CN105280583B - 一种抗变形耐压均温板 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抗变形耐压均温板，包括上盖板、下盖板以及支撑结构，上盖板和下盖板组合形成了封闭的容置空间，支撑结构位于容置空间内，支撑结构由截面尺寸服从分形布朗运动特性的成面状分布的支撑柱组成；下盖板包括导热基板、上通道入口板和下通道出口板，在上通道入口板上设置有冷凝介质输入口，在下通道出口板上设置有冷凝介质输出口，在导热基板的上表面内侧设置有上层流道，在导热基板的下表面内侧设置有下层流道，上层流道和下层流道均为分级流道网络，上层流道和下层流道通过设置在分级流道网络末级通道端部的上下垂直通道相连通。本发明均温板的抗变形耐压能力强，传热效率高，均温板下盖板表面的温度更加均匀。

Description

一种抗变形耐压均温板

技术领域

本发明涉及一种换热装置，具体涉及的是一种为提高换热性能而设计的具有随机分形特征支撑结构的抗变形耐压均温板。

背景技术

均温板是热管技术领域的一种延伸应用，其工作原理与热管类似，都是工作介质在受热面吸热蒸发，通过对流将热量带到冷凝端释放，凝结的工作介质经过内部的毛细组织重新回到受热端以达到循环利用的目的。这种利用工作介质在微小空间中的相变过程进行热量传递的方式，具有极高的导热性、优良的等温性以及环境的适应性等优点。目前，均温板的优化设计主要集中在传热效率的强化以及抗变形耐压能力的提升两个方面。然而，现有的均温板或是牺牲其传热效率，或是忽略其抗变形耐压的能力，使得均温板结构强度和传热效能无法实现最大化的结合。

随着电子技术的不断发展，半导体电子器件的高频、高速以及集成电路的密集和小型化，使得电子器件的功率快速增大。传统的一些均温板已经不能够满足电子器件稳定工作的需要，尤其在航天航空和微电子领域中涉及剧烈振动的场合，因此迫切需要对现有的均温板进行优化设计，以达到在强化传热效率的同时，进一步提高均温板抗变形耐压能力的目的。

发明内容

技术问题

为解决现有均温板结构设计上存在的抗变形耐压能力不佳，均温板的结构强度和传热效能无法实现最大化结合的问题，本发明提供了一种内部支撑柱按照分形布朗运动特性布置的均温板，实现了均温板的高效换热和抗变形耐压。

技术方案

为解决均上述技术问题，本发明采用的技术方案是:

一种抗变形耐压均温板，包括上盖板、下盖板以及支撑结构，所述上盖板和下盖板组合形成了封闭的容置空间，所述支撑结构位于所述容置空间内，其特征在于：所述支撑结构由截面尺寸服从分形布朗运动特性的成面状分布的支撑柱组成；所述下盖板包括导热基板、上通道入口板和下通道出口板，在所述上通道入口板上设置有冷凝介质输入口，在所述下通道出口板上设置有冷凝介质输出口，在所述导热基板的上表面内侧设置有上层流道，在所述导热基板的下表面内侧设置有下层流道，所述上层流道与所述冷凝介质输入口连通，所述下层流道与所述冷凝介质输出口连通，所述上层流道和下层流道均为分级流道网络，所述分级流道网络以平面方式所述导热基板的中心向四周铺展开来，流道网络至少含有四级流道，所述上层流道和下层流道通过设置在所述分级流道网络末级通道端部的上下垂直通道相连通。

所述分级流道网络每级流道为分叉数N＝2的Y型分级流道网络。

在所述上盖板内表面设置有由一层亲水性的金属氧化物薄膜形成的毛细结构；在所述下盖板内表面设置有由一层立体网状结构的疏水性纳米材料形成的毛细结构。

所述分级流道网络上下级流道之间的分叉角α取60°到180°之间的实数，上下级流道的水力直径之比为N^-1/Δ，其中直径维数Δ取大于7/3小于等于3的实数，上下级流道的长度之比为N^-1/d，其中长度维数d取大于1小于等于2的实数。

所述支撑柱包括位于所述容置空间中心均匀布置的四根主支撑柱以及所述主支撑柱周围分布着的辅助支撑柱，所述辅助支撑柱的截面中心与所述主支撑柱的截面中心在正方形平面内呈均匀分布，所述辅助支撑柱的截面尺寸满足分形布朗运动的随机分形特性，其中位于前一级正方形中心的下一级辅助支撑柱的截面尺寸为4个顶点处所述辅助支撑柱截面尺寸的均值与满足正态分布N(0,σ₁ ²)的一个随机数之和；位于前一级正方形边界中点的下一级辅助支撑柱的截面尺寸为2个端点处所述辅助支撑柱截面尺寸的均值与满足正态分布N(0,σ₂ ²)的一个随机数之和；方差σ₁ ²与σ₂ ²之比其中分形布朗运动的Hurst指数H可以取0到1之间的实数。

与上盖板接触的毛细结构是通过化学气相沉积法沉积在该板内表面的一层金属氧化物薄膜，其表面水接触角只有10°左右，极大地改善了上盖板内表面的亲水性，从而强化了其吸水能力，使得热量能够及时通过相变传热被带走，防止上盖板因热应力过大而损坏；与下盖板接触的毛细结构是通过溶胶-凝胶法形成的一层立体网状结构的纳米材料，这种材料的表面水接触角最高可达到160°，具有超强的疏水性，有助于工作介质的及时回流，提高了均温板的传热效率。

支撑柱按照主-辅分层布置，在容置空间的中间位置均匀布置4根主支撑柱，利于均温板整体的受力均匀，在主支撑柱的周围另外布置一些辅助支撑柱，这些支撑柱的尺寸服从分形布朗运动的统计特性，这样布置不仅能够在为工作介质提供足够流动空间的前提下充分强化均温板的结构强度；而且在容置空间内形成一种随机分形流道，使得发生相变的工作介质能够迅速地由点到面进行扩散，一方面增大了传热的比面积，提高了传热效率；另一方面也使得均温板表面的温度更加均匀，大大提高了均温板的寿命。

上下层流道均采用Y型的分级流道网络，分级流道网络以平面方式向四周同时铺展开来，流道网络至少含有四级，具体的级数根据实际情况来确定，每级流道的分叉数N＝2，上下级流道之间的分叉角取60°到180°之间的实数，分级流道网络中的工作介质由上通道入口板和下通道出口板进出，上层流道和下层流道通过流道末端呈阵列布置的上下垂直通道相连通。分级流道网络的上下级流道的水力直径之比为N^-1/Δ，其中Δ为直径维数，现有的研究表明，对于管道内流动来说，当Δ取7/3到3之间的实数时，流动阻力较小；上下级流道的长度之比为N^-1/d，其中d为长度维数，根据前人的研究成果可知，长度维数d取大于1小于等于2时，分级流道网络的尺寸达到最佳比例关系。

分级流道网络，通过级数的增加，不断缩小流道的尺度，使得传热系数大幅提高；分级流道网络以平面方式向四周同时铺展布置，且通过呈阵列布置的上下垂直通道形成相互连通的上下两层流道，充分利用了有限的空间，增大了换热面积，实现了热量由点到面的扩散，不仅能提高流动换热的效率，有效地降低流动压力损失，而且使得均温板下盖板表面的温度更加均匀。

有益效果

本发明涉及一种具有随机分形特征支撑结构的抗变形耐压均温板。该抗变形耐压均温板充分利用了容置空间来布置具有分形布朗运动特性的支撑柱，使得容置空间内形成一种随机分形流道，在不影响工作介质流通性的基础上，增强了均温板的抗变形耐压能力，一方面增大了传热的比面积，提高了传热效率；另一方面也使得均温板表面的温度更加均匀，大大提高了均温板的寿命；下盖板内部的分级流道网络，实现了热量由点到面的扩散，增大了换热面积，不仅能提高流动换热的效率，有效地降低流动压力损失，而且使得均温板下盖板表面的温度更加均匀。

附图说明

图1抗变形耐压均温板的结构示意图；

图2随机分形支撑柱的布局示意图；

图3下盖板的结构示意图；

图4下盖板内部的流道结构示意图；

图5分级流道网络的结构示意图；

图6为图5的A部放大示意图。

图中，1.上盖板；2.下盖板；3.亲水性材料；4.支撑结构；5.疏水性纳米材料；6.主支撑柱；7.辅助支撑柱；8.高效导热基板；9.上通道入口板；10.下通道出口板；11.冷凝介质输入口；12.冷凝介质输出口；13.上下流道接口；14.Y型分级流道；15.上下垂直通道。

具体实施方式

结合附图对本发明作进一步描述：

本发明提出的抗变形耐压均温板的结构如图1所示，抗变形耐压均温板主要包括上盖板1、下盖板2以及支撑结构4，上盖板1和下盖板2组成了封闭的容置空间，紧贴着容置空间有一层毛细结构。与上盖板1接触的毛细结构是通过化学气相沉积法沉积在该板内表面的一层金属氧化物薄膜，其表面水接触角只有10°左右，极大地改善了其表面的亲水性，从而强化了其吸水能力，使得热量能够及时通过相变传热被带走，防止因热应力过大而损坏；与下盖板2接触的毛细结构是通过溶胶-凝胶法在下盖板内表面形成的一层立体网状结构的纳米材料，这种材料的表面水接触角最高可达到160°，具有超强的疏水性，有助于工作介质的及时回流，提高了均温板的传热效率。

在容置空间内设置有支撑上盖板1和下盖板2的支撑柱，其具体布局如图2所示。在容置空间中心均匀布置4根主支撑柱6，利于均温板整体的受力均匀，再在主支撑柱6的周围另外布置一些辅助支撑柱7，辅助支撑柱的截面中心与主支撑柱的截面中心在正方形平面内呈均匀分布，并且辅助支撑柱的截面尺寸满足分形布朗运动的随机分形特性，其中位于前一级正方形中心的下一级辅助支撑柱的截面尺寸为4个顶点处辅助支撑柱截面尺寸的均值与满足正态分布N(0,σ₁ ²)的一个随机数之和；位于前一级正方形边界中点的下一级辅助支撑柱的截面尺寸为2个端点处辅助支撑柱截面尺寸的均值与满足正态分布N(0,σ₂ ²)的一个随机数之和；方差σ₁ ²与σ₂ ²之比其中分形布朗运动的Hurst指数H可以取0到1之间的实数。这样布置不仅能够在为工作介质提供足够流动空间的前提下充分强化均温板的结构强度，而且在容置空间内形成一种随机分形流道，使得发生相变的工作介质能够迅速地由点到面进行扩散，一方面增大了传热的比面积，提高了传热效率；另一方面也使得均温板表面的温度更加均匀，大大提高了均温板的寿命。

下盖板的结构如图3所示，包括高效导热基板以及结构相同的上通道入口板9和下通道出口板10，在高效导热基板8的上表面内侧设置有上层流道，在基板的下表面内侧设置有下层流道，上层流道和下层流道通过流道末端呈阵列布置的上下垂直通道相连通。下盖板内部的流道结构如图4所示，冷凝介质由上通道入口板的冷凝介质输入口进入，经过上下流道接口到达上层流道，接着在上层流道的末端通过呈阵列分布的上下垂直通道进入下层流道，最后再通过上下流道接口从下通道出口板的冷凝介质输出口流出。

上下层流道均采用Y型的分级流道网络，如图5所示(图5中16，17，…，20分别表示第0级，第1级，…第5级流道)。分级流道网络以平面方式向四周同时铺展开来，流道网络至少含有4级，每级流道的分叉数N＝2，上下级流道之间的分叉角α＝90°。为了得到最优的流动换热效果，分级流道网络中的各级水力直径与流道长度按照一定的比例生成，其中上下级流道的水力直径之比为N^-1/Δ，其中直径维数Δ取7/3到3之间的实数；上下级流道长度之比为N^-1/d，而且长度维数d取大于1小于等于2的实数时时，分级流道网络的尺寸达到最佳比例关系。

Claims (4)

1.一种抗变形耐压均温板，包括上盖板、下盖板以及支撑结构，所述上盖板和下盖板组合形成了封闭的容置空间，所述支撑结构位于所述容置空间内，其特征在于：所述支撑结构由截面尺寸服从分形布朗运动特性的成面状分布的支撑柱组成；所述下盖板包括导热基板、上通道入口板和下通道出口板，在所述上通道入口板上设置有冷凝介质输入口，在所述下通道出口板上设置有冷凝介质输出口，在所述导热基板的上表面内侧设置有上层流道，在所述导热基板的下表面内侧设置有下层流道，所述上层流道与所述冷凝介质输入口连通，所述下层流道与所述冷凝介质输出口连通，所述上层流道和下层流道均为分级流道网络，所述分级流道网络以平面方式沿所述导热基板的中心向四周铺展开来，流道网络至少含有四级流道，所述上层流道和下层流道通过设置在所述分级流道网络末级通道端部的上下垂直通道相连通；所述支撑柱包括位于所述容置空间中心均匀布置的四根主支撑柱以及在所述主支撑柱周围分布着的辅助支撑柱，所述辅助支撑柱的截面中心与所述主支撑柱的截面中心在正方形平面内呈均匀分布，所述辅助支撑柱的截面尺寸满足分形布朗运动的随机分形特性，其中位于前一级正方形中心的下一级辅助支撑柱的截面尺寸为4个顶点处所述辅助支撑柱截面尺寸的均值与满足正态分布N(0,σ₁ ²)的一个随机数之和；位于前一级正方形边界中点的下一级辅助支撑柱的截面尺寸为2个端点处所述辅助支撑柱截面尺寸的均值与满足正态分布N(0,σ₂ ²)的一个随机数之和；方差σ₁ ²与σ₂ ²之比其中分形布朗运动的Hurst指数H取0到1之间的实数。

2.根据权利要求1所述的抗变形耐压均温板，其特征在于：所述分级流道网络每级流道为分叉数N＝2的Y型分级流道网络。

3.根据权利要求2所述的抗变形耐压均温板，其特征在于：在所述上盖板内表面设置有由一层亲水性的金属氧化物薄膜形成的毛细结构；在所述下盖板内表面设置有由一层立体网状结构的超强疏水性纳米材料形成的毛细结构。

4.根据权利要求3所述的抗变形耐压均温板，其特征在于：所述分级流道网络上下级流道之间的分叉角α取60°到180°之间的实数，上下级流道的水力直径之比为N^-1/Δ，其中直径维数Δ取大于7/3小于等于3的实数，上下级流道的长度之比为N^-1/d，其中长度维数d取大于1小于等于2的实数。