槽1.2和矩形小翼1.3。三角形凹槽1.2的截面形状为等腰三角形、等边三角形或直角三角形，可以增大换热面积，起到了提高热沉整体换热能力的作用，同时流体流经凹槽结构时，形成平滑扰动，可以减小冷却工质在微通道的流动阻力。矩形小翼1.3的上下部分分别与水平方向夹角不限于45°，可取值范围为30°-60°，本实例优选为45°，流体经过矩形小翼结构在流体通道内产生纵向涡，起到了提高热沉整体换热能力的作用。

热沉结构的具体尺寸及子通道数量、尺寸，三角形凹槽1.2和矩形小翼1.3的数量、尺寸和间距可根据实际流动与传热及实际工艺要求确定。

微通道热沉的热沉基体材料一般选取金属材料和非金属材料两种。金属材料一般选取铜材料(Cu)，非金属材料一般选取硅材料(Si)，不同的基体材料需要采用不同的加工方式。铜材料微通道热沉的制造方式一般有粉末烧结、电化学放电和线切割等，硅材料微通道热沉的制造方式一般有光刻蚀微影和微放电等。冷却介质一般采用去离子水、乙醇和氟利昂等液体，还可以采用空气、氮气等气体。

实施例一

根据上述详细说明的微通道热沉的结构进行实施，微通道热沉的热沉基体材料选取铜材料，矩形小翼1.3与水平方向的夹角设置为45°，盖板上流体进口2.1和流体进口2.2分别设置一个。所述槽型流体通道1.1的侧壁表面等间距设置截面形状为等腰三角形的三角形凹槽1.2以及等间距设置矩形小翼1.3，它们的长度方向均与冷却介质的流动方向一致，流体沿着所述槽型流体通道1.1长度方向流动，在流经矩形小翼1.3时，在通道流动方向产生纵向涡流结构，削薄通道内的边界层，使流体在槽型流体通道1.1内产生混沌对流，提高流体的传热效率，由于边界层被削薄而不是破坏，因此产生的压力损失较小。流体流经矩形小翼1.3后流经三角形凹槽1.2，由于流体和壁面接触面积突然增加，流体速度减小并与主流产生速度差，因此在三角形凹槽1.2中产生沿通道逆向的漩涡，破坏局部流动和传热边界层，增强冷热流体的混合，大大改善热沉的散热性能，由于流体局部速度减小，流体流经凹槽时形成平滑扰动，因此三角形凹槽1.2产生的压力损失较小，消耗泵功较少。同时流体在流经三角形凹槽1.2前产生了纵向涡结构，因此三角形凹槽1.2中的漩涡强度增加，热沉结构阻热降低，热沉基体底面温度更加均匀。

图5为本实施例的换热效果与压力损失效果展示，其数据为数值模拟计算结果，采用FLUENT 19.2进行模拟计算，其中数值计算方法和计算模型均经过了验证。实际计算模型为本发明的一个周期性单元。图5为给定入口速度条件下的传统微通道与本发明的努塞尔数及阻力因子对比图，其中冷却工质为去离子水，热沉基体为硅材料；通道入口速度分别为：0.5m/s、0.75m/s、1m/s、1.25m/s和1.5m/s，出口为压力出口边界条件；热沉底部施加100W/cm

实施例二

根据上述详细说明的微通道热沉的结构进行实施，微通道热沉的热沉基体材料选取硅材料，矩形小翼1.3与水平方向的夹角设置为30°，盖板上流体进口2.1和流体进口2.2分别设置两个。在槽型流体通道1.1的侧壁表面等间距设置截面形状为等边三角形的三角形凹槽1.2以及等间距设置矩形小翼1.3，它们的长度方向均与冷却介质的流动方向一致，流体沿着所述槽型流体通道1.1长度方向流动，在流经矩形小翼1.3时，在通道流动方向产生纵向涡流结构，削薄通道内的边界层，使流体在槽型流体通道1.1内产生混沌对流，提高流体的传热效率，由于边界层被削薄而不是破坏，因此产生的压力损失较小。流体流经矩形小翼1.3后流经三角形凹槽1.2，由于流体和壁面接触面积突然增加，流体速度减小并与主流产生速度差，因此在三角形凹槽1.2中产生沿通道逆向的漩涡，破坏局部流动和传热边界层，增强冷热流体的混合，大大改善热沉的散热性能，由于流体局部速度减小，流体流经凹槽时形成平滑扰动，因此三角形凹槽1.2产生的压力损失较小，消耗泵功较少。同时流体在流经三角形凹槽1.2前产生了纵向涡结构，因此三角形凹槽1.2中的漩涡强度增加，热沉结构阻热降低，热沉基体底面温度更加均匀。

实施例三

根据上述详细说明的微通道热沉的结构进行实施，微通道热沉的热沉基体材料选取铜材料，矩形小翼1.3与水平方向的夹角设置为60°，盖板上流体进口2.1和流体进口2.2分别设置一个。所述槽型流体通道1.1的侧壁表面等间距设置截面形状为直角三角形的三角形凹槽1.2以及等间距设置矩形小翼1.3，它们的长度方向均与冷却介质的流动方向一致，流体沿着所述槽型流体通道1.1长度方向流动，在流经矩形小翼1.3时，在通道流动方向产生纵向涡流结构，削薄通道内的边界层，使流体在槽型流体通道1.1内产生混沌对流，提高流体的传热效率，由于边界层被削薄而不是破坏，因此产生的压力损失较小。流体流经矩形小翼1.3后流经三角形凹槽1.2，由于流体和壁面接触面积突然增加，流体速度减小并与主流产生速度差，因此在三角形凹槽1.2中产生沿通道逆向的漩涡，破坏局部流动和传热边界层，增强冷热流体的混合，大大改善热沉的散热性能，由于流体局部速度减小，流体流经凹槽时形成平滑扰动，因此三角形凹槽1.2产生的压力损失较小，消耗泵功较少。同时流体在流经三角形凹槽1.2前产生了纵向涡结构，因此三角形凹槽1.2中的漩涡强度增加，热沉结构阻热降低，热沉基体底面温度更加均匀。

综上所述，实现了一种基于微凹槽与小翼的微通道热沉，该热沉在显著提高换热效果的同时，压力损失少，因此流动阻力小，对于微通道结构研究具有重大意义。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。