CN107658281B - 一种分流式环形微通道散热器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种分流式环形微通道散热器，主要由圆形微肋板、圆形分流结构以及上盖板等组成。散热器特殊的分流结构由微肋板上的环形微通道和分流结构上的分流道构成。圆形分流结构直径小于圆形微肋板，两者形成的环形通道作为一次分流道，有效解决了由分流道末端冷却工质滞止效应导致的一次分流不均问题。二次分流道为渐缩结构，同样可以削弱分流通道内部流体滞止的影响，增加溢流通道间流量分配的均匀性。本发明在保留微通道分流结构优点的基础上，进一步改善了流量分配不均的问题，具有较高的换热能力和换热极限。本发明结构紧凑、换热能力好，在电子芯片、激光器、整流器等高发热设备冷却方面具有很好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型微通道散热器，特别是一种改进的具有分流道结构的环形微通道散热器，可用于诸如电子芯片、高功率LED以及激光器等高发热设备的冷却。
背景技术
21世纪以来，随着高新技术领域的高速发展，一些装置和设备的集成化、小型化和发热功率逐年提高，一方面运行性能不断提升，另一方面消耗的功率和单位面积产生的热量也不断增加。如在航天器上，随着激光技术的应用以及高集成度电子芯片的开发，需要冷却的热流密度已高到1 MW/m2以上。在核能应用领域，我国研制的托卡马克装置EAST，其第一壁的偏滤器、被动板、限制器等直接受到等离子体高温作用，靶板上的热流密度可达到4MW/m2。对于如此高的热流密度，常规的冷却方式已经很难满足要求。因此，高发热功率器件的热管理已成为限制很多领域发展的瓶颈问题之一，高效换热技术日趋受到重视。
随着微机电系统(MEMS, Micro-Electro-Mechanical System)技术的不断提高，近年来微通道热沉(MHS，Micro-channel Heat Sink)受到广泛的关注，并逐步得到应用。微通道热沉的设计概念最早由Tuckerman和Pease（D. B. Tuckerman, R. F. W Pease. High-performance heat sinking for VLSI. IEEE Electron Device Letter, 1981, 2 (5): 126-129）于1981年提出。与常规热沉相比，微通道热沉具有比表面积大、单位体积内换热面积大和换热能力高等优点。Harpole等（G. M. Harpole, J. E. Eninger. Microchannel heat exchanger optimization, in: Proc. 7th IEEE Semi-Therm Symp., 1991, pp. 59–63）在传统微通道热沉基础上，提出了具有二次分流结构的微通道设计（分流式微通道热沉），进一步提升了热沉的综合性能。然而，由于自身结构特点，分流式微通道热沉存在流量分配不均的固有缺点。流量分配不均，直接导致换热过程不均匀，影响热沉的散热性能以及散热极限。
发明内容
本发明的目的是针对现有分流式微通道热沉存在的缺陷，提供一种新型的微通道散热结构，改善流量分配不均的问题，强化散热能力，提高散热极限。
为达到上述目的，本发明采取的技术方案如下：
本发明所设计的分流式微通道热沉，包括圆形分流结构、圆形微肋板以及盖板等。所述盖板上设有进水口和出水口。冷却液由进水口流入，通过圆形微肋板最外层一次分流通道，进入各分流通道，进行二次分流，经过环形溢流微通道，最后汇聚在圆形微肋板中间的出水口流出。
所述的圆形微肋板由具有良好导热性能材料如铜、铝等加工制成，其基底上布有环形微肋，用于形成环形微通道。所述环形微肋的尺寸可根据实际需要确定，在毫米或微米量级。所述的环形微肋的截面可以是方形、梯形或三角形等形状。
所述圆形分流结构可通过微机电加工技术、3D打印或薄金属板压制而成，。所述的分流结构中进水分流通道的尺寸逐渐减小。
所述的盖板材料尽量选用导热率低的材料，进水口和出水口为圆形口，便于与其它管路连接。所述的进水口和出水口的设计可以是单进口单出口和多进口单出口等形式。若为单进口单出口设计，需另配进出水结构层。
所述的圆形分流结构、圆形微肋板以及盖板可依次叠加，通过导热胶粘合或焊接等方式密封和连接。
本发明与传统的分流式微通道热沉相比，具有以下特征和优点：对于传统分流式微通道热沉（参见图1），由于一次分流道和二次分流道末端冷却工质流动的滞止效应，分流道下游压力升高，引起附近流道流量增加，导致流量分配不均。两次流量分配过程进一步加剧热沉整体流量分配不均的问题。本发明中的一次分流通道为环形通道，并无末端冷却工质方向突然改变的情况，有效解决一次分流不均的问题。本发明中二次分流道为渐缩结构，可以有效的抑制分流通道内部流体滞止的影响，增加溢流通道间流量分配的均匀性。本发明在保证分流式微通道热沉优点的基础上，进一步改善了现有分流式微通道热沉流量分配不均的问题，有效的提高了热沉的综合换热能力和换热极限。
本发明结构紧凑、换热能力好，在电子芯片、激光器、整流器等高发热设备冷却方面具有很好的应用前景。
附图说明
图1 传统分流式微通道热沉示意图；
图2 本发明一个实施例的结构示意图；
图3圆形微肋板示意图；
图4圆形分流结构示意图；
图5盖板示意图；
图6本发明工作示意图；
图7本发明另一个实施例的结构示意图；
图8圆形分流板示意图；
图9进水结构层示意图；
图10出水结构层示意图；
图11盖板示意图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明作更详细说明：实施案例给出了详细的实施过程和具体结构，但本发明保护范围不限于下属实施例。
实施例一：
本实施例所述的是一种多入口单出口的分流式微通道热沉，如图2所示，由圆形微肋板1、圆形分流结构2和盖板3组成。
参见图3，所述的圆形微肋板1包括一次分流通道1-1、环形微肋1-2以及定位孔1-3。微肋板1的材料首先考虑导热性好的金属材料，其底面通过导热硅胶或导热硅脂等与发热体粘合。冷却工质由环形一次分流通道1-1进入二次分流通道。环形微肋1-2的高度以及微肋的间距在毫米或微米量级，以增加换热面积，具体尺寸按实际需求确定。
参见图4，所述的圆形分流结构2包括入水分流道2-1、出水分流道2-2以及定位销2-3。入水分流道2-1采用渐缩结构，以增强分流通道流量分配均匀性。在保证一次分流均匀性和较低压降的前提下，二次分流道的数量和尺寸可按照实际需求确定。分流板2和微肋板1通过定位销2-3和定位孔1-3安装及定位。
参见图5，所述的盖板3带有6个均匀分布的入水口3-1以及1个出水口3-2。冷却工质入口布置在热沉边缘，出口布置在热沉中间，以便渐缩式分流道的加工。实际入水口数量可增减，具体可由入水分流道2-1的数量和尺寸决定，但要保证与分流结构配合，使第一次流量分配均匀。进出水口为圆形口，便于与其它管路相连。
本实施例的工作示意图可参见图6。发热体的热量由热沉底部导入，冷却液从入口进入，经过环形一次分流道进入各二次分流道，通过各溢流通道汇聚到出水口，最终从出水口流出。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，参见图7，区别在于：所述进出水口为单进口和单出口形式，减少热沉外接管路数量；此外增加了进出水结构层以改善单进口结构引起的第一次流量分配不均。
本实施例中圆形微肋板1与实施例一中相同。
参见图8，所述的圆形分流结构2包括进水分流道2-1、出水分流道2-2、盖板2-3、出水通道2-4以及定位销2-5。分流结构2的尺寸小于圆形微肋板1，以形成环形通道，作为一次环形分流通道。冷却工质通过出水通道2-4进入出水结构层4。
参见图9-图11，所述的进水结构层3、出水结构层4以及盖板5的尺寸均与圆形微肋板1相同，可通过叠置粘合形成。各层结构均有一切面，用于定位配合。进水结构层3中心区域的通孔3-2的尺寸大于出水通道2-4。冷却工质由进水室3-1，通过两者所形成的缝隙进入一次分流通道。出水结构层4中心区域的通孔4-3的尺寸与出水通道2-4相同，且出水通道2-4出口位置与出水室4-1齐平。盖板5上的进出水口为尺寸相同的圆口，用于与其它管路连接。
Claims (5)
1.一种分流式环形微通道散热器，其特征在于散热器由圆形微肋板(1)、圆形分流结构(2)和盖板(3)构成；其分流结构(4)由微肋板(1)上的环形微肋(5)和圆形分流结构(2)上的分流道(6)构成；各结构层依次叠置，通过粘合或焊接组成整个散热器；
所述圆形分流结构尺寸小于微肋板，形成一次分流通道，圆形分流结构上的分流道(6)形成二次分流通道；
冷却液经过所述一次分流通道和所述二次分流通道，包括：
冷却液由进水口流入，通过所述一次分流通道，进入所述二次分流通道，进行二次分流，经过环形溢流微通道，最后汇聚在圆形微肋板中间的出水口流出；
所述分流道(6)为渐缩结构通道。
2.根据权利要求1所述的分流式环形微通道散热器，其特征在于所述的圆形微肋板(1)由导热性好的金属材料制成，其环形微肋(5)和由微肋形成的环形微通道的尺寸在毫米或微米量级，微肋截面形状是方形、梯形或三角形。
3.根据权利要求1所述的分流式环形微通道散热器，其特征在于除所述圆形分流结构(2)外的其余各结构层尺寸相同，且均有一平行切面，用于定位安装。
4.根据权利要求1所述的分流式环形微通道散热器，其特征在于所述的圆形微肋板(1)和圆形分流结构(2)通过定位销和定位孔定位。
5.根据权利要求1所述的分流式环形微通道散热器，其特征在于所述的盖板(3)上设有进出水口，进水口为多个或一个。
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