CN218270328U - 一种带有鲨鱼盾鳞仿生肋条的微通道散热器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种带有鲨鱼盾鳞仿生肋条的微通道散热器，属于换热技术领域。该装置包括上盖板和微通道底座，微通道底座顶部设置有依次连通的缓冲腔、仿生肋条微通道腔和绝热腔，仿生肋条微通道腔为液体换热腔，上盖板固定设置在微通道底座的顶端，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；待换热电子芯片设置在微通道底座底端且待换热电子芯片位于仿生肋条微通道腔的正下方；仿生肋条微通道腔的底壁上沿液流动方向设置有若干组依次排列的鲨鱼盾鳞仿生肋条形成的阵列。本实用新型带有鲨鱼盾鳞仿生肋条的微通道散热器能实现增大传热效率的同时降低管内压降，具有较好的换热性能。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种带有鲨鱼盾鳞仿生肋条的微通道散热器，属于换热技术领域。
背景技术
随着科技的快速发展，在微电子、医疗器械、生物化工、激光设备及航天航空等领域，设备的集成化程度越来越高，其热交换系统的热负荷也日益增强，如大功率的LED散热、微电子元件的散热、激光二极管阵列的冷却等，这些电子设备不仅产生的瞬态热流密度大，而且散热面积非常小。如果不能及时带走这些热量，会导致设备工作温度过高，影响设备的正常运行。据统计，55％的电子器件失效是由于工作温度过高造成的。因此，微尺度下的热管理系统是必不可少的，这促使人们研发高效紧凑的换热器。微通道换热器效率高，结构紧凑，冷却剂流动速率小，壁面温度分布均匀，具有广阔的应用前景。
传统的微通道换热器大多采用的是光滑矩形通道强制对流换热，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。在这个过程中微通道内流体属于简单的一维流动，缺乏扰动，传热系数会沿着流动方向不断下降，传热性能下降，在通道下游区域出现局部高温区，这会导致局部热点问题，影响电子元件正常工作。为强化换热，有学者和研究人员在通道内构建凸起肋片，等手段，增大换热表面积及流体扰动，但这种方式大多在强化换热的同时会造成额外的流动阻力，反而使得换热器综合性能降低，例如，在针肋微通道中，换热工质经过针肋流动截面严重收缩，在针肋后方流动截面积又变大，使得流体剧烈扰动，在强化传热的同时流动阻力大大增加，过高的阻力就需要更高功率的泵，增加了成本，综合性能较差，无法达到预期的散热效果。
实用新型内容
本实用新型针对传统的微通道换热器的问题，提出一种带有鲨鱼盾鳞仿生肋条的微通道散热器，该微通道散热器能增大传热效率的同时尽量降低管内压降，具有较好的综合换热性能。
本实用新型为解决其技术问题而采用的技术方案是：
一种带有鲨鱼盾鳞仿生肋条的微通道散热器，包括上盖板3和微通道底座7，微通道底座7顶部设置有依次连通的缓冲腔4、仿生肋条微通道腔6和绝热腔5，仿生肋条微通道腔6为液体换热腔，上盖板3固定设置在微通道底座7的顶端，上盖板3上开设有与微通道底座7的缓冲腔4连通的冷流入口1，上盖板3上开设有与微通道底座7的绝热腔5连通的热流出口2；待换热电子芯片设置在微通道底座7底端且待换热电子芯片位于仿生肋条微通道腔6的正下方；
仿生肋条微通道腔6的底壁上沿液流动方向设置有若干组依次排列的鲨鱼盾鳞仿生肋条8形成的阵列；
所述每组鲨鱼盾鳞仿生肋条8包括第一仿生肋条、第二仿生肋条、第三仿生肋条、第四仿生肋条、第五仿生肋条、第六仿生肋条、第七仿生肋条、第八仿生肋条和第九仿生肋条，第一仿生肋条、第二仿生肋条、第三仿生肋条、第四仿生肋条、第五仿生肋条和第六仿生肋条平行且等距设置在仿生肋条微通道腔6的底壁上形成宽肋条组，第一仿生肋条、第二仿生肋条、第三仿生肋条、第四仿生肋条、第五仿生肋条和第六仿生肋条的中轴线位于同一直线上且中轴线与液流动方向垂直，第七仿生肋条、第八仿生肋条和第九仿生肋条平行且等距设置在仿生肋条微通道腔6的底壁上形成窄肋条组，窄肋条组位于宽肋条组流动方向的下游，第七仿生肋条、第八仿生肋条和第九仿生肋条的中轴线位于同一直线上且中轴线与液流动方向垂直；
进一步的，所述第二仿生肋条和第三仿生肋条之间的微通道腔体的中心轴与第七仿生肋条沿液流方向的中心轴位于同一直线上，第三仿生肋条和第四仿生肋条之间的微通道腔体的中心轴与第八仿生肋条沿液流方向的中心轴位于同一直线上，第四仿生肋条和第五仿生肋条之间的微通道腔体的中心轴与第九仿生肋条沿液流方向的中心轴位于同一直线上；
所述第一仿生肋条、第二仿生肋条、第三仿生肋条、第四仿生肋条、第五仿生肋条、第六仿生肋条、第七仿生肋条、第八仿生肋条和第九仿生肋条的宽度和高度均相同，宽度记为a，高度记为h；第二仿生肋条、第五仿生肋条和第八仿生肋条的长度相等，记为b；第一仿生肋条、第三仿生肋条、第四仿生肋条、第六仿生肋条、第七仿生肋条和第九仿生肋条的长度相等，记为c；b大于c；
优选的，所述高度h不大于液流等截面区流道宽度的3/5；
所述相邻鲨鱼盾鳞仿生肋条8的间距为0.05～0.06mm；
所述a为0.02～0.03mm，b为0.18～0.2mm，c为0.08～0.1mm，h为0.04～0.06mm，宽肋条组与窄肋条组的间距为0.05～0.06mm；
所述仿生肋条微通道腔6的每条微通道的宽度为0.26～0.3mm；
所述缓冲腔4和绝热腔5的长度相等，仿生肋条微通道腔6的长度大于缓冲腔4长度的3倍。
所述仿生肋条微通道腔底壁沿液流动方向设置的若干组依次排列的鲨鱼盾鳞仿生肋条形成的阵列，能加剧流道内流体的扰动，在打断边界层的发展的同时促进冷热流体的更好地混合，提高管内流体的传热效率；在鲨鱼盾鳞仿生肋条与仿生肋条微通道腔顶部、肋条与肋条间留有间隙，可降低压降。
所述上盖板3为聚二甲基硅氧烷盖板，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；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；
所述微通道底座7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仿生肋条微通道腔，在仿生肋条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：
本实用新型带有鲨鱼盾鳞仿生肋条的微通道散热器的结构紧凑，其仿生肋条增大流道内固液相的接触面积，同时加剧流道内流体的扰动，有效地打断边界层的发展，提高管内流体的传热效率，同时，仿生肋条相较于针肋在肋条顶部留有部分流域，在降低压降的同时还能在射流效应的影响下，使得通道底部流体与主流混合，强化换热。
附图说明
图1为带有鲨鱼盾鳞仿生肋条的微通道散热器结构示意图；
图2为仿生肋条微通道腔结构示意图；
图3为鲨鱼盾鳞仿生肋条结构示意图；
图4为数值模拟单根通道示意图图；
图5为压降ΔP在不同流量下的表现图；
图6为加热面平均温度Tb在不同流量下的表现图；
图中，1-冷流入口、2-热流出口、3-上盖板、4-缓冲腔、5-绝热腔、6-仿生肋条微通道腔、7-微通道底座、8-鲨鱼盾鳞仿生肋条。
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，一种带有鲨鱼盾鳞仿生肋条的微通道散热器，包括上盖板3和微通道底座7，微通道底座7顶部设置有依次连通的缓冲腔4、仿生肋条微通道腔6和绝热腔5，仿生肋条微通道腔6为液体换热腔，上盖板3固定设置在微通道底座7的顶端，上盖板3上开设有与微通道底座7的缓冲腔4连通的冷流入口1，上盖板3上开设有与微通道底座7的绝热腔5连通的热流出口2；待换热电子芯片设置在微通道底座7底端且待换热电子芯片位于仿生肋条微通道腔6的正下方；
如图2所示，仿生肋条微通道腔6的底壁上沿液流动方向设置有若干组依次排列的鲨鱼盾鳞仿生肋条8形成的阵列；
仿生肋条微通道腔底壁沿液流动方向设置的若干组依次排列的鲨鱼盾鳞仿生肋条形成的阵列，能加剧流道内流体的扰动，在打断边界层的发展的同时促进冷热流体的更好地混合，提高管内流体的传热效率；在鲨鱼盾鳞仿生肋条与仿生肋条微通道腔顶部、肋条与肋条间留有间隙，可降低压降；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仿生肋条微通道腔，在仿生肋条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：本实例带有鲨鱼盾鳞仿生肋条的微通道散热器与实施例1的带有鲨鱼盾鳞仿生肋条的微通道散热器基本相同，不同之处在于：
如图3所示，每组鲨鱼盾鳞仿生肋条8包括第一仿生肋条、第二仿生肋条、第三仿生肋条、第四仿生肋条、第五仿生肋条、第六仿生肋条、第七仿生肋条、第八仿生肋条和第九仿生肋条，第一仿生肋条、第二仿生肋条、第三仿生肋条、第四仿生肋条、第五仿生肋条和第六仿生肋条平行且等距设置在仿生肋条微通道腔6的底壁上形成宽肋条组，第一仿生肋条、第二仿生肋条、第三仿生肋条、第四仿生肋条、第五仿生肋条和第六仿生肋条的中轴线位于同一直线上且中轴线与液流动方向垂直，第七仿生肋条、第八仿生肋条和第九仿生肋条平行且等距设置在仿生肋条微通道腔6的底壁上形成窄肋条组，窄肋条组位于宽肋条组流动方向的下游，第七仿生肋条、第八仿生肋条和第九仿生肋条的中轴线位于同一直线上且中轴线与液流动方向垂直；
第二仿生肋条和第三仿生肋条之间的微通道腔体的中心轴与第七仿生肋条沿液流方向的中心轴位于同一直线上，第三仿生肋条和第四仿生肋条之间的微通道腔体的中心轴与第八仿生肋条沿液流方向的中心轴位于同一直线上，第四仿生肋条和第五仿生肋条之间的微通道腔体的中心轴与第九仿生肋条沿液流方向的中心轴位于同一直线上；
第一仿生肋条、第二仿生肋条、第三仿生肋条、第四仿生肋条、第五仿生肋条、第六仿生肋条、第七仿生肋条、第八仿生肋条和第九仿生肋条的宽度和高度均相同，宽度记为a，高度记为h；第二仿生肋条、第五仿生肋条和第八仿生肋条的长度相等，记为b；第一仿生肋条、第三仿生肋条、第四仿生肋条、第六仿生肋条、第七仿生肋条和第九仿生肋条的长度相等，记为c；b大于c；高度h不大于液流等截面区流道宽度的3/5；
实施例3：本实施例带有鲨鱼盾鳞仿生肋条的微通道散热器与实施例2的带有鲨鱼盾鳞仿生肋条的微通道散热器基本相同，不同之处在于：
相邻鲨鱼盾鳞仿生肋条8的间距为0.05～0.06mm；
a为0.02～0.03mm，b为0.18～0.2mm，c为0.08～0.1mm，h为0.04～0.06mm，宽肋条组与窄肋条组的间距为0.05～0.06mm；
仿生肋条微通道腔6的每条微通道的宽度为0.26～0.3mm；能有效地加剧流道内流体的扰动，强化流道内换热；
缓冲腔4和绝热腔5的长度相等，仿生肋条微通道腔6的长度大于缓冲腔4长度的3倍。
上盖板3为聚二甲基硅氧烷盖板，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；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；
微通道底座7为硅壳体；硅壳体的热稳定性好，易于加工；
实施例4：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，本测试对单微通道流道进行数值模拟，如图4所示，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为硅，其高度为0.1mm，下半部分为固体硅板，板厚为0.1mm，冷流入口温度为293K，并以均匀流速流入，质量流量从0.0258g/s-0.155g/s，所研究的雷诺数Re范围100-900，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-357K，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
流道内流体换热性能的评判指标主要采用热壁面平均温度Tb和通道压降ΔP，底板平均温度Tb越低，表明流道换热效果越好，压降越大表明流道内的流动损失越大，理想状态是在降低底板温度的同时降低流道内压降，从而拥有较好的综合性能；
其中通道压降ΔP＝Pin-Pout，本实施例模拟计算结果具体如图5-6所示，其中图5是压降ΔP在不同质量流量下的表现，图6是热壁面平均温度Tb在不同质量流量下的表现，随着质量流量的增大，流道内压力损失也明显增大，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，热壁面温度更低；
本实施例的仿生肋条微通道能实现同时增大传热效率与降低流道内压降，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 (8)
1.一种带有鲨鱼盾鳞仿生肋条的微通道散热器，其特征在于：包括上盖板(3)和微通道底座(7)，微通道底座(7)顶部设置有依次连通的缓冲腔(4)、仿生肋条微通道腔(6)和绝热腔(5)，仿生肋条微通道腔(6)为液体换热腔，上盖板(3)固定设置在微通道底座(7)的顶端，上盖板(3)上开设有与微通道底座(7)的缓冲腔(4)连通的冷流入口(1)，上盖板(3)上开设有与微通道底座(7)的绝热腔(5)连通的热流出口(2)；待换热电子芯片设置在微通道底座(7)底端且待换热电子芯片位于仿生肋条微通道腔(6)的正下方；
仿生肋条微通道腔(6)的底壁上沿液流动方向设置有若干组依次排列的鲨鱼盾鳞仿生肋条(8)形成的阵列。
2.根据权利要求1所述带有鲨鱼盾鳞仿生肋条的微通道散热器，其特征在于：每组鲨鱼盾鳞仿生肋条(8)包括第一仿生肋条、第二仿生肋条、第三仿生肋条、第四仿生肋条、第五仿生肋条、第六仿生肋条、第七仿生肋条、第八仿生肋条和第九仿生肋条，第一仿生肋条、第二仿生肋条、第三仿生肋条、第四仿生肋条、第五仿生肋条和第六仿生肋条平行且等距设置在仿生肋条微通道腔(6)的底壁上形成宽肋条组，第一仿生肋条、第二仿生肋条、第三仿生肋条、第四仿生肋条、第五仿生肋条和第六仿生肋条的中轴线位于同一直线上且中轴线与液流动方向垂直，第七仿生肋条、第八仿生肋条和第九仿生肋条平行且等距设置在仿生肋条微通道腔(6)的底壁上形成窄肋条组，窄肋条组位于宽肋条组流动方向的下游，第七仿生肋条、第八仿生肋条和第九仿生肋条的中轴线位于同一直线上且中轴线与液流动方向垂直。
3.根据权利要求2所述带有鲨鱼盾鳞仿生肋条的微通道散热器，其特征在于：第二仿生肋条和第三仿生肋条之间的微通道腔体的中心轴与第七仿生肋条沿液流方向的中心轴位于同一直线上，第三仿生肋条和第四仿生肋条之间的微通道腔体的中心轴与第八仿生肋条沿液流方向的中心轴位于同一直线上，第四仿生肋条和第五仿生肋条之间的微通道腔体的中心轴与第九仿生肋条沿液流方向的中心轴位于同一直线上。
4.根据权利要求3所述带有鲨鱼盾鳞仿生肋条的微通道散热器，其特征在于：第一仿生肋条、第二仿生肋条、第三仿生肋条、第四仿生肋条、第五仿生肋条、第六仿生肋条、第七仿生肋条、第八仿生肋条和第九仿生肋条的宽度和高度均相同，宽度记为a，高度记为h；第二仿生肋条、第五仿生肋条和第八仿生肋条的长度相等，记为b；第一仿生肋条、第三仿生肋条、第四仿生肋条、第六仿生肋条、第七仿生肋条和第九仿生肋条的长度相等，记为c；b大于c。
5.根据权利要求1所述带有鲨鱼盾鳞仿生肋条的微通道散热器，其特征在于：相邻鲨鱼盾鳞仿生肋条(8)的间距为0.05～0.06mm。
6.根据权利要求4所述带有鲨鱼盾鳞仿生肋条的微通道散热器，其特征在于：a为0.02～0.03mm，b为0.18～0.2mm，c为0.08～0.1mm，h为0.04～0.06mm，宽肋条组与窄肋条组的间距为0.05～0.06mm。
7.根据权利要求1所述带有鲨鱼盾鳞仿生肋条的微通道散热器，其特征在于：仿生肋条微通道腔(6)的每条微通道的宽度为0.26～0.3mm。
8.根据权利要求1所述带有鲨鱼盾鳞仿生肋条的微通道散热器，其特征在于：缓冲腔(4)和绝热腔(5)的长度相等，仿生肋条微通道腔(6)的长度大于缓冲腔(4)长度的3倍。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |