CN106061199B - 一种流动沸腾微小型换热器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种流动沸腾微小型换热器，包括换热器壳体、设置在换热器壳体内的换热结构通道以及设置在换热结构通道两端的入口通道和出口通道，其特征在于：所述入口通道由冷凝介质输入口、蓄流池和入口分流通道组成，所述蓄流池连接在所述冷凝介质输入口与入口分流通道之间，所述出口通道由冷凝介质输出口和出口分流通道组成，在所述换热结构通道内设置有微肋柱群和支撑柱，所述微肋柱群由截面尺寸服从分形布朗运动特性的呈面状分布且高度满足正态分布的微肋柱组成，所述支撑柱呈阵列分布在所述微肋柱群的中央。本发明流动沸腾微小型换热器的传热效率高，流动阻力损失小，换热器表面的温度更加均匀，工作稳定且使用寿命长。

Description

一种流动沸腾微小型换热器
技术领域
本发明涉及一种换热装置，具体涉及的是一种为强化高热流换热性能而设计的具有随机分形特征的多孔结构的流动沸腾换热器。
背景技术
随着微电子技术的不断发展，各种电子器件均向小型化集成化以及高频高速的方向发展，电子器件的热流密度急剧增大，使得电子设备的稳定性和使用寿命面临极大的挑战，严重制约了微电子技术应用领域的进一步发展。因此，优化电子元器件散热装置的传热性能，及时有效地降低电子元器件的温度，从而使得电子元器件能够稳定安全地工作，已经成为微电子设备制造领域亟需解决的难题。
流动沸腾换热技术由于具有换热强度高、传热温差小等特性，已经成为目前微电子设备散热强化领域的重要技术。目前，流动沸腾换热器的优化设计主要集中在提高换热面积，增加工质的扰动以及增加气化核心等方面。然而，现有的这些流动沸腾换热器虽然能够在一定程度上提高换热效率，但是同时也带来了一些其他的问题，如换热器的体积变大、冷凝介质的阻力损失增大等，从而导致制造成本增大。
发明内容
为解决现有流动沸腾换热器设计上存在的不足，以及经济效益和传热效能无法实现最大化结合的问题，本发明提供了一种换热效率高易于小型化、微型化的流动沸腾换热器。
为解决流动沸腾换热器设计上存在的上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种流动沸腾微小型换热器，包括换热器壳体、设置在换热器壳体内的换热结构通道以及设置在换热结构通道两端的入口通道和出口通道，其特征在于：所述入口通道由冷凝介质输入口、蓄流池和入口分流通道组成，所述蓄流池连接在所述冷凝介质输入口与入口分流通道之间，所述出口通道由冷凝介质输出口和出口分流通道组成，在所述换热结构通道内设置有微肋柱群和支撑柱，所述微肋柱群由截面尺寸服从分形布朗运动特性的呈面状分布且高度满足正态分布的微肋柱组成，所述支撑柱呈阵列分布在所述微肋柱群的中央。
支撑柱均匀分布在受限空间的中间位置，有利于流动沸腾换热器整体的受力均匀，在支撑柱周围另外布置着微肋柱群，微肋柱群中所有微肋柱的截面尺寸均服从分形布朗运动的统计特性，在受限空间内形成一种随机分形流道，使得发生相变的冷凝介质能够迅速地将热源散发的热量由点到面进行扩散，传热效率高且流动阻力损失小；而且换热器表面的温度也更加均匀，大大提高了换热器的寿命。此外，这些微肋柱的高度满足正态分布的特性，在受限空间内形成了高低起伏之势，一方面增加了冷凝介质流动沸腾换热过程中的气化核心，另一方面也起到了毛细泵的作用，促进了所述的受限空间内冷凝介质的扰流，进一步强化了沸腾换热的效率。
入口通道由冷凝介质输入口、蓄流池和分流通道组成，冷凝介质由输入口进入蓄流池，再经过入口分流通道均匀地进入沸腾换热结构区域，有效地防止了流动沸腾换热器出现局部过热。
所述换热器壳体包括上盖板以及导热基板，所述换热结构通道设置在一沸腾换热器主体上，该沸腾换热器主体位于所述上盖板与导热基板之间，所述上盖板和导热基板组合形成了封闭的受限空间。
在所述导热基板的内表面有一层立体网状结构的疏水性纳米材料，水在所述疏水性纳米材料的表面的接触角为95°～160°。疏水性强，既能增加沸腾的气化核心，同时不会给冷凝介质造成很大的阻力损失。
所述微肋柱群的截面尺寸服从分形布朗运动的统计特性，其中位于前一级正方形中心的下一级微肋柱的截面尺寸为4个顶点处所述微肋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微肋柱的截面尺寸为2个端点处所述微肋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Hu取0到1之间的实数，σ1和σ2均为1到2之间的实数，每一级微肋柱的高度hfin为在区间[0h]之间满足正态分布N(h/2,σh 2)的一个随机数，σh为高度方差，大小取[0 1]之间的实数，换热器壳体的高度H为0.1mm～3mm之间。
沸腾换热结构设计为满足分形布朗运动特性的随机性分形结构，不仅充分利用了分形结构的高比表面积和弥散效应，有效地将热源散发的热量及时地由点及面分散开来，强化了沸腾换热的效率，而且沸腾换热结构的分形特性使得冷凝介质流动过程中的阻力损失有所降低，降低了运行成本，从而实现了流动沸腾换热器的高效换热和经济运行。
有益效果
本发明涉及一种具有随机分形特征换热结构的流动沸腾微小型换热器。该流动沸腾微小型换热器利用截面尺寸具有分形布朗运动特性的微肋柱，在受限空间内形成一种随机分形流道，不仅改善了传热性能，降低了冷凝介质的流动阻力损失，同时也使得换热器表面的温度更加均匀。而且，这些微肋柱的高度满足正态分布的特性，在受限空间内形成高低起伏之势，一方面增加了冷凝介质流动沸腾换热过程中的气化核心，另一方面也起到了毛细泵的作用，促进了受限空间内冷凝介质的扰流，进一步强化了沸腾换热的效率。
附图说明
图1流动沸腾微小型换热器的结构示意图；
图2流动沸腾微小型换热器的主视图；
图3沸腾换热器主体的结构示意图；
图4沸腾换热结构的布置示意图；
图中，1.沸腾换热器主体；2.上盖板；3.导热基板；4.入口通道；5.沸腾换热结构；6.出口通道；7.输入口；8.分流通道；9.蓄流池；10.输出口；11.微肋柱群；12.支撑柱。
具体实施方式
结合附图对本发明作进一步描述：
本发明提出的流动沸腾微小型换热器的结构如图1所示，流动沸腾微小型换热器主要包括上盖板2、导热基板3以及沸腾换热器主体1，上盖板2和导热基板3组合形成了封闭的受限空间。导热基板的内表面通过溶胶-凝胶法形成一层立体网状结构的纳米材料，这种材料的表面水接触角在95°～160°之间，疏水性极强，既能够增加沸腾过程中的气化核心，同时又不会给冷凝介质造成很大的阻力损失。
图2为流动沸腾微小型换热器的主视图，为了适应电子设备微小型化的发展趋势，流动沸腾换热器的高度H被设计为0.1mm～3mm之间。
受限空间内布置着沸腾换热器主体1，其具体布局如图3所示。沸腾换热器主体1包括入口通道4、沸腾换热结构5以及出口通道6。入口通道4由冷凝介质输入口7、蓄流池9和分流通道8组成，出口通道6由冷凝介质输出口10和分流通道8组成。在流动沸腾换热器运行时，冷凝介质首先由入口进入蓄流池，再经过分流通道均匀地进入沸腾换热结构区域，其后，被加热的冷凝介质又通过出口通道的分流通道充分汇合后由出口处离开，有效地防止了流动沸腾换热器出现局部过热。
沸腾换热结构的布置示意图如图4所示，包括微肋柱群11和支撑柱12。4根支撑柱12呈矩形阵列均匀分布在受限空间的中间，有利于流动沸腾换热器整体的受力均匀，在支撑柱12周围另外布置着微肋柱群11，微肋柱的截面尺寸服从分形布朗运动的统计特性，位于前一级正方形中心的下一级微肋柱的截面尺寸为4个顶点处微肋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微肋柱的截面尺寸为2个端点处微肋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Hu可以取0到1之间的实数，σ1和σ2均为1到2之间的实数。而且，每一级微肋柱的高度hfin为在区间[0h]满足正态分布N(h/2,σh 2)的一个随机数(σh为高度方差，大小取[0 1]之间的实数)，换热器壳体的高度H为0.1mm～3mm之间。沸腾换热结构的这种布置方式不仅在受限空间内形成一种随机分形流道，使得发生相变的冷凝介质能够迅速地将热源散发的热量由点到面进行扩散，传热效率高且流动阻力损失小，换热器表面的温度也更加均匀，大大提高了换热器的寿命。而且，由于微肋柱群的高度满足正态分布的特性，在受限空间内形成了高低起伏之势，一方面增加了冷凝介质流动沸腾换热过程中的气化核心，另一方面也起到了毛细泵的作用，促进了受限空间内冷凝介质的扰流，进一步强化了沸腾换热的效率。

Claims (5)

1.一种流动沸腾微小型换热器，包括换热器壳体、设置在换热器壳体内的换热结构通道以及设置在换热结构通道两端的入口通道和出口通道，其特征在于：所述入口通道由冷凝介质输入口、蓄流池和入口分流通道组成，所述蓄流池连接在所述冷凝介质输入口与入口分流通道之间，所述出口通道由冷凝介质输出口和出口分流通道组成，在所述换热结构通道内设置有微肋柱群和支撑柱，所述微肋柱群由截面尺寸服从分形布朗运动特性的呈面状分布且高度满足正态分布的微肋柱组成，所述支撑柱呈阵列分布在所述微肋柱群的中央。
2.根据权利要求1所述的流动沸腾微小型换热器，其特征在于：所述换热器壳体包括上盖板以及导热基板，所述换热结构通道设置在一沸腾换热器主体上，该沸腾换热器主体位于所述上盖板与导热基板之间，所述上盖板和导热基板组合形成了封闭的受限空间。
3.根据权利要求2所述的流动沸腾微小型换热器，其特征在于：在所述导热基板的内表面有一层立体网状结构的疏水性纳米材料，水在所述疏水性纳米材料的表面的接触角为95°～160°。
4.根据权利要求1、2或3所述的流动沸腾微小型换热器，其特征在于：所述微肋柱群的截面尺寸服从分形布朗运动的统计特性，其中位于前一级正方形中心的下一级微肋柱的截面尺寸为4个顶点处所述微肋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微肋柱的截面尺寸为2个端点处所述微肋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Hu取0到1之间的实数，σ1和σ2均为1到2之间的实数，每一级微肋柱的高度hfin为在区间[0h]之间满足正态分布N(h/2,σh 2)的一个随机数，σh为高度方差，大小取[0, 1]之间的实数，h为沸腾换热器主体的厚度。
5.根据权利要求4所述的流动沸腾微小型换热器，其特征在于：换热器壳体的高度H为0.1mm～3mm之间。
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