CN110319731A - 一种高效减阻强化微通道换热器装置 - Google Patents

一种高效减阻强化微通道换热器装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种高效减阻强化换热微通道换热器装置；其包括一基板和盖板，基板阵列有多个曲面减阻单元，减阻单元由扩张腔和收缩腔组成。通过优化微通道内流体的速度矢量方向与速度梯度夹角，降低了系统压降，在消耗相同泵功相同换热量的情况下，减少了流动阻力，达到高效减阻强化换热效果。本发明通过优化微通道内部几何拓扑曲面实现微通道减阻，应用本技术方案可实现以较小的流动阻力为代价强化微通道换热性能。

Description

一种高效减阻强化微通道换热器装置
技术领域
本发明涉及换热器领域，特别是一种高效减阻强化微通道换热器装置。
背景技术
流动在传热领域具有重要的应用价值，微通道换热器具有体积小、质量轻、易封装、可用于毫米甚至微米级的高热流密度热源，因此被广泛应用于半导体、航空、电子等高科技领域。
但常规的微通道强化传热方法通常以增强流体换热为目标，在换热得到强化的同时，流体的流动阻力也大幅增加。如果在保持一定流体换热强度的前提下，尽可能减小流体的流动阻力，则可设计出性能优良高效低阻的微通道换热器。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提出一种能保持一定流体换热强度，且减小流体的流动阻力的高效减阻强化微通道换热器装置。
本发明采用如下技术方案：
一种高效减阻强化微通道换热器装置，包括换热器本体，该换热器本体设有若干微通道、进水口和出水口，若干微通道与进水口和出水口连通，其特征在于：该微通道还设有若干减阻单元，该减阻单元设有扩张腔和收缩腔，该扩展腔设有进水孔，该收缩腔设有出水孔，且扩展腔的曲率和长度分别大于收缩腔的曲率和长度，扩张腔和收缩腔的斜率乘积为负。
所述减阻单元的截面为三角形或曲率不等的半圆形或波长不等的波纹形或多段不同曲率拟合的曲面。
所述微通道内的所述减阻单元的排列方向与流体流动方向平行或垂直。
所述减阻单元位于所述微通道侧壁或底壁。
所述换热器本体设有盖板和基板，所述盖板设有所述进水口，所述基板设有所述出水口，所述微通道位于基板上。
所述减阻单元位于所述盖板或所述基板上。
所述盖板和基板的材质为金属、高分子材料或半导体。
所述微通道为采用微铣销、注塑、铸造、激光加工或刻蚀中的一种或多种加工而成。
由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明基于流体流动的场协同原理，在微通道内部控制流体沿着与速度梯度相反的方向流动，使得系统的欧拉数最小，在获得相同换热效果的同时，具有最小的流动阻力小，实现了高效换热的目的。
本发明通过在微通道内部设置不同曲率的曲面组成的减阻单元。减阻单元分别由扩张腔和收缩腔组成，扩张腔的速度梯度的绝对值大于收缩腔的速度梯度的绝对值，因此减阻单元内流体流动的总速度矢量与总速度梯度的乘积小于零，实现了降低流动阻力的目的。
附图说明
图1为本发明结构图；
图2为本发明基板结构图(实施例一)；
图3为图2的的A-A剖视图；
图4为图3的Ⅰ处放大图；
图5为本发明基板的结构图(实施例二)；
图6为图5的侧视图；
图7为图5的Ⅱ处放大图；
其中：10、盖板，20、基板，30、微通道，31、进水口，32、出水口，33、减阻单元，34、扩张腔，35、收缩腔。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。本发明的各附图仅为示意以更容易了解本发明，其具体比例可依照设计需求进行调整。文中所描述的图形中相对元件的上下关系，在本领域技术人员应能理解是指构件的相对位置而言，对应的，以元件在上一面为正面、在下一面为背面以便于理解，因此皆可以翻转而呈现相同的构件，此皆应同属本说明书所揭露的范围。
参照图1，一种高效减阻强化微通道换热器装置，包括换热器本体，该换热器本体设有盖板10和基板20，该盖板10和基板20上开设有孔，并通过螺栓进行固定。该若干微通道30位于盖板10或基板20上。且在盖板10上开设进水口31，在基板20设置出水口32，该若干微通道30均与进水口31和出水口32连通。该若干微通道30的排列方式不唯一，优选为平行排列。
本发明在微通道30内设置若干减阻单元33，其可位于微通道30的侧壁或底壁或盖板10上。减阻单元33设有扩张腔34和收缩腔35，该扩展腔设有进水孔，该收缩腔35设有出水孔，且扩展腔的曲率和长度分别大于收缩腔35的曲率和长度，扩张腔34和收缩腔35的斜率乘积为负。
该减阻单元33的截面为三角形或曲率不等的半圆形或波长不等的波纹形或多段不同曲率拟合的曲面等，即为曲率由大到小变化或者曲面斜率的绝对值由大到小变化的形状。
本发明的若干减阻单元33在微通道30内为沿着流体流动方向依次排列并连通，或者沿着垂直流体流动方向排列等，可根据需要设置。
本发明还可在减阻单元33内设有扰流微柱；该扰流微柱位于扩张腔34或收缩腔35内，且为对称分布或非对称部分。扰流微柱截面为圆柱形、菱形、矩形或三角形等任意横截面的微柱。
本发明的盖板10和基板20的材质可采用金属、高分子材料或半导体。对于微通道30和减阻单元33的加工，可采用微铣销、注塑、铸造、激光加工或刻蚀中等加工技术。
本发明的减阻单元33可适用于低雷诺数和高雷诺数的减阻流动等。
当流体流经第一个减阻单元33时，先经过曲率大的扩张腔34再经过曲率小的收缩腔35，扩张腔34的进水孔直径等于收缩腔35的出水孔直径，由于单元曲率由大变小，流体流动速度的变化也由大变小，扩张腔34的速度梯度大于收缩腔35的速度梯度。因为扩张腔34内流体速度由快到慢，因此扩张腔34的速度梯度为负，收缩腔35内流体速度由慢到快，收缩腔35的速度梯度为正。
由流体流动的场协同原理可得方程(1)
其中ΔPk是无量纲化的压力梯度(k是坐标方向，k＝x,y,z)，分别是对流体面积和体积的积分，Re是雷诺数，是速度梯度，是速度矢量，i是减阻单元的个数(i＝1…λ)，j是一个减阻单元内不同曲率的曲面个数(j＝1…n)。
当流体流经扩张腔34室时，与方向相反，夹角为180°， 流体流经曲率小的收缩腔35时，与方向相同，夹角为0°，由于扩张腔34的速度变化大于收缩腔35的速度变化，因此有流体流经第一个减阻单元时速度和速度梯度导致的压降可用公式(2)表达，
公式(2)表明流体流经第一个减阻单元时，无论该单元内有多少个扩张腔34和收缩腔35，扩张腔34的总长小于收缩腔35的总长，减阻单元内的速度和速度梯度导致的压降总是小于零的。由公式(1)可知，减阻单元的越小，单元压力损失也就越小，减阻效果越明显。
微通道30内部沿着流动方向，阵列了多个功能相似的减阻单元33，每个单元减阻效果可叠加，因此流体流经所有减阻单元33的总速度矢量和总速度梯度引起的压降仍然小于零，减小了系统的阻力。同时减阻单元33的壁面曲率变化，起到增大换热面积促进换热的作用。因此，具有上述减阻单元33的微通道30，可在强化换热效果的同时具有减小的阻力损失的特点。
应用举例一
一种高效减阻强化微通道换热器装置，如图2至图4所示，沿着液体流出方向，微通道30底部阵列有多个减阻单元33，多个减阻单元33依次连通，每个减阻单元33为沿着垂直于液体流动方向延伸。该减阻单元33沿着液体流动方向，波幅不变而波长由小到大，沿流动方向波纹曲面曲率由大到小，一个减阻单元33内由一个扩张腔34和收缩腔35构成，且扩张腔34的长度小于收缩腔35的长度。
图4中，i＝1为第一个减阻单元，j＝1为扩张腔，j＝2为收缩腔。
当流体流经扩张腔34时(曲面j＝1)，与方向相反，夹角为180°，
当流体流经收缩腔35室时，与方向相同，夹角为0°，且可知当流体流经一个减阻单元时流体速度与速度梯度导致的压降可有公式(3)给出，
由公式(3)表明当流体流经一个扩张腔34长度大于收缩腔35长度的减阻单元33时可明显降低流动阻力，越小，单元压力损失降低得越明显，减阻效果越明显。由于微通道30内部沿着流动方向，阵列了多个功能相似的减阻单元33，每个单元减阻效果可叠加，同时减阻单元33增加了壁面曲率起到增大换热面积促进换热的作用。依据流体流动的场协同原理可知通过该结构设计，使系统内流体总的速度矢量与总的速度梯度乘积小于零，该设计方法具有在相同换热效果的情况下降低压力损失的优点，解决了微通道换热器在增强换热效果同时压阻大的问题。
应用举例2
一种高效减阻强化微通道换热器装置，参见图5至图7，其与实施例1区别在于，将减阻单元33设置在微通道30的两个侧壁，沿着微通道30流动方向，设置有由三段样条曲线组成的一个曲面的减阻单元33，曲面的曲率由大到小(κj＝1>κj＝2>κj＝3)、长度由小到大变化(Lj＝1<Lj＝2+Lj＝3)，其中i＝1为第一个减阻单元，j＝1为扩张腔，j＝2,3为收缩腔，如图7所示。
当流体流经扩张腔34时(曲面j＝1)，与方向相反，夹角为180°，当流体流经收缩腔35室时，与方向相同，夹角均为0°，则且
当流体流经一个减阻单元33时流体速度与速度梯度导致的压降可由公式(4)给出，
公式(4)表明，每个第一个减阻单元33的压降为负，实现了减阻的目的，由于微通道30内部沿着流动方向，阵列了多个相同的减阻单元33，每个单元减阻效果可叠加，系统内流体总速度矢量与总速度梯度乘积小于零，依据流体流动的场协同原理可知，该设计方法具有在相同换热效果的情况下压力损失最小的优点，减阻单元33壁面曲率变化同时起到增大换热面积促进换热的作用。
上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (8)

1.一种高效减阻强化微通道换热器装置，包括换热器本体，该换热器本体设有若干微通道、进水口和出水口，若干微通道与进水口和出水口连通，其特征在于：该微通道还设有若干减阻单元，该减阻单元设有扩张腔和收缩腔，该扩展腔设有进水孔，该收缩腔设有出水孔，且扩展腔的曲率和长度分别大于收缩腔的曲率和长度，扩张腔和收缩腔的斜率乘积为负。
2.如权利要求1所述的一种高效减阻强化微通道换热器装置，其特征在于：所述减阻单元的截面为三角形或曲率不等的半圆形或波长不等的波纹形或多段不同曲率拟合的曲面。
3.如权利要求1所述的一种高效减阻强化微通道换热器装置，其特征在于：所述微通道内的所述减阻单元的排列方向与流体流动方向平行或垂直。
4.如权利要求1所述的一种高效减阻强化微通道换热器装置，其特征在于：所述减阻单元位于所述微通道侧壁或底壁。
5.如权利要求1所述的一种高效减阻强化微通道换热器装置，其特征在于：所述换热器本体设有盖板和基板，所述盖板设有所述进水口，所述基板设有所述出水口，所述微通道位于基板上。
6.如权利要求5所述的一种高效减阻强化微通道换热器装置，其特征在于：所述减阻单元位于所述盖板或所述基板上。
7.如权利要求5所述的一种高效减阻强化微通道换热器装置，其特征在于：所述盖板和基板的材质为金属、高分子材料或半导体。
8.如权利要求1所述的一种高效减阻强化微通道换热器装置，其特征在于：所述微通道为采用微铣销、注塑、铸造、激光加工或刻蚀中的一种或多种加工而成。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111059929A (zh) * 2019-11-29 2020-04-24 华北电力大学 一种新型翅片结构的微通道换热器
CN113309603A (zh) * 2021-05-14 2021-08-27 中国汽车工程研究院股份有限公司 一种快速、准确增大缩比尺寸散热器压降性能的方法
CN114783967A (zh) * 2022-03-31 2022-07-22 江苏大学 一种芯片液冷散热用硅基腔槽

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS62213688A (ja) * 1986-03-13 1987-09-19 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd プレ−トフイン熱交換器
CN104167399A (zh) * 2014-05-14 2014-11-26 北京工业大学 错位复杂微通道微型换热器
CN104752376A (zh) * 2013-12-26 2015-07-01 昭和电工株式会社 液冷式冷却装置、液冷式冷却装置用散热器及其制造方法
CN104880106A (zh) * 2015-06-12 2015-09-02 浙江大学 一种带正弦流道的微通道板式换热器
CN105870081A (zh) * 2016-04-01 2016-08-17 西安交通大学 一种波形微通道式换热器
CN106322436A (zh) * 2016-11-11 2017-01-11 厦门大学 微通道再生冷却的微型燃烧室
CN109456167A (zh) * 2018-12-20 2019-03-12 福州大学 一种使用微通道反应器由环己酮合成己二酸的方法
CN109464973A (zh) * 2018-12-19 2019-03-15 上海璨谊生物科技有限公司 微通道模块

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS62213688A (ja) * 1986-03-13 1987-09-19 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd プレ−トフイン熱交換器
CN104752376A (zh) * 2013-12-26 2015-07-01 昭和电工株式会社 液冷式冷却装置、液冷式冷却装置用散热器及其制造方法
CN104167399A (zh) * 2014-05-14 2014-11-26 北京工业大学 错位复杂微通道微型换热器
CN104880106A (zh) * 2015-06-12 2015-09-02 浙江大学 一种带正弦流道的微通道板式换热器
CN105870081A (zh) * 2016-04-01 2016-08-17 西安交通大学 一种波形微通道式换热器
CN106322436A (zh) * 2016-11-11 2017-01-11 厦门大学 微通道再生冷却的微型燃烧室
CN109464973A (zh) * 2018-12-19 2019-03-15 上海璨谊生物科技有限公司 微通道模块
CN109456167A (zh) * 2018-12-20 2019-03-12 福州大学 一种使用微通道反应器由环己酮合成己二酸的方法

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111059929A (zh) * 2019-11-29 2020-04-24 华北电力大学 一种新型翅片结构的微通道换热器
CN113309603A (zh) * 2021-05-14 2021-08-27 中国汽车工程研究院股份有限公司 一种快速、准确增大缩比尺寸散热器压降性能的方法
CN113309603B (zh) * 2021-05-14 2022-06-03 中国汽车工程研究院股份有限公司 一种快速、准确增大缩比尺寸散热器压降性能的方法
CN114783967A (zh) * 2022-03-31 2022-07-22 江苏大学 一种芯片液冷散热用硅基腔槽
WO2023184959A1 (zh) * 2022-03-31 2023-10-05 江苏大学 一种芯片液冷散热用硅基腔槽

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