[发明专利]基于弹性湍流的超低流阻微通道液冷换热器及其制造方法

说明书

基于弹性湍流的超低流阻微通道液冷换热器及其制造方法，包括键合密封的散热底板和盖板；散热底板上设置有工质入口、若干周期性弯曲‑变截面的微槽道以及工质入口；工质入口设置在散热底板一端，工质出口设置在散热底板的另一端，分液区与工质入口相连通，周期性弯曲‑变截面的微槽道一端与分液区相连通，另一端与集液区相连通。本发明利用周期性弯曲‑变截面组合微通道结构与粘弹性流体产生协同作用，能够在低Re数的微槽道内产生明显的弹性湍流效应，从而显著强化低Re数下的换热系数。本发明不用增加扰流微柱及通过提高流速来形成湍流，因而在相同的换热条件下，能够大幅降低微通道换热器的流动压降和泵功消耗。

技术领域

本发明属于超高热流密度微通道散热技术，涉及一种适用于超高热流密度电子元器件的高效紧凑式冷却技术，具体涉及一种基于弹性湍流的超低流阻微通道液冷换热器及其制造方法。

背景技术

随着微纳米制造技术(MEMS)的迅速发展，电子元器件呈现高集成度、高频化和微型化等特点。电子元器件性能提升的同时，发热问题也逐渐凸显，并成为继“摩尔定律”后限制其性能提升的主要瓶颈。研究表明有超过55％的电子设备因过温而引起失效。特别地，以GaN材料为代表的第三代半导体器件有着极高的输出功率能力，在大功率微波和放大器领域有着重要应用。但是，其正常工作平均热流密度已超过1kW/cm²,局部热点的热流密度能达到20kW/cm²以上，发热问题不仅使GaN功率器件不得不降频使用，而且严重威胁器件安全。因此，开发狭小空间内的超高热流密度散热技术对于我国国防、航空航天、能源、电子信息等行业的发展至关重要。

微通道液冷散热技术最早由美国学者Tuckerman和Pease在1981年提出，以水为工质实现了790W/cm²的热流密度，1998年美国学者Vidmar更是利用微通道散热器实现了2.7kW/cm²的热流密度，比常规尺度的单相和相变散热技术高一个数量级以上。由于兼具了高效和紧凑两大特点，近四十年来微通道散热系数一直是全世界学者的研究热点。但是，由于微通道水力直径为微米量级，通道壁面粗糙度不可忽略，粘性力成为主导，由粘性力引起的摩擦损失急剧增加，使得微通道的流动阻力也远高于常规通道，高流阻导致驱动流体的泵功大幅增加，严重阻碍了微通道换热技术的规模化应用。因此，强化换热和降低流阻对于微通道液冷换热技术从实验室走向工程应用至关重要。

国内外众多学者在微通道强化换热和降低流阻方面开展了大量研究工作。在强化换热方面，通过开发多种微通道结构、设置微肋扰流原件或采用微孔射流的形式，能够取得一定的强化换热效果。其原理是利用微通道结构或微肋的扰流作用，通过增加流体速度(惯性)，使流体在微通道内产生二次流扰动(惯性湍流)，破坏热边界层，达到强化换热的目的。但是，由于摩擦阻力与流体速度的平方成正比，提高流速会使流动阻力的大幅增加，即强化换热要以牺牲泵功为代价。在降低流阻方面，将微槽道表面制备超疏水涂层够获得不错的减阻效果，但超疏水涂层工艺复杂、耐久性差；利用相变换热的微通道流动沸腾技术能够实现低流阻，但汽泡动力学行为会导致系统的压力和流量振荡，出现局部烧干而危害器件安全。从流体力学角度，保持流体在微通道内的低雷诺数Re范围内有助于降低泵功，但要满足超高热流密度的散热需求，就必须强化低Re数下微通道内的流动换热。这对于牛顿流体并不可行，因其必须提高流体的惯性才能达到流动失稳(湍流)的条件。

高分子聚合物或者表面活性剂溶液具有粘弹性，属于非牛顿流体。粘弹性流体在正常流动时，内部的分子会自主排列形成规则的网状或胶束结构，研究表明当遇到截面突缩/突扩或流线弯曲时，壁面的强剪切和流体的正应力会将分子结构拉伸和旋转而释放弹性势能，从而引起流动失稳，即弹性湍流。弹性湍流靠粘弹性流体本身性质而非惯性产生，因此能够在极低的Re数下被触发(可低至Re＝10^-2量级)。由于弹性湍流的特殊触发机制，使得粘弹性流体在强化微通道换热方面展现出极大的潜力。通过合理设计微通道，诱导粘弹性流体内部微观分子结构拉伸和旋转产生弹性湍流，能够在极低的Re数下强化微通道内的对流换热，这对于微通道流动过程减阻意义重大。

发明内容