CN102410687A - 具有针肋-凹陷复合阵列的热沉及针肋-凹陷复合阵列的布置方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有针肋-凹陷复合阵列结构的热沉，包括冷却通道、多个针肋、多个凹陷、基板和顶板；基板和顶板分别具有相对的内壁面；冷却通道被限定于该两个内壁面之间；基板的内壁面上设置有多个针肋，组成针肋阵列；针肋阵列错列布置；基板或顶板两者中，至少基板的内壁面上设置有多个凹陷，组成凹陷阵列；冷却通道中，横向方向上针肋间具有最小流动横截面，至少一个最小流动横截面处设有凹陷，并且，纵向方向上多个凹陷错列排列，构成凹陷阵列；针肋阵列与凹陷阵列共同构成针肋-凹陷复合阵列结构。本发明还公开了前述热沉的布置方法。本发明具有比常规针肋阵列热沉更高的传热性能，相同甚至更低的流阻，因此具有更高的综合热性能。

Description

具有针肋-凹陷复合阵列的热沉及针肋-凹陷复合阵列的布置方法

技术领域

本发明涉及一种散热装置，尤其涉及一种具有针肋和凹陷复合阵列结构的散热装置(或称热沉)。本发明还涉及用于前述热沉的针肋-凹陷复合阵列的布置方法。

背景技术

在现代工业中，有许多的设备或器件在工作过程中发出大量的热量，需要高效率的散热器件(热沉)及时将热量散走，以维持正常工作、正常寿命，并确保可靠性。这些需要冷却的发热器件包括电子工业中的大功率集成电路、中央处理器(CPU)、大功率半导体激光器等，以及化工及制药过程中的反应器等。另一方面，上述发热器件正朝着大功率化、体积和重量小型化的方向发展，因此散热热流密度急剧增加，迫切需要更紧凑、更高性能的热沉，以实现上述大功率器件的高效冷却。这些热沉使用的冷却介质也由空气转向具有更高传热能力的液体(如水、乙二醇或FC-77氟化液等)。由于航空及航天电子设备对尺寸和重量的严格要求，紧凑式、高传热性能以及低流阻的热沉在上述设备的冷却方面尤为重要。

针肋热沉是一种常见的应用于高功率电子设备冷却的装置。如K.A.Moores，Y.K.Joshi and G.H.Schiroky在题为“Thermal characterization of a liquid cooled AlSiCbase plate with integral pin fins”(IEEE Transactions on Components and PackagingTechnologies，Vol.24，pp.213-219，2001)的文献中所描述的，使用液体冷却介质的针肋热沉通常具有基板和顶板，冷却通道限制在基板和顶板之间。在该基板表面垂直地加工有许多针肋阵列。针肋能够增加传热面积，但更重要的是当流体流过针肋阵列时，针肋能够破坏流动边界层，并且每个针肋后面产生高度紊乱的分离尾流区，以及流体在与基板壁面和针肋相互作用后产生马蹄形涡旋等，这些因素将极大地提高冷却通道内流动掺混，显著地提高传热性能。因此针肋阵列显著增强了热沉的散热性能。通常情况下，基板上的针肋阵列是错列排列，也可是顺排排列；针肋的截面形状可以是圆形、方形、菱形或椭圆型等。为实现高冷却性能以及尺寸更紧凑的热沉，针肋热沉大都使用液体冷却，当然该热沉的冷却介质也可以是气体。

常规的针肋热沉也有其局限性，即在提供高传热性能的同时，造成冷却流体很大的流动阻力，尤其是在大流量条件下更是如此。大流量时，流动过早地从针肋表面分离，并在每个针肋的背面产生大面积高度紊乱的尾流，这导致流道内的流动损失迅速地增加，并造成系统中泵或风机功耗和噪声的迅速增加。另一方面，现代功率器件的发展正朝着大热流密度冷却的方向发展，迫切需要低流阻、更高传热性能的热沉。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种具有更高传热性能，流阻更低的热沉。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种具有更高传热性能，流阻更低的热沉。

为实现上述目的，本发明提供了一种具有针肋-凹陷复合阵列结构的热沉，包括冷却通道、多个针肋、多个凹陷、基板和顶板；其中，所述基板和所述顶板分别具有相对的内壁面；所述冷却通道被限定于所述基板和所述顶板的相对的两个所述内壁面之间；所述基板的所述内壁面上设置有多个所述针肋，多个所述针肋组成针肋阵列；其中，所述针肋阵列在所述基板的内壁面上错列布置；所述基板或所述顶板两者中，至少所述基板的内壁面上设置有多个所述凹陷，多个所述凹陷组成凹陷阵列；其中，所述冷却通道中，横向方向上所述针肋间具有最小流动横截面，至少一个所述最小流动横截面处设有所述凹陷，并且，纵向方向上多个所述凹陷错列排列，从而构成所述凹陷阵列；所述针肋阵列与所述凹陷阵列共同构成所述针肋-凹陷复合阵列结构。

较佳地，在纵向方向上，每两列针肋之间还设有至少一个所述凹陷，以进一步提高传热性能。

较佳地，大部分的所述最小流动横截面处均设有所述凹陷。

较佳地，所述基板和所述顶板两者的内壁面上均设置有由多个所述凹陷组成的所述凹陷阵列。

较佳地，所述针肋的一端与所述基板的内壁面相连，所述针肋的另一端与所述顶板的内壁面相连。

较佳地，所述针肋的截面形状为圆形、菱形、方形、椭圆形或水滴形；所述凹陷的形状为球形的一部分，或截去顶部的圆锥形，或水滴形。

较佳地，所述针肋的高度为所述针肋的直径的0.5～4倍。

较佳地，所述冷却通道内的冷却流体为液体的水、乙二醇、液氮、FC-77或FC-84氟化液，或为气体的空气或氮气。

较佳地，所述热沉还包括一个沿纵向方向延伸的分隔板；所述分隔板将所述冷却通道分隔为相互平行的第一通道和第二通道，其中所述第一通道的出口与所述第二通道的入口连通；冷却流体从所述第一通道的入口进入所述热沉；在所述第一通道的末尾，所述冷却流体流动转弯，进入所述第二通道；随后从所述第二通道的出口流出。

本发明还提供了一种针肋-凹陷复合阵列的布置方法，用于前述的具有针肋-凹陷复合阵列结构的热沉，包括：通过整体铣加工、冲压或铸造在所述基板的所述内壁面上设置多个所述凹陷；通过整体铣加工、钎焊或铸造将多个所述针肋形成于所述基板的所述内壁面上；其中，所述凹陷的直径与所述针肋的直径尺寸相近，所述凹陷的深度约为所述凹陷的直径的0.1～0.3倍；使所述顶板与所述针肋的顶部紧密接触后，通过联接孔，用紧固件将所述基板与所述顶板联接在一起，从而限定所述冷却通道。优选地，所述凹陷的直径与所述针肋的直径尺寸差不大于10％。

本发明提出的具有针肋-凹陷复合阵列的热沉，具有比常规针肋阵列热沉更高的传热性能，但是相同甚至更低的流动阻力，因此具有更高的综合热性能。另一方面，由于该热沉具有更高的传热性能，在满足同等冷却功率的条件下，需要的冷却流体流量相对较小，从而更有利于降低了泵的功耗。

本发明中，当流体流入该热沉的冷却通道内，针肋不断破坏流动边界层，并且每个针肋后面产生高度紊乱的分离尾流区，以及流体在与基板壁面和针肋相互作用后产生马蹄形涡旋等，这些因素强烈地提高冷却通道内流动掺混，显著提高了基板壁面和针肋表面的换热效果。同时，冷却流体流过凹陷时，仅在壁面附近产生强烈的涡流，进一步提高壁面附近流体的掺混，提高冷却流体与壁面、针肋表面的对流换热效果。另一方面，由于横向方向上在针肋之间的基板壁面上存在凹陷，这实际增大了流动最小横截面处的流通面积，减小了通道内的最大速度，缓解了通道内针肋对流动的阻碍，减小了流动损失。

由于采用了上述方案，本发明具有以下特点：本发明中的针肋阵列与热沉冷却通道的基板和顶板壁面相连接，一方面提高了冷却流体的换热面积；另一方面加固了通道。基板表面上的凹陷，一方面通过产生强烈涡流提高了冷却流体与壁面之间对流换热能力，另一方面横向方向上针肋之间的凹陷，增大了流道最小横截面处的流通面积，减小了流道内流动损失。基板壁面上设置凹陷，也增大了热交换的面积，有利于增强热沉的散热能力。

因此与常规的针肋阵列热沉相比，可以在相同的冷却负荷条件下，减小冷却流体的流量，从而降低泵或风机的功耗；另一方面也可减小基板壁面上针肋的密度，以减轻热沉的重量，这对于航空和航天飞行器电子设备热沉的设计非常有利。

带有凹陷和针肋阵列的冷却结构也出现在题为“具有网眼和凹陷冷却的热气通道部件”的中国发明专利申请CN1727642A中。但该现有技术的内容与本发明的内容在以下方面不同：

(1)在该现有技术中，凹陷定位在多个流道交叉处的壁面上，而在本发明中凹陷则定位在横向针肋之间的流道最小流通面积处；

(2)在该现有技术中，凹陷从45度角处排出涡旋，以减少流动对流道中固体部分的冲击，而在本发明中凹陷增大了流道最小横截面处的流通面积，从而减小了流道内流动损失；

(3)在该现有技术中，流道内还设置有紊流器，但本发明中不需要增设紊流器。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的第1个具体实施例的主视图；

图2是图1所示实施例去除顶板后的俯视图；

图3是本发明的第1个具体实施例沿图2中3-3截面的局部剖视图；

图4是本发明的第2个具体实施例去除顶板后的俯视图；

图5是图4所示实施例中沿5-5截面的局部剖视图；

图6是图4所示实施例中流体流动方向的示意图；

图7是本发明的第3个具体实施例的主视图；

图8是本发明的第4个具体实施例去除顶板后的俯视图。

具体实施方式

本发明以应用在一个高功率电子器件散热的热沉的具体实施例进行说明。该热沉的冷却通道内具有针肋和凹陷复合阵列结构。当然，本发明也可适用于其他的对发热器件进行冷却的应用领域。本发明中，纵向的定义为与冷却流体流动方向一致的方向，即箭头11的方向，阵列中沿纵向排列的单元构成“行”；横向的定义为平行于热沉基板的平面内、垂直于冷却流体流动方向的方向，阵列中沿横向排列的单元构成“列”。

具体实施例1：

如图1所示，本实施例中的针肋-凹陷复合阵列热沉20包括：基板22、多个针肋16、冷却通道14和顶板10。该热沉的基板22的壁面26与发热器件表面紧密接触，以便接收来自器件表面的热量。该热量随后被冷却通道14内的冷却流体带走。基板22与顶板10可用紧固件通过孔23联接在一起。

针肋16通过整体铣加工或钎焊或铸造或其它加工方式形成于基板内壁面24上。针肋16和基板22都采用高导热材料，如铜、铝或AlSiC等。针肋16为截面形状为圆形的柱状。当然，本发明中的针肋同样可以设制成截面形状为菱形、方形、椭圆形或水滴形的结构。为实现热沉尺寸的紧凑性，针肋一般是短针肋。典型的针肋直径范围是为0.5-10mm，针肋高度约为其直径的0.5-4倍。针肋16在冷却通道14内按错列方式布置。图中箭头11代表流体流动的方向。顶板10与针肋16顶部紧密接触，这样一方面也加固了冷却通道14，另一方面针肋16从基板22通过导热获得的热量能够传递给顶板10，使得顶板10也参与对流换热，显著地增加热沉20的散热面积。基板内壁面24上的针肋16阵列，一方面增加了传热面积，另一方面强烈地增强了流道14内的流动掺混，增强对流换热性能。

如图2和图3所示，基板内壁面24和对应的顶板内壁面12上还设有凹陷18。当然，本发明中的凹陷也可以根据实际情况，只在基板内壁面24上设置凹陷。凹陷18的表面形状为球形的一部分，也可以设制成截去顶部的圆锥形或泪滴形等。凹陷18定位于横向方向上每列针肋16之间、通流最小横截面处的基板壁面上；纵向上凹陷18在冷却通道14内错列布置。典型地，凹陷直径与针肋直径相同，凹陷深度约为凹陷直径的0.1-0.3倍。凹陷18，当冷却流体流过时，产生涡流，提高了气流与内壁面24以及针肋16表面的对流换热效果；同时，由于横向方向上针肋16之间的内壁面24上存在凹陷18，增大了流道最小横截面处的流通面积，缓解了通道14内针肋16对流动的阻碍，减小了流动损失。另一方面，由于通道最小截面处的最大速度得到减小，这有利于减小每个针肋16后面的尾流区，使得通道内的流动损失进一步减小。内壁面24上凹陷18的布置也也增大了热交换的面积，有利于散热。

与常规的针肋阵列热沉相比，在相同的入口气流条件下，本实施例中的针肋-凹陷阵列热沉的总体换热性能提高约10％，而流动阻力下降约20％。对于相同的散热负荷，则可以减少针肋布置的密度，从而减少热沉的重量，减少泵或风机的功耗，节约材料，这对于航空和航天电子设备热沉的设计非常有意义。

具体实施例2：

图4和图5所示的是具有另外一种布置方式的针肋-凹陷阵列热沉20。与图2所示的针肋-凹陷阵列热沉不同的是，凹陷18不仅布置在横向针肋16之间最小流动截面处的基板内壁面24上，在纵向方向上每两列针肋16之间也设置有一列凹陷18。凹陷18在基板内壁面24上错列布置。与图2所示的针肋-凹陷阵列布置方案相比，图4所示的布置方案中的基板内壁面24具有更多的凹陷。如图6所示，当流体流过针肋16和凹陷18阵列时，产生强烈的涡流15，并且涡流之间的相互作用能够显著地进一步增强基板内壁面24附近的湍流流动掺混，十分有利于提高冷却通道14表面的对流换热能力。同时，横向上每列针肋16之间布置有凹陷18，能够起到减阻作用，因此图4所示的针肋-凹陷阵列热沉20与常规的针肋阵列热沉相比，并不明显增加流动阻力。

具体地，与常规的针肋阵列热沉相比，在相同的入口气流条件下，图4所示实施例中的针肋-凹陷阵列热沉总体换热性能提高30％-50％，而流动阻力基本相同。对于相同的散热负荷，则可以减少针肋布置的密度，从而减少热沉的重量，减少泵或风机的功耗，节约材料，这对于航空和航天电子设备热沉的设计非常有意义。

具体实施例3：

图7描述的是针肋-凹陷阵列热沉20同时对两件器件进行散热。在该实施例中，冷却通道14限制在上、下两块基板22之间。两基板内壁面24都加工有针肋16和凹陷18。针肋16与上下两基板22相连接。因此在该配置方案中，没有顶板10。在图7所示的实施例中，两基板22之间的冷却通道14内的针肋-凹陷配置方案与图2或图4所示的相类似。冷却流体流入该热沉，将对上、下两基板22进行对流冷却。很显然，这样的散热方案非常紧凑，有利于节省空间，减轻重量，节约成本，对于航空及航天电子设备冷却设计非常有利。

具体实施例4：

图8描述的是两通道针肋-凹陷复合阵列热沉20。在该配置方案与图2或图4所示的单通道热沉相似，不同之处在于该方案的第一通道和第二通道之间一个分隔板32。冷却流体从入口28进入热沉，在第一通道末尾，如箭头13所示，流动转弯进入第二通道，随后从热沉出口30流出。这样的热沉设计方案，非常适合壁面发热热流密度不大但面积较大的器件散热需要。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种具有针肋-凹陷复合阵列结构的热沉，包括冷却通道、多个针肋、多个凹陷、基板和顶板；其中，

所述基板和所述顶板分别具有相对的内壁面；

所述冷却通道被限定于所述基板和所述顶板的相对的两个所述内壁面之间；

所述基板的所述内壁面上设置有多个所述针肋，多个所述针肋组成针肋阵列；其中，所述针肋阵列在所述基板的内壁面上错列布置；

所述基板或所述顶板两者中，至少所述基板的内壁面上设置有多个所述凹陷，多个所述凹陷组成凹陷阵列；其中，

所述冷却通道中，横向方向上所述针肋间具有最小流动横截面，至少一个所述最小流动横截面处设有所述凹陷，并且，纵向方向上多个所述凹陷错列排列，从而构成所述凹陷阵列；

所述针肋阵列与所述凹陷阵列共同构成所述针肋-凹陷复合阵列结构。

2.如权利要求1所述的热沉，其特征在于，在纵向方向上，每两列针肋之间还设有至少一个所述凹陷，以进一步提高传热性能。

3.如权利要求1所述的热沉，其特征在于，大部分的所述最小流动横截面处均设有所述凹陷。

4.如权利要求1所述的热沉，其特征在于，所述基板和所述顶板两者的内壁面上均设置有由多个所述凹陷组成的所述凹陷阵列。

5.如权利要求1所述的热沉，其特征在于，所述针肋的一端与所述基板的内壁面相连，所述针肋的另一端与所述顶板的内壁面相连。

6.如权利要求1所述的热沉，其特征在于，所述针肋的截面形状为圆形、菱形、方形、椭圆形或水滴形；所述凹陷的形状为球形的一部分，或截去顶部的圆锥形，或水滴形。

7.如权利要求1所述的热沉，其特征在于，所述针肋的高度为所述针肋的直径的0.5～4倍。

8.如权利要求1所述的热沉，其特征在于，所述冷却通道内的冷却流体为液体的水、乙二醇、液氮、FC-77或FC-84氟化液，或为气体的空气或氮气。

9.如权利要求1所述的热沉，其特征在于，所述热沉还包括一个沿纵向方向延伸的分隔板；

所述分隔板将所述冷却通道分隔为相互平行的第一通道和第二通道，其中所述第一通道的出口与所述第二通道的入口连通；

冷却流体从所述第一通道的入口进入所述热沉；

在所述第一通道的末尾，所述冷却流体流动转弯，进入所述第二通道；

随后从所述第二通道的出口流出。

10.一种针肋-凹陷复合阵列的布置方法，用于如权利要求1-9之任一所述的具有针肋-凹陷复合阵列结构的热沉，包括：

通过整体铣加工、冲压或铸造在所述基板的所述内壁面上设置多个所述凹陷；

通过整体铣加工、钎焊或铸造将多个所述针肋形成于所述基板的所述内壁面上；

其中，所述凹陷的直径与所述针肋的直径尺寸相近，所述凹陷的深度约为所述凹陷的直径的0.1～0.3倍；

使所述顶板与所述针肋的顶部紧密接触后，通过联接孔，用紧固件将所述基板与所述顶板联接在一起，从而限定所述冷却通道。

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