CN117641850B - 一种仿生植物根茎的歧管微通道散热装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种仿生植物根茎的歧管微通道散热装置，属于微小空间内的冷却散热装置技术领域，包括：隔热块以及仿生植物根茎散热部，仿生植物根茎散热部嵌固在隔热块上且其上设有仿生植物双根茎形结构的歧管微通道。本发明改善传统歧管微通道的散热结构，通过拓扑优化设计方法，将仿生基板内部的歧管微通道设计为仿生植物双根茎形结构，由于散热工质从进液孔B处进入，经进液孔A‑进液孔C‑出液孔C‑出液孔A，从出液孔B处流出，在散热工质流经歧管微通道时，可以提高散热工质的传热效率，降低散热工质的流动阻力。
Description
技术领域
本发明涉及微小空间内的冷却散热装置技术领域，特别涉及一种仿生植物根茎的歧管微通道散热装置。
背景技术
高效散热技术在许多不同的行业中备受关注，例如，电子器件、太阳能收集器、聚变能转换系统、熔炉工程等等。在各式各样的机械系统中，为避免由于高温导致系统寿命缩短以及电子元件的永久性损害，必须对器件内的热量进行有效控制。由于相对较小的传热结构尺寸及相对较强的散热能力，歧管微通道散热装置已经逐渐成为广泛采用的散热设备之一。随着电子器件功率密度的不断提高，歧管微通道热沉中的冷却工质单相强制对流传热已逐渐不能满足元件热负荷日益增长的散热需求。近年来，歧管微通道散热装置的两相流传热引起了广泛关注，这是因为利用冷却工质的汽化潜热可显著提高传热系数。然而，受限于分层结构的加工难度高以及制造成本大，歧管微通道散热装置中的通道结构型式主要集中于平行矩形直通道。传统的平行矩形直微通道底面温度沿着流体流动方向明显升高，容易形成热点。要提升歧管微通道散热装置的传热性能可从修饰冷却通道表面和改进冷却通道结构两方面入手。然而，功能性表面在高温条件下的耐久性不佳阻碍了该方法的实际应用。相对而言，冷却通道的几何结构设计在近年来受到了广泛关注，因为该方法通常基于流体动力学特性，能确保流体的流量分布均匀性，并在传热过程中最大程度地增加流体与热交换表面的接触面积。自然界中的生物系统经过数十亿年的进化，发展出了一套巧妙的材料拓扑结构、简单但高效的控制模式和多功能的表面形态以适应环境变化。
因此，仿生学对于散热结构的设计提供了极高的借鉴意义。基于上述背景，需要结合仿生学设计，开发具有高效散热特性的歧管微通道散热装置，以降低电子设备的工作温度以延长其使用寿命。
发明内容
本发明提供一种仿生植物根茎的歧管微通道散热装置，解决现有歧管微通道散热装置的散热能力有限以及流动阻力较高的技术问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下，一种仿生植物根茎的歧管微通道散热装置，包括：隔热块以及仿生植物根茎散热部，
所述隔热块的顶面设有相通的第一凹槽和第二凹槽，所述第一凹槽的槽底设有进液孔A和出液孔A，所述隔热块相对的两侧分别设有进液孔B和出液孔B，所述进液孔B与所述进液孔A连通，所述出液孔B与所述出液孔A连通，所述第二凹槽贯穿所述隔热块的侧部；所述仿生植物根茎散热部包括加热块和仿生基板，所述加热块置于所述第二凹槽且且靠近所述隔热块的侧面设有插接孔，所述插接孔内插接有加热棒；所述仿生基板置于所述第一凹槽内且通过连接条板固定在所述加热块远离所述隔热块的侧面，所述仿生基板内设有歧管微通道，所述歧管微通道的槽底设有进液孔C和出液孔C，所述进液孔C分别与所述进液孔A和所述进液孔B连通，所述出液孔C分别与所述出液孔A和所述出液孔B连通。
本发明的有益效果是：改善传统歧管微通道的散热结构，通过拓扑优化设计方法，在仿生基板上设计歧管微通道，由于散热工质从进液孔B处进入，经进液孔A-进液孔C-出液孔C-出液孔A，从出液孔B处流出，在散热工质流经歧管微通道时，可以提高散热工质的传热效率，降低散热工质的流动阻力。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述歧管微通道为矩形歧管微通道、仿生植物双根茎形歧管微通道或仿生植物多根茎形歧管微通道。
进一步，所述矩形歧管微通道包括进液过渡槽、出液过渡槽和连接过渡槽，所述进液过渡槽和所述出液过渡槽对称布置；所述进液孔C设在所述进液过渡槽的槽底；所述出液孔C设在所述出液过渡槽的槽底；所述连接过渡槽距所述进液孔C和所述出液孔C预定距离且连通所述进液过渡槽和所述出液过渡槽。
进一步，还包括隔热板组，所述隔热板组包括底隔热板、两块侧隔热板和顶隔热板，所述底隔热板固定在所述加热块的底面且与所述第二凹槽的槽底接触；两块侧隔热板分别固定在所述加热块的相对的两侧且分别与所述第二凹槽的两侧槽壁接触；所述顶隔热板固定在所述加热块的顶面。
采用上述进一步的有益效果是:通过在加热块的顶面、两侧面和底面固定底隔热板、侧隔热板和顶隔热板，可以避免加热块的热量扩散到隔热块上。
进一步，所述底隔热板、两块所述侧隔热板和所述顶隔热板均为云母板
进一步，还包括：盖板、多个螺栓以及多个螺母，所述加热块对应所述第一凹槽和所述第二凹槽外侧的顶面设有多个固定孔；所述盖板对应所述加热块、所述仿生基板和所述连接条板的上方置于所述隔热块的顶面上，所述盖板上设有多个安装孔且多个所述安装孔分别与多个所述固定孔相对布置；多个所述螺栓分别依次穿过多个相对布置的固定孔和安装孔；多个所述螺母均位于所述隔热块的下方且分别螺纹连接在多个所述螺栓上。
进一步，所述盖板为耐热玻璃材质。
采用上述进一步的有益效果是:采用耐热玻璃的透明特性，可以直观观察散热工质的流动过程。
进一步，还包括密封垫圈，所述隔热块对应所述第一凹槽外侧的顶面设有环形或框形的第三凹槽，所述密封垫圈置于所述第三凹槽内。
采用上述进一步的有益效果是：环形或矩形的第三凹槽位于第一凹槽内的外周侧，也就位于仿生基板的歧管微通道的外侧，密封垫圈置于第三凹槽内，可以避免歧管微通道内的散热工质泄漏，防止水电或火灾发生。
进一步，还包括密封垫，所述密封垫对应所述仿生基板的下方铺设在所述第一凹槽内，所述密封垫上设有进液孔D和出液孔D，所述进液孔D与所述进液孔A和所述进液孔C对应连通，所述出液孔D与所述出液孔A和所述出液孔C对应连通。
采用上述进一步的有益效果是:通过将密封垫铺设在第一凹槽槽底与仿生基板之间，可以避免进液孔A至进液孔C之间的散热工质泄漏、出液孔A和出液孔C之间的散热工质泄漏，防止水电或火灾发生。
进一步，所述第一凹槽的槽底设有多个测温通孔；所述连接条板上设有多个测温孔且多个所述测温孔与多个所述测温通孔相对应。
附图说明
图1为本发明一种仿生植物根茎的歧管微通道散热装置爆炸结构示意图；
图2为本发明一种仿生植物根茎的歧管微通道散热装置中隔热板组的立体结构示意图；
图3为本发明一种仿生植物根茎的歧管微通道散热装置中仿生植物根茎散热部的立体结构示意图；
图4为本发明一种仿生植物根茎的歧管微通道散热装置中仿生植物根茎散热部的内部结构示意图；
图5为本发明一种仿生植物根茎的歧管微通道散热装置中仿生植物根茎散热部的俯视结构示意图；
图6为本发明一种仿生植物根茎的歧管微通道散热装置中密封垫的立体结构示意图；
图7为本发明一种仿生植物根茎的歧管微通道散热装置中隔热块的立体结构示意图；
图8为本发明一种仿生植物根茎的歧管微通道散热装置中隔热块的内部结构示意图；
图9为本发明一种仿生植物根茎的歧管微通道散热装置内两相流型分布图；
图10为本发明一种仿生植物根茎的歧管微通道散热装置内传热系数曲线图；
图11为本发明一种仿生植物根茎的歧管微通道散热装置内流动阻力曲线图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、隔热块，11、第一凹槽，12、第二凹槽，13、进液孔A，14、出液孔A，15、进液孔B，16、出液孔B，17、第三凹槽，18、测温通孔，2、仿生植物根茎散热部，21、加热块，22、仿生基板，23、连接条板，24、歧管微通道，25、进液过渡槽，26、出液过渡槽，27、连接过渡槽，28、进液孔C，29、出液孔C，210、测温孔，211、插接孔，212、矩形结构歧管微通道，213、仿生植物双根茎形歧管微通道，214、仿生植物多根茎形结构歧管微通道，3、加热棒，4、隔热板组，41、底隔热板，42、侧隔热板，43、顶隔热板，5、盖板，6、螺栓，7、螺母，8、密封垫圈，9、密封垫，91、进液孔D，92、出液孔D。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1，如图1、图3和图5所示，一种仿生植物根茎的歧管微通道散热装置，包括：隔热块1和仿生植物根茎散热部2，隔热块1的顶面设有相通的第一凹槽11和第二凹槽12，第一凹槽11的槽底设有进液孔A13和出液孔A14，隔热块1相对的两侧分别设有进液孔B15和出液孔B16，进液孔B15与进液孔A13连通，出液孔B16与出液孔A14连通，第二凹槽12贯穿隔热块1的侧部；仿生植物根茎散热部2包括加热块21和仿生基板22，加热块21置于第二凹槽12且且靠近隔热块1的侧面设有插接孔211，插接孔211内插接有加热棒3；仿生基板22置于第一凹槽11内且通过连接条板23固定在加热块21远离隔热块1的侧面，仿生基板22内设有歧管微通道24，歧管微通道24的槽底设有进液孔C28和出液孔C29，进液孔C28分别与进液孔A13和进液孔B15连通，出液孔C29分别与出液孔A14和出液孔B16连通。
在一些具体实施例中，歧管微通道24为矩形歧管微通道212、仿生植物双根茎形歧管微通道213或仿生植物多根茎形歧管微通道214。
在一些具体实施例中，矩形歧管微通道212可以包括进液过渡槽25、出液过渡槽26和连接过渡槽27，进液过渡槽25和出液过渡槽26对称布置；进液孔C28设在进液过渡槽25的槽底；出液孔C29设在出液过渡槽26的槽底；连接过渡槽27距进液孔C28和出液孔C29预定距离且连通进液过渡槽25和出液过渡槽26。
在一些具体实施例中，还可以包括隔热板组4，隔热板组4包括底隔热板41、两块侧隔热板42和顶隔热板43，底隔热板41固定在加热块21的底面且与第二凹槽12的槽底接触；两块侧隔热板42分别固定在加热块21的相对的两侧且分别与第二凹槽12的两侧槽壁接触；顶隔热板43固定在加热块21的顶面。
具体地，底隔热板41、两块侧隔热板42和顶隔热板43均为云母板。
在一些具体实施例中，还可以包括：盖板5、多个螺栓6和多个螺母7，加热块21对应第一凹槽11和第二凹槽12外侧的顶面设有多个固定孔；盖板5对应加热块21、仿生基板22和连接条板23的上方置于隔热块1的顶面上，盖板5上设有多个安装孔且多个安装孔分别与多个固定孔相对布置；多个螺栓6分别依次穿过多个相对布置的固定孔和安装孔；多个螺母7均位于隔热块1的下方且分别螺纹连接在多个螺栓6上。
具体地，盖板5为耐热玻璃材质。
在一些具体实施例中，还可以包括密封垫圈8，隔热块1对应第一凹槽11外侧的顶面设有环形或框形的第三凹槽17，密封垫圈8置于第三凹槽17内。
在一些具体实施例中，还可以包括密封垫9，密封垫9对应仿生基板22的下方铺设在第一凹槽11内，密封垫9上设有进液孔D91和出液孔D92，进液孔D91与进液孔A13和进液孔C28对应连通，出液孔D92与出液孔A14和出液孔C29对应连通。
在一些具体实施例中，第一凹槽11的槽底可以设有多个测温通孔18；连接条板23上设有多个测温孔210且多个测温孔210与多个测温通孔18相对应。
实施例2
本实施例基于实施例1，螺栓6的螺杆高度为62mm，最外侧四个角落共12个，螺栓连接孔的直径为9mm，中间四个连接通孔的直径为6mm；盖板5的长×宽×高尺寸为126mm×100mm×5mm，密封垫圈8厚度为2mm，密封垫圈8外侧矩形尺寸为56mm×44mm，内侧矩形尺寸44mm×32mm，顶隔热板73的长×宽×高尺寸为44mm×22mm×2mm，底隔热板41的长×宽×高尺寸为50mm×22mm×2mm，侧隔热板42的长×宽×高尺寸均为50mm×14mm×2mm，仿生植物根茎散热部2的总长度为88mm，宽度为18mm，高度为14mm，仿生基板22的进液孔C28和出液孔C29的直径均为5mm，深度为2mm，歧管微通道24入口宽度和出口宽度均为0.5mm，歧管微通道长度为2mm，矩形歧管微通道212的通道宽度为0.5mm，仿生植物双根茎形结构歧管微通道213的通道最小宽度为0.19mm，仿生植物多根茎形结构歧管微通道214的通道最小宽度为0.08mm，三种结构的微通道深度均为0.5mm，连接条板23的三个测温孔210直径为0.5mm，深度为2mm，相邻两个测温孔210的间距为2mm，加热块21的测温通孔18直径为8mm，深度为50mm，密封垫圈8的轮廓为矩形和梯形构成，矩形轮廓长宽分别18mm和10mm，梯形轮廓上底和下底宽度分别为4mm和18mm，梯形轮廓高度为10mm，密封垫9的厚度为2mm，进液孔D91和出液孔D92的直径为5mm，底部隔热块的长×宽×高尺寸126mm×100mm×40mm，第三凹槽17深度为2mm，第一凹槽深度为4mm，测温通孔的深度为38mm，长方体空腔长×宽×高尺寸为50mm×22mm×18mm。
实施例3
本实施例中，对仿生植物根茎形歧管微通道散热装置的测试性能进行说明。
实验条件：仿生植物根茎形歧管微通道散热部件采用铬锆铜制成，并且冷却工质为去离子水。入口条件为：冷却工质入口流量为50mL/min，入口温度为20℃。加热棒的总发热功率：10W-100W。
实验结果：不同结构的歧管微通道散热装置内的两相流型分布图如图9所示，当流动沸腾发生时，歧管微通道24内出现了气泡流、受限气泡流、段塞流和完全段塞流四种两相流型。
图10为不同结构的歧管微通道散热装置内的传热系数曲线，其中三种歧管微通道散热装置的传热系数随着加热功率的增加而增大。当流动沸腾发生时，仿生植物双根茎形结构的歧管微通道213展示出最高的传热系数，矩形歧管微通道212具有最低的传热系数。与矩形结构歧管微通道212相比，仿生植物双根茎形结构的歧管微通道213传热系数最高增加了10.1％。与矩形结构歧管微通道212和仿生植物多根茎形结构歧管微通道214相比，仿生植物双根茎形结构的歧管微通道213的传热系数最高增加了7.3％。
图11为不同结构的歧管微通道散热装置内的流动阻力曲线，其中三种歧管微通道散热装置的流动阻力数随着加热功率的增加而增大。当流动沸腾发生时，仿生植物双根茎形结构的歧管微通道213具有最低的流动阻力。与矩形结构歧管微通道212相比，仿生植物双根茎形结构的歧管微通道213流动阻力最高降低了38.2％。由于仿生植物多根茎形结构歧管微通道214的通道尺寸较为细窄，这会导致流动阻力的显著增加。与矩形歧管微通道212相比，仿生植物多根茎形结构歧管微通道214流动阻力最高增加了18.2％，最高降低了1.4％。
综上所述，采用仿生植物双根茎形歧管微通道代替传统矩形结构歧管微通道212，可以显著的提高散热效率并减小流动阻力。采用仿生植物多根茎形结构歧管微通道214代替传统矩形结构歧管微通道212，可以显著的提高散热效率但存在少量的流动阻力增加。
以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种仿生植物根茎的歧管微通道散热装置，其特征在于，包括：
隔热块(1)，所述隔热块(1)的顶面设有相通的第一凹槽(11)和第二凹槽(12)，所述第一凹槽(11)的槽底设有进液孔A(13)和出液孔A(14)，所述隔热块(1)相对的两侧分别设有进液孔B(15)和出液孔B(16)，所述进液孔B(15)与所述进液孔A(13)连通，所述出液孔B(16)与所述出液孔A(14)连通，所述第二凹槽(12)贯穿所述隔热块(1)的侧部；
仿生植物根茎散热部(2)，所述仿生植物根茎散热部(2)包括加热块(21)和仿生基板(22)，所述加热块(21)置于所述第二凹槽(12)且靠近所述隔热块(1)的侧面设有插接孔(211)，所述插接孔(211)内插接有加热棒(3)；所述仿生基板(22)置于所述第一凹槽(11)内且通过连接条板(23)固定在所述加热块(21)远离所述隔热块(1)的侧面，所述仿生基板(22)内设有歧管微通道(24)，所述歧管微通道(24)的槽底设有进液孔C(28)和出液孔C(29)，所述进液孔C(28)分别与所述进液孔A(13)和所述进液孔B(15)连通，所述出液孔C(29)分别与所述出液孔A(14)和所述出液孔B(16)连通。
2.根据权利要求1所述的一种仿生植物根茎的歧管微通道散热装置，其特征在于，所述歧管微通道(24)为矩形歧管微通道(212)、仿生植物双根茎形歧管微通道(213)或仿生植物多根茎形歧管微通道(214)。
3.根据权利要求2所述的一种仿生植物根茎的歧管微通道散热装置，其特征在于，所述矩形歧管微通道(212)包括进液过渡槽(25)、出液过渡槽(26)和连接过渡槽(27)，所述进液过渡槽(25)和所述出液过渡槽(26)对称布置；所述进液孔C(28)设在所述进液过渡槽(25)的槽底；所述出液孔C(29)设在所述出液过渡槽(26)的槽底；所述连接过渡槽(27)距所述进液孔C(28)和所述出液孔C(29)预定距离且连通所述进液过渡槽(25)和所述出液过渡槽(26)。
4.根据权利要求1所述的一种仿生植物根茎的歧管微通道散热装置，其特征在于，还包括隔热板组(4)，所述隔热板组(4)包括底隔热板(41)、两块侧隔热板(42)和顶隔热板(43)，所述底隔热板(41)固定在所述加热块(21)的底面且与所述第二凹槽(12)的槽底接触；两块侧隔热板(42)分别固定在所述加热块(21)的相对的两侧且分别与所述第二凹槽(12)的两侧槽壁接触；所述顶隔热板(43)固定在所述加热块(21)的顶面。
5.根据权利要求4所述的一种仿生植物根茎的歧管微通道散热装置，其特征在于，所述底隔热板(41)、两块所述侧隔热板(42)和所述顶隔热板(43)均为云母板。
6.根据权利要求1所述的一种仿生植物根茎的歧管微通道散热装置，其特征在于，还包括：
盖板(5)，所述加热块(21)对应所述第一凹槽(11)和所述第二凹槽(12)外侧的顶面设有多个固定孔；所述盖板(5)对应所述加热块(21)、所述仿生基板(22)和所述连接条板(23)的上方置于所述隔热块(1)的顶面上，所述盖板(5)上设有多个安装孔且多个所述安装孔分别与多个所述固定孔相对布置；
多个螺栓(6)，多个所述螺栓(6)分别依次穿过多个相对布置的固定孔和安装孔；
多个螺母(7)，多个所述螺母(7)均位于所述隔热块(1)的下方且分别螺纹连接在多个所述螺栓(6)上。
7.根据权利要求6所述的一种仿生植物根茎的歧管微通道散热装置，其特征在于，所述盖板(5)为耐热玻璃材质。
8.根据权利要求1所述的一种仿生植物根茎的歧管微通道散热装置，其特征在于，还包括密封垫圈(8)，所述隔热块(1)对应所述第一凹槽(11)外侧的顶面设有环形或框形的第三凹槽(17)，所述密封垫圈(8)置于所述第三凹槽(17)内。
9.根据权利要求1所述的一种仿生植物根茎的歧管微通道散热装置，其特征在于，还包括密封垫(9)，所述密封垫(9)对应所述仿生基板(22)的下方铺设在所述第一凹槽(11)内，所述密封垫(9)上设有进液孔D(91)和出液孔D(92)，所述进液孔D(91)与所述进液孔A(13)和所述进液孔C(28)对应连通，所述出液孔D(92)与所述出液孔A(14)和所述出液孔C(29)对应连通。
10.根据权利要求1所述的一种仿生植物根茎的歧管微通道散热装置，其特征在于，所述第一凹槽(11)的槽底设有多个测温通孔(18)；所述连接条板(23)上设有多个测温孔(210)且多个所述测温孔(210)与多个所述测温通孔(18)相对应。
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