CN115551303A - 一种具有顶部间隙的肋阵微通道热沉 - Google Patents

Abstract

本发明属于电子器件散热领域，并具体公开了一种具有顶部间隙的肋阵微通道热沉，其包括矩形微通道，该微通道流道上设置有肋阵，所述肋阵包括多个肋片；所述肋阵的高度低于微通道侧壁，使肋片上表面与微通道上表面之间形成顶部间隙；顶部间隙系数ε满足0.05≤ε≤0.2。本发明通过在微通道热沉中设置具有顶部间隙的翼型肋阵，对传统微通道热沉进行改进。由于翼型肋片结构特点，且与微通道上表面存在顶部间隙，可使得流体在微通道内流动过程中产生垂直于主流方向的二次流，同时减小流动阻力，从而有效提高微通道热沉的换热效果和综合性能。

Description

一种具有顶部间隙的肋阵微通道热沉

技术领域

本发明属于电子器件散热领域，更具体地，涉及一种具有顶部间隙的肋阵微通道热沉。

背景技术

电子元器件朝着高集成化和小型化的方向高速发展，使得电子元器件之间的散热问题变得尤为突出。散热问题已成为制约微电子领域发展的主要问题之一。在芯片散热领域，微通道热沉技术因具有结构紧凑、换热能力强且能够批量生产等优点，从一系列散热技术中脱颖而出。

微肋阵是一种在通道中布置肋片群以取代部分通道壁面的新型微通道结构，通过肋片群增强对流体的扰动从而强化对流换热。因其具有较大的表面积-体积比，且对冷却工质的扰动效应更加突出，故拥有更加良好的换热性能。但肋片群的存在使得其流动阻力大大增加，在一定程度上制约了微通道热沉的发展。因此，在提高微通道热沉换热效果的同时，降低具有肋阵的微通道热沉的流动阻力，从而提高其综合性能，对于微通道热沉的发展和工业应用具有重要的意义。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种具有顶部间隙的肋阵微通道热沉，其目的在于，有效减小具有肋阵的微通道热沉中的流动阻力，实现微通道热沉换热效果和综合性能的提高。

为实现上述目的，本发明提出了一种具有顶部间隙的肋阵微通道热沉，包括矩形微通道，该微通道流道上设置有肋阵，所述肋阵包括多个肋片；所述肋阵的高度低于微通道侧壁，使肋片上表面与微通道上表面之间形成顶部间隙；

顶部间隙系数ε由下式表示：

其中，h为肋阵的高度，H_ch为微通道侧壁高，ε满足0.05≤ε≤0.2。

作为进一步优选的，顶部间隙系数ε满足0.05≤ε≤0.1。

作为进一步优选的，所述肋片的截面形状为翼型，流体在微通道中沿翼型前缘流入，顺翼型尾缘流出。

作为进一步优选的，肋阵中翼型肋片排列的横向间距S_T与翼型肋片的弦长c之间满足

作为进一步优选的，肋阵中翼型肋片排列的纵向间距S_L与翼型肋片的弦长c之间满足

作为进一步优选的，使用时，热流密度施加在微通道的底面，即不具有顶部间隙的那一侧表面。

作为进一步优选的，该微通道热沉适用的雷诺数Re范围为200≤Re≤1600。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1、本发明微通道中顶部间隙的存在会使得流体在流经肋片的全过程中产生垂直于主流方向的扰动，这是没有顶部间隙的通道所不具备的，由顶部间隙引起的二次流可极大增强流体扰动，强化了流体之间和流体与壁面之间的对流换热。此外，顶部间隙的存在可以破坏肋两侧壁面边界层的发展，使得近肋壁面的流体速度大大增加，实现微通道热沉换热效果和综合性能的提高。

2、与没有顶部间隙的肋阵微通道相比，存在顶部间隙的肋阵微通道的其他优点包括：更容易加工制作且便于组装、所需材料较少、重量较轻等。

3、顶部间隙的减小对于换热的不利影响包括：顶部间隙中流体流动速度降低，以及垂直于主流方向上的扰动减弱；而顶部间隙的减小对于换热的有利影响包括：换热面积增加，以及肋片两侧流动速度增加。据此本发明设计顶部间隙系数ε满足0.05≤ε≤0.2，此时微通道在有着较大的换热面积和肋片两侧较大流速的同时，仍然有着较强的涡流和二次流的出现，换热效果最佳。

4、本发明的肋片采用翼型作为截面形状，可以减小流动阻力；流体在微通道中沿翼型前缘流入，顺翼型尾缘流出，以便充分发挥翼型肋片延迟流体在其表面分离的作用，使受到近壁面高速流体冲刷的面积更大，从而有效强化换热。

5、本发明根据翼型肋片弦长c的大小对肋阵排布参数S_T和S_L作出相应调整，并根据实际情况对顶部间隙系数ε在0.05到0.2之间作适当调整，有效减小具有肋阵的微通道热沉中的流动阻力，从而实现微通道热沉换热效果和综合性能的提高。

附图说明

图1为本发明实施例具有顶部间隙的翼型肋阵微通道三维结构和尺寸示意图；

图2为本发明实施例具有顶部间隙的翼型肋阵微通道平面尺寸示意图；

图3为本发明实施例微通道热沉的流动换热性能与顶部间隙系数ε和雷诺数Re之间的变化关系图，其中，(a)为阻力系数f与顶部间隙系数ε和雷诺数Re之间的变化关系图，(b)为努塞尔数Nu与顶部间隙系数ε和雷诺数Re之间的变化关系图；

图4为本发明实施例微通道热沉的综合评价系数η与顶部间隙系数ε和雷诺数Re之间的变化关系图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-微通道，2-肋阵。

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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明实施例提供的一种具有顶部间隙的肋阵微通道热沉，如图1和图2所示，其包括矩形的微通道1，在微通道1流道上设置有肋阵2，该肋阵2包括按照特定方式排列的多个肋片，本实施例中优选采用NACA 65-019翼型作为截面形状。

肋阵的高度低于微通道侧壁面，从而在肋片上表面与微通道上表面之间形成顶部间隙。流体在微通道中沿翼型前缘流入，顺翼型尾缘流出，以便充分发挥翼型肋片延迟流体在其表面分离的作用，使受到近壁面高速流体冲刷的面积更大，从而有效强化换热。

本发明通过在微通道热沉中设置具有顶部间隙的翼型肋阵，对传统微通道热沉进行改进。由于翼型肋片具有流线型结构，且与微通道上表面存在顶部间隙，流体在翼型肋上部空间和肋两侧的耦合流动模式使得其在流经肋片的全过程中形成垂直于主流方向的二次流，极大地增强了流体的扰动，同时减小流动阻力，从而有效提高微通道热沉的换热效果和综合性能。

记翼型肋阵的高度为h，微通道侧壁高为H_ch，顶部间隙系数为ε，则所述顶部间隙系数ε可表示为：

ε应满足0.05≤ε≤0.2。且热流密度应施加微通道中不具有顶部间隙的那一侧表面，即如图1所示的微通道底面。

本发明是根据翼型肋阵的排列参数S_T与S_L和顶部间隙系数ε设计出一种新型微通道热沉，其中翼型弦长c，通道的宽度W_ch，长度L，高度H_ch，微通道两侧壁厚W_s和底部厚度H_s均可以根据实际进行调整，对微通道热沉的换热效果和综合性能影响不大。

图2为具有顶部间隙的翼型肋阵微通道的俯视图。翼型肋阵排列的横向间距S_T与翼型的弦长c之间满足

翼型肋阵排列的纵向间距S_L与翼型的弦长c之间满足

图3中(a)是阻力系数f与顶部间隙系数ε和雷诺数Re之间的变化关系图。ε＝0表示没有顶部间隙，即肋高与微通道流道高度相等。从图3中(a)可以看出，在Re相同的情况下，ε＝0.2和ε＝0.3时，微通道的阻力系数较小。而ε＝0.05和ε＝0.1时，在Re<400时，微通道的阻力系数与无顶部间隙时相近。只在Re>400的情况下，其阻力系数大于无顶部间隙的翼型肋阵微通道。

图3中(b)表明，在Re相同的情况下，本实施例中只有ε＝0.3时肋阵微通道的Nu小于无顶部间隙的情况；其余ε值时肋阵微通道的Nu均明显大于无顶部间隙的情况。当ε＝0.1，Re＝800时翼型肋阵微通道的Nu最大为124.5，较无顶部间隙时的肋阵微通道提升了16.9％。这是由于流体在肋上部空间和肋两侧的耦合流动模式使得流体在流经肋片的全过程中形成垂直于主流方向的二次流，极大地增强了流体的扰动，强化了流体之间和流体与壁面之间的对流换热。综合图3中(a)和(b)可以看出，顶部间隙的存在可以在几乎不增加阻力系数甚至减小阻力系数的情况下，实现微通道整体努塞尔数的较大提高。

图4为综合评价系数η与雷诺数Re和顶部间隙系数ε的变化关系图。综合评价系数η常用来综合评价各因素对热沉整体换热性能的影响。η越大，表明热沉的综合性能越高。其表达式如下：

式中，Nu₀和f₀分别是作为比较标准的无肋阵排列的矩形平直微通道的努塞尔数和阻力系数。当顶部间隙系数0.05≤ε≤0.2时，具有顶部间隙的翼型肋阵微通道的综合评价系数均大于无顶部间隙的翼型肋阵微通道。当ε＝0.1，Re＝800时，翼型肋阵微通道的综合评价系数最大为3.2，较无肋阵排列的矩形平直微通道提高了320％，较无顶部间隙的翼型肋阵提高了15.1％。表明顶部间隙的存在能有效提高翼型肋阵微通道热沉的综合性能。

本发明的翼型肋阵微通道热沉，在保证翼型肋阵排列的横向间距S_T与翼型的弦长c的比值在0.4～0.6范围内、纵向间距S_L与翼型的弦长c的比值在0.6～1范围内、且顶部间隙系数在0.05～0.2范围内情况的下，可根据实际应用情况对微通道热沉的其他参数进行调节；例如，微通道热沉长度和进口宽度可根据实际工作环境选取，以便提高与工况的适配性。本发明中的矩形微通道热沉和翼型肋阵，既可按相关工艺分别制造进行加工，检验合格再组装使用，也可一体成型。

综上，本发明通过设计顶部间隙，并对微通道热沉中关键的肋片形状、排列方式及顶部间隙的具体大小等进行改进，有效减小具有肋阵的微通道热沉中的流动阻力，从而实现微通道热沉换热效果和综合性能的提高。该微通道热沉适用的雷诺数Re(Re＝U×D_h/υ，U为来流速度，D_h为微通道进出口的特征直径，υ为流体的运动粘性系数)范围为200≤Re≤1600。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种具有顶部间隙的肋阵微通道热沉，其特征在于，包括矩形微通道，该微通道流道上设置有肋阵，所述肋阵包括多个肋片；所述肋阵的高度低于微通道侧壁，使肋片上表面与微通道上表面之间形成顶部间隙；

顶部间隙系数ε由下式表示：

其中，h为肋阵的高度，H_ch为微通道侧壁高，ε满足0.05≤ε≤0.2。

2.如权利要求1所述的具有顶部间隙的肋阵微通道热沉，其特征在于，顶部间隙系数ε满足0.05≤ε≤0.1。

3.如权利要求1所述的具有顶部间隙的肋阵微通道热沉，其特征在于，所述肋片的截面形状为翼型，流体在微通道中沿翼型前缘流入，顺翼型尾缘流出。

4.如权利要求3所述的具有顶部间隙的肋阵微通道热沉，其特征在于，肋阵中翼型肋片排列的横向间距S_T与翼型肋片的弦长c之间满足

5.如权利要求4所述的具有顶部间隙的肋阵微通道热沉，其特征在于，肋阵中翼型肋片排列的纵向间距S_L与翼型肋片的弦长c之间满足

6.如权利要求1所述的具有顶部间隙的肋阵微通道热沉，其特征在于，使用时，热流密度施加在微通道的底面，即不具有顶部间隙的那一侧表面。

7.如权利要求1-6任一项所述的具有顶部间隙的肋阵微通道热沉，其特征在于，该微通道热沉适用的雷诺数Re范围为200≤Re≤1600。

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