[发明专利]一种微通道结构

说明书

技术领域

本发明属于电子设备散热领域，尤其涉及一种大尺度热源冷却用微通道结构。

背景技术

自1925年人们研究变压器的冷却开始，热设计作为实现技术之一就伴随着电力电子技术的进步而不断发展，从真空管、行波管到晶体管，从移动电话、服务器到巨型计算机，设计制造商无不面临其产品的冷却问题，只是各个系统的冷却需求不同，其热设计难度各异。有研究表明，由于温升超过电子设备的容纳限度是导致其失效的主要因素，在设计电子设备时，良好的散热性能不仅有利于提高其电讯性能和可靠性，还可控制设备造价、降低噪声、减少额外的能量消耗。因此，对电子设备进行高效的冷却是维持各种功能模块以及大型电子设备系统稳定、可靠运作的关键工作。

目前，电子设备的散热技术多采用自然风冷或强迫空冷。一般来讲，自然风冷具有热控组件简单、造价低廉、实现难度低、易改良等优点，但会增加电子设备系统的体积、重量，对外部环境敏感，散热效率较差；强迫空冷则是一种操作简便、收效明显的散热方式，相较自然风冷具备更强的散热能力。但随着电子设备不断朝着高功耗、高热流密度方向发展，这些传统的冷却方式已无法满足其散热需求。

微通道冷却技术的出现为电子设备的有效热控问题提供了新的解决方案，其散热性能优秀、便于高度化集成、能够快速高效地带走发热模块所产生的热量，结合电子设备微型化、高组装密度的发展趋势，微通道冷却技术得到了大力的推广和发展。

自Tucherman等开创性地研究微通道散热技术以来，随着微细加工技术的不断进步，使得微通道散热技术的工程应用已成为可能。由于微通道截面积小，通道易阻塞，因此微通道多设计成多条直通道并联的平直结构，但常规的矩行平直微通道存在诸多弊端，如过大的压降导致噪声、通道易堵塞、散热能力有限、温度均匀性差等问题。

为探索综合散热性能更优的微通道结构，Pence等分析了分形结构热表面的换热性能，Chen等分析了一种呈T型树状分形网络结构的散热特性，Bothe等研究了T型和Y型流道对流体混合的增强作用，周建辉等提出了太阳花散热器的参数化设计方法和流场分析程序，董涛等基于仿生学提出了一种蜂窝型微通道结构，并对其流动和换热性能进行了分析。可见，研究微通道拓扑结构的优化设计对提高电子设备的散热性能具有明显的工程意义，并已成为当今高功耗、高热流密度电子设备热设计的主要手段。

在自然界中，为了更好的适应环境，许多生物和非生物系统已经进化出各种最优或者接近最优的微管分形网络，如植物叶脉、河流网络、蜂巢结构、气管网络以及蜘蛛网结构等。与典型的平行槽道相比，这些分型网络不仅能够提高热交换效率，还可减少流体流动中的能量损失。可以预见，将仿生学应用于微通道的拓扑结构设计中将取得较大的收益。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种散热能力强、温度均匀性好、冷却工质在通道中的流动性能好、能够提高微通道散热器综合散热性能的微通道结构。

为解决上述问题，本发明的技术方案是，一种微通道结构，包括基底和设置在基底上的微流体通道，所述微流体通道包括主通道和副通道；所述主通道为网孔均匀的网状结构；主通道的网孔内部布置有副通道。主通道作为整个微流体通道结构的骨架，使得冷却工质通过网孔均匀的网状结构分配至各副通道。网状结构中大量的二分叉结构，使得流体流动方式和方向不断改变，可不断扰动边界层，阻止其不断增厚，从而强化换热。同时，由主通道和副通道形成的众多分流和汇流结构，可以起到冷却工质流量重新分配和流体混合的作用，可进一步改善温度均匀性。此外，通过在主通道的网孔内部布置副通道，可进一步增大对流换热面积，强化其散热能力。

进一步的，所述主通道的网孔形状均为正六边形，在覆盖同等待散热区域面积时，正六边形具有最短的周长，使得网状结构的流程较短，流动死区较少，可降低冷却工质的流阻。同时，主通道分布均匀性好，可均匀密布整个待散热区域，既增大了换热比表面积，还可避免局部热岛现象，温度均匀性好。

进一步的，可通过调整主通道分形网络的分形级数以及正六边形网孔的尺度，调节发热面的整体温升，以适应不同的散热需求。

进一步的，所述副通道包括对角副通道和等分副通道；所述对角副通道连通主通道网孔的对角点，所述等分副通道连通对角副通道上的等分点；所述对角副通道和等分副通道形成蜘蛛网状结构，该结构紧凑、散热比表面积大、流体流动性能好，且液冷工质受到通道内部肋的干扰，使得流动一直处于发展阶段，换热效率提高。