基于筒狀雙層分流結(jié)構(gòu)微通道的換熱系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電子器件散熱技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種適用于筒狀小空間內(nèi)高熱流密 度條件的散熱裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著高性能超級(jí)計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度和容量的快速提升以及導(dǎo)彈、軍用雷達(dá)、激光武 器等裝備對(duì)大功率器件性能的要求不斷提高，現(xiàn)代電子設(shè)備器件的集成度在持續(xù)快速增 加，其局部熱流密度已高達(dá)近千W/cm 2,傳統(tǒng)散熱技術(shù)已無(wú)法滿足散熱需求。電子器件中熱 量的堆積將導(dǎo)致器件和系統(tǒng)溫度迅速升高，嚴(yán)重影響電子器件的工作狀態(tài)和系統(tǒng)的穩(wěn)定 性。并且，該類器件對(duì)溫度均勻性也提出了新的要求，器件溫度的不均勻?qū)⒂绊懫骷ぷ鞣€(wěn) 定性和可靠性，甚至有可能由于熱應(yīng)力作用而導(dǎo)致器件失效。
[0003] 在某些極端應(yīng)用條件，大量的高功率微小元器件（局部熱流密度達(dá)近千W/cm2)呈 環(huán)形鑲嵌于柱體的內(nèi)表面，只有柱體外部的狹小封閉夾層空間（即筒體)可供熱控使用，并 且由于使用空間限制，流體工質(zhì)只能從筒體的一端進(jìn)出，如圖1所示?，F(xiàn)有的研究表明，只有 小面積熱源的微汽泡噴射過冷沸騰的換熱能力才能達(dá)到近千W/cm 2。針對(duì)此大面積高熱流 密度散熱問題，需要在微流道設(shè)計(jì)時(shí)實(shí)現(xiàn)大面積熱源的小面積化細(xì)分，并考慮流體的均勻 分配和收集問題。只有解決了此二問題，才能使得通道內(nèi)發(fā)生的流動(dòng)沸騰處于微汽泡噴射 過冷沸騰區(qū)而不進(jìn)入飽和沸騰區(qū)、膜態(tài)沸騰區(qū)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)大面積高熱流密度的高效冷卻散 熱。另外，對(duì)于該柱體環(huán)形熱源的冷卻散熱還需配置有冷源裝置將產(chǎn)生的熱量排向大氣環(huán) 境。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 要解決的技術(shù)問題
[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是柱體內(nèi)呈環(huán)狀分布的大面積高熱流密度熱源的高效 冷卻散熱。針對(duì)此問題，需要考慮能實(shí)現(xiàn)大面積熱源的小面積化細(xì)分的微流道設(shè)計(jì)，并解決 流體的均勻分配和收集問題，同時(shí)還需配置有冷源裝置將產(chǎn)生的熱量排向大氣環(huán)境。為此， 本發(fā)明提供了一種基于筒狀雙層分流結(jié)構(gòu)微通道的換熱系統(tǒng)，該型換熱系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)大面積 高熱流密度熱源的高效冷卻散熱并保證其溫度均勻性，進(jìn)而保證柱體內(nèi)高功率微小元器件 工作的安全性、穩(wěn)定性和可靠性。
[0006] 技術(shù)方案
[0007] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
[0008] -種基于筒狀雙層分流結(jié)構(gòu)微通道的換熱系統(tǒng)，其特征在于，包括穩(wěn)壓高壓罐、冷 源裝置、循環(huán)栗以及筒狀雙層分流結(jié)構(gòu)微通道熱沉;所述的筒狀雙層分流結(jié)構(gòu)微通道熱沉 出口與穩(wěn)壓高壓罐入口連接，所述的穩(wěn)壓高壓罐之后依次連接冷源裝置和循環(huán)栗，所述循 環(huán)栗出口與筒狀雙層分流結(jié)構(gòu)微通道熱沉入口相連，整個(gè)換熱系統(tǒng)形成一個(gè)循環(huán)回路;所 述的筒狀雙層分流結(jié)構(gòu)微通道熱沉包括內(nèi)層分流結(jié)構(gòu)微通道、外層分流結(jié)構(gòu)微通道和內(nèi)外 層連接微通道，所述內(nèi)層分流結(jié)構(gòu)微通道配置有微通道流體入口，所述外層分流結(jié)構(gòu)微通 道配置有微通道流體出口，所述內(nèi)層分流結(jié)構(gòu)微通道通過內(nèi)外層連接微通道與外層分流結(jié) 構(gòu)微通道相連通，所述的微通道流體出口和所述的微通道流體入口位于筒狀雙層分流結(jié)構(gòu) 微通道熱沉的同一端。
[0009] 所述的內(nèi)層分流結(jié)構(gòu)微通道由輸運(yùn)功能微通道與散熱功能微通道組成，散熱功能 微通道位于環(huán)形散熱面的平行對(duì)應(yīng)位置，與輸運(yùn)功能微通道最末級(jí)直接相連;所述的輸運(yùn) 功能微通道至少有3級(jí)微通道，所述的微通道流體入口設(shè)置在最上一級(jí)的微通道上，每級(jí)微 通道都一分為二，所述的每一級(jí)微通道包括縱向通道與橫向通道，上下級(jí)微通道間縱向通 道長(zhǎng)度之比為2_ 1/Dv，橫向通道長(zhǎng)度之比為2^Dh，通道直徑之比為2^Λ，其中Dv為縱向長(zhǎng)度指 數(shù)系數(shù)，取大于1且小于等于2;D h為橫向長(zhǎng)度指數(shù)系數(shù)，取大于1且小于等于2, △為直徑指 數(shù)系數(shù)，取大于2且小于等于3。
[0010] 所述的外層分流結(jié)構(gòu)微通道至少有3級(jí)微通道，所述的微通道流體出口設(shè)置在最 上一級(jí)的微通道上，每級(jí)微通道都一分為二，所述的每一級(jí)微通道包括縱向通道與橫向通 道，上下級(jí)微通道間縱向通道長(zhǎng)度之比為2_ 1/Dv，橫向通道長(zhǎng)度之比為2_1/Dh，通道直徑之比 為Tim，其中D v為縱向長(zhǎng)度指數(shù)系數(shù)，取大于1且小于等于2;Dh為橫向長(zhǎng)度指數(shù)系數(shù)，取大于 1且小于等于2, △為直徑指數(shù)系數(shù)，取大于2且小于等于3。
[0011] 所述的內(nèi)層分流結(jié)構(gòu)微通道和外層分流結(jié)構(gòu)微通道高度相同。
[0012] 在所述的循環(huán)回路內(nèi)還連接有過濾器和除垢器。
[0013] 本發(fā)明一種基于筒狀雙層分流結(jié)構(gòu)微通道的換熱系統(tǒng)，包括筒狀雙層分流結(jié)構(gòu)微 通道、穩(wěn)壓高壓罐、冷源裝置、循環(huán)栗、過濾器、除垢器和流體工質(zhì)，所述的筒狀雙層分流結(jié) 構(gòu)微通道緊密嵌于筒體中，所述的筒狀雙層分流結(jié)構(gòu)微通道由內(nèi)層分流結(jié)構(gòu)微通道、外層 分流結(jié)構(gòu)微通道和內(nèi)外層連接微通道組成，所述的內(nèi)層分流結(jié)構(gòu)微通道和所述的外層分流 結(jié)構(gòu)微通道均具有拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)特征(拓?fù)浼?jí)數(shù)為3到10級(jí))并呈筒狀分布，所述的內(nèi)層分流結(jié) 構(gòu)微通道由輸運(yùn)功能微通道和散熱功能微通道組成，所述的內(nèi)層分流結(jié)構(gòu)微通道和所述的 外層分流結(jié)構(gòu)微通道通過所述的內(nèi)外層連接微通道貫通連接;所述的穩(wěn)壓高壓罐用于穩(wěn)定 所述的筒狀雙層分流結(jié)構(gòu)微通道的流體工作壓力并使之處于高壓狀態(tài)，使得所述的筒狀雙 層分流結(jié)構(gòu)微通道在極端高熱流密度作用下出現(xiàn)微汽泡噴射過冷沸騰。
[0014] 由于柱體環(huán)形大面積熱源局部熱流密度高達(dá)近千W/cm2,需將柱體環(huán)形大面積熱 源的小面積化細(xì)分。又考慮到筒體只有單一流體入口，并且還需解決流體的均勻分配問題， 以免出現(xiàn)微通道內(nèi)流量分配不均而導(dǎo)致局部換熱性能惡化。受山川湖泊、人體脈管、植物軀 干、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等管路系統(tǒng)分布（即都具有拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)特征）啟迪，將微通道設(shè)計(jì)成筒狀的具有 拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)特征的微流道結(jié)構(gòu)，即單層分流結(jié)構(gòu)微通道，如圖2所示。這樣，微通道各級(jí)的管徑 和長(zhǎng)度生產(chǎn)法則如下：
[0015] ?縱向通道生成方法如下
[0016] (a) .k+Ι級(jí)段的長(zhǎng)度與k級(jí)段的比值為
[0017]
⑴
[0018] 式中，Dv為縱向長(zhǎng)度指數(shù)系數(shù)，由式(1)可得
[0019]
(2)
[0020] 式中Lv, ο是縱向初始通道長(zhǎng)度。
[0021] (b) .k+Ι級(jí)段與k級(jí)段的通道水力直徑分別由d_dk+1來(lái)表示，其相互間滿足
[0022]
(3)
[0023] 式中Δ是直徑指數(shù)系數(shù)。由式(3)可得
[0024]
(4)
[0025] 式中do是縱向初始通道水力直徑。
[0026] ?橫向通道生成方法如下
[0027] (a) .k+Ι級(jí)段的長(zhǎng)度與k級(jí)段的比值為
[0028]
(5)
[0029] 式中，Dh為橫向長(zhǎng)度指數(shù)系數(shù)，由式(5)可得
[0030]
(6)
[0031] 式中Lm是橫向初始通道長(zhǎng)度。
[0032] (b).每一級(jí)通道的橫向通道水力直徑與縱向通道水力直徑相同，采用相同生成方 法。
[0033] 按上述規(guī)則不斷循環(huán)生成拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)通道，即為分流結(jié)構(gòu)微通道。
[0034] 另外，由于實(shí)際使用空間限制，流體工質(zhì)只能從位于筒體流體入口的同一端流出。 并且，為了能使流體工質(zhì)能自由循環(huán)，并考慮到流體的均勻分配和收集問題，將微通道設(shè)計(jì) 成雙層拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)。筒體內(nèi)靠近柱體熱源的內(nèi)層微通道即為所述的內(nèi)層分流結(jié)構(gòu)微 通道，而外層微通道即為所述的外層分流結(jié)構(gòu)微通道。
[0035] 所述的內(nèi)層分流結(jié)構(gòu)微通道至少有3級(jí)。每級(jí)通道都一分為二，隨著拓?fù)浼?jí)數(shù)的增 加，通道的個(gè)數(shù)相應(yīng)倍增，實(shí)現(xiàn)了流體工質(zhì)由點(diǎn)到面的輸運(yùn)分配到達(dá)各個(gè)末級(jí)通道，解決了 流體的均勻分配問題。將這部分通道命名為輸運(yùn)功能微通道。由于流動(dòng)減阻需要，輸運(yùn)功能 微通道的尺度應(yīng)盡量設(shè)計(jì)大些，但是我們知道，通道尺度的縮小可強(qiáng)化換熱。因此，將所述 的內(nèi)層分流結(jié)構(gòu)微通道的末級(jí)通道延伸，延伸出與末級(jí)通道個(gè)數(shù)一樣的尺度更小的微通 道，將這部分尺度更小的微通道命名為散熱功能微通道(散熱功能微通道通道截面面積小 于末級(jí)通道，散熱功能微通道的長(zhǎng)度是柱體環(huán)形大面積熱源高度的1.5倍以上）。那么，所述 的內(nèi)層分流結(jié)構(gòu)微通道由所述的輸運(yùn)功能微通道和所述的散熱功能微通道組成。所述的散 熱功能微通道的出口與所述的內(nèi)外層連接微通道相連接。輸運(yùn)功能微通道和散熱功能綜合 考慮的設(shè)計(jì)方案既可強(qiáng)化換熱，同時(shí)也能最大限度地減少栗功消耗，大大提高了換熱系統(tǒng) 的熱有效性(換熱量/栗功），進(jìn)而達(dá)到高效換熱和節(jié)能的目的。
[0036] 所述的內(nèi)層分流結(jié)構(gòu)微通道配置有微通道流體入口，所述的內(nèi)層分流結(jié)構(gòu)微通道