[0001] 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。

[0002] 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。

[0003] 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。

[0004] 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。

[0005] 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。

[0006] 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。

[0007] 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。

[0025] 下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的阐述。

[0026] 如图1-4所示，一种微通道结构，包括基底1和设置在基底上的微流体通道2，所述微流体通道2包括主通道3和副通道4；所述主通道3为网孔均匀的网状结构，网孔即为正六边形环形流道5，众多正六边形环形流道5在相互交叉和分离处形成众多分流结构6和汇流结构7，同时分支通道8长度均一致，使得主通道3形成“蜂巢”状结构，主通道3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4。

[0027] 众多正六边形环形流道5使得液冷工质不断通过分流结构6和汇流结构7进行分流和汇流，使得流体流动方式和方向不断改变，可不断扰动边界层，阻止边界层不断增厚，从而强化换热。正六边形环形流道5均匀密布整个待散热区域，呈中心对称分布，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3的液冷管道分布均匀性好，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。优选的主通道3截面形状均为矩形，通道宽0.4mm，高0.8mm。

[0028] 如图2和图4所示，副通道4包括对角副通道10和等分副通道9；所述对角副通道10连通正六边形环形流道5的对角点，所述等分副通道9连通对角副通道10上的等分点，形成多级嵌套的正六边形环形流道，并使得副通道4形成一种蜘蛛网状结构，可进一步增大对流换热面积，强化微通道散热器的散热能力。同时，可以根据不同的散热需求在“蜂巢”型主通道3中局部嵌入不同层级、不同尺度的蜘蛛网状副通道4，以改善待散热区域的温度均匀性。优选的副通道4截面形状均为矩形，通道宽0.2mm，高0.8mm。

[0029] 蜘蛛网状副通道4，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。基底1采用导热系数较高的硅基材料或金属合金材料(如铝合金，铜合金，镍基合金等)，厚度为1.5mm。其中冷却工质可选用去离子水、FC-75、Coolanol45、氟利昂、甲醇、乙醇、乙二醇或者乙二醇的水溶液。

[0030] 微流体通道2可采用光刻或深度反应离子刻蚀技术在硅基材料基底上加工；或采用微细铣削或微细电火花技术在金属基底上加工；或采用金属3D打印技术将铝镁合金以及镍基合金材料一体加工成型。

[0031] 实验例

[0032] 为验证本发明提供的微通道结构在散热方面的优越性能，特以传统矩形平直微通道结构和普通仿蜂窝型微通道结构为基准，对三种微通道结构进行热仿真对比分析。根据等参数原则，特做以下设定：冷板材料、尺寸相同；通道尺寸一致，截面均为矩形；基板厚度一致；冷却工质相同；热载荷相同；流道覆盖面积基本一致。

[0033] 基于此，详细的热仿真计算模型参数以及各边界条件参数设置如下：

[0034] 1.微通道冷板尺寸为：46mm×40mm×4.5mm

[0035] 2.冷板材质：铝合金

[0036] 3.微通道截面尺寸：0.4mm×1.5mm

[0037] 4.基板厚度：1.5mm

[0038] 5.冷却工质：水

[0039] 6.入口温度：25℃

[0040] 7.环境温度：25℃

[0041] 8.芯片功率：400W

[0042] 9.散热器与周围空气的对流换热系数为：20W/m2.K

[0043] 建立三种微通道散热器的热仿真模型，采用同样的离散格式和求解模型，对不同入口流量下的三种微通道散热器结构进行热仿真计算，得到仿真结果见下表所示。

[0044]

[0045] 由上述数值模拟结果分析可得：本发明设计的微通道结构能够更有效的控制发热面温升并具备良好的温度一致性。

[0046] 本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。