CN116981221A - 一种沸腾换热强化结构及具有其的散热器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及强化换热技术领域，提供了一种沸腾换热强化结构及具有其的散热器，该沸腾换热强化结构，包括：基板；肋体，设置在所述基板能够与换热介质相接触的表面上，以增大所述基板与换热介质的换热面积，所述肋体的表面设置有用于提升气化核心数目和成核位点密度的微槽。本发明提供的沸腾换热强化结构，分为肋体与微槽两级强化结构，其中肋体结构能够大大增加换热面积并增强扰流，而肋体表面尺度更小的微槽能够有效提升气化核心数目和成核位点密度，强化起核过程，二者相结合能够更有效地提升沸腾换热强度，从而增强表贴式散热器在高热流密度工况下的相变冷却能力。
Description
技术领域
本发明涉及强化换热技术领域，具体涉及一种沸腾换热强化结构及具有其的散热器。
背景技术
现如今电子产品持续朝向高功率密度方向发展，电力电子设备的散热需求不断提升，因此亟需开发更为高效、安全、稳定的散热技术。基于沸腾换热的相变冷却技术主要利用冷却工质的潜热带走热量，其冷却效率较高。相同热流密度下，沸腾换热装置可以设计地更加紧凑，系统更为轻便。相变冷却目前已成为电力电子设备热管理领域的优选方案，具有广阔的应用前景。针对电力电子设备热源高功率密度、模块化、空间紧凑、多分散热源、维护频率高等特点，现有技术中提出了一种新型表贴式自循环蒸发冷却技术，表贴式自循环蒸发冷却是一种安全、高效、节能的冷却方法，该系统具有体积小，换热能力强，没有额外能量消耗等优点。
在表贴式自循环蒸发冷却系统中，表贴式散热器与发热源表面贴合，冷却工质在表贴式散热器中发生剧烈的流动沸腾，从而对功率器件进行冷却。但是，当前电力电子元器件的发热量不断增大，为保障器件长期安全稳定运行，往往需要借助一定的传热强化技术来提升表贴式散热器中的相变换热强度，以进一步提高表贴式自循环蒸发冷却系统的冷却效率。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于当前电力电子元器件的发热量不断增大，为保障器件长期安全稳定运行，借助一定的传热强化技术来提升表贴式散热器中的相变换热强度，以进一步提高表贴式自循环蒸发冷却系统的冷却效率，从而提供一种沸腾换热强化结构及具有其的散热器。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一方面，本发明提供一种沸腾换热强化结构，包括：基板；肋体，设置在所述基板能够与换热介质相接触的表面上，以增大所述基板与换热介质的换热面积，所述肋体的表面设置有用于提升气化核心数目和成核位点密度的微槽。
进一步地，所述基板上平行间隔设置多个所述肋体，且每个所述肋体的走向均与换热介质的流动方向保持一致。
进一步地，每个所述肋体的表面均阵列设置有多个所述微槽，每个所述微槽的走向均与换热介质的流动方向保持一致。
进一步地，沿远离所述基板的方向上所述肋体的端面尺寸逐渐增大；和/或沿远离所述基板的方向上所述肋体的端面尺寸逐渐减小。
进一步地，所述肋体的端面形状为等腰梯形和/或等腰三角形。
进一步地，所述肋体的端面形状为等腰梯形时，所述等腰梯形的高度范围为3mm-8mm，上底长度范围为2mm-5mm，下底长度范围为4mm-10mm。
进一步地，所述肋体的端面形状为等腰三角形时，所述等腰三角形的底边长度范围为2mm-6mm。
进一步地，每个所述微槽均为截面形状为矩形的微槽；所述微槽的深度范围为0.5mm-3mm，所述微槽的宽度范围为0.1mm-0.4mm，且所述微槽的宽深比介于0.2和0.8之间。
进一步地，所述微槽采用激光刻蚀、电火花、电子束、化学腐蚀或机械加工工艺制成。
另一方面，本发明还提供一种散热器，包括上述任一项所述的沸腾换热强化结构。
本发明技术方案，具有如下优点：
本发明提供的沸腾换热强化结构，分为肋体与微槽两级强化结构，其中肋体结构能够大大增加换热面积并增强扰流，而肋体表面尺度更小的微槽能够有效提升气化核心数目和成核位点密度，强化起核过程，二者相结合能够更有效地提升沸腾换热强度，从而增强表贴式散热器在高热流密度工况下的相变冷却能力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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。
图1为本发明实施例中的沸腾换热强化结构的三维示意图；
图2为本发明一个实施例中的沸腾换热强化结构中肋体的示意图；
图3为本发明又一个实施例中的沸腾换热强化结构中肋体的示意图；
图4为本发明一个实施例中的沸腾换热强化结构中微槽的示意图。
1、基板；2、肋体；3、前侧面；4、微槽。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
如图1所示，本实施例提供一种沸腾换热强化结构，包括：基板1，例如，基板1的材质可以为铜、铝合金或不锈钢；肋体2，设置在基板1能够与换热介质相接触的表面上，以增大基板1与换热介质的换热面积，例如，肋体2可以通过铣削工艺加工而成，肋体2的表面设置有用于提升气化核心数目和成核位点密度的微槽4，例如，微槽4可以通过激光刻蚀的工艺形成。
本实施例提供的沸腾换热强化结构，能够应用在表贴式的散热器中，使用时，利用肋体2大大增加与换热介质的换热面积并增强扰流，而肋体2表面尺度更小的微槽4能够有效提升气化核心数目和成核位点密度，强化起核过程，二者相结合能够更有效地提升沸腾换热强度，从而增强表贴式的散热器在高热流密度工况下的相变冷却能力。采用肋体2、微槽4分级沸腾换热强化结构相比于单一的肋片和翅片等机加工结构，分级沸腾换热强化结构能够进一步提升沸腾换热系数和临界热流密度，从而更有效地强化表贴式散热器中的沸腾换热。
其中，基板1上平行间隔设置多个肋体2，且每个肋体2的走向均与换热介质的流动方向保持一致。例如，相邻两个肋体2之间的间隔可以相等，以提高基板1上肋体2分布的均匀性。其中，肋体2的走向与换热介质流动方向平行，能够起到分流和扰流的作用。
其中，每个肋体2的表面均阵列设置有多个微槽4，每个微槽4的走向均与换热介质的流动方向保持一致。
其中，沿远离基板1的方向上肋体2的端面尺寸逐渐增大；和/或沿远离基板1的方向上肋体2的端面尺寸逐渐减小。例如，沿远离基板1的方向上肋体2的端面尺寸可以逐渐减小。例如，整个肋体2的表面可以为平面或者曲面。
其中，肋体2的端面形状为等腰梯形和/或等腰三角形。例如，在某个基板1上的肋体2可以全部为端面形状为等腰梯形的肋体2，也可以全部为端面形状为等腰三角形的肋体2，还可以是部分为端面形状为等腰梯形的肋体2，部分为端面形状为等腰三角形的肋体2。需要说明的是，此处的端面对应的是图1中所示的肋体2的前侧面3以及后侧面(未示出)。
如图2所示，其中，肋体2的端面形状为等腰梯形时，等腰梯形的尺寸可以由a、b、c、d和β五个结构参数定义，其中a、b、c分别用于表示上底、高和下底，d用于表示相邻两个肋体2的中心距，β用于表示等腰梯形的腰与基板1之间的夹角。其中，a、b、c、d和β的数值可以根据实际需要设计，例如，b的范围为3mm-8mm，a的范围为2mm-5mm，c的范围为4mm-10mm。例如，等腰梯形的高度可以为5mm，上底长度可以为3mm，下底长度可以为7mm。
如图3所示，同理，肋体2的端面形状为等腰三角形时，则可以通过h、i和γ三个参量控制，h用于表示等腰三角形的高，i用于表示相邻两个肋体2的间距，γ用于表示腰与基板1之间的夹角。其中，h、i和γ的数值可以根据实际需要设计。例如，等腰三角形的底边长度范围为2mm-6mm。例如，等腰三角形的底边长度可以为4mm。
如图4所示，其中，每个微槽4可以均为截面形状为矩形的微槽4；其中，微槽4可以由e、f、g三个结构参量完全定义，参量e和f分别用于表示微槽4的宽度和深度，参量g用于表示相邻的两个微槽4的中心距。其中，e、f、g的数值可以根据实际需要设计。例如，f的范围为0.5mm-3mm，e的范围为0.1mm-0.4mm，且微槽4的宽深比介于0.2和0.8之间。例如，微槽4的深度可以为0.8mm，微槽4的宽度可以为0.3mm，此时，微槽4的宽深比为0.375。
其中，微槽4可以采用激光刻蚀、电火花、电子束、化学腐蚀以及机械加工等工艺中的一种或多种制成。例如，所用的激光刻蚀设备可以为激光打标机，主要部件包括激光器、高速扫描振镜、工控电脑和电控机柜等，其中激光器为核心设备。激光打标机的功率可在0.5W-10W范围内调节，通过调节不同的输出功率档位即可控制激光束能量大小，从而灵活控制刻槽深度。激光束的扫描路径可以预先由软件生成，扫描过程由程序精确控制，因此所加工刻槽的精度较高，结构上的一致性和可重复性均较佳。借助激光打标机的激光刻蚀方法能够实现一次成型，其加工周期较短，加工过程完全由程序控制，因此能够更方便地探索工艺参数，有利于实现批量化、规模化生产。
另一个实施例还提供一种散热器，包括上述的沸腾换热强化结构。
综上，本申请中的沸腾换热强化结构，肋体2的属变截面肋，相比于等截面直肋，其肋效率较高，且制造加工过程并不复杂。因而，通过在基板1上成型等腰梯形截面、等腰三角形截面肋能够有效扩展沸腾换热面积，同时增强冷却工质的扰动和掺混，从而强化表贴式散热器中沸腾表面上的流动沸腾换热。
本申请中的沸腾换热强化结构，通过在肋体2表面均匀地成型一层微槽4，能够大大提升气化核心数目和成核位点密度，从而强化沸腾初始阶段的起核过程。而且，微槽4能够进一步增加沸腾换热面积，在不改变温差和表面传热系数的前提下有效提升散热量。此外，小尺寸的微槽4还具备一定的毛细芯吸作用，在高热流密度下，借助微槽4的毛细抽吸作用能够将回液及时补充至加热表面附近，从而提升临界热流密度，延缓干烧。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种沸腾换热强化结构，其特征在于，包括：
基板；
肋体，设置在所述基板能够与换热介质相接触的表面上，以增大所述基板与换热介质的换热面积，所述肋体的表面设置有用于提升气化核心数目和成核位点密度的微槽。
2.根据权利要求1所述的沸腾换热强化结构，其特征在于，
所述基板上平行间隔设置多个所述肋体，且每个所述肋体的走向均与换热介质的流动方向保持一致。
3.根据权利要求2所述的沸腾换热强化结构，其特征在于，
每个所述肋体的表面均阵列设置有多个所述微槽，每个所述微槽的走向均与换热介质的流动方向保持一致。
4.根据权利要求1所述的沸腾换热强化结构，其特征在于，
沿远离所述基板的方向上所述肋体的端面尺寸逐渐增大；
和/或沿远离所述基板的方向上所述肋体的端面尺寸逐渐减小。
5.根据权利要求4所述的沸腾换热强化结构，其特征在于，
所述肋体的端面形状为等腰梯形和/或等腰三角形。
6.根据权利要求5所述的沸腾换热强化结构，其特征在于，
所述肋体的端面形状为等腰梯形时，所述等腰梯形的高度范围为3mm-8mm，上底长度范围为2mm-5mm，下底长度范围为4mm-10mm。
7.根据权利要求5所述的沸腾换热强化结构，其特征在于，
所述肋体的端面形状为等腰三角形时，所述等腰三角形的底边长度范围为2mm-6mm。
8.根据权利要求1所述的沸腾换热强化结构，其特征在于，
每个所述微槽均为截面形状为矩形的微槽；
所述微槽的深度范围为0.5mm-3mm，所述微槽的宽度范围为0.1mm-0.4mm，且所述微槽的宽深比介于0.2和0.8之间。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的沸腾换热强化结构，其特征在于，
所述微槽采用激光刻蚀、电火花、电子束、化学腐蚀或机械加工工艺制成。
10.一种散热器，其特征在于，包括权利要求1至9中任一项所述的沸腾换热强化结构。
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