CN110637363A - 散热器和用于生产该散热器的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种散热器(100)，所述散热器包括设有多个流体流动通道的基本上平坦的实心板(101)，所述多个流体流动通道形成为将冷却剂从所述板的入口(110)引导至出口(120)，其中，所述多个通道包括至少两个主通道(10、20)，所述至少两个主通道通过至少多个桥接通道(31‑34、36‑37)互连，所述至少多个桥接通道在它们各自的附连至所述主通道的点之间没有进一步分支，其中，所述桥接通道(31‑34、36‑37)具有沿流动方向局部增大的横截面，并且其中，所述桥接通道(31‑34、36‑37)具有沿流动方向在所述横截面局部增大的下游局部减小的横截面。本发明还涉及一种用于制造散热器的方法。
Description
发明领域
本发明涉及散热器领域。
背景
散热器是将由另一装置产生的热量传递到流体介质的物理结构，该流体介质随后被引导离开该装置。
部件的冷却是工业中反复发生的问题。其原因在于，部件的寿命往往极大地取决于工作温度。因此，主动冷却被应用于部件以试图将最高温度保持在特定极限温度以下。此类部件的示例包括从激光器到发动机和功率电子系统。此外，产品在生产期间可能需要冷却。例如对于铸造就是这种情况。通过在铸造期间应用主动冷却，循环时间减少，其结果是生产率提高。然而，不充分的冷却会导致产品质量降低。
液体冷却板实质上是液体冷却剂流过的散热器。各种热源安装在冷却板上。此类普通冷却板的常见设计是具有一个蛇形冷却通道的金属板，所述蛇形冷却通道在所有热源上延伸。然而，在传统的蛇形散热器中，流体沿着蛇形通道加热，这对通道端部附近的冷却产生不利影响。
T.Van Oevelen(KU Leuven，2014年11月)的博士论文“电子器件的液体冷却的最佳散热器设计(Optimal Heat Sink Design for Liquid Cooling of Electronics)”，开发了用于微型散热器的先进的数值设计方法。讨论了两种方法：单个微通道的形状优化和散热器的拓扑优化。通过最优地控制在所使用的二维模型中用于区分固体材料与流体的虚构孔隙率来解决拓扑优化问题。尽管这项工作在理论上改进了蛇形散热器，例如在减小热梯度方面，但是使用板的“固体”部分是多孔的模型以及使用基本上无限窄的通道的可能性，使得结果对于现实世界的制造是不切实际的。
以Volkswagen DE名义的德国专利申请公开DE102011118483A1号中公开了一种热交换器，所述热交换器包括纵向方向从前侧到后侧定向的壳体。固体部分的结构化传递表面具有平坦的基底表面，所述基底表面具有相互间隔开的传递元件。传递元件对准为平行于基座的突出部。基部的定向横截面设定成具有垂直于纵向方向的不同宽度和平行于纵向方向的不同长度，使得最大长度具有比最大宽度更大的延伸。
转让给TOYOTA JIDOSHOKKI KK的美国专利申请公开US2014/091453A1号公开了一种包括基座和多个散热器翅片的冷却装置。该基座包括外部、内部、入口和出口。发热元件连接至基座的外部。散热器翅片位于基座的内部的发热元件附近。散热器从入口到出口布置。每个散热器具有侧向横截面，所述侧向横截面具有在冷却介质的流动方向上的尺寸和在与冷却介质的流动方向垂直的横向方向上的尺寸。流动方向上的尺寸比横向方向上的尺寸长。散热器翅片在横向方向上彼此分开预定距离。
以Paul Hoffman等人名义的美国专利申请公开US2009/145581A1号公开了一种用于从装置均匀地散热/去除热量的非线性翅片散热器，其中，在该装置上产生的热量是不均匀的，同时还提供了小并且相对轻质的散热器。所述散热器具有延伸的表面突起，所述表面突起如所述在对流热传递、传导热传递和流动阻力的识别中最佳地成形，从而允许所述散热器抵消冷却剂介质的温度升高，并且提供对所述冷却剂温度的增强的冷却，根据所述冷却剂介质的局部物理性质输送最佳的冷却效率，与流体一起使用以实现热传递；或者是液体冷却剂、气体冷却剂或者是它们的组合。此外，散热器的特征在于通过冷却剂流所穿过的翅片阵列来增强冷却剂流的湍流，这种翅片阵列的特征在于非线性形状、间隔和高度图案，以提供最佳冷却，同时减小体积和流阻。
A.Kosar等人的文章“TCPT-2006-096.R2：微量度针状翅片散热器-参数性能评估研究(Micro Scale pin fin Heat Sinks–Parametric Performance EvaluationStudy)”，关于组件和封装技术的电气和电子工程师协会学报，第30卷，第4号，提出了一种实验性进行的与在五个具有不同间隔、布置和形状的微型针状翅片散热器上去离子水的强制流动相关的热传递和压降的参数研究。在14-720雷诺(Reynolds)数范围内获得了努塞尔(Nusselt)数和摩擦系数。获得热和液压结果以评估和比较在固定的质量流动速率、固定的压降和固定的泵送功率下的散热器性能。对于非流线型的针状翅片装置，已经识别了由临界雷诺数分开的两个不同的依赖于雷诺数的努塞尔区域，而流线型装置未显示斜率变化。间隔、针状翅片的形状和布置对摩擦系数和热传递的影响与现有文献一致。结果表明，使用流线型的针状翅片散热器可以显著地提高散热器的热-液压性能，但仅在中等雷诺数的情况下。
现有的解决方案似乎不能在热效率与压降之间提供令人满意的折衷。因此，仍然需要改进的散热器。
概述
本发明的实施例提出了通过拓扑优化而实现的新的冷却解决方案，以主要用于工业设置中。
根据本发明的实施例，提供了一种散热器，所述散热器包括设有多个流体流动通道的基本上平坦的实心板，所述多个流体流动通道形成为将冷却剂从所述板的入口引导至出口，其中，所述多个通道包括至少两个主通道，所述至少两个主通道通过至少多个桥接通道互连，所述至少多个桥接通道在它们各自的附连至所述主通道的点之间没有进一步分支，其中，所述桥接通道具有沿流动方向局部地增大的横截面，并且其中，所述桥接通道具有沿流动方向在所述横截面局部增大的下游局部减小的横截面。
术语“板”用于指具有基本上平行的顶面和底面以及周向边缘的板状结构，由此使顶面和/或底面与要从其去除热量的热源接触。周向边缘通常限定矩形形状，尽管根据应用，其它多边形和非多边形形状可以是优选的。
术语“主通道”在这里用于表示由其它通道互连的通道区段。根据本发明的散热器可以具有两个或更多个主通道，这些主通道通常但并不是必须在它们的构造中呈现某种对称性。
在要求保护的发明的意义上，互连一对主通道的一些或所有通道可被认为是“桥接通道”，这意味着它们设有沿流动方向局部增大并且沿流动方向在横截面的所述局部增大的下游局部减小的横截面，并且它们在它们各自的附连至主通道的点之间没有进一步分支。
本发明主要基于发明人的令人惊讶的见解，即通过提供具有沿流动方向局部增大的横截面的桥接通道，可以在压降与流体流量之间达到更优化的平衡。由于可允许的压降通常由外部条件(例如，要使用的冷却剂泵的特性)规定，因此对于该特定的给定压力，散热器的使流体流动(以及由此热传输)最大化是非常期望的特性。尽管文献基于理论考虑建议使用沿流动方向变窄的通道，但是通过违反该建议并且使用呈现局部变宽阶段的桥接通道，已经获得了令人惊讶的良好流率。
此外，桥接通道在到达它们朝其输送流体的主通道之前，在所述限制的下游再次变窄。发明人已经发现，这种布置允许桥接通道的更宽的“中段”，这减小了通道上的压降。具体地，较宽的“中段”与桥接通道的流入和流出部分处的限制的组合，允许通道上的压降与排热效率之间的最佳设计折衷。
在根据本发明的散热器的实施例中，所述主通道具有最小横截面，该最小横截面大于其桥接通道的最大横截面。
在根据本发明的散热器的实施例中，所述主通道沿着基本上直的轨迹行进，行进的距离为散热器沿流动方向的外部尺寸的长度的至少1/3倍，优选地至少1/2倍，更优选地至少2/3倍，或最优选地甚至至少3/4倍。
主通道可由几个大体直线部段组成，这些部段具有基本长度，例如具有满足上面所列最小长度的长度。
这些布置允许这样的设计，其中，主通道限定通过板的冷却流体的总流动，由此桥接通道局部地调节每单位面积可以吸收和排出的热量。
在根据本发明的散热器的实施例中，所述横截面的局部增大从与所述主通道中的位于所述桥接通道上游的其中一个主通道的连接点开始。
在该实施例中，桥接通道在它们连接至主通道的点处呈现横截面限制，桥接通道从该主通道接收它们的流。发明人已经发现，这种限制是调节通过这种桥接通道的质量流率的特别有效的特征，从而改进这些点处的热交换和排热。
在根据本发明的散热器的实施例中，所述实心板的保留在所述流体流动通道之间的部分形成未呈现多个对称轴的岛，并且其中，出现不同的岛形。
在该实施例中，岛(也称为“翅片”)示出一些几何变化，允许沿着冷却流体的总路径的热传递特性的变化。
在根据本发明的散热器的实施例中，所述入口和/或所述出口设置在所述板的圆周上。
尽管同样可以在基本上平坦的实心板的主面上具有入口和/或出口，但是在圆周上设置入口和/或出口的优点在于，整个散热器保持基本上平的，从而允许更有效地使用的空间，其中所述空间的可用安装高度是有限的。
在根据本发明的散热器的实施例中，所述多个流体流动通道具有共同的最小宽度。
该实施例的优点在于，其允许通过相同的工业过程在板中生产多个通道。例如，0.1mm的共同最小宽度使得通道适于通过CNC铣削等来生产，而0.5mm的共同最小宽度则可以通过利用SLM的金属印刷来获得。
在根据本发明的散热器的实施例中，所述基本上平坦的实心板在其主面中的其中一个的表面上设有盖，所述盖借助与存在于所述多个通道之间的板材料接合的连接装置固定。
该实施例的优点在于，其允许通过已知的工业过程诸如CNC铣削来制造具有多个通道的板，其中通道在其开口端由盖闭合。由于连接装置(其可包括传统的连接器、诸如螺钉或螺栓，但也可包括粘合剂和焊接)与存在于通道之间的板材接合，因此不会干扰冷却效率。
根据本发明的一方面，提供了一种生产如上所述的散热器的方法，该方法包括：从一定量的原材料切割成基本上平坦的实心板；将所述多个流动通道加工到所述基本上平坦的实心板至小于所述基本上平坦的实心板的总厚度的深度，使得所述多个通道包括通过至少多个桥接通道互连的至少两个主通道，并且使得所述桥接通道具有沿流动方向局部增大的横截面；以及将基本上平坦的盖放置到所述已加工的板上。
根据本发明的方法的实施例的技术效果和优点通过必要的修正后对应于根据本发明的散热器的对应实施例的那些技术效果和优点。
附图简介
现在将参考附图来更详细描述本发明的实施例的这些和其它特征和优点，其中：
–图1示出了根据本发明的散热器的第一实施例的二维图像；
–图2示出了根据本发明的散热器的第一实施例的二维图像；
–图3示出了根据本发明的散热器的第三实施例的二维图像；
–图4示出了现有技术中已知的具有蛇形流动通道的示例性散热器；以及
–图5示出了根据本发明的方法的实施例的流程图。
实施例的描述
如上所述，散热器是将由另一装置产生的热量传递到流体介质(下文中也称为“冷却剂”)的物理结构，该流体介质随后被引导离开该装置。液体冷却板实质上是液体冷却剂流过的散热器。热传递受到通过液体冷却板的通道的冷却剂的流动特性(例如，流动是层流还是湍流)的影响，这将取决于通道的几何形状、冷却剂的性质和流率。通过冷却剂中的对流获得有效的热传递。
发明人已经发现，冷却板的液体通道的某些新颖设计在满足某些标准方面更好，诸如减小的热膨胀、较低的最大温度、更均匀的表面温度等。根据本发明的设计可以适于满足相关限制，诸如组装限制(螺钉)、制造限制、结构完整性和有限的压降。
通常，本发明所需的通道横截面的变化可通过改变通道的宽度和/或深度来获得。由于本说明书参考二维图，因此横截面中的所有变化都假定为仅通过宽度的变化来获得；这仅仅是为了清楚的目的而不失一般性。
图1示出了根据本发明的散热器的第一实施例的二维图像。
散热器100包括基本上平坦的实心板，所述实心板设有多个流体流动通道。多个流体流动通道形成为将冷却剂从板的入口110引导至出口120。在该实施例中，板在周边由不可渗透边缘界定，并且入口110和出口120是所述边缘中的中断，冷却剂可分别通过该中断进入和离开散热器100。由于入口110和出口120布置在板101的相对侧上，因而冷却剂基本上从左向右行进通过板。
多个通道包括至少两个主通道10、20，它们通过至少多个桥接通道31-34和35-37互连。技术人员将观察到图1的布置围绕中心水平轴的对称性；图1下半部中的主通道20和桥接通道31-37的配对未编号，以便保持附图和描述简洁，但是它们的操作当然是相同的。
桥接通道31-34和36-37具有沿流动方向(即，图中从主通道10朝向主通道20的方向)局部增大的横截面。实际上，可以看出，横截面的局部增大从位于桥接通道31-34和36-37上游的与主通道10的连接点开始，从而在所述连接点处或附近形成限制。
还可以看出，桥接通道31-34和36-37没有分支，并且它们具有沿流动方向，在横截面局部增大的下游局部减小的横截面。这显现为第二限制，所述第二限制位于桥接通道31-34和36-37的下游的主通道20的连接点附近。
图2示出了根据本发明的散热器的第二实施例的二维图像。
散热器100包括基本上平坦的实心板101，所述实心板101设有多个流体流动通道。多个流体流动通道形成为将冷却剂从板的入口110引导至出口120。在该实施例中，板在周边由不可渗透边缘界定，并且入口110和出口120设置在板101的圆周上，并且设有用于流体输送管等的附连点。由于入口110和出口120布置在板101的相对侧上，因而冷却剂基本上从左向右行进通过板。
多个通道包括至少两个主通道10、20、20’，它们通过至少多个桥接通道31、31’互连。技术人员将观察到图1的布置围绕中心水平轴的对称性。
桥接通道31、31’具有沿流动方向(即，图中从主通道10朝向主通道20/20’的方向)局部增大的横截面。实际上，可以看出，横截面的局部增大从与位于桥接通道31、31’上游的与主通道10的连接点开始，从而在所述连接点处或附近形成限制。
图1和图2中示出的实施例的特征在于，通道与通道之间的板材料的岛呈现不规则的高度图案；即，除了由入口和出口的布置所施加的对称性(在所示的情况下，围绕中心水平轴线的对称性)之外，在图案中没有可辨别的规则性。各个岛未呈现多个对称轴，并且较易产生许多不同的岛形。其中一些岛可具有指向迎面而来的流的楔形特征，导致通道分支成若干通道。
图3示出了根据本发明的散热器的第三实施例的二维图像。
散热器100包括基本上平坦的实心板101，所述实心板101设有多个流体流动通道。多个流体流动通道形成为将冷却剂从板的入口110引导至出口120。在该实施例中，板在周边由不可渗透边缘界定，并且入口110和出口120设置在板101的圆周上，并且设有用于流体输送管等的附连点。由于入口110和出口120布置在板101的同一侧，因而冷却剂基本上通过板U形转弯。
多个通道包括至少两个主通道10、20，它们通过至少多个桥接通道31、-33互连。
桥接通道31-33具有沿流动方向(即，图中从主通道10朝向主通道20的方向)局部增大的横截面。实际上，可以看出，横截面的局部增大从与位于桥接通道31-33上游的与主通道10的连接点开始，从而在所述连接点处或附近形成限制。
还可以看出，桥接通道31-33没有分支，并且它们具有沿流动方向，在横截面局部增大的下游局部减小的横截面。这显现为第二限制，所述第二限制位于桥接通道31-33的下游的主通道20的连接点附近。
应当注意，在“主通道”和“桥接通道”中不必存在通道的单个独特的分隔部，而是在每个实施例中存在至少一个这种分隔部(例如，在相应的图中指示的分隔部)，所述分隔部满足至少两个主通道通过至少多个桥接通道互连的要求，其中，所述桥接通道具有沿流动方向局部增大的横截面。
在所有附图中，仅示出了一个入口和一个出口，但是同样可以具有多于一个入口和/或多于一个出口。在所有附图中，所示的入口和出口沿板的平面中的周边布置，但是同样可以具有连接至散热器的主面的一个或多个入口和/或一个或多个出口。
为了比较的目的，图4示出了现有技术中已知的具有蛇形流动通道的示例性散热器。该装置涉及安装在钢板(黑色)上的水冷铝散热器(灰色)，所述钢板的厚度为0.002m。钢板具有10cm×10cm的正方形形状。在散热器的一个周向边缘上提供了入口110和出口120，两者都具有1cm×1cm的正方形横截面。单个的蛇形冷却剂通道从入口110延伸到出口120；所述冷却剂通道设计成产生与图4所示的根据本发明的散热器中的材料的量相同的材料、即60.3％的材料。为了本比较模拟的目的，在入口侧110处施加0.1m/s的均匀水流速度。入口(Tin)处的冷却剂温度假定为293K。
钢板从下面用10kW/m2的热通量均匀加热。图4和图5的设计的热性能是在钢板的底部测量的，所述底部也是热源的位置。图4和图5的设计比较如下：
可以看出，对于相同量的散热器材料、相同的冷却剂温度和入口处的速度以及相同的入口和出口的定位，根据本发明的散热器的平均温度和最高温度显著更低。
相同的结论适用于热阻Rth，所述热阻Rth根据入口温度Tin、出口温度T和总热输入Q来定义(Q＝qA＝10kW/m2×0.01m2＝100W)，使得：
Rth＝(T–Tin)/Q
在根据本发明的散热器上观察到的压降比在根据现有技术的散热器上观察到的压降低几乎一个数量级；这种差异具有重要的技术经济效益，因为这意味着可以使用更小(更廉价)的冷却剂泵来获得更好的冷却。
根据本发明的散热器，特别是在基本上平坦的板中的通道，可以通过铣削、激光切割、蚀刻、3D打印、金属板成形(例如，模具成形和液压成形)和其它已知的生产方法来生产。特别有利的是，将根据本发明的散热器100设计成使得多个流体流动通道具有共同的最小宽度，这适合于制造技术。
图5示出了根据本发明的散热器100的具体制造方法。该方法包括从一定量的原材料中切割成尺寸1010基本上平坦的实心板101，以获得所需的形状。尽管许多散热器是矩形的，但是其它形状也是可以的。将多个流动通道加工1020到基本上平坦的实心板至小于基本上平坦的实心板的整个厚度的深度，使得多个通道包括通过至少多个桥接通道31-37互连的至少两个主通道10、20，并且使得桥接通道具有沿流动方向局部增大的横截面。最后，将基本上平坦的盖102放置1030到已加工的板101上。
尽管以上已经参考特定的实施例描述了本发明，但这仅是为了说明而非限制本发明而做的，本发明的范围应根据所附权利要求来确定。还应注意，本文所述的概念可以以类似的效果应用于热交换器。
Claims (9)
1.一种散热器(100)，包括设有多个流体流动通道的基本上平坦的实心板(101)，所述多个流体流动通道形成为将冷却剂从所述板的入口(110)引导至出口(120)，
其中，所述多个通道包括至少两个主通道(10、20)，所述至少两个主通道通过至少多个桥接通道(31-34、36-37)互连，所述至少多个桥接通道在它们各自的附连至所述主通道的点之间没有进一步分支；
其中，所述桥接通道(31-34、36-37)具有沿流动方向局部增大的横截面；并且
其中，所述桥接通道(31-34、36-37)具有沿流动方向在所述横截面局部增大的下游局部减小的横截面。
2.如权利要求1所述的散热器(100)，其特征在于，所述主通道(10、20)具有大于其桥接通道(31-37)的最大横截面的最小横截面。
3.如前述权利要求中任一项所述的散热器(100)，其特征在于，所述主通道(10、20)沿着基本上直的轨迹行进，行进的距离为所述散热器(100)沿流动方向的外部尺寸的长度的至少1/3倍，优选地至少1/2倍，更优选地至少2/3倍，或最优选地甚至至少3/4倍。
4.如前述权利要求中任一项所述的散热器(100)，其特征在于，所述横截面的局部增大从与所述主通道(10)中的位于所述桥接通道(31-37)上游的其中一个主通道的连接点开始。
5.如前述权利要求中任一项所述的散热器(100)，其特征在于，所述实心板的保留在所述流体流动通道之间的部分形成未呈现多个对称轴的岛，并且其中，出现不同的岛形。
6.如前述权利要求中任一项所述的散热器(100)，其特征在于，所述入口(110)和/或所述出口(120)设置在所述板(101)的圆周上。
7.如前述权利要求中任一项所述的散热器(100)，其特征在于，所述多个流体流动通道具有共同的最小宽度。
8.如前述权利要求中任一项所述的散热器(100)，其特征在于，所述基本上平坦的实心板(101)在其主面中的其中一个主面的表面上设有盖(102)，所述盖借助与存在于所述多个通道之间的板材料接合的连接装置固定。
9.一种制造如前述权利要求中任一项所述的散热器(100)的方法，所述方法包括：
–从一定量的原材料切割成基本上平坦的实心板(101)；
–将所述多个流动通道加工到所述基本上平坦的实心板至小于所述基本上平坦的实心板的总厚度的深度，使得所述多个通道包括通过至少多个桥接通道(31–37)互连的至少两个主通道(10、20)，并且使得所述桥接通道具有沿流动方向局部增大的横截面；以及
–将基本上平坦的盖(102)放置到已加工的所述板(101)上。
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