CN114136129A - 一种歧管微柱阵列平板换热器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种歧管微柱阵列平板换热器，从上到下依次设置流体进出口层、歧管分流层和微柱阵列层，所述流体进出口层包括上部面和下部面，所述上部面设置的流体入口和流体出口，下部面设置流体入口流道和流体出口流道，所述流体入口与流体入口流道连通，流体出口与流体出口流道连通，流体入口流道设置在下部面的第一端部并且沿着第一方向沿着第一端延伸，流体出口流道设置在下部面的中部位置并且沿着垂直于流体入口流道方向延伸。该平板换热器可以实现微型化，将入口歧管流入流道设置为两条，这使得流体流入入口歧管的方向为两个，而后流体在入口歧管内发生撞击，这可以强化流体对微柱阵列层的冲击，提高整体散热性能。

Description

一种歧管微柱阵列平板换热器

技术领域

本发明涉及一种换热器技术，尤其涉及一种平板换热器，属于F28d15/02的热管领域。

背景技术

换热器是将冷热流体进行热量交换的设备，也称热交换器。换热器在诸多领域均被广泛应用。在如电子、石化、通信、航空航天等领域由于其工作场景较为特殊，因此对换热器的尺寸和重量有着特殊要求，且要求其换热能力更强。

1981年有学者提出利用微通道进行散热，既可以缩小换热器的体积又可以利用微通道较高的比表面积大幅提高其换热能力。然而其虽然换热能力较强，但由于微通道的水力直径较小其整体的压力损失也较高。

微通道是一种高效的热管理方案，其基本原理是流体在驱动泵的作用下流过微通道，并在流动过程中携带走电子器件所产生的热量，实现冷却效果。然而其高散热性能的代价是庞大的泵功和电能的消耗。歧管微通道由于其特殊的歧管结构不仅可以大幅降低原微通道热沉的泵功消耗，而且可进一步强化其散热性能。然而大量的研究表明歧管微通道内流体分布并不均匀，导致其温度分布并不均匀。如何进一步降低歧管微通道热沉的泵功消耗的同时强化其散热性能并改善其温度分布特性极其重要。

专利CN201811088661.9公开了一种歧管式射流微通道换热器，通过射流强化扰动提升换热，且提高的其底部的温度分布特性。专利CN202010790271.2公开了一种高深宽比的歧管式微通道换热器，提高了换热面积，且有效降低压降。但是这两个专利均未实现歧管微通道的结构优化，对解决其主要问题作用有限。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种既能降低泵功消耗，又能强化散热且实现温度均匀分布的歧管微柱阵列换热器方案。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种歧管微柱阵列平板换热器，从上到下依次设置流体进出口层、歧管分流层和微柱阵列层，所述流体进出口层包括上部面和下部面，所述上部面设置的流体入口和流体出口，下部面设置流体入口流道和流体出口流道，所述流体入口与流体入口流道连通，流体出口与流体出口流道连通，流体入口流道设置在下部面的第一端部并且沿着第一方向沿着第一端延伸，流体出口流道设置在下部面的中部位置并且沿着垂直于流体入口流道方向延伸；

歧管分流层包括设置在歧管分流层上部面的入口歧管流入流道和出口歧管流出口以及设置在歧管分流层下部面的入口歧管和出口歧管，所述入口歧管流入流道包括设置在相对的两个端部的互相平行的两条，入口歧管流入流道的延伸方向垂直于第一方向并且每个入口歧管流入流道的一个末端与流体入口流道连通；所述出口歧管流出口设置在歧管分流层上部面的中间位置并且与流体出口流道连通；入口歧管与入口歧管流入流道连通，出口歧管与出口歧管流出口连通；所述入口歧管和出口歧管间隔设置并且设置在两条入口歧管流入流道之间，入口歧管连通两条入口歧管流入流道，出口歧管与两条入口歧管流入流道不连通；

微柱阵列层包括在上部面设置的多个柱体，所述柱体之间设置流体流动的间隙流道。

作为优选，入口歧管选择沿流动方向逐渐收缩的锥形结构，出口歧管选择沿流动方向逐渐扩大的锥形结构。

作为优选，出口歧管位置处柱体的换热能力大于入口歧管位置处柱体的换热能力。

作为优选，流体入口和流体出口分别设置在相对的两端。

作为优选，流体出口流道呈锥形结构，从流体入口流道侧开始沿着延伸方向流通面积逐渐增加。

作为优选，出口歧管流出口设置多个，每个出口歧管流出口与下部面的出口歧管一一对应。

作为优选，入口歧管流入流道上下方向上贯通整个歧管分流层。

作为优选，出口歧管位置处柱体的分布密度大于入口歧管位置处的柱体的分布密度。

与现有技术相比较，本发明具有如下的优点：

1) 本发明对目前的平板换热器进行了改进，将入口歧管流入流道设置为两条，这使得流体流入入口歧管的方向为两个，而后流体在入口歧管内发生撞击，这可以强化流体对微柱阵列层的冲击，提高整体散热性能。

2）本发明通过入口歧管选择沿流动方向逐渐收缩的锥形结构，出口歧管选择沿流动方向逐渐扩大的锥形结构，这可以促使流体均匀分布同时降低整体流动阻力，因此其既可以改善底面温度分布均匀性，又可以降低泵功消耗。

3）本发明通过微柱选择变直径微柱，在出口歧管侧的微柱换热能力更好，从而强化整体换热，实现底面温度的均匀分布。

4）该平板换热器结构紧凑，内部换热面积大，可以实现结构微型化。

附图说明

图1是本发明平板换热器整体结构图；

图2是本发明平板换热器进出口层下侧结构图；

图3是本发明平板换热器歧管分流层上侧结构图；

图4是本发明微型平板换热器歧管分流层下侧结构图；

图5是本发明微型平板换热器入口歧管结构及流动示意图；

图6是本发明出口歧管结构及流动示意图；

图7是本发明微型平板换热器微柱阵列整体及局部结构图；

图8是本发明微型平板换热器整体流动示意图。

附图标记：

1流体进出口层、11流体入口、12流体入口流道、13流体出口流道、14流体出口；2歧管分流层、21入口歧管流入流道、22入口歧管、23出口歧管、24出口歧管流出口；3微柱阵列层、31微柱、32微柱间隙流道。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

图1-8公开了一种歧管微柱阵列平板换热器。如图1所示，歧管微柱阵列平板换热器，从上到下依次设置流体进出口层1、歧管分流层2和微柱阵列层3，三层结构组合形成完整的歧管微柱阵列换热器。

如图1、2所示，所述流体进出口层1包括上部面和下部面，所述上部面设置流体入口11和流体出口14，下部面设置流体入口流道12和流体出口流道13，所述流体入口11与流体入口流道12连通，流体出口14与流体出口流道13连通，流体入口流道12设置在下部面的第一端部并且沿着第一端方向，即沿着第一方向延伸，流体出口流道12设置在下部面的中部位置并且沿着垂直于流体入口流道方向（第一方向）延伸。

如图3、4所示，歧管分流层2包括设置在歧管分流层2上部面的入口歧管流入流道21和出口歧管流出口24以及设置在歧管分流层2下部面的入口歧管22和出口歧管23，所述入口歧管流入流道21包括设置在相对的两个端部的互相平行的两条入口歧管流入流道21，入口歧管流入流道21的延伸方向垂直于第一方向并且每个入口歧管流入流道21的一个末端与流体入口流道12连通；所述出口歧管流出口24设置在歧管分流层上部面的中间位置并且与流体出口流道13连通；入口歧管22与入口歧管流入流道21连通，出口歧管23与出口歧管流出口24连通；所述入口歧管22和出口歧管23间隔设置并且设置在两条入口歧管流入流道21之间，入口歧管22连通两条入口歧管流入流道，出口歧管23与两条入口歧管流入流道不连通。

如图7所示，微柱阵列层3包括在上部面设置的多个柱体31，所述柱体31之间设置流体流动的间隙流道32。

本发明的工作流程如图8如下：流体从流体入口11流入到流体入口流道12，而后流入到入口歧管流入流道21内并被分配到入口歧管22中，流体在入口歧管22由于流动方向是相对的，因此在其中间发生撞击被迫流入到微柱间隙流道32内，并在此过程中吸收微柱31传导上来的热量，实现冷却效果。流体吸热完成后，流入到出口歧管23内，并经出口歧管流出口24流出，而后汇入到流体出口流道13内，并在流体出口14流出，至此整个流动换热过程完成，流体由外部驱动泵驱动，源源不断的流入歧管微柱阵列热沉，持续不断的吸收热量，实现换热。

本发明对目前的平板换热器进行了改进，将入口歧管流入流道设置为两条，这使得流体流入入口歧管的方向为两个，而后流体在入口歧管内发生撞击，这可以强化流体对微柱阵列层的冲击，提高整体散热性能。由于入口歧管的水力直径较大，而下层微柱阵列间隙尺寸较小，加之流体的流速较大，因此更多的流体会在入口歧管内发生撞击而后转入下层微柱阵列层。

作为优选，入口歧管22选择沿流动方向逐渐收缩的锥形结构，出口歧管23选择沿流动方向逐渐扩大的锥形结构。通过如此设置，可以促使流体均匀分布同时降低整体流动阻力，因此其既可以改善底面温度分布均匀性，又可以降低泵功消耗，促进流体的流速的不断增加，进一步的撞击力度，进一步强化流体对微柱阵列层的冲击，提高整体散热性能。

作为优选，出口歧管23位置处柱体31的换热能力大于入口歧管22位置处柱体31的换热能力。通过有针对性的强化出口歧管23位置处的换热，可以进一步使得热量分布更加均匀，强化整体换热，实现底面温度的均匀分布。由于流体在入口歧管处还未与下层微柱阵列层发生剧烈的换热过程，因此此时流体温度较低，与微柱阵列层换热温差较大，换热较为剧烈，而当流体留至出口歧管处时，由于在此前的流动过程中已经吸收了一部分热量，流体温度上升，因此与下层微柱层的换热温差降低，换热能力与入口歧管处相比大幅降低，因此这会导致入口歧管处的微柱被携带走的热量多，出口歧管处微柱被携带走的热量少，这会引起热沉底面温度分配不均。而将微柱设置为变直径微柱时，入口歧管侧微柱的直径较大，导热热阻也更大。这会抑制流体吸收此处的热量，从而加强流体在出口歧管处的换热，以弥补流体温度逐渐上升带来的对换热过程的削弱。需要说明的是，进出口微柱的直径差距也不可以过大，这会使得在入口歧管处的换热较弱，出口歧管处的换热作用过于剧烈，也会引起温度的不均匀分布。因此根据我们的模拟结构，结合其实际应用，我们在本发明中提出入口歧管侧微柱与出口歧管侧微柱的直径比应在1.5~2中间较为适宜。

作为优选，流体入口11和流体出口14分别设置在相对的两端。使得流体流动更加均匀，分布面积广泛。

作为优选，如图2所示，流体出口流道13呈锥形结构，从流体入口流道12侧开始沿着延伸方向流通面积逐渐增加。流体的入口歧管沿着流动方向逐渐收缩，而出口歧管沿着流动方向流动面积逐渐增加是由于，当流体流经入口歧管时，流体更倾向于沿着歧管流动，因此大量流体在末端聚集，此处的微柱区域也被分配更多的流体，因此这会导致流体的分配不均，入口歧管选择锥形收缩结构，可以使流体在流动过程中与歧管上部的面发生碰撞，流体动量发生变化，产生向下的速度，使得流体分布更加均匀，热沉整体的温度分布也更加均匀。而出口歧管选择沿流动方向逐渐增大的锥形结构是因为流体在出口歧管的流动方向上是逐渐增多的，比如在其出口歧管的根部区域流过的流体仅仅是一部分，而在其出口区域则是汇集之后的全部流体，因此采用这种结构可以降低整体流动压降，其次可与入口歧管协同使得整体流体分布更均匀，这在模拟工作中得以证实。

作为优选，如图3所示，出口歧管流出口24设置多个，每个出口歧管流出口24与下部面的出口歧管一一对应。

作为优选，如图3所示，入口歧管流入流道上下方向上贯通整个歧管分流层。

作为优选，出口歧管位置处柱体的分布密度大于入口歧管位置处的柱体的分布密度。通过有针对性的强化出口歧管23位置处的换热，可以进一步使得热量分布更加均匀，强化整体换热，实现底面温度的均匀分布。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (8)

1.一种歧管微柱阵列平板换热器，从上到下依次设置流体进出口层、歧管分流层和微柱阵列层，所述流体进出口层包括上部面和下部面，所述上部面设置的流体入口和流体出口，下部面设置流体入口流道和流体出口流道，所述流体入口与流体入口流道连通，流体出口与流体出口流道连通，流体入口流道设置在下部面的第一端部并且沿着第一方向沿着第一端延伸，流体出口流道设置在下部面的中部位置并且沿着垂直于流体入口流道方向延伸；

歧管分流层包括设置在歧管分流层上部面的入口歧管流入流道和出口歧管流出口以及设置在歧管分流层下部面的入口歧管和出口歧管，所述入口歧管流入流道包括设置在相对的两个端部的互相平行的两条，入口歧管流入流道的延伸方向垂直于第一方向并且每个入口歧管流入流道的一个末端与流体入口流道连通；所述出口歧管流出口设置在歧管分流层上部面的中间位置并且与流体出口流道连通；入口歧管与入口歧管流入流道连通，出口歧管与出口歧管流出口连通；所述入口歧管和出口歧管间隔设置并且设置在两条入口歧管流入流道之间，入口歧管连通两条入口歧管流入流道，出口歧管与两条入口歧管流入流道不连通；

微柱阵列层包括在上部面设置的多个柱体，所述柱体之间设置流体流动的间隙流道。

2.如权利要求1所述的换热器，其特征在于，入口歧管选择沿流动方向逐渐收缩的锥形结构，出口歧管选择沿流动方向逐渐扩大的锥形结构。

3.如权利要求1所述的换热器，其特征在于，出口歧管位置处柱体的换热能力大于入口歧管位置处柱体的换热能力。

4.如权利要求3所述的换热器，其特征在于，流体入口和流体出口分别设置在相对的两端。

5.如权利要求4所述的换热器，其特征在于，流体出口流道呈锥形结构，从流体入口流道侧开始沿着延伸方向流通面积逐渐增加。

6.如权利要求1所述的换热器，其特征在于，出口歧管流出口设置多个，每个出口歧管流出口与下部面的出口歧管一一对应。

7.如权利要求1所述的换热器，其特征在于，入口歧管流入流道上下方向上贯通整个歧管分流层。

8.如权利要求1所述的换热器，其特征在于，出口歧管位置处柱体的分布密度大于入口歧管位置处的柱体的分布密度。

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