[发明专利]一种基于分形树状微通道与相变微胶囊功能流体耦合的传热强化方法

说明书

本发明公开了一种基于分形树状微通道与相变微胶囊功能流体耦合的传热强化方法，包括：确定热沉主通道与旁通道长度之间的定量关系；确定热沉主通道与旁通道宽度之间的定量关系；构建微通道热沉；微通道热沉的结构包括：进口，以及与进口连通的出口、热沉主通道，微通道热沉底部设置有加热板；利用加热板与微通道热沉底部接触，并为加热板直流供电；相变微胶囊内填充有机填充物，将相变微胶囊与载流体混合，得到相变微胶囊功能流体；驱动相变微胶囊功能流体流经分形树状微通道热沉，相变微胶囊功能流体与微通道热沉壁面发生热交换；本发明可显著降低微通道热沉壁面温差；与直通道相比，分形微通道热沉的热有效系数有了显著提高。

技术领域

本发明属于工程技术应用技术领域，更具体地说，本发明涉及一种基于分形树状微通道与相变微胶囊功能流体耦合的传热强化技术。

背景技术

热管理广泛存在于军事、航天、恶劣环境下电子系统等领域。随着这些领域的换代升级，对热管理系统的轻质化、可靠性与高效换热提出了更为严苛的要求。换热是指将热流体的热量传递给冷流体，热流密度又称热通量，是指单位时间通过某一面积的热能，是具有方向性的矢量，其在国际单位制的单位为焦耳/秒。现有的换热传热技术已经难以处理高热流密度，在处理高热流密度时，难以达到高效的换热。

针对这一现状，本发明提出基于分形微通道和相变微胶囊功能流体的新型传热强化技术。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，分形微通道换热结构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。具体而言，本发明利用微通道的高比表面积与相变微胶囊功能流体高比热容、潜热以增加对流换热系数；利用分形微通道网络优化流体流动路径以提高壁面均匀性，降低压降。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种基于分形树状微通道与相变微胶囊功能流体耦合的传热强化方法，包括以下步骤：

步骤一、根据分形理论，确定热沉主通道与旁通道长度之间的定量关系如下：

L_k+1＝L_kλ^-1/α

其中，L_k+1是下一级旁通道的长度，L_k是上一级热沉主通道的长度；λ为旁通道数量，α为长度分形维数，α＝1,2,…,N；K为分形次数，K＝0,1,2,…,N；

热沉主通道与旁通道宽度之间的定量关系如下：

W_k+1＝W_kλ^-1/β

其中，W_k+1是下一级旁通道的宽度，W_k是上一级热沉主通道的宽度；β为宽度分形维数，β＝1,2,…,N；

步骤二、根据步骤一确定的分形规则，构建特定分形次数、特定分形维数和特定尺寸的微通道热沉；微通道热沉的结构包括：进口，以及与进口连通的出口、热沉主通道，其中每个热沉主通道向下一级分形出旁通道，旁通道与热沉主通道的夹角为0～90°；所述微通道热沉底部设置有加热板；

步骤三、利用加热板与微通道热沉底部接触，并为加热板直流供电，以实现热流密度的输入；

步骤四、相变微胶囊内填充有机填充物，然后将相变微胶囊与载流体混合，得到相变微胶囊功能流体；

步骤五、驱动相变微胶囊功能流体流经分形树状微通道热沉，相变微胶囊功能流体从微通道热沉进口流入，由微通道出口流出，并且相变微胶囊功能流体与微通道热沉壁面发生热交换；