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CN113175836A - 一种用于电子器件冷却的螺旋仿生微通道换热器 - Google Patents

一种用于电子器件冷却的螺旋仿生微通道换热器 Download PDF

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CN113175836A
CN113175836A CN202110420698.2A CN202110420698A CN113175836A CN 113175836 A CN113175836 A CN 113175836A CN 202110420698 A CN202110420698 A CN 202110420698A CN 113175836 A CN113175836 A CN 113175836A
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何雅玲
张凯
石达
李明佳
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Xian Jiaotong University
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Xian Jiaotong University
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Abstract

一种用于电子器件冷却的螺旋仿生微通道结构，包括微通道基体，微通道基体上分布有关于流体入口中心对称的多条仿生螺旋微通道，各仿生螺旋微通道的流体出口分布于同一个圆周上，流体从流体入口进入所述仿生螺旋微通道，流动过程中不断改变流动方向，增加扰动，破坏热边界层发展，并利用受到的离心作用加强通道内部冷热流体掺混，最后从流体出口流出。利用该结构可形成多种形式的散热器，本发明有效强化了微通道内冷热流体掺混，提升了微通道散热器换热效率及温度均匀性，同时破坏了微通道内流体热边界层发展，提高了散热器换热能力。

Description

一种用于电子器件冷却的螺旋仿生微通道换热器
技术领域
本发明属于强化换热技术领域，特别涉及一种用于电子器件冷却的螺旋仿生微通道结构以及采用该结构的散热器。
背景技术
随着微电子技术的快速发展，电子芯片元件集成度进一步提高，导致芯片功耗大幅增加，平均热流密度接近500W/cm2，散热问题严重影响了电子设备使用寿命及进一步小型化。目前电子芯片散热问题解决方法之一是利用微通道散热器大比表面积、高传热系数的特点，对芯片进行冷却，从而提高系统冷却能力及原件集成度。
目前微通道散热器形式按工质流动方向可分为传统微通道及歧管式微通道。传统微通道散热器各个通道相互平行，入口布置与微通道流动同向，使用灵活，加工简单；但由于通道内流体温度沿通道方向不断升高，后部流体温度要明显高于前部，故温度均匀性较差，存在局部“热点”问题，影响电子器件工作安全及使用寿命，同时由于平行通道内流动属于简单一维流动，缺少扰动，内部热边界层发展较快，换热系数也相对较低。歧管式微通道将传统微通道“单段长通道”转换为“多段短通道”，入口位置与流动方向垂直，缩短了每个通道的长度，降低了边界层发展，提高了散热器换热系数；但由于歧管式微通道需要加工多个分流、汇流通路，增加了系统维修和加工制造成本，同时由于歧管式微通道有更多的分流端口，其冷却工质分布不均匀性问题也更加明显，各个流道内工质流量不一，也会导致出现“热点”问题，影响电子器件正常工作。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供用于电子器件冷却的螺旋仿生微通道结构以及采用该结构的散热器，考虑增强换热和提高温度均匀性，通过改变工质进出方向及仿生螺旋微通道设计，加强通道内流体掺混，提高散热器的换热效率。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种用于电子器件冷却的螺旋仿生微通道结构，其特征在于，包括微通道基体1，微通道基体1上分布有关于流体入口2中心对称的多条仿生螺旋微通道3，各仿生螺旋微通道3的流体出口4分布于同一个圆周上，流体从流体入口2进入所述仿生螺旋微通道3，流动过程中不断改变流动方向，增加扰动，破坏热边界层发展，并利用受到的离心作用加强通道内部冷热流体掺混，最后从流体出口4流出。
所述仿生螺旋微通道3的仿生对象为向日葵花瓣的螺旋型线结构形状，其型线结构由前部发展段、中部加速段和后部出口段组成。
所述微通道基体1的厚度t与仿生螺旋微通道3高度H的比值t/H为0.10～0.25；所述仿生螺旋微通道3的高度H与通道间隔h之比H/h为4.80～6.50；所述流体出口4与微通道基体1外圆周相接，出口处型线沿微通道基体1外圆周切线方向，且型线末端与微通道基体1围成弧面结构，所述流体入口2为圆孔，所述仿生螺旋微通道3等距布置于流体入口2的四周，流体入口2的直径d1与微通道基体1的直径D的比值d1/D＝0.10～0.20。
所述流体出口4分布于微通道基体1边沿的同一个圆周上。
本发明还要求保护采用所述用于电子器件冷却的螺旋仿生微通道结构的散热器。
在所述仿生螺旋微通道3上方紧贴设置有带流体进口5的顶板6，所述流体进口5与流体入口2对应连通。
所述顶板6顶面设置有进口通道7，所述仿生螺旋微通道3底部与微通道基体1相连，顶部贴合于板材6的底面，所述流体进口5与流体入口2对应连通，进口通道7与流体进口5连通。
所述顶板6顶面设置有多个用于填充相变材料的强化通道8，所述板材6顶部与盖板9贴合。
所述螺旋仿生微通道结构在同一微通道基体1上有多个。
与现有技术相比，本发明仿生螺旋微通道结构的设计，使流动过程中微通道内流体流动方向不断改变，加强了流体对通道的冲击，有效强化了微通道内冷热流体掺混，提升了微通道散热器换热效率及温度均匀性，同时破坏了微通道内流体热边界层发展，提高了散热器临界热流密度。其优点包括：换热效率高、温度均匀性好、适用工况广、制造成本低等。
附图说明
图1为向日葵结构以及螺旋仿生微通道结构示意图。
图2为本发明螺旋仿生微通道结构结构示意图。
图3为本发明螺旋仿生微通道结构尺寸指示图(俯视)。
图4为本发明螺旋仿生微通道结构尺寸指示图(剖视)。
图5为本发明仿生螺旋微通道型线示意图。
图6为本发明实施例的螺旋仿生微通道散热器结构示意图(单个螺旋仿生微通道结构)。
图7为本发明实施例的螺旋仿生微通道散热器结构示意图(三个螺旋仿生微通道结构)。
图8为本发明实施例与传统矩形微通道冷却效果比较图，其中(a)、(b)和(c)分别是传统冷板与螺旋仿生微通道散热器在同一质量流速下的速度分布、温度分布和降温效果。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
本发明所涉及的微通道结构受向日葵果实的螺旋型线排布的启发，如图1所示，向日葵的果实螺旋型线的排布，使得每条线型上的果实能够均匀地从茎上汲取养分。受此启发，螺旋微通道结构的设置，可以使得流体均匀分流到各个通道，使得散热器温度分布更加均匀。
基于此，参考图2、图3和图4，本发明提供了一种用于电子器件冷却的螺旋仿生微通道结构，包括微通道基体1，微通道基体1为光滑的密实平板结构，微通道基体1上分布有关于流体入口2中心对称的多个仿生螺旋微通道3，微通道基体1的厚度t与仿生螺旋微通道3高度H的比值t/H宜选择为0.10～0.25，而仿生螺旋微通道3的高度H与通道间隔h之比H/h宜选择为4.80～6.50。
本发明中，流体入口2为圆形结构，与仿生螺旋微通道3整体在微通道基体1的投影同圆心，各仿生螺旋微通道3的入口端环绕流体入口2布置，其直径d1与微通道基体1的直径D的比值d1/D宜选择为0.10～0.20。流体垂直微通道基体1进入流体入口2，再平行微通道基体1分别进入各仿生螺旋微通道3。
各仿生螺旋微通道3的流体出口4分布于微通道基体1的边沿的同一圆周上，即，流体出口4与微通道基体1的外圆周相接，优选地，仿生螺旋微通道3出口处的型线可沿微通道基体1外圆周切线方向，且型线末端可与微通道基体1围成弧面结构。
仿生螺旋微通道3等距分布于中部流体入口2周围，参考图5，在图5中的坐标系中，每条仿生螺旋微通道3的型线结构由前部发展段、中部加速段和后部出口段组成，其可选的一种数学表达式为：
外弧：
Figure BDA0003027737530000041
内弧：
Figure BDA0003027737530000042
采用本发明的螺旋仿生微通道结构，可形成多种形式的散热器，可用来替代常规冷板，当然，该结构本身亦可直接作为一种散热器使用。
在本发明图6所示出的一个实施例中，螺旋微通道3上方紧贴设置有带流体进口5的板材6，具体地，仿生螺旋微通道3底部与微通道基体1相连，顶部贴合于板材6的底面，其中流体进口5与流体入口2对应连通。
进一步地，顶板6顶面还可设置进口通道7，流体进口5与流体入口2对应连通，而进口通道7与流体进口5连通，此时流体沿进口通道7-流体进口5-流体入口2-仿生螺旋微通道3-流体出口4的线路流动。
进一步地，顶板6顶面还设置有多个用于填充相变材料的强化通道8，并可在板材6顶部设置贴合的盖板9(需保证进口通道7和强化通道8的畅通)。
在本发明图7所示出的另一个实施例中，螺旋仿生微通道结构在同一微通道基体1上有3个。该散热器整体尺寸为：长380mm，宽150mm，高12mm。在板材6顶部设置的多个通道中，有三个为进口通道7，连通流体进口5其余为强化通道8，填充相变材料，液体从该三个流体进口5流入散热器，通过三个螺旋仿真微通道结构后，从流体出口4流出。螺旋仿生微通道结构的上、下两个微通道基体1厚度t为1mm，仿生螺旋微通道3的高度H为6mm，流体入口2的直径d1为16mm，螺旋微通道外边缘直径D为124mm。
在图7所示的实施例中，微通道基体1增设90W热源的条件下，将螺旋仿真微通道结构与底部设置相同尺寸的传统矩形冷板进行仿真计算，结果表明：单相水冷条件下，螺旋微通道相比传统矩形微通道，背板温度平均降低了3.6℃以上，且温度更加均匀。计算结果如图8中(a)、(b)和(c)所示。实际应用中，螺旋仿真微通道结构也可作为一个独立的微通道散热单元，电子芯片、锂电池等散热元件可贴在微通道基体1上。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或者使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中多定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或者范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种用于电子器件冷却的螺旋仿生微通道结构，其特征在于，包括微通道基体(1)，微通道基体(1)上分布有关于流体入口(2)中心对称的多条仿生螺旋微通道(3)，各仿生螺旋微通道(3)的流体出口(4)分布于同一个圆周上，流体从流体入口(2)进入所述仿生螺旋微通道(3)，流动过程中不断改变流动方向，增加扰动，破坏热边界层发展，并利用受到的离心作用加强通道内部冷热流体掺混，最后从流体出口(4)流出。
2.根据权利要求1所述用于电子器件冷却的螺旋仿生微通道结构，其特征在于，所述仿生螺旋微通道(3)的仿生对象为向日葵花瓣的螺旋型线结构形状，其型线结构由前部发展段、中部加速段和后部出口段组成。
3.根据权利要求2所述用于电子器件冷却的螺旋仿生微通道结构，其特征在于，所述仿生螺旋微通道(3)的表达式为：
外弧：
Figure FDA0003027737520000011
内弧：
Figure FDA0003027737520000012
4.根据权利要求1或2或3所述用于电子器件冷却的螺旋仿生微通道结构，其特征在于，所述微通道基体(1)的厚度t与仿生螺旋微通道(3)高度H的比值t/H为0.10～0.25；所述仿生螺旋微通道(3)的高度H与通道间隔h之比H/h为4.80～6.50；所述流体出口(4)与微通道基体(1)外圆周相接，出口处型线沿微通道基体(1)外圆周切线方向，且型线末端与微通道基体(1)围成弧面结构，所述流体入口(2)为圆孔，所述仿生螺旋微通道(3)等距布置于流体入口(2)的四周，流体入口(2)的直径d1与微通道基体(1)的直径D的比值d1/D＝0.10～0.20。
5.根据权利要求1所述用于电子器件冷却的螺旋仿生微通道结构，其特征在于，所述流体出口(4)分布于微通道基体(1)边沿的同一个圆周上。
6.采用权利要求1至5任一权利要求所述用于电子器件冷却的螺旋仿生微通道结构的散热器。
7.根据权利要求6所述散热器，其特征在于，在所述仿生螺旋微通道(3)上方紧贴设置有带流体进口(5)的顶板(6)，所述流体进口(5)与流体入口(2)对应连通。
8.根据权利要求7所述散热器，其特征在于，所述顶板(6)顶面设置有进口通道(7)，所述仿生螺旋微通道(3)底部与微通道基体(1)相连，顶部贴合于板材(6)的底面，所述流体进口(5)与流体入口(2)对应连通，进口通道(7)与流体进口(5)连通。
9.根据权利要求8所述散热器，其特征在于，所述顶板(6)顶面设置有多个用于填充相变材料的强化通道(8)，所述板材(6)顶部与盖板(9)贴合。
10.根据权利要求8所述散热器，其特征在于，所述螺旋仿生微通道结构在同一微通道基体(1)上有多个。
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