一种面向非均匀热源的双层微通道散热结构

1.本发明涉及电子设备散热技术领域，具体而言，尤其涉及一种面向非均匀热源的双层微通道散热结构。


背景技术：

2.微通道散热理念由tukerman和pease于1981年提出，它具有结构简单、紧凑、单位体积散热能力高等优点。但也存在压降大、泵功耗过高、沿通道温度分布不均匀等缺点。于是，vafai和zhu提出双层微通道的理念，以降低压降，提高换热效率，同时改善温度均匀性。目前，科研人员设计的的双层微通道多为上下层通道结构完全相同的串、并联通道。这种通道结构对于热流密度不均匀的电子设备，不仅不能提高温度均匀性，而且有可能降低温度均匀性，甚至加速器件性能恶化。影响温度分布均匀性的主要因素是流动均匀性，通过通道设计实现散热结构内流动的重新组织，可以改善局部通道内的流体流动，提高散热结构温度分布均匀性，同时提高热效率。
3.微小通道冷却技术是通过增加固体和冷却工质的接触面积，使得微小通道具备高效散热性能；射流冷却技术是以高速射流流体法向冲击传热表面，在驻点附近形成很薄的速度和温度边界层，以及高速射流产生的高湍流强度以获得较大的换热效率，对高热流密度热源的局部高温热点具有显著的冷却效果。微小通道射流冷却技术则融合了冲击射流冷却和微小通道冷却两种高性能的散热技术，一方面借助高速射流在驻点区域附近形成的较大局部传热效率，另一方面借助微小通道阵列射流，使得被冷却表面温度比较均匀，避免了应用单纯微小通道热沉沿所出现的沿流体流动方向温度分布不均及由此造成的热应力问题。
4.此外，旋流冲击射流冷却是实现传热系数高且局部换热均匀的一种有效冷却方式，旋流具有的切向加速度加速了射流的扩散及其对周围流体的夹带。另外，旋流的加入还进一步增强了射流湍流强度，从而提升了换热均匀性。
5.为此，本专利提出了一种面向非均匀热源的双层微通道散热结构，结合旋流冲击射流及微通道的优点，以改善非均匀热源的散热结构温度均匀性。


技术实现要素：

6.为改善非均匀热源的散热结构的温度均匀性，本发明提出一种结合旋流冲击射流与微通道的面向非均匀热源的双层微通道散热结构。
7.本发明提供的一种面向非均匀热源的双层微通道散热结构，包括射流层1和叶脉型微通道层2，射流层为空心腔体结构，其顶部中心开设有冷却液入口4，底部开设有非均匀布置的射流孔5，与叶脉型微通道层2贯通，形成射流孔阵列；叶脉型微通道层2设于射流层1的底部。
8.本发明提供的一种面向非均匀热源的双层微通道散热结构，所述叶脉型微通道层2为板状，内设若干条微通道流道6，且流道中布置有扰流柱8；射流层1底部的射流孔5对应
着叶脉型微通道层2的流道6。
9.本发明提供的一种面向非均匀热源的双层微通道散热结构，所述射流层2底部非均匀布置的射流孔5非传统单一圆孔，而是一种类螺纹孔结构，使从分流室7来的冷却液形成旋流冲击射流。
10.本发明提供的一种面向非均匀热源的双层微通道散热结构，该散热结构工作时，冷却液分别从叶脉型微通道层入口3和射流层入口4流入，其中从叶脉型微通道层入口3流入的冷却液经流道6后直接从该层出口9流出；从射流层入口4流入的冷却液经过分流室7分流，进入射流孔阵列形成旋流冲击射流流体进去叶脉型微通道层2的若干微通道流道6中，最后从微通道层出口9流出。
11.进一步限定地具体技术方案如下：
12.(1)所述叶脉型微通道层2的微通道流道6、扰流柱8的结构和尺寸和射流孔5的位置与热源热流密度的特征相关。基于热源热流密度的大小与分布，通过优化算法，设计该散热结构的结构和尺寸。
13.(2)所述射流层2底部非均匀布置的射流孔5的外径大小及位置与热源的分布特征相关，其位置应与热源分布位置相对应。
14.(3)通过解决非均匀阵列射流耦合、多热源约束下三维非均匀小通道拓扑构建、以及散热结构与电子设备之间热特性匹配问题，破解电子设备散热面临的温升、温度不均匀及局部热点问题。
15.(4)所述射流层1和叶脉型微通道层2的材料均为铜。
16.本发明的有益技术效果体现在以下方面：
17.本发明克服了现有双层微通道散热结构温度不均匀的缺陷。可以根据热源热流密度布置通道结构，提升温度均匀性；其次，通过射流流体可以产生绕流作用，强化高热流密度对应的散热结构处的传热效率，强化传热效果，而且本发明中射流孔并非传统的单一圆孔，为类螺纹孔结构的喷嘴，形成旋流冲击射流，旋流具有的切向加速度加速射流的扩散及其对周围流体的夹带，并加强射流的湍流强度；再次，上下层通道相连，使得流体流动路径增多，扰流区域增多，提升系统总体散热效果；最后，在叶脉型微通道层2中的流道6中增加了扰流柱8，增大了该处的对流换热系数，提高传热效率，从而提升整体结构的散热效果。
附图说明
18.图1是本发明所述的一种面向非均匀热源的双层微通道散热结构示意图；
19.图2是射流层结构示意图；
20.图3是射流层的射流孔阵列示意图；
21.图4是射流孔5的结构示意图；
22.图5是叶脉型微通道层结构示意图；
23.附图标记说明：：1、射流层，2、叶脉型微通道层，3、微通道层冷却液入口，4、射流层入口，5、射流孔，6、微通道流道，7、分流室，8、扰流柱，9、冷却液出口。
具体实施方式
24.下面结合附图对本发明做进一步详细的说明：
25.参见图1，一种面向非均匀热源的双层微通道散热结构包括射流层1和叶脉型微通道层2。射流层1为空心的腔体结构，其顶部中心开设有冷却液入口4，底部开设有非均匀布置的射流孔5，形成射流孔阵列，射流层的空心腔体为分流室7；叶脉型微通道层固定设于射流层1的底部。
26.参见图4，射流层1底部非均匀设置射流孔5内壁为具有一定螺旋角的类螺纹孔结构。
27.参见图5，叶脉型微通道层2为内设若干条微通道流道6，射流层1底部的射流孔5分别对应着不同的微通道流道6；且图示微通道流道结构仅为示例，其倾斜角度和数目与热源密度的特称相关，可基于热源热流密度的大小和分布，通过优化算法，设计与热源情况相匹配的微通道流道6及扰流柱8的结构与尺寸。
28.射流层1和叶脉型微通道层2的材料均为铜。
29.散热器工作时，冷却液自入口3和4流入，经过射流孔分流，进入射流孔阵列形成喷射状流体进入叶脉型微通道层2的若干条微通道流道6中，最后在微通道层的出口流出。
30.本发明针对现有双层微通道散热结构温度不均匀的缺陷，根据热源热流密度布置通道结构，提升温度均匀性；其次，通过射流流体可以产生绕流作用，强化高热流密度对应的散热结构处的传热效率，强化传热效果，另外通过射流孔的类螺纹孔结构使射流形成旋流冲击射流，加速射流的扩散，增加射流湍流强度，进一步强化传热效果；再次，上下层通道相连，使得流体流动路径增多，扰流区域增多，提升系统总体散热效果；最后，在叶脉型微通道层2中的流道6中增加了扰流柱8，增大了该处的对流换热系数，提高传热效率，从而提升整体结构的散热效果。


技术特征：
1.这种面向非均匀热源的双层微通道散热结构，其特征在于包括射流层(1)和叶脉型微通道层(2)；射流层(1)为空心的腔体结构，其顶部中心设有冷却液入口(4)，底部设有非均匀布置的射流孔(5)，与叶脉型微通道层(2)贯通，形成射流孔阵列，射流层(2)的空心腔体为分流室(7)；叶脉型微通道层(2)固定设于射流层(1)的底部；其特征在于：所述叶脉型微通道层(2)为板状，内设若干条微通道流道(6)，且流道中布置有扰流柱(8)；射流层(1)底部的射流孔(5)对应着叶脉型微通道层(2)的流道(6)。2.根据权利要求1所述的一种面向非均匀热源的双层微通道散热结构，其特征在于，所述射流层(1)与叶脉型微通道层(2)通过射流孔(5)相贯通；散热结构的射流层(1)和叶脉型微通道层(2)共用一个流体出口。3.根据权利要求1所述的一种面向非均匀热源的双层微通道散热结构，其特征在于，该散热结构工作时，冷却液分别从叶脉型微通道层入口(3)和射流层入口(4)流入，其中从叶脉型微通道层入口(3)流入的冷却液经流道(6)后直接从该层出口(9)流出；从射流层入口(4)流入的冷却液经过分流室(7)分流，进入射流孔阵列形成喷射状流体进去叶脉型微通道层(2)的若干微通道流道(6)中，最后从微通道层出口(9)流出。4.根据权利要求1所述的一种面向非均匀热源的双层微通道散热结构，其特征在于，所述射流层(1)底部的射流孔(5)为一种垂直轴向射流与旋流的复杂叠加行旋流冲击射流新型喷嘴，即类螺纹孔结构的喷嘴，且具有一定的螺旋角度。5.根据权利要求1所述的一种面向非均匀热源的双层微通道散热结构，其特征在于，所述射流孔(5)的结构不限于类螺纹孔结构，也包括内部插入导叶轮、扭转带等旋流冲击射流结构。6.根据权利要求1所述的一种面向非均匀热源的双层微通道散热结构，其特征在于，所述射流层(1)中的射流孔(5)的外径大小及位置与热源的分布特征相关，其位置应与热源的分布位置相对应。7.根据权利要求1所述的一种面向非均匀热源的双层微通道散热结构，其特征在于，所述叶脉型微通道层(2)中的微通道流道数、倾斜角度及扰流柱的数目和位置与热源热流密度大小相关；可基于热源热流密度的大小及分布，通过优化算法，设计流道及扰流柱结构。8.根据权利要求1所述的一种面向非均匀热源的双层微通道散热结构，其特征在于，所述射流层(1)和叶脉型微通道层(2)的材料均为铜。

技术总结
本发明公开了一种面向非均匀热源的双层微通道散热结构，属于电子设备散热技术领域。包括射流层和叶脉型微通道层；叶脉型微通道层设于射流层的底部；叶脉型微通道层为板状，其顶面设若干条微通道，且微通道中设有扰流柱；射流层为空心腔体结构，其底部设有非均匀布置的射流孔，且为类螺旋旋流喷嘴，与叶脉型微通道相互对应；工作时，冷却液分别从射流层入口和微通道层入口流入，经过分流等进入叶脉型微通道流道，最后从微通道层出口流出。本发明射流孔阵列及扰流柱可根据热源分布及其热流密度布置，可提高散热器传热效率，并提升温度均匀性，克服现有双层微通道散热结构温度不均匀的缺陷。的缺陷。的缺陷。


技术研发人员：郝晓红 孙帅政 姜山 王洋涛 任广 刘艳
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：2022.07.12
技术公布日：2022/11/22