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一种具有特殊分流结构的微通道热沉

阅读：145发布：2020-05-13

专利汇可以提供一种具有特殊分流结构的微通道热沉专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种具有特殊分流结构的微通道热沉。热沉包括分流模块及其上方与释热设备直接接触的均热底板。其中分流模块包含主入流通道、分流子通道、溢流通道、出流子通道、主出流通道。冷却工质从主入流通道进入热沉。主入流道采用截面渐缩结构，确保冷却工质向各分流子通道分配；溢流道直接在分流通道固体壁面加工而成，通过倾斜布置使溢流道与分流子通道形成较小的迎流角，可以减小流动阻力。沿分流子通道内主流方向，溢流道高度逐渐减小，加之分流子通道也采用了截面渐缩结构，避免了过多冷却工质流向子通道下游溢流通道，从而使得整个热沉内部流量分配均匀，进而确保了热沉换热的均匀性。本发明通过特殊的分流结构及溢流道结构设计，使热沉内部流动分配过程均匀化，进而提高热沉整体换热效率及换热均匀性。，下面是一种具有特殊分流结构的微通道热沉专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种具有特殊分流结构的微通道热沉，主要包括分流模块(1)及其上方与释热设备直接接触的均热底板(2), 其中分流模块包含主入流通道(1.1)、分流子流道(1.2)、溢流通道(1.3)、出流子通道(1.5)、主出流通道(1.6)。
2.根据权利要求1所述的具有特殊分流结构的微通道热沉，其特征在于，由前述主入流通道(1.1)、分流子流道(1.2)、溢流通道(1.3)、出流子通道(1.5)、主出流通道(1.6)组成的特殊分流结构。
3.根据权利要求1所述的具有特殊分流结构的微通道热沉，其特征在于，主入流通道(1.1)通道截面渐缩，以使冷却工质向各分流子通道(1.2)的分流过程均匀，避免过多流量分配到主入流通道(1.1)下游的分流子通道。
4.根据权利要求1所述的具有特殊分流结构的微通道热沉，其特征在于，分流子通道(1.2)采用了两侧逐渐向中心收窄的渐缩结构，使冷却工质向各溢流道(1.3)的流量分配相对均匀，避免过多流量分配到位于分流子通道(1.2)下游的溢流通道(1.3)，同时可以增加溢流通道(1.3)的长度，以增加换热面积，提高热沉的综合换热能力。
5.根据权利要求1所述的具有特殊分流结构的微通道热沉，其特征在于，溢流道(1.3)直接加工在分流通道固体壁面(1.7)上，起到连通各分流子通道(1.2)与出流子通道(1.5)的作用。
6.根据权利要求1所述的具有特殊分流结构的微通道热沉，其特征在于，溢流道通道(1.3)倾斜布置，与来流方向的夹角为30°，可以减小冷却工质进入溢流通道引起的局部流动阻力，同时，倾斜布置可以增加溢流通道的长度和换热面积，同样起到了提高热沉整体换热能力的作用。
7.根据权利要求1所述的具有特殊分流结构的微通道热沉，其特征在于，溢流道(1.3)高度虽然逐渐减小，但并非等比例线性减小，位于分流子通道(1.2) 下游的溢流通道(1.3)的高度降低更多，而位于中游的几个溢流通道(1.3)减少量相对较少，从而更好起到均匀分配流量的作用。

说明书全文

一种具有特殊分流结构的微通道热沉

技术领域

[0001] 本发明涉及一种适用于高发热、紧凑式设备，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的冷却系统的热沉，是一种具有特殊分流结构的微通道热沉。

背景技术

[0002] 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。

[0003] 液冷式微通道热沉相比于传统的风冷式热沉有更强的换热能力，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。

[0004] 分流式微通道热沉由G.M. Harpole和 J.E. Eninger于1991年提出( G.M. Harpole, J.E. Eninger, Micro-channel heat exchanger optimization, in: Proc. 7th IEEE Semi-Therm. Symp. (1991) 59-63)。相较于传统的微通道热沉，分流式微通道热沉在微通道热沉基础上，增加了分流结构，具有更好的散热均匀性和综合性能。在分流式微通道热沉设计基础上，近年来又发展出一些新的设计型式，如Brighenti和Kamaruzaman等学者提出的自相似微通道热沉结构( F. Brighenti, N. Kamaruzaman, J.J. Brandner, Investigation of self-similar heat sinks for liquid cooled electronics, Appl. Therm. Eng. 59 (1-2) (2013) 725-732)。无论是传统的微通道热沉，还是各种型式的分流式微通道热沉，均存在内部流量分配不均以及由此带来的换热不均问题，大大限制了微通道热沉的应用和推广。分流式微通道热沉内部流量分配过程及其整体散热性能、散热均匀性等均需要进一步的改进，相关的诸多研究工作亟待开展。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种散热效果优良、流量分配均匀、散热均匀性好、结构紧凑的分流式微通道热沉结构。

[0006] 本发明的目的是这样实现的：通过主入流通道(1.1)、分流子通道(1.2)及溢流通道(1.3)特殊的结构设计，实现热沉内部流量分配的均匀化，进而提高热沉整体性能，特别是换热均匀性。同时，将溢流通道(1.3)直接加工在分流通道固体壁面上，可以使结构更加紧凑，简化加工工艺。冷却工质首先由主入流通道(1.1)流入热沉，随后从主入流通道(1.1)向各分流子通道(1.2)进行第一次分流，由于主入流通道(1.1)截面逐渐减小，限制过多流量向下游分配，使各分流子通道分配的流量比较均匀，克服一般分流式热沉内部较严重的流量分配不均的问题。冷却工质进入各分流子通道(1.2)后，随即向各溢流道(1.3)进行第二次分流，分流子通道(1.2)采用同样采用截面渐缩的设计，加之倾斜布置的溢流道(1.3)越靠近下游，其长度随之增加，可以增加工质通过的阻力，进而起到限流的作用，因此，减缩的分流子通道(1.2)和倾斜的溢流通道(1.3)，共同实现了第二次分流过程的均匀化，同时，通过调整溢流通道(1.3)的高度，可进一步调整溢流通道(1.3)之间的流量分配，进一步提高二次流量分配过程的均匀性。

[0007] 本发明还包括：所述主入流通道(1.1)一侧与各分流子通道(1.2)垂直相连。

[0008] 所述主出流通道(1.6)一侧与各出流子通道(1.5)垂直相连。

[0009] 所述分流子通道(1.2)与出流子通道(1.5)相互间隔。

[0010] 所述热沉两端的两个出流子通道(1.5)宽度为完整出流子通道(1.5)宽度的一半，以此保证热沉内部各流动单元几何尺寸一致。

[0011] 本发明的有益效果：通过主入流通道(1.1)、分流子通道(1.2)及溢流通道(1.3)的特殊结构设计，实现带有分流结构的微通道热沉内部流量分配的均匀化，进而提高热沉的综合能力，尤其可以提高换热均匀性。

[0012] 溢流通道(1.3)直接加工在分流道肋之上，可减小热沉整体厚度，增加热沉的紧凑性。

[0013] 图4为本发明均流效果展示，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各溢流道分配流量相对分流子通道总流量的占比，可反映入各溢流通道间流量分配的相对大小。冷却工质为水，固体材料为硅；分流子通道入口流速分别设置为1m/s、1.5m/s、2m/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0.5MW/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4可知本发明均流效果明显。附图说明

[0014] 图1是本发明的外观结构三维视图。

[0015] 图2为图1的分流模块三维视图，图1的分流系统模块俯视图及剖面视图。

[0016] 图3为图1的受热底板三维视图。

[0017] 图4为本发明均流效果展示。

[0018] 图中各标记号如下：1-分流系统模块、2-受热底板、1.1-主入流通道、1.2-分流子通道、1.3-溢流通道、1.4-高度逐渐缩小的溢流道结构、1.5-出流子通道、1.6-主出流通道、1.7-分流通道固体壁面。

具体实施方式

[0019] 下面结合具体实施例进一步阐明本发明的主要内容，但本发明的内容不限于以下实施例。

[0020] 本发明公开了一种具有特殊分流结构的微通道热沉，包括分流模块及其上方与释热设备直接接触的均热底板。其中分流模块包含主入流通道(1.1)、分流子通道(1.2)、溢流道(1.3)、出流子通道(1.5)、主出流通道(1.6)。主入流通道(1.1)带有斜坡。分流子通道(1.2)两侧壁面向中心倾斜，形成渐缩的通道结构。溢流通道(1.3)倾斜布置；沿入流分流道内主流方向，溢流道(1.3)高度非线性减小(1.4)。

[0021] 在本实施例中，主入流通道(1.1)为矩形截面，入口截面高度、宽度分别为0.8mm、1.5mm，主入流通道(1.1)总长9.3mm。主入流通道(1.1)上斜坡结构的倾斜角度为7.8°。斜坡起点距入口截面0.5mm。主入流道(1.1)一侧与各分流子通道(1.2)垂直相连。

[0022] 在本实施例中，分流子通道(1.2)两侧壁面向中心倾斜，形成渐缩的通道结构。入流分流道入口截面高度、宽度分别为0.8mm、0.8mm。入流分流道(1.2)长度为9.8mm。入流分流道(1.2)两侧壁面向中心倾斜角度为1.17°。

[0023] 在本实施例中，溢流道(1.3)直接加工分流通道固体壁面(1.7)之上，起到连通分流子通道(1.2)与出流子通道(1.5)的作用。溢流道倾斜布置，与分流子通道(1.2)中心线的夹角为30°。

[0024] 在本实施例中，沿冷却工质在分流子通道(1.2)内的主流方向，各溢流道的高度非线性降低。每一分流子通道(1.2)一侧的肋上共布置11条溢流道(1.3)，每一溢流道(1.3)的宽度为0.1mm，相邻溢流道(1.3)之间间隔0.61mm；沿冷却工质在分流子通道(1.2)内的主流方向，各溢流道高度依次为0.7mm、0.67mm、0.64mm、0.61mm、0.58mm、0.55mm、0.52mm、0.48mm、0.44mm、0.41mm、0.37mm。

[0025] 出流子通道(1.5)与分流子通道(1.3)相互间隔。出流分流道为矩形截面，出流分流道(1.5)高度、宽度与长度分别为0.8mm、0.8mm、9.8mm。位于两端的出流分流道(1.5)宽度为0.4mm。

[0026] 主出流通道(1.6)为矩形截面，其高度、宽度与长度分别为0.8mm、1.5mm、10.1mm。主出流通道(1.6)一侧与出流子通道(1.5)垂直相连。

[0027] 在本实施例中，主入流通道(1.1)、分流子通道(1.2)及溢流通道(1.3)的特殊结构设计，实现热沉内部流量分配的均匀化，进而提高热沉整体性能及散热均匀性。同时，将溢流道(1.3)直接分流通道固体壁面之上，有利于提高分流式热沉的紧凑性。

[0028] 受热底板厚度为0.2mm；热沉顶板厚度为0.2mm，其余部分壳体厚度为0.5mm。

[0029] 以上实施例并非是对本发明的实施方式限定，除上述实施例外，本发明还有其他实施方式。凡采用等同替换或者等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

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