CN109462964A - 沸腾换热结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种沸腾换热结构，包括：流体总管道和换热基板；换热基板包括多组换热单元，换热基板上设有多个微突起结构，至少一部分微突起结构设置在各换热单元上，每组换热单元上均设置至少一个喷射孔，喷射孔设置在其对应的换热单元的微突起结构上，每组换热单元内均设有流体支管道，每组换热单元对应的喷射孔均通过对应的流体支管道与流体总管道连通。本发明通过流体支管路将换热单元和流体总管路连通，在换热基板上设置微突起结构，并在换热单元上设置与流体支管路连通的喷射孔，一方面增加换热面积，另一方面使流体总管路的流体能够通从喷射孔喷出，扰乱微突起结构表面流体的流动状态，保证换热处于核态沸腾的状态，提升换热性能。
Description
技术领域
本发明涉及表面强化沸腾换热领域，特别涉及一种沸腾换热结构。
背景技术
随着微机电系统技术的发展，电子器件集成化和高频化程度不断提高，特征尺寸不断减小，单位容积的发热量不断增大，设备紧凑化的设计又使得散热更加困难，因此迫切需要解决高效散热技术难题。传统的风冷和液体对流换热技术很难将大量热量及时带走，造成电子器件温度升高，大大降低其实用性和可靠性。因此，微小空间高热通量的散热技术已经成为制约信息、电子、航空航天以及国防军事技术的关键因素之一。
沸腾换热作为一种相变换热方式，与传统的风冷和液体对流换热相比，换热系数具有显著提升，是一种非常有效的散热方式。然而，目前利用光滑硅片在不导电工质中进行池沸腾实验发现其临界热流密度依然不能满足高端电子器件的散热需求，造成临界热流密度较低的主要原因是气泡在表面上聚集变大，脱离较难较慢，阻碍冷却液与换热表面接触。
因此，需要一种能够从沸腾气泡的成核过程、汽泡生长、脱离及加热面处固-液-汽三相间作用等方面进行优化的装置，以强化沸腾换热性能，满足高效散热需求。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明提供一种沸腾换热结构，以解决光滑表面沸腾换热临界热流密度较低，换热性能较差的问题。
(二)技术方案
为解决上述问题，本发明提供一种沸腾换热结构，包括：流体总管道和换热基板；所述换热基板包括多组换热单元，所述换热基板上设有多个微突起结构，至少一部分所述微突起结构设置在各所述换热单元上，每组所述换热单元上均设置至少一个喷射孔，所述喷射孔设置在其对应的所述换热单元的所述微突起结构上，每组所述换热单元内均设有流体支管道，每组所述换热单元对应的所述喷射孔均通过对应的所述流体支管道与所述流体总管道连通。
进一步地，所述微突起结构设置在所述换热基板的上表面，所述换热基板的下表面与热源抵接。
进一步地，相邻所述喷射孔之间均间隔预设距离。
进一步地，所述喷射孔为呈柱体状的空心孔体，所述喷射孔设置在所述微突起结构的中心位置。
进一步地，所述微突起结构均为呈柱状的微结构，任意相邻两个所述微突起结构之间均设有间隙，所述间隙相互连通并组成毛细管通道。
进一步地，各所述微突起结构对齐或交错设置在所述换热基板上。
进一步地，还包括：流体驱动机构，所述流体驱动机构设置在所述流体总管道的入口处，用于控制流体流速，并驱动所述流体从所述流体总管道导入，从所述喷射孔喷出。
进一步地，所述流体为液态冷却介质或气态冷却介质。
进一步地，所述换热基板还包括：隔板，所述隔板将所述换热基板分隔成多组所述换热单元。
进一步地，所述流体总管道通过渐缩式管道与所述流体支管道连通。
(三)有益效果
本发明提供一种沸腾换热结构，通过对应的流体支管路将各换热单元和流体总管路连通，在换热基板及换热单元上设置微突起结构，并在对应换热单元的部分微突起结构上设置与流体支管路连通的喷射孔，一方面增加换热面积，另一方面使流体总管路中的流体能够通过流体支管道从喷射孔喷出，从而扰乱微突起结构表面流体的流动状态，进而强化换热，同时高速喷出的流体会破坏微突起结构处形成的大气泡，并提供很强的推力来配合浮力作用，迫使气泡脱离表面，保证核态沸腾的持续，减缓膜态沸腾的发生，提高临界热流密度，提升换热性能。
附图说明
图1是本发明优选实施例中提供的沸腾换热结构的结构示意图；
图2是本发明优选实施例中提供的换热单元的结构示意图；
其中，1：流体总管道；2：换热基板；3：微突起结构；4：毛细管通道；20：换热单元；21：第一组换热单元；22：第二组换热单元；23：第三组换热单元；201：流体支管道；202：喷射孔。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供一种沸腾换热结构，该沸腾换热结构适用于池沸腾、流动沸腾等具有高热流密度的表面换热的场合，如图1和图2所示，该沸腾换热结构包括：流体总管道1和换热基板2。换热基板2包括多组换热单元20，换热基板2上设有多个微突起结构3。
例如，参见图1所示，换热基板2上设有多个微突起结构3，至少一部分微突起结构3设置在各换热单元20上。例如，本实施例中，换热基板2还包括：隔板，隔板将换热基板2分隔成多组换热单元，分别为第一组换热单元21、第二组换热单元22和第三组换热单元23。每组换热单元20上均设有微突起结构3，对应隔板的上表面也设有微突起结构3，用于隔板处的导热，增加换热面积，提高换热能力，配合各组换热单元20进行换热。同时，也可根据工况不在对应隔板的上表面设置微突起结构3。
其中，每组换热单元20上均设有微突起结构3，每组换热单元20上均设置至少一个喷射孔202，喷射孔202设置在对应的所述微突起结构上，每组换热单元20对应的喷射孔202均通过对应的流体支管道201与流体总管道1连通，以使流体总管路1中的流体能够通过流体支管道201从对应的喷射孔202喷出。
例如，本实施例中，第一组换热单元21上的喷射孔202通过第一组换热单元对应的流体支管道201与流体总管道1连通。第二组换热单元22上的喷射孔202通过第二组换热单元对应的流体支管道201与流体总管道1连通。第三组换热单元23上的喷射孔202通过第三组换热单元对应的流体支管道201与流体总管道1连通，以使各组换热单元20之间互不干扰，同时喷射孔202的数量也可根据工况进行调整。
其中，微突起结构3设置在换热基板2的上表面，换热基板2的下表面为光滑结构，直接与热源抵接。对于池沸腾或流动沸腾，换热基板2的上表面将完全浸没于冷却液中，喷射孔202中的喷射介质是从下往上喷射，喷射力方向与气泡脱离方向和浮力方向一致，能进一步促进气泡的脱离，提高表面的换热性能和热流密度。
现有的喷射冷却方法中，流体的喷射方向一般都垂直于冷却表面，喷射力的方向与气泡上浮的浮力方向相反，这会对气泡的脱离有一定地阻碍。区别于现有技术，本实施例将流体从下往上进行喷射，喷射力方向与气泡脱离方向和浮力方向一致，能进一步促进气泡的脱离，提高表面的换热性能和热流密度。其中，该流体可选用液态冷却介质或气态冷却介质，具体根据热源工况来决定。
工作过程中，将流体总管路1中的流体通过对应的流体支管道201分配到各组换热单元20中，并将流体从对应的喷射孔202高速喷出，喷射孔202喷出的流体浸泡着换热基板2的上表面。换热基板2下表面抵接热源表面吸收发热源热量，热量通过热传导的方式传递到上表面以及微突起结构3中，最后传递给浸泡着上表面的流体，流体吸热后沸腾蒸发，从而实现热量的导出，冷却热源的目的。
需要说明的是，本实施例中，各组换热单元20之间并不连通。但在其他实施例中，各组换热单元20之间的连接关系及对应换热单元20的数量可根据具体工况可进行调整，在此不做限制。例如，当换热基板2底面受热不均时，可根据工况增加或减少换热单元20，或连通对应换热单元20，以完成换热。
本发明实施例提供一种沸腾换热结构，通过对应的流体支管201将各换热单元20和流体总管路1连通，在换热基板2及换热单元20上设置微突起结构3，并在对应换热单元的部分微突起结构3上设置与流体支管路201连通的喷射孔202，一方面增加换热面积，另一方面使流体总管路中的流体能够通过流体支管道201从喷射孔喷出，从而扰乱微突起结构3表面流体的流动状态，进而强化换热，同时高速喷出的流体会破坏微突起结构处形成的大气泡，并提供很强的推力来配合浮力作用，迫使气泡脱离表面，保证核态沸腾的持续，减缓膜态沸腾的发生，提高临界热流密度，提升换热性能。
基于上述实施例，在一个优选的实施例中，如图1和图2所示，相邻喷射孔202之间均间隔预设距离，设置在所述微突起结构3上。例如，可视情况将喷射孔202布于间隔1个或1个以上的微突起结构3上，以避免过多孔道对热量传导造成影响。
由于流体沸腾时气泡大多是从微突起结构3底部形成，即沸腾蒸发区主要位于微突起结构的底部，为避免孔道开孔对换热表面和沸腾蒸发区的影响，本实施例中，喷射孔202竖直设置在微突起结构3的中心位置，且喷射孔202为呈柱体状的空心孔体。
特别地，如图1和图2所示，各微突起结构3可为柱状的微结构，例如方柱状或圆柱状的微结构，高度低于毫米级，任意相邻两个微突起结构3之间均设有间隙，该间隙相互连通并组成毛细管通道4，以保证流体蒸发后的回流补充。与光滑表面相比。本实施例在微突起结构3利用间隙组成毛细管通道4，增强了液体在表面扩散性，扩展了传热面积，利用毛细抽吸加快液体向加热区域的补充，极大地增加了核化中心的密度，从而提高传热系数以及临界热流密度。
同时，为方便喷气孔道布置，利于气泡的脱离，各微突起结构3之间可根据需求，对齐或交错设置在换热基板2上。
此外，该沸腾换热结构还包括：流体驱动机构，流体驱动机构设置在流体总管道1的入口处，用于控制流体流速，并驱动流体从流体总管道1导入，从喷射孔202喷出。具体地，将流体总管路1中的流体通过流体驱动机构分配到对应的流体支管道201，进而进入到各组换热单元20中，从对应的喷射孔202高速喷出。高速喷出的流体能够扰乱微突起结构3表面上的流体流动状态，使流动更加混乱，可以起到进一步强化换热的目的；同时高速喷出的流体还能破坏因液体沸腾蒸发而在微突起结构3表面聚集形成的大气泡，并对气泡施加很强的作用力，结合浮力的作用，迫使气泡更容易地脱离微突起结构3表面，防止气泡在表面聚集而减小固液蒸发接触面，从而延缓了膜态沸腾形成的时间，并进一步提高了换热表面的临界热流密度。
其中，流体驱动机构可根据热源不同热流密度需求，提供不同的喷射速度。同时，为提升流体流速，减少流动阻力，流体总管道1可通过渐缩式管道与流体支管道201连通，该渐缩式管道沿流体流动方向截面逐渐减小。
综上所述，本发明实施例提供一种沸腾换热结构，通过对应的流体支管201路将各换热单元20和流体总管路1连通，在换热基板2及换热单元20上设置微突起结构3，并在对应换热单元的部分微突起结构3上设置与流体支管路201连通的喷射孔202，一方面增加换热面积，另一方面使流体总管路中的流体能够通过流体支管道201从喷射孔喷出，从而扰乱微突起结构3表面流体的流动状态，进而强化换热，同时高速喷出的流体会破坏微突起结构处形成的大气泡，并提供很强的推力来配合浮力作用，迫使气泡脱离表面，保证核态沸腾的持续，减缓膜态沸腾的发生，提高临界热流密度，提升换热性能。此外，本发明实施例的喷射孔202布置于微突起结构3上，避免对间隙中液体回流造成影响。本发明实施中的微突起结构3利用间隙组成毛细管通道4，增强了液体在表面扩散性，扩展了传热面积，利用毛细抽吸加快液体向加热区域的补充，极大地增加了核化中心的密度，从而提高传热系数以及临界热流密度。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种沸腾换热结构，其特征在于，包括：
流体总管道和换热基板；
所述换热基板包括多组换热单元，所述换热基板上设有多个微突起结构，至少一部分所述微突起结构设置在各所述换热单元上，每组所述换热单元上均设置至少一个喷射孔，所述喷射孔设置在其对应的所述换热单元的所述微突起结构上，每组所述换热单元内均设有流体支管道，每组所述换热单元对应的所述喷射孔均通过对应的所述流体支管道与所述流体总管道连通。
2.根据权利要求1所述的沸腾换热结构，其特征在于，所述微突起结构设置在所述换热基板的上表面，所述换热基板的下表面与热源抵接。
3.根据权利要求1所述的沸腾换热结构，其特征在于，相邻所述喷射孔之间均间隔预设距离。
4.根据权利要求3所述的沸腾换热结构，其特征在于，所述喷射孔为呈柱体状的空心孔体，所述喷射孔设置在所述微突起结构的中心位置。
5.根据权利要求1所述的沸腾换热结构，其特征在于，所述微突起结构均为呈柱状的微结构，任意相邻两个所述微突起结构之间均设有间隙，所述间隙相互连通并组成毛细管通道。
6.根据权利要求1所述的沸腾换热结构，其特征在于，各所述微突起结构对齐或交错设置在所述换热基板上。
7.根据权利要求1所述的沸腾换热结构，其特征在于，还包括：
流体驱动机构，所述流体驱动机构设置在所述流体总管道的入口处，用于控制流体流速，并驱动所述流体从所述流体总管道导入，从所述喷射孔喷出。
8.根据权利要求7所述的沸腾换热结构，其特征在于，所述流体为液态冷却介质或气态冷却介质。
9.根据权利要求1～8任一项所述的沸腾换热结构，其特征在于，所述换热基板还包括：隔板，所述隔板将所述换热基板分隔成多组所述换热单元。
10.根据权利要求1所述的沸腾换热结构，其特征在于，所述流体总管道通过渐缩式管道与所述流体支管道连通。
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