CN213304112U - 一种基于多孔介质的微通道散热器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种基于多孔介质的微通道散热器，属于换热技术领域。该微通道散热器包括上盖板和微通道底座，微通道底座包括壳体和壳体内部的液体换热腔，液体换热腔包括依次连通的缓冲腔、微通道腔和绝热腔，微通道腔为换热腔，上盖板固定设置在微通道底座顶端，上盖板上开设有与微通道底座的缓冲腔连通的冷流入口，上盖板上开设有与微通道底座的绝热腔连通的热流出口。本实用新型基于多孔介质的微通道散热器能实现同时增大传热效率与降低管内压降，具有较好的换热性能。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种基于多孔介质的微通道散热器，属于换热技术领域。
背景技术
随着科学技术的飞速发展，电子设备的集成化程度和散热量越来越高，这都对运行温度的均匀性提出了更高的要求。微通道换热器是一种在微电子技术领域被广泛应用的换热装置，其结构紧凑，体面比高，可用于电脑芯片CPU散热，激光二极管阵列冷却等方面。传统的微通道大多采用的是光滑直管管内强制对流换热，低温流体经平流泵加压进入微通道散热器后与内管壁发生换热后，从另一端的出口流回恒温水槽冷却，完成一个循环。但是微通道的水力直径非常小，在层流状态下管内流体的换热基本处于充分发展段，这并不利于微通道散热器的换热。而现代微型散热器的散热量已接近或超过106W/m2，因此，这种简单的结构并不能满足高功率器件的散热需求，甚至会影响到芯片的整体性能。
目前，微通道的传热强化大多采用被动法，而所有的强化手段往往会伴随着管内压降的增大。研究表明，增大流体流速，采用导热系数更高的制冷工质，在内壁面添加突起物等方法都会导致传热系数和摩擦阻力系数的同时增大。虽然上述方法可以增大管内强制对流换热的强度，但是整体的强化因子却很低，综合性能表现不佳，这会造成微通道散热器的热损失较高。
现有的微通道散热器管内换热面积较低，低雷诺数下传热系数较小，高雷诺数下压降损失较大，这些因素都制约了微通道散热器整体传热效率的提高。
实用新型内容
本实用新型针对目前电子产品的散热问题，提出一种基于多孔介质的微通道散热器，本实用新型能实现同时增大传热效率与降低管内压降，具有较好的换热性能。
本实用新型为解决其技术问题而采用的技术方案是：
一种基于多孔介质的微通道散热器，包括上盖板7和微通道底座，微通道底座包括壳体4和壳体4内部的液体换热腔，液体换热腔包括依次连通的缓冲腔2、微通道腔3和绝热腔5，微通道腔3为换热腔，上盖板固定设置在微通道底座顶端，上盖板7上开设有与微通道底座的缓冲腔2连通的冷流入口1，上盖板7上开设有与微通道底座的绝热腔2连通的热流出口6；
所述壳体4的下方设置待换热电子芯片且待换热电子芯片位于微通道腔3的正下方；
进一步的，所述微通道腔3的底面上等距设置有若干个微通道墙体，相邻微通道墙体之间的间隙形成微通道腔3的微通道，微通道墙体与壳体4的间隙也形成微通道腔3的微通道；
所述微通道墙体的两侧壁沿液流方法均对称设置有交替排列的三角形内肋9和三角形凹穴8，相邻微通道墙体相对的三角形内肋9形成液流窄截面区，相邻微通道墙体相对的三角形凹穴8形成液流宽截面区，液流窄区与液流宽区之间的流道为液流等截面区流道；
所述三角形内肋9形成液流窄截面区加剧流道内流体的扰动；三角形凹穴8形成液流宽截面区能增大流道内固液相的接触面积，同时降低压降；液流窄区与液流宽区交替等距设置不仅能增大换热面积，而且能够有效地打断边界层的发展，增强管内流体的扰动，促进冷热流体的更好地混合，提高管内流体的传热效率；
优选的，所述三角形内肋9的三角形高不大于液流等截面区流道宽度的1/2，三角形凹穴8的三角形高不大于微通道墙体的高度；
所述上盖板7与微通道底座的连接处设置有密封垫；密封垫可避免流体泄露；
所述微通道墙体为多孔硅墙体，多孔硅墙体的孔隙率k为50％-70％；流道内的流体能够渗透到多孔材料的孔隙中，不仅能增大固液接触面积，而且还能近减小近壁面的速度梯度降低压降；
所述上盖板7为聚二甲基硅氧烷盖板；聚二甲基硅氧烷(PDMS)盖板具有价格低、透光性好、易于加工的特点；
所述缓冲腔2和绝热腔5的长度相等，微通道腔3的长度为缓冲腔2长度的2.5倍以上；
所述壳体4为硅壳体；硅壳体的热稳定性好，易于加工；
所述绝热腔可避免液体回流，制冷工质从上盖板冷流入口处垂直向下冲击射流进入微通道底座的缓冲腔，经分流后流体工质流经微通道腔，在微通道腔内进行流动换热后流入绝热腔中汇集，再从上盖板的热流出口排出。
本实用新型的有益效果：
(1)本实用新型基于多孔介质的微通道散热器的结构紧凑，其三角形内肋形成液流窄截面区加剧流道内流体的扰动；三角形凹穴形成液流宽截面区能增大流道内固液相的接触面积，同时降低压降；液流窄区与液流宽区交替等距设置不仅能增大换热面积，而且能够有效地打断边界层的发展，增强管内流体的扰动，促进冷热流体的更好地混合，提高管内流体的传热效率；
(2)本实用新型基于多孔介质的微通道散热器的微通道墙体为多孔硅墙体，流道内的流体能够渗透到多孔材料的孔隙中，不仅能增大固液接触面积，而且还能近减小近壁面的速度梯度降低压降。
附图说明
图1为基于多孔介质的微通道散热器结构图；
图2为微通道腔俯视图；
图3为微通道腔局部放大图；
图中，1-冷流入口、2-缓冲腔、3-微通道腔、4-壳体、5-绝热腔、6-热流出口、7-上盖板、8-三角形凹穴、9-三角形内肋；
图4为在相同工况下对比Hetsroni的实验数据图；
图5为在某截面处轴向速度沿径向的分布图；
图6为压降ΔP在不同雷诺数Re下的表现图；
图7为努塞尔数Nu在不同雷诺数Re下的表现图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，对本实用新型作进一步说明。
实施例1：如图1所示，一种基于多孔介质的微通道散热器，包括上盖板7和微通道底座，微通道底座包括壳体4和壳体4内部的液体换热腔，液体换热腔包括依次连通的缓冲腔2、微通道腔3和绝热腔5，微通道腔3为换热腔，上盖板固定设置在微通道底座顶端，上盖板7上开设有与微通道底座的缓冲腔2连通的冷流入口1，上盖板7上开设有与微通道底座的绝热腔2连通的热流出口6；
壳体4的下方设置待换热电子芯片且待换热电子芯片位于微通道腔3的正下方；
绝热腔可避免液体回流，制冷工质从上盖板冷流入口处垂直向下冲击射流进入微通道底座的缓冲腔，经分流后流体工质流经微通道腔，在微通道腔内进行流动换热后流入绝热腔中汇集，再从上盖板的热流出口排出。
实施例2：本实施例基于多孔介质的微通道散热器与实施例1的基于多孔介质的微通道散热器基本相同，不同之处在于：微通道腔3的底面上等距设置有若干个微通道墙体，相邻微通道墙体之间的间隙形成微通道腔3的微通道，微通道墙体与壳体4的间隙也形成微通道腔3的微通道；
微通道墙体的两侧壁沿液流方法均对称设置有交替排列的三角形内肋9和三角形凹穴8，相邻微通道墙体相对的三角形内肋9形成液流窄截面区，相邻微通道墙体相对的三角形凹穴8形成液流宽截面区，液流窄区与液流宽区之间的流道为液流等截面区流道；
三角形内肋9形成液流窄截面区加剧流道内流体的扰动；三角形凹穴8形成液流宽截面区能增大流道内固液相的接触面积，同时降低压降；液流窄区与液流宽区交替等距设置不仅能增大换热面积，而且能够有效地打断边界层的发展，增强管内流体的扰动，促进冷热流体的更好地混合，提高管内流体的传热效率；
三角形内肋9的三角形高不大于液流等截面区流道宽度的1/2，三角形凹穴8的三角形高不大于微通道墙体的高度；
上盖板7与微通道底座的连接处设置有密封垫；密封垫可避免流体泄露；
微通道墙体为多孔硅墙体，多孔硅墙体的孔隙率k为50％-70％；流道内的流体能够渗透到多孔材料的孔隙中，不仅能增大固液接触面积，而且还能近减小近壁面的速度梯度降低压降；
上盖板7为聚二甲基硅氧烷盖板；聚二甲基硅氧烷(PDMS)盖板具有价格低、透光性好、易于加工的特点；
缓冲腔2和绝热腔5的长度相等，微通道腔3的长度为缓冲腔2长度的2.5倍以上；
壳体4为硅壳体；硅壳体的热稳定性好，易于加工。
实施例3：本实施例基于多孔介质的微通道散热器与实施例2的基于多孔介质的微通道散热器基本相同，不同之处在于：壳体前后壁厚均为1mm，两侧壁厚均为3mm，内部主要以导热为主，壳体底部加热腔受到来自电子器件的热流密度约为106W/m2的热量加热；缓冲腔2长度和绝热腔5长度均为4mm，宽度与微通道腔的宽度相同均为3mm，微通道腔的长、高分别为10mm、0.15mm，交替排列的三角形内肋和三角形凹穴，沿轴线方向对称分布，共25组；微通道墙体有9个，形成10个流道，在多孔硅微通道墙体的作用下，流道内流体不仅会沿着轴线方向流动，同时还有一部分的流体渗透到多孔微通道墙体内，由于渗透作用，流体不仅在微通道墙体的外壁面进行换热，而且还在多孔微通道墙体的内部进行换热，大大地增大了流道内换热面积，有效地强化流道内传热；
内肋9为等距排列的等边三角形，其边长为0.0183mm，能有效地加剧流道内流体的扰动，强化流道内换热；
凹穴8为等距排列的等边三角形，三角形的高为0.05mm，流体经分流进入微通道腔后首先经过一段长度为0.1134mm的等截面区流道，然后开始进入循环，首先进入凹穴区域流道，长度为0.1732mm，随后进入一段等距截面区域流道，长度为0.0634mm，然后进入肋区域流道，长度为0.1mm，最后进入等截面区流道，长度为0.0634mm；以凹穴-等截面--肋-等截面的顺序循环到出口；
采用计算流体力学软件CFD对新型微通道换热器的流动场和温度场进行数值模拟计算，由于分流的作用，进入每个微通道流道内的流量是一样的，为了简化模拟，本测试对单和微通道流道进行数值模拟，研究其内部流动场和温度场，每个流道中，上半部分两侧的流道材料由具有一定孔隙率的硅组成，其高度为0.2mm，下半部分为固体硅板，板厚为0.15mm，冷流入口温度为293K，并以均匀流速流入，速度从0.5m/s-3.5m/s，所研究的雷诺数Re范围100-600，流动状态为层流、流体充分发展；上壁面边界条件设置为绝热，两侧设置为对称面，底部以热流密度为106W/m2的热量进行加热，固-液接触面设置为Couple耦合换热，出口边界压力为大气压力，近壁面设置为不滑移边界条件；采用单相模型，速度-压力耦合求解器，SIMPLE算法；动量和能量方程均设置为二阶迎风，当残差曲线小于10-6认为计算收敛；
本模拟采用的制冷工质为液态水，加热面温度变化范围293K-353K，在不同温度下流体的热物性参数变化较大，因此，需要在CFD的材料库中采用多元线性的方法输入不同温度下的热物性参数，其热物性表见表1：
表1热物性参数
为了验证模拟结果，在相同工况下对比Hetsroni的实验数据见图4，结果表明模拟与实验数据的误差控制在10％以内，因此，认为模拟结果是可靠的；
流道内流体换热性能的评判指标主要采用努塞尔数Nu和压降ΔP，努塞尔数越大表明流道换热效率越高，压降越大表明流道内的流动损失越大，理想状态是在提高努塞尔数的同时降低流道内压降，从而实现在强化换热的同时降低能源消耗；
其中压降ΔP、努塞尔数Nu定义如下：
ΔP＝Pin-Pout
式中Pin和Pout为微通道的进口压力和出口压力，D是水力直径，λ是导热系数，have是对流换热系数，其表达式如下：
式中qw,Aflim，N，ΔT为底面热流密度，微通道底部受热面面积，微通道内通道数量，进出口温差，Lch，Wch，Hch分别为单个微通道的长，宽，高；
其中ΔT的计算表达式如下：
ΔT＝Tout-Tin
式中Tout和Tin分别为热流出口6和冷流入口1的温度。
本实施例模拟计算结果具体如图5-7所示，
其中，图5为在某截面处轴向速度沿径向的分布，实线表示没加入多孔材料的情况，如图5所示，当没加入多孔材料时流体并不能渗透到内壁面以及肋的内部，并且由于近壁面的粘性阻力较大，因此理想情况下认为近壁面流体速度为0，而轴线处速度最大；当流体充分发展时，截面处的轴向速度呈二次抛物线形沿轴线对称，当加入了多孔材料后，主流道上一部分流体会在壁面处发生渗透作用，从而使得主流速度减小，而壁面内的速度增大；这种现象随着孔隙率的增大更为明显；
图6和图7是压降ΔP和努塞尔数Nu在不同雷诺数Re下的表现，随着入口流速的增大，流道内的损失也明显增大，同时，由于流道内流动更加剧烈，流道内的传热效率也得以强化；随着孔隙率的增大，壁面内的固-液接触面积反而减小的，因此，对应的压降ΔP和努塞尔数Nu也相应的降低了；
本实用新型的新型微通道能实现同时增大传热效率与降低流道内压降，并且在低孔隙率时，综合换热性能更佳。
上面结合附图对本实用新型的具体实施例作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (10)
1.一种基于多孔介质的微通道散热器，其特征在于：包括上盖板（7）和微通道底座，微通道底座包括壳体（4）和壳体（4）内部的液体换热腔，液体换热腔包括依次连通的缓冲腔（2）、微通道腔（3）和绝热腔（5），微通道腔（3）为换热腔，上盖板固定设置在微通道底座顶端，上盖板（7）上开设有与微通道底座的缓冲腔（2）连通的冷流入口（1），上盖板（7）上开设有与微通道底座的绝热腔（5）连通的热流出口（6）。
2.根据权利要求1所述基于多孔介质的微通道散热器，其特征在于：微通道腔（3）下方设置待换热电子芯片且待换热电子芯片位于微通道腔（3）的正下方。
3.根据权利要求2所述基于多孔介质的微通道散热器，其特征在于：微通道腔（3）的底面上等距设置有若干个微通道墙体，相邻微通道墙体之间的间隙形成微通道腔（3）的微通道，微通道墙体与壳体（4）的间隙也形成微通道腔（3）的微通道。
4.根据权利要求1所述基于多孔介质的微通道散热器，其特征在于：微通道墙体的两侧壁沿液流方法均对称设置有交替排列的三角形内肋（9）和三角形凹穴（8），相邻微通道墙体相对的三角形内肋（9）形成液流窄截面区，相邻微通道墙体相对的三角形凹穴（8）形成液流宽截面区，液流窄区与液流宽区之间的流道为液流等截面区流道。
5.根据权利要求4所述基于多孔介质的微通道散热器，其特征在于：三角形内肋（9）的三角形高不大于液流等截面区流道宽度的1/2，三角形凹穴（8）的三角形高不大于微通道墙体的高度。
6.根据权利要求1所述基于多孔介质的微通道散热器，其特征在于：上盖板（7）与微通道底座的连接处设置有密封垫。
7.根据权利要求1所述基于多孔介质的微通道散热器，其特征在于：微通道墙体为多孔硅墙体，多孔硅墙体的孔隙率为50%-70%。
8.根据权利要求1所述基于多孔介质的微通道散热器，其特征在于：上盖板（7）为聚二甲基硅氧烷盖板。
9.根据权利要求1所述基于多孔介质的微通道散热器，其特征在于：缓冲腔（2）和绝热腔（5）的长度相等，微通道腔（3）的长度为缓冲腔（2）长度的2.5倍以上。
10.根据权利要求2所述基于多孔介质的微通道散热器，其特征在于：壳体（4）为硅壳体。
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| CN114126357A (zh) * | 2021-11-05 | 2022-03-01 | 苏州浪潮智能科技有限公司 | 一种双相液冷微通道及其制造方法、服务器 |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |