CN115014107B - 含有翼型分流肋的双效强化换热微通道热沉 - Google Patents

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Abstract

公开了一种含有翼型分流肋的换热微通道热沉，其包括多个换热微通道，换热微通道具有用于传热的底表面以及相对于底表面的顶表面，多个分流模块位于进口段和出口段之间，分流模块设于换热微通道中以将其分为上流道和下流道，翼型分流肋几何形状为具有第一圆弧表面的扇形体和具有第一斜表面的三棱柱的组合结构，顶面由第一圆弧表面及自第一圆弧表面延伸的第一斜表面构成，凹槽自顶表面向远离底表面方向凹进，凹槽具有第二圆弧表面及自第二圆弧表面延伸的第二斜表面，凹槽与顶面之间构成上流道；多个合流段在流动方向上设于翼型分流肋之后，其位于下一个翼型分流肋之前。

Description

含有翼型分流肋的双效强化换热微通道热沉
技术领域
本发明属于微通道散热技术领域，特别是一种含有翼型分流肋的换热微通道热沉。
背景技术
高热流密度电子器件的散热问题制约5G等技术的发展，若不及时有效降低芯片表面温度，将导致器件性能迅速衰退。微通道热沉具有体积小、重量轻、比表面积大、单位面积换热强度高的优点，可以用于加快芯片散热，然而现有微通道热沉仍无法满足极端热流密度下的散热需求。
在光滑微通道中引入不同流道结构可以产生更好的流动效果，而设计肋片可增大换热面积并降低换热热阻，增强换热性能。特别的，如图1所示的一种无动力相变散热装置，其内设置有并排布置的单向导通管路，每组管路包括首尾对接的特斯拉阀，冷却工质在通过特斯拉阀时吸收大量热量并带出。但是，该技术存在两点不合理之处：首先，特斯拉阀的布置有待改进，在相同热流面面积下，纵向布置的特斯拉阀型肋数量和通道数量都较少，所形成的换热面积很小。其次，现有的特斯拉阀主要作用是单向流动，强化换热效果不好。
在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种含有翼型分流肋的换热微通道热沉，利用上流道流体分流后的泵压和重力两种动力冲击下流道流体，促进上流道流体与下流道流体混合，加快底部流体排出，增强合流段的换热效果；分段布置翼型分流肋，实现对全段的全覆盖强化换热。
本发明的目的是通过以下技术方案予以实现，一种含有翼型分流肋的换热微通道热沉包括多个换热微通道所述换热微通道含有多个翼型分流肋；
每个换热微通道具有用于传热的底表面以及相对于所述底表面的顶表面，所述换热微通道自所述底表面垂直延伸到所述顶表面的通道截面积为微米级；
每个换热微通道包括：
进口段，其位于换热微通道的前端以导入流体；
出口段，其位于换热微通道的末端以导出流体；
分流模块，其位于所述进口段和出口段之间，所述分流模块设于所述换热微通道中以将其分为上流道和下流道；
所述分流模块包括：
翼型分流肋，其几何形状为具有第一圆弧表面的扇形体和具有第一斜表面的三棱柱的组合结构，所述第一圆弧表面朝向所述进口段，所述第一斜表面朝向所述出口段，所述组合结构具有水平底面和顶面，所述水平底面在垂直方向上高于所述底表面且两者之间的间隔构成下流道，所述顶面由所述第一圆弧表面及自所述第一圆弧表面延伸的第一斜表面构成；
凹槽，其自所述顶表面向远离底表面方向凹进，所述凹槽具有第二圆弧表面及自所述第二圆弧表面延伸的第二斜表面，所述第二圆弧表面与所述第一圆弧表面间隔第一预定距离且所述第二圆弧表面与所述第一圆弧表面共圆心，所述第二斜表面平行于所述第一斜表面且所述第二斜表面间隔所述第一斜表面第二预定距离，所述凹槽与所述顶面之间构成上流道；
合流段，其在流动方向上设于所述翼型分流肋之后，其位于下一个翼型分流肋之前。
所述的含有翼型分流肋的换热微通道热沉中，翼型分流肋的扇形体的来流攻角为30°-90°，三棱柱的出口角度为30°-45°。
所述的含有翼型分流肋的换热微通道热沉中，翼型分流肋的扇形体的来流攻角为90°，三棱柱的出口角度为35°。
所述的含有翼型分流肋的换热微通道热沉中，多个所述翼型分流肋均匀间隔分布于每个换热微通道中。
所述的含有翼型分流肋的换热微通道热沉中，多个所述翼型分流肋以300微米的固定间距设置于每个换热微通道中。
所述的含有翼型分流肋的换热微通道热沉中，所述上流道的高度和下流道的高度分别占合流段流道高度的50％。
所述的含有翼型分流肋的换热微通道热沉中，所述第一预定距离等于第二预定距离。
所述的含有翼型分流肋的换热微通道热沉中，所述第一预定距离等于下流道的高度。
所述的含有翼型分流肋的换热微通道热沉中，每个换热微通道热沉包括多个阵列分布的含有翼型分流肋的换热微通道。
所述的含有翼型分流肋的换热微通道热沉中，第一圆弧表面和第一斜表面之间平滑过渡，第二圆弧表面和第二斜表面之间平滑过渡。
和现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明利用上流道流体分流后的泵压和重力两种动力冲击下流道流体，促进上流道流体与下流道流体混合，加快底部流体排出，实现双效强化合流段的换热效果；此外，通过分段布置翼型分流肋，增大分流模块的换热面积，从而实现对全段的全覆盖强化换热；采用的翼型分流肋布置在合流段高度的50％处，将流道分为上流道和下流道，可实现更好的流量分配和引流；翼型分流肋将扇形体端布置于来流方向，可以缓和来流方向的冲击，有效降低流动阻力。
附图说明
通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。
在附图中：
图1是现有的一种微通道热沉的结构示意图；
图2是一种含有翼型分流肋的双效强化换热微通道热沉的结构示意图；
图3是一种含有翼型分流肋的双效强化换热微通道热沉中分流模块的原理图；
图4是翼型分流肋的结构示意图；
图5是分流模块上下流道高度的示意图；
图6是翼型分流肋的固定间距布置示意图；
图7是三种不同间距下相同流速时的换热性能对比图；
图8是一种含有翼型分流肋的双效强化换热微通道热沉的正视图；
图9是翼型分流肋的来流攻角和出口角度的示意图；
图10是三种不同翼型分流肋来流攻角角度下相同流速时的换热性能对比图；
图11是四种不同翼型分流肋出口角度下相同流速时的换热性能对比图；
图12是最佳结构组合与传统光滑管道的换热性能对比图。
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。
具体实施方式
下面将参照附图1至图12更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。
为了更好地理解，如图2至图12所示，含有翼型分流肋的换热微通道热沉包括多个换热微通道，换热微通道含有多个翼型分流肋7，所述换热微通道具有用于传热的底表面17以及相对于所述底表面17的顶表面18，所述换热微通道自所述底表面17垂直延伸到所述顶表面18的通道截面积为微米级，所述换热微通道包括，
进口段1，其位于换热微通道的前端以导入流体；
出口段4，其位于换热微通道的末端以导出流体，所述进口段1朝向所述出口段4的方向为流体流动方向，所述底表面17朝向所述顶表面18的方向为传热方向，所述流动方向正交于所述传热方向；
多个分流模块2，其位于所述进口段1和出口段4之间，所述分流模块2设于所述换热微通道中以将其分为上流道5和下流道6，所述分流模块2包括，
翼型分流肋7，其几何形状为具有第一圆弧表面11的扇形体8和具有第一斜表面13的三棱柱9的组合结构，所述第一圆弧表面11朝向所述进口段1，所述第一斜表面13朝向所述出口段4，所述组合结构具有水平底面10和顶面15，所述水平底面10在垂直方向上高于所述底表面17且两者之间的间隔构成下流道6，间隔高度为下流道6的高度，所述顶面15由所述第一圆弧表面11及自所述第一圆弧表面11延伸的第一斜表面13构成，
凹槽16，其自所述顶表面18向远离底表面17方向凹进，所述凹槽16具有第二圆弧表面12及自所述第二圆弧表面12延伸的第二斜表面14，所述第二圆弧表面12与所述第一圆弧表面11间隔第一预定距离且所述第二圆弧表面12与所述第一圆弧表面11共圆心，所述第二斜表面14平行于所述第一斜表面13且所述第二斜表面14间隔所述第一斜表面13第二预定距离，所述凹槽16与所述顶面15之间构成上流道5；
合流段3在流动方向上设于所述翼型分流肋7之后，其位于下一个翼型分流肋7之前。
相比图1所示的现有技术，本含有翼型分流肋的换热微通道热沉不仅能够改善微通道内流体的流动性能，强化流体的换热作用，而且采用翼型分流肋7能够增加换热面积。
所述的含有翼型分流肋的换热微通道热沉的优选实施例中，翼型分流肋7的扇形体8的来流攻角为30°-90°，三棱柱9的出口角度为30°-45°。
所述的含有翼型分流肋的换热微通道热沉的优选实施例中，翼型分流肋7的扇形体8的来流攻角为90°，三棱柱9的出口角度为35°。
所述的含有翼型分流肋的换热微通道热沉的优选实施例中，多个所述翼型分流肋7均匀间隔分布于所述换热微通道中。
所述的含有翼型分流肋的换热微通道热沉的优选实施例中，所述翼型分流肋7以300微米的固定间距设置于换热微通道中。
所述的含有翼型分流肋的换热微通道热沉的优选实施例中，所述上流道5的高度和下流道6的高度分别占合流段3流道高度的50％。
所述的含有翼型分流肋的换热微通道热沉的优选实施例中，所述第一预定距离等于第二预定距离。
所述的含有翼型分流肋的换热微通道热沉的优选实施例中，所述第一预定距离等于下流道6的高度。
所述的含有翼型分流肋的换热微通道热沉的优选实施例中，换热微通道热沉包括多个阵列分布的含有翼型分流肋7的换热微通道。
所述的含有翼型分流肋的换热微通道热沉的优选实施例中，第一圆弧表面11和第一斜表面13之间平滑过渡，第二圆弧表面12和第二斜表面14之间平滑过渡。
在一个实施例中，含有翼型分流肋7的双效强化换热微通道热沉包括：进口段1、分流模块2、合流段3和出口段4；其中，所述分流模块2靠布置翼型分流肋7实现分流，将流道分为上流道5和下流道6。所述进口段1、分流模块2、合流段3和出口段4内填充有流体，在分流模块2分流，下流道6流体与下流道6底面10接触对流换热，上流道5液态工质在泵压和重力的作用下冲击下流道6段内液态工质。所述分流模块2上流道5流体利用流体分流后泵压和重力协同冲击下流道6流体，实现两种动力冲击下流道6流体，所述分流模块2的上流道5流体在泵压和重力的作用下冲击下流道6流体，产生局部加速作用。实现上流道5流体与下流道6流体强烈混合和混合后流体的快速排出，实现双效强化合流段3的换热效果，分段布置翼型分流肋7，增大分流模块2的换热面积，实现对全段的全覆盖强化换热。
在一个实施例中，所述的含有翼型分流肋7的微通道热沉由多个单一的含翼型分流肋7的微通道组成，所述翼型分流肋7横向固定间距300微米设置于微通道内部全域，所述翼型分流肋7的几何形状为扇形体8和三棱柱9组合而成，所述分流模块2的上流道5和下流道6的高度分别占合流段3流道高度的50％，所述扇形体8所在方向设置成流体的来流方向，所述翼型分流肋7的扇形体8结构的来流攻角为90°，三棱柱9结构出口角度为35°。
一个实施例中，如图3所示，所述分流模块2由翼型分流肋7实现。底面10是热流面，热量传输自下而上，流体从入口段1流入，在分流模块2开始，分为上流道5和下流道6，在上流道5中流体借由泵压和重力的双重作用力在位置5开始加速冲击下流道6的流体，在合流段3产生剧烈扰动，从而流体能够更好的吸收热量；并且在经过冲击后合流段3流体有局部加速的效果，在下流道6的流体速度局部增大，从而能够更快的带走热量。
相比现有的技术，在相同的热流面面积下，本实施例的换热性能得到提升，换热时间得到缩短。
一个实施例中，如图4所示，所述翼型分流肋7几何形状为扇形体8和三棱柱9组合而成，底面10为一个平面。翼型分流肋7的形状不仅有分流道的作用，而且还能增加散热面积，选择扇形体8几何结构的主要目的是为了降低流动阻力，选择三棱柱9几何结构的主要目的是为了增大在分流过后上流道5流体对下流道6流体的冲击扰动。选择将扇形体8的方向设置为流体的来流方向目的是为了让来流能够与翼型分流肋7的接触有一个缓冲过程，这样可以更好的减少流动阻力。
一个实施例中，如图5所示，所述分流道的上流道5和下流道6的高度占合流段3流道高度的50％，如此设置，增强了上流道5流体对下流道6流体冲击扰动的效果，同时也保证了流体对翼型分流肋7和流道上表面的散热。
一个实施例中，对比了其他条件相同时三种不同间距(200微米、250微米、300微米)的换热和流动性能，所得结果如图6所示，间距为300微米时，热沉的换热性能
Figure BDA0003663996360000111
h为对流换热系数，对比其他两种参数提升了6.8％-8.9％，如图7所示，所述翼型分流肋7横向固定间距300微米(合流段3)设置于微通道内部全域。前一个分流段所产生的加速效果和下一个分流段所产生的加速效果可以叠加，分段布置翼型分流肋7，不仅可以分段进行强化换热达到强化整体换热的效果。因为流速可以叠加，下流道6的流体可以更快地排出，更快地将热量带出。
一个实施例中，如图8所示，所述微通道热沉，由多个单通道组成，相邻流道中间有间壁19间隔，间壁19也起一定的肋的作用，多个单通道组成的微通道热沉的换热面积大，有强化换热的效果。
一个实施例中，如图9所示，所述翼型分流肋7的形状得到优化，设置了7组交叉数据，对比了三种不同的翼型分流肋7来流攻角的角度a(30°、60°、90°)和四种不同的出口角度b(30°、35°、40°、45°)，在连续性方程、动量方程、能量方程的控制下，方程如下：
Figure BDA0003663996360000112
Figure BDA0003663996360000113
Figure BDA0003663996360000114
雷诺数Re在100-600范围内，底面10设置了200W/cm2的热流密度，研究热沉的换热性能(Nu)，如图10、图11所示，当来流攻角角度为90°，出口角度为35°时换热效果最佳，如图12所示，相比于传统未经优化的光滑通道，经过优化后微通道热沉的换热性能(Nu)提升了149.9％-179.8％。
尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (10)

1.一种含有翼型分流肋的换热微通道热沉，其特征在于：
所述换热微通道热沉包括多个换热微通道，所述换热微通道含有多个翼型分流肋；
每个换热微通道具有用于传热的底表面以及相对于所述底表面的顶表面，所述换热微通道自所述底表面垂直延伸到所述顶表面的通道截面积为微米级；
每个换热微通道包括：
进口段，其位于换热微通道的前端以导入流体；
出口段，其位于换热微通道的末端以导出流体；
分流模块，其位于所述进口段和出口段之间，所述分流模块设于所述换热微通道中以将其分为上流道和下流道；
所述分流模块包括：
翼型分流肋，其几何形状为具有第一圆弧表面的扇形体和具有第一斜表面的三棱柱的组合结构，所述第一圆弧表面朝向所述进口段，所述第一斜表面朝向所述出口段，所述组合结构具有水平底面和顶面，所述水平底面在垂直方向上高于所述底表面且两者之间的间隔构成下流道，所述顶面由所述第一圆弧表面及自所述第一圆弧表面延伸的第一斜表面构成；
凹槽，其自所述顶表面向远离底表面方向凹进，所述凹槽具有第二圆弧表面及自所述第二圆弧表面延伸的第二斜表面，所述第二圆弧表面与所述第一圆弧表面间隔第一预定距离且所述第二圆弧表面与所述第一圆弧表面共圆心，所述第二斜表面平行于所述第一斜表面且所述第二斜表面间隔所述第一斜表面第二预定距离，所述凹槽与所述顶面之间构成上流道；
合流段，其在流动方向上设于所述翼型分流肋之后，其位于下一个翼型分流肋之前。
2.根据权利要求1所述的含有翼型分流肋的换热微通道热沉，其中，翼型分流肋的扇形体的来流攻角为30°-90°，三棱柱的出口角度为30°-45°。
3.根据权利要求1所述的含有翼型分流肋的换热微通道热沉，其中，翼型分流肋的扇形体的来流攻角为90°，三棱柱的出口角度为35°。
4.根据权利要求1所述的含有翼型分流肋的换热微通道热沉，其中，多个所述翼型分流肋均匀间隔分布于每个换热微通道中。
5.根据权利要求4所述的含有翼型分流肋的换热微通道热沉，其中，多个所述翼型分流肋以300微米的固定间距设置于每个换热微通道中。
6.根据权利要求1所述的含有翼型分流肋的换热微通道热沉，其中，所述上流道的高度和下流道的高度分别占合流段流道高度的50%。
7.根据权利要求1所述的含有翼型分流肋的换热微通道热沉，其中，所述第一预定距离等于第二预定距离。
8.根据权利要求7所述的含有翼型分流肋的换热微通道热沉，其中，所述第一预定距离等于下流道的高度。
9.根据权利要求1所述的含有翼型分流肋的换热微通道热沉，其中，所述换热微通道热沉包括多个阵列分布的含有翼型分流肋的换热微通道。
10.根据权利要求1所述的含有翼型分流肋的换热微通道热沉，其中，第一圆弧表面和第一斜表面之间平滑过渡，第二圆弧表面和第二斜表面之间平滑过渡。
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