CN107863329B - 一种新型翅片式微射流热沉及制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型翅片式微射流热沉及制造方法，属于节能设备领域。该装置包括罩体、设置在所述罩体内的若干个翅片和孔板，所述罩体上开设有进口和出口，所述罩体包括上换热面、下换热面和周换热面，所述孔板包括底板和设置在所述底板上的立板，所述立板上开设有若干第一散热孔和若干第二散热孔，所述翅片与所述立板间隔设置，所述底板与所述下换热面之间具有间隙并形成第二气室，本发明采新型翅片结构和小通道冲击射流方式，扩展了流体与受热面的面积、大大增强了流体受热面的对流换热系数，降低了换热过程的热阻，提高了换热过程的换热效率。

Description

一种新型翅片式微射流热沉及制造方法
技术领域
本发明涉及节能设备领域，特别涉及一种新型翅片式微射流热沉及制造方法。
背景技术
随着电子科技地不断革新，电子元器件呈现微型化，集成化趋势，这种趋势必然导致其功率的大幅度升高，通常电子芯片的允许工作温度低于70℃，芯片在允许工作温度下每上升2℃即减少10％的可靠性，55％的芯片失效的原因便是温度过热。因此，开发高效的电子元器件散热技术成为关键。常规换热器换热效率低，体积大，导致发热元件工作温度高而破坏元件。因此设计开发新型结构、换热高效、体积微小的换热器成为电子设备冷却的主要目标。
发明内容
本发明提供一种新型翅片式微射流热沉及制造方法，可以解决背景技术中所指出的问题。
一种新型翅片式微射流热沉，包括罩体、设置在所述罩体内的若干个翅片和孔板，所述罩体上开设有进口和出口，所述罩体包括上换热面、下换热面和周换热面，所述翅片位于所述上换热面上，所述翅片与所述周换热面之间具有间隙并形成第一气室，所述孔板包括底板和设置在所述底板上的立板，所述立板上开设有若干第一散热孔和若干第二散热孔，所述第一散热孔的轴心线与所述第二散热孔的轴心线相交叉，所述第一散热孔的轴心线垂直于所述翅片，相邻的两块所述立板之间具有间隙，所述翅片位于所述间隙内，所述翅片与所述立板间隔设置，所述底板与所述下换热面之间具有间隙并形成第二气室。
更优地，所述第一散热孔的轴心线与所述第二散热孔的轴心线垂直交叉设置。
更优地，所述翅片与所述上换热面一体成型。
更优地，所述出口为两个，两个所述出口贯通设置，两个所述出口的出口面法线与所述翅片的长度方向相平行。
更优地，所述进口的进口面法线与所述翅片的宽度方向相平行。
更优地，所述进口的进口面法线与所述上换热面相垂直。
一种新型翅片式微射流热沉制造方法，包括如下步骤：
S1，下料；
S2，切割孔板外形；
S3，钻第一散热孔和第二散热孔；
S4，将固体粉末与有机粘结剂均匀混合；
S5，经制粒后在加热塑化状态下用喷射成形机注入模腔内固化成形；
S6，用化学或热分解的方法将成形坯中的粘结剂脱除；
S7，获得一体成型的翅片与罩体；
S8，将孔板安装至罩体内并封装。
本发明提供一种新型翅片式微射流热沉及制造方法，采取第一散热孔和第二散热孔以冲击射流换热方式，减少了换热面部分的粘滞厚度，提高了换热效率。同时通过翅片的导热与冲击在其表面的流体产生对流换热，冲击在其表面的流体由于速度大，在翅片表面形成的粘滞厚度很薄，换热高效。
附图说明
图1为本发明提供的一种新型翅片式微射流热沉结构示意图；
图2为图1的剖面结构示意图；
图3为图1中孔板的剖面结构示意图；
图4为图1中罩体的剖面结构示意图。
附图标记说明：
10-罩体，12-进口，13-出口，14-翅片，15-第二气室，16-第一气室，20-孔板，21-底板，22-立板，23-第一散热孔，24-第二散热孔。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
如图1至图4所示，本发明实施例提供的一种新型翅片14式微射流热沉，包括罩体10、设置在所述罩体10内的若干个翅片14和孔板20，所述罩体10上开设有进口12和出口13，所述罩体10包括上换热面、下换热面和周换热面，所述翅片14位于所述上换热面上，所述翅片14与所述周换热面之间具有间隙并形成第一气室16，所述孔板20包括底板21和设置在所述底板21上的立板22，所述立板22上开设有若干第一散热孔23和若干第二散热孔24，所述第一散热孔23的轴心线与所述第二散热孔24的轴心线相交叉，所述第一散热孔23的轴心线垂直于所述翅片14，相邻的两块所述立板22之间具有间隙，所述翅片14位于所述间隙内，所述翅片14与所述立板22间隔设置，所述底板21与所述下换热面之间具有间隙并形成第二气室15。
为了实现更好的热交换，所述第一散热孔23的轴心线与所述第二散热孔24的轴心线垂直交叉设置。
为了优化工艺，节省制造工序，所述翅片14与所述上换热面一体成型。
为了进一步增加热交换效率，所述出口13为两个，两个所述出口13贯通设置，两个所述出口13的出口13面法线与所述翅片14的长度方向相平行。
进一步地，所述进口12的进口12面法线与所述翅片14的宽度方向相平行。
进一步地，所述进口12的进口12面法线与所述上换热面相垂直。
一种新型翅片式微射流热沉制造方法，包括如下步骤：
S1，下料；
S2，切割孔板20外形；
S3，钻第一散热孔23和第二散热孔24；
S4，将固体粉末与有机粘结剂均匀混合；
S5，经制粒后在加热塑化状态下用喷射成形机注入模腔内固化成形；
S6，用化学或热分解的方法将成形坯中的粘结剂脱除；
S7，获得一体成型的翅片14与罩体10；
S8，将孔板20安装至罩体10内并封装。
由牛顿冷却公式得知，增加传热量可以通过增加传热系数、传热面积和流体与固体壁面温差三种方法达到。而增加温差是以增加过程的不可逆损失为代价的；同时也受到具体工艺技术的制约，很少被采用。因此可以通过改变传热系数和传热面积，改变传热系数方式有很多，比如常规气体强制对流传热系数为20～100(W/m2·K)，而射流冲击传热系数能达到1403(W/m2·K)，相比而言，射流冲击传热系数是常规强制对流换热系数的十几倍，不言而喻选择射流冲击换热当之无愧；而改变传热面积可以在被冷却表面上加翅片的方式增加传热面积。而本热沉采用了小通道和翅片结构，既可以通过小通道形成的射流冲击换热手段来增大传热系数，又可以通过在被冷却面上加翅片来增加传热面积，综合两种强制换热手段使得此结构热沉换热效果良好。
所谓的射流冲击是指自由射流对固体壁面的冲击流动，由于流体直接冲击被冷却的面，使得被冷却面的流动边界层薄，达到良好的换热效果；所以利用射流冲击换热来冷却是一种极其有效的强化传热方法。一般射流出口的流速是接近均匀的，射流离开射流孔表面以后，由于与周围静止介质之间的动量交换，使射流的直径不断扩大，但在射流中心仍然保持一个速度均匀的核心区域。随着流体向前运动，核心区域不断缩小，最后整个截面上速度呈现中间大、逐渐向边缘减小的不均匀分布，而流速保持均匀的区域称为射流的位流流核；当射流抵达被冲击的壁面后，流体向着周围沿壁面散开，形成贴壁射流区；被冲击的壁面正对喷嘴的地区称为滞止区，与射流中心对应的点称为滞止点，这里的局部传热强度最高。在这种换热方式中，气体在压差作用下通过一个圆形射流孔垂直地喷射到被冷却表面上，从而使直接受到冲击的区域产生很强的换热效果。
综上理论分析，新型翅片式微射流热沉主要利用了适当地增加翅片和选择射流冲击两种强化换热手段与被冷却面进行热量交换；冲击射流换热系数是普通强制换热系数的一个数量级，同时加在被冷却面上的翅片增大了换热面积，根据牛顿冷却公式计算可知总散热量就会增加。
以下列参数实验可知，本热沉的孔板20上有4排立板，水平方向每排有20个第一散热孔，水平方向总共有80个第一散热孔，采用顺排的排列方式排列在被冷却面的正下方；垂直方向上每排有7个第二散热孔，每排立板垂直方向上总共有140个第二散热孔；第一散热孔和第二散热孔的直径为2mm，射流冲击距离为6mm，孔径与射流冲击高度比为1：3，翅片的高度与厚度比值为38.25。
根据建立的物理模型进行网格化分，然后通过FLUENT软件进行数值，计算结果如下。
(1)计算结果
如图5和图6所示，在同样1000W/m2的热流密度下和同样15m/s的入口速度的条件下，流体温度设置为300K进行数值计算。从计算结果分析得知，没有第一散热孔和第二散热孔的换热器表面最高温度343.98K，而有第一散热孔和第二散热孔的换热器表面最高温度才305.89K。
本发明提供一种新型翅片式微射流热沉及制造方法，采取第一散热孔和第二散热孔以冲击射流换热方式，减少了换热面部分的粘滞厚度，提高了换热效率。同时通过翅片的导热与冲击在其表面的流体产生对流换热，冲击在其表面的流体由于速度大，在翅片表面形成的粘滞厚度很薄，换热高效。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种新型翅片式微射流热沉，其特征在于，包括罩体(10)、设置在所述罩体(10)内的若干个翅片(14)和孔板(20)，所述罩体(10)上开设有进口(12)和出口(13)，所述罩体(10)包括上换热面、下换热面和周换热面，所述翅片(14)位于所述上换热面上，所述翅片(14)与所述周换热面之间具有间隙并形成第一气室(16)，所述孔板(20)包括底板(21)和设置在所述底板(21)上的立板(22)，所述立板(22)上开设有若干第一散热孔(23)和若干第二散热孔(24)，所述第一散热孔(23)的轴心线与所述第二散热孔(24)的轴心线相交叉，所述第一散热孔(23)的轴心线垂直于所述翅片(14)，相邻的两块所述立板(22)之间具有间隙，所述翅片(14)位于所述间隙内，所述翅片(14)与所述立板(22)间隔设置，所述底板(21)与所述下换热面之间具有间隙并形成第二气室(15)；
所述第一散热孔(23)的轴心线与所述第二散热孔(24)的轴心线垂直交叉设置。
2.如权利要求1所述的一种新型翅片(14)式微射流热沉，其特征在于，所述翅片(14)与所述上换热面一体成型。
3.如权利要求1所述的一种新型翅片(14)式微射流热沉，其特征在于，所述出口(13)为两个，两个所述出口(13)贯通设置，两个所述出口(13)的出口(13)面法线与所述翅片(14)的长度方向相平行。
4.如权利要求1所述的一种新型翅片(14)式微射流热沉，其特征在于，所述进口(12)的进口(12)面法线与所述翅片(14)的宽度方向相平行。
5.如权利要求1所述的一种新型翅片(14)式微射流热沉，其特征在于，所述进口(12)的进口(12)面法线与所述上换热面相垂直。
6.如权利要求1-5任一项所述的一种新型翅片(14)式微射流热沉的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，下料；
S2，切割孔板(20)外形；
S3，钻第一散热孔(23)和第二散热孔(24)；
S4，将固体粉末与有机粘结剂均匀混合；
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