[發明專利]一種利用煙囪效應的自然散熱裝置

有效

• 申請號: 201710552076.9
• 申請日: 2017-07-07
• 公開（公告）號: CN107438349B
• 公開（公告）日: 2020-01-14
• 發明（設計）人: 何雅玲;朱月;湯松臻;王飛龍;張凱
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: H05K7/20
• 分類號: H05K7/20
• 代理公司: 61215 西安智大知識產權代理事務所
• 代理人: 張震國

一種利用煙囪效應的自然散熱裝置，所述散熱裝置由基板，設置在基板上的散熱翅片組，和設置在散熱翅片組頂端的蓋板以及后殼構成；所述散熱翅片組采用階梯結構；所述蓋板設置在散熱翅片組的頂端，其下邊緣與散熱翅片組的階梯拐角保持平齊，并與基板、散熱翅片組最外側兩根翅片在原有基礎上垂直向上延伸圍成一筒體，即形成煙囪結構。電子器件工作時產生的熱量經由熱管傳遞到鋁制平板上，鋁制平板再與所述散熱器的基板貼合，最后通過散熱翅片組和蓋板將熱量散失到環境中去。利用煙囪效應產生的自抽吸作用，增大了氣流通道內的空氣流速，增強了翅片表面的空氣對流效果，提高了散熱效率，從而達到了延長電子器件壽命，提高設備可靠性的目的。

技術領域

本發明屬于散熱技術領域，具體涉及一種適用于太陽能應用、冶金、空調、電子通訊等各行業需要強化散熱的設備中的利用煙囪效應的自然散熱裝置。

背景技術

目前散熱技術主要有自然對流散熱，強制風冷散熱，液體冷卻，熱管，微通道冷卻和熱電制冷等。其中，自然對流散熱是最經典、最方便的方法，其具有無需供給能源、性能可靠穩定、安全性高、無噪音且制造成本較低等優點，其利用設備中各個元器件的空隙以及機殼的熱傳導、熱對流和熱輻射來達到散熱目的。這種方法適用對溫度控制要求不高，器件發熱的熱流密度不大的低功耗電子器件，亦可用于由于空間狹窄或置于室外而不便安裝風機等外部動力源的場合。由于存在這些問題，在一些要求苛刻的地方，自然散熱反而成為了最合適的散熱方式。

對于自然散熱模塊，分析其從模塊內部熱源(發熱元件)到外界環境的散熱過程。可知，模塊外殼側的散熱熱阻遠大于模塊內部的接觸熱阻以及導熱、對流等環節熱阻。外殼側的散熱則包括了自然對流散熱和輻射散熱，特別是其中的自然對流熱阻極高，是制約模塊散熱能力提高的關鍵之所在。隨著自然散熱模塊功耗水平的不斷增加，如何充分降低自然散熱模塊外殼側的熱阻、增強模塊散熱能力，是降低模塊溫度水平的必然要求，也是保證自然散熱模塊正常穩定運行的前提。考慮到模塊表面情況和溫度水平限制，其輻射換熱的強化和優化空間有限，所以自然散熱模塊的強化傳熱主要是要強化其外殼側的自然對流散熱能力，因此國內外諸多學者對此進行了大量的實驗與數值模擬研究。目前應用于自然對流散熱模塊的翅片結構主要有平板翅片、間斷型翅片、丁孢翅片、梯形翅片、圓柱形翅片、蜂巢結構翅片以及開孔翅片。其中平板翅片在實際生產中最為常用，其具有加工方便，制造成本低，便于規模化生產等優點。針對豎直平板翅片而言，氣流通道由上至下，當氣流到達通道頂端時已被充分加熱，溫度較高，導致流體與散熱器基板換熱溫差變小，其散熱能力也相應地惡化。另外，從場協同原理的觀點來看(即對流傳熱強化的本質在于減小流場速度矢量和溫度梯度之間的夾角，當流場的速度矢量和溫度梯度夾角等于90°時，對流傳熱量等于零)，豎直平板翅片上部分氣流速度場與溫度梯度之間的夾角接近90°，協同性極差，因此導致自然對流散熱效果很差，降低了設備工作的可靠性。與普通翅片相比，間斷型翅片的換熱性能通常可以提高5％～18％左右；丁胞型翅片的平均努塞爾數能夠提高約68％；階梯型翅片的換熱系數可提高38％左右，并減小流阻。與未翅化基板相比，不同分布方式的圓柱形翅片的換熱系數是其1.5～2倍左右；鋁蜂巢型翅片(左)的努塞爾數是光板的4倍。

建筑物或型材的結構尺寸、布置方式，往往會形成一種自抽風現象，即“煙囪效應”。煙囪效應是基于流道內部密度的差異而產生內外壓差作用，結合流體的自身浮力作用共同決定流體的流動狀況，由于熱源的位置不同，兩種作用此消彼長。例如高層建筑，內部樓梯、電梯，空調通風流道等部位，有強烈的縱向空氣流動，在沒有空調設施的情況下也會有涼爽的感覺。煙囪效應不僅存在于高層建筑物中，只要結構設計合理都會具有該效應，這一點作用于在自然對流散熱的小型散熱裝置上，會較大程度提高散熱器的傳熱系數，改善散熱性能。

發明內容

針對上述提出的豎直平板翅片上部氣流溫度較高，流速較小以及整場協同性較差導致的對流傳熱效果惡化的技術問題，本發明提供一種利用煙囪效應的自然散熱裝置，能有效降低自然散熱條件下散熱設備中發熱元件的溫度，從而達到延長壽命，提高設備可靠性的目的。