CN115297676A - 一种歧管式微射流超高热流密度热排散组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种散热组件，具体涉及一种歧管式微射流超高热流密度热排散组件。克服传统热排散组件在集成度以及工程应用性方面的局限性问题。包括壳体及位于壳体内部的液体流入管路、歧管式微射流组件、微槽道热沉及液体流出管路；微槽道热沉位于歧管式微射流组件上方，二者之间形成流体换热腔室；热流体从液体流入管路进入，经由歧管式微射流组件喷射而出，进入流体换热腔室，与微槽道热沉背部进行对流换热，而后通过歧管式微射流组件上的回流孔排出至液体流出管路流出。本发明结合了射流冲击在滞止区边界层薄，对流换热系数高，以及微槽道强化对流换热优点，实现大功率超高热流密度的热排散的同时大大缩短了回流路径，提高了系统集成度。

Description

一种歧管式微射流超高热流密度热排散组件

技术领域

本发明涉及一种散热组件，具体涉及一种歧管式微射流超高热流密度热排散组件。

背景技术

随着电子技术和激光技术及其相关产业的迅猛发展，电子芯片逐渐向微型化和高度集成化发展，激光器的输出功率也随着需求不断增加，如高热流密度微处理器、高能激光器、大功率雷达系统和大功率微波系统等。这些电子设备和激光器在工作中会产生较高的热流，每平方厘米可达数百瓦乃至数千瓦的量级。这么大的热量如果不及时散发出去，会导致热沉表面局部温度超过安全运行温度，影响电子设备的可靠性和激光介质的输出质量，散热问题和温度控制已成为制约电子器件和激光技术长远发展的关键问题。

通常将散热能力高于500W/cm²的技术称为超高热流密度冷却技术，主要有：射流冲击冷却、微通道散热和喷雾冷却。其中，传统射流冲击冷却效果受射流雷诺数Re影响较大，大功率高热流散热时工质流量需求增加使系统的整体功耗、尺寸增大，不利于提高集成度；微通道散热技术压力损失大且易发生堵塞；而喷雾冷却是一个极其复杂的两相热流体系统，影响因素很多，到目前为止仍没有对喷雾冷却的换热机理及影响因素有完全的认识。当前的研究工作还是以实验研究为主，模型研究和数值模拟为辅，国内外成功应用的工程案例几乎没有。因此，亟需一种技术成熟、高度集成的超高热流密度热排散技术，为高功率电子器件和大功率激光技术的发展奠定基础。

发明内容

本发明的目的是提供一种歧管式微射流超高热流密度热排散组件，能够实现热界面300～1500W/cm²的超高热流密度热排散需求，克服传统热排散组件在集成度以及工程应用性方面的局限性问题。

本发明的技术方案是提供一种歧管式微射流超高热流密度热排散组件，其特殊之处在于：包括壳体及位于壳体内部的液体流入管路、歧管式微射流组件、微槽道热沉及液体流出管路；

歧管式微射流组件包括一体设置的顶板、底板及位于顶板和底板之间的引流管；顶板上开设多组射流单元，每组射流单元包括第一射流孔及以第一射流孔为中心，排布在第一射流孔周围的多个回流孔；底板上开设多个第二射流孔；引流管将第一射流孔与第二射流孔连通；

微槽道热沉的背部开设有微槽道；微槽道热沉位于歧管式微射流组件的顶板上方，微槽道热沉背部微槽道靠近歧管式微射流组件的顶板；

微槽道热沉及歧管式微射流组件之间形成流体换热腔室；

液体流入管路通过歧管式微射流组件与流体换热腔室连通；液体流出管路一端与歧管式微射流组件顶板、底板形成的空间连通，另一端朝向壳体外部；

热流体从液体流入管路进入，经由歧管式微射流组件的第二射流孔从第一射流孔喷射而出，进入流体换热腔室，与微槽道热沉背部进行对流换热，而后通过歧管式微射流组件上的回流孔排出至液体流出管路流出。

进一步地，歧管式微射流组件的顶板及底板的形状与微槽道热沉形状相适配。

进一步地，歧管式微射流组件的顶板为圆板，上述每组射流单元包括六个回流孔，六个回流孔呈蜂窝状正六边形排布，各个第一射流孔分别位于每个正六边形的中心；相邻射流单元共用对应的回流孔。

进一步地，歧管式微射流组件的顶板为正方形板，上述每组射流单元包括四个回流孔，四个回流孔呈正方形排布，各个第一射流孔分别位于每个正方形的中心，相邻射流单元共用对应的回流孔。

进一步地，歧管式微射流超高热流密度热排散组件还包括与歧管式微射流组件同轴设置在微槽道热沉与歧管式微射流组件之间的环形挡板。

进一步地，歧管式微射流超高热流密度热排散组件还包括微射流组件压圈，位于环形挡板与歧管式微射流组件顶板边沿之间，使进入流体换热腔室，与微槽道热沉背部进行对流换热后的流体只能从歧管式微射流组件上的回流孔排出。

进一步地，液体流入管路位于壳体轴向中心，液体流出管路以液体流入管路为对称轴排布在液体流入管路的两侧。

进一步地，液体流出管路以液体流入管路为中心轴，套设在液体流入管路外围。

进一步地，为了减小入口流体与出口流体之间的热交换带来的热损失，在液体流出管路与液体流入管路之间还开设有中空腔体。

进一步地，液体流出管路的出口端位于靠近液体流入管路入口端壳体的侧壁上。

进一步地，在一个典型的射流单元中，第一射流孔直径为Dj，为减小液体回流阻力，回流孔直径一般为1.5～3Dj，第一射流孔与回流孔中心的间距一般为1.5～3Dj；第二射流孔的直径与第一射流孔相等。液体流入管路直径为Di，中空腔体的外径一般为1.2～1.5Di，整个壳体的外径一般为1.5～2Di。微槽道热沉的背部开设的微槽道为μm级尺寸。微槽道热沉中针肋的特征尺寸为肋高1.5mm，肋间距0.3mm。

本发明的有益效果是：

1)本发明采用微射流复合微槽道热沉的热排散方式，结合了射流冲击在滞止区边界层薄，对流换热系数高，以及微槽道强化对流换热优点，同时充分发挥了多孔射流在界面温度均匀性上的优势，提高了热界面的温度均匀性，能够实现大功率超高热流密度的热排散。

2)本发明微射流组件采用歧管式分流结构，回流孔成正六边形或正方形分布，射流孔位于正六边形或正方形的中心，这样一方面可以使参与了滞止区对流换热的流体直接从滞止区周围流出，避免影响周围其他射流单元的换热性能，另一方面大大缩短了回流路径，从而可以大大减小系统的压力损失，减小系统功耗，提高系统集成度；同时该设计还在一定程度上消除热沉表面温度和流动的分布不均匀性。

3)本发明在微槽道热沉背部设计μm级尺寸的微槽道，从而在热沉背部大大强化了流体与热沉的对流换热，进一步提高系统的对流换热效果。

4)本发明在液体流出管路与液体流入管路之间加入中空的腔体，从而大大减小了入口流体与出口流体之间的热交换带来的热损失，同时流体回流路径成轴对称设计，从而确保了热界面温度和流动的对称性和均匀性。

附图说明

图1为实施例歧管式微射流超高热流密度热排散组件三维结构示意图；

图2为实施例歧管式微射流超高热流密度热排散组件内部结构示意图；

图3为实施例歧管式微射流超高热流密度热排散组件的局部放大示意图；

图4为实施例中歧管式微射流组件与微槽道热沉的位置关系示意图；

图5为单束射流冲击冷却示意图；

图6为实施例中歧管式微射流组件结构示意图；其中a1和a2分别为不同结构形式的回流孔与第一射流孔排布示意图，b为歧管式微射流组件结构三维示意图，c为歧管式微射流组件中底板示意图；

图7为实施例中微槽道热沉的结构示意图，其中a为微槽道热沉的三维视图，b为微槽道热沉的局部放大结构示意图；

图8为实施例歧管式微射流超高热流密度热排散组件中液体流动路径示意图；

图中附图标记为：01、喷嘴；02、势流核心区；03、自由射流区；04、滞止区；05、壁面射流区；06、驻点；

1、壳体；11、环形挡板；2、歧管式微射流组件；20、顶板；21、回流孔；22、第一射流孔；23、引流管；24、第二射流孔；25、底板；3、微槽道热沉；31、微槽道；32、针肋；4、微射流组件压圈；5、液体流入管路；6、液体流出管路；7、流体换热腔室；8、中空腔体。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1所示，本实施例超高热流密度热排散组件整体外形为圆柱体结构，在其他实施例中还可以采用其他结构形式，热流体从液体流入管路5进入，经换热后从液体流出管路6流出。结合图2与图3，可以看出本实施例超高热流密度热排散组件主要由微槽道热沉3、歧管式微射流组件2、液体流入管路5、液体流出管路6及壳体1组成。通过热-流-固耦合的详细仿真分析，发现该结构能够实现热界面300～1500W/cm²的超高热流密度热排散需求。为了便于描述，现以图2、图3及图4所示方位对超高热流密度热排散组件的结构进行详述。从图中可以看出，微槽道热沉3与歧管式微射流组件2沿壳体1轴向从上至下依次同轴排布在壳体1内，从图3可以看出，微槽道热沉3及歧管式微射流组件2之间形成流体换热腔室7；为了保证经过换热的流体只能经歧管式微射流组件2流出，在微槽道热沉3与歧管式微射流组件2之间同轴设有环形挡板11，同时在环形挡板11与歧管式微射流组件2顶板20边沿之间还可以设置微射流组件压圈4。液体流入管路5通过歧管式微射流组件2与流体换热腔室7连通；液体流出管路6一端与歧管式微射流组件2顶板20、底板25形成的空间连通，另一端朝向壳体1外部，可以位于壳体1下半部分的侧壁。在其他实施例中，为了确保热界面温度和流动的对称性和均匀性，液体流入管路5位于壳体1轴向中心，液体流出管路6以液体流入管路5为对称轴排布在液体流入管路5的两侧，同时还可以在液体流入管路5与液体流出管路6之间加入中空腔体8，从而大大减小了入口流体与出口流体之间的热交换带来的热损失。液体流出管路6优选为以液体流入管路5为中心轴，套设在液体流入管路5外围的管路。

在射流冲击冷却中，由于滞止区04的边界层非常薄，所以该区域的对流传热系数也非常高。而在滞止区04之外，传热系数随着边界层厚度的增加而衰减，而滞止区04传热系数与射流直径成反比。因此，使用直径小于1mm的微射流，可以在与撞击射流大小大致相同的区域内实现非常高的传热系数。但是，要在大面积上实现如此大的传热系数，需要一组紧密排列的阵列射流，射流阵列冲击目标时，冷却液收集在目标周围，每个射流的性能都会受到来自相邻射流的冷却液横流的影响，从而大大削减换热效果。图5为单束射流冲击冷却示意图。其中，01所示区域为喷嘴，02所示区域为势流核心区，03所示区域为自由射流区；04所示区域为滞止区；05所示区域为壁面射流区；06所示区域为驻点。

基于上述分析，本发明微射流组件采用歧管式分流结构，如图6所示，本实施例歧管式微射流组件2包括一体设置的顶板20、底板25及位于顶板20和底板25之间的引流管23；顶板20上开设多组射流单元，每组射流单元包括第一射流孔22及以第一射流孔22为中心，排布在第一射流孔22周围的多个回流孔21；底板25上开设多个第二射流孔24；引流管23将第一射流孔22与第二射流孔24连通。其中歧管式微射流组件2的顶板20及底板25的形状与微槽道热沉3形状相适配，当微槽道热沉3为圆形时，歧管式微射流组件2上的多组射流单元采用图6中a1所示的方式，每组射流单元包括六个回流孔21，六个回流孔21呈蜂窝状正六边形排布，各个第一射流孔22分别位于每个正六边形的中心；相邻射流单元共用对应的回流孔21。当微槽道热沉3为正方形时，可采用图6中a2所示的方式，每组射流单元包括四个回流孔21，四个回流孔21呈正方形排布，各个第一射流孔22分别位于每个正方形的中心，相邻射流单元共用对应的回流孔21。这样一方面可以使参与了滞止区04对流换热的流体直接从滞止区04周围流出，避免影响周围其他射流单元的换热性能，另一方面大大缩短了回流路径，从而可以大大减小系统的压力损失，减小系统功耗，提高系统集成度；同时该设计还在一定程度上消除热沉表面温度和流动的分布不均匀性。在一个典型的射流单元中，假设第一射流孔22直径为Dj，为减小液体回流阻力，回流孔21直径一般为1.5～3Dj，射流孔与回流孔21中心的间距一般为1.5～3Dj。

同时，如图7所示，本实施例在该组件的微槽道热沉3背部设计μm级尺寸的微槽道31，从而在热沉背部大大强化了流体与热沉的对流换热，进一步提高系统的对流换热效果。在本实施例中微槽道热沉3中针肋32的特征尺寸为肋高1.5mm，肋间距0.3mm。在其他实施例中可根据具体需求进行尺寸设计。

如图8所示，热流体从液体流入管路5进入，经由歧管式微射流组件2的第二射流孔24从第一射流孔22喷射而出，进入流体换热腔室7，与微槽道热沉3背部进行对流换热，而后通过歧管式微射流组件2上的回流孔21排出至液体流出管路6流出。从而实现微槽道热沉3处的超高热流密度热排散。

Claims (10)

1.一种歧管式微射流超高热流密度热排散组件，其特征在于：包括壳体(1)及位于壳体(1)内部的液体流入管路(5)、歧管式微射流组件(2)、微槽道热沉(3)及液体流出管路(6)；

歧管式微射流组件(2)包括一体设置的顶板(20)、底板(25)及位于顶板(20)和底板(25)之间的引流管(23)；顶板(20)上开设多组射流单元，每组射流单元包括第一射流孔(22)及以第一射流孔(22)为中心，排布在第一射流孔(22)周围的多个回流孔(21)；底板(25)上开设多个第二射流孔(24)；引流管(23)将第一射流孔(22)与第二射流孔(24)连通；

微槽道热沉(3)的背部开设有微槽道(31)；微槽道热沉(3)位于歧管式微射流组件(2)的顶板(20)上方，微槽道热沉(3)背部微槽道(31)靠近歧管式微射流组件(2)的顶板(20)；

微槽道热沉(3)及歧管式微射流组件(2)之间形成流体换热腔室(7)；

液体流入管路(5)通过歧管式微射流组件(2)与流体换热腔室(7)连通；液体流出管路(6)一端与歧管式微射流组件(2)顶板(20)、底板(25)形成的空间连通，另一端朝向壳体(1)外部；

热流体从液体流入管路(5)进入，经由歧管式微射流组件(2)的第二射流孔(24)从第一射流孔(22)喷射而出，进入流体换热腔室(7)，与微槽道热沉(3)背部进行对流换热，之后通过歧管式微射流组件(2)上的回流孔(21)排出至液体流出管路(6)流出。

2.根据权利要求1所述的歧管式微射流超高热流密度热排散组件，其特征在于：歧管式微射流组件(2)的顶板(20)及底板(25)的形状与微槽道热沉(3)形状相适配。

3.根据权利要求2所述的歧管式微射流超高热流密度热排散组件，其特征在于：歧管式微射流组件(2)的顶板(20)为圆板，所述每组射流单元包括六个回流孔(21)，六个回流孔(21)呈蜂窝状正六边形排布，各个第一射流孔(22)分别位于每个正六边形的中心；相邻射流单元共用对应的回流孔(21)。

4.根据权利要求2所述的歧管式微射流超高热流密度热排散组件，其特征在于：歧管式微射流组件(2)的顶板(20)为正方形板，所述每组射流单元包括四个回流孔(21)，四个回流孔(21)呈正方形排布，各个第一射流孔(22)分别位于每个正方形的中心，相邻射流单元共用对应的回流孔(21)。

5.根据权利要求1-4任一所述的歧管式微射流超高热流密度热排散组件，其特征在于：还包括与歧管式微射流组件(2)同轴设置在微槽道热沉(3)与歧管式微射流组件(2)之间的环形挡板(11)。

6.根据权利要求5所述的歧管式微射流超高热流密度热排散组件，其特征在于：还包括微射流组件压圈(4)，位于环形挡板(11)与歧管式微射流组件(2)顶板(20)边沿之间。

7.根据权利要求6所述的歧管式微射流超高热流密度热排散组件，其特征在于：液体流入管路(5)位于壳体(1)轴向中心，液体流出管路(6)以液体流入管路(5)为对称轴排布在液体流入管路(5)的两侧。

8.根据权利要求7所述的歧管式微射流超高热流密度热排散组件，其特征在于：液体流出管路以液体流入管路(5)为中心轴，套设在液体流入管路(5)外围。

9.根据权利要求8所述的歧管式微射流超高热流密度热排散组件，其特征在于：在液体流出管路(6)与液体流入管路(5)之间还开设有中空腔体(8)；液体流出管路(6)的出口端位于靠近液体流入管路(5)入口端壳体(1)的侧壁上。

10.根据权利要求9所述的歧管式微射流超高热流密度热排散组件，其特征在于：第一射流孔(22)直径为Dj，回流孔(21)直径为1.5～3Dj，第一射流孔(22)与回流孔(21)中心的间距为1.5～3Dj；第二射流孔(24)的直径与第一射流孔(22)相等；液体流入管路(5)直径为Di，中空腔体(8)的外径为1.2～1.5Di，整个壳体(1)的外径为1.5～2Di；微槽道热沉(3)的背部开设的微槽道(31)为μm级尺寸；微槽道热沉(3)中针肋(32)的特征尺寸为肋高1.5mm，肋间距0.3mm。

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