CN108807309A - 一种具有射流结构的自相似微通道热沉 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有射流结构的自相似微通道热沉(Self‑Similarity Heat Sink,SSHS)。热沉包括主入流及出流结构、分流层、射流孔板层、微通道(溢流通道)层及顶部盖板。分流层下方的射流孔板层开有若干射流孔，开设位置沿着分流子通道流动方向排列。微通道层位于射流孔板层下方，由若干平行排列的微槽构成，微槽与射流孔板层底面形成了断续的微通道(溢流通道)结构。主入流道采用截面渐缩结构，确保冷却工质向各分流子通道均匀分配。分流层下方的射流孔板上的射流孔直径沿流减小，以使每个分流子通道下方的溢流通道(微通道)获得相近的流量，提高换热的均匀性。冷却工质通过各射流孔后垂直冲击溢流通道底面，形成一定的射流冲击效应，起到强化换热作用。

Description

一种具有射流结构的自相似微通道热沉
技术领域
本发明涉及一种高性能热沉，适用于高释热电子芯片、大功率激光二极管、聚光型太阳能电池等高发热、紧凑型设备的冷却，是一种具有射流结构的自相似微通道热沉。
背景技术
许多小型化、高发热设备，如高性能电子芯片、大功率激光二极管、聚光型太阳能电池等，在运行时会产生很强的释热（甚至超出100W/cm2），这对散热装置的散热能力提出了挑战，为了对这些设备进行有效的冷却，保证其安全可靠运行，相关散热技术及设备一直是研究热点。
液冷式微通道热沉相比传统的风冷式常规设计热沉具有更强的换热能力，更适用于高释热设备的冷却，是未来高发热电子设备冷却技术的主要发展方向。
自相似微通道热沉由F. Brighenti与N. Kamaruzaman等(F. Brighenti, N.Kamaruzaman, J.J. Brandner, Investigation of self-similar heat sinks forliquid cooled electronics[J]. Applied Thermal Engineering, 2013, 59(1-2):725-732.)于2013年首次提出。自相似微通道热沉具有多进口多出口的流动方式，利用入口段效应强化换热。与传统微通道热沉相比具有散热能力强、散热均匀等优点，同时相比分流式微通道热沉结构设计更加紧凑，在布置空间受限等特殊使用条件下更具优势。自相似微通道热沉内部流量分配不均及由此带来的换热不均极大限制了其应用和推广，相关问题亟待解决。
发明内容
本发明的目的在于提供一种散热效果优良、流量分配均匀、散热均匀性好、结构紧凑的自相似微通道热沉结构。
本发明的目的是这样实现的：在传统自相似微通道热沉的微通道层(4)与分流层(2)之间加入射流孔板层(3)，形成特殊的三层分流结构。通过主入流通道(1.1)、分流子通道(2.1)、射流孔(3.1)、溢流通道 (4.1)、出流子通道(2.2)、主出流通道(1.2)的特殊结构设计实现了热沉内部流量分配的均匀化与射流冲击过程的强化，进而提高热沉整体换热性能及换热均匀性。冷却工质由主入流通道(1.1)进入热沉，随后分流进入各分流子通道(2.1)，由于主入流通道(1.1)截面逐渐减小，越靠近主入流通道(1.1)末端，限流作用越显著，避免下游分流子通道(2.1)获得过多流量，从而使各分流子通道(2.1)间获得均匀的流量分配。冷却工质进入分流子通道(2.1)后，向通道底部的射流孔(3.1)进行分流。射流孔(3.1)孔径沿流动方向逐渐减小，同样可以避免分流子通道(2.1)下游的溢流通道(4.1)获得更多流量，从而确保各溢流通道(4.1)获得均匀的流量分配，进而使热沉内部换热过程更加均匀。另一方面，冷却工质通过各射流孔(3.1)后流速得以提升，随后冲击溢流通道(4.1)底面，形成较强的射流冲击效应，起到强化换热作用。
本发明还包括：所述主入流通道(1.1)一侧与各分流子通道(2.1)垂直相连。
所述主出流通道(1.2)一侧与各出流子通道(2.2)垂直相连。
所述分流子通道(2.1)与出流子通道(2.2)相互间隔。
所述热沉两端的两个出流子通道(2.3)宽度为完整出流子通道(2.3)宽度的一半，以保证热沉内部各流动单元几何尺寸一致。
本发明的有益效果：在自相似微通道热沉的微通道层(4)与分流层(2)之间加入射流孔板层(3)，形成特殊的三层分流结构，通过主入流通道(1.1)、分流子通道(2.1)、射流孔(3.1)、溢流通道 (4.1)、出流子通道(2.2)、主出流通道(1.2)的特殊结构设计实现热沉内部流量分配的均匀化与换热过程的强化。
图3为本发明均流效果展示，展示数据为数值模拟结果，采用FLUENT 16.0进行模拟计算，计算方法和模型均经过了验证和分析。计算模型为热沉中的一个流动单元。冷却工质为水，固体材料为硅；分流子通道(2.1)入口流量分别设置为0.58 kg/h、0.86 kg/h、1.44kg/h，出口设置为自由出流；底部受热面施加1 MW/m2的恒定热流；计算单元两侧断面设置为对称边界条件，其余外表面按绝热壁面处理。图3给出了不同入口流量下原型SSHS与本发明中的具有射流结构的自相似微通道热沉流量分配均匀性对比。由图3可知本发明均流效果显著。
附图说明
图1为本发明中各部件的爆炸视图与组合后的三维视图。
图2为图1的主要结构三维视图，俯视图及剖面视图。
图3为本发明均流效果展示。
图中各标记号如下：1-主入流及出流结构、2-分流层、3-射流孔板层、4-微通道层、5-盖板、1.1-主入流通道、1.2-主出流通道、2.1-分流子通道、2.2-出流子通道、3.1-射流孔、4.1-溢流通道(微通道)。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步阐明本发明的主要内容，但本发明的内容不限于以下实施例。
本发明公开了一种具有射流孔结构的自相似微通道热沉，包括主入流及出流结构(1)、分流层(2)、射流孔板层(3)、微通道层(4)、及顶部盖板(5)。入流及出流结构(1)包括主入流通道(1.1)与主出流通道(1.2)。分流层(2)包含分流子通道(2.1)与出流子通道(2.3)。射流孔板层(3)开有若干射流孔(3.1)，开设位置沿着分流子通道(2.1)流动方向排列，且各射流孔孔径沿流减小。微通道层(4)位于射流孔板层(3)下方，由若干平行排列的微槽构成，微槽与射流孔板层(3)底面形成了断续的微通道(溢流通道)(4.1)结构。
在本实施例中，主入流通道(1.1)为矩形截面，入口截面高度、宽度分别为0.8 mm、1.0 mm，主入流通道(1.1)总长4.7 mm。主入流通道(1.1)上的斜坡倾角为11.6°。斜坡起点距入口截面0.3 mm。主入流道(1.1)一侧与各分流子通道(2.1)垂直相连。
在本实施例中，分流子通道(2.1)为矩形通道，入口截面高度、宽度、长度分别为0.6 mm，0.4 mm、5 mm。
在本实施例中，每个分流子通道(2.1)底部对应的射流孔板(3)上开有5个射流孔(3.1)；射流孔(3.1)深度为0.2 mm；相邻射流孔(3.1)中心距为1 mm；从分流子通道(2.1)入口端到末端，各射流孔(3.1)直径依次递减0.03 mm，分别为0.3 mm、0.27 mm、0.24 mm、0.21mm、0.18 mm；孔径为0.3 mm的射流孔(3.1)中心线距分流子通道(2.1)入口截面0.6 mm。
在本实施例中，溢流通道(4.1)为矩形截面，位于射流孔板层(3)下方，通道截面宽度与高度分别为0.8 mm、0.1 mm。
在本实施例中，出流子通道(2.2)为矩形通道，其长度、宽度、高度分别为5.0 mm、0.4 mm、0.8 mm。
在本实施例中，热沉两端的两个出流子通道(2.2)宽度为完整出流子通道(2.2)宽度的一半，以保证热沉内部各流动单元几何尺寸一致。
在本实施例中，主出流通道(1.2)为矩形截面，其长度、宽度、高度分别为5.1 mm、1.0 mm、0.8 mm。主出流通道(1.2)一侧与出流子通道(2.3)垂直相连。
在本实施例中，分流道肋宽度为0.2 mm。
在本实施例中，微通道肋宽度为0.2 mm。
在本实施例中，微通道层(4)与顶盖(5)厚度分别为0.3 mm、0.2mm，其余部分壳体厚度为0.3mm。
以上实施例并非是对本发明的实施方式限定，除上述实施例外，本发明还有其他实施方式。凡采用等同替换或者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 (4)

1.一种具有射流结构的自相似微通道热沉，主要包括主入流及出流结构(1)、分流层(2)、射流孔板层(3)、微通道(溢流通道)层(4)、及顶部盖板(5)；主入流及出流结构(1)包括主入流通道(1.1)与主出流通道(1.2)；分流层(2)包含分流子通道(2.1)与出流子通道(2.2)；射流孔板层(3)开有若干射流孔(3.1)，且各射流孔孔径沿流减小；微通道层(4)位于射流孔板层(3)下方，由若干平行排列的微槽构成，微槽与射流孔板底面形成了断续的微通道(溢流通道)(4.1)结构。
2.根据权利要求1所述的具有射流孔结构的自相似微通道热沉，其特征在于，由前述主入流通道(1.1)、分流子流道(2.1)、射流孔(3.1)、溢流通道(4.1)、出流子通道(2.2)、主出流通道(1.2)组成的特殊分流结构。
3.根据权利要求1所述的具有射流结构的自相似微通道热沉，其特征在于，主入流通道(1.1)截面渐缩，以使冷却工质向各分流子通道(2.1)的分流过程均匀化，避免过多流量分配到主入流通道(1.1)下游的分流子通道(2.1)内。
4.根据权利要求1所述的具有射流结构的自相似微通道热沉，其特征在于，分流层(2)底部的射流孔板层(3)上开有若干射流孔(3.1)，射流孔位于各个分流子通道（2.1）底部，且各射流孔(3.1)直径沿流动方向逐渐减小，可使分流过程均匀化，同时流体经过射流孔(3.1)后流速得以提高，随后冲击溢流通道(4.1)底面，形成一定的射流冲击过程，起到强化换热作用。
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