CN109640589B - 一种工质回流式的树状通道圆盘热沉 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电子器件散热、热能工程技术领域，具体地指一种工质回流式的树状通道圆盘热沉。包括圆环形连接通道、处于连接通道圆心处与连接通道同轴布置的进口通道和出口通道，还包括上层通道和下层通道；多根上层通道呈发散状分布，其进口端与进口通道连通，出口端通过与之连通的上层分岔通道与连接通道连通形成树状通道分布结构；多根下层通道呈发散状分布，其出口端与出口通道连通，进口端通过与之连通的下层分岔通道与连接通道连通形成树状通道分布结构；本发明的热沉结构简单，冷却流体流动时间延长，换热面积大幅度增加，提高了整个热沉的冷却效率，具有极大的推广价值。

Description

一种工质回流式的树状通道圆盘热沉
技术领域
本发明涉及电子器件散热、热能工程技术领域，具体地指一种集成了工质回流方式的树状通道圆盘热沉。
背景技术
对于高热流密度器件的冷却，传统散热方式主要以风冷散热为主，其它还包括液冷、热管散热、半导体制冷以及微型制冷系统冷却等冷却方式，其中风冷和液冷是最为常见和廉价的高热流密度器件冷却方式。
风冷是通过风扇强制驱动空气流经被冷却器件的表面，以对流换热的方式带走被冷却对象表面所产生的热量，但风冷散热本身具有一定的局限性，例如在热流密度超过一定值时，普通风冷散热将达到冷却极限，无法满足更高热流密度的散热需求。与风冷散热器相比较，传统液冷散热器主要通过循环泵驱动流体带走发热元件表面的热量，液冷散热器具有噪音小、热阻低以及对周围环境温度影响小等优点。传统液冷散热主要是通过在散热器底板上加工出数量众多、形状各异的导热肋柱，不仅增加了液体的流阻和散热器本身的体积，增加了循环泵的功耗，且传热效果不佳，发热元器件表面容易出现热点，限制了液冷散热器的进一步的推广与应用。
为了解决上述问题，国外学者提出了一种新的辐射通道圆盘热沉结构，如图1所示，圆心处设置有入口11，入口11连接有三条呈辐射状分布的第一层通道12，液体在第一层通道12内流入边缘处圆形通道14进入到三条呈辐射状分布的第二层通道13，液体通过第二层通道13流入圆心处的出口。这种圆盘式的回流热沉结构简单，冷却效果好，但是实际应用中，发现这种热沉结构并不能最大程度提高冷却流体的热交换效率，这种辐射状通道分布并不是最优通道构型。
发明内容
本发明的目的就是要解决上述背景技术中提到的现有圆盘热沉存在的不能最大程度提高冷却流体的热交换效率的问题，提供一种工质回流式的树状通道圆盘热沉。
本发明的技术方案为：一种工质回流式的树状通道圆盘热沉，包括圆环形连接通道、处于连接通道圆心处与连接通道同轴布置的进口通道和出口通道，
其特征在于：还包括上层通道和下层通道；多根上层通道呈发散状分布，其进口端与进口通道连通，出口端连通有≥2个第一层上层分岔通道；所述的第一层上层分岔通道的出口端连通有≥2个第二层上层分岔通道…第i层上层分岔通道的出口端与连接通道连通；所述的i≥0；
多根下层通道呈发散状分布，其出口端与出口通道连通，进口端连通有≥2个第一层下层分岔通道；所述的第一层下层分岔通道的进口端连通有≥2个第二层下层分岔通道…第j层下层分岔通道的进口端与连接通道连通；所述的j≥0；
所述的i和j不同时为0。
进一步的所述的i等于1，所述的j等于1。
进一步的所述的进口通道与连接通道之间设置有三条上层通道，三条上层通道沿连接通道的周向呈辐射状等距间隔布置，每条上层通道的出口端设置有两条上层分岔通道；
所述的出口通道与连接通道之间设置有三条下层通道，三条下层通道沿连接通道的周向呈辐射状等距间隔布置，每条下层通道的进口端设置有两条下层分岔通道。
进一步的所述的两条上层分岔通道以上层通道沿连接通道径向方向的延长线为中心线对称布置；所述的两条下层分岔通道以下层通道沿连接通道径向方向的延长线为中心线对称布置。
进一步的所述的两条上层分岔通道与连接通道的交点连线同上层分岔通道之间的夹角为0～60°；所述的两条下层分岔通道与连接通道的交点连线同下层分岔通道之间的夹角为0～60°。
进一步的所述的两条上层分岔通道与连接通道的交点连线同上层分岔通道之间的夹角为35°；所述的两条下层分岔通道与连接通道的交点连线同下层分岔通道之间的夹角为35°。
进一步的所述的上层通道与下层通道在垂直连接通道轴线的平面上的投影不重合。
进一步的所述的上层分岔通道与下层分岔通道在垂直连接通道轴线的平面上的投影相互交叉。
进一步的所述的上层通道在垂直连接通道轴线的平面上的投影与下层通道在垂直连接通道轴线的平面上的投影之间的夹角为60°。
进一步的所述的i等于0、j等于1；或所述的i等于1、j等于0。
本发明的优点有：1、通过在上层通道的出口端和下层通道的进口端设置分岔通道，能够有效延长冷却流体在热沉内停留时间，增加热沉冷却面积，提高了冷却流体的冷却效率；
2、通过在上层通道和下层通道上布置两根分岔通道结构，既不会大幅度增加热沉结构的复杂程度，又能够大幅度提高热沉结构的冷却效率，在加工难度和冷却效果之间取得了最佳平衡。
本发明的热沉结构简单，冷却流体流动时间延长，换热面积大幅度增加，提高了整个热沉的冷却效率，具有极大的推广价值。
附图说明
图1：现有技术的热沉结构示意图；
图2：本发明的实施例1的结构示意图；
图3：本发明的实施例2的结构示意图；
图4：本发明的实施例3的结构示意图；
图5：本发明的不同热沉的(火积)当量热阻线条图；
其中：1—进口通道；2—出口通道；3—连接通道；4—上层通道；5—下层通道；6—上层分岔通道；7—下层分岔通道；11—入口；12 —第一层通道；13—第二层通道；14—圆形通道。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1：本实施例的热沉为圆盘形状，包括位于最外层的连接通道3，连接通道3是圆环形结构，连接通道3的圆心处设置有进口通道1和出口通道2，进口通道1和出口通道2是沿连接通道3轴线布置的管道结构，进口通道1的出口端设置有上层通道4，出口通道 2的进口端设置有下层通道5，上层通道4和下层通道5是沿连接通道3径向方向延伸的管道结构。如图2所示，本实施例的热沉结构为上层微通道呈辐射状分布，下层微通道呈树状分布。
进口通道1的出口端设置有三条上层通道4，三条上层通道4沿连接通道3的周向方向依次等距间隔布置，相邻上层通道4之间间隔 120°。上层通道4的进口端与进口通道1的出口端连通，上层通道 4的出口端与连接通道3连通。
本实施例设置有三条下层通道5，三条下层通道5沿连接通道3 的周向方向依次等距间隔布置，相邻下层通道5之间间隔120°。下层通道5的出口端与出口通道2的进口端连通，下层通道5的进口端连接有两条下层分岔通道7，两条下层分岔通道7以下层通道5沿连接通道径向方向的延长线为中线对称布置。下层分岔通道7的进口端与连接通道3连通，出口端与下层通道5的进口端连通。两条下层分岔通道7与连接通道3的交点连线与下层分岔通道7之间的夹角为β，β的取值范围在0～60°，最佳设计方案取值为40°。
本实施例的连接通道3宽度为DR，上层通道4和下层通道5的管道宽度相同，为D1，下层分岔通道7的管道宽度为D0，本实施例的D1＝21/3D0，D0＝3DR。
本实施例的上层通道4和下层通道5在垂直连接通道3轴线的平面上的投影不重合。最佳设计方案为上层通道4在垂直连接通道3轴线的平面上的投影和下层通道5在垂直连接通道3轴线的平面上的投影之间的夹角为60°。
实施例2：本实施例的热沉为圆盘形状，包括位于最外层的连接通道3，连接通道3是圆环形结构，连接通道3的圆心处设置有进口通道1和出口通道2，进口通道1和出口通道2是沿连接通道3轴线布置的管道结构，进口通道1的出口端设置有上层通道4，出口通道 2的进口端设置有下层通道5，上层通道4和下层通道5 是沿连接通道3径向方向延伸的管道结构。如图3所示，本实施例的热沉结构为上层微通道呈树状分布，下层微通道呈辐射状分布。
进口通道1的出口端设置有三条上层通道4，三条上层通道4沿连接通道3的周向方向依次等距间隔布置，相邻上层通道4之间间隔 120°。上层通道4的进口端与进口通道1的出口端连通，上层通道 4的出口端设置有两条上层分岔通道6，两条上层分岔通道6以上层通道4沿连接通道径向方向的延长线为中线对称布置。上层分岔通道 6的出口端与连接通道3连通，进口端与上层通道4的进口端连通。两条上层分岔通道6与连接通道3的交点连线与上层分岔通道6之间的夹角为β，β的取值范围在0～60°，最佳设计方案取值为30°。
本实施例设置有三条下层通道5，三条下层通道5沿连接通道3 的周向方向依次等距间隔布置，相邻下层通道5之间间隔120°。下层通道5的出口端与出口通道2的进口端连通，下层通道5的出口端与连接通道3连通。
本实施例的连接通道3宽度为DR，上层通道4和下层通道5的管道宽度相同，为D1，上层分岔通道6的管道宽度为D0，本实施例的D1＝21/3D0，D0＝3DR。
本实施例的上层通道4和下层通道5在垂直连接通道3轴线的平面上的投影不重合。最佳设计方案为上层通道4在垂直连接通道3轴线的平面上的投影和下层通道5在垂直连接通道3轴线的平面上的投影之间的夹角为60°。
实施例3：本实施例的热沉为圆盘形状，包括位于最外层的连接通道3，连接通道3是圆环形结构，连接通道3的圆心处设置有进口通道1和出口通道2，进口通道1和出口通道2是沿连接通道3轴线布置的管道结构，进口通道1的出口端设置有上层通道4，出口通道 2的进口端设置有下层通道5，上层通道4和下层通道5 是沿连接通道3径向方向延伸的管道结构。如图4所示，本实施例的热沉结构为上层微通道呈树状分布，下层微通道呈树状分布。
进口通道1的出口端设置有三条上层通道4，三条上层通道4沿连接通道3的周向方向依次等距间隔布置，相邻上层通道4之间间隔 120°。上层通道4的进口端与进口通道1的出口端连通，上层通道 4的出口端设置有两条上层分岔通道6，两条上层分岔通道6以上层通道4沿连接通道径向方向的延长线为中线对称布置。上层分岔通道 6的出口端与连接通道3连通，进口端与上层通道4的进口端连通。两条上层分岔通道6与连接通道3的交点连线与上层分岔通道6之间的夹角在0～60°，最佳设计方案取值为35°。
本实施例设置有三条下层通道5，三条下层通道5沿连接通道3 的周向方向依次等距间隔布置，相邻下层通道5之间间隔120°。下层通道5的出口端与出口通道2的进口端连通，下层通道5的进口端连接有两条下层分岔通道7，两条下层分岔通道7以下层通道5沿连接通道径向方向的延长线为中线对称布置。下层分岔通道7的进口端与连接通道3连通，出口端与下层通道5的进口端连通。两条下层分岔通道7与连接通道3的交点连线与下层分岔通道7之间的夹角为β，β的取值范围在0～60°，最佳设计方案取值为35°。
本实施例的连接通道3宽度为DR，上层通道4和下层通道5的管道宽度相同，为D1，上层分岔通道6和下层分岔通道7的宽度相同，为D0，本实施例的D1＝21/3D0，D0＝3DR。
本实施例的上层通道4和下层通道5在垂直连接通道3轴线的平面上的投影不重合。最佳设计方案为上层通道4在垂直连接通道3轴线的平面上的投影和下层通道5在垂直连接通道3轴线的平面上的投影之间的夹角为60°。上层分岔通道6和下层分岔通道7在垂直连接通道3轴线的平面上的投影相互交叉。
分别对上层树状分布、下层辐射分布的热沉模型A、上层辐射分布、下层树状分布的热沉模型B和上层树状分布、下层树状分布的热沉模型C进行(火积)耗散率云图绘制，发现模型C的整体平均热量分散效果更好，(火积)当量热阻最小。
将模型A、模型B、模型C以及上下层均为辐射状分布且分别具有三条上层通道和三条下层通道的模型D、上下层均为辐射状分布且分别具有四条上层通道和四条下层通道的模型E、上下层均为辐射状分布且分别具有六条上层通道和六条下层通道的模型F六种模式进行(火积)当量热阻的绘制，参照图5所示，其中横坐标为β，纵坐标为(火积)当量热阻，从图中可以看出，当0°<β<60°时，上、下层微通道均为树状分布结构的微通道圆盘热沉的(火积)当量热阻小于三分支辐射状微通道圆盘热沉和四分支辐射状微通道圆盘热沉的(火积)当量热阻，并在一定角度范围内小于六分支辐射状微通道圆盘热沉的 (火积)当量热阻。且β＝35°时为最优结构设计。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (7)

1.一种工质回流式的树状通道圆盘热沉，包括圆环形连接通道(3)、处于连接通道(3)圆心处与连接通道(3)同轴布置的进口通道(1)和出口通道(2)，
其特征在于：还包括上层通道(4)和下层通道(5)；多条上层通道(4)呈发散状分布，其进口端与进口通道(1)连通，每条上层通道(4)的出口端设置有两条上层分岔通道(6)，上层分岔通道(6)的出口端与连接通道(3)连通；
多条下层通道(5)呈发散状分布，每条下层通道(5)的进口端设置有两条下层分岔通道(7)，下层分岔通道(7)的进口端与连接通道(3)连通；
所述的上层分岔通道(6)与下层分岔通道(7)在垂直连接通道(3)轴线的平面上的投影相互交叉。
2.如权利要求1所述的一种工质回流式的树状通道圆盘热沉，其特征在于：所述的进口通道(1)与连接通道(3)之间设置有三条上层通道(4)，三条上层通道(4)沿连接通道(3)的周向呈辐射状等距间隔布置，每条上层通道(4)的出口端设置有两条上层分岔通道(6)；
所述的出口通道(2)与连接通道(3)之间设置有三条下层通道(5)，三条下层通道(5)沿连接通道(3)的周向呈辐射状等距间隔布置，每条下层通道(5)的进口端设置有两条下层分岔通道(7)。
3.如权利要求2所述的一种工质回流式的树状通道圆盘热沉，其特征在于：所述的两条上层分岔通道(6)以上层通道(4)沿连接通道(3)径向方向的延长线为中心线对称布置；所述的两条下层分岔通道(7)以下层通道(5)沿连接通道(3)径向方向的延长线为中心线对称布置。
4.如权利要求3所述的一种工质回流式的树状通道圆盘热沉，其特征在于：所述的两条上层分岔通道(6)与连接通道(3)的交点连线同上层分岔通道(6)之间的夹角为0～60°；所述的两条下层分岔通道(7)与连接通道(3)的交点连线同下层分岔通道(7)之间的夹角为0～60°。
5.如权利要求4所述的一种工质回流式的树状通道圆盘热沉，其特征在于：所述的两条上层分岔通道(6)与连接通道(3)的交点连线同上层分岔通道(6)之间的夹角为35°；所述的两条下层分岔通道(7)与连接通道(3)的交点连线同下层分岔通道(7)之间的夹角为35°。
6.如权利要求1～5任一所述的一种工质回流式的树状通道圆盘热沉，其特征在于：所述的上层通道(4)与下层通道(5)在垂直连接通道(3)轴线的平面上的投影不重合。
7.如权利要求6所述的一种工质回流式的树状通道圆盘热沉，其特征在于：所述的上层通道(4)在垂直连接通道(3)轴线的平面上的投影与下层通道(5)在垂直连接通道(3)轴线的平面上的投影之间的夹角为60°。
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