[发明专利]超声波强化微槽道换热器

说明书

技术领域

本发明涉及一种应用于微电子散热的微槽道换热器，尤其涉及一种利用超声 波空化机理强化微槽道换热及防垢、除垢的技术。

背景技术

微电子领域是最早提出微尺度流动和传热问题的工程领域，随着电子计算 机容量和速度的快速发展以及导弹、卫星和军用雷达对高性能模块和大功率器件 的要求，一方面器件的特征尺寸愈小愈好，已从微米量级向亚微米发展，另一方 面器件的集成度自1959年以来每年以40％～50％高速度递增。随着集成度的提 高，元件热流密度的增加速度将更为惊人，由此带来的过高温度会降低芯片的工 作稳定性，增加出错率，同时模块内部与其外部环境间所形成的热应力会直接影 响到芯片的电性能、工作频率、机械强度及可靠性，因此对微元件的高效散热要 求就越来越高。如果微元件散热处理不好，元件温度就会上升，直接影响元件的 性能，从而影响微电子器件的整体性能，所以研究微元件高效换热技术已具有非 常重要的意义。

目前强化换热设备的传热手段主要有两种：(1)提高换热系数，例如改变 换热器表面的性质或者改变表面结构使之传热系数得到提高；(2)减小传热热 阻，从而实现强化传热，例如定时清洗热换器的污垢，采用不易结垢的材质制作 换热器等，热阻减少，换热效果得到提高。

中国专利《超声波防垢、除垢的强化换热壳管式换热器》(申请号： CN201220480982.5)，公开了一种高效壳管式换热设备，该设备的显著特点为 利用超声波的空化机理，清理沉降在换热器中的污垢，减小了传热热阻，提高换 热效果；但是该管壳式换热器体积较大，不能应用于微电子散热领域，而且该技 术中需要定期排污。

中国专利《微槽道与水冷联合的冷却系统》(申请号：201420752289.8)， 该冷却系统利用了百微米量级尺寸的微槽道所具有的高强度取热能力，能够将刀 片服务器中CPU芯片等微元件所产生的热量高效取出，该方法中微槽道所具有 的高强度取热能力能够达到100W/cm²的量级，远高于目前CPU芯片的发热热 流密度，传热效果较好；中国专利(申请号：2015100791197)主要是对针肋的 形状做了改变，强化通道内流体的流动。但是，以上关于微槽道的专利在一定程 度上通过对常规微通道换热器做了改进来提高传热效果，但流体在微通道中产生 的流动阻力较大，仅仅依靠改变针肋的布置和形状还是不能彻底解决的；同时对 冷却流体的要求较高，且会产生污垢，增加热阻，恶化传热效果。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供了一种超声波强化微槽道 换热器，超声波在液体中传播时，产生的“空化效应”加剧了液体的振荡，强化微 槽道内流体的扰动，也减小粘性阻力，进一步强化微槽道的换热；同时，超声波 能量可使被处理液体中产生大量的空穴和气泡，当这些空穴和气泡迅速湮灭时， 便在特定范围内形成强大的压力峰，使成垢物质迅速被粉碎成细小的垢粒而悬浮 于液体中，并且导致已形成的垢物被破碎和脱落，减小传热热阻，提高微槽道的 换热性能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

超声波强化微槽道换热器，包括散热壳体、水冷系统、微针肋、超声波发生 器和超声波换能器；所述水冷系统包括冷却水道、入水口和出水口，冷却水道设 置在散热壳体的内部，入水口和出水口分别设置在散热壳体上，入水口和出水口 分别与冷却水道相通组成所述水冷系统，水冷系统的冷却工质为去离子水或乙 醇；所述散热壳体包括槽道主体和上封盖，上封盖与槽道主体连接密封，槽道主 体设为中空结构，在槽道主体的内部设有所述微针肋和冷却水道，微针肋沿槽道 主体的轴线方向分布设置，微针肋的排列方式为叉排，微针肋之间以及微针肋与 槽道主体的内壁之间的空间形成所述冷却水道；微针肋的直径设为0.1～1mm；所 述超声波发生器和超声波换能器通过导线相连，超声波换能器设有多个超声波换 能器振子，超声波换能器振子分布设置在槽道主体的两侧，超声波发生器的工作 功率为0～100W。

进一步地，所述微针肋的形状为圆柱体、长方体或多边体；微针肋的高度与 槽道主体的高度相同，为0.5～1mm；微针肋的横向间距比与纵向间距比均为 0.5～2。

进一步地，所述冷却水道的数目取决于槽道主体中设置的微针肋的数目；冷 却水道的横截面为长方形。

进一步地，所述槽道主体的材料为紫铜。