一种射流微通道热沉

1.本发明涉及一种散热器结构，具体涉及一种微通道热沉结构。


背景技术：

2.随着电子器件的不断发展，电子器件的集成度越来越高，其功率密度不断提高，导致电子器件的发热问题日益突出。若电子器件在工作过程中长时间处于高温状态，会导致器件的性能下降、寿命缩短，甚至器件损坏。因此，需要开发出高效的散热器以应对电子器件引起的高热流密度问题。
3.微通道技术的发展始于20世纪80年代，最初主要应用于化工、生物医学等领域，后来逐渐应用于电子器件散热领域。微通道热沉的主要原理是将发热元件与微通道接触，通过微通道中的流体将热量带走，从而实现散热的效果。而射流微通道热沉是将微通道技术和射流技术相结合的一种新型散热技术，其主要原理是将高速流体通过微通道，形成射流，将热量迅速传递到冷却介质中。通过射流的作用，可以增强冷却介质与微通道之间的传热效果，从而提高散热效率。射流微通道热沉具有高效、轻便、可靠等优点，适用范围广，可以很好地解决电子器件散热问题。随着微流体技术的不断发展和应用，射流微通道热沉将会在电子产品设计中得到越来越广泛的应用。
4.目前，现有射流微通道热沉普遍存在以下问题：1、射流分布不均。射流入口直径远小于射流孔的分布范围，射流入口范围内的射流孔射流速度较大，范围外的射流孔射流速度较小，范围边缘的射流孔几乎无法形成射流。
5.2、射流经射流孔进入微通道层后，射流孔附近区域的流体速度较大，而相邻射流孔中间区域的流体速度较小，导致该中间区域散热较差。


技术实现要素：

6.发明目的：针对上述现有技术，提出一种具有扰流肋的射流微通道热沉，解决现有结构存在的射流分布不均以及微通道内相邻射流孔对应的中间区域散热较差的问题。
7.技术方案：一种射流微通道热沉，包括壳体，所述壳体由层板分隔为下层的微通道层和上层的射流发生层；所述壳体顶部中央设有射流入口，所述壳体位于所述微通道层的侧壁上设有微通道出口；所述射流发生层内设有用于对射流入口流入的流体进行扰动的若干射流分散肋片；所述微通道层由垂直壳体底部的隔板分隔成若干条平行的微通道；各条微通道内，沿微通道长度方向均匀间隔设有若干对第一肋片，每对第一肋片由相对间隔设置的两片肋片构成，所述两片肋片的一条竖直侧边分别连接所述隔板或壳体；相邻微通道内，各对第一肋片沿微通道长度方向交错分布；所述层板上分布有若干射流孔，各射流孔分别正对于下方所述微通道层中每对第一肋片之间的中心点；各微通道内，在相邻射流孔的中间正下方还分别设有各对第二肋片，每对第二肋片由相对间隔设置的两片肋片构成。
8.进一步的，所述壳体正对各微通道端部的一个侧壁上还设有横流入口；从所述横流入口向所述微通道出口方向，各微通道顶部对应的一路射流孔的直径逐渐减小。
9.进一步的，所述射流分散肋片位于所述射流入口的正下方，包括与微通道长度方向平行的四片第三肋片以及垂直的四片第四肋片；所述第四肋片两两相对平行设置，所述第三肋片两两位于相对平行设置的两组所述第四肋片之间；并且，相邻的所述第三肋片之间的间距等于所述第三肋片的宽度，相邻的所述第四肋片之间的间距小于所述第四肋片的长度。
10.进一步的，所述第二肋片的宽度小于所述第一肋片的宽度，且每对所述第二肋片中两个肋片的间距小于第二肋片的宽度。
11.进一步的，所述射流分散肋片的高度为所述射流发生层腔体高度的1/2。
12.进一步的，所述第一肋片和所述第二肋片的高度均为微通道高度的1/2。
13.有益效果：1、射流分散肋片302的增加有助于解决射流分布不均的问题，大部分的射流孔301能产生较好的射流流速，尤其是射流入口101范围外的射流孔301以及射流发生层3范围边缘的射流孔301所产生射流的速度增加明显。
14.2、第一肋片202加强了壁面及射流孔附近流体的扰动，使射流孔301附近的流体分布发生变化，加强了整体微通道的传热。同时，相邻微通道的第一肋片在通道方向上交错分布，能够增强第一肋片202处壁面的传热，降低了由于增加肋片导致流体零速度区域的高温。第二肋片203对相邻射流孔301之间的流体进行扰动，使得第二肋片203附近的流体速度更大，有助于减小微通道内相邻射流孔中间区域的温度。
15.3、加入横流后，同一行的射流孔301从左到右的直径可以逐渐减小，直径较小的射流孔301所产生射流的速度大于直径较大的射流孔301所产生射流的速度。横流混合射流后，微通道后半部分的流体仍具有较大的速度，能带走更多的热量，使微通道的温度分布更加均匀，减小由于壁面温度梯度过大造成的器件损坏。
附图说明
16.图1是本发明的微通道热沉结构示意图；图2是本发明的微通道热沉平面示意图；图3是本发明的微通道热沉局部剖面图；图4是微通道层的结构示意图；图5是射流发生层的结构示意图；图6是本发明的对比例的结构示意图；图7是本发明的实施例2的结构示意图；图8是普通射流微通道热沉和本发明实施例的射流分布对比图；图9是普通微通道和本发明的实施例1、对比例的温度对比云图；图10是普通微通道和本发明的实施例1、对比例的流体速度对比云图。
实施方式
17.下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
实施例
18.一种射流微通道热沉，如图1-图5所示，包括壳体1，壳体1由层板分隔为下层的微通道层2和上层的射流发生层3。壳体1顶部中央设有射流入口101，壳体1位于微通道层2的侧壁上设有微通道出口103。
19.微通道层2由垂直壳体1底部的隔板201分隔成9条平行的微通道。各条微通道内，沿微通道长度方向均匀间隔设有若干对第一肋片202，每对第一肋片202由相对间隔设置的两片肋片构成，该两片肋片的一条竖直侧边分别垂直连接隔板201或壳体1。相邻微通道内，各对第一肋片202沿微通道长度方向交错分布。层板上分布有若干射流孔301，各射流孔301分别正对于下方微通道层2中每对第一肋片202之间的中心点。各微通道内，在相邻射流孔301的中间正下方还分别设有各对第二肋片203，每对第二肋片203由相对间隔设置的两片肋片构成。
20.第一肋片202用于对射流孔301附近的流体进行扰动，增强射流孔301正对微通道附近位置的传热；相邻微通道内的第一肋片202交错分布，增强第一肋片202处壁面的传热，降低了由于增加肋片导致流体零速度区域的高温。第二肋片203对相邻射流孔301之间的流体进行扰动，增强射流孔中间区域的流体速度，从而增强传热。同样的，相邻微通道内的第二肋片203也交错分布。
21.本实施例的三个相邻微通道中，第一肋片202的对数分别为8、7、8，第二肋片203的对数分别为7、8、7，相对应的射流孔301数目分别为8、7、8。射流孔301的直径远小于一对第一肋片202之间的间距。其中，第一肋片202和第二肋片203的高度均为微通道高度的1/2。第二肋片203的宽度小于第一肋片202的宽度，且每对第二肋片203中两个肋片的间距小于第二肋片203的宽度。
22.射流发生层3内还设有用于对射流入口101流入的流体进行扰动的若干射流分散肋片302。射流分散肋片302的高度为射流发生层3腔体高度的1/2，并位于射流入口101的正下方，包括与微通道长度方向平行的四片第三肋片以及垂直的四片第四肋片。其中，第四肋片两两相对平行设置，第三肋片两两位于相对平行设置的两组第四肋片之间；并且，相邻的第三肋片之间的间距等于第三肋片的宽度，相邻的第四肋片之间的间距小于第四肋片的长度。由图2可看出，本实施例中，8个射流分散肋片302关于水平和垂直方向均对称。
23.该微通道热沉材料均为铜，也可为其他热传导性的较好的金属。工作时，流体从射流入口101进入，经过射流分散肋片302的扰动，使流体更均匀地进入各射流孔301形成射流。射流进入单个微通道内后，第一肋片202对射流孔301下方附近的流体进行扰动，增强射流孔301正对微通道附近位置的传热，同时，相邻微通道的第一肋片202沿微通道长度方向交错分布，增强了第一肋片202处隔板201壁面的传热，降低了由于增加肋片导致流体零速度区域的高温。第二肋片203对相邻射流孔301之间的流体进行扰动，增强相邻射流孔301中间区域流体的速度，从而增强传热。微通道内的流体向两侧移动，最终从微通道两端分别设置的微通道出口103流出。
实施例
24.本实施例结构用于引入横流，如图7所示，与实施例1相比，将一端的微通道出口103改为横流入口102，并且从横流入口102向另一端的微通道出口103方向，各微通道顶部
对应的一路射流孔301的直径逐渐减小。直径较小的射流孔301所产生射流的速度大于直径较大的射流孔301所产生射流的速度。增加横流后，微通道横流由横流入口102流入，在各微通道内与上方进入的射流混合，产生更好的传热效果。同时，由于射流孔301的变径结构导致各微通道长度方向后半部分的射流流体速度大于前半部分，故横流速度随微通道长度减小的情况得以改善，横流混合射流后，各微通道后半部分的流体仍具有较大的速度，能带走更多的热量。相比实施例1，微通道的温度分布更加均匀，减小由于壁面温度梯度过大造成的器件损坏。
25.对比例：如图6所示，与实施例1的区别仅在于，本对比例结构去除了微通道内的第二肋片203。
26.使用仿真软件对实施例1、对比例以及普通微通道结构进行建模仿真计算。如图8所示，左侧为没有射流分散肋片302的普通射流微通道的射流分布，右侧为实施例1结构中增加射流分散肋片302的射流分布。射流入口101的流体速度设置为0.5m/s，实施例1结构中大部分射流孔301均具有较大的流体速度，与射流入口101相距较远的边缘处射流孔301同样具有较大的流体速度。图中黑色部分即为流体速度较小的射流孔301，其数量远少于普通射流微通道结构，说明射流分散肋片301的增加有助于解决射流分布不均的问题，即使在射流入口范围外的射流孔301射流仍具有较大的速度，且射流发生层3范围边缘的射流孔301同样具有较好的射流效果。
27.如图9所示，仿真计算的为普通微通道和本发明的实施例1以及对比例的温度对比云图。射流速度为0.5m/s，不存在其他流动，仅验证射流孔301产生流体的导致的微通道温度变化情况。计算后的结果显示，普通微通道的最高温度为329.43k，对比例的最高温度为323.28k，实施例1的最高温度为321.82k。普通微通道的温度由射流孔301中间向周围增加，其中，射流孔附近存在部分温度较高的区域。实施例1的高温区域明显减小，最高温度存在于第一肋片202附近，射流孔301附近的温度明显低于普通微通道，且实施例1的射流孔301与第二肋片203之间的区域温度低于对比例，表明增加第二肋片302有助于减小相邻射流孔中间区域的温度。
28.参见图10，仿真计算的为普通微通道和本发明的实施例1以及对比例的速度对比云图。同样的，射流速度为0.5m/s，不存在其他流动，仅验证射流孔301产生流体的速度变化情况。普通微通道射流孔周围上下部分均存在部分速度较小甚至为0的区域。由实施例的速度云图可看出，第一肋片202对附近的流体进行扰动，使射流孔301附近的流体分布发生变化。第二肋片203对相邻射流孔301之间的流体进行扰动，相比对比例，实施例1的第二肋片203附近的速度更大，所产生的效果如图9所示，实施例1射流孔301之间具有更低的温度，微通道整体温度也得到明显下降。
29.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种射流微通道热沉，其特征在于，包括壳体（1），所述壳体（1）由层板分隔为下层的微通道层（2）和上层的射流发生层（3）；所述壳体（1）顶部中央设有射流入口（101），所述壳体（1）位于所述微通道层（2）的侧壁上设有微通道出口（103）；所述射流发生层（3）内设有用于对射流入口（101）流入的流体进行扰动的若干射流分散肋片（302）；所述微通道层（2）由垂直壳体（1）底部的隔板（201）分隔成若干条平行的微通道；各条微通道内，沿微通道长度方向均匀间隔设有若干对第一肋片（202），每对第一肋片（202）由相对间隔设置的两片肋片构成，所述两片肋片的一条竖直侧边分别连接所述隔板（201）或壳体（1）；相邻微通道内，各对第一肋片（202）沿微通道长度方向交错分布；所述层板上分布有若干射流孔（301），各射流孔（301）分别正对于下方所述微通道层（2）中每对第一肋片（202）之间的中心点；各微通道内，在相邻射流孔（301）的中间正下方还分别设有各对第二肋片（203），每对第二肋片（203）由相对间隔设置的两片肋片构成。2.根据权利要求1所述的射流微通道热沉，其特征在于，所述壳体（1）正对各微通道端部的一个侧壁上还设有横流入口（102）；从所述横流入口（102）向所述微通道出口（103）方向，各微通道顶部对应的一路射流孔（301）的直径逐渐减小。3.根据权利要求1或2所述的射流微通道热沉，其特征在于，所述射流分散肋片（302）位于所述射流入口（101）的正下方，包括与微通道长度方向平行的四片第三肋片以及垂直的四片第四肋片；所述第四肋片两两相对平行设置，所述第三肋片两两位于相对平行设置的两组所述第四肋片之间；并且，相邻的所述第三肋片之间的间距等于所述第三肋片的宽度，相邻的所述第四肋片之间的间距小于所述第四肋片的长度。4.根据权利要求1或2所述的射流微通道热沉，其特征在于，所述第二肋片（203）的宽度小于所述第一肋片（202）的宽度，且每对所述第二肋片（203）中两个肋片的间距小于第二肋片（203）的宽度。5.根据权利要求3所述的射流微通道热沉，其特征在于，所述射流分散肋片（302）的高度为所述射流发生层（3）腔体高度的1/2。6.根据权利要求4所述的射流微通道热沉，其特征在于，所述第一肋片（202）和所述第二肋片（203）的高度均为微通道高度的1/2。

技术总结
本发明公开了一种射流微通道热沉，包括壳体，壳体由层板分隔为下层的微通道层和上层的射流发生层。各条微通道中间隔设置若干对第一肋片，用于加强了壁面及射流孔附近流体的扰动。相邻第一肋片之间还设有第二肋片对，用于对相邻射流孔之间的流体进行扰动，使得第二肋片附近的流体速度更大，有助于减小相邻射流孔中间区域的温度。射流发生层内还设有用于对射流入口流入的流体进行扰动的若干射流分散肋片，解决射流分布不均的问题。此外，本发明结构还可加入横流，并通过对射流孔径分布的改进，使得横流混合射流后，微通道后半部分的流体仍具有较大的速度，能带走更多的热量，使微通道的温度分布更加均匀。的温度分布更加均匀。的温度分布更加均匀。


技术研发人员：程立文 张曦晨 薛礼瑞 罗雨中 杨达
受保护的技术使用者：扬州大学
技术研发日：2023.07.05
技术公布日：2023/10/6