CN116772634A - 一种带有复合仿生结构的微通道散热器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带有复合仿生结构的微通道散热器,包括玻璃上盖板、中间隔热块、铜基加热块、底座隔热块,中间隔热块内设置有带有复合仿生结构的微通道散热器,底座隔热块内设置有铜基加热块,铜基加热块通过导热硅脂与所述带有复合仿生结构微通道散热器热沉相互连接,带有复合仿生结构的微通道散热器热沉的表面设置有复带有复合仿生结构微通道散热器,带有复合仿生结构的微通道散热器腔的底壁上沿液流动方向设置有若干组依次排列的鲨鱼盾鳞仿生肋条形成的阵列,两侧壁面设置有周期性排列的三角凹穴。复合仿生结构微通道散热器能增加汽化核心与确保换热微通道内干涸区域及时再次湿润,有效提高了微通道换热器的换热效率。
Description
技术领域
本发明属于换热技术领域,具体涉及一种带有复合仿生结构的微通道散热器。
背景技术
随着科技的快速发展,在微电子、医疗器械、生物化工、激光设备及航天航空等领域,设备的集成化程度越来越高,其热交换系统的热负荷也日益增强,因此,微尺度下的热管理系统是必不可少的,这促使人们研发高效紧凑的换热器。微通道换热器效率高,结构紧凑,冷却剂流动速率小,壁面温度分布均匀,具有广阔的应用前景。
随着对微通道换热器的研究,利用工质的气化潜热能够有效提高两相传热系数,降低表面温度,提高温度均匀性,从而保证了设备的正常运行;但现有的相变传热微通道,微通道内流动沸腾流动传热性能受通道内汽化成核效果与局部干涸影响,沸腾存在不稳定性,临界热流密度也还需提升。
发明内容
为了解决上述技术问题,本发明提供了一种带有复合仿生结构的微通道散热器,解决现有的微通道换热器装置中流动沸腾汽化核心不足,高热流下出现局部热点,微通道内的临界热流密度较低,导致换热效率低下的技术问题。
为了达到上述技术目的,本发明是通过以下技术方案实现的:
一种带有复合仿生结构的微通道散热器,包括:螺栓、玻璃上盖板、密封垫圈、硅基复合仿生结构微通道热沉、中间隔热块、铜基加热块、底座隔热块、螺母;
所述底座隔热块中部嵌入安装铜基加热块,所述底座隔热块上方安装中间隔热块,且铜基加热块上端嵌入中间隔热块内;中间隔热块上表面中部位置安装硅基复合仿生结构微通道热沉,密封垫圈安装于中间隔热块上表面的垫圈槽内;整个中间隔热块上表面覆盖安装玻璃上盖板;螺栓从玻璃上盖板穿过直至底座隔热块下端穿出,配合螺母,将底座隔热块、中间隔热块、玻璃上盖板固定连接;
优选的,所述硅基复合仿生结构微通道热沉的上表面设置有复合仿生结构微通道,所述试验件的侧面布置有4个第一温度测量孔,所述复合仿生结构微通道宽度为0.26mm,高度为0.10mm,长度为10.00mm,通道底壁上沿液流动方向设置有交错排布的鲨鱼盾鳞仿生肋条阵列,两侧壁面设置有周期性排列的三角凹穴;
每组鲨鱼盾鳞仿生肋条阵列包括第一仿生肋条、第二仿生肋条、第三仿生肋条,第一仿生肋条、第二仿生肋条、第三仿生肋条平行且等距设置在仿生肋条微通道的底壁上形成仿生肋条阵列;
所述第一仿生肋条、第二仿生肋条、第三仿生肋条的宽度和高度均相同,宽度记为a,高度记为h;第二仿生肋条的长度记为b,第一仿生肋条、第三仿生肋条的长度相等,记为c;a为0.02~0.03mm,b为0.18~0.2mm,c为0.08~0.1mm;所述高度h不大于液流等截面区流道高度的1/10;
所述三角凹穴为等腰三角形,底边长度与第二仿生肋条长度b相等,为0.18~0.2mm,等腰三角形高为0.04mm;
优选的,所述中间隔热块上还设置有两个流体稳压槽,两个流体稳压槽分别设置在试验件安装槽的两侧,并分别为第一流体稳压槽和第二流体稳压槽;第一流体稳压槽和第二流体稳压槽之间布置有用以放置硅基复合仿生结构微通道热沉的第一中通体;自左到右,换热工质进口、第一流体稳压槽、复合仿生结构微通道热沉、第二流体稳压槽、换热工质出口依次连通;
优选的,所述中间隔热块的侧面设置有8个温度测量孔,通过8个温度测量孔用于实现对温度的监测;其中位于上侧的4个温度测量孔与硅基复合仿生结构微通道热沉上的4个温度测量孔相连通,位于下侧的4个温度测量孔与铜基加热块上的4个温度测量孔相连通;
优选的,所述换热工质进口和换热工质出口上分别设置有能够连接压力传感器的第一测压口和第二测压口,设置的第一测压口和第二测压口用于实现换热工质进口和换热工质出口内压力的测量;
优选的,所述铜基加热块上侧的阶梯凹槽与硅基复合仿生结构微通道热沉的底部接触,所述铜基加热块内部设置有用于安装单头电加热管的加热孔,铜基加热块呈现阶梯形,阶梯凹槽的下表面面积与复合仿生结构微通道热沉的底部面积相同,加热孔中共排列2×2的单根功率为10W的电加热管。
本发明的有益效果是:
本发明所述的一种带复合仿生结构的微通道相变传热试验装置及微通道换热器,通过在微通道中设置交错排布的仿生肋条阵列与周期性三角凹穴,增加沸腾汽化核心,确保了换热微通道内干涸区域及时被工作介质润湿冷却,提高了临界热流密度,有效提高了微通道换热器的换热效率。
附图说明
图1为本发明中复合仿生结构微通道散热器的整体装配结构示意图;
图2为本发明中复合仿生结构微通道热沉的立体结构示意图;
图3是本发明中复合仿生结构微通道热沉上视结构示意图;
图4是本发明中的中间隔热块的立体结构示意图;
图5是本发明中的铜基加热块的剖面示意图;
图6是底座隔热块中第二中通体位置结构示意图;
图7是本发明中实例二的微通道流动沸腾数值模拟气相分布云图;
图8是本发明中实例二的微通道流动沸腾数值模拟沸腾曲线图;
附图中,各标号所代表的结构名称为:
1-螺栓,2-玻璃上盖板,3-密封垫圈,4-硅基复合仿生结构微通道热沉,41-温度测量孔,42-复合仿生结构微通道,421-鲨鱼盾鳞仿生肋条阵列;422-三角凹穴,5-中间隔热块,511-换热工质进口,512-换热工质出口,521-第一测压口,522-第二测压口,531-第一流体稳压槽,532-第二流体稳压槽,54-第一中通体,55-外侧温度测量孔,56-密封垫圈槽,57-螺孔,6-铜基加热块,61-阶梯凹槽,62-热电偶温度测量孔,63-加热孔,7-底座隔热块,71-第二中通体,8-螺母。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示,一种仿生复合仿生结构微通道散热器,包括从上至下层层堆叠且通过螺栓1和螺母8固定安装的玻璃上盖板2、硅基复合仿生结构微通道热沉4、密封垫圈3、包含进出口的中间隔热块5、铜基加热块6以及底座隔热块7;
如图1所示,本实例中螺栓1的螺杆高度为65mm,最外侧四个螺栓连接孔的直径为6mm,其余螺栓连接孔的直径为3mm;玻璃上盖板2的长宽高尺寸为120mm×40mm×5mm;硅基复合仿生结构微通道热沉4为整体结构长方体,热沉侧面布置有四个圆形温度测量孔41,硅基复合仿生结构微通道热沉4的尺寸为15mm×5mm×2mm,热沉侧面温度测量孔41的直径为0.5mm,深度为2.5mm,高度位于硅基复合仿生结构微通道热沉4底面下方1mm,边缘的两个上层温度测量孔41均距离热沉边缘的水平距离为2.5mm;中间的两个上层温度测量孔41均距离热沉边缘的水平距离为5.0mm;
密封垫圈3的厚度为1mm,密封垫圈3外侧矩形尺寸为74mm×15mm,内侧矩形尺寸70mm×11mm,四周倒角半径为3mm;
如图4所示,包含进出口的中间隔热块5的左右两侧分别布置管道状换热工质进口511和换热工质出口512,换热工质进口511和换热工质出口512分别连接着第一流体稳压槽531和第二流体稳压槽532,第一流体稳压槽531和第二流体稳压槽532之间布置有用以放置硅基复合仿生结构微通道热沉4的第一中通体54;
包含进出口的中间隔热块5侧面布置有8个圆形热电偶于外侧温度测量孔55内,上排四个外侧温度测量孔55与硅基复合仿生结构微通道热沉4的温度测量孔41连通;
隔热块5总高度为10mm;第一流体稳压槽531和第二流体稳压槽532的高度为6mm,长度为20mm,第一流体稳压槽531与换热工质进口511、第二流体稳压槽532与换热工质出口512连通的一侧宽度为3mm,第一流体稳压槽531与硅基复合仿生结构微通道热沉4的入口连通处宽度为3mm,硅基复合仿生结构微通道热沉4与第二流体稳压槽532出口连通处宽度为3mm,所述换热工质进口511和换热工质出口512的内径为4mm,外径为10mm,长度为30mm;
如图5所示,铜基加热块6顶部中央设置有放置硅基复合仿生结构微通道热沉4的阶梯凹槽61,侧面布置有竖列的两个圆形热电偶温度测量孔62,所述热电偶温度测量孔62与中间隔热块5上下侧的两个外侧温度测量孔55连通,所述用于放置单头电加热管的加热孔63呈圆柱形,铜基加热块6的上部小长方体的长宽高尺寸为15mm×5mm×8mm,下部大长方体的长宽高尺寸为20mm×8mm×44mm;小长方体与大长方体之间的过渡梯形体的高度为2mm,铜基加热块6上表面阶梯凹槽61的深度为0.5mm,铜基加热块6侧面两个外侧温度测量孔55分别距离铜基加热块6顶部2mm和6mm,第二温度测量孔为外侧温度测量孔对应在中间隔热块5内侧,的直径为0.5mm,深度为4mm;铜基加热块6内部单头电加热管的加热孔63的直径为2mm,高度为44mm;
如图7所示,所述底座隔热块7中央第二中通体71呈矩形设置,底座隔热块7内第二中通体71的长宽高尺寸为120mm×40mm×50mm。
本实例中仿生复合仿生结构微通道热沉可以采用微切削/微铣削等微加工工艺或增材制造技术加工,其余部件可采用数控机床加工。
实施例2
由于分流的作用,进入每个微通道流道内的流量是一样的,为了简化模拟,本测试对单微通道流道进行数值模拟,以下对仿生复合仿生结构微通道流动沸腾性能进行说明。
采用计算流体力学软件CFD对新型微通道换热器的流动场和温度场进行数值模拟计算,研究其内部流动场和温度场。仿真条件:复合仿生结构微通道热沉采用纯硅制成,并且换热工质为去离子水。
换热工质进口511入口条件为:流量为0.12974g/s,进口温度为88℃。换热工质出口512出口条件:压力出口。电加热管的总发热功率:0-20W。
仿真结果:
仿生硅基复合仿生结构微通道与矩形微通道中流动沸腾气相分布云图如图7所示。低热流密度下,复合仿生结构微通道相较于矩形微通道沸腾成核点更多,高热流密度下,复合仿生结构微通道相较于矩形微通道局部干涸面积更小,沸腾不稳定性更低。
微流道内流体换热性能的评判指标主要采用热壁面过热温度ΔT,热壁面过热温度ΔT越低,表明流道换热效果越好;
其中热壁面过热度ΔT=Tw-Tsat;ΔT在本实施例模拟计算结果具体如图8所示,通过对比复合仿生结构微通道与传统矩形微通道相同参数表现复合仿生结构微通道综合性能。其中图8是热壁面平均温度ΔT在不同热流密度下的表现,由于复合仿生结构微通道能增加汽化核心与确保换热微通道内干涸区域及时再次湿润,有效提高了微通道换热器的换热效率,相比于传统矩形微通道热壁面温度更低;
综上所述,采用复合仿生结构微通道代替传统矩形微通道,可以显著的提高散热效率,而且降低沸腾不稳定性。
Claims (6)
1.一种带有复合仿生结构的微通道散热器,其特征在于,包括:螺栓、玻璃上盖板、密封垫圈、硅基复合仿生结构微通道热沉、中间隔热块、铜基加热块、底座隔热块、螺母;
所述底座隔热块中部嵌入安装铜基加热块,所述底座隔热块上方安装中间隔热块,且铜基加热块上端嵌入中间隔热块内;中间隔热块上表面中部位置安装硅基复合仿生结构微通道热沉,密封垫圈安装于中间隔热块上表面的垫圈槽内;整个中间隔热块上表面覆盖安装玻璃上盖板;螺栓从玻璃上盖板穿过直至底座隔热块下端穿出,配合螺母,将底座隔热块、中间隔热块、玻璃上盖板固定连接。
2.根据权利要求1所述一种带有复合仿生结构的微通道散热器,其特征在于,所述硅基复合仿生结构微通道热沉的上表面设置有复合仿生结构微通道,所述试验件的侧面布置有4个第一温度测量孔,所述复合仿生结构微通道宽度为0.26mm,高度为0.10mm,长度为10.00mm,通道底壁上沿液流动方向设置有交错排布的鲨鱼盾鳞仿生肋条阵列,两侧壁面设置有周期性排列的三角凹穴;
每组鲨鱼盾鳞仿生肋条阵列包括第一仿生肋条、第二仿生肋条、第三仿生肋条,第一仿生肋条、第二仿生肋条、第三仿生肋条平行且等距设置在仿生肋条微通道的底壁上形成仿生肋条阵列;
所述第一仿生肋条、第二仿生肋条、第三仿生肋条的宽度和高度均相同,宽度记为a,高度记为h;第二仿生肋条的长度记为b,第一仿生肋条、第三仿生肋条的长度相等,记为c;a为0.02~0.03mm,b为0.18~0.2mm,c为0.08~0.1mm;所述高度h不大于液流等截面区流道高度的1/10;
所述三角凹穴为等腰三角形,底边长度与第二仿生肋条长度b相等,为0.18~0.2mm,等腰三角形高为0.04mm。
3.根据权利要求1所述一种带有复合仿生结构的微通道散热器,其特征在于,所述中间隔热块上还设置有两个流体稳压槽,两个流体稳压槽分别设置在试验件安装槽的两侧,并分别为第一流体稳压槽和第二流体稳压槽;第一流体稳压槽和第二流体稳压槽之间布置有用以放置硅基复合仿生结构微通道热沉的第一中通体;自左到右,换热工质进口、第一流体稳压槽、复合仿生结构微通道热沉、第二流体稳压槽、换热工质出口依次连通。
4.根据权利要求1所述一种带有复合仿生结构的微通道散热器,其特征在于,所述中间隔热块的侧面设置有8个温度测量孔,通过8个温度测量孔用于实现对温度的监测;其中位于上侧的4个温度测量孔与硅基复合仿生结构微通道热沉上的4个温度测量孔相连通,位于下侧的4个温度测量孔与铜基加热块上的4个温度测量孔相连通。
5.根据权利要求3所述一种带有复合仿生结构的微通道散热器,其特征在于,所述换热工质进口和换热工质出口上分别设置有能够连接压力传感器的第一测压口和第二测压口,设置的第一测压口和第二测压口用于实现换热工质进口和换热工质出口内压力的测量。
6.根据权利要求1所述一种带有复合仿生结构的微通道散热器,其特征在于,所述铜基加热块上侧的阶梯凹槽与硅基复合仿生结构微通道热沉的底部接触,所述铜基加热块内部设置有用于安装单头电加热管的加热孔,铜基加热块呈现阶梯形,阶梯凹槽的下表面面积与复合仿生结构微通道热沉的底部面积相同,加热孔中共排列2×2的单根功率为10W的电加热管。
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