[发明专利]一种微通道热沉及微通道热沉性能测试装置

说明书

技术领域

本发明属于高效冷却技术领域，具体地涉及一种利用水力空化强化换热的微通道热沉。

本发明还涉及一种测试上述微通道热沉性能的装置。

背景技术

微通道热沉概念最早由美国学者Tuckerman和Pease于上世纪80年代提出。微通道热沉体积小、结构紧凑，其通道尺寸可以达到几十甚至几个微米的量级，因此可直接作用于狭小空间内的热源位置。微通道热沉以其高效的冷却能力、简单的冷却结构以及良好的兼容性，已成为微电子器件行业最具发展潜力的高效冷却方式。然而，随着高性能集成器件工作频率的迅速提高，其功率密度急剧上升。目前，高性能CPU已经接近核子反应堆的功率密度，而大功率器件(如IGBT)和激光二极管(DL)列阵等器件的功率密度也已经达到数百瓦、甚至千瓦量级。正常工作情况下，这些器件内的热耗占到总功率的50％以上，为了保证器件的性能，必须及时将这部分热量带走。面对如此高的热流密度，传统微通道热沉的冷却能力已不能适应高性能电子元器件的发展要求，在有限空间内及时消除因功率耗散转化的废热已成为制约大功率集成电路技术与激光技术发展的主要瓶颈，迫切需要研制和开发具有高密度散热能力的新型冷却技术和方法。

空化是指当液体内部局部压力降低时，在液体中或液固界面上蒸汽或气体空穴的形成、生长及溃灭的过程。水力空化，顾名思义是通过一定的水力结构实现液体的空化，当流体流经水力结构时，由于水力结构的限流作用，其流速急剧上升，作为代价其压力急剧下降，当压力降低到工作温度下液体的饱和蒸气压时就会产生空化现象。已有研究表明，空化泡溃灭时可形成1～10¹⁸Kw/m³的高密度能量，可作为物理/化学过程的能量输入，以达到强化过程的目的。目前，水力空化技术已经在化工、饮用水消毒及废水处理等领域得到了广泛应用。

空化泡溃灭瞬间，会形成强烈冲击波和高速微射流，不但可对液体流动形成扰动，而且还能引起液体流型的转变，从而到达强化传热的目的，因此将水力空化引入微通道热沉结构，可大幅度提高微通道热沉的冷却能力，以满足大功率集成电路技术与激光技术快速发展的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用水力空化强化换热的微通道热沉。

本发明的又一目的在于提供一种对上述微通道热沉性能进行测试的装置。

为实现上述目的，本发明提供的利用水力空化强化换热的微通道热沉，主要包括：

一微通道平板，该微通道平板的一平面上开设有流体入口、进口压力测量端口、空化发生器、主流微通道、出口压力测量端口和流体出口；

在主流微通道中沿液体流动方向间隔地(等间距或不等间距)设置有空化发生器，空化发生器与主流微通道之间的宽度比值为0.1～0.6；

一密封盖板，设于该微通道平板的平面上，密封盖板设有流体入口、进口压力测量端口、出口压力测量端口和流体出口，分别对应微通道平板开设的流体入口、进口压力测量端口、出口压力测量端口和流体出口；

一发热元件，设于微通道平板的另一平面。

所述的微通道热沉，其中，微通道平板的材料是硅、不锈钢、铜或者其它金属合金。

所述的微通道热沉，其中，密封盖板的材料是硅、不锈钢、铜或者耐温透明玻璃。

所述的微通道热沉，其中，微通道平板的流体入口与主流微通道之间有一流量分配腔，在主流微通道与流体出口之间有一流体汇集腔。

所述的微通道热沉，其中，微通道平板中的空化发生器与主流微通道的横截面是方形、圆形、三角形、梯形或者多边形，空化发生器与主流微通道两者的当量直径比值为0.2～0.7。

所述的微通道热沉，其中，主流微通道的数目根据发热元件的发热面积确定。

本发明提供的测量上述微通道热沉性能的装置，包括：

微通道热沉的流体入口通过一动力泵连接一储液槽，微通道热沉的流体出口通过一流量计连接至冷却器，该冷却器连接储液槽，使储液槽内的液体形成循环；

微通道热沉的流体入口和流体出口分别各连接一热电偶，分别测量微通道热沉流体入口和流体出口的液体温度；

微通道平板的发热元件连接一热电偶，测量加热壁面温度；

微通道热沉的进口压力测量端口和出口压力测量端口分别各连接有压力传感器，测量微通道热沉的进口压力和出口压力。

所述的装置，其中，微通道热沉的流体入口与储液槽之间，以及微通道热沉的流体出口与流量计之间各安装有阀门，以调节微通道热沉的流体入口和流体出口的压力，达到液体空化的条件。