CN107148201B - 一种利用微细化沸腾高效换热技术的冷却装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用微细化沸腾高效换热技术的冷却装置。装置主要包括进水室、均流孔板、分流结构、底板、带肋换热板以及出水室。气泡微细化沸腾是一种发生在较小尺寸发热面上，换热能力远超单相换热及常规沸腾换热的特殊沸腾现象（热流密度可达1 MW/m²）。本发明通过分流结构和带肋换热板组合，形成多入口及多出口换热通道以实现较大尺寸发热面上气泡微细化沸腾的发生。利用分流结构上焊有的细针，降低由气泡微细化沸腾时气泡破碎所引入的压力波动。本发明具有极高的冷却能力且结构相对简单，可解决常规冷却装置不易处理的高工作热负荷装置和设备的冷却问题。

Description

一种利用微细化沸腾高效换热技术的冷却装置

技术领域

本发明涉及一种可应用于冷却诸如新型电动汽车逆流器、激光转向器以及电子电力系统中极高发热装置和设备的冷却装置，特别是一种利用气泡微细化沸腾现象，用于具有极高热负荷及较大发热面的装置和设备散热的冷却装置。

背景技术

在能源、动力以及航空航天等众多工业领域中，随着科学技术的发展，越来越多的工程系统和装置的发热量超过常规冷却方式冷却能力的极限。如目前新型纯电动汽车或混合动力汽车所使用的逆流器，其散热面在20 cm×20 cm尺寸上的发热功率就可达到100 kW以上（热流密度超过250 W/cm2）；而国际核聚变实验堆内防止等离子体接触壁面的转向器，受到等离子区域带电粒子和X射线辐照产生的热负荷最高值甚至已经超过2000 W/cm2。对于具有如此高热负荷的发热面，风冷、水冷以及常规的相变冷却方式已经很难满足要求。如果没有有效的冷却措施，这些装置和设备很难长时间的稳定运行。因此，如何有效解决极高发热装置和设备的冷却问题已经成为阻碍众多工业领域发展进步的瓶颈。

20世纪80年代，日本学者Inada等人发现了一种具有极高换热能力的特殊沸腾现象——气泡微细化沸腾（Inada, S., Miyasaka, Y., Sakumoto, S., Izumi, R., 1981.A study on boiling curves in subcooled pool boiling (2nd Report, An effect ofcontamination of surface on boiling heat transfer and collapse vapor slug).Transaction of JSME 47, 2021-2029）。对于水工质来说，气泡微细化沸腾通常在20 K以上过冷度时才会发生，发生时热流密度远超常规沸腾的临界热流密度（CHF），能达到1000W/cm2以上。随着冷却液过冷度和流速的提高，气泡微细化沸腾所能达到的换热极限不断增加。因此该现象在解决极高发热设备冷却问题方面具有极好的应用前景。然而，日本学者Suzuki等人发现，随着发热面尺寸增加，气泡微细化沸腾所能达到的最高热流密度逐渐下降，当发热面长度超过10 cm时，气泡微细化沸腾甚至将不再发生，热流密度到达CHF点后，壁温飞升（Suzuki, K., 2007. High heat flux transport by microbubble emissionboiling. Microgravity Science Technology, XIX-3/4, 148-150）。实验发现，阻碍较大尺寸发热面上气泡微细化沸腾发生的主要原因在于：极高的热流密度使得发热面下游冷却液被快速加热，使其冷度低于气泡微细化沸腾发生所需过冷度，导致发热面下游区域快速蒸干，最终整个壁面烧毁。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以实现气泡微细化沸腾冷却尺寸较大发热面的具有极高冷却能力的冷却装置。为此需设计一种可降低尺寸较大发热面下游区域冷却液温度的结构。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种多通道分流冷却装置，包括进水室、均流孔板、出水室、底板、分流结构以及带肋换热板。底板、分流结构和带肋换热板组成冷却装置主体。一定过冷度及流速的冷却液由进水室流入，流经均流孔板进入冷却装置主体，通过气泡微细化沸腾将热量带走，最终由出水室流出。在冷却装置主体内，冷却液通过多个入口进入换热通道，再由相邻的出口流出，有效保证了发热面不同区域冷却液过冷度均匀性，并减少了冷却液在发热面上的流动距离。

本发明还包括：

所述的带肋换热板选用导热性能好的材料如铜、铝等制作，以保证气泡微细化沸腾的发生。

所述的进水室、均流孔板、出水室、底板和分流结构选用导热性较差的材料如硅、不锈钢等制作，以减小冷却液流入换热通道时与流入进水室时的温差。

所述的分流结构的肋片上局部焊有细针，用于降低气泡微细化沸腾发生时气泡破碎所引入的压力波动。

所述的分流结构的入口尺寸及数量需根据实际发热面尺寸设计，其可决定气泡微细化沸腾是否发生，及最大的冷却能力。

所述的分流结构与带肋换热板通过耐温胶或焊接的方式连接。

所述的气泡微细化沸腾是指发生在一定过冷度下伴随气泡破碎和微小气泡喷射的特殊沸腾现象，其发生时热流密度远超常规沸腾临界热流密度。

所述的一定过冷度和流速是指保证气泡微细化沸腾发生所需的冷却液过冷度和流速。

本发明的优势在于：（1）结构相对简单，加工方便，利用换热通道多入口流入及多出口流出的方式，有效解决了较大尺寸发热面上无法实现气泡微细化沸腾的问题。（2）换热通道顶部细针可将沸腾产生的较大气泡打碎，进而有效降低气泡微细化沸腾时由气泡破碎引起的压力波动。（3）均流孔板及分流结构渐缩入口的设计可有效降低分流通道流量分配不均匀程度，减小进水室尺寸。（4）由于气泡微细化沸腾的换热能力远超空冷、水冷及常规的沸腾换热，因此本发明可解决其它冷却装置极难处理的极高工作热负荷装置和设备的冷却问题。

附图说明

图1 本发明的一个实施例的结构示意图；

图2 带肋换热板示意图；

图3 底板示意图；

图4 分流结构示意图；

图5 分流通道及换热通道内冷却液流动方向示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明作更详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方案和具体操作过程，但本发明保护范围不限于下属实例。

参见图1、图2、图3和图4，本发明主要包括进水室1、均流孔板2、分流结构3、底板4、带肋换热板5以及出水室6。冷却液以除气水为例。进水室1入口冷却液过冷度建议在40-70K范围内，带肋换热板5尺寸为20 cm×20 cm，底部发热功率为100 kW。

参见图2，热量由底部换热板8导入冷却装置，换热板8和肋片7组成换热通道。

参见图3，所述的底板4开有带肋换热板5的安装孔9，两者可通过焊接或用耐温胶的方式连接密封。

参见图4，所述的分流结构3采用渐缩式入口10，以增强分流通道流量分配均匀性。分流通道的入流及出流口尺寸根据实际情况设计，通道肋片上部焊有细针11，用于降低气泡微细化沸腾发生时的压力波动。细针直径0.2-1 mm，长度比换热通道高度低3-5 mm，排列方式可参见图4中的局部放大图此外，为保证气泡微细化沸腾的发生及冷却能力，分流结构3设计有6个入口。

本发明实施流程如下：参见图1及图5，热量通过带肋换热板5底部进入，一定过冷度及流速的冷却液由进水室1进入后，经过均流孔板2，沿流动方向12分流到分流结构的各入流通道13中，二次分流进入各换热通道15，冷却液通过发生在换热通道15内的气泡微细化沸腾将热量带走。由于换热通道顶部的细针将较大气泡打碎，气泡微细化沸腾时气泡破碎引起的压力波动被有效减小。最终冷却液由分流结构各出流通道14流出，汇聚后由出水室6流出。

Claims (2)

1.一种利用微细化沸腾高效换热技术的冷却装置，包括进水室、均流孔板、分流结构、底板、带肋换热板以及出水室；

热量通过所述带肋换热板底部进入所述带肋换热板；

所述带肋换热板包括换热板和肋片；

所述换热板和所述换热肋片组成换热通道

所述换热通道为多入口及多出口的设计，以使冷却液通过所述多入口的任一入口进入所述换热通道，再从相邻的出口流出；

所述换热通道肋片上部焊有细针；

所述细针用于降低气泡微细化沸腾发生时气泡破碎所引入的压力波动。

2.根据权利要求1所述的利用微细化沸腾高效换热技术的冷却装置，其特征在于，所述带肋换热板选用导热性能好的材料，所述导热性能好的材料是铜或铝；

所述进水室、所述均流孔板、所述出水室、所述底板和所述分流结构选用导热性差的材料，所述导热性差的材料是硅或不锈钢。

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