CN1233038C - 微射流阵列冷却热沉 - Google Patents
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Abstract
微射流阵列冷却热沉，属于微电子技术领域，涉及一种冷却装置。本发明包括有依次封装在一起的过流片(1)，射流入口腔片(2)，射流喷嘴片(3)，射流出口片(4)，传热片(5)；过流片(1)上开有进液口和出液口；射流入口腔片(2)上设有射流入口腔、进液孔和出液孔；射流喷嘴片(3)上设有与射流入口腔和设置在射流出口腔片(4)上的射流出口腔相通的射流喷嘴，连通进液孔和射流入口腔的进液导流通道，连通出液孔和射流出口腔的出液导流通道；射流出口腔片(4)上设有射流出口腔。本发明实现了高热流通量传热，具有极高的换热速率，有效地降低了电子器件换热表面的温度，而且能提高换热表面温度分布的均匀性。
Description
技术领域
本发明属于微电子技术领域，涉及一种冷却装置。
背景技术：
随着工业技术的不断发展，各种电子产品无不朝着体积小、重量轻、高热流通量的方向发展。因此，对新一代的电子设备而言，传统的冷却器的设计极限与制作技术已无法合乎要求。微冷却器的发展源于解决高速集成电路的散热问题，目前已向各种有重量限制与体积限制的高热流通量领域发展，如航天工业、电子元器件冷却、大功率半导体激光器冷却、化工流程传热等。其主要目的是为了要降低电子设备因过热而发生故障损坏的机率，并同时提高电子设备的性能及可靠性。
目前国内外正在积极着手研究和已经应用的微冷却器包括：微热交换器、微冷冻机、微通道热沉、微热管均热片及整合式微冷却器等。其中微通道热沉已经被证实是传热性能最佳且最具应用潜力的冷却方式之一。
目前普遍公认的两种有代表性的微通道冷却热沉是：传统微通道型(Traditional Microchannel Type，TMC)和岐管微通道型(ManifoldMicrochannel Type，MMC)。TMC热沉的特点是入口和出口分别位于被冷却元器件的两端。虽然TMC热沉具有高的冷却能力，但两个设计上的局限限制了它的广泛应用。其一，是由于小尺寸所产生的较大压力降；其二，是热源入口、出口间巨大的温度变化。而MMC热沉具有多条入口、出口通道，以一定间隔交替分布在通道长度方向上。在一个固定的流率下，依据岐管通道的入口/出口数量，流动阻力被相应减小，温度变化幅度被相应减小，总的传热热阻也被相应地减小。因此，与TMC热沉相比，MMC热沉具有很大的优越性。然而，无论是TMC热沉还是MMC热沉，其冷却机理均为通道内流体受迫对流换热。其结果是通道入口处流体温度低、冷却效果好，而出口处流体温度高、冷却效果相对较差，由此导致换热表面温度分布不均。而这一局部区域的温度分布(特别是最高温度)是影响被冷却器件工作特性的关键，也是评价微通道热沉性能优劣的重要指标。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种冷却热沉，来克服上述两种微通道冷却热沉的缺点。
一种微射流阵列冷却热沉，其特征在于，如图1所示，包括有依次重叠封装在一起的过流片1，射流入口腔片2，射流喷嘴片3，射流出口腔片4，传热片5；过流片1上开有与外部管路连接的进液口6和出液口7；射流入口腔片2上设有射流入口腔8，在与过流片1上的进液口6和出液口7相对应的位置分别开有进液孔9和出液孔10，射流入口腔8与进液孔9和出液孔10在射流入口腔片上2互相不连通；射流出口腔片4上在与射流入口腔片2的射流入口腔8相对应的位置设有射流出口腔14；射流喷嘴片3上设有与射流入口腔8和设置在射流出口腔片4上的射流出口腔14相通的由孔阵列组成的射流喷嘴11，连通进液孔9和射流入口腔8的进液导流通道12，连通出液孔10和射流出口腔14的出液导流通道13。
如图8所示，本发明的射流出口腔片4上在与过流片1上的进液口6和出液口7相对应的位置开有进液孔9和出液孔10，传热片5上在与过流片1上的进液口6和出液口7相对应的位置分别开有进液口6和出液口7。
如图4所示，本发明在射流出口腔片4上采用了开有微通道17的射流出口腔14，微通道17的数量及位置与射流喷嘴11中的孔相对应。
本发明提出的微射流阵列冷却热沉基于射流冲击换热理论。射流冲击冷却时，流体法向冲击传热表面，形成很薄的速度和温度边界层，因而具有很高的传热率。同时，采用合理的微射流阵列布置方式，可以极大地提高被冷却表面温度分布的均匀性。因此，微射流阵列冷却热沉是减小电子器件换热表面最高温度、降低温度变化的有效方法。
如图2所示，将热沉片组合封装后形成微射流阵列冷却热沉15。在热沉内部可形成封闭的流体循环，流体流经顺序为：进液口6、进液孔9、进液导流通道12、射流入口腔8、射流喷嘴11、射流出口腔14、出液导流通道13、出液孔10、出液口7，流体通过射流喷嘴11以较高的速度、垂直喷射在传热片5上，实现了高热流通量传热。
换热工质可分别选用空气、水、制冷剂等。根据所用工质以及器件最佳工作温度范围，在传热表面上将形成单相流体射流冲击换热、射流冲击相变换热来实现冷却技术要求。
热沉片可选用无氧铜、硅片、银等材料，总体几何形状尺寸可根据被冷却器件尺寸及总体封装要求确定。
射流冲击冷却是一种强烈的对流换热方式，特别是在微细尺度条件下，射流冲击换热具有极高的换热速率。本发明充分利用了微射流冲击换热系数极高这一特点，利用微射流阵列热沉来冷却微电子器件，同时在某些情况下可以实现射流冲击相变换热，利用流体发生相变时的潜热来实现更高的热流密度。
附图说明：
图1：本发明的具有圆孔阵列射流喷嘴的结构示意图；
图中：1、过流片，2、射流入口腔片，3、射流喷嘴片，4、射流出口腔片，5、传热片，6、进液口，7、出液口，8、射流入口腔，9、进液孔，10、出液孔，11、射流喷嘴，12、进液导流通道，13、出液导流通道，14、射流出口腔；
图2：具有图1所示结构的本发明示意图；
图中：15、冷却热沉；
图3：本发明冷却半导体激光条的示意图；
图中：16、半导体激光条；
图4：本发明的具有圆孔阵列射流喷嘴和微通道的结构示意图；
图中：17、微通道；
图5：本发明的具有长方孔阵列射流喷嘴的结构示意图；
图6：具有图5所示结构的本发明示意图；
图7：本发明冷却大功率半导体激光器阵列的示意图；
图中：18、电源正极，19、绝缘层，20、光线，21、入口管，22、出口管，23、密封圈；
图8：射流出口腔片上具有进、出液孔和传热片上具有进、出液口的冷却热沉结构示意图。
具体实施方式
实施例1：
如图3所示，用微射流阵列热沉冷却半导体激光条16，一种典型半导体激光条16的长度、宽度、厚度的尺寸为10000×1000×115微米3，其中有数个均匀排列的激光发射器，微射流阵列热沉15由图1所示的过流片1、射流入口腔片2、射流喷嘴片3、射流出口腔片4、传热片5依次焊接而成，每片均为长方形，宽度与半导体激光条16的长度相同，半导体激光条16固定在传热片5上，射流喷嘴11由一排直径为70微米的圆孔组成，圆孔的深度为射流喷嘴片3的厚度，为300微米，圆孔的数量和位置与激光条中激光发射器的数量和位置相对应，射流出口腔片4的厚度为200微米，过流片1、射流入口腔片2、传热片5厚度均为300微米。在微射流阵列热沉内部可形成封闭的流体循环，流体流经顺序为：进液口6、进液孔9、进液导流通道12、射流入口腔8、射流喷嘴11、射流出口腔14、出液导流通道13、出液孔10、出液口7。流体通过射流喷嘴11以较高的速度、垂直喷射在传热片5上，将激光发射器产生并传到传热片5上的热量带走，实现了高热流通量传热。
实施例2：
如图4所示，在射流出口腔片4上的射流出口腔14开有微通道17，微通道17的数量及位置与射流喷嘴11中的圆孔相对应，微通道17的宽度为300-500微米，各片加工完成后，依次焊接在一起，形成微射流冷却热沉，流体在热沉内部流经顺序为：进液口6、进液孔9、进液导流通道12、射流入口腔8、射流喷嘴11、微通道17、射流出口腔14、出液导流通道13、出液孔10、出液口7；当流体进入到射流入口腔8后，首先通过射流喷嘴11以较高的速度、垂直喷射在传热片5上，实现了高热流通量传热，然后流体经微通道17流动到射流出口腔14，实现了与传热面换热，充分利用了射流冲击换热与通道内受迫对流换热组合的冷却方式。
实施例3：
如图5所示，采用两块厚度为200微米的射流喷嘴片3，射流喷嘴11由一排均匀排列的宽度为40微米、长度为500微米的长方孔组成，射流出口腔片4的厚度为200微米，过流片1、射流入口腔片2、传热片5的厚度均为300微米，如图6所示为具有图5结构的热沉示意图。流体在热沉内部流经顺序为：进液口6、进液孔9、进液导流通道12、射流入口腔8、射流喷嘴11、射流出口腔14、出液导流通道13、出液孔10、出液口7。流体通过射流喷嘴11的长方孔以平面射流方式垂直、高速喷射在传热片5上，实现了对于某些具有狭长的发热区域器件的冷却。
实施例4：
如图7所示，采用本发明冷却大功率半导体激光器阵列，该阵列由M个发光单元组成，在本实施例中M＝4，每个发光单元间涂有绝缘层19；每个发光单元包括：电源正极18、冷却热沉15、及置于它们之间的半导体激光条16和绝缘层19，冷却热沉15同时作为电源负极，半导体激光条16在电场的作用下发出光线20。流体经入口管21分别进入每个冷却热沉15，经出口管22流出；入口管21、出口管22与冷却热沉15之间有橡胶密封圈23密封。
在本实施例中，最上方的冷却热沉15与图1所示结构相同，即射流出口腔片4、传热片5上无进、出液孔，下方的冷却热沉15的射流出口腔片4、传热片5上分别加工有进、出液孔和进、出液口，如图8所示，这样，冷却流体可以经过同一根入口管分别进入每个热沉，并经同一出口管流出，实现了对大功率半导体激光器阵列的冷却。
Claims (3)
1、一种微射流阵列冷却热沉，其特征在于，包括有依次重叠封装在一起的过流片(1)，射流入口腔片(2)，射流喷嘴片(3)，射流出口片(4)，传热片(5)；过流片(1)上开有与外部管路连接的进液口(6)和出液口(7)；射流入口腔片(2)上设有射流入口腔(8)，在与过流片(1)上的进液口(6)和出液口(7)相对应的位置开有进液孔(9)和出液孔(10)，射流入口腔(8)与进液孔(9)和出液孔(10)在射流入口腔片上(2)互相不连通；射流出口腔片(4)上在与射流入口腔片(2)的射流入口腔(8)相对应的位置设有射流出口腔(14)；射流喷嘴片(3)上设有与射流入口腔(8)和设置在射流出口腔片(4)上的射流出口腔(14)相通的由孔阵列组成的射流喷嘴(11)，连通进液孔(9)和射流入口腔(8)的进液导流通道(12)，连通出液孔(10)和射流出口腔(14)的出液导流通道(13)。
2、根据权利要求1所述的一种微射流阵列冷却热沉，其特征在于，所述的射流出口腔片(4)在与过流片(1)上的进液口(6)和出液口(7)相对应的位置分别开有进液孔(9)和出液孔(10)；所述的传热片(5)在与过流片(1)上的进液口(6)和出液口(7)相对应的位置分别开有进液孔(6)和出液孔(7)。
3、根据权利要求1所述的一种微射流阵列冷却热沉，其特征在于，在射流出口腔片(4)上采用了开有微通道(17)的射流出口腔(14)，微通道(17)的数量及位置与射流喷嘴(11)中的孔相对应。
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