CN115289891B - 一种歧管-肋片集成式微通道换热器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种歧管‑肋片集成式微通道换热器，属于换热器技术领域。本发明通过歧管层的设置打破了流体热边界层和速度边界层，显著提高流体分配和温度分布均匀性，减少流体流动压降，从而实现低功耗的流体输送；通过肋片与盖板直接接触，增大了热源侧的有效换热面积，同时也增大了流体吸热的换热面积；通过歧管层与肋片层集成于一体，有效减少了加工工序，改善了散热器整体密封性能，降低了加工成本。本发明可增大流体与流道的换热面积，增强流体在流道内流动的均匀性，大幅降低压力损失，减小换热系统的运行功耗，实现对高热流密度电子元器件的高效散热。
Description
技术领域
本发明属于换热器技术领域，涉及一种歧管-肋片集成式微通道换热器。
背景技术
当前电子元器件正朝着微型化、集成化、高热流密度化的方向发展，因此电子元器件散热问题也越来越突出。高温导致的热失效性已经成为导致电子元件工作可靠性降低甚至失效的主要原因。相对于传统换热器，微通道换热器结构紧凑，体积小，换热效率高，因此采用微通道换热器可以有效解决电子元件散热不良的问题。专利CN201921483326.9提出了一种用于芯片的微通道换热系统，结构简单，提高了经济性；专利CN202210193097.7提出了一种微通道换热器，换热效率高于常规换热器。它们都具有平行流动的微通道流道，将会导致流体在微通道内流动时，其热边界层和速度边界层的厚度会沿流动方向逐渐增加，从而影响换热能力。此外还存在接触面积不够的问题，将增大微通道热阻，降低微通道换热器的冷却效果。
发明内容
针对上述微通道换热器在换热系统中存在的问题，以及高热流密度电子元器件散热的需求，本发明提供了一种歧管-肋片集成式微通道换热器，换热器包括：外壳，外壳前后两个侧面对称设置有流体入口和流体出口，外壳内设置有歧管层和肋片层，歧管层包括多个弯折交错排列的平板，平板一侧邻接冷流体歧管流道，另一侧邻接热流体歧管流道，肋片层连接在歧管层底部。基于此装置，可增大流体与流道的换热面积，增强流体在流道内流动的均匀性，大幅降低压力损失，减小换热系统的运行功耗，实现对高热流密度电子元器件的高效散热。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种歧管-肋片集成式微通道换热器，所述换热器包括流体入口1、流体出口2、歧管层3、肋片层4和外壳5。
所述外壳5为方形外壳，包括外壳主体、外壳主体上方的上盖板5-1和外壳主体下方的下盖板5-2。所述的外壳主体的前后侧壁面上方对称设有流体入口1和流体出口2。
所述的歧管层3设于外壳5内部上方，歧管层3内设有沿外壳5左右侧壁方向放置的弯折平板作为歧管，用于在歧管层3内形成歧管式分布流道，歧管两端与外壳5左右侧壁固定连接，歧管两侧与外壳5前后侧壁间留有一定空隙，歧管顶端与上盖板5-1固定连接，完成对歧管式流道的封装，具体的：歧管与外壳5前壁间形成流体分流腔3-1，与外壳5后壁间形成流体集流腔3-4，面向流体分流腔3-1一侧的相邻歧管之间形成歧管层冷流体流道3-2，面向流体集流腔3-4一侧的相邻歧管之间形成歧管层热流体流道3-3，流体入口1与流体分流腔3-1连通，流体分流腔3-1与歧管层冷流体流道3-2连通，歧管层冷流体流道3-2上下贯通，流体出口2与流体集流腔3-4连通，流体集流腔3-4与歧管层热流体流道3-3连通，歧管层热流体流道3-3上下贯通。
所述的肋片层4连接在歧管层3底部，包括多个结构相同且间隔布置的肋片组，每组肋片由多个呈均匀直线阵列分布且相互平行的肋片组成，具体的：当肋片平行于歧管的延伸方向时，每个肋片均沿平行于外壳5前后侧壁方向布置，每组肋片沿歧管层3的歧管排列方向布置，每组肋片之间且每相邻两个肋片之间形成肋片间隙流道4-1，每个肋片的底端与下盖板5-2连接，完成对肋片间隙流道4-1的封装，肋片顶端与歧管层3底部连接；当肋片垂直于歧管的延伸方向时，每组肋片以平行结构形成一个整体连接在歧管层3底部，每组肋片之间且每相邻两个肋片之间形成肋片间隙流道4-1，肋片层4底端与下盖板5-2连接，完成对肋片间隙流道4-1的封装。每个歧管层冷流体流道3-2及歧管层热流体流道3-3的末端均与肋片间隙流道4-1连通。
所述歧管层3上底面与流体入口1、流体出口2构成“一”字型流动结构，管层3与肋片层4构成内部“U”型流动结构。
进一步的，所述的歧管层3的歧管可加工成V形交错排列的结构或者梯形交错排列的结构。
进一步的，所述的歧管层3与肋片层4由一个基体采用切割工艺经过一体化加工而成。
进一步的，所述的上盖板5-1通过焊接工艺与歧管层3顶端连接。
进一步的，所述的肋片层4底部通过焊接工艺与下盖板5-2连接。
进一步的，所述歧管层3、肋片层4及外壳5均采用光滑平板结构。
进一步的，所述歧管层3、肋片层4及外壳5使用高导热性材料，选用铜、铝、镁中的一种。
进一步的，所述的上盖板5-1可使用与歧管层3或肋片层4相同的高导热性材料，或者使用便于观察的透明材料。
进一步的，所述的流体入口1和流体出口2均采用切割工艺而成。
本发明的原理如下：
所述歧管层冷流体流道3-2的延伸方向垂直于流体入口1的方向并且每个歧管层冷流体流道3-2的末端都与肋片间隙流道4-1连通；所述歧管层热流体流道3-3的延伸方向垂直于流体出口2的方向并且每个歧管层热流体流道3-3的末端都与肋片间隙流道4-1连通。所述歧管层3上底面与流体入口1、流体出口2构成“一”字型流动结构，所述歧管层3与肋片层4构成内部“U”型流动结构。歧管层3与肋片层4上下连接，通过如此设置，可以促使流体均匀分配同时减少流体流动压降，从而减小流动消耗功率。上半部分歧管的当量水力直径较大，而肋片间隙较小，因此更多的流体由歧管层3流入肋片层4，进一步增大撞击力度，提高了流体的湍流传热系数；此外肋片与下盖板5-2直接接触，增大了热源侧的有效换热面积，同时也增大了流体吸热的换热面积，进一步提高了微通道换热器整体的换热性能。
本发明的有益效果为：
1)相比于平行流道换热器，歧管层的设置打破了流体热边界层和速度边界层，可以显著提高流体分配和温度分布均匀性，减少流体流动压降，从而实现低功耗的流体输送。
2)肋片与盖板直接接触，增大了热源侧的有效换热面积，同时也增大了流体吸热的换热面积。
3)歧管层与肋片层集成于一体，有效减少了加工工序，改善了散热器整体密封性能，降低了加工成本。
附图说明
图1(a)是本发明歧管-肋片集成式微通道换热器的整体结构图。
图1(b)是本发明歧管-肋片集成式微通道换热器的整体透视图。
图2是本发明歧管-肋片集成式微通道换热器的三视图，其中，(a)主视图，(b)俯视图，(c)左视图。
图3是本发明歧管-肋片集成式微通道换热器肋片整体及局部结构图。
图4是本发明歧管-肋片集成式微通道换热器整体流动示意图。
图5是两种方向肋片布置示意图，其中，(a)为肋片平行于歧管的延伸方向布置示意图，(b)为肋片垂直于歧管的延伸方向布置示意图。
图中：1流体入口；2流体出口；3歧管层；3-1流体分流腔；3-2歧管层冷流体流道；3-3歧管层热流体流道；3-4流体集流腔；4肋片层；4-1肋片间隙流道；5外壳；5-1上盖板；5-2下盖板。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
实施例1
如图1a和图1b所示，一种歧管-肋片集成式微通道换热器，所述换热器包括流体入口1、流体出口2、歧管层3、肋片层4和外壳5。
所述外壳5为方形外壳，其前后侧面上部对称设有流体入口1和流体出口2，外壳5上方设有上盖板5-1，底面固定下盖板5-2。
如图2a，图2b和图2c所示，所述的歧管层3设于外壳5内部上方，歧管层3内设有与外壳5侧壁平行放置的弯折平板作为歧管，用于在歧管层3内形成歧管式分布流道，歧管加工成梯形交错排列的结构，其两端与外壳5左右侧壁固定连接，歧管两侧与外壳5前后侧壁间留有一定空隙，歧管顶端通过焊接与上盖板5-1固定连接，完成对歧管式流道的封装，具体的，歧管与外壳5前壁间形成流体分流腔3-1，与外壳5后壁间形成流体集流腔3-4，面向流体分流腔3-1一侧的歧管之间形成歧管层冷流体流道3-2，面向流体集流腔3-4一侧的歧管之间形成歧管层热流体流道3-3，流体入口1与流体分流腔3-1连通，流体分流腔3-1与歧管层冷流体流道3-2连通，歧管层冷流体流道3-2上下贯通，流体出口2与流体集流腔3-4连通，流体集流腔3-4与歧管层热流体流道3-3连通，歧管层热流体流道3-3上下贯通。
如图3所示，所述的肋片层4连接在歧管层3底部，包括多个结构相同且间隔布置的肋片组，每组肋片由多个呈均匀直线阵列分布的肋片组成，具体的：肋片平行于歧管的延伸方向，如图5a所示，每个肋片均平行于外壳5前后侧壁，且每组肋片呈与歧管相同的梯形交错排列的结构，每组肋片之间且每相邻两个肋片之间形成肋片间隙流道4-1，每个肋片的底端与下盖板5-2连接，完成对肋片间隙流道4-1的封装，肋片顶端与歧管层3底部连接；每个歧管层冷流体流道3-2及歧管层热流体流道3-3的末端均与肋片间隙流道4-1连通。
进一步的，所述的歧管层3与肋片层4由一个基体采用切割工艺经过一体化加工而成。
进一步的，所述歧管层3、肋片层4及外壳5均选用铜制成光滑平板结构。
进一步的，所述的上盖板5-1和下盖板5-2使用与歧管层3、肋片层4或外壳5相同的铜材料。
本发明的工作流程如下：如图4所示，流体入口1和流体出口2对称设置在外壳5前后侧面，使得流体流动更加均匀，分布广泛。冷流体从流体入口1流入流体分流腔3-1，而后被分配流入到歧管层冷流体流道3-2内，再流入到肋片间隙流道4-1。由于肋片间隙流道4-1是相互连通的，因此流体在肋片间隙流道4-1内发生撞击，并且在此过程中吸收肋片4传导上来的热量，同时冷流体也与下盖板5-2直接接触并吸收与下盖板5-2直接接触的电子元件/其他热源的散热量，达到冷却效果。冷流体吸热完成后，互相撞击挤压流入歧管层热流体流道3-2，而后汇入到流体集流腔3-4，再通过流体出口2流出，至此整个流动换热过程完成。流体由外部动力驱动，持续不断的流入微通道换热器内部，不断的吸收热量，完成换热过程。
如图4所示，歧管层与肋片层上下连接，通过如此设置，可以促使流体均匀分配同时减少流体流动压降，从而减小流动消耗功率。上半部分歧管的当量水力直径较大，而肋片间隙较小，因此更多的流体由歧管层流入肋片层，进一步增大撞击力度，提高了流体的湍流传热系数；此外肋片与热源的散热表面直接接触，增大了热源表面的有效换热面积，同时也增大了流体吸热的换热面积，进一步提高了微通道换热器整体的换热性能。
实施例2
如图1a和图1b所示，一种歧管-肋片集成式微通道换热器，所述换热器包括流体入口1、流体出口2、歧管层3、肋片层4和外壳5。
所述外壳5为方形外壳，其前后侧面上部对称设有流体入口1和流体出口2，外壳5上方设有上盖板5-1，底面固定下盖板5-2。
如图2a，图2b和图2c所示，所述的歧管层3设于外壳5内部上方，歧管层3内设有与外壳5侧壁平行放置的弯折平板作为歧管，用于在歧管层3内形成歧管式分布流道，歧管加工成V形或者梯形交错排列的结构，其两端与外壳5左右侧壁固定连接，歧管两侧与外壳5前后侧壁间留有一定空隙，歧管顶端通过焊接与上盖板5-1固定连接，完成对歧管式流道的封装，具体的，歧管与外壳5前壁间形成流体分流腔3-1，与外壳5后壁间形成流体集流腔3-4，面向流体分流腔3-1一侧的歧管之间形成歧管层冷流体流道3-2，面向流体集流腔3-4一侧的歧管之间形成歧管层热流体流道3-3，流体入口1与流体分流腔3-1连通，流体分流腔3-1与歧管层冷流体流道3-2连通，歧管层冷流体流道3-2上下贯通，流体出口2与流体集流腔3-4连通，流体集流腔3-4与歧管层热流体流道3-3连通，歧管层热流体流道3-3上下贯通。
如图5b所示，所述的肋片层4连接在歧管层3底部，包括多个结构相同且间隔布置的肋片组，每组肋片由多个呈均匀直线阵列分布的肋片组成，具体的：肋片垂直于歧管的延伸方向，每组肋片以平行结构形成一个整体连接在歧管层3底部，每组肋片之间且每相邻两个肋片之间形成肋片间隙流道4-1，肋片层4底端与下盖板5-2连接，完成对肋片间隙流道4-1的封装；每个歧管层冷流体流道3-2及歧管层热流体流道3-3的末端均与肋片间隙流道4-1连通。
进一步的，所述的歧管层3与肋片层4由一个基体采用切割工艺经过一体化加工而成。
进一步的，所述歧管层3、肋片层4及外壳5均选用镁制成光滑平板结构。
进一步的，所述的上盖板5-1使用便于观察的透明材料。
进一步的，所述的下盖板5-2使用与歧管层3、肋片层4相同的镁材料。
本发明的工作流程如下：流体入口1和流体出口2对称设置在外壳5前后侧面，使得流体流动更加均匀，分布广泛。冷流体从流体入口1流入流体分流腔3-1，而后被分配流入到歧管层冷流体流道3-2内，再流入到肋片间隙流道4-1。由于肋片间隙流道4-1是相互连通的，因此流体在肋片间隙流道4-1内发生撞击，并且在此过程中吸收肋片4传导上来的热量，同时冷流体也与下盖板5-2直接接触并吸收与下盖板5-2直接接触的电子元件/其他热源的散热量，达到冷却效果。冷流体吸热完成后，互相撞击挤压流入歧管层热流体流道3-2，而后汇入到流体集流腔3-4，再通过流体出口2流出，至此整个流动换热过程完成。流体由外部动力驱动，持续不断的流入微通道换热器内部，不断的吸收热量，完成换热过程。
在本发明中，所涉及的上半部分、上底面、下半部分、内部、外部、底部等方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，只是为了方便和清晰表达技术方案，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。凡在本发明的原理和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种歧管-肋片集成式微通道换热器，其特征在于，所述换热器包括流体入口（1）、流体出口（2）、歧管层（3）、肋片层（4）和外壳（5）；
所述外壳（5）为方形外壳，包括外壳主体、外壳主体上方的上盖板（5-1）和外壳主体下方的下盖板（5-2）；所述的外壳主体的前后侧壁面上方对称设有流体入口（1）和流体出口（2）；
所述的歧管层（3）设于外壳（5）内部上方，歧管层（3）内设有沿外壳（5）左右侧壁方向放置的弯折平板作为歧管，用于在歧管层（3）内形成歧管式分布流道，歧管两端与外壳（5）左右侧壁固定连接，歧管两侧与外壳（5）前后侧壁间留有一定空隙，歧管顶端与上盖板（5-1）固定连接，完成对歧管式流道的封装，具体的：歧管与外壳（5）前壁间形成流体分流腔（3-1），与外壳（5）后壁间形成流体集流腔（3-4），面向流体分流腔（3-1）一侧的相邻歧管之间形成歧管层冷流体流道（3-2），面向流体集流腔（3-4）一侧的相邻歧管之间形成歧管层热流体流道（3-3），流体入口（1）与流体分流腔（3-1）连通，流体分流腔（3-1）与歧管层冷流体流道（3-2）连通，歧管层冷流体流道（3-2）上下贯通，流体出口（2）与流体集流腔（3-4）连通，流体集流腔（3-4）与歧管层热流体流道（3-3）连通，歧管层热流体流道（3-3）上下贯通；
所述的肋片层（4）连接在歧管层（3）底部，包括多个结构相同且间隔布置的肋片组，每组肋片由多个呈均匀阵列分布且相互平行的肋片组成，具体的：当肋片组平行于歧管的延伸方向时，每个肋片均沿平行于外壳（5）前后侧壁方向布置，每组肋片呈与歧管相同的梯形交错排列的结构，每组肋片之间且每相邻两个肋片之间形成肋片间隙流道（4-1），每个肋片的底端与下盖板（5-2）连接，完成对肋片间隙流道（4-1）的封装，肋片顶端与歧管层（3）底部连接；当肋片垂直于歧管的延伸方向时，每组肋片以平行结构形成一个整体连接在歧管层（3）底部，每组肋片之间且每相邻两个肋片之间形成肋片间隙流道（4-1），肋片层（4）底端与下盖板（5-2）连接，完成对肋片间隙流道（4-1）的封装；每个歧管层冷流体流道（3-2）及歧管层热流体流道（3-3）的末端均与肋片间隙流道（4-1）连通；
所述歧管层（3）上底面与流体入口（1）、流体出口（2）构成“一”字型流动结构，歧管层（3）与肋片层（4）构成内部“U”型流动结构；
所述的歧管层（3）的歧管可加工成V形交错排列的结构或者梯形交错排列的结构。
2.根据权利要求1所述的一种歧管-肋片集成式微通道换热器，其特征在于，所述的歧管层（3）与肋片层（4）由一个基体采用切割工艺经过一体化加工而成。
3.根据权利要求1所述的一种歧管-肋片集成式微通道换热器，其特征在于，所述歧管层（3）、肋片层（4）及外壳（5）均采用光滑平板结构，采用高导热性材料。
4.根据权利要求3所述的一种歧管-肋片集成式微通道换热器，其特征在于，所述歧管层（3）、肋片层（4）及外壳（5）材料选用铜、铝、镁中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种歧管-肋片集成式微通道换热器，其特征在于，所述的上盖板（5-1）可使用与歧管层（3）或肋片层（4）相同的材料，或者使用透明材料。
6.根据权利要求1所述的一种歧管-肋片集成式微通道换热器，其特征在于，所述的流体入口（1）和流体出口（2）均采用切割工艺而成。
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