CN103298322A - 一种具有强化对流换热能力的换热表面结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有强化对流换热能力的换热表面结构，包括换热表面和N组圆柱半球组合单元，N≥4，圆柱半球组合单元由圆柱体和半球体组成，圆柱体一端固定在换热表面上，另一端与半球体的非曲面固连。本发明的半球体结构有利于流体的对流，增强流体流动过程的扰动，增强对流换热能力，圆柱体形成的通道可以扰乱流体的壁面温度边界层，提高换热能力。
Description
技术领域
本发明属于电子器件热控制领域，具体涉及一种具有强化对流换热能力的换热表面结构，通过改变换热表面结构，从而有效增强对流换热效果。
背景技术
随着机械加工技术的不断发展，电子器件逐渐向着微型化、高度集成化方向发展，工作能量需求日益增高，这些不可避免的造成电子器件工作时的高热流密度，而高热流密度必然导致更高的温度，甚至远远超出电子器件的工作范围。如果多余的热量不能被有效控制，电子器件的工作性能将随着温度的上升而急剧降低，甚至烧毁。提高电子器件的散热能力已经成为亟待解决的技术难题。
在不同对流换热方法中，换热表面状况对换热能力有着极大的影响。谭蕾，张靖周，杨卫华，半封闭肋化通道射流冲击换热特性的数值计算与实验验证，航空学报，29（2008） 1105-1111中，对换热表面进行了换热强化处理，在换热表面上加工出几种不同的强化结构，实验证明处理后的换热表面可以在一定程度上提高系统的换热能力。但是上述方法对换热表面进行的强化处理，经其实验验证，证明系统换热能力提高较小。Myung Ki Sung, Issam Mudawar, Single-phase and two-phase heat transfer characteristics of low temperature hybrid micro-channel/micro-jet impingement cooling module, International Journal of Heat and Mass Transfer 51(2008) 3882-3895），利用机械加工的方法，在换热表面上开槽，从而形成类似微通道的表面结构，这种结构一方面增大了换热表面的面积，另一方面通过破坏流体的有序流动从而获得更高的换热能力，上文提出的结构比较简单，可以有效的提高系统换热能力，但是提高效果较小。
如前所述，本方法利用机械加工方法，在换热表面上加工出凸球形的强化换热结构，从而有效提高系统的对流换热能力，降低电子器件的表面温度，满足未来大功率电子器件的工作温度需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有强化对流换热能力的换热表面结构，解决现有对流换热中强化换热表面结构单一，换热性能较低等问题，提高电子器件的对流换热能力，保证电子器件的安全运行。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种具有强化对流换热能力的换热表面结构，包括换热表面和N组圆柱半球组合单元，N≥4，圆柱半球组合单元由圆柱体和半球体组成，圆柱体一端固定在换热表面上，另一端与半球体的非曲面固连。
圆柱体的直径D1为0.5mm-4.0mm，高度H取值范围为0.5mm-5.0mm，半球体的直径D2与圆柱体的直径D1相同。
上述N组圆柱半球组合单元的采用矩形阵列排列或者错列排列。
上述错列排列为在相邻的四组圆柱半球组合单元组成的矩形中心增加一组圆柱半球组合单元。
上述矩形阵列布置以a*b的矩形阵列方式布置，a、b分别为水平面上两个方向的圆柱半球组合单元的数目，相邻圆柱半球组合单元的间距为1.5D1-6D1 。
本发明与现有技术相比，其显著优点：
(1) 同等尺寸条件下，换热面积更大。
(2) 半球体结构有利于流体的对流，增强流体流动过程的扰动，增强对流换热能力。
(3) 圆柱体形成的通道可以扰乱流体的壁面温度边界层，提高换热能力。
附图说明
图1是本发明矩形阵列布置方式示意图。
图2是本发明错列布置方式示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
（1）选择具有高导热性能的金属材料，金属要求便于机械加工；（2）选择合适的圆柱直径D1以及半球直径D2；（3）确定底部圆柱的高度H；（4）确定圆柱半球组合单元（2）布置形式，即采用矩形阵列布置或者是错列布置形式；（5）确定相邻圆柱半球组合单元（2）水平和竖直间距L1和L2;（6）根据确定的参数加工出强化换热表面结构。
第一步所述的金属材料，要求导热性能好，如铜、铝等，同时面积满足实际换热面积需求。
第二步所述的底部圆柱直径D1和顶部半球直径D2，要求底部圆柱直径D1取值范围0.5mm-4.0mm，顶部半球直径D2取值与底部圆柱直径D1相同。
第三步所述的底部圆柱的高度H，要求高度H的取值为0.5mm-5.0mm。
第四步所述的圆柱半球组合单元（2），由圆柱体（3）和半球体（4）组成。其矩形阵列布置方式为图1所示，为a*b布置方式，a、b分别为x、y方向上的圆柱半球组合单元（2）数目；其错列布置方式为图2所示，即在矩形阵列布置方式的基础上，在相邻四个圆柱半球组合单元（2）组成的四边形中心增加一个圆柱半球组合单元（2）。
第五步所述的相邻圆柱半球组合单元（2）间距L1和L2，要求L1和L2取值1.5D1-6D1。
实施例1
1、 选择长*宽*高为12mm*25mm*4mm的紫铜板作为换热表面（1）。
2、确定圆柱体（3）的直径D1为0.5mm，半球体（4）直径D2为0.5mm。
3、 确定圆柱体（3）的高度H为1.0mm。
4、采用3*6的矩形阵列布置方法布置。
5、确定相邻圆柱半球组合单元（2）水平间距为3.0mm，竖直间距为3.0mm。
6、圆柱体（3）底面固定在换热表面（1）上，顶面与半球体（4）的非曲面固连。
根据以上步骤1-5即可获得新型强化对流换热表面结构，经过矩形阵列射流实验验证，实验结果表明使用以上方法与使用平板换热表面相比，在300W/cm2的热流密度条件下，换热表面温度比平板表面降低了20.73℃，对流换热系数提高了45.9%。
实施例2
1、选择长*宽*高为50mm*50mm*8mm的紫铜板作为换热表面（1）。
2、确定圆柱体（3）的直径D1为2mm，半球体（4）直径D2为2mm。
3、确定圆柱体（3）的高度H为4mm。
4、采用错列布置方法布置。
5、确定相邻圆柱半球组合单元（2）的水平间距和垂直间距均为6mm，相邻四组圆柱半球组合单元（2）形成的四边形中心增加一组圆柱半球组合单元（2）。
6、圆柱体（3）底面固定在换热表面（1）上，顶面与半球体（4）的非曲面固连。
根据以上步骤1-5即可获得新型强化对流换热表面结构，经过矩形阵列射流实验验证，实验结果表明使用以上方法与使用平板换热表面相比，在300W/cm2的热流密度条件下，换热表面温度比平板表面降低了22.05℃，对流换热系数提高了49.7%。
工作过程：电子器件产生的热量通过换热表面（1）传导，流体流经换热表面（1）和圆柱半球组合单元（2）带走热量。
Claims (5)
1.一种具有强化对流换热能力的换热表面结构，其特征在于：包括换热表面（1）和N组圆柱半球组合单元（2），N≥4，圆柱半球组合单元（2）由圆柱体（3）和半球体（4）组成，圆柱体（3）一端固定在换热表面（1）上，另一端与半球体（4）的非曲面固连。
2.根据权利要求1所述的具有强化对流换热能力的换热表面结构，其特征在于：圆柱体（3）的直径D1为0.5mm-4.0mm，高度H取值范围为0.5mm-5.0mm，半球体（4）的直径D2与圆柱体（3）的直径D1相同。
3.根据权利要求1所述的具有强化对流换热能力的换热表面结构，其特征在于：上述N组圆柱半球组合单元（2）的采用矩形阵列排列或者错列排列。
4.根据权利要求3所述的具有强化对流换热能力的换热表面结构，其特征在于：上述错列排列为在相邻的四组圆柱半球组合单元（2）组成的矩形中心增加一组圆柱半球组合单元（2）。
5.根据权利要求1所述的具有强化对流换热能力的换热表面结构，其特征在于：上述矩形阵列布置以a*b的矩形阵列方式布置，a、b分别为水平面上两个方向的圆柱半球组合单元（2）的数目，相邻圆柱半球组合单元（2）的间距为1.5D1-6D1 。
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Application publication date: 20130911 |