CN113446883B - 一种基于弹性湍流的双流体回路错排波型微通道散热器 - Google Patents

一种基于弹性湍流的双流体回路错排波型微通道散热器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于弹性湍流的双流体回路错排波型微通道散热器，包括外围基体，外围基体的内部空间分为三层，从上至下依次为第三层空间、第二层空间和第一层空间，所述第三层空间为液体冷却通道，第二层空间和第一层空间设置有一体化的内部基体，内部基体上布置有若干平行设置的波形微通道，且相邻波形微通道的波峰与波谷错排设置，所述波形微通道的波峰位于第二层空间，且波形微通道通过波峰与液体冷却通道连通，所述波形微通道的波谷位于第一层空间，相邻波形微通道的波峰之间以及波谷之间形成微肋，所述内部基体与液体冷却通道之间设置有纳米多孔薄膜。本发明具有占地面积小、低功耗、散热能力大的优点，可用于满足超过热流密度的散热需求。

Description

一种基于弹性湍流的双流体回路错排波型微通道散热器
技术领域
本发明涉及微小空间内的冷却散热领域，适用于超高热流密度散热技术，特别涉及一种基于弹性湍流的双流体回路错排波型微通道散热器。
背景技术
随着科学技术的发展，在能源、化工和电子等领域有越来越多的设备和零部件需要高效热管理。例如电子器件性能在日新月异提升的同时，发热量也越来越大，保证电子器件安全稳定工作的高效热管理仍然面临着严峻的技术挑战。近十年来，空调机组、激光器、电动汽车电池组件、大功率LED、5G设备等产品随着功率密度的逐步上升，开始受到高温带来的不利影响，亟需高效换热冷却来提高产品性能。因此，对高热流密度热源开展强化换热研究愈发重要。
微通道冷却技术由于其较强的换热能力、紧凑性、换热均匀性等优势而成为研究热点。一个微通道蒸发器的典型结构为：在一块基板上机加工或刻蚀出一条或多条并行的微槽道，再在基板顶部加上盖板形成密封，热源在基板底部加热，工质在微槽道内流动并吸收热量。由于其直接利用工质汽化吸热，且结构尺寸小，因此具有对换热系数高、热阻小、结构紧凑、工质充装量小等优点，特别适合用于高热流密度的电子器件的散热。因此，微通道蒸发器将会是下一代电子冷却系统的一种合理选择。
目前，微通道单相流冷却技术己经在市场上得到应用，但微通道单相流会引起器件表面温度梯度，造成局部温度偏高，产生较大的热应力。而基于相变传热机理的微通道流动沸腾冷却技术，可减小温度分布的不均匀性并可进一步降低换热热阻。另外微通道流动沸腾冷却系统的平均质量流量小于微通道单相流循环系统，这可大大降低驱动系统的功率要求。然而，由于微通道两相流动的复杂性，导致微通道中的流动沸腾仍然存在许多未解决的问题，例如较大的流动沸腾不稳定性、压降过高、临界热流密度难以进一步提高等。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于弹性湍流的双流体回路错排波型微通道散热器，以克服现有技术存在的缺陷，本发明从高效热管理技术的实际应用角度出发，提出抑制微通道流动沸腾不稳定性、降低压降、提高换热系数和临界热流密度的方法，开发了适用于不同重力水平下的高效相变微通道散热技术。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于弹性湍流的双流体回路错排波型微通道散热器，包括外围基体，所述外围基体的内部空间分为三层，从上至下依次为第三层空间、第二层空间和第一层空间，所述第三层空间为液体冷却通道，第二层空间和第一层空间设置有一体化的内部基体，内部基体上布置有若干平行设置的波形微通道，且相邻波形微通道的波峰与波谷错排设置，所述波形微通道的波峰位于第二层空间，且波形微通道通过波峰与液体冷却通道连通，所述波形微通道的波谷位于第一层空间，相邻波形微通道的波峰之间以及波谷之间形成微肋，所述内部基体与液体冷却通道之间设置有纳米多孔薄膜。
进一步地，所述微肋的表面设置有多孔结构。
进一步地，所述波形微通道中换热工质采用黏弹性表面活性剂。
进一步地，所述外围基体的尺寸为l1×w1×h1，长度l1为25mm，宽度w1为10～15mm，高度h1为6～10mm，所述外围基体的壁厚δ1为0.5mm。
进一步地，所述内部基体的尺寸为l2×w2×h2，长度l2与外围基体长度l1相同，l2＝l1＝25mm，宽度w2＝w1-2×δ1，高度h2为4～7mm。
进一步地，所述波形微通道的宽度w3为0.1～0.3mm，相邻的波形微通道的波峰和波谷之间的垂直距离以及波形微通道的波谷和内部基体底面之前的垂直距离均为δ2＝0.1～0.3mm，则波型微通道的高度h3＝(h2-2×δ2)/2。
进一步地，所述波型微通道包括m段水平方向的第一微通道以及m-1段倾斜方向的第二微通道，第一微通道的长度为l3，且第一微通道和第二微通道之间倾斜角度为θ，π/2<θ<π，则波型微通道的总长l3′＝m×l3+(m-1)×h3/sin(π-θ)。
进一步地，所述微肋的宽度大于波型微通道的宽度，所述微肋的宽度w3′＝(1.5～2)×w3。
进一步地，所述纳米多孔薄膜是一层尺寸为l4×w4×h4的长方形薄膜，其中长度l4为25mm，宽度w4＝w2，高度h4为50nm～100nm。
进一步地，所述纳米多孔薄膜上均匀加工有若干纳米级微孔，所述纳米级微孔直径d为10nm～50nm，相邻纳米级微孔的中心间距s为20nm～100nm。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明设计了一种双流体回路的错排波型微通道散热器，散热器外围是一个壳体——外围基体，散热器顶部与外围基体之间的间隙作为单相液体的液体冷却通道，而散热器主体主要分为上下两层，上下层两层为两相沸腾微通道，每一条微通道呈波型，即波形微通道，错排相邻波形微通道之间上下布置排列。冷却液体和换热工质逆流进行换热，换热产生的气泡在波形微通道中成核并生长时，气泡沿通道的长度方向迅速长大，气液界面迅速膨胀，通过两相沸腾波型微通道，可以使波形微通道分段与最上层的液体冷却通道换热进行冷却从而控制流型，同时在第二层空间和第三层空间之间放置一层高导热率的纳米多孔薄膜，强化气液分离，避免微通道内气液界面的迅速膨胀，从而有效抑制流动沸腾不稳定性，延缓干烧，避免了干涸现象，提高了临界热流密度，降低了散热器壳体的温度，本发明具有占地面积小、低功耗、散热能力大的优点，可用于满足超过热流密度的散热需求。
进一步地，散热器中的换热工质采用黏弹性表面活性剂流体，以替代传统的工作流体，通过相互错排的波型微通道上下震荡激发流体的弹性不稳定性，可以在较低雷诺数的条件下形成湍流，从而提高对流传热系数、降低流动阻力。
进一步地，在微肋表面制备多孔结构，增加了气化核心密度，当工质在受热发生相变时，表面活性剂流体的低表面张力与困在多孔微肋的微/纳米凹坑和空腔中的空气耦合，可促进沸腾成核并克服沸腾起始过冲问题。
进一步地，散热器主体部分采用错排的两相沸腾波型微通道，可以使两相流分段与冷却流体进行换热，从而控制两相流流型，抑制了流动的不稳定性，同样也适用与不同的重力水平的条件。
进一步地，本发明通过设置尺寸，可以在有限空间内实现高热流密度的快速散热，有效解决热流密度超过1000W/cm2的散热需求。
附图说明
图1-1为本发明的二维结构示意图，剖面图(a)和剖面图(b)；
图1-2为本发明的三维结构示意图；
图2-1为本发明外围基体的三维图；
图2-2为本发明外围基体的主视图；
图3-1为本发明错排的波型微通道散热器的三维图；
图3-2为本发明错排的波型微通道散热器的主视图；
图3-3为本发明错排的波型微通道散热器的左视图，其中(a)为剖面图A-A，(b)为剖面图B-B；
图3-4为本发明错排波型微通道散热器的俯视图；
图4-1为本发明纳米多孔薄膜的三维图；
图4-2为本发明纳米多孔薄膜的俯视图。
其中，1、外围基体；2、液体冷却通道；3、纳米多孔薄膜；4、波型微通道；5、微肋；6、多孔结构。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
参照附图，一种双流体回路的错排波型微通道散热器，如图1-1、1-2所示，包括外围基体1，液体冷却通道2，纳米多孔薄膜3，内部基体(设置有错排的波型微通道4)，微肋5和波形微通道内表面(即微肋外表面)的多孔结构6。本发明从高效热管理技术的实际应用角度出发，提出抑制微通道流动沸腾不稳定性、降低压降、提高换热系数和临界热流密度方法，开发适用于不同重力水平下的高效相变微通道散热技术。这种双流回路的错排波型微通道散热装置主要由外围基体1、错排的波型微通道4和纳米多孔薄膜3组成。整个错排波型微通道散热装置分为三层，第一、二层是其核心部分——错排交叉的波型微通道4，波型微通道4与外围基体1之间的间隙形成第三层的液体冷却通道2，第二层通道与第三层通道之间布置一层纳米多孔薄膜3。换热工质采用黏弹性表面活性剂流体替代传统的工作流体，交叉的波型通道有利于激发流体的弹性不稳定性，形成湍流。错排的波型微通道4中的换热工质受热发生相变，通过波型微通道4，使波型微通道4内的两相流分段与液体冷却通道2进行换热冷却，从而有效控制流型，第二、三层之间的纳米多孔薄膜3可以实现气液分离，避免微通道内气液界面的迅速膨胀，抑制流动不稳定性。第一层微通道中的换热工质蒸发以后，进入第二层微通道(第一层微通道指的是波型微通道4位于第一层空间的波谷，第二层微通道指的是波型微通道4位于第二层空间的波峰)，一部分蒸汽被第三层微通道中的冷流体冷凝为液态，另一部分未被冷却的蒸汽则通过纳米多孔薄膜3进入第三层液体冷却通道2，随之被冷凝沿着第三层微通道流出。另一方面，波型微通道4表面烧结有多孔结构6，在两相流换热区域，表面活性剂流体的低表面张力与困在多孔微肋5的微/纳米凹坑和空腔中的空气耦合，提供更多的成核位置，可促进沸腾成核，克服沸腾起始过冲问题，并且可以降低壁面温度，提高临界热流密度。
如图2-1、2-2所示，外围基体1的长度为l1(25mm)，宽度为w1(10～15mm)，宽度为h1(6～10mm)，基体的壁厚δ1为0.5mm。
如图3-1、3-2、3-3、3-4所示，内部基体的长度为l2(25mm)，宽度为w2(w1-2×δ1)，高度为h2(4～7mm)。第一层加工有n条波型微通道4，则第二层加工n+1条波型微通道4，形成上下平行的多条错排的波型微通道4。每条波型微通道4的宽度为w3(0.1～0.3mm)，上下波型微通道4错排布置，为防止错排相邻的波型微通道4之间相互交叉重叠产生混流，所以微肋5的宽度为w3′((1.5～2)×w3)。第一层微通道与外围基体1的间距和第一、二层微通道之间的间距均为δ2(0.1～0.3mm)，所以波型微通道4和微肋5的高度为h3(0.5×(h2-2×δ2))。每一条波型微通道4呈波型，所以每条波型微通道4有m段水平方向的第一微通道，每一段的长度为l3(3～5mm)，m-1段倾斜方向的第二微通道，第二微通道的倾斜角度均为θ(π/2<θ<π)，所以每一条波型微通道4的总长为l3′(m×l3+(m-1)×h3/sin(π-θ))。波型微通道4内部和微肋5表面烧结有多孔结构6，有利于促进气泡成核，提高临界热流密度。
如图4-1、4-2所示，纳米多孔薄膜3厚度为1mm，在l4(25mm)×w4(13.5mm)的薄板上加工纳米级的微孔，微孔直径d4为10nm～50nm，相邻微孔的中心间距s为20nm～100nm。
下面结合实施过程对本发明做详细描述：
本发明包括错排的波型微通道4、纳米多孔薄膜3和外围基体1，外围基体1和错排的波型微通道4的材料采用铜，整个外围基体1的内部分为三层，最上层(第三层)为单相液体冷却通道2，下面两层(第一/二层)则为错排的波型微通道4，通过微铣削技术加工形成，两层波形微通道4上下错排布置，相邻波形微通道4之间互不交叉，每一层的相邻波形微通道4中间的微肋5通过烧结或者喷涂技术在其表面形成多孔结构6。上层通道中的冷却液体和下面错排的波型微通道4中的换热工质通过逆流进行换热，在它们之间放置一层高导热率的纳米多孔薄膜3，有效实现气液分离。用户提供热源，波型微通道4和热源界面接触进行散热。当波型微通道4中的换热工质受热蒸发后，一方面，通过波型微通道4，可以使两相流型分段与上层中的冷却流体换热，从而实现分段控制流型；另一方面，未被冷却的蒸汽可以通过纳米多孔薄膜3进入上层液体冷却通道2，蒸汽被冷凝后的随着上层冷却流体流出。错排的波型微通道4可适用于不同重力水平下的高效相变微通道散热技术，经过烧结后的微肋5提供了大量的微/纳米空穴，提高了沸腾换热系数，错排交错的波型微通道4布置可以实现流型的控制，有效的抑制微通道流动沸腾的不稳定性，延缓干烧，提高临界热流密度。
具体原理如下：本发明基于相变传热机理的微通道流动沸腾冷却技术，减小了温度分布的不均匀性并进一步降低换热热阻，开发出了一种双流体回路错排波型微通道散热装置。新设计的错排的波型微通道4封装在一个外围基体1内部，波形微通道4顶部与外围基体1间的间隙形成另一条冷却液体通道2，在第二层微通道与第三层通道之间放置一层纳米多孔薄膜3，另外，在微肋5表面烧结一层多孔结构6，用以提供成核位点。底部热源提供热量，以黏弹性表面活性剂流体替代传统换热工质，当流体通过具有波型结构的微通道时，可以有效激发流体的弹性不稳定性，在较低的雷诺数条件下形成湍流，从而提高对流换热系数、降低流动阻力。在第一、二层微通道中流动进行换热，当流体流经第一层微通道时受热蒸发，高温流体和蒸汽再经过第二层微通道与液体冷却通道2中的冷流体进行换热冷凝冷却，部分未被凝结的蒸汽则通过纳米多孔薄膜3进入液体冷却通道2，凝结后随之流出。一方面，交错的波型微通道4和纳米多孔薄膜3的布置，极大地减少了微通道的气泡，实现了分段控制流动形态，降低了流动的不稳定性，抑制了气泡积聚所引起的局部干涸现象，提高了临界热流密度。另一方面，微肋5表面烧结形成的多孔结构6，使得具有低表面张力的表面活性剂流体可以耦合困在多孔微肋中微/纳米凹坑和空腔中空气，促进了气泡成核并且克服了沸腾起始过冲问题。
外围基体1和错排的波型微通道4材料拟采用铜，通过微铣削技术加工多条错排且平行的波型微通道4，通过烧结技术在微肋表面形成多孔结构6，购买高热导率的纳米多孔薄膜3(多孔阳极氧化铝膜或者石墨烯纳米薄膜)，纳米多孔薄膜3的厚度、孔径、材料等工艺参数依据实验条件进行选择，最终将外围基体1、错排的波型微通道4和纳米多孔薄膜3一体化烧结完成双流体回路的错排波型微通道散热装置。
综上，本发明具备以下优势：
(1)本发明使用一种新的基于黏弹性表面活性剂的流体，以替代传统的工作流体。通过具有上下结构的波型微通道，激发流体的弹性不稳定性，在低雷诺数的条件下形成湍流，从而提高对流传热系数、降低流动阻力。
(2)基于分段控制流型的原理，设计了双流体回路错排波型微通道，通过两相沸腾波型微通道，可以使两相流分段与液体冷却通道进行换热从而控制流型，降低流动沸腾的不稳定性。
(3)本发明错排波型微通道的微肋表面烧结有多孔结构，在两相传热区，表面活性剂流体的低表面张力与困在多孔微肋的微/纳米凹坑和空腔中的空气耦合，可促进沸腾成核并克服沸腾起始过冲问题。
(4)本发明在第二层微通道和第三层冷却通道之间布置一层高导热率的纳米多孔薄膜，强化气液分离，避免微通道内气液界面的迅速膨胀，延缓干烧，提高了临界热流密度，降低散热器壳体温度。

Claims (9)

1.一种基于弹性湍流的双流体回路错排波型微通道散热器，其特征在于，包括外围基体（1），所述外围基体（1）的内部空间分为三层，从上至下依次为第三层空间、第二层空间和第一层空间，所述第三层空间为液体冷却通道（2），第二层空间和第一层空间设置有一体化的内部基体，内部基体上布置有若干平行设置的波形微通道（4），且相邻波形微通道（4）的波峰与波谷错排设置，所述波形微通道（4）中换热工质采用黏弹性表面活性剂，所述波形微通道（4）的波峰位于第二层空间，且波形微通道（4）通过波峰与液体冷却通道（2）连通，所述波形微通道（4）的波谷位于第一层空间，相邻波形微通道（4）的波峰之间以及波谷之间形成微肋（5），所述内部基体与液体冷却通道（2）之间设置有纳米多孔薄膜（3）。
2.根据权利要求1所述的一种基于弹性湍流的双流体回路错排波型微通道散热器，其特征在于，所述微肋（5）的表面设置有多孔结构（6）。
3.根据权利要求1所述的一种基于弹性湍流的双流体回路错排波型微通道散热器，其特征在于，所述外围基体（1）的尺寸为l 1×w 1×h 1，长度l 1为25mm，宽度w 1为10~15mm，高度h 1为6~10mm，所述外围基体（1）的壁厚δ 1为0.5mm。
4.根据权利要求3所述的一种基于弹性湍流的双流体回路错排波型微通道散热器，其特征在于，所述内部基体的尺寸为l 2×w 2×h 2，长度l 2与外围基体（1）长度l 1相同，l 2=l 1=25mm，宽度w 2=w 1-2×δ1，高度h 2为4~7mm。
5.根据权利要求4所述的一种基于弹性湍流的双流体回路错排波型微通道散热器，其特征在于，所述波形微通道（4）的宽度w 3为0.1~0.3mm，相邻的波形微通道（4）的波峰和波谷之间的垂直距离以及波形微通道（4）的波谷和内部基体底面之前的垂直距离均为δ 2=0.1~0.3mm，波型微通道（4）的高度h 3=(h 2-2×δ 2)/2。
6.根据权利要求5所述的一种基于弹性湍流的双流体回路错排波型微通道散热器，其特征在于，所述波型微通道（4）包括m段水平方向的第一微通道以及m-1段倾斜方向的第二微通道，第一微通道的长度为l 3，且第一微通道和第二微通道之间倾斜角度为θ，π/2<θ<π，波型微通道（4）的总长l 3′=m×l 3+(m-1)×h 3/sin(π-θ)。
7.根据权利要求5所述的一种基于弹性湍流的双流体回路错排波型微通道散热器，其特征在于，所述微肋（5）的宽度大于波型微通道（4）的宽度，所述微肋（5）的宽度w 3′=(1.5~2)×w 3。
8.根据权利要求5所述的一种基于弹性湍流的双流体回路错排波型微通道散热器，其特征在于，所述纳米多孔薄膜（3）是一层尺寸为l 4×w 4×h 4的长方形薄膜，其中长度l 4为25mm，宽度w 4=w 2，高度h 4为50nm~100nm。
9.根据权利要求8所述的一种基于弹性湍流的双流体回路错排波型微通道散热器，其特征在于，所述纳米多孔薄膜（3）上均匀加工有若干纳米级微孔，所述纳米级微孔直径d为10nm~50nm，相邻纳米级微孔的中心间距s为20nm~100nm。
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