一种仿生拓扑微通道换热器及其流体换热实验系统的制作方法

1.本发明涉及微通道强化散热技术领域，尤其涉及一种换热器及其换热实验系统。


背景技术：

2.随着科技的发展和加工手段的进步，电子元器件趋向于微型化，集成化，但由于元器件所产生的热量不变，所以会产生极高的热流密度。如果不能消除这么高的热流，会导致元器件的温度高于它所能承受的温度，从而导致元器件的烧毁与失效。所以越来越微型化的电子元器件等装置对设备的散热能力提出了极高的要求。而由于微通道换热器具有良好的散热效果，第一台微通道换热器的研究者可以实现极高的热流量的冷却，所以现在将微通道技术应用于越来越趋向于集成化的电子设备。


技术实现要素：

3.为了克服现有技术的不足，本发明提供一种仿生拓扑微通道换热器及其流体换热实验系统，克服了现有技术中传统的散热方式不能满足高负荷电子器件的散热要求，且传统的换热器换热效率低及电子器件的温度环境不可靠等问题。
4.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
5.一种仿生拓扑微通道换热器，包括基板(1)和u型槽(2)，其中基板(1)为正六边形，基板(1)包括上盖板(3)和下盖板(4)，上盖板(3)为厚度为1.5mm的正六边形铝合金板，下盖板(4)设有流道，流道由拓扑优化方法得到，设置流道的体积占整个下盖板体积的50％，优化目标为温差最小，利用仿真软件迭代了114次后得到最优流道；基板(1)上设有三个入口(6)和三个出口(7)，入口(6)和出口(7)分别位于正六边形的六个顶角处，且三个入口(6)和三个出口(7)布置为交错式，流道均匀分布在下盖板(4)中；上盖板(3)和下盖板(4)合盖后使整个流道为一个拥有三个入口(6)和三个出口()的密闭独立空间，其中流道的底面平行于下底板的平面，两个u型槽(2)的平面与整个基板(1)的平面平行。
6.所述u型槽(2)设有集流槽(8)和圆管(9)，每个u型槽(2)设有三个集流槽(8)和三个圆管(9)，u型槽(2)与换热器配合后，u型槽(2)内的集流槽(8)的一侧与基板(1)的出口或入口相连通，集流槽(8)的另一侧与圆管(9)的一端相连，圆管(9)的另一端通过软管与分流器或汇流器相连，u型槽(2)的垂直于u型槽(2)平面的一侧还设有压力计的连接管。
7.所述u型槽(2)的内侧设有凸台，其中基板(1)的上下端设有凹槽，u型槽(2)内侧的凸台卡合于基板(1)的凹槽。
8.本发明还提供一种仿生拓扑微通道换热器的流体换热实验系统，包括蠕动泵(14)、液体冷却箱(17)、液体供应箱(15)和测试区，其中测试区包括仿生拓扑微通道换热器(11)、温度采集器(21)、压力计(22)、电加热装置、分流器(12)、汇流器(19)和止流阀，蠕动泵(14)连接于液体供应箱(15)和测试区之间，其中测试区的另一端通过管道连接液体冷却箱(17)，其中液体冷却箱(17)的另一端通过管道连接液体供应箱(15)。
9.所述测试区中，分流器(12)一端通过管道连接蠕动泵(14)，分流器(12)的另一端
通过管道连接仿生拓扑微通道换热器(11)，其中仿生拓扑微通道换热器(11)的另一端通过管道连接汇流器(19)，汇流器(19)的另一端通过管道连接液体冷却箱(17)，电加热装置包括直流电源(18)和热源(20)，其中热源(20)连接直流电源(18)，热源(20)通过导热硅胶设置于仿生拓扑微通道换热器(11)的底面，温度采集器(21)分别连接仿生拓扑微通道换热器(11)的进口端、出口端和仿生拓扑微通道换热器(11)的底面，压力计(22)分别连接仿生拓扑微通道换热器(11)的进口端和出口端，用来测量进水口和出水口的压降。
10.所述止流阀包括第一止流阀(13)和第二止流阀(16)，第一止流阀(13)设置于蠕动泵(14)与测试区之间，控制冷却液进入测试区，第二止流阀(16)设置于液体供应箱(15)与液体冷却箱(17)之间，控制冷却后的流体进入液体供应箱(15)。
11.所述分流器(12)包括第一进水管(23)和第一出水管(24)，其中第一进水管(23)和第一出水管(24)连通，第一进水管(23)为一根，第一出水管(24)为三根，一根第一进水管(23)通过管道连接蠕动泵(14)，三根第一出水管(24)分别连接仿生拓扑微通道换热器(11)的两个u型槽中交错的三个圆管(9)。
12.所述汇流器(19)包括第二进水管(25)和第二出水管(26)，其中第二进水管(25)和第二出水管(26)连通，第二进水管(25)为三根，第二出水管(26)为一根，三根第二进水管(25)分别连接仿生拓扑微通道换热器(11)的两个u型槽交错的三个圆管(9)，其中一根第二出水管(26)通过管道连接液体冷却箱(17)。
13.所述热源(20)由多个薄膜电阻串联组成，串联后的热源(20)由直流电源(18)提供电流，热源(20)除了与仿生拓扑微通道换热器(11)接触的面之外，其余各面上均裹有绝缘材料。
14.本发明的有益效果在于：
15.(1)本发明仿生拓扑微通道换热器的下盖板分布有流道，且流道均匀分布在下盖板中。所述流道有三个入口三个出口，出入口交错分布，冷热流可以很好的混合。本发明流道的出入口设置以及流道的均匀分布可以提高换热器的换热性能以及均温性能，散热效率较高，可满足高负荷电子器件的散热要求，为电子器件提供可靠的温度环境；
16.(2)本发明流体流动换热实验系统包括蠕动泵、液体冷却箱、液体供应箱和测试区其中测试区包括仿生拓扑微通道换热器，所述蠕动泵连接于液体供应箱和测试区之间，其中测试区的另一端通过管道连接液体冷却箱，其中液体冷却箱另一端通过管道连接液体供应箱，所述测试区还包括温度采集器、压力计、电加热装置、分流器和汇流器，本发明流体流动换热实验装置可快速检测换热器的换热效果；
17.(3)本发明仿生拓扑微通道换热器和流体流动换热实验系统结构简单、操作方便、成本低，并大大提高了工作效率。
附图说明
18.图1是本发明一种仿生拓扑微通道换热器的结构示意图。
19.图2是本发明下盖板的结构示意图。
20.图3是本发明u型槽结构示意图。
21.图4是本发明流体流动换热实验系统的连接示意图。
22.图5是本发明分流器结构示意图。
23.图6是本发明汇流器结构示意图。
24.其中，1
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基板，2
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u型槽，3
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上盖板，4
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下盖板，5
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流道，6
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入口，7
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出口，8
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集流槽，9
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圆管，10
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压力计连接管，11
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仿生拓扑微通道换热器，12
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分流器，13
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第一止流阀，14
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蠕动泵，15
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液体供应箱，16
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第二止流阀，17
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液体冷却箱，18
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直流电源，19
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汇流器，20
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热源，21
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温度采集器，22
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压力计，23
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第一进水管，24
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第一出水管，25
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第二进水管，26
‑
第二出水管。
具体实施方式
25.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
26.实施例1
27.如图1～2所示，本发明公开了一种仿生拓扑微通道换热器，包括基板(1)和u型槽(2)，其中u型槽(2)为两个，所述两个u型槽(2)分别配合于基板(1)的相对两侧，所述基板(1)包括上盖板(3)和下盖板(4)，其中下盖板(4)设有流道(5)，所述流道(5)均匀分布于下盖板(4)，所述流道(5)连通三个入口(6)和三个出口(7)，所述上盖板(3)和下盖板(4)合盖使每个流道(5)成为一个具有三个入口和三个出口的密闭独立空间，其中流道(5)所在直线与两个u型槽(2)连接所在直线平行。
28.如图2所示，优选的，所述流道(5)均匀分布于下盖板(4)中，所述流道(5)拥有三个入口6和三个出口7，所述三个入口6和三个出口7交错分布。
29.实施例2
30.如图1～2所示，本发明公开了一种仿生拓扑微通道换热器，包括基板(1)和u型槽(2)，其中u型槽(2)为两个，所述两个u型槽(2)分别配合于基板(1)的相对两侧，所述基板(1)包括上盖板(3)和下盖板(4)，其中下盖板(4)设有流道(5)，所述流道(5)拥有三个入口(6)和三个出口(7)，所述上盖板(3)和下盖板(4)盖合可使通道成为一个具有三个入口三个出口的密闭独立空间，其中流道(5)所在直线与两个u型槽(2)连接所在直线平行
31.如图2所示，优选的，所述流道(5)均匀分布于下盖板(4)中，所述流道(5)拥有三个入口(6)和三个出口(7)，所述三个入口(6)和三个出口(7)交错分布。
32.如图3所示，优选的，所述u型槽(2)设有集流槽(8)和圆管(9)，其中圆管(9)的个数为六个，所述集流槽(8)分别与六个圆管(9)相连通，所述基板(1)设有流道(5)的出入口可与集流槽(8)卡合对接，所述u型槽(2)一侧还设有压力计连接管(10)。
33.如图3所示，优选的，所述u型槽(2)的内侧设有凸台，其中基板(1)的上下端设有凹槽，所述u型槽(2)内侧的凸台卡合于基板(1)的凹槽。
34.实施例3
35.如图1～2所示，本发明公开了一种仿生拓扑微通道换热器，包括基板(1)和u型槽(2)，其中u型槽(2)为两个，所述两个u型槽(2)分别配合于基板(1)的相对两侧，所述基板(1)包括上盖板(3)和下盖板(4)，其中下盖板(4)设有流道(5)，所述流道(5)拥有三个入口(6)和三个出口(7)，所述上盖板(3)和下盖板(4)盖合可使通道成为一个具有三个入口三个出口的密闭独立空间，其中流道(5)所在直线与两个u型槽(2)连接所在直线平行
36.如图2所示，优选的，所述流道(5)均匀分布于下盖板(4)中，所述流道(5)拥有三个入口6和三个出口7，所述三个入口6和三个出口(7)交错分布。
37.如图3所示，优选的，所述u型槽(2)设有集流槽(8)和圆管(9)，其中圆管(9)的个数为六个，所述集流槽(8)分别与六个圆管(9)相连通，所述基板(1)设有流道(5)的出入口可与集流槽(8)卡合对接，所述u型槽(2)一侧还设有压力计连接管(10)。
38.如图3所示，优选的，所述u型槽(2)内侧设有凸台，其中基板(1)上下端设有凹槽，所述u型槽(2)内侧的凸台可以卡合于基板(1)的凹槽。
39.如图4所示，优选的，一种如上所述的用于测试仿生拓扑微通道换热器的流体流动换热实验装置，包括蠕动泵(14)、液体供应箱(15)、液体冷却箱(17)和测试区，其中测试区包括仿生拓扑微通道换热器(11)，所述蠕动泵(14)连接于液体供应箱(15)和测试区之间，其中测试区的另一端通过管道连接连接液体冷却箱(17)，其中液体冷却箱(17)另一端通过管道连接液体供应箱(15)。
40.如图4所示，优选的，还包括止流阀，其中止流阀包括第一止流阀(13)和第二止流阀(16)，其中第一止流阀(13)设置于蠕动泵(14)与测试区之间，其中第二止流阀(16)设置于液体冷却箱(17)与液体供应箱(15)之间。
41.如图4所示，优选的，所述测试区还包括温度采集器(21)、压力计(22)、电加热装置、分流器(12)和汇流器(19)，其中分流器(12)一端通过管道连接蠕动泵(14)，所述分流器(12)另一端通过管道连接仿生拓扑微通道换热器(11)，其中仿生拓扑微通道换热器(11)另一端通过管道连接汇流器(19)，所述汇流器(19)另一端通过管道连接液体冷却箱(17)，所述电加热装置包括直流电源(18)和热源(20)，其中热源(20)连接直流电源(18)，所述热源(20)设置于仿生拓扑微通道换热器(11)一端面，所述温度采集器(21)分别连接仿生拓扑微通道换热器(11)的进口端(6)和出口端(7)、热源(20)、液体供应箱(15)和液体冷却箱(17)，所述压力计(22)分别连接仿生拓扑微通道换热器(11)的进口端(6)和出口端(7)。
42.实施例5
43.如图1～2所示，本发明公开了一种仿生拓扑微通道换热器，包括基板(1)和u型槽(2)，其中u型槽(2)为两个，所述两个u型槽(2)分别配合于基板(1)的相对两侧，所述基板(1)包括上盖板(3)和下盖板(4)，其中下盖板(4)设有流道(5)，所述流道(5)拥有三个入口6和三个出口7，所述上盖板(3)和下盖板(4)盖合可使通道成为一个具有三个入口三个出口的密闭独立空间，其中流道(5)所在直线与两个u型槽(2)连接所在直线平行
44.如图2所示，优选的，所述流道(5)均匀分布于下盖板(4)中，所述流道(5)拥有三个入口(6)和三个出口(7)，所述三个入口(6)和三个出口(7)交错分布。
45.如图3所示，优选的，所述u型槽(2)设有集流槽(8)和圆管(9)，其中圆管(9)的个数为六个，所述集流槽(8)分别与六个圆管(9)相连通，所述基板(1)设有流道(5)的出入口可与集流槽(8)卡合对接，所述u型槽(2)一侧还设有压力计连接管(10)。
46.如图3所示，优选的，所述u型槽(2)内侧设有凸台，其中基板(1)上下端设有凹槽，所述u型槽(2)内侧的凸台可以卡合于基板(1)的凹槽。
47.如图4所示，优选的，一种如上所述的用于测试仿生拓扑微通道换热器的流体流动换热实验装置，包括蠕动泵(14)、液体供应箱(15)、液体冷却箱(17)和测试区，其中测试区包括仿生拓扑微通道换热器(11)，所述蠕动泵(14)连接于液体供应箱(15)和测试区之间，其中测试区的另一端通过管道连接连接液体冷却箱(17)，其中液体冷却箱(17)另一端通过管道连接液体供应箱(15)。
48.如图4所示，优选的，还包括止流阀，其中止流阀包括第一止流阀(13)和第二止流阀(16)，其中第一止流阀(13)设置于蠕动泵(14)与测试区之间，其中第二止流阀(16)设置于液体冷却箱(17)与液体供应箱(15)之间。
49.如图4所示，优选的，所述测试区还包括温度采集器(21)、压力计(22)、电加热装置、分流器(12)和汇流器(19)，其中分流器(12)一端通过管道连接蠕动泵(14)，所述分流器(12)另一端通过管道连接仿生拓扑微通道换热器(11)，其中仿生拓扑微通道换热器(11)另一端通过管道连接汇流器(19)，所述汇流器(19)另一端通过管道连接液体冷却箱(17)，所述电加热装置包括直流电源(18)和热源(20)，其中热源(20)连接直流电源(18)，所述热源(20)设置于仿生拓扑微通道换热器(11)一端面，所述温度采集器(21)分别连接仿生拓扑微通道换热器(11)的进口端6和出口端7、热源(20)、液体供应箱(15)和液体冷却箱(17)所述压力计(22)分别连接仿生拓扑微通道换热器(11)的进口端6和出口端7。
50.如图5所示，图5与图6结构相同，但工作时冷却液流动方向不同。所述分流器(12)包括第一进水管(23)和第一出水管(24)，其中第一进水管(23)和第一出水管(24)连通，所述第一进水管(23)的个数为一根，其中第一出水管(24)的个数为三根，所述一根第一进水管(23)通过管道连接蠕动泵(14)，其中三根第一出水管(24)分别连接仿生拓扑微通道换热器(11)的两个u型槽(2)交错的三个圆管(9)。
51.如图6所示，优选的，所述汇流器(19)包括第二进水管(25)和第二出水管(26)，其中第二进水管(25)和第二出水管(26)连通，所述第二进水管(25)的个数为三根，其中第二出水管(26)的个数为一根，所述三根第二进水管(25)分别连接仿生拓扑微通道换热器(11)的两个u型槽(2)交错的三个圆管(9)，其中一根第二出水管(26)通过管道连接液体冷却箱(17)。
52.优选的，所述热源(20)由多个薄膜电阻组成，其中热源(20)除了与仿生微通道换热器接触的面其余各面上均裹有绝缘材料。
53.本发明的工作流程如下：
54.仿生拓扑微通道换热器(11)包括基板(1)和u型槽(2)，u型槽(2)上加工有集流槽(8)和圆管(9)以供冷却液的流进流出，基板(1)由上盖板(3)和下盖板(4)组成，下盖板(4)上加工有流道(5)，所述流道(5)均匀设置于下盖板(4)，所述流道以均温为目标拓扑得来，可以提高换热器的换热性能以及均温性能，仿生拓扑微通道换热器(11)的流道连通三个入口(6)和三个出口(7)，其中上、下盖板焊接，给液体提供一个密闭的通道。
55.本发明给出了针对这种仿生拓扑微通道换热器(11)的流体流动换热实验装置，包括蠕动泵(14)、液体供应箱(15)、液体冷却箱(17)和测试区，测试区还包括温度采集器(21)、压力计(22)、电加热装置、分流器(12)和汇流器(19)，冷却液经过分流器(12)分成三个支流从三个入口流入仿生拓扑微通道换热器(11)，然后从汇流器(19)的三个出口流出汇集成一支流入液体冷却箱，液体供应箱(15)的出液口连通测试区入口，测试区出口通过管道连通液体冷却箱(17)的入口，液体冷却箱(17)的出液口与液体供应箱(15)的进液口连通，本发明给出了流体在多入口多出口仿生拓扑微通道换热器(11)中的进出方法，冷却液经过加载有热源(20)的微通道换热器(11)后温度升高，将其通入到液体冷却箱(17)中冷却至入口温度，再通过第二止流阀(16)流入到液体供应箱(15)中。
56.本发明液体供应箱中的冷却液体在蠕动泵(14)的驱动下流经第一止流阀(13)注
入测试区经过分流器(12)从三个入口(6)流入带热源的仿生拓扑微通道换热器(11)中，三个出口(7)的液体通过汇流器(19)流出测试区流至液体冷却箱(17)，如果打开第二止流阀(16)，冷却液便能从液体冷却箱(17)流到液体供应箱(15)，实现循环；在此过程中，开启电加热装置，将加载的热流密度调节到需要的值，待压力计(22)和温度采集器(21)稳定后，即可读取各个温度值以及压力值，冷却液经过加载有热源的仿生拓扑微通道换热器后，温度会升高，为了确保其温度降低至入口温度，使流体通道流体冷却箱(17)，测量液体冷却箱(17)中液体的温度，待其温度降低至入口温度，开启第二止流阀(16)，使得流体冷却箱17中的冷却液流到液体供应箱(15)中。
57.测试区采用热源(20)进行均匀加热，薄膜电阻作为外部热源，测量仿生拓扑微通道换热器入口以及出口的温度，仿生拓扑微通道换热器受热面的温度，根据热源提供的热流密度、流体进出口的平均温度以及仿生拓扑微通道换热器受热面的温度，可以计算出该仿生拓扑微通道换热器的对流换热系数，由压力计(22)测取测试段两端压力，得到仿生拓扑微通道换热器的流动阻力参数。
58.仿生拓扑微通道换热器外加一对u型槽(2)，分别对应的安置在仿生拓扑微通道换热器的两端，u型槽(2)上加工有一个能使流体充分流入的集流槽(8)，集流槽(8)两内侧上加工有能与换热器进行定位作用的凸台，基板(1)上下设有凹槽，所述集流槽(8)内侧的凸台可以卡合于基板(1)的凹槽，仿生拓扑微通道换热器的每个入口均有一个集流槽(8)，每个出口对应一个集流槽(8)，这样一个两个u型槽(2)有三个入口集流槽和三个出口集流槽。
59.所述仿生拓扑微通道换热器盖板上加载有热源(20)，给仿生拓扑微通道换热器提供所需的热流密度，热源(20)由多个薄膜电阻组成，热量通过导热硅胶传到微通道的受热面，热流密度一方面可以由薄膜电阻的个数控制，一方面也可以通过调节电流来控制，为了减少热量散失，热源除了和仿生拓扑微通道换热器接触的面，其余几个面上裹上一层绝缘材料。
60.温度采集器(21)需要测量5个部分的温度：仿生拓扑微通道换热器的进口的冷却液温度、仿生拓扑微通道换热器出口的冷却液温度、仿生拓扑微通道换热器加热面的温度、液体冷却箱(17)中的冷却液温度和液体供应箱中的温度，这五个温度均采用热电偶测试，所有的热电偶连接到温度采集器上，在温度采集器上可以显示各点的温度值。
61.本发明仿生拓扑微通道换热器的下盖板(4)设置有均匀的流道，所述流道具有三个入口和三个出口，且进出口交错分布，本发明多入口多出口实现了降低压降和流体速度的均匀分配，可以提高换热器的换热性能以及均温性能，可满足高负荷电子芯片的散热要求，为电子器件提供可靠的温度环境。
62.本发明流体流动换热实验系统包括蠕动泵、液体冷却箱、液体供应箱和测试区，其中测试区包括仿生拓扑微通道换热器，所述蠕动泵连接于液体供应箱和测试区之间，其中测试区的另一端通过管道连接液体冷却箱，其中液体冷却箱另一端通过管道连接液体供应箱，所述测试区还包括温度采集器、压力计、电加热装置、分流器和汇流器，本发明流体流动换热实验装置可快速检测换热器的换热效果；本发明仿生拓扑微通道换热器和流体流动换热实验装置结构简单、操作方便、成本低，并大大提高了工作效率。
63.上面结合附图对本发明优选实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下
做出各种变化。
64.不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。