CN115682796A - 一种3d打印多孔介质冷板及其制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种3D打印多孔介质冷板,入口歧管和出口歧管中设置贯通歧管分流层的孔,从而形成入口流道和出口流道;多孔介质流道层包括位于上侧的多孔介质,多孔介质与入口流道和出口流道连接;所述多孔介质是采用3D打印技术,从而使得多孔介质为变孔隙结构,在流体入口处孔径大于流体出口处孔径。本发明旨在提供一种3D打印多孔介质冷板,对多孔结构进行详细研究及优化,可保证流体的均匀分布,提高换热效率,进一步增大换热面积和提高温度均匀性方面。
Description
技术领域
本发明涉及一种冷板技术,尤其涉及一种多孔介质冷板。
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。
微通道换热器是一种稳定、可靠、高效的热交换器,但在对微通道进行设计的同时也要考虑加工工艺,有时会受到诸多限制,例如流道结构复杂,导致难以加工;微通道总面积不变情况下,翅片越厚间距越大,热交换面积越小,冷板散热能力越低,为增大换热面积,将翅片厚度设计的过小且排布密集,难以加工并增大了流动阻力,不利于系统的流量分配。此类优化设计是通过改变流道形式及减小翅片体积,达到强化换热的目的,由于流道的散热区域受限,如何进一步增大换热面积并提高温度均匀性从而强化其散热性能极其重要。
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CN202010760271.2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。专利2021104191686公开了一种歧管式金刚石微通道换热器,满足高热密度散热。专利CN201910136170.5公开了一种微通道冷板的制作方法,提出在部分或全部微通道间壁母板上增加与微通道对应的开孔结构,该开孔结构可在微通道内流体进行沸腾换热时使气泡渗透到其他微通道中,从而改善微通道冷板的温度均匀性,抑制流动的不稳定性。专利CN202022767986.9公开了一种基于多孔硅微通道的微通道散热器,实现同时增大传热效率与降低管内压降,具有较好的换热性能。但是这两个专利并未对多孔结构进行详细研究及优化,在进一步增大换热面积和提高温度均匀性方面具有局限性。
针对上述缺陷,本发明对目前的冷板进行了改进,提供一种可3D打印多孔介质微通道冷板。对多孔结构进行详细研究及优化,可保证流体的均匀分布,提高换热效率,进一步增大换热面积和提高温度均匀性方面。
发明内容
本发明旨在提供一种3D打印多孔介质冷板。对多孔结构进行详细研究及优化,可保证流体的均匀分布,提高换热效率,进一步增大换热面积和提高温度均匀性方面。
为了实现上述目的,本发明的技术方案如下:
一种3D打印多孔介质冷板,包括从上到下依次设置的流体进出口层、歧管分流层和多孔介质流道层,流体进出口层包括设置在上侧两端的流体入口和流体出口,歧管分流层包括上侧设置的入口歧管流道、出口歧管流道、入口歧管、出口歧管、入口流道和出口流道,其中入口歧管流道的首端、出口歧管流道尾端分别连接流体进出口层的流体入口和流体出口,入口歧管流道、出口歧管流道分别与入口歧管、出口歧管连接,歧管分流层包括多个弯折的板状结构,所述板状结构一侧形成入口歧管,另一侧形成出口歧管,所述入口歧管和出口歧管不直接连通;入口歧管和出口歧管中设置贯通歧管分流层的孔,从而形成入口流道和出口流道;多孔介质流道层包括位于上侧的多孔介质,多孔介质与入口流道和出口流道连接;所述多孔介质是采用3D打印技术,从而使得多孔介质为变孔隙结构,在入口流道流体入口处孔径大于出口流道流体出口处孔径。
作为优选,沿着入口歧管流道内流体的流动方向,多孔介质的孔隙分布密度逐渐增加。
作为优选,沿着入口歧管流道内流体的流动方向,多孔介质的孔隙分布密度逐渐增加的幅度不断变大。
作为优选,所述多孔介质的孔隙分布密度按照如下规律进行变化:
入口歧管流道的总长度为L,入口歧管流道末端(最下游)的密度是M末,距离入口歧管流道入口的距离为l位置的密度M规律如下:M=b*M末+c*M末*(l/L)a,其中a、b、c是系数,满足如下要求:
1.082<a<1.105,0.994<b+c<1.012,0.498<b<0.629。
作为优选,随着l/L增加,a逐渐增加。
作为优选,0.095<a<1.100,b+c=1,0.565<b<0.578。
作为优选,所述多孔介质是采用3D打印技术进行制造。
作为优选,入口歧管流道、出入口歧管流道设计为锥形结构,沿着入口歧管流道内流体的流动方向,流动通道面积越来越小,沿着出口歧管流道内流体的流动方向,流动通道面积越来越大。
作为优选,弯折的板状结构是V形结构或者梯形结构。
与现有技术相比较,本发明具有如下的优点:
1) 本发明对毛细结构采用3D打印的技术,使其实现变孔隙结构,在流体入口处孔径大于流体出口处孔径,提高了工作效率,使其孔径变化更加准确。
2)本发明对毛细结构采用3D打印的技术,使其实现变孔隙密度沿着流体流动进行渐变化分布,改善了加工工艺,能够通过计算机准确实现规律性变化。相对于现有的制备工艺,加工结果更加准确,通过计算机程序实现准确的结构幅度变化,大大提高了加工的精度,从而提高了换热效率。
3)本发明通过流体入口处孔径大于流体出口处孔径,冷却工质在不同孔径处对流换热能力不同,从而改善了冷板整体的均温性及对流换热能力。
4)本发明通过孔隙密度沿着流体流动进行渐变化分布,使得流体在整个换热面上分布均匀,从而改善了冷板整体的均温性及对流换热能力。
附图说明
图1是本发明冷板分层结构图;
图2是本发明冷板流体进出口层结构图上部结构图;
图3是本发明歧管上层结构图;
图4是本发明冷板歧管下层结构示意图;
图5是本发明歧管剖面结构及流动示意图;
图6是多孔介质流道层结构图示意图;
图7是多孔介质冷板整体流动示意图。
图中:1、流体进出口层;11、流体入口;12、流体出口;
2、歧管分流层;21、入口歧管流道;22、出口歧管流道;23、入口歧管;24、出口歧管;25、入口流道;26、出口流道;
3、多孔介质流道层;31、多孔介质。
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1-7公开了一种3D打印多孔介质冷板。如图1所示,一种3D打印多孔介质冷板,包括从上到下依次设置的流体进出口层1、歧管分流层2和多孔介质流道层3,流体进出口层1包括设置在流体进出口层上侧两端的流体入口11和流体出口12,歧管分流层2包括在歧管分流层上侧设置的入口歧管流道21、出口歧管流道22、入口歧管23、出口歧管24、入口流道25和出口流道26,其中入口歧管流道21的首端、出口歧管流道22尾端分别连接流体进出口层的流体入口11和流体出口12,入口歧管流道21、出口歧管流道22分别与入口歧管23、出口歧管24连接,歧管分流层2包括多个弯折的板状结构,所述板状结构一侧形成入口歧管23,另一侧形成出口歧管24,所述入口歧管23和出口歧管24不直接连通;入口歧管23和出口歧管24中设置贯通歧管分流层的孔,从而形成入口流道25和出口流道26;多孔介质流道层3包括位于上侧的多孔介质31,多孔介质31与入口流道25和出口流道26连接;所述多孔介质31是采用3D打印技术,从而使得多孔介质31为变孔隙结构,在入口流道流体入口处孔径大于出口流道流体出口处孔径。多孔介质流道层下侧设置热源。
本发明通过3D打印技术制造多孔介质,该冷板通过在底部增加多孔介质结构,形成更为紧凑的微通道,相比翅片通道减小了加工难度,增加了冷却工质的流动空间以及对流换热面积,还可以通过改变多孔介质进出口处的孔径来提高底面的温度均匀性。
相对于传统的制造技术,通过3D打印技术制造多孔介质,可以准确实现孔径的大小,提高了工作效率,使其孔径变化更加准确。
本发明通过多孔介质流体入口处孔径大于流体出口处孔径,冷却工质在不同孔径处对流换热能力不同,从而改善了冷板整体的均温性及对流换热能力。对于均匀孔径下的流动换热过程,入口处流体温度较低,与冷板的温差较大,因此换热过程较为剧烈,而当流体流至出口时,由于在此前流动过程中不断地吸收热源的热量,流体温度有一定上升,导致其与出口处冷板的换热温差降低,换热能力与入口处相比大幅降低。这将导致入口处的孔被流体带走的热量较多,而出口处的孔被带走的热量较少,从而导致底板温度均匀性较差。对于变孔径下的流动换热过程,由于入口处的孔径较大增大了导热热阻,流体在此处吸收的热量减少,加强了出口处流体携带热量的能力,同时,出口处的孔径较小可加强扰动并增强换热。但进出口孔径不可相差太大,否则出口处换热过程过于剧烈同样会导致底板温度均匀性较差,经过研究,确定进出口孔径之比为1.5:1。
作为优选,沿着入口歧管流道21内流体的流动方向,多孔介质的孔隙分布密度逐渐增加。通过上述分布,使得沿着距离入口歧管流道入口的方向,毛细力逐渐增强,流动阻力越来越小,使得阻力大的流体流入相对于阻力小的更加困难一些,从而使得沿着流动方向流体分布更加均匀,避免流体分布不均匀导致的换热不均匀以及局部温度过高过低问题。
作为优选,沿着入口歧管流道21内流体的流动方向,多孔介质的孔隙分布密度逐渐增加的幅度不断变大。上述的变化幅度设计,也是通过大量实验和数值模拟优化的结构,能够进一步实现均匀流体分布的技术效果,更加满足本申请发明需要。作为优选,所述多孔介质的孔隙分布密度按照如下规律进行变化:
入口歧管流道的总长度为L,入口歧管流道末端(最下游)的密度是M末,距离入口歧管流道入口的距离为l位置的密度M规律如下:M=b*M末+c*M末*(l/L)a,其中a、b、c是系数,满足如下要求:
1.082<a<1.105,0.994<b+c<1.012,0.498<b<0.629。
作为优选,随着l/L增加,a逐渐增加。
作为优选,0.095<a<1.100,b+c=1,0.565<b<0.578。
通过上述的设置,使得流体分布的更加均匀,上述优化的公式是通过大量的实验和数值模拟得到的,能够最优化的实现流体均匀分布的技术效果,更加满足本申请发明需要。
作为优选,上述多孔介质是采用3D打印技术进行制造实现的。在现有技术制造工艺中,要实现渐变的多孔介质孔隙变化,非常困难。本发明对毛细结构采用3D打印的技术,使其实现变孔隙密度沿着流体流动进行渐变分布,改善了加工工艺,能够通过计算机准确实现规律性变化。相对于现有的制备工艺,只要设计好渐变的打印的程序,加工结果更加准确,通过计算机程序实现准确的结构幅度变化,大大提高了加工的精度,从而提高了换热效率。
本发明采用3D打印技术制造所述多孔介质,首先在Spaceclaim软件中建立多孔介质的三维模型,将模型导入打印准备软件PreForm,在其中确定模型的方向、支撑材料、部件材料以及壁厚,所述多孔介质采用AlSi10Mg铝合金材料,确定上述准备工作完成后操作Formlabs 3D打印机进行打印。打印完成后将构建平台直接插入Form Wash,对模型进行高效、均匀的自动清洗。清洗完成后借助快速剥离技术从打印表面上取下多孔介质,仅需数秒即可去除支撑结构,最后将多孔介质转移至Form Cure进行固化,以便最大限度地提高材料性能并确保尺寸精度。
作为优选,入口歧管流道21、出口歧管流道22设计为锥形结构,沿着入口歧管流道21内流体的流动方向,流动通道面积越来越小,沿着出口歧管流道22内流体的流动方向,流动通道面积越来越大。这可以进一步保证流体在流道的均匀分布,既可以提高换热效率又可以降低整体压降。
作为优选,歧管分流层2包括多个弯折的板状结构,所述板状结构一侧形成入口歧管23,另一侧形成出口歧管24,所述入口歧管23和出口歧管24不直接连通。流体通过热流体毛细力层的毛吸力使得流体从入口歧管23流到出口歧管24。
作为优选,弯折的板状结构是V形结构或者梯形结构。这可以在相同的宽度内设计更多的换热微通道,增加换热面积,在缩小体积的同时提升整体的换热能力。
作为优选,贯通歧管分流层的孔为长条状。本申请通过歧管分流层设置贯通的孔,使得流体通过孔有针对性的进入多孔介质流道层3,可以有针对性的设置多孔介质流道层3相应位置的多孔介质,例如针对形成孔的位置可以不设置多孔介质,其余位置设置多孔介质。这样通过3D打印实现上述设置,避免现有技术的制造困难。
作为优选,流体入口11、流体出口12设置在流体进出口层1上对角设置。如此设置能够保证流体的换热面积。
冷却工质由驱动泵驱动从流体入口11流入歧管分流层2,流入入口歧管流道21,然后通过入口歧管23分流,流体在锥形歧管中受到顶端的阻碍作用被迫向下流动,由歧管下方的入口流道25接收分流,由于入口流道25两侧皆为多孔介质31,因此,流体在多孔介质中向两个相反方向流动,在此过程中吸收由多孔介质31传递的热量,流体吸热完成后受力向上流动,通过出口流道26流至出口歧管24内,经出口歧管24出口流出,而后汇入到出口歧管流道22并流出歧管分流层2,最终通过流体出口12流出,至此,整个流动换热过程完成。
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 (9)
1.一种3D打印多孔介质冷板,包括从上到下依次设置的流体进出口层、歧管分流层和多孔介质流道层,流体进出口层包括设置在上侧两端的流体入口和流体出口,歧管分流层包括上侧设置的入口歧管流道、出口歧管流道、入口歧管、出口歧管、入口流道和出口流道,其中入口歧管流道的首端、出口歧管流道尾端分别连接流体进出口层的流体入口和流体出口,入口歧管流道、出口歧管流道分别与入口歧管、出口歧管连接,歧管分流层包括多个弯折的板状结构,所述板状结构一侧形成入口歧管,另一侧形成出口歧管,所述入口歧管和出口歧管不直接连通;入口歧管和出口歧管中设置贯通歧管分流层的孔,从而形成入口流道和出口流道;多孔介质流道层包括位于上侧的多孔介质,多孔介质与入口流道和出口流道连接;所述多孔介质是采用3D打印技术,从而使得多孔介质为变孔隙结构,在入口流道流体入口处孔径大于出口流道流体出口处孔径。
2.如权利要求1所述的冷板,其特征在于,沿着入口歧管流道内流体的流动方向,多孔介质的孔隙分布密度逐渐增加。
3.如权利要求2所述的冷板,其特征在于,沿着入口歧管流道内流体的流动方向,多孔介质的孔隙分布密度逐渐增加的幅度不断变大。
4.如权利要求3所述的冷板,其特征在于,所述多孔介质的孔隙分布密度按照如下规律进行变化:
入口歧管流道的总长度为L,入口歧管流道末端的密度是M末,距离入口歧管流道入口的距离为l位置的密度M规律如下:M=b*M末+c*M末*(l/L)a,其中a、b、c是系数,满足如下要求:
1.082<a<1.105,0.994<b+c<1.012,0.498<b<0.629。
5.如权利要求4所述的冷板,其特征在于,随着l/L增加,a逐渐增加。
6.如权利要求4所述的冷板,其特征在于,0.095<a<1.100,b+c=1,0.565<b<0.578。
7.如权利要求1-5之一所述的3D打印多孔介质冷板的制备工艺,其特征在于,所述多孔介质是采用3D打印技术进行制造。
8.如权利要求1所述的冷板,其特征在于,入口歧管流道、出口歧管流道设计为锥形结构,沿着入口歧管流道内流体的流动方向,流动通道面积越来越小,沿着出口歧管流道内流体的流动方向,流动通道面积越来越大。
9.如权利要求3、5之一所述的冷板,其特征在于,弯折的板状结构是V形结构或者梯形结构。
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