分形微通道换热器的制作方法

本发明涉及换热设备技术领域，尤其是涉及一种分形微通道换热器。

背景技术：

近几年来，随着超大规模集成电路的不断发展，芯片单位体积功率越来越大，芯片散热需求随之升高；由于芯片的内部设计精密，任何的局部过热区都会大大降低芯片寿命，换热器散热均匀程度要求也随之提高。

芯片散热领域最常用的散热设备之一是利用液体降温的微通道换热器。微通道换热器由大量直的微通道组成，微通道的宽度在几十到几千微米内变化。狭窄的通道大大增加流体与换热器的接触面积；同时也使得流体与壁面的摩擦增大，换热器的压降也随之增大。所以，在保证压降不会大幅提高的情况下提升热交换效率是换热器的设计方向之一。

分形结构是在保证压降稳定增长情况下提升换热能力的一种有效设计。分形微通道换热器的设计思路是在每一级中将大直径通道以一定的分支角度分为多个小直径的次级通道。由于在层流过程中通道内的换热系数反比于管径，使得小直径通道的换热系数大于大直径通道，从而在同样的换热面积和换热温差的条件下分形微通道换热器有更高的换热量。现有的分形微通道换热器主要包含两类：直角换热器和菱形换热器。

第一类是直角分形微通道换热器，其次级通道与上级通道呈直角形；如郑平(y.chen,p.cheng,anexperimentalinvestigationonthethermalefficiencyoffractaltree-likemicrochannelnets,int.j.heatmasstransfer32(2005)931–938)提出的分形微通道换热器(见附图1所示)，每级通道为一分二形式，次级通道与上级通道呈直角形。由于制冷剂流体在经过直角转弯时会遇到较大的流动阻力，因此直角的分形微通道换热器内流体的压降较大，换热效率随之降低。

另一类为菱形分形微通道换热器，其主次通道具有对称结构，主通道分成多级次通道后又回到主通道。如专利一种分形微通道换热器(申请号：201711046682.x)提出的换热器(见附图2)，主通道连续分成两级次通道，然后又与两级次通道相连，回到主通道，形成对称结构。造成主通道过多，换热效果不均匀。

以上两种换热器因特定的分形结构，均不能使微通道密排于整个基板。这也说明分形换热器的换热效率还有一定的提升空间，所以针对现有分形微通道换热器内直角压降大、换热不均匀的问题，需要发明新的分形微通道换热器，使其保证换热均匀的同时，尽可能提高换热能力。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：为了克服现有的分形微通道换热器内直角压降大、换热不均匀的问题，提供一种分形微通道换热器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种分形微通道换热器，包括基板和上盖板，所述上盖板盖设在基板上，并与基板密封配合，所述上盖板的中心位置处开设有流体入口，所述基板上开设有n0组扇形分形单元通道，n0组扇形分形单元通道关于基板的中心呈圆周阵列均布，n0组扇形分形单元通道的进口端相互连通，且均与流体入口连通，所述基板上开设有集液环槽，所述集液环槽包围n0组扇形分形单元通道，n0组扇形分形单元通道的出口端均与集液环槽连通，所述基板上开设有流体出口，所述流体出口与集液环槽连通。

本发明的分形微通道换热器，在基板上开设有n0组扇形分形单元通道，n0组扇形分形单元通道关于基板的中心呈圆周阵列均布，n0组扇形分形单元通道在基板上放射状布置，n0组扇形分形单元通道的出口端均与集液环槽连通，流体从流体入口进入经分形单元通道后进入集液环槽最终从流体出口流出，n0组扇形分形单元通道覆盖整个基板，流体可向换热器中的各个方向流动，流动的同时带走换热器内的热量，从而实现换热器内的均匀换热，避免局部高温，延长了电子芯片的使用寿命。

直角分形换热器，其次级通道与上级通道呈直角形，由于制冷剂流体在经过直角转弯时会遇到较大的流动阻力，因此现有的分形换热器内流体的压降较大，为了降低分形换热器内流体的压降，每组扇形分形单元通道均包括一条总支路管，所述总支路管连通流体入口和集液环槽，所述总支路管的一侧开设有n1条分叉管路，n1条分叉管路从流体入口到集液环槽依次排列，n1条分叉管路平行且等间隔设置，散热单元中的支路通道可任意密排，大幅提升换热效率，n1条分叉管路的一端均与总支路管连通，另一端均与集液环槽连通，分叉管路靠近集液环槽的一侧与总支路管之间的夹角为锐角θ，在扇形分形单元通道中采用锐角作为分叉角度，流体在经过锐角转弯时遇到的流动阻力较小，降低了流体在通道内的流动阻力；且分叉管路覆盖整个基板，较多的分叉管路提高了本发明换热器的换热效率。

具体的，所述总支路管的深度与若干分叉管路的深度均相等，若干所述分叉管路的宽度相等，所述总支管路的宽度为d0，分叉管路的宽度为d1，d1＝d0β，β表示分形宽度比，当流体为层流时：β＝n1^-3/2，当流体为湍流时：β＝n1^-7/6。根据murray原理：其中n1为支路总数,i为支路级数；当通道流体为层流时，△＝3，β＝n1^-△/2，将△＝3代入β＝n1^-△/2得出β＝n1^-3/2；当通道流体为湍流时，△＝7/3，β＝n1^-△/2，将△＝7/3代入β＝n1^-△/2得出β＝n1^-7/6。

每组扇形分形单元通道中总支路管和若干分叉管路的总长度为ltot，总支路管的长度为r，相邻两条分叉管路之间的距离为j，从流体入口数第i条分叉管路与第一条分叉管路之间的距离为ji，其中：

分叉管路靠近集液环槽的一侧与总支路管之间的夹角为锐角θ，相邻两条分叉管路之间的距离为j，从流体入口数第i条分叉管路与第一条分叉管路之间的距离为ji，n0是扇形分形单元通道的组数，每组扇形分形单元通道中均具有一条总支路管，总之路管的个数为n0，n1是分叉管路的数量，分叉管路的数量不能小于1，根据几何关系得到以下数学关系式：

n1＝rsinθ/j.(1-2)

n0＝360/θ(1-3)

将(1-1)式、(1-3)式代入(1-4)式，整理后得到如下关系式：

具体的，由于扇形分形单元通道是扇形的，若干个扇形可组成圆形，该扇形分形单元通道使用在圆形基板上的覆盖率较高，所述基板和上盖板的形状和大小完全相同，所述基板和上盖板均为圆形。

具体的，为了加快换热器的换热效率，所述基板的材料为金属材料，金属材料的热传递效率较高。

本发明的有益效果是:本发明的分形微通道换热器，在基板上开设有n0组扇形分形单元通道，n0组扇形分形单元通道关于基板的中心呈圆周阵列均布，n0组扇形分形单元通道在基板上放射状布置，n0组扇形分形单元通道的出口端均与集液环槽连通，流体从流体入口进入经分形单元通道后进入集液环槽最终从流体出口流出，n0组扇形分形单元通道覆盖整个基板，流体可向换热器中的各个方向流动，流动的同时带走换热器内的热量，从而实现换热器内的均匀换热，避免局部高温，延长了电子芯片的使用寿命；在扇形分形单元通道中采用锐角作为分叉角度，流体在经过锐角转弯时遇到的流动阻力较小，降低了流体在通道内的流动阻力；且分叉管路覆盖整个基板，较多的分叉管路提高了本发明换热器的换热效率；散热单元中的支路通道可任意密排，大幅提升换热效率。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是直角分形换热器基板的俯视图；

图2是菱形换热器基板的俯视图；

图3是本发明的三维示意图；

图4是本发明中基板的三维示意图；

图5是本发明中基板的俯视图；

图6是本发明中扇形分形单元通道的二维示意图；

图7是本发明实施例1中的分叉管路靠近集液环槽的一侧与总支路管之间的夹角θ与每组扇形分形单元通道中总支路管和若干分叉管路的总长度ltot之间的关系图；

图8是本发明实施例2中的分叉管路靠近集液环槽的一侧与总支路管之间的夹角θ与每组扇形分形单元通道中总支路管和若干分叉管路的总长度ltot之间的关系图；

图9是本发明实施例3中的分叉管路靠近集液环槽的一侧与总支路管之间的夹角θ与每组扇形分形单元通道中总支路管和若干分叉管路的总长度ltot之间的关系图。

图中：1.基板，1-1.扇形分形单元通道，1-1-1.总支路管，1-1-2.分叉管路，1-2.集液环槽，1-3.流体出口，2.上盖板，2-1.流体入口。

具体实施方式

现在结合附图对本发明做进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图3和图4所示的一种分形微通道换热器，包括基板1和上盖板2，上盖板2盖设在基板1上，并与基板1密封配合，基板1和上盖板2的形状和大小完全相同，基板1和上盖板2均为圆形，基板1的材料为金属材料。上盖板2的中心位置处开设有流体入口2-1，基板1上开设有n0组扇形分形单元通道1-1，n0组扇形分形单元通道1-1关于基板1的中心呈圆周阵列均布，n0组扇形分形单元通道1-1的进口端相互连通，且均与流体入口2-1连通，基板1上开设有集液环槽1-2，集液环槽1-2包围n0组扇形分形单元通道1-1，n0组扇形分形单元通道1-1的出口端均与集液环槽1-2连通，基板1上开设有流体出口1-3，流体出口1-3与集液环槽1-2连通。

本发明的分形微通道换热器，在基板1上开设有n0组扇形分形单元通道1-1，n0组扇形分形单元通道1-1关于基板1的中心呈圆周阵列均布，n0组扇形分形单元通道1-1在基板1上放射状布置，n0组扇形分形单元通道1-1的出口端均与集液环槽1-2连通，流体从流体入口2-1进入经分形单元通道后进入集液环槽1-2最终从流体出口1-3流出，n0组扇形分形单元通道1-1覆盖整个基板1，流体可向换热器中的各个方向流动，流动的同时带走换热器内的热量，从而实现换热器内的均匀换热，避免局部高温，延长了电子芯片的使用寿命。

直角分形换热器，其次级通道与上级通道呈直角形，由于制冷剂流体在经过直角转弯时会遇到较大的流动阻力，因此现有的分形换热器内流体的压降较大，为了降低分形换热器内流体的压降，每组扇形分形单元通道1-1均包括一条总支路管1-1-1，总支路管1-1-1连通流体入口2-1和集液环槽1-2，总支路管1-1-1的一侧开设有n1条分叉管路1-1-2，n1条分叉管路1-1-2从流体入口2-1到集液环槽1-2依次排列，如图5和图6所示，n1条分叉管路1-1-2平行且等间隔设置，散热单元中的支路通道可任意密排，大幅提升换热效率，n1条分叉管路1-1-2的一端均与总支路管1-1-1连通，另一端均与集液环槽1-2连通，分叉管路1-1-2靠近集液环槽1-2的一侧与总支路管1-1-1之间的夹角为锐角θ，在扇形分形单元通道1-1中采用锐角作为分叉角度，流体在经过锐角转弯时遇到的流动阻力较小，降低了流体在通道内的流动阻力；且分叉管路1-1-2覆盖整个基板1，较多的分叉管路1-1-2提高了本发明换热器的换热效率。

总支路管1-1-1的深度与若干分叉管路1-1-2的深度均相等，若干分叉管路1-1-2的宽度相等，总支管路的宽度为d0，分叉管路1-1-2的宽度为d1，d1＝d0β，β表示分形宽度比，当流体为层流时：β＝n1^-3/2，当流体为湍流时：β＝n1^-7/6。根据murray原理：其中n1为支路总数,i为支路级数；当通道流体为层流时，△＝3，β＝n1^-△/2，将△＝3代入β＝n1^-△/2得出β＝n1^-3/2；当通道流体为湍流时，△＝7/3，β＝n1^-△/2，将△＝7/3代入β＝n1^-△/2得出β＝n1^-7/6。

每组扇形分形单元通道1-1中总支路管1-1-1和若干分叉管路1-1-2的总长度为ltot，总支路管1-1-1的长度为r，相邻两条分叉管路1-1-2之间的距离为j，从流体入口2-1数第i条分叉管路1-1-2与第一条分叉管路1-1-2之间的距离为ji，其中：

分叉管路1-1-2靠近集液环槽1-2的一侧与总支路管1-1-1之间的夹角为锐角θ，相邻两条分叉管路1-1-2之间的距离为j，从流体入口2-1数第i条分叉管路1-1-2与第一条分叉管路1-1-2之间的距离为ji，n0是扇形分形单元通道1-1的组数，每组扇形分形单元通道1-1中均具有一条总支路管1-1-1，总之路管的个数为n0，n1是分叉管路1-1-2的数量，分叉管路1-1-2的数量不能小于1，根据几何关系得到以下数学关系式：

n1＝rsinθ/j.(1-2)

n0＝360/θ(1-3)

将(1-1)式、(1-3)式代入(1-4)式，整理后得到如下关系式：

实施例1：

锐角θ的角度范围在(0，90)之间，圆形换热器基板1是具有规格的，将r设定为10mm，j设定为0.5mm，通过上述公式计算出θ在0°到90°之间任意取值后，每组扇形分形单元通道1-1中总支路管1-1-1和若干分叉管路1-1-2的总长度变化曲线图；由图7可以看出，θ在60°到90°之间时，每组扇形分形单元通道1-1中总支路管1-1-1和若干分叉管路1-1-2的总长度较长，换热器的换热效率较好，当扇形分形单元通道1-1具有5组，每组扇形分形单元通道1-1中分叉管路1-1-2靠近集液环槽1-2的一侧与总支路管1-1-1之间的夹角为75°，每组扇形分形单元通道1-1中的分叉管路1-1-2个数为19条时，每组扇形分形单元通道1-1中总支路管1-1-1和若干分叉管路1-1-2的总长度最长，换热器的换热效率最高。

实施例2：

将r设定为15mm，j设定为0.5mm，通过上述公式计算出θ在0°到90°之间任意取值后，每组扇形分形单元通道1-1中总支路管1-1-1和若干分叉管路1-1-2的总长度变化曲线图；由图8可以看出，θ在60°到90°之间时，每组扇形分形单元通道1-1中总支路管1-1-1和若干分叉管路1-1-2的总长度较长，换热器的换热效率较好，当扇形分形单元通道1-1具有5组，每组扇形分形单元通道1-1中分叉管路1-1-2靠近集液环槽1-2的一侧与总支路管1-1-1之间的夹角为75°，每组扇形分形单元通道1-1中的分叉管路1-1-2个数为19条时，每组扇形分形单元通道1-1中总支路管1-1-1和若干分叉管路1-1-2的总长度最长，换热器的换热效率最高。

实施例3：

将r设定为10mm，j设定为0.4mm，通过上述公式计算出θ在0°到90°之间任意取值后，每组扇形分形单元通道1-1中总支路管1-1-1和若干分叉管路1-1-2的总长度变化曲线图；由图9可以看出，θ在60°到90°之间时，每组扇形分形单元通道1-1中总支路管1-1-1和若干分叉管路1-1-2的总长度较长，换热器的换热效率较好，当扇形分形单元通道1-1具有5组，每组扇形分形单元通道1-1中分叉管路1-1-2靠近集液环槽1-2的一侧与总支路管1-1-1之间的夹角为75°，每组扇形分形单元通道1-1中的分叉管路1-1-2个数为19条时，每组扇形分形单元通道1-1中总支路管1-1-1和若干分叉管路1-1-2的总长度最长，换热器的换热效率最高。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。