CN212810289U - 一种具有特殊肋结构的微通道热沉 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有特殊肋结构的微通道热沉，属于换热器技术领域，其结构包括入流及出流结构、微通道结构和顶部盖板；入流及出流结构一端为入流通道，另一端为出流通道；微通道结构设置在入流通道和出流通道之间，包括间隔排列的Z型肋板和直肋板；顶部盖板上设置有冷却工质入口和冷却工质出口。通过直肋板与Z型肋板间隔排列的微通道，使得冷却工质的边界层不断被破坏，且在局部形成漩涡，有助于提高热沉的换热效率。本实用新型示例的技术方案，通过特殊的入口结构及微通道肋设计，使各微通道间流量均匀分配，同时利用特殊的肋板结构使冷却工质产生漩涡，进而提高热沉整体换热效率和换热均匀性。

Description

一种具有特殊肋结构的微通道热沉

技术领域

本实用新型涉及换热器技术领域，具体地说是一种具有特殊肋结构的微通道热沉，尤其适用于高释热电子芯片、大功率激光二极管、聚光型太阳能电池等小型化高释热设备的冷却。

背景技术

换热，是指两种物质之间所进行的热量传递，是一种属于传热过程的单元操作。在日常的生活、生产中，所用到的大部分设备运行时会产生热量，需要及时进行换热冷却以保证其正常运行。

许多小型化、高发热设备，如高性能电子芯片、大功率激光二极管、聚光型太阳能电池等，在运行时会产生很强的释热（甚至超出100W/cm²），对其进行有效的冷却，成为这些设备可靠运行的重要前提，相关技术也一直是研究热点。

对于上述类型设备的冷却，目前大多采用风冷式换热器，但是风冷式换热器在使用时存在较大的损耗，换热效率偏低，液冷式换热器相比于传统的风冷式换热器有更强的换热能力，更适用于高释热设备的冷却，是未来高发热电子设备冷却技术的主要发展方向。

微通道热沉由D.B.Tuckerman和R.F.W.Pease于1981年提出(D.B.Tuckerman,R.F.W.Pease, High-performance heat sinking for VLSI, Electron. Dev. Lett. 2(1981)126-129)。随着众多尖端设备(电子芯片、激光二极管、聚光型太阳能电池等）朝着小型化、高集成度方向发展，相关设备的释热量及释热强度也随之大幅提高，这对散热设备的性能提出了更高的要求。传统的微通道已不能满足散热需求，微通道内整体散热性能、散热均匀性等均需要进一步改进，相关的诸多研究工作亟待开展。

实用新型内容

为了解决上述现有技术中的不足，本实用新型的目的在于提供一种具有特殊肋结构的微通道热沉，该微通道热沉具有换热效果优良、流量分配均匀的优点。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案为：

提供了一种具有特殊肋结构的微通道热沉，包括入流及出流结构、微通道结构和顶部盖板；

所述入流及出流结构包括凹槽状的壳体，壳体的一端为入流通道，壳体的另一端为出流通道；

所述微通道结构设置在入流及出流结构内部的底板上，微通道结构设置在入流通道和出流通道之间，微通道结构包括间隔排列的Z型肋板和直肋板；

所述顶部盖板与入流及出流结构的开口侧相适配，顶部盖板对应入流通道的位置设置有冷却工质入口，顶部盖板对应出流通道的位置设置有冷却工质出口。

进一步的，在冷却工质的流动方向上，Z型肋板和直肋板间隔布置构成微通道，相邻的微通道的Z型肋板对称布置，直肋板的长边延伸方向与冷却工质的流向平行。

进一步的，所述Z型肋板长边方向的总长度为直肋板长边长度的两倍。

进一步的，所述入流及出流结构的中间部分为矩形结构，入流通道和出流通道均为等腰梯形结构，入流通道和出流通道在入流及出流结构的两端对称分布。

进一步的，同一排中的Z型肋板间距相等；同一排中的直肋板间距相等。

进一步的，在冷却工质的流动方向上，微通道结构中部的Z型肋板和直肋板共同构成内部微通道，微通道结构侧部边缘处的Z型肋板和直肋板与入流及出流结构的侧壁之间构成边缘微通道，边缘微通道的宽度为内部微通道宽度的1/2。

进一步的，所述入流通道和出流通道的斜边与下底的倾斜角为24°～28°。

进一步的，所述冷却工质入口的轴线与入流及出流结构的底面垂直。

进一步的，所述冷却工质入口和冷却工质出口均为圆孔。

进一步的，所述入流及出流结构的底板、侧壁以及顶部盖板的厚度均为0.2mm。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

1、本实用新型示例的具有特殊肋结构的微通道热沉，设置有Z型肋板和直肋板间隔排列构成的微通道结构，冷却工质通过该特殊的微通道结构时，边界层不断被破坏，流体处于未充分发展状态，且在局部（两种肋板之间）形成漩涡，有助于提高热沉的换热效率。

2、本实用新型示例的具有特殊肋结构的微通道热沉，冷却工质入口和冷却工质出口设置在顶部盖板上，冷却工质入口的轴线与入流及出流结构的底面垂直，冷却工质通过顶部盖板上的冷却工质入口垂直进入微通道，冲击微通道底板，形成一定的射流冲击作用，有助于提高入口段的换热效率。

3、本实用新型示例的具有特殊肋结构的微通道热沉，入流通道为等腰梯形结构，使各微通道间流量均匀分配，避免过多的流量分配到中间通道，提高流量分配过程的均匀性，进而提高热沉整体换热效率和换热均匀性。

4、本实用新型示例的具有特殊肋结构的微通道热沉，出流通道为与入流通道对称布置的等腰梯形结构，使得整个装置结构紧凑，加工工艺性和平衡性好。

5、本实用新型示例的具有特殊肋结构的微通道热沉，同一排中的Z型肋板间距相等；同一排中的直肋板间距相等，Z型肋板长边方向的总长度为直肋板长边长度的两倍，边缘微通道的宽度为内部微通道宽度的1/2，以此保证热沉内部各流动单元几何尺寸一致，保证换热均匀性。

6、本实用新型示例的具有特殊肋结构的微通道热沉，冷却工质入口和冷却工质出口均为圆孔，最大程度减小流体阻力，入流及出流结构的底板、侧壁，以及顶部盖板的厚度均为0.2mm，薄壁结构有助于提升换热效率。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本实用新型实施例的外部结构示意图；

图2为图1中各部件的爆炸视图；

图3为图1内部结构的俯视图；

图4为图1中Z型肋板的立体结构示意图；

图5为本实用新型实施例的换热效果展示图。

图中：

1-入流及出流结构，1.1-入流通道，1.2-出流通道；

2-微通道结构，2.1-Z型肋板，2.2-直肋板；

3-顶部盖板。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。

通常在此处附图中描述和显示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。

基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。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。

在本实用新型的描述中，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实用新型中的具体含义。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与实用新型相关的部分。

如图1-图4所示，本实用新型的一个实施例提供了一种具有特殊肋结构的微通道热沉，包括入流及出流结构1、微通道结构2和顶部盖板3。

所述入流及出流结构1包括凹槽状的壳体，壳体的一端为入流通道1.1，壳体的另一端为出流通道1.2；所述微通道结构2设置在入流及出流结构1内部的底板上，微通道结构2设置在入流通道1.1和出流通道1.2之间，微通道结构2包括间隔排列的Z型肋板2.1和直肋板2.2；所述顶部盖板3与入流及出流结构1的开口侧相适配，顶部盖板3对应入流通道1.1的位置设置有冷却工质入口，顶部盖板3对应出流通道1.2的位置设置有冷却工质出口。

具体的，所述冷却工质入口和冷却工质出口均为圆孔，冷却工质入口的轴线与入流及出流结构1的底面垂直。

如图3所示，图中箭头所指方向为冷却工质流向，在冷却工质的流动方向上，Z型肋板2.1和直肋板2.2间隔布置构成微通道，相邻的微通道的Z型肋板2.1对称布置，直肋板2.2的长边延伸方向与冷却工质的流向平行。从另一个角度看，也可以理解为：Z型肋板2.1和直肋板2.2成排间隔布置，每一排直肋板2.2的排列方向与冷却工质的流向垂直，每一个直肋板2.2的长边延伸方向与冷却工质的流向平行；每一排Z型肋板2.1的排列方向与冷却工质的流向垂直，同一排中相邻的两个Z型肋板2.1对称布置。

如图4所示，Z型肋板2.1为两个横板和一个竖板构成的“Z”字形结构，竖板连接在两个横板之间，所述Z型肋板2.1长边方向的总长度为直肋板2.2长边长度的两倍，即：Z型肋板2.1两个横板的总长度为直肋板2.2长边长度的两倍。

如图3，同一排中的Z型肋板2.1间距相等；同一排中的直肋板2.2间距相等。在冷却工质的流动方向上，微通道结构2中部的Z型肋板2.1和直肋板2.2共同构成内部微通道，微通道结构2侧部边缘处的Z型肋板2.1和直肋板2.2与入流及出流结构1的侧壁之间构成边缘微通道，边缘微通道的宽度为内部微通道宽度的1/2。

上述结构使得热沉内部各流动单元几何尺寸一致，保证换热均匀性。

本实施例中，Z型肋板2.1肋宽为0.1mm，肋高为0.8mm，纵向长度为0.8mm，横向长度为0.5mm；Z型肋2.1与直肋2.2间距0.6mm。

所述入流及出流结构1的中间部分为矩形结构，入流通道1.1和出流通道1.2均为等腰梯形结构，入流通道1.1和出流通道1.2在入流及出流结构1的两端对称分布。入流通道1.2截面上底、下底分别为3mm、11.2mm。斜边与下底的倾斜角为26^o。入口截面高度为0.8mm。该尺寸仅为较佳的实施例，尺寸并不构成对本实用新型的限制，例如上述倾斜角可设置为24°～28°之间的角度。入流通道1.1为等腰梯形结构，使各微通道间流量均匀分配，避免过多的流量分配到中间通道，提高流量分配过程的均匀性，进而提高热沉整体换热效率和换热均匀性。

所述入流及出流结构（1）的底板、侧壁以及顶部盖板（3）的厚度均为0.2mm；冷却工质入口和冷却工质出口的圆孔直径1.5mm，圆心距顶边1mm，薄壁结构有助于提升换热效率。

使用过程中，通过设置特殊的等腰梯形入流通道1.1和Z型肋板2.1、直肋板2.2间隔排列构成的特殊微通道结构，使各微通道间流量均匀分配，同时利用特殊的肋结构使冷却工质产生漩涡，且边界层不断被破坏，实现热沉内部换热过程的强化，进而提高热沉整体换热效率和换热均匀性。

图5为本实用新型换热效果展示，其数据为数值模拟计算结果，采用FLUENT 16.0进行模拟计算，计算方法和模型均经过了验证和分析；计算模型为前述热沉中的一个内部换热单元。图中给出了一定入口速度条件下传统微通道与改进型微通热沉的换热系数。冷却工质为水，固体材料为硅；通道入口流速分别设置为0.5m/s、0.75m/s、1m/s、1.25m/s、1.5m/s的速度入口边界条件，出口设定为自由出流边界条件；底部受热面施加1MW/m²的恒定热流；计算单元两侧断面设置为对称边界条件，其余外表面按绝热壁面处理。由图5可知，本实用新型示例的具有特殊肋结构的微通道热沉，比起目前普通的微通道热沉，换热效果提升明显。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的实用新型范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述实用新型构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

除说明书所述的技术特征外，其余技术特征为本领域技术人员的已知技术，为突出本实用新型的创新特点，其余技术特征在此不再赘述。

Claims (10)

1.一种具有特殊肋结构的微通道热沉，其特征在于，包括入流及出流结构（1）、微通道结构（2）和顶部盖板（3）；

所述入流及出流结构（1）包括凹槽状的壳体，壳体的一端为入流通道（1.1），壳体的另一端为出流通道（1.2）；

所述微通道结构（2）设置在入流及出流结构（1）内部的底板上，微通道结构（2）设置在入流通道（1.1）和出流通道（1.2）之间，微通道结构（2）包括间隔排列的Z型肋板（2.1）和直肋板（2.2）；

所述顶部盖板（3）与入流及出流结构（1）的开口侧相适配，顶部盖板（3）对应入流通道（1.1）的位置设置有冷却工质入口，顶部盖板（3）对应出流通道（1.2）的位置设置有冷却工质出口。

2.根据权利要求1所述的具有特殊肋结构的微通道热沉，其特征在于，在冷却工质的流动方向上，Z型肋板（2.1）和直肋板（2.2）间隔布置构成微通道，相邻的微通道的Z型肋板（2.1）对称布置，直肋板（2.2）的长边延伸方向与冷却工质的流向平行。

3.根据权利要求1或2所述的具有特殊肋结构的微通道热沉，其特征在于，所述Z型肋板（2.1）长边方向的总长度为直肋板（2.2）长边长度的两倍。

4.根据权利要求3所述的具有特殊肋结构的微通道热沉，其特征在于，所述入流及出流结构（1）的中间部分为矩形结构，入流通道（1.1）和出流通道（1.2）均为等腰梯形结构，入流通道（1.1）和出流通道（1.2）在入流及出流结构（1）的两端对称分布。

5.根据权利要求4所述的具有特殊肋结构的微通道热沉，其特征在于，同一排中的Z型肋板（2.1）间距相等；同一排中的直肋板（2.2）间距相等。

6.根据权利要求5所述的具有特殊肋结构的微通道热沉，其特征在于，在冷却工质的流动方向上，微通道结构（2）中部的Z型肋板（2.1）和直肋板（2.2）共同构成内部微通道，微通道结构（2）侧部边缘处的Z型肋板（2.1）和直肋板（2.2）与入流及出流结构（1）的侧壁之间构成边缘微通道，边缘微通道的宽度为内部微通道宽度的1/2。

7.根据权利要求4所述的具有特殊肋结构的微通道热沉，其特征在于，所述入流通道（1.1）和出流通道（1.2）的斜边与下底的倾斜角为24°～28°。

8.根据权利要求1所述的具有特殊肋结构的微通道热沉，其特征在于，所述冷却工质入口的轴线与入流及出流结构（1）的底面垂直。

9.根据权利要求8所述的具有特殊肋结构的微通道热沉，其特征在于，所述冷却工质入口和冷却工质出口均为圆孔。

10.根据权利要求9所述的具有特殊肋结构的微通道热沉，其特征在于，所述入流及出流结构（1）的底板、侧壁以及顶部盖板（3）的厚度均为0.2mm。

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