CN105679722B - 基于筒状双层分流结构微通道的换热系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于筒状双层分流结构微通道的换热系统，包括稳压高压罐、冷源装置、循环泵以及筒状双层分流结构微通道热沉；筒状双层分流结构微通道热沉包括内层分流结构微通道、外层分流结构微通道和内外层连接微通道，内层分流结构微通道配置有微通道流体入口，外层分流结构微通道配置有微通道流体出口，内层分流结构微通道通过内外层连接微通道与外层分流结构微通道相连通。本发明采用双层分流微流道结构，实现了大面积热源的小面积化细分，解决了流体的均匀分配和收集问题。同时采用微汽泡喷射过冷沸腾技术及冷源装置，在实现高效冷却散热的同时还保证了散热器件温度的均匀性，保证了柱体内高功率微小元器件工作的安全性、稳定性和可靠性。

Description

基于筒状双层分流结构微通道的换热系统

技术领域

本发明属于电子器件散热技术领域，具体涉及一种适用于筒状小空间内高热流密度条件的散热装置。

背景技术

随着高性能超级计算机运行速度和容量的快速提升以及导弹、军用雷达、激光武器等装备对大功率器件性能的要求不断提高，现代电子设备器件的集成度在持续快速增加，其局部热流密度已高达近千W/cm²,传统散热技术已无法满足散热需求。电子器件中热量的堆积将导致器件和系统温度迅速升高，严重影响电子器件的工作状态和系统的稳定性。并且，该类器件对温度均匀性也提出了新的要求，器件温度的不均匀将影响器件工作稳定性和可靠性，甚至有可能由于热应力作用而导致器件失效。

在某些极端应用条件，大量的高功率微小元器件(局部热流密度达近千W/cm²)呈环形镶嵌于柱体的内表面，只有柱体外部的狭小封闭夹层空间(即筒体)可供热控使用，并且由于使用空间限制，流体工质只能从筒体的一端进出，如图1所示。现有的研究表明，只有小面积热源的微汽泡喷射过冷沸腾的换热能力才能达到近千W/cm²。针对此大面积高热流密度散热问题，需要在微流道设计时实现大面积热源的小面积化细分，并考虑流体的均匀分配和收集问题。只有解决了此二问题，才能使得通道内发生的流动沸腾处于微汽泡喷射过冷沸腾区而不进入饱和沸腾区、膜态沸腾区，进而实现大面积高热流密度的高效冷却散热。另外，对于该柱体环形热源的冷却散热还需配置有冷源装置将产生的热量排向大气环境。

发明内容

要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是柱体内呈环状分布的大面积高热流密度热源的高效冷却散热。针对此问题，需要考虑能实现大面积热源的小面积化细分的微流道设计，并解决流体的均匀分配和收集问题，同时还需配置有冷源装置将产生的热量排向大气环境。为此，本发明提供了一种基于筒状双层分流结构微通道的换热系统，该型换热系统能实现大面积高热流密度热源的高效冷却散热并保证其温度均匀性，进而保证柱体内高功率微小元器件工作的安全性、稳定性和可靠性。

技术方案

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种基于筒状双层分流结构微通道的换热系统，其特征在于，包括稳压高压罐、冷源装置、循环泵以及筒状双层分流结构微通道热沉；所述的筒状双层分流结构微通道热沉出口与稳压高压罐入口连接，所述的稳压高压罐之后依次连接冷源装置和循环泵，所述循环泵出口与筒状双层分流结构微通道热沉入口相连，整个换热系统形成一个循环回路；所述的筒状双层分流结构微通道热沉包括内层分流结构微通道、外层分流结构微通道和内外层连接微通道，所述内层分流结构微通道配置有微通道流体入口，所述外层分流结构微通道配置有微通道流体出口，所述内层分流结构微通道通过内外层连接微通道与外层分流结构微通道相连通，所述的微通道流体出口和所述的微通道流体入口位于筒状双层分流结构微通道热沉的同一端。

所述的内层分流结构微通道由输运功能微通道与散热功能微通道组成，散热功能微通道位于环形散热面的平行对应位置，与输运功能微通道最末级直接相连；所述的输运功能微通道至少有3级微通道，所述的微通道流体入口设置在最上一级的微通道上，每级微通道都一分为二，所述的每一级微通道包括纵向通道与横向通道，上下级微通道间纵向通道长度之比为2^-1/Dv，横向通道长度之比为2^-1/Dh，通道直径之比为2^-1/Δ，其中D_v为纵向长度指数系数，取大于1且小于等于2；D_h为横向长度指数系数，取大于1且小于等于2，Δ为直径指数系数，取大于2且小于等于3。

所述的外层分流结构微通道至少有3级微通道，所述的微通道流体出口设置在最上一级的微通道上，每级微通道都一分为二，所述的每一级微通道包括纵向通道与横向通道，上下级微通道间纵向通道长度之比为2^-1/Dv，横向通道长度之比为2^-1/Dh，通道直径之比为2^-1/Δ，其中D_v为纵向长度指数系数，取大于1且小于等于2；D_h为横向长度指数系数，取大于1且小于等于2，Δ为直径指数系数，取大于2且小于等于3。

所述的内层分流结构微通道和外层分流结构微通道高度相同。

在所述的循环回路内还连接有过滤器和除垢器。

本发明一种基于筒状双层分流结构微通道的换热系统，包括筒状双层分流结构微通道、稳压高压罐、冷源装置、循环泵、过滤器、除垢器和流体工质，所述的筒状双层分流结构微通道紧密嵌于筒体中，所述的筒状双层分流结构微通道由内层分流结构微通道、外层分流结构微通道和内外层连接微通道组成，所述的内层分流结构微通道和所述的外层分流结构微通道均具有拓扑网络特征(拓扑级数为3到10级)并呈筒状分布，所述的内层分流结构微通道由输运功能微通道和散热功能微通道组成，所述的内层分流结构微通道和所述的外层分流结构微通道通过所述的内外层连接微通道贯通连接；所述的稳压高压罐用于稳定所述的筒状双层分流结构微通道的流体工作压力并使之处于高压状态，使得所述的筒状双层分流结构微通道在极端高热流密度作用下出现微汽泡喷射过冷沸腾。

由于柱体环形大面积热源局部热流密度高达近千W/cm²，需将柱体环形大面积热源的小面积化细分。又考虑到筒体只有单一流体入口，并且还需解决流体的均匀分配问题，以免出现微通道内流量分配不均而导致局部换热性能恶化。受山川湖泊、人体脉管、植物躯干、神经网络等管路系统分布(即都具有拓扑网络特征)启迪，将微通道设计成筒状的具有拓扑网络特征的微流道结构，即单层分流结构微通道，如图2所示。这样，微通道各级的管径和长度生产法则如下：

●纵向通道生成方法如下

(a).k+1级段的长度与k级段的比值为

式中，D_v为纵向长度指数系数，由式(1)可得

式中L_v,0是纵向初始通道长度。

(b).k+1级段与k级段的通道水力直径分别由d_k和d_k+1来表示,其相互间满足

式中Δ是直径指数系数。由式(3)可得

d_k＝d₀2^-k/Δ (4)

式中d₀是纵向初始通道水力直径。

●横向通道生成方法如下

(a).k+1级段的长度与k级段的比值为

式中，D_h为横向长度指数系数，由式(5)可得

式中L_h,0是横向初始通道长度。

(b).每一级通道的横向通道水力直径与纵向通道水力直径相同，采用相同生成方法。

按上述规则不断循环生成拓扑网络通道，即为分流结构微通道。

另外，由于实际使用空间限制，流体工质只能从位于筒体流体入口的同一端流出。并且，为了能使流体工质能自由循环，并考虑到流体的均匀分配和收集问题，将微通道设计成双层拓扑网络通道结构。筒体内靠近柱体热源的内层微通道即为所述的内层分流结构微通道，而外层微通道即为所述的外层分流结构微通道。

所述的内层分流结构微通道至少有3级。每级通道都一分为二，随着拓扑级数的增加，通道的个数相应倍增，实现了流体工质由点到面的输运分配到达各个末级通道，解决了流体的均匀分配问题。将这部分通道命名为输运功能微通道。由于流动减阻需要，输运功能微通道的尺度应尽量设计大些，但是我们知道，通道尺度的缩小可强化换热。因此，将所述的内层分流结构微通道的末级通道延伸，延伸出与末级通道个数一样的尺度更小的微通道，将这部分尺度更小的微通道命名为散热功能微通道(散热功能微通道通道截面面积小于末级通道，散热功能微通道的长度是柱体环形大面积热源高度的1.5倍以上)。那么，所述的内层分流结构微通道由所述的输运功能微通道和所述的散热功能微通道组成。所述的散热功能微通道的出口与所述的内外层连接微通道相连接。输运功能微通道和散热功能综合考虑的设计方案既可强化换热，同时也能最大限度地减少泵功消耗，大大提高了换热系统的热有效性(换热量/泵功)，进而达到高效换热和节能的目的。

所述的内层分流结构微通道配置有微通道流体入口，所述的内层分流结构微通道配置有微通道流体出口，所述的微通道流体入口和所述的微通道流体出口位于筒状双层分流结构微通道热沉的同一端。

所述的稳压高压罐连接于所述的微通道流体出口，用于稳定所述的筒状双层分流结构微通道的流体工作压力并使之处于高压状态，提高所述的流体工质在沸腾条件下的过冷度，使得微通道在极端高热流密度作用下出现微汽泡喷射过冷沸腾而不是饱和沸腾和膜态沸腾，进而达到高效冷却散热的目的。

所述的冷源装置为冷却塔、制冷机组等换热设备，其入口连接所述的稳压高压罐的出口，通过所述的流体工质将热源产生的热量源源不断地排到大气环境中。

所述的循环泵连接于所述的冷源装置和所述的过滤器之间，为整个换热系统内流体工质的循环提供动力。

所述的过滤器用于过滤所述的流体工质所携带的颗粒杂质，所述的除垢器用于除去所述的流体工质中所含的污垢。所述的过滤器和所述的除垢器可以保证所述的流体工质在所述的筒状双层分流结构微通道内能长期稳定工作，进而保证整套换热系统运行的可靠性。

所述的筒状双层分流结构微通道的固体材质根据工作条件、流体性质等可选择不同的材料，可选用碳素钢、低合金钢、不锈钢、铜(合金)、铝(合金)、镍(合金)等材料。所述的流体工质可为水、氨、乙醇、丙醇、丙酮、有机物、制冷剂等任意流体工质。

有益效果

本发明提出的筒状双层分流结构微通道解决了大面积热源的小面积化细分、流体的均匀分配和收集以及流体从筒体从同一端进出等问题，并且在换热系统中引入稳压高压罐来保证微通道内产生微汽泡喷射过冷沸腾，能实现环形分布大面积热源极端高热流条件下的冷却散热。另外，输运功能微通道和散热功能综合考虑的设计方案既可强化换热，同时也能最大限度地减少泵功消耗，大大提高了换热系统的热有效性(换热量/泵功)。

本发明提供的基于筒状双层分流结构微通道的换热系统可有效提高极端高热流密度条件下电子设备器件工作的安全性、稳定性和可靠性。

附图说明

图1本发明适用的筒状小空间示意图；

图2本发明所述的具有拓扑网络特征的微流道结构图；

图3本发明所述的筒状双层分流结构微通道示意图；

图4是图3的剖面图；

图5本发明所述的基于筒状双层分流结构微通道的换热系统图。

图中，1.筒状小空间；2.环形散热面；3.微通道流体入口；4.微通道流体出口；5.内层分流结构微通道；6.输运功能微通道；7.散热功能微通道；8.外层分流结构微通道；9.内外层连接微通道；10.筒状双层分流结构微通道热沉；11稳压高压罐；12冷源装置；13循环泵；14过滤器；15除垢器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1给出了本发明适用的筒状小空间示意图。筒状小空间1位于两圆柱壁面之间，呈筒状。高热流环形散热面2位于内壁面上。本发明安装于此受限筒状小空间内，对环形散热面进行散热。

图2给出了所述的具有拓扑网络特征的微流道结构图。所述的分流结构微通道至少需要3级，每级通道都一分为二，随着拓扑级数的增加，通道的个数相应倍增，实现了流体工质由点到面的输运分配到达各个末级通道，解决了流体的均匀分配问题。

图3、图4给出了所述的筒状双层分流结构微通道示意图。筒状双层分流结构微通道由内层分流结构微通道5、外层分流结构微通道8和内外层连接微通道9三部分组成。如图3所示，内层分流结构微通道5配置有微通道流体入口3，位于环形散热面2与外层分流结构微通道8之间，通过内外层连接微通道9与外层分流结构微通道8相连通。外层分流结构微通道8配置有微通道流体出口4。内层分流结构微通道5由输运功能微通道6与散热功能微通道7组成，散热功能微通道7位于环形散热面2的平行对应位置，与输运功能微通道6最末级直接相连。微通道热沉工作时，冷却工质由内层分流结构微通道5的微通道流体入口3进入，依次通过输运功能微通道6进行质量的均匀分配，进入散热功能微通道7，产生微汽泡喷射过冷沸腾，从而对环形散热面2进行散热，被加热的冷却工质经过内外层连接微通道9进入外层分流结构微通道8，最终汇集到微通道流体出口4流出微通道热沉。

图5给出了所述的基于筒状双层分流结构微通道的换热系统图。换热系统由微通道热沉10、稳压高压罐11、冷源装置12、循环泵13、过滤器14、除垢器15和冷却工质组成。如图4所示，从冷源装置12流出的冷却工质经循环泵13驱动依次流经过滤器14、除垢器15进入微通道热沉10，在微通道热沉10内冷却工质通过对流换热和流动沸腾作用将热源产生的热量带走。从微通道热沉10流出的流体经稳压高压罐11又回到冷源装置12，通过冷源装置12将热量排向环境。经过冷却换热后的流体又重新进入循环系统进行换热。

Claims (5)

1.一种基于筒状双层分流结构微通道的换热系统，其特征在于，包括稳压高压罐、冷源装置、循环泵以及筒状双层分流结构微通道热沉；所述的筒状双层分流结构微通道热沉出口与稳压高压罐入口连接，所述的稳压高压罐之后依次连接冷源装置和循环泵，所述循环泵出口与筒状双层分流结构微通道热沉入口相连，整个换热系统形成一个循环回路；所述的筒状双层分流结构微通道热沉包括内层分流结构微通道、外层分流结构微通道和内外层连接微通道，所述内层分流结构微通道配置有微通道流体入口，所述外层分流结构微通道配置有微通道流体出口，所述内层分流结构微通道通过内外层连接微通道与外层分流结构微通道相连通，所述的微通道流体出口和所述的微通道流体入口位于筒状双层分流结构微通道热沉的同一端。

2. 如权利要求1所述的基于筒状双层分流结构微通道的换热系统，其特征在于，所述的内层分流结构微通道由输运功能微通道与散热功能微通道组成，散热功能微通道位于环形散热面的平行对应位置，与输运功能微通道最末级直接相连；所述的输运功能微通道至少有 3级微通道，所述的微通道流体入口设置在最上一级的微通道上，每级微通道都一分为二，每级微通道包括纵向通道与横向通道，上下级微通道间纵向通道长度之比为2^-1/Dv ，横向通道长度之比为2^-1/Dh ，通道直径之比为2^-1/Δ，其中D _v 为纵向长度指数系数，取大于1且小于等于2；D _h 为横向长度指数系数，取大于1且小于等于2，Δ为直径指数系数，取大于2且小于等于3。

3.如权利要求2所述的基于筒状双层分流结构微通道的换热系统，其特征在于，所述的外层分流结构微通道至少有 3级微通道，所述的微通道流体出口设置在最上一级的微通道上，每级微通道都一分为二，所述的每级微通道包括纵向通道与横向通道，上下级微通道间纵向通道长度之比为2^-1/Dv ，横向通道长度之比为2^-1/Dh ，通道直径之比为2^-1/Δ，其中D _v 为纵向长度指数系数，取大于1且小于等于2；D _h 为横向长度指数系数，取大于1且小于等于2，Δ为直径指数系数，取大于2且小于等于3。

4.如权利要求3所述的基于筒状双层分流结构微通道的换热系统，其特征在于，所述的内层分流结构微通道和外层分流结构微通道高度相同。

5.如权利要求3所述的基于筒状双层分流结构微通道的换热系统，其特征在于，在所述的循环回路内还连接有过滤器和除垢器。