一种流动减阻的非均匀微通道热沉及设计方法

本发明涉及微通道换热，尤其是涉及一种流动减阻的非均匀微通道热沉及设计方法。

背景技术：

1、随着信息技术的快随迭代，电子元件正向高度集成化、微型化发展，导致单位面积的产热量迅速升高。现有的高功率电子元件局部热流密度已突破1000w/cm2，远超出传统风冷技术的散热极限，如大功率led、激光二极管阵列、超高性能处理器等。如果不能将产生的热量及时有效地导出，势必导致器件温度的升高，造成器件工作性能的下降，甚至烧毁。

2、微通道热沉是一种紧凑型高效换热器，已广泛应用于高功率电子元件的散热。通过在基板上加工数十条以上的细长微通道(水力直径约50～1000μm)，一方面形成远大于常规换热器的换热面积，另一方面微尺度效应使微通道内对流传热增强。然而，狭小的微通道截面导致较大的流动阻力，这就需要消耗较多的泵功。流动阻力的大小与微通道的结构有关。在满足散热要求的前提下，应采用流动阻力较小的微通道结构，从而确保冷却系统较高的经济效益，有助于节能减排。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种流动减阻的非均匀微通道热沉及设计方法，利用解析表达式，结合多目标优化算法，可以快速得到总热阻和总泵功率均达到最低的非均匀微通道最优结构参数。相比于传统的均匀微通道热沉，通过优化所得最优热沉在相同散热性能下显著节省泵功率，从而实现更高的经济效益。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种流动减阻的非均匀微通道热沉，非均匀微通道热沉由冷却液入口、入口分液槽、非均匀微通道、出口集液槽、冷却液出口、热沉底板、热沉盖板组成；热沉底板与热沉盖板通过胶粘或螺栓连接实现密封，防止冷却液从缝隙流出；冷却液由冷却液入口流入，经过入口分液槽分配至非均匀微通道，通过非均匀微通道壁面吸收热量后，汇入出口集液槽，最后由冷却液出口流出。

3、优选的，非均匀微通道由若干高度相同、宽度不同的微通道构成，微通道沿热沉中心线对称分布，宽度由热沉中心线向两侧依次减小。

4、优选的，非均匀微通道采用若干高度相同、部分宽度相同的微通道构成，微通道沿热沉中心线对称分布，宽度由热沉中心线向两侧依次减小。

5、本发明还提供了一种流动减阻的非均匀微通道热沉的设计方法，包括以下步骤：

6、s1、对于非均匀微通道的第n个通道单元，固体部分的能量方程为：

7、

8、其中，ts为固体温度，λs为固体导热系数，ww,n为第n个单元的壁厚，hn为对流换热系数，tf为流体温度；

9、流体部分的能量方程为：

10、

11、其中，为第n个微通道单元的质量流量，cp为比热容；qin为自壁面输入的热流密度，wn为第n个微通道单元的宽度；

12、边界条件为：

13、

14、其中，hc为微通道的高度，tin为流体的入口温度；

15、代入边界条件(3)，联立求解公式(1)和(2)，得到第n个通道单元的热阻表达式：

16、

17、其中，ρf为冷却液密度，vin,n为通道单元的入口流速，wc,n为通道单元宽度，hb为通道单元基底厚度，l为通道单元长度；

18、

19、

20、其中，hn是对流传热系数；

21、s2、通道单元的压降由达西-魏斯巴赫公式得到：

22、

23、其中，fn为通道单元的水力摩擦系数；

24、s3、根据并联电路原理，各支路总电阻的倒数为各支路电阻倒数的和，得到总热阻表达式：

25、

26、其中n为微通道的总数；

27、根据并联电路原理，各支路总电阻的倒数为各支路电阻倒数的和，得到总流阻表达式：

28、

29、其中，rf,n为第n个通道单元的流阻，表达式为：

30、

31、其中，μ为冷却液的动力粘度；

32、f(α)n的表达式为：

33、

34、s4、所有微通道部分的压降为：

35、

36、其中，为冷却液总体积流量；

37、热沉的总压降为：

38、δptotal＝δpch+δpj

39、其中，δpj为热沉的局部压降；

40、满足总压降需要的泵功率为：

41、

42、通过多目标优化算法，以总热阻rth,total和泵功率p均达到最小为目标，得到最优的参数组合。

43、优选的，步骤s1中，hn由以下经验关联式确定：

44、

45、其中，λf为冷却液的导热系数，dn为通道单元的水力直径，ren为雷诺数，prn为普朗特数。

46、优选的，步骤s2中，fn由以下经验关联式确定：

47、

48、其中，αn为通道的高宽比，

49、因此，本发明采用上述一种流动减阻的非均匀微通道热沉及设计方法，其技术效果如下：

50、(1)采用非均匀微通道可以在确保较好散热性能的前提下，降低流动阻力，从而节省泵功，提高经济性。

51、(2)所推导的热阻和流阻表达式可以快速、准确地预测热沉的性能，无需进行数值求解，从而大大缩减设计周期。

52、(3)所提出的设计方法可以方便地得到最优参数组合，确保所设计的热沉其传热和流动性能均达到最佳。

53、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

技术特征：

1.一种流动减阻的非均匀微通道热沉，其特征在于，非均匀微通道热沉由冷却液入口、入口分液槽、非均匀微通道、出口集液槽、冷却液出口、热沉底板、热沉盖板组成；热沉底板与热沉盖板通过胶粘或螺栓连接实现密封，防止冷却液从缝隙流出；冷却液由冷却液入口流入，经过入口分液槽分配至非均匀微通道，通过非均匀微通道壁面吸收热量后，汇入出口集液槽，最后由冷却液出口流出。

2.根据权利要求1所述的一种流动减阻的非均匀微通道热沉，其特征在于，非均匀微通道由若干高度相同、宽度不同的微通道构成，微通道沿热沉中心线对称分布，宽度由热沉中心线向两侧依次减小。

3.根据权利要求1所述的一种流动减阻的非均匀微通道热沉，其特征在于，非均匀微通道采用若干高度相同、部分宽度相同的微通道构成，微通道沿热沉中心线对称分布，宽度由热沉中心线向两侧依次减小。

4.一种流动减阻的非均匀微通道热沉的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的一种流动减阻的非均匀微通道热沉的设计方法，其特征在于，步骤s1中，hn由以下经验关联式确定：

6.根据权利要求4所述的一种流动减阻的非均匀微通道热沉的设计方法，其特征在于，步骤s2中，fn由以下经验关联式确定：

技术总结
本发明公开了一种流动减阻的非均匀微通道热沉及设计方法，非均匀微通道热沉由冷却液入口、入口分液槽、非均匀微通道、出口集液槽、冷却液出口、热沉底板、热沉盖板组成；设计方法基于能量方程和达西‑魏斯巴赫公式，结合电路并联原理，推导得出非均匀微通道热沉总热阻和总泵功率的解析表达式。本发明采用上述的一种流动减阻的非均匀微通道热沉及设计方法，利用解析表达式，结合多目标优化算法，可以快速得到总热阻和总泵功率均达到最低的非均匀微通道最优结构参数。相比于传统的均匀微通道热沉，通过优化所得最优热沉在相同散热性能下显著节省泵功率，从而实现更高的经济效益。

技术研发人员：邵卫,商学硕,崔峥,栗庆文,王怡欣,曹群,李子睿,王瑞,曾晓昕
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15