CN106601703A - 采用二次回流冷却模式的微通道热沉 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用二次回流冷却模式的微通道热沉，属于应用功率开关器件冷却的热沉设备领域。微通道热沉包括热沉壳体与置于热沉壳体上端的密封板，热沉壳体包括底板与侧壁围合形成的上端开口的立方体，侧壁包含第一侧壁、第二侧壁、第三侧壁与第四侧壁，以第一侧壁与第三侧壁所在方向为列，第二侧壁与第四侧壁所在方向为行，底板上布置有呈矩阵排布的微通道单元，微通道单元包含靠近第一侧壁布置的第一微通道单元、靠近第三侧壁布置的第二微通道单元，在第一微通道单元与第二微通道单元之间均匀布置有若干列第三微通道单元，每相邻两列第三微通道单元为结构相同，布置方向相反的正三棱柱。本发明的微通道热沉能保证工质流体经过内部微通道时，容易形成二次流，提高了散热效率。

Description

采用二次回流冷却模式的微通道热沉
背景技术
本发明属于应用功率开关器件冷却的热沉设备领域，具体的属于一种采用二次回流冷却模式的微通道热沉。
技术领域
随着功率开关器件的输出功率以及集成度的增加，功率开关器件的功耗在不断的上升，器件体积在不断减小，因此器件发热热流密度在急剧上升，如果热量不能及时的散发出去，就会引起器件温度过高而被烧坏，因此散热成为需要迫切解决的问题。
目前的微冷却器可以分为五类：微热交换器、微热管均热片、超微冷冻机、整合式微冷却器和微通道热沉，微通道热沉因其传热面积大、散热均匀、热扩散距离短等特点，被广泛的应用于各种高密度、高功率电子设备的冷却中。
现有的微通道热沉都是将流体通过进口进入分留槽中完成分流，均匀进入微槽道阵列，通过表面对流换热带走肋片上的热量，经由汇流槽汇集后进入出口，实现散热的目的。
Sui.Y等人在International Journal of Heat and Mass Transfer,2010,53(13-14):2760-2772发表的文章“Fluid flow and heat transfer in wavymicrochannels”中设计了带有周期性波纹分布的微通道热沉，但仍然存在热沉温度分布不均匀，不利于芯片的稳定工作。
Xia.G.D等人在International Journal of Thermal Sciences,2011,50:411-419上发表的文章“Effects of structural parameters on fluid flow and heattransfer in a microchannel with aligned fan-shaped reentrant cavities”中提出了扇型凹槽结构的微通道热沉，虽然扇形凹槽的引入有利于流体工质与热沉的充分接触并提高热沉温度的均匀分布，但是热沉的结构在微加工工艺上不容易实现。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供了一种采用二次回流冷却模式的微通道热沉。本发明的微通道热沉内部设置有呈矩阵排布的微通道单元，工质流体经过微通道单元之间的内部微通道，容易形成二次流，提高散热效率；且工质入口与工质出口的布置，使得工质流体经过微通道单元的流速保持一致，达到了均匀传热的效果。
为实现上述目的，本发明公开了一种采用二次回流冷却模式的微通道热沉，包括热沉壳体与置于热沉壳体的密封板，所述热沉壳体包括底板与侧壁围合形成的上端开口的立方体，所述侧壁包含第一侧壁、第二侧壁、第三侧壁与第四侧壁，以第一侧壁与第三侧壁所在方向为列，第二侧壁与第四侧壁所在方向为行，所述底板上布置有呈矩阵排布的微通道单元，所述微通道单元包含靠近第一侧壁布置的第一微通道单元、靠近第三侧壁布置的第二微通道单元，在第一微通道单元与第二微通道单元之间均匀布置有若干列第三微通道单元，每相邻两列第三微通道单元为结构相同，布置方向相反的正三棱柱；
在所述第二侧壁上，靠近第一侧壁的一端设有工质入口，在所述第四侧壁上，靠近第三侧壁的一端设置有工质出口，所述工质入口与工质出口呈对角布置；所述第一侧壁与第一微通道单元之间布置有工质入口流道，所述第三侧壁与第二微通道单元之间设有工质出口流道，所述工质入口布置在工质入口流道的前下方，所述工质出口布置在工质出口流道的后上方。
进一步地，所述第一微通道单元与第二微通道单元包含若干个结构相同的三棱柱，且三棱柱与正三棱柱的高度相等。
再进一步地，所述密封板的上端面与热源接触，下端面与微通道单元相接触，所述密封板与微通道单元均为硅基材质。
本发明的有益效果：
1、本发明的热沉内部微通道结构布置简单，通过设置有呈矩阵排布的微通道单元，使得内部微通道可以连续周期性打断流动边界层，增强流体的内部扰动，在工质流体中易产生漩涡，若干个漩涡产生的二次流进一步的增强了内部微通道流体的混合和对流传热，强化传热效率。
2、本发明的热沉整体布局合理，工质入口与工质出口的设计，使得工质流体经过微通道单元的流速保持一致，使得整个热沉达到了均匀传热的效果。
附图说明
图1为本发明微通道热沉的立体结构示意图；
图2为图1的俯视图；
图中各标号如下：
1—热沉壳体：1.1—底板、1.2—第一侧壁、1.3—第二侧壁、1.4—第三侧壁、1.5—第四侧壁；
2—工质入口、3—入口流道、4.1—第一微通道单元、4.2—第二微通道单元、5—第三微通道单元、7—出口流道、8—工质出口、9—密封板。
具体实施方式
为了更好地解释本发明，以下结合具体实施例进一步阐明本发明的主要内容，但本发明的内容不仅仅局限于以下实施例。
本发明公开了一种采用二次回流冷却模式的微通道热沉，如图1所示，所述微通道热沉包括热沉壳体1与置于热沉壳体1上端的密封板9，本实施例中优先选用具有优良导热系数的硅基材质的密封板，且密封板9的上端面与热源连接；所述热沉壳体1包括底板1.1与侧壁围合形成的上端开口的立方体，所述侧壁包括底第一侧壁1.2、第二侧壁1.3、第三侧壁1.4与第四侧壁1.5且第一侧壁1.2与第三侧壁1.4保持平行，第二侧壁1.3与第四侧壁1.5保持平行，以第一侧壁1.2与第三侧壁1.4所在方向为列，第二侧壁1.3与第四侧壁1.5所在方向为行，所述底板1.1上布置有呈矩阵排布的微通道单元，所述微通道单元包含靠近第一侧壁1.2布置的第一微通道单元4.1、靠近第三侧壁1.4布置的第二微通道单元4.2，所述第一微通道单元4.1包含一列有若干个结构相同的三棱柱，本实施例优选为直角三棱柱，如图2所示，且直角三棱柱的两个直角面分别与第三侧壁1.4、第四侧壁1.5保持平行，同理，所述第二微通道单元4.2包含一列有若干个与第一微通道单元4.1结构相同的直角三棱柱，且直角三棱柱的两个直角面分别与第一侧壁1.2、第二侧壁1.3保持平行。
再次结合图2可知，在第一微通道单元4.1与第二微通道单元4.2之间均匀布置有若干列第三微通道单元5，每相邻两列第三微通道单元为结构相同，布置方向相反的正三棱柱；所述正三棱柱的正三角形边长为0.8～1.2mm，本实施优选为1.0mm，正三棱柱的高度为1.2～1.8mm，本实施例优选为1.5mm，且正三棱柱的高度与三棱柱的高度相等，每相邻两列正三棱柱之间的距离为0.3～0.8mm，本实施例优选为0.5mm，每一列正三棱柱中相邻两个正三棱柱之间的距离也为0.3～0.8mm，本实施例优选为0.5mm，保证每行、每列的相邻两个正三棱柱之间的距离相等；流体工质在微通道单元形成的内部微通道中流动，布置方向相反的正三棱柱会引起流体工质的边界层周期性打断而产生二次流，增强内部流体扰动，提高导热效率。
如图1所示，在所述第二侧壁1.3上，靠近第一侧壁1.2的一端设有工质入口2，在所述第四侧壁1.5上，靠近第三侧壁1.4的一端设置有工质出口8，所述工质入口2与工质出口8呈对角布置，且本实施例优选工质入口2与工质出口8为圆形通孔，且圆形通孔的直径为0.7～0.9mm，本实施例优选为0.8mm；所述第一侧壁1.2与第一微通道单元4.1之间布置有工质入口流道3，所述第三侧壁1.4与第二微通道单元4.2之间设有工质出口流道7，本实施例优选工质入口流道3与工质出口流道7的宽度为0.9～1.1mm，本实施例优选为1.0mm，所述工质入口2布置在工质入口流道3的前下方，所述工质出口8布置在工质出口流道7的后上方，保证进入各内部微通道的流体的流速基本上保持一致，实现传热的均匀，工质流体从工质入口2进入，经过工质入口流道3后进入各内部微通道，在内部微通道中实现充分的导热后，再依次通过工质出口流道7、工质出口8流出热沉，实现导热的目的。
密封板9的上端面与热源接触，热源将热量传递给密封板9，本发明的密封板9的厚度为0.4～0.6mm，本实施优选为0.5mm，密封板9将热量传递给与密封板9下端面接触的微通道单元，硅基材质的微通道单元将热量传递给在微通道单元之间流动的流体工质，由于正三棱柱的周期性正反向排布，使得内部微通道可以连续周期性打断流动边界层，增强流体的内部扰动，一方面增加流体动能，引起流动分离，另一方面较容易在工质流体中产生漩涡，若干个漩涡产生的二次流进一步的增强了内部微通道流体的混合和对流传热，强化传热效率。
以上实施例仅为最佳举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。除上述实施例外，本发明还有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种采用二次回流冷却模式的微通道热沉，包括热沉壳体(1)与置于热沉壳体(1)上端的密封板(9)，其特征在于：所述热沉壳体(1)包括底板(1.1)与侧壁围合形成的上端开口的立方体，所述侧壁包含第一侧壁(1.2)、第二侧壁(1.3)、第三侧壁(1.4)与第四侧壁(1.5)，以第一侧壁(1.2)与第三侧壁(1.4)所在方向为列，第二侧壁(1.3)与第四侧壁(1.5)所在方向为行，所述底板(1.1)上布置有呈矩阵排布的微通道单元，所述微通道单元包含靠近第一侧壁(1.2)布置的第一微通道单元(4.1)、靠近第三侧壁(1.4)布置的第二微通道单元(4.2)，在第一微通道单元(4.1)与第二微通道单元(4.2)之间均匀布置有若干列第三微通道单元(5)，每相邻两列第三微通道单元为结构相同，布置方向相反的正三棱柱；
在所述第二侧壁(1.3)上，靠近第一侧壁(1.2)的一端设有工质入口(2)，在所述第四侧壁(1.5)上，靠近第三侧壁(1.4)的一端设置有工质出口(8)，所述工质入口(2)与工质出口(8)呈对角布置；所述第一侧壁(1.2)与第一微通道单元(4.1)之间布置有工质入口流道(3)，所述第三侧壁(1.4)与第二微通道单元(4.2)之间设有工质出口流道(7)，所述工质入口(2)布置在工质入口流道(3)的前下方，所述工质出口(8)布置在工质出口流道(7)的后上方。
2.根据权利要求1所述的采用二次回流冷却模式的微通道热沉，其特征在于：所述第一微通道单元(4.1)与第二微通道单元(4.2)包含若干个结构相同的三棱柱，且三棱柱与正三棱柱的高度相等。
3.根据权利要求1所述的采用二次回流冷却模式的微通道热沉，其特征在于：所述密封板(9)的上端面与热源接触，下端面与微通道单元相接触，所述密封板(9)与微通道单元均为硅基材质。
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