基于筒状双层分流结构微通道的换热系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电子器件散热技术领域，具体涉及一种适用于筒状小空间内高热流密 度条件的散热装置。
【背景技术】
[0002] 随着高性能超级计算机运行速度和容量的快速提升以及导弹、军用雷达、激光武 器等装备对大功率器件性能的要求不断提高，现代电子设备器件的集成度在持续快速增 加，其局部热流密度已高达近千W/cm 2,传统散热技术已无法满足散热需求。电子器件中热 量的堆积将导致器件和系统温度迅速升高，严重影响电子器件的工作状态和系统的稳定 性。并且，该类器件对温度均匀性也提出了新的要求，器件温度的不均匀将影响器件工作稳 定性和可靠性，甚至有可能由于热应力作用而导致器件失效。
[0003] 在某些极端应用条件，大量的高功率微小元器件（局部热流密度达近千W/cm2)呈 环形镶嵌于柱体的内表面，只有柱体外部的狭小封闭夹层空间（即筒体)可供热控使用，并 且由于使用空间限制，流体工质只能从筒体的一端进出，如图1所示。现有的研究表明，只有 小面积热源的微汽泡喷射过冷沸腾的换热能力才能达到近千W/cm 2。针对此大面积高热流 密度散热问题，需要在微流道设计时实现大面积热源的小面积化细分，并考虑流体的均匀 分配和收集问题。只有解决了此二问题，才能使得通道内发生的流动沸腾处于微汽泡喷射 过冷沸腾区而不进入饱和沸腾区、膜态沸腾区，进而实现大面积高热流密度的高效冷却散 热。另外，对于该柱体环形热源的冷却散热还需配置有冷源装置将产生的热量排向大气环 境。
【发明内容】
[0004] 要解决的技术问题
[0005] 本发明要解决的技术问题是柱体内呈环状分布的大面积高热流密度热源的高效 冷却散热。针对此问题，需要考虑能实现大面积热源的小面积化细分的微流道设计，并解决 流体的均匀分配和收集问题，同时还需配置有冷源装置将产生的热量排向大气环境。为此， 本发明提供了一种基于筒状双层分流结构微通道的换热系统，该型换热系统能实现大面积 高热流密度热源的高效冷却散热并保证其温度均匀性，进而保证柱体内高功率微小元器件 工作的安全性、稳定性和可靠性。
[0006] 技术方案
[0007] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
[0008] -种基于筒状双层分流结构微通道的换热系统，其特征在于，包括稳压高压罐、冷 源装置、循环栗以及筒状双层分流结构微通道热沉;所述的筒状双层分流结构微通道热沉 出口与稳压高压罐入口连接，所述的稳压高压罐之后依次连接冷源装置和循环栗，所述循 环栗出口与筒状双层分流结构微通道热沉入口相连，整个换热系统形成一个循环回路;所 述的筒状双层分流结构微通道热沉包括内层分流结构微通道、外层分流结构微通道和内外 层连接微通道，所述内层分流结构微通道配置有微通道流体入口，所述外层分流结构微通 道配置有微通道流体出口，所述内层分流结构微通道通过内外层连接微通道与外层分流结 构微通道相连通，所述的微通道流体出口和所述的微通道流体入口位于筒状双层分流结构 微通道热沉的同一端。
[0009] 所述的内层分流结构微通道由输运功能微通道与散热功能微通道组成，散热功能 微通道位于环形散热面的平行对应位置，与输运功能微通道最末级直接相连;所述的输运 功能微通道至少有3级微通道，所述的微通道流体入口设置在最上一级的微通道上，每级微 通道都一分为二，所述的每一级微通道包括纵向通道与横向通道，上下级微通道间纵向通 道长度之比为2_ 1/Dv，横向通道长度之比为2^Dh，通道直径之比为2^Λ，其中Dv为纵向长度指 数系数，取大于1且小于等于2;D h为横向长度指数系数，取大于1且小于等于2, △为直径指 数系数，取大于2且小于等于3。
[0010] 所述的外层分流结构微通道至少有3级微通道，所述的微通道流体出口设置在最 上一级的微通道上，每级微通道都一分为二，所述的每一级微通道包括纵向通道与横向通 道，上下级微通道间纵向通道长度之比为2_ 1/Dv，横向通道长度之比为2_1/Dh，通道直径之比 为Tim，其中D v为纵向长度指数系数，取大于1且小于等于2;Dh为横向长度指数系数，取大于 1且小于等于2, △为直径指数系数，取大于2且小于等于3。
[0011] 所述的内层分流结构微通道和外层分流结构微通道高度相同。
[0012] 在所述的循环回路内还连接有过滤器和除垢器。
[0013] 本发明一种基于筒状双层分流结构微通道的换热系统，包括筒状双层分流结构微 通道、稳压高压罐、冷源装置、循环栗、过滤器、除垢器和流体工质，所述的筒状双层分流结 构微通道紧密嵌于筒体中，所述的筒状双层分流结构微通道由内层分流结构微通道、外层 分流结构微通道和内外层连接微通道组成，所述的内层分流结构微通道和所述的外层分流 结构微通道均具有拓扑网络特征(拓扑级数为3到10级)并呈筒状分布，所述的内层分流结 构微通道由输运功能微通道和散热功能微通道组成，所述的内层分流结构微通道和所述的 外层分流结构微通道通过所述的内外层连接微通道贯通连接;所述的稳压高压罐用于稳定 所述的筒状双层分流结构微通道的流体工作压力并使之处于高压状态，使得所述的筒状双 层分流结构微通道在极端高热流密度作用下出现微汽泡喷射过冷沸腾。
[0014] 由于柱体环形大面积热源局部热流密度高达近千W/cm2,需将柱体环形大面积热 源的小面积化细分。又考虑到筒体只有单一流体入口，并且还需解决流体的均匀分配问题， 以免出现微通道内流量分配不均而导致局部换热性能恶化。受山川湖泊、人体脉管、植物躯 干、神经网络等管路系统分布（即都具有拓扑网络特征）启迪，将微通道设计成筒状的具有 拓扑网络特征的微流道结构，即单层分流结构微通道，如图2所示。这样，微通道各级的管径 和长度生产法则如下：
[0015] ?纵向通道生成方法如下
[0016] (a) .k+Ι级段的长度与k级段的比值为
[0017]
⑴
[0018] 式中，Dv为纵向长度指数系数，由式(1)可得
[0019]
(2)
[0020] 式中Lv, ο是纵向初始通道长度。
[0021] (b) .k+Ι级段与k级段的通道水力直径分别由d_dk+1来表示，其相互间满足
[0022]
(3)
[0023] 式中Δ是直径指数系数。由式(3)可得
[0024]
(4)
[0025] 式中do是纵向初始通道水力直径。
[0026] ?横向通道生成方法如下
[0027] (a) .k+Ι级段的长度与k级段的比值为
[0028]
(5)
[0029] 式中，Dh为横向长度指数系数，由式(5)可得
[0030]
(6)
[0031] 式中Lm是横向初始通道长度。
[0032] (b).每一级通道的横向通道水力直径与纵向通道水力直径相同，采用相同生成方 法。
[0033] 按上述规则不断循环生成拓扑网络通道，即为分流结构微通道。
[0034] 另外，由于实际使用空间限制，流体工质只能从位于筒体流体入口的同一端流出。 并且，为了能使流体工质能自由循环，并考虑到流体的均匀分配和收集问题，将微通道设计 成双层拓扑网络通道结构。筒体内靠近柱体热源的内层微通道即为所述的内层分流结构微 通道，而外层微通道即为所述的外层分流结构微通道。
[0035] 所述的内层分流结构微通道至少有3级。每级通道都一分为二，随着拓扑级数的增 加，通道的个数相应倍增，实现了流体工质由点到面的输运分配到达各个末级通道，解决了 流体的均匀分配问题。将这部分通道命名为输运功能微通道。由于流动减阻需要，输运功能 微通道的尺度应尽量设计大些，但是我们知道，通道尺度的缩小可强化换热。因此，将所述 的内层分流结构微通道的末级通道延伸，延伸出与末级通道个数一样的尺度更小的微通 道，将这部分尺度更小的微通道命名为散热功能微通道(散热功能微通道通道截面面积小 于末级通道，散热功能微通道的长度是柱体环形大面积热源高度的1.5倍以上）。那么，所述 的内层分流结构微通道由所述的输运功能微通道和所述的散热功能微通道组成。所述的散 热功能微通道的出口与所述的内外层连接微通道相连接。输运功能微通道和散热功能综合 考虑的设计方案既可强化换热，同时也能最大限度地减少栗功消耗，大大提高了换热系统 的热有效性(换热量/栗功），进而达到高效换热和节能的目的。
[0036] 所述的内层分流结构微通道配置有微通道流体入口，所述的内层分流结构微通道