CN113613440A - 一种使用阵列散热翅片的强化散热装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使用阵列散热翅片的强化散热装置，涉及电子元器件散热技术领域。所述散热装置的翅片基板与盖板合围成两端开口的中空腔体，中空腔体一端与冷却介质提供装置连接，中空腔体另一端与冷却介质回收装置连接；散热翅片为梯形或三角形，散热翅片位于翅片基板顶部且分布在中空腔体内；垂直于冷却介质流动方向的散热翅片等间隔均匀分布，平行于冷却介质流动方向的散热翅片等间隔均匀分布且相邻散热翅片呈中心对称。在散热翅片内存在主通道和次通道，次通道与冷却介质流向成互补的两个角度，使得二次流周期性地脱离主流后汇入主流，具有较高的对流换热系数，且热源的温度分布均匀；增加了过流断面面积，主流流速降低，压降降低。

Description

一种使用阵列散热翅片的强化散热装置

技术领域

本发明涉及电子元器件散热技术领域，具体涉及一种使用阵列散热翅片的强化散热装置。

背景技术

增强对流换热的方法，主要包括：增大换热面积、增加流动速度、引入相变、增加扰动产生二次流、改善流体的热物理性质等。在尤其是电子元器件散热等换热场合，由于热流密度较大，散热装置一般都需要设置翅片，来增大换热面积。

用于增强换热的翅片结构有很多种，常见的包括平直翅片、波纹翅片、针状翅片、辐射形翅片等。平直翅片其翅片本体是细长的条状，可在垂直于热源的方向上，增大换热面积，具有结构简单、加工容易的优点，也应用最广。提高平直翅片的散热能力的方法是增加翅片高度，以及减小翅片厚度。但是这两种形状上的改变，都会造成翅片效率下降，单位换热面积散热能力下降，也会引入更多的压降。此外流体在沿平直翅片行进的时候，速度边界层和热边界层都会慢慢增厚，从而使传热性能沿流动方向衰减。波纹翅片也存在上述问题。

辐射形翅片如专利CN110198615B的描述了，一种使用平直翅片组成渐扩的流道，并在流动方向增加翅片数量的结构。该设计可通过增多的翅片，打破翅片表面逐渐增多的边界层，从而提升散热性能。但问题在于，翅片基板的形状不规则，难以将整个有效散热区域都利用上。此外，通道越靠近进口，翅片越成倍地稀疏，散热能力大幅降低，会形成热点；越靠近出口，翅片越成倍地加密，引入过大的压降。

专利CN103503591B描述了一种针状的翅片阵列结构，其翅片主体为圆柱形，并在圆柱的迎/背风面分别设置了异形的导流结构。相邻排的针状翅片交错排列，以增大扰动。此类针状翅片还有诸如方形(US6273186B1)、圆形(US6173758B1)、椭圆形(US20090145581A1)等。这些针状的翅片阵列设计，大部分采用错排的方式，来增强扰动，强化散热。这样的设计，在流场中引入了过多的弯道，并将工质流动的实际长度翻倍，因此压降较高。CN102713490A使用的菱形翅片阵列，则是采取了顺排的方式。然而问题是，次通道中的二次流会将流动往散热装置的某一侧汇集，从而使另一侧的换热能力较差。且由于汇集造成的流速提升，以及二次流造成的压损，会增加***的压降，总压降甚至比平直翅片高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种使用阵列散热翅片的强化散热装置，解决现有翅片结构压降大、存在二次流汇集导致换热能力差的问题。

为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：一种使用阵列散热翅片的强化散热装置，其特征在于：包括翅片基板、散热翅片和盖板，翅片基板与盖板合围成两端开口的中空腔体，中空腔体一端与冷却介质提供装置连接，中空腔体另一端与冷却介质回收装置连接；散热翅片为梯形或三角形，散热翅片位于翅片基板顶部且分布在中空腔体内；垂直于冷却介质流动方向的散热翅片等间隔均匀分布，平行于冷却介质流动方向的散热翅片等间隔均匀分布且相邻散热翅片呈中心对称。

更进一步的技术方案是所述散热翅片为梯形翅片时，梯形为等腰梯形，长边长度为1～3.5mm，短边长度为0.1～0.7mm，厚度为0.1～0.6mm；相邻且平行的斜边之间形成次通道，次通道间距为0.1～0.4mm，相邻长边和短边之间形成主通道，主通道间距为0.2～0.6mm。

更进一步的技术方案是所述散热翅片为三角形翅片时，梯形为等腰三角形，底边长度为1～3.5mm，腰长度为0.6～1.8mm；相邻且平行的斜边之间形成次通道，次通道间距为0.1～0.4mm，相邻底边之间形成主通道，主通道间距为0.1～0.6mm。

更进一步的技术方案是所述盖板内侧壁倾斜设置，盖板内侧壁与散热翅片顶部之间的间隙沿流体方向逐渐减小。

更进一步的技术方案是所述盖板内侧壁向下凸形成凸部。

工作原理：翅片基板底面与作为发热源的电子元器件表面接触，冷却介质从散热装置内翅片形成的通道内流过，将翅片基板、散热翅片上的热量带走，从而达到给电子元器件散热的目的。在散热翅片阵列式的分布中，主通道内的冷却介质作为主流，次通道内的冷却介质作为二次流，由于次通道与冷却介质流向成互补的两个角度，使得二次流周期性地脱离主流后汇入主流，使流道具有更大的有效过流断面面积，压降更小，且热源的温度分布均匀。同时，由于在散热翅片靠近上游部分，盖板与翅片顶部的间隙较大，部分工质不与散热翅片阵列接触，从散热翅片的上方直接流走，从而进一步降低压降。在散热翅片靠近下游部分，由于盖板与翅片顶部的间隙变小，所有流体进入散热翅片阵列，从而保证了下游的换热效果。在散热翅片阵列内，由于工质在上游的温度和流量均较低，在下游的温度和流量均较高，因此热源的温度分布均匀。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：提供一种结构简单的使用阵列散热翅片的强化散热装置，通过使用梯形或三角形翅片沿冷却介质流向均匀且呈中心对称的阵列布置，使得在散热翅片内存在主通道和次通道，次通道与冷却介质流向成互补的两个角度，使次通道中的壁面也参与对流换热，从而提高换热面积；同时使得二次流周期性地脱离主流后汇入主流，使主流的边界层周期性地被打破与重建，从而使流动始终处于发展区，具有较高的对流换热系数，且热源的温度分布均匀，提高换热能力。二次流增加了流动的过流断面面积，使主流流速降低，从而使压降降低。盖板的内侧壁倾斜设置，使上游的部分工质直接旁通至下游，使压降降低，同时使热源的温度均匀性提高。

附图说明

图1为本发明的装配示意图。

图2为本发明的一种内部结构示意图。

图3为本发明的另一种内部结构示意图。

图4为本发明中工质流动方向示意图。

图5为实施例1中散热翅片中的流线分布图。

图6为实施例1中散热翅片与平直翅片流速场分布对比图。

图7为实施例1中散热翅片与平直翅片热源温度分布对比图。

图8为本发明的内部结构示意图。

图9为实施例3中散热翅片中的流线分布图。

图10为实施例3中散热翅片的流速场分布图。

图11为实施例3中散热翅片的温度分布图。

图中：1-翅片基板，2-散热翅片，3-盖板，301-凸部，4-平直翅片。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

图1、2示出了一种使用阵列散热翅片的强化散热装置，包括翅片基板1、散热翅片2和盖板3，翅片基板1与盖板3合围成两端开口的中空腔体，中空腔体一端与冷却介质提供装置连接，中空腔体另一端与冷却介质回收装置连接。散热翅片2截面为等腰梯形，长边长度为3mm，短边长度为0.5mm，单个翅片厚度为0.5mm。散热翅片2位于翅片基板1顶部且分布在中空腔体内；垂直于冷却介质流动方向的散热翅片2等间隔均匀分布，平行于冷却介质流动方向的散热翅片2等间隔均匀分布且相邻散热翅片2呈中心对称。相邻且平行的斜边之间形成次通道，次通道间距为0.3mm，相邻长边和短边之间形成主通道，主通道间距为0.5mm。

现使用上述梯形的散热翅片与常规平直翅片组成的流道进行对比，梯形翅片阵列共10X19根。在翅片正下方，有一块发热源的芯片，大小为24mm×18mm，功率为250W。冷却介质(工质)入口大小为19.5mmX3mm，工质为30℃的纯净水，入口流量为1升/分钟。平直翅片结构为平行排列的19根细长的直翅片，厚度、主通道宽度、装置大小、运行工况等与梯形翅片相同。

使用时，翅片基板1底面与作为发热源的芯片表面接触，两者间涂抹有导热硅脂。冷却介质从散热装置内翅片形成的通道内流过，将翅片基板1、散热翅片2上的热量带走，从而达到给芯片散热的目的。在散热翅片2阵列式的分布中，主通道内的冷却介质作为主流，次通道内的冷却介质作为二次流，由于次通道与冷却介质流向成互补的两个角度，如图4所示，使得二次流周期性地脱离主流后汇入主流，使流道具有更大的有效过流断面面积，压降更小，且热源的温度分布均匀。

图5为使用CFD仿真后获得的流线分布图，由图可见，主通道中的流动不受到任何阻碍，次通道中产生了二次流。图6对比了本实施例中的梯形翅片与常规平直翅片组成的流道，在相同工况下，流速场的分布。由图6a可见，本实施例中的主通道两侧，靠近翅片附近的流速较高，边界层较薄。相对的，图6b中展示的平直翅片中的流动，在进入流道后边界层即快速变厚。

由于梯形翅片结构组成的流道具有更大的有效过流断面面积，相对于常规平直翅片，新型设计整个流道的压降更小。在前面所述的运行工况下，使用了新型翅片的散热装置，整个流道中的压降为903Pa；而采用了常规平直翅片的散热装置，整个流道中的压降为1022Pa。

在传热性能方面，图7对比了采用了两种翅片结构的散热装置后，热源的温度分布。由图可见，采用了梯形翅片使热源的温度分布更均匀，且最高温度更低(图7a)。而平直翅片在流道下游处出现了明显的热点(图7b)。具体地，采用了梯形翅片后，热源的最高温度为48.3℃；而采用了常规平直翅片后，热源的最高温度达到了50.3℃。

实施例2

图3示出了一种使用阵列散热翅片的强化散热装置，包括翅片基板1、散热翅片2和盖板3，翅片基板1与盖板3合围成两端开口的中空腔体，中空腔体一端与冷却介质提供装置连接，中空腔体另一端与冷却介质回收装置连接。散热翅片2截面为等腰三角形，底边长度为3mm，腰长度为1.7mm，单个翅片厚度为0.5mm。散热翅片2位于翅片基板1顶部且分布在中空腔体内；垂直于冷却介质流动方向的散热翅片2等间隔均匀分布，平行于冷却介质流动方向的散热翅片2等间隔均匀分布且相邻散热翅片2呈中心对称。相邻且平行的斜边之间形成次通道，次通道间距为0.3mm，相邻底边之间形成主通道，主通道间距为0.5mm。

实施例3

为进一步提高散热装置的散热能力，如图8所示，盖板3内侧壁向下凸形成凸部301，使盖板3内侧壁与散热翅片2顶部之间的间隙沿流体流向变小。散热翅片2在工质流动方向上的总长度为27.15mm，而凸部301在工质流动方向上的长度为15.15mm。凸部301靠近工质出口方向的端面，与散热翅片2靠近工质出口方向的末端平齐。

图9为使用CFD仿真后获得的流线分布图，由图可见部分工质在散热翅片2的上游，直接从盖板3内侧壁与散热翅片2顶部组成的空隙中旁通往出口流动。旁通的工质被凸部301阻挡，汇入下游的散热翅片2当中。图10为散热装置中间竖直截面内的流速场。由图可见，由于部分工质直接从散热翅片2顶部上方旁通，散热翅片2内的工质在上游部分的流速较低，而在下游部分的流速较高。

由于在散热翅片2的上游部分工质直接旁通，从而具有更大的有效过流断面面积，具有更低的压降。在与前面实施例1所述相同的运行工况下，使用了具有凸部301的盖板3后，整个流道中的压降为739Pa。

在传热性能方面，图11为使用了具有凸部301的盖板3后热源的温度分布。与图7a对比可见，热源的温度分布，更加均匀。热源中间出现了一片温度较低的区域，其对应于工质被凸部301阻挡后，向下汇入散热翅片2的位置。也因此，热点由一个被分为两个，且两个热点的温度均较低。具体的，热源的最高温度为48.1℃。

尽管这里参照本发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开、附图和权利要求的范围内，可以对组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变形和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。

Claims (5)

1.一种使用阵列散热翅片的强化散热装置，其特征在于：包括翅片基板(1)、散热翅片(2)和盖板(3)，翅片基板(1)与盖板(3)合围成两端开口的中空腔体，中空腔体一端与冷却介质提供装置连接，中空腔体另一端与冷却介质回收装置连接；散热翅片(2)为梯形或三角形，散热翅片(2)位于翅片基板(1)顶部且分布在中空腔体内；垂直于冷却介质流动方向的散热翅片(2)等间隔均匀分布，平行于冷却介质流动方向的散热翅片(2)等间隔均匀分布且相邻散热翅片(2)呈中心对称。

2.根据权利要求1所述的一种使用阵列散热翅片的强化散热装置，其特征在于：所述散热翅片(2)为梯形翅片时，梯形为等腰梯形，长边长度为1～3.5mm，短边长度为0.1～0.7mm，厚度为0.1～0.6mm；相邻且平行的斜边之间形成次通道，次通道间距为0.1～0.4mm，相邻长边和短边之间形成主通道，主通道间距为0.2～0.6mm。

3.根据权利要求1所述的一种使用阵列散热翅片的强化散热装置，其特征在于：所述散热翅片(2)为三角形翅片时，梯形为等腰三角形，底边长度为1～3.5mm，腰长度为0.6～1.8mm；相邻且平行的斜边之间形成次通道，次通道间距为0.1～0.4mm，相邻底边之间形成主通道，主通道间距为0.1～0.6mm。

4.根据权利要求1所述的一种使用阵列散热翅片的强化散热装置，其特征在于：所述盖板(3)内侧壁倾斜设置，其与散热翅片(2)顶部之间的间隙沿流体方向逐渐减小。

5.根据权利要求4所述的一种使用阵列散热翅片的强化散热装置，其特征在于：所述盖板(3)内侧壁向下凸形成凸部(301)。

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