微槽道相變換熱裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種微槽道相變換熱裝置。該微槽道相變換熱裝置包括：外散熱體，呈一端封閉的筒狀結構；微槽道吸熱部件，由形狀記憶合金材料制備，呈板狀結構，其鑲嵌于外散熱器筒狀結構未封閉的一端，構成一密閉空腔，該密閉空腔內填充液體工質；其中，微槽道吸熱部件朝向密閉空腔內側的表面具有多條百微米量級的微槽道，相鄰兩條微槽道之間具有經(jīng)過訓練的微型肋，在預設溫度以上時的微槽道的深度大于其在預設溫度以下時的微槽道的深度。本實用新型微槽道相變換熱裝置提高了微槽結構表面的取熱能力，減小微槽結構表面的過熱度，能夠將發(fā)熱器件的溫度控制地更低。
【專利說明】微槽道相變換熱裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及電力、電子、光電子器件的熱管理【技術領域】，尤其涉及一種微槽道相變換熱裝置。
【背景技術】
[0002]隨著大功率電力、電子及光電子器件集成度的提高，器件的發(fā)熱熱流密度也越來越大，如果不能將這些器件工作過程中所產生的熱量及時帶走，其性能和壽命將受到很大的影響。以微電子芯片為例，隨著芯片集成度的提高，其發(fā)熱熱流密度已經(jīng)達到了數(shù)百瓦每平方厘米的水平，在如此高的熱流密度條件下，傳統(tǒng)的強制風冷或者單相液冷的冷卻方式由于取熱能力有限，已經(jīng)難以滿足器件的散熱要求；另一方面，單相液冷或者風冷的方式主要是利用工質的顯熱帶走發(fā)熱器件的熱量，器件的溫度受環(huán)境的影響較大，很難將器件溫度維持在一個穩(wěn)定的溫度范圍內。
[0003]為了解決上述技術問題，目前廣泛采用的技術是熱管、微通道、微槽群等微尺度相變取熱技術。這些技術借助于毛細力或者高揚程的泵來驅動液體工質的流動，并在熱管、微通道、微槽群等內部微結構內發(fā)生高強度的微細尺度相變換熱，從而帶走發(fā)熱器件的熱量。這些取熱方式的取熱熱流密度能夠達到數(shù)百瓦每平方厘米的量級，是解決目前及今后一段時間內大功率高熱流密度器件散熱的有效手段之一。
[0004]圖1A為現(xiàn)有技術微槽道相變換熱裝置微槽道的結構示意圖。這些微槽道加工在銅、鋁等具有較高導熱系數(shù)的材料表面，其高度和寬度在百微米量級，利用微槽道能夠產生較大毛細力作用的原理吸入液體工質。請參照圖1B，液體工質在微槽內的分布被定義成三部分:固有彎月面區(qū)域、蒸發(fā)薄液膜區(qū)域、吸收層區(qū)域。在不同的熱流密度條件下，微槽道內會產生蒸發(fā)薄液膜區(qū)域的高強度蒸發(fā)和固有彎月面區(qū)域的沸騰相變兩種相變機制，而吸收層區(qū)域由于受到脫離壓力的作用較大，基本不參與相變。這種微結構內的微尺度相變機理與常規(guī)尺度條件下的沸騰相變不同，理論上取熱熱流密度能夠達到lOOOW/cm2的數(shù)量級，且相同的熱流密度條件下，壁面的過熱度較小，非常適用于目前電力、電子、光電子器件的熱管理要求。
[0005]然而，現(xiàn)有技術的微槽道主要采用具有較高導熱系數(shù)的材料制作，如銅或者鋁等，加工的結構尺寸是按照預先設定的熱負荷、使用環(huán)境等因素進行設計，一旦設計完成，取熱器的表面結構就是確定的尺寸和形狀，工質只能在確定的微槽道內流動和相變，在液膜蒸發(fā)起主導作用的低熱流密度條件下，微槽道內液膜較厚的固有彎月面區(qū)域會產生較大的熱阻，造成發(fā)熱器件的表面溫度升高，而在沸騰相變起主導作用的高熱流密度條件下，液膜較厚的固有彎月面區(qū)域的沸騰相變起主導作用，微槽道內薄液膜區(qū)域很容易發(fā)生干涸，造成受熱區(qū)域的部分蒸干，導致取熱器的取熱能力下降，發(fā)熱器件的溫度升高。
實用新型內容
[0006](一 )要解決的技術問題[0007]鑒于上述技術問題，本實用新型提供了一種微槽道相變換熱裝置，以解決現(xiàn)有技術微槽道相變換熱裝置中微槽道結構尺寸一旦確定，液膜厚度不能隨熱流密度變化而變化，不能適應發(fā)熱器件熱流密度變化的技術問題。
[0008]( 二)技術方案
[0009]根據(jù)本實用新型的一個方面，提供了一種微槽道相變換熱裝置。該微槽道相變換熱裝置包括:外散熱體，呈一端封閉的筒狀結構；微槽道吸熱部件，由形狀記憶合金材料制備，呈板狀結構，其鑲嵌于外散熱器筒狀結構未封閉的一端，構成一密閉空腔，該密閉空腔內填充液體工質；其中，微槽道吸熱部件朝向密閉空腔內側的表面具有多條百微米量級的微槽道，相鄰兩條微槽道之間具有經(jīng)過訓練的微型肋，在預設溫度以上時的微槽道的深度大于其在預設溫度以下時的微槽道的深度。
[0010]優(yōu)選地，本實用新型微槽道相變換熱裝置中，與處于預設溫度以下時微型肋相比，處于預設溫度以上時微型肋的高度變高，以實現(xiàn)微槽道深度的增加。
[0011]優(yōu)選地，本實用新型微槽道相變換熱裝置中，處于預設溫度以下時，微型肋處于朝向一側傾倒的狀態(tài)，傾斜角度Θ介于10° -40°之間；處于預設溫度以上時，微型肋處于豎直狀態(tài)，以實現(xiàn)微槽道深度的增加。
[0012]優(yōu)選地，本實用新型微槽道相變換熱裝置中，處于預設溫度以下時，微型肋的兩側邊呈朝向同一側的圓弧狀；處于預設溫度以上時，微型肋的側邊變成直線，微型肋的垂直高度變高，從而微槽道的深度得到增加。
[0013]優(yōu)選地，本實用新型微槽道相變換熱裝置中，處于預設溫度以下時，微型肋的兩側邊呈朝向內側的圓弧狀，單個微型肋的剖面形狀呈“T”字型；處于預設溫度以上時，微型肋的側邊變成直線，單個微型肋的剖面形狀變?yōu)榫匦?，其垂直高度變高，從而微槽道的深度得到增加?br> [0014]優(yōu)選地，本實用新型微槽道相變換熱裝置中，形狀記憶合金材料為以下材料中的一種:鎳鈦系形狀記憶合金、鐵系形狀記憶合金、銅鎳系形狀記憶合金、銅鋁系形狀記憶合金、銅鋅系形狀記憶合金。
[0015]優(yōu)選地，本實用新型微槽道相變換熱裝置中，預設溫度以上為50°C?100°C，預設溫度以下為25°C?50°C。
[0016]優(yōu)選地，本實用新型微槽道相變換熱裝置中，微槽道吸熱部件朝向外側的表面為光滑表面，發(fā)熱器件的發(fā)熱面通過導熱硅脂貼合于該光滑表面。
[0017]優(yōu)選地，本實用新型微槽道相變換熱裝置中，外散熱體呈長方體筒狀結構、圓筒結構或錐形筒結構，外散熱體的外表面具有散熱肋。
[0018]優(yōu)選地，本實用新型微槽道相變換熱裝置中，液體工質為水、乙醇或氟利昂。
[0019](三)有益效果
[0020]從上述技術方案可以看出，本實用新型微槽道相變換熱裝置采用形狀記憶合金材料代替目前普遍使用的銅或鋁等材料，在記憶合金材料的表面加工百微米量級的微槽道，經(jīng)過對形狀記憶合金的訓練，使微槽道能夠在某一溫度下發(fā)生形變，使其更利于液體工質的取熱，提高了微槽結構表面的取熱能力，減小微槽結構表面的過熱度，能夠將發(fā)熱器件的溫度控制的更低。【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1A為現(xiàn)有技術微槽道相變換熱裝置微槽道的結構示意圖；
[0022]圖1B為圖1A所示微槽道相變換熱裝置微槽道液體工質分布的示意圖:
[0023]圖2為根據(jù)本實用新型實施例微槽道相變換熱裝置的結構示意圖；
[0024]圖3為圖2所示微槽道相變換熱裝置中微槽道部分的放大圖；
[0025]圖4A和圖4B分別為根據(jù)本實用新型第二實施例微槽道相變換熱裝置中微槽道部分在兩種狀態(tài)下的結構示意圖；
[0026]圖5A和圖5B分別為根據(jù)本實用新型第三實施例微槽道相變換熱裝置中微槽道部分在兩種狀態(tài)下的結構示意圖；
[0027]圖6A和圖6B分別為根據(jù)本實用新型第四實施例微槽道相變換熱裝置中微槽道部分在兩種狀態(tài)下的結構示意圖；
[0028]【主要元件】
[0029]100-發(fā)熱器件； 200-微槽道吸熱部件；
[0030]201-微槽道；300-密閉空腔；
[0031]301-直肋；400-液體工質。
【具體實施方式】
[0032]為使本實用新型的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本實用新型進一步詳細說明。需要說明的是，在附圖或說明書描述中，相似或相同的部分都使用相同的圖號。附圖中未繪示或描述的實現(xiàn)方式，為所屬【技術領域】中普通技術人員所知的形式。另外，雖然本文可提供包含特定值的參數(shù)的示范，但應了解，參數(shù)無需確切等于相應的值，而是可在可接受的誤差容限或設計約束內近似于相應的值。實施例中提到的方向用語，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，僅是參考附圖的方向。因此，使用的方向用語是用來說明并非用來限制本實用新型的保護范圍。
[0033]本實用新型是根據(jù)形狀記憶合金加熱到一定的溫度時，可改變原有形狀的記憶效應，設計一種微槽道相變換熱裝置，實現(xiàn)微槽道的形狀或尺寸能夠在不同的熱流密度條件下發(fā)生形變，從而更好地適應工質相變的要求，由此提高大功率高熱流密度器件的熱管理水平。
[0034]在本實用新型的一個示例性實施例中，提供了一種微槽道相變換熱裝置。圖2為根據(jù)本實用新型實施例微槽道相變換熱裝置的結構示意圖。請參照圖2，本實施例微槽道相變換熱裝置包括:外散熱體，呈一端封閉的筒狀結構；微槽道吸熱部件200，由形狀記憶合金材料制備，呈板狀結構，其鑲嵌于所述外散熱器筒狀結構未封閉的一端，從而構成一密閉空腔300，該密閉空腔300內填充液體工質400 ;其中，微槽道吸熱部件200朝向密閉空腔內側的表面具有多條百微米量級的微槽道201，該微槽道201經(jīng)過訓練，其在預設溫度以上時的深度大于其在預設溫度以下時的深度。
[0035]以下分別對本實施例微槽道相變換熱裝置的各個組成部分進行詳細說明。
[0036]本實施例中，外散熱體呈長方體筒狀結構，但本實用新型并不以此為限。本實用新型中，該外散熱體還可以呈圓筒結構、錐形筒結構等各種形狀，只要該筒狀結構能夠與微槽道吸熱部件200構成填充液體工質400的密閉空腔300，同樣在本實用新型的保護范圍之內。
[0037]請參照圖2，外散熱體封閉一端的外表面具有直肋301，直肋的數(shù)量和尺寸由發(fā)熱器件100的熱負荷確定。需要說明的是，直肋301還可以分布在外散熱體外表面的任何位置，并且，除了直肋之外，還可以是曲肋等其他散熱形式，此處不再贅述。
[0038]密閉空腔300內填充液體工質400。液體工質的主要作用是攜帶發(fā)熱器件的熱量，并將其釋放給密閉空腔300的外表面直肋301，根據(jù)此要求，本實用新型的液體工質一般選用具有較高汽化潛熱、對環(huán)境無污染、成本較低的物質，如水、乙醇或氟利昂等。
[0039]微槽道吸熱部件200呈板狀結構。配合外散熱體筒狀結構的開口形狀，該微槽道吸熱部件200呈長方形板狀結構。本領域技術人員應當清楚，微槽道吸熱部件200的形狀由外散熱體筒狀結構的開口形狀確定，并不以本實施例的長方形板狀結構為限。
[0040]微槽道吸熱部件200的第一面為光滑表面，與發(fā)熱器件100貼合。本實用新型中，發(fā)熱器件100主要是指具有較高發(fā)熱熱流密度和溫度控制水平要求的電力、電子、光電子器件，發(fā)熱器件100的發(fā)熱面緊貼微槽道吸熱部件200的背面，兩者之間涂有導熱硅脂用于減小接觸熱阻，發(fā)熱器件100工作過程中產生的熱量通過導熱硅脂傳遞給微槽道吸熱部件200。
[0041]微槽道吸熱部件200在整體上采用鎳鈦形形狀記憶合金材料制備，其第二面具有多條百微米量級的微槽道201。微槽道吸熱部件200的微槽道201經(jīng)過訓練，在25-50°C的溫度范圍內處于如圖3所示的形狀，相鄰兩條微槽道中間微形肋的高度H介于100 μ m-800 μ m之間，寬度W介于100 μ m-1000 μ m之間，間距D介于100 μ m-1000 μ m之間，當記憶合金處在50°C~100°C的溫度范圍內時，微形肋的高度H變大到300°C -1OOOym之間，寬度和間距保持不變。
[0042]本實施例中，微槽道吸熱部件200均由鎳鈦形狀記憶合金制備，但本實用新型并不以此為限，其他的形狀記憶合金材料，例如:鐵系形狀記憶合金、銅鎳系形狀記憶合金、銅鋁系形狀記憶合金、銅鋅系形狀記憶合金等等也可以應用到本實用新型中。需要說明的是，對于上述形狀記憶合金的每一種，合金中相應組分和含量均為已知的。由于本實用新型只是涉及利用形狀記憶合金來加工，而未涉及形狀記憶合金材料的任何改變，此處不再對各種形狀記憶合金材料的成分進行詳細說明(詳細請參考http://baike.baidu.com/link ?url=pRw7MEJKRj_qfBYlY7hp_p_RkEV-TVvBTs ku3k7KMC-SVmCPCk_QWU8EvQ_3ElR9)。形狀記憶合金的躍變溫度可以根據(jù)具體的發(fā)熱器件的熱流密度和溫度控制要求進行選擇。而躍變溫度可以通過合金成分的調整來進行，其對本領域技術人員而言是公知的，此處不再洋細描述。
[0043]本實施例中，將這種形狀記憶合金微槽道吸熱部件焊接至外散熱體長方體筒狀結構未封閉的一側，形成密閉空腔300，排除密閉空腔300內的不凝性氣體，添加一定量具有較高汽化潛熱的液體工質400，使微槽道的一部分浸入到液體工質中。由于這種尺寸的微槽道能夠形成較大的毛細力，能夠將液體工質吸入到微槽道中，并在微槽道內形成液膜厚度較大的固有彎月面區(qū)域、液膜厚度較薄的薄液膜區(qū)域及吸收層區(qū)域。發(fā)熱器件的熱量通過形狀記憶合金傳遞給微槽道內的液體工質，工質發(fā)生相變后變成蒸汽，蒸汽將攜帶的發(fā)熱器件的熱量傳遞給直肋301后冷凝回到液池。直肋301通過空氣自然對流、強制風冷或水冷的方式將發(fā)熱器件的熱量釋放給周圍的環(huán)境。[0044]本實施例中，經(jīng)過對形狀記憶合金材質的微槽道的訓練，該微槽道201呈現(xiàn)以下兩種狀態(tài):
[0045](I)在發(fā)熱器件的發(fā)熱熱流密度較低時，形狀記憶合金微槽道吸熱部件處于上述25°C?50°C條件下所描述的尺寸，微槽道深度相對較小，在表面張力的作用下，固有彎月面區(qū)域的厚度也較小，內表面形成了面積更大的薄液膜蒸發(fā)區(qū)域，從而更容易將發(fā)熱體的熱量帶走，由此帶來的熱阻減小，因此蒸發(fā)薄液膜區(qū)域更容易帶走發(fā)熱器件的熱量，降低發(fā)熱器件的工作溫度；
[0046](2)當熱流密度較大時，形狀記憶合金微槽道吸熱部件處于上述50°C?100°C溫度范圍內，在此溫度條件下，依靠記憶合金可隨溫度變形的特性，這時微槽道的深度變大，能夠形成更大區(qū)域的固有彎月面，這種結構更利于氣泡的成核、生長和破裂，滿足產生高強度的沸騰蒸發(fā)的要求，這時工質主要通過固有彎月面厚液膜區(qū)域的劇烈沸騰帶走發(fā)熱器件的熱量，而薄液膜高強度蒸發(fā)所帶走的熱量較少，實現(xiàn)高熱流密度的取熱，帶走發(fā)熱器件的熱量。
[0047]本實施例中，兩條微槽道之間微形肋始終是豎直結構，其高度的增加純粹是豎直結構高度的絕對增加，但本實用新型并不以此為限，該高度的增加還可以通過其他的方式來實現(xiàn)。
[0048]在本實用新型的第二個示例性實施例中，在預設溫度以下時，即低熱流密度條件下，微型肋處于向一邊傾倒的狀態(tài)，傾斜角度Θ介于10° -40°之間，如圖4A所示；在預設溫度以上時，即熱流密度較高時，微型肋變成豎直方向，如圖4B所示，從而微槽道的深度得到增加。
[0049]在本實用新型的第三個示例性實施例中，在預設溫度以下時，即較低熱流密度的條件下，每一微型肋的兩側邊呈朝向同一側的圓弧狀，R介于100-500 μ m之間,如圖5A所示；在預設溫度以上時，即熱流密度較高時，微型肋的側邊變成直線，微型肋的垂直高度變高，從而微槽道的深度得到增加，如圖5B所示。
[0050]在本實用新型的第四個示例性實施例中，在預設溫度以下時，即較低熱流密度的條件下，每一微型肋的兩側邊呈朝向內側的圓弧狀，R介于100-500 μ m之間，從而微型肋整體的剖面形狀上呈“T”字型，如圖6A所示；在預設溫度以上時，即熱流密度較高時，微型肋的側邊變成直線，從而微型肋整體的剖面形狀變?yōu)榫匦?，微型肋的垂直高度變高，從而微槽道的深度得到增加，如圖6B所示。
[0051]至此，已經(jīng)結合附圖對本實施例進行了詳細描述。依據(jù)以上描述，本領域技術人員應當對本實用新型微槽道相變換熱裝置有了清楚的認識。
[0052]此外，上述對各元件和方法的定義并不僅限于實施例中提到的各種具體結構、形狀或方式，本領域普通技術人員可對其進行簡單地更改或替換。
[0053]綜上所述，本實用新型微槽道相變換熱裝置解決了原有取熱表面一旦加工完成，形狀就固定不變，液膜的厚度不能根據(jù)熱流密度的數(shù)值進行調整的技術缺陷，采用的形狀記憶合金材料，實現(xiàn)微槽道的形狀或尺寸能夠在不同的熱流密度條件下發(fā)生形變，從而更好地適應工質相變的要求。隨著電力電子、光電子器件發(fā)熱熱流密度的提高，該實用新型具有廣泛的應用前景。
[0054]以上所述的具體實施例，對本實用新型的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本實用新型的具體實施例而已，并不用于限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種微槽道相變換熱裝置，其特征在于，包括: 外散熱體，呈一端封閉的筒狀結構； 微槽道吸熱部件，由形狀記憶合金材料制備，呈板狀結構，其鑲嵌于所述外散熱器筒狀結構未封閉的一端，構成一密閉空腔，該密閉空腔內填充液體工質； 其中，所述微槽道吸熱部件朝向密閉空腔內側的表面具有多條百微米量級的微槽道，相鄰兩條微槽道之間具有經(jīng)過訓練的微型肋，在預設溫度以上時的微槽道的深度大于其在預設溫度以下時的微槽道的深度。
2.根據(jù)權利要求1所述的微槽道相變換熱裝置，其特征在于，與處于預設溫度以下時所述微型肋相比，處于預設溫度以上時所述微型肋的高度變高，以實現(xiàn)微槽道深度的增加。
3.根據(jù)權利要求1所述的微槽道相變換熱裝置，其特征在于: 處于預設溫度以下時，所述微型肋處于朝向一側傾倒的狀態(tài)，傾斜角度Θ介于10° -40° 之間； 處于預設溫度以上時，所述微型肋處于豎直狀態(tài)，以實現(xiàn)微槽道深度的增加。
4.根據(jù)權利要求1所述的微槽道相變換熱裝置，其特征在于: 處于預設溫度以下時，所述微型肋的兩側邊呈朝向同一側的圓弧狀； 處于預設溫度以上時，所述微型肋的側邊變成直線，微型肋的垂直高度變高，從而微槽道的深度得到增加。
5.根據(jù)權利要求1所述的微槽道相變換熱裝置，其特征在于: 處于預設溫度以下時，所述微型肋的兩側邊呈朝向內側的圓弧狀，單個微型肋的剖面形狀呈“T”字型； 處于預設溫度以上時，所述微型肋的側邊變成直線，單個微型肋的剖面形狀變?yōu)榫匦?，其垂直高度變高，從而微槽道的深度得到增加?br> 6.根據(jù)權利要求1至5中任一項所述的微槽道相變換熱裝置，其特征在于，所述形狀記憶合金材料為以下材料中的一種:鎳鈦系形狀記憶合金、鐵系形狀記憶合金、銅鎳系形狀記憶合金、銅鋁系形狀記憶合金、銅鋅系形狀記憶合金。
7.根據(jù)權利要求1至5中任一項所述的微槽道相變換熱裝置，其特征在于，所述預設溫度以上為50°C?100°C，所述預設溫度以下為25°C?50°C。
8.根據(jù)權利要求1至5中任一項所述的微槽道相變換熱裝置，其特征在于，所述微槽道吸熱部件朝向外側的表面為光滑表面，發(fā)熱器件的發(fā)熱面通過導熱硅脂貼合于該光滑表面。
9.根據(jù)權利要求1至5中任一項所述的微槽道相變換熱裝置，其特征在于，所述外散熱體呈長方體筒狀結構、圓筒結構或錐形筒結構，所述外散熱體的外表面具有散熱肋。
10.根據(jù)權利要求1至5中任一項所述的微槽道相變換熱裝置，其特征在于，所述液體工質為水、乙醇或氟利昂。
【文檔編號】H01L23/473GK203733777SQ201420064347
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年2月13日 優(yōu)先權日:2014年2月13日
【發(fā)明者】姜玉雁, 王濤, 唐大偉 申請人:中國科學院工程熱物理研究所