CN115720439A - 一种含肋微通道散热装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种含肋微通道散热装置及方法，涉及微通道换热器领域；针对目前微通道换热器内部阻力过大，并且作用区域温度均匀性较差的问题，在基体内设置供工质流动的多条并行换热通道，于换热通道内布置多组基本肋片对换热工质进行分流和导引，同时肋片本身也能够增大与工质的接触面积提升换热效果，从而减少同一换热通道内基本肋片的布置密度，降低工质流动阻力，并使换热通道不同区域的换热量趋于均匀。

Description

一种含肋微通道散热装置及方法

技术领域

本发明涉及微通道换热器领域，具体涉及一种含肋微通道散热装置及方法。

背景技术

微通道是一种进行高热流密度下散热的常用器件，其原理是附在芯片等热源上，通过基板的导热，由通道内的冷却工质带走热量。评价微通道性能指标主要有基板温度和进出口压降两方面，基板温度直接关系到微通道的散热能力，进出口压降与微通道所需的泵送功率有关，即微通道运行过程中的能耗，因此，需要较低的基板温度和较低的进出口压降。

微通道内的肋片布置形式影响工质在内部的流动和换热性能，在微通道内布置肋片能够打断流动边界层和热边界层，提高换热效果，但会带来一定的压降提升，目前通过在微通道内通过增加肋片的数目和分布密度来增加其换热效果，导致内部阻力增大，增加了泵送工质的能耗，同时，由于肋片数目的增加，换热工质在流动过程中逐渐升温，影响了下游的换热效果，散热器温度随着工质的流动方向升高，导致温度均匀性较差，难以满足热源均匀冷却的需求。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的缺陷，提供一种含肋微通道散热装置及方法，在基体内设置供工质流动的多条并行换热通道，于换热通道内布置多组基本肋片对换热工质进行分流和导引，同时肋片本身也能够增大与工质的接触面积提升换热效果，从而减少同一换热通道内基本肋片的布置密度，降低工质流动阻力，并使换热通道不同区域的换热量趋于均匀。

本发明的第一目的是提供一种含肋微通道散热装置，采用以下方案：

包括基体，基体内设有多条并行的换热通道，沿换热通道内工质的流动方向，换热通道内设有多组依次间隔布置的基本肋片，基本肋片相对于其所处位置换热通道的轴线倾斜布置，基本肋片对流经的工质分流和导引，相邻组基本肋片的倾斜偏移方向相反，以使换热通道不同区域的换热量趋于均匀。

进一步地，所述换热通道内设有多个导流肋片，导流肋片贴合换热通道内壁布置，以扰动流经的工质。

进一步地，所述换热通道入口位置一侧的内壁上设有导流肋片，换热通道出口位置两侧的内壁上均设有导流肋片，部分相邻组基本肋片之间的换热通道内壁上设有导流肋片。

进一步地，所述基本肋片包括多个依次间隔分布的独立肋片，靠近换热通道入口的基本肋片对应独立肋片的数目不小于靠近换热通道出口的基本肋片对应独立肋片的数目。

进一步地，所述独立肋片与其对应基本肋片的走向一致，同一组基本肋片内相邻独立肋片的间距小于相邻组基本肋片的间距。

进一步地，沿换热通道内工质的流动方向，基本肋片位于工质上游的一端为尖端结构，位于工质下游的一端为平滑结构。

进一步地，所述基体内的换热通道呈叠放两层布置，位于上层换热通道与位于下层换热通道一一对应，沿换热通道内工质流动方向上，换热通道内的基本肋片相同。

进一步地，位于上层换热通道内工质的流动方向与位于下层换热通道内工质的流动方向相反。

本发明的第二目的是提供一种利用上述含肋微通道散热装置的工作方法，包括：

基体入口端接入外部工质供应源，引入工质至所有换热通道入口；

换热通道内的基本肋片对工质进行导引和分流，并与基体布置位置的热源进行热交换，对热源进行降温；

换热通道内与热源换热后的工质汇集至基体出口后排出。

进一步地，调整工质的泵送功率，使基体与热源贴合位置的温度趋于平均。

与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：

(1)针对目前微通道换热器内部阻力过大，并且作用区域温度均匀性较差的问题，在基体内设置供工质流动的多条并行换热通道，于换热通道内布置多组基本肋片对换热工质进行分流和导引，同时肋片本身也能够增大与工质的接触面积提升换热效果，从而减少同一换热通道内基本肋片的布置密度，降低工质流动阻力，并使换热通道不同区域的换热量趋于均匀。

(2)在每条换热通道内均布置基本肋片和导流肋片，能够有效地打断热边界层和流动边界层，强化换热效果，同时不会过多提高压降；同时，基本肋片能够打断分配为多个独立肋片，促进流经基本肋片区域时对公知的扰动效果，提高换热能力。

(3)采用双层换热通道结构，采用上下层分布，上层换热通道和下层换热通道协同作用，使得单位面积上的换热能力更强，同时，在上层换热通道和下层换热通道工质流向相反时，能够平衡换热通道内的高温区域和低温区域，使得整体表现出的换热能力具有更为优异的温度均匀性。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例1和2中含肋微通道散热装置的外部示意图。

图2为本发明实施例1和2中含肋微通道散热装置的换热通道分布示意图。

图3为本发明实施例1和2中含肋微通道散热装置的换热通道内部示意图。

图4为本发明实施例1和2中肋片的分布示意图。

图5为本发明实施例1和2中工质流经换热通道时的流线图。

图6为本发明实施例1和2中含肋微通道散热装置与其他换热器的对比示意图。

其中，1基体入口、2基体、3基体出口、4换热通道、2a上层换热通道，2b下层换热通道，21上板，22基板，23侧板，24隔板，25肋片组，251第一基本肋片，252第二基本肋片，253第三基本肋片，254导流肋片，255独立肋片。

具体实施方式

实施例1

本发明的一个典型实施例中，如图1-图6所示，给出一种含肋微通道散热装置。

在换热器的微通道内布置肋片能够提高换热效果，但会带来一定的压降提升；需要综合考虑流动和换热性能，多为通过增加肋片数目、肋片密度等手段来增加工质换热时间、换热面积，但并未综合考虑流动和换热性能，导致内部阻力增大，增加了泵送工质的能耗；同时，还存在温度均匀性较差的问题。

基于此，本实施例中给出一种含肋微通道散热装置，设置内部带有多条并行换热通道4的基体2，基体2贴合热源，基体2内部换热通道4输送换热工质与热源进行换热，于换热通道4内布置多组基本肋片对换热工质进行分流和导引，同时肋片本身也能够增大与工质的接触面积提升换热效果，从而减少同一换热通道4内基本肋片的布置密度，降低工质流动阻力，并使换热通道4不同区域的换热量趋于均匀。

下面，结合附图对本实施例中的含肋微通道散热装置进行详细说明。

参见图1，含肋微通道散热装置主要包括基体2，基体2内部形成多条换热通道4，换热通道4的一端共同连通基体入口1，换热通道4的另一端共同连通基体出口3，换热工质从基体入口1输入基体2内，分流至各条换热通道4，流经换热通道4后汇集至基体出口3排出。

内部换热通道4采取双层布置，每个换热通道4内均布置有肋片组25，如图2所示。其中肋片组25的布置位置和结构进行拓扑优化，以换热通道4的进出口压降最低为目标，约束为基底的平均温度不超过设定值，综合考虑流动和换热性能。

使得肋片组25布置后的换热通道4具有优异的流动换热综合性能，在同样的进出口压降下有着最优的换热效果，或取得同样的换热效果时所需的泵送功率最低。

在双层换热通道4内，上层换热通道2a内和下层换热通道2b内肋片组25布置方向可以相同或相反，同样的，工质流动方向可相同或相逆。根据需求进行配置，使得换热通道4既能够实现具有优异的温度均匀性，又能够实现具有良好的换热性能。

基体2包括基板22、上板21、侧板23和隔板24，每层包括的多条换热通道4共用基板22和上板21，侧面通过侧板23将基板22和上板21连接，两个侧板23之间通过多个隔板24进行分隔，形成多条换热通道4，相邻换热通道4之间通过隔板24进行分隔。

如图3所示，下层换热通道2b的上板21作为上层换热通道2a的基板22，上层换热通道2a结构与下层换热通道2b结构相同。

基板22的上表面作为换热通道4的底壁，侧板23的侧面或隔板24的侧表面作为换热通道4的侧壁，上板21的底表面作为换热通道4的顶壁，从而围绕形成换热通道4。

肋片组25布置在换热通道4内，肋片组25的顶端与换热通道4的顶壁对接，肋片组25的底端与换热通道4的底壁对接，肋片组25的侧面对流经的工质进行导向、引流等。

对应提升换热性能的需求，上层换热通道2a和下层换热通道2b的走向相同，同时其内部肋片组25的布置方式相同，并行布置的换热通道4能够提高换热效果，提升换热性能。

对应提升对热源区域的均匀换热能力，上层换热通道2a和下层换热通道2b内的肋片组25排列反向布置，上层换热通道2a和下层换热通道2b的工质入口、工质出口也相应反向布置，使得上层换热通道2a和下层换热通道2b内的工质流动方向相逆。在逆流布置下，能够平衡换热通道4内的高温区域和低温区域，使得整体表现出的换热能力具有更为优异的温度均匀性，同时，也能够提升换热能力。

如图3，肋片组25包括基本肋片和导流肋片254，换热通道4内设有多组依次间隔布置的基本肋片，也布置有多个导流肋片254。

基本肋片相对于其所处位置换热通道4的轴线倾斜布置，基本肋片对流经的工质分流和导引，相邻组基本肋片的倾斜偏移方向相反，以使换热通道4不同区域的换热量趋于均匀。

结合图3和图4，以本实施例中布置三组基本肋片为例，三组基本肋片分别为分别布置在沿流动方向的右侧并向右侧延伸的第一基本肋片251、沿流动方向的左侧并向左侧延伸的第二基本肋片252、沿流动方向的右侧并向右侧的第三基本肋片253，如图4中最上方所示，肋片的布置有着较好的连续性，有助于降低进出口压降。

在靠近入口处，基本肋片布置的位置靠近于面向流动方向的左侧，在中间区域，基本肋片布置面向流动方向的右侧，靠近出口位置的基础肋片又布置在面向流动方向的左侧，这种布置形式避免了流动和温度分布的分层，提高了换热通道4的换热性能。

为增强换热效果，在换热通道4内布置基本肋片的基础上，还可以布置导流肋片254，换热通道4内设有多个导流肋片254，导流肋片254贴合换热通道4内壁布置，以扰动流经的工质；如图4中间所示，设置有四个导流肋片254，换热通道4入口位置一侧的内壁上设有导流肋片254，换热通道4出口位置两侧的内壁上均设有导流肋片254，部分相邻组基本肋片之间的换热通道4内壁上设有导流肋片254；导流肋片254靠近换热通道4内壁布置，起到打断流动边界层和热边界层、引起流体扰动的效果。

另外，为强化换热效果，可以将基本肋片进行打断，如图4下部所示，基本肋片包括多个依次间隔分布的独立肋片255，靠近换热通道4入口的基本肋片对应独立肋片255的数目不小于靠近换热通道4出口的基本肋片对应独立肋片255的数目。

本实施例中，对三块基本肋片进行打断，形成若干较短的独立肋片255。其中第一基本肋片251打断形成的独立肋片255不宜超过四片，第二基本肋片252打断形成的独立肋片255不宜超过四片，第三基本肋片253打断生成的独立肋片255不宜超过两片。

独立肋片255与其对应基本肋片的走向一致，同一组基本肋片内相邻独立肋片255的间距小于相邻组基本肋片的间距。将基本肋片拆分后，工质流经独立肋片255时的流线图如图5所示，可见从靠近入口方向流入的工质在经过第一块独立肋片255后，主流被分割成左右两部分，随后依次流经后面的独立肋片255；在4块独立肋片255间有一定的间隙，部分工质从第一基本肋片251的右侧区域流入左侧区域，促进了流动的混合。在流经四块独立肋片255后，主流在流经第二基本肋片252后，再次被分割成左右两部分，且原本在左侧的工质流入右侧区域，进一步促进了流动的混合，强化了换热效果。

可以理解的是，在实际应用过程中，若追求加工过程的简易，可仅布置第一基础肋片、第二基础肋片和第三基础肋片，如果在此基础上需要进一步强化换热效果，可以添加导流肋片254；如果需要优化流动并强化换热效果，可将基本肋片打断形成若干独立肋片255，这三种肋片布置模式可在实际应用过程中灵活选择。

除导流肋片254外，基本肋片及组成基本肋片的独立肋片255的形状均为长条形，具体形状可以根据实际需求进行选择和调整，第一基本肋片251、第二基本肋片252、第三基本肋片253为长宽比较大的长条形，经打断后的独立肋片255为长宽比较小的长条形。导流肋片254的形状不固定，贴近壁面且能够起到引起扰动的效果即可。

沿换热通道4内工质的流动方向，基本肋片位于工质上游的一端为尖端结构，可以采用尖角，位于工质下游的一端为平滑结构，可以采用圆角。冷却工质在流经肋片组25时，流动边界层和热边界层被打断而重新发展，促进了换热通道4和冷却工质间的换热。

对应的，基体2内的换热通道4呈叠放两层布置，位于上层换热通道2a与位于下层换热通道2b一一对应，沿换热通道4内工质流动方向上，换热通道4内的基本肋片相同；为了提高换热区域温度的均匀性，位于上层换热通道2a内工质的流动方向与位于下层换热通道2b内工质的流动方向相反。

下面，给出一组本实施例中含肋微通道散热装置的尺寸规格。

本实施例中的含肋微通道散热装置内部的换热通道4为微通道结构，每个换热通道4的当量直径不大于1mm；每个换热通道4的长度不大于15mm；换热通道4的宽度不大于1mm。

对应的，第一肋片、第二肋片的长度均小于6mm，第三肋片的长度小于3mm，且经打断后的独立肋片255长度小于2mm，导流肋片254的长度小于1.5mm，所有肋片的厚度均小于换热通道4宽度的1/3。

另外，肋片组25包括的各个肋片在高度方向上形状保持一致；尚岑个换热通道4和下层换热通道2b所包括的换热通道4数目大于等于八个，视具体应用条件而定。

在其他实施方式中，在含肋微通道散热装置应用空间不受限的情况下，若需要强化换热性能，能够双层换热通道4的基础上添加换热通道4层数，采用多层换热通道4结构，为了保证散热效果的提升，换热通道4不超过四层。

图6为本实施例中所提出的含肋微通道散热装置流动和换热性能验证情况。将本本实施例中提出的含肋微通道散热装置与不含肋的单通道、含等肋面积方形肋的单通道、含等肋面积圆形肋的单通道进行对比。横坐标为泵送功率，纵坐标为微通道基底平均温度。在微通道散热器的应用过程中，追求的是低的基底温度和低的泵送功率，因此靠近坐标原点的曲线即表示微通道的流动和换热综合性能更优。经验证，本实施例中提出的含肋微通道散热装置具有最优的流动和换热综合性能。

实施例2

本发明的另一典型实施方式中，如图1-图6所示，给出一种利用含肋微通道散热装置的工作方法。

结合图1-图6，利用如实施例1中的含肋微通道散热装置，该工作方法包括：

基体入口1端接入外部工质供应源，引入工质至所有换热通道4入口；

换热通道4内的基本肋片对工质进行导引和分流，并与基体2布置位置的热源进行热交换，对热源进行降温；

换热通道4内与热源换热后的工质汇集至基体出口3后排出。

结合附图及实施例1，对上述工作方法进行详细说明。

工质在经基体入口1流入基体2后，分流入上层换热通道2a和下层换热通道2b对应的多条换热通道4。来自热源的热量一方面经换热通道4的基板22的导热后，直接被冷却工质吸收；另一方面在不同的换热通道4中经基板22和肋片组25的导热后，将热量传递到面外，再经冷却工质吸收。升温后的冷却工质经基体出口3流出，经外部冷却放热后，重新由基体入口1流入，形成一个循环。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种含肋微通道散热装置，其特征在于，包括基体，基体内设有多条并行的换热通道，沿换热通道内工质的流动方向，换热通道内设有多组依次间隔布置的基本肋片，基本肋片相对于其所处位置换热通道的轴线倾斜布置，基本肋片对流经的工质分流和导引，相邻组基本肋片的倾斜偏移方向相反，以使换热通道不同区域的换热量趋于均匀。

2.如权利要求1所述的含肋微通道散热装置，其特征在于，所述换热通道内设有多个导流肋片，导流肋片贴合换热通道内壁布置，以扰动流经的工质。

3.如权利要求2所述的含肋微通道散热装置，其特征在于，所述换热通道入口位置一侧的内壁上设有导流肋片，换热通道出口位置两侧的内壁上均设有导流肋片，部分相邻组基本肋片之间的换热通道内壁上设有导流肋片。

4.如权利要求1所述的含肋微通道散热装置，其特征在于，所述基本肋片包括多个依次间隔分布的独立肋片，靠近换热通道入口的基本肋片对应独立肋片的数目不小于靠近换热通道出口的基本肋片对应独立肋片的数目。

5.如权利要求4所述的含肋微通道散热装置，其特征在于，所述独立肋片与其对应基本肋片的走向一致，同一组基本肋片内相邻独立肋片的间距小于相邻组基本肋片的间距。

6.如权利要求1所述的含肋微通道散热装置，其特征在于，沿换热通道内工质的流动方向，基本肋片位于工质上游的一端为尖端结构，位于工质下游的一端为平滑结构。

7.如权利要求1所述的含肋微通道散热装置，其特征在于，所述基体内的换热通道呈叠放两层布置，位于上层换热通道与位于下层换热通道一一对应，沿换热通道内工质流动方向上，换热通道内的基本肋片相同。

8.如权利要求7所述的含肋微通道散热装置，其特征在于，位于上层换热通道内工质的流动方向与位于下层换热通道内工质的流动方向相反。

9.一种利用如权利要求1-8任一项所述含肋微通道散热装置的工作方法，其特征在于，包括：

基体入口端接入外部工质供应源，引入工质至所有换热通道入口；

换热通道内的基本肋片对工质进行导引和分流，并与基体布置位置的热源进行热交换，对热源进行降温；

换热通道内与热源换热后的工质汇集至基体出口后排出。

10.如权利要求9所述的工作方法，其特征在于，调整工质的泵送功率，使基体与热源贴合位置的温度趋于平均。

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