CN109742062A - 仿生分形板式换热器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种本发明的仿生分形板式换热器，在基板上开设有分形单元通道，若干分形单元通道关于基板的中心呈圆周阵列均布，若干条分形单元通道的出口端均与集液环槽连通，流体从流体入口进入经分形单元通道后进入集液环槽最终从流体出口流出，若干分形单元通道覆盖整个基板，流体可向换热器中的各个方向流动，流动的同时带走换热器内的热量，从而实现换热器内的均匀换热，避免局部高温，延长了电子芯片的使用寿命；在分形单元通道中采用锐角作为分叉角度，流体在经过锐角转弯时遇到的流动阻力较小，降低了流体在通道内的流动阻力；且分叉管路覆盖整个基板，较多的分叉管路提高了本发明换热器的换热效率。

Description

仿生分形板式换热器

技术领域

本发明涉及换热设备技术领域，尤其是涉及一种仿生分形板式换热器。

背景技术

在电子散热领域中，换热器是对电子芯片进行散热降温的主要设备。随着芯片制程工艺的提升，芯片集成度越来越高、单位体积功率越来越大，芯片散热需求也随之升高。由于芯片的内部设计精密，任何的局部过热区都会大大降低芯片寿命，这不仅要求换热器在同样压降下具有很强的换热能力，同时要求换热器尽可能散热均匀。

分形换热器的设计思路是在每一级中将大直径通道以一定的分支角度分为多个小直径的次级通道。由于在层流过程中通道内的换热系数反比于管径，使得小直径通道的换热系数大于大直径通道，从而在同样的换热面积和换热温差的条件下分形换热器有更高的换热量。

现有的分形换热器为一类直角分形换热器，其次级通道与上级通道呈直角形；如郑平(Y.Chen,P.Cheng,An experimental investigation on the thermal efficiencyof fractal tree-like microchannel nets,Int.J.Heat Mass Transfer 32(2005)931–938)提出的分形换热器(见附图1所示)，每级通道为一分二形式，次级通道与上级通道呈直角形。由于制冷剂流体在经过直角转弯时会遇到较大的流动阻力，因此现有的分形换热器内流体的压降较大。

一类为菱形换热器，其主次通道具有对称结构，主通道分成多级次通道后又回到主通道。如专利一种仿生分形换热器(申请号：201711046682.X)提出的换热器(见附图2)，主通道连续分成两级次通道，然后又与两级次通道相连，回到主通道，形成对称结构。造成主通道过多，换热效果不佳。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了克服现有的分形换热器换热效果不佳的问题，提供一种仿生分形板式换热器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种仿生分形板式换热器，包括基板和上盖板，所述上盖板盖设在基板上，并与基板密封配合，所述上盖板的中心位置处开设有流体入口，所述基板上开设有分形单元通道，分形单元通道的数量范围为3-20条，若干所述分形单元通道关于基板的中心呈圆周阵列均布，若干所述分形单元通道的进口端相互连通，且均与流体入口连通，所述基板上开设有集液环槽，所述集液环槽包围若干分形单元通道，若干所述分形单元通道的出口端均与集液环槽连通，所述基板上开设有流体出口，所述流体出口与集液环槽连通。

本发明的仿生分形板式换热器，在基板上开设有分形单元通道，若干分形单元通道关于基板的中心呈圆周阵列均布，若干分形单元通道在基板上放射状布置，若干条分形单元通道的出口端均与集液环槽连通，流体从流体入口进入经分形单元通道后进入集液环槽最终从流体出口流出，若干分形单元通道覆盖整个基板，流体可向换热器中的各个方向流动，流动的同时带走换热器内的热量，从而实现换热器内的均匀换热，避免局部高温，延长了电子芯片的使用寿命。

直角分形换热器，其次级通道与上级通道呈直角形，由于制冷剂流体在经过直角转弯时会遇到较大的流动阻力，因此现有的分形换热器内流体的压降较大，为了降低分形换热器内流体的压降，所述分形单元通道包括支路管，若干级支路管沿流体入口向集液环槽依次连通，若干级支路管的深度相等，宽度沿流体入口向集液环槽逐渐减小，相邻两级支路管之间的连通节点处开设有分叉管路，两条所述分叉管路关于支路管的中心轴线对称设置，所述分叉管路与宽度较小的支路管的中心轴线之间的夹角为锐角，所述分叉管路与集液环槽连通，在分形单元通道中采用锐角作为分叉角度，流体在经过锐角转弯时遇到的流动阻力较小，降低了流体在通道内的流动阻力；且分叉管路覆盖整个基板，较多的分叉管路提高了本发明换热器的换热效率。

具体的，所述支管路包括零级支管路、一级支管路和二级支管路，零级支管路、一级支管路和二级支管路沿流体入口向集液环槽依次连通，零级支管路与流体入口连通，二级支管路与集液环槽连通，零级支管路的宽度为D0、长度为L0，一级支管路的宽度为D1、长度为L1，D1＝D0β、L1＝L0γ，二级支管路的宽度为D2、长度为L2，D2＝D1β、L2＝L1γ，β为分形宽度比，当流体为层流时：β＝0.19，当流体为湍流时：β＝0.28，γ为分形长度比，1≤γ≤1.2；各级支管路的长度和宽度大小均符合分形原理，根据Murray原理：其中N＝3,i为支路级数，当通道流体为层流时，Δ＝3；当通道流体为层流时，Δ＝7/3，因此，当流体为层流时：β＝0.19，当流体为湍流时：β＝0.28。

进一步的，零级支管路和一级支管路之间的连通节点处开设有一级分叉管路，两个所述一级分叉管路关于一级支管路的中心轴线对称设置，每个一级分叉管路与一级支管路的中心轴线之间的夹角均为锐角，两个所述一级分叉管路均与集液环槽连通；一级支管路和二级支管路之间的连通节点处开设有二级分叉管路，两个所述二级分叉管路关于二级支管路的中心轴线对称设置，每个二级分叉管路与二级支管路的中心轴线之间的夹角均为锐角，两个所述二级分叉管路均与集液环槽连通。

具体的，所述基板和上盖板的形状和大小完全相同，所述基板为圆形。

具体的，为了加快换热器的换热效率，所述基板的材料为金属材料，金属材料的热传递效率较高。

本发明的有益效果是:本发明的仿生分形板式换热器，在基板上开设有分形单元通道，若干分形单元通道关于基板的中心呈圆周阵列均布，若干分形单元通道在基板上放射状布置，若干条分形单元通道的出口端均与集液环槽连通，流体从流体入口进入经分形单元通道后进入集液环槽最终从流体出口流出，若干分形单元通道覆盖整个基板，流体可向换热器中的各个方向流动，流动的同时带走换热器内的热量，从而实现换热器内的均匀换热，避免局部高温，延长了电子芯片的使用寿命；在分形单元通道中采用锐角作为分叉角度，流体在经过锐角转弯时遇到的流动阻力较小，降低了流体在通道内的流动阻力；且分叉管路覆盖整个基板，较多的分叉管路提高了本发明换热器的换热效率。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是直角分形换热器基板的俯视图；

图2是菱形换热器基板的俯视图；

图3是本发明的三维示意图；

图4是本发明实施例1中基板的三维示意图；

图5是本发明实施例1中基板的俯视图；

图6是本发明实施例1基板中分形单元通道的二维示意图；

图7是本发明实施例2中基板的俯视图。

图中：1.基板，1-1.分形单元通道，1-1-1.零级支管路，1-1-2.一级支管路，1-1-3.二级支管路，1-1-4.一级分叉管路，1-1-5.二级分叉管路，1-2.集液环槽，1-3.流体出口，2.上盖板，2-1.流体入口，D0.零级支管路的宽度，L0.零级支路管的长度，D1.一级支路管的宽度，L1.一级支路管的长度，D2.二级支路管的宽度，L2.二级支路管的长度，。

具体实施方式

现在结合附图对本发明做进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

实施例1：

如图3所示的一种仿生分形板式换热器，包括如图4所示的基板1和上盖板2，所述基板1的材料为金属材料，所述基板1和上盖板2的形状和大小完全相同，所述基板1为圆形，所述上盖板2盖设在基板1上，并与基板1通过焊接进行密封配合，所述上盖板2的中心位置处开设有流体入口2-1，所述基板1上采用激光刻蚀开设有分形单元通道1-1，6条所述分形单元通道1-1关于基板1的中心呈圆周阵列均布，如图5所示，6条所述分形单元通道1-1的进口端相互连通，且均与流体入口2-1连通，所述基板1上开设有集液环槽1-2，集液环槽1-2为圆环形，所述集液环槽1-2包围6条分形单元通道1-1，6条所述分形单元通道1-1的出口端均与集液环槽1-2连通，所述基板1上开设有流体出口1-3，所述流体出口1-3与集液环槽1-2连通。

所述分形单元通道1-1包括支路管，3级支路管沿流体入口2-1向集液环槽1-2依次连通，3级支路管的深度相等，宽度沿流体入口2-1向集液环槽1-2逐渐减小，相邻两级支路管之间的连通节点处开设有分叉管路，所述支管路包括零级支管路1-1-1、一级支管路1-1-2和二级支管路1-1-3，零级支管路1-1-1、一级支管路1-1-2和二级支管路1-1-3沿流体入口2-1向集液环槽1-2依次连通，零级支管路1-1-1与流体入口2-1连通，二级支管路1-1-3与集液环槽1-2连通，零级支管路1-1-1的宽度为D0、长度为L0，一级支管路1-1-2的宽度为D1、如图6所示，长度为L1，D1＝D0β、L1＝L0γ，二级支管路1-1-3的宽度为D2、长度为L2，D2＝D1β、L2＝L1γ，β为分形宽度比，当流体为层流时：β＝0.19，当流体为湍流时：β＝0.28，γ为分形长度比，γ＝1.1；各级支管路的长度和宽度大小均符合分形原理，根据Murray原理：其中N＝3,i为支路级数，当通道流体为层流时，Δ＝3；当通道流体为层流时，Δ＝7/3，因此，当流体为层流时：β＝0.19，当流体为湍流时：β＝0.28。

零级支管路1-1-1和一级支管路1-1-2之间的连通节点处开设有一级分叉管路1-1-4，两个所述一级分叉管路1-1-4关于一级支管路1-1-2的中心轴线对称设置，每个一级分叉管路1-1-4与一级支管路1-1-2的中心轴线之间的夹角均为锐角，本实施例给出的角度为43.3°，两个所述一级分叉管路1-1-4均与集液环槽1-2连通；一级支管路1-1-2和二级支管路1-1-3之间的连通节点处开设有二级分叉管路1-1-5，两个所述二级分叉管路1-1-5关于二级支管路1-1-3的中心轴线对称设置，每个二级分叉管路1-1-5与二级支管路1-1-3的中心轴线之间的夹角均为锐角，本实施例给出的角度为43.3°两个所述二级分叉管路1-1-5均与集液环槽1-2连通。

本发明的仿生分形板式换热器，在基板1上开设有分形单元通道1-1，若干分形单元通道1-1关于基板1的中心呈圆周阵列均布，若干分形单元通道1-1在基板1上放射状布置，若干条分形单元通道1-1的出口端均与集液环槽1-2连通，流体从流体入口2-1进入经分形单元通道1-1后进入集液环槽1-2最终从流体出口1-3流出，若干分形单元通道1-1覆盖整个基板1，流体可向换热器中的各个方向流动，流动的同时带走换热器内的热量，从而实现换热器内的均匀换热，避免局部高温，延长了电子芯片的使用寿命，在分形单元通道1-1中采用锐角作为分叉角度，流体在经过锐角转弯时遇到的流动阻力较小，降低了流体在通道内的流动阻力；且分叉管路覆盖整个基板1，较多的分叉管路提高了本发明换热器的换热效率。

实施例2：

如图7所示的实施例2与实施例1相比，区别仅在于：本实施例中的分形单元通道1-1具有10条，每个一级分叉管路1-1-4与一级支管路1-1-2的中心轴线之间的夹角均为锐角，本实施例给出的角度为30°，每个二级分叉管路1-1-5与二级支管路1-1-3的中心轴线之间的夹角均为锐角，本实施例给出的角度为30°，本实施例与实施例1相比，分形单元通道1-1的数量增多，锐角的角度减小，流体通道覆盖在基板1上的面积增大，提高了本发明换热器的换热效率；本实施例中，相邻的两条分形单元通道1-1中相邻的两条一级分叉管路1-1-4会相交，相邻两条一级分叉管路1-1-4的相交并不影响流体的流动。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (6)

1.一种仿生分形板式换热器，包括基板（1）和上盖板（2），所述上盖板（2）盖设在基板（1）上，并与基板（1）密封配合，所述上盖板（2）的中心位置处开设有流体入口（2-1），其特征在于：所述基板（1）上开设有分形单元通道（1-1），若干所述分形单元通道（1-1）关于基板（1）的中心呈圆周阵列均布，若干所述分形单元通道（1-1）的进口端相互连通，且均与流体入口（2-1）连通，所述基板（1）上开设有集液环槽（1-2），所述集液环槽（1-2）包围若干分形单元通道（1-1），若干所述分形单元通道（1-1）的出口端均与集液环槽（1-2）连通，所述基板（1）上开设有流体出口（1-3），所述流体出口（1-3）与集液环槽（1-2）连通。

2.如权利要求1所述的仿生分形板式换热器，其特征在于：所述分形单元通道（1-1）包括支路管，若干级支路管沿流体入口（2-1）向集液环槽（1-2）依次连通，若干级支路管的深度相等，宽度沿流体入口（2-1）向集液环槽（1-2）逐渐减小，相邻两级支路管之间的连通节点处开设有分叉管路，两条所述分叉管路关于支路管的中心轴线对称设置，所述分叉管路与宽度较小的支路管的中心轴线之间的夹角为锐角，所述分叉管路与集液环槽（1-2）连通。

3.如权利要求2所述的仿生分形板式换热器，其特征在于：所述支管路包括零级支管路（1-1-1）、一级支管路（1-1-2）和二级支管路（1-1-3），零级支管路（1-1-1）、一级支管路（1-1-2）和二级支管路（1-1-3）沿流体入口（2-1）向集液环槽（1-2）依次连通，零级支管路（1-1-1）与流体入口（2-1）连通，二级支管路（1-1-3）与集液环槽（1-2）连通，零级支管路（1-1-1）的宽度为D0、长度为L0，一级支管路（1-1-2）的宽度为D1、长度为L1，D1= D0β、L1= L0γ，二级支管路（1-1-3）的宽度为D2、长度为L2，D2= D1β、L2= L1γ，β为分形宽度比，当流体为层流时：β=0.19，当流体为湍流时：β=0.28，γ为分形长度比，1≤γ≤1.2。

4.如权利要求3所述的仿生分形板式换热器，其特征在于：零级支管路（1-1-1）和一级支管路（1-1-2）之间的连通节点处开设有一级分叉管路（1-1-4），两个所述一级分叉管路（1-1-4）关于一级支管路（1-1-2）的中心轴线对称设置，每个一级分叉管路（1-1-4）与一级支管路（1-1-2）的中心轴线之间的夹角均为锐角，两个所述一级分叉管路（1-1-4）均与集液环槽（1-2）连通；一级支管路（1-1-2）和二级支管路（1-1-3）之间的连通节点处开设有二级分叉管路（1-1-5），两个所述二级分叉管路（1-1-5）关于二级支管路（1-1-3）的中心轴线对称设置，每个二级分叉管路（1-1-5）与二级支管路（1-1-3）的中心轴线之间的夹角均为锐角，两个所述二级分叉管路（1-1-5）均与集液环槽（1-2）连通。

5.如权利要求1所述的仿生分形板式换热器，其特征在于：所述基板（1）和上盖板（2）的形状和大小完全相同，所述基板（1）为圆形。

6.如权利要求1所述的仿生分形板式换热器，其特征在于：所述基板（1）的材料为金属材料。