CN110487095B - 一种利用气泡微细化沸腾的超声强化传热池式冷却装置 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例涉及高效换热领域，提供了一种利用气泡微细化沸腾的超声强化传热池式冷却装置；所述装置采用池式热沉设计，将冷却液的流动回路和冷却工质发生气泡微细化沸腾的通道分离，再利用错位倒角通孔下沉加热面，并结合超声波换能器，引入超声空化作用和超声声流作用；在提高气泡微细化沸腾冷却装置的可靠性的基础上，稳定加热面附近冷却工质的过冷度，维持气泡微细化沸腾的稳定发生，以解决常规散热方式无法解决的超高热负荷发热设备的冷却需求。
Description
技术领域
本申请涉及一种高效换热的冷却装置，特别是涉及一种利用气泡微细化沸腾的超声强化传热池式冷却装置。
背景技术
随着科学技术的发展，在能源、动力以及航天航空等众多工业领域中，单相换热和常规沸腾等冷却方式，已很难满足高热负荷发热设备发热面的冷却需求。
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(Microbubble Emission Boiling简称MEB)，(Inada,S.,Miyasaka,Y.,Sakumoto,S.,Izumi,R.,1981.A study on boiling curves in subcooled poolboiling(2nd Report,An effect of contamination of surface on boiling heattransfer and collapse vapor slug).Transaction of JSME 47,2021-2029)。气泡微细化沸腾发生时的热流密度可达10MW/m2，随着冷却工质流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，气泡微细化沸腾现象在解决极高发热设备冷却问题方面具有良好的应用前景。
然而，气泡微细化沸腾发生时，气泡破碎会引入剧烈的压力振荡，不可避免对冷却工质流流经的管路和水泵等设备造成一定的损坏，影响其使用寿命；在冷却高热负荷发热设备发热面时，加热面附近冷却工质流发生气泡微细化沸腾所需过冷度不易维持，进而不能保证气泡微细化沸腾的稳定发生；此外，随着加热面氧化，气泡微细化沸腾传热能力下降，甚至不再发生。
发明内容
鉴于上述问题，本申请实施例提供一种利用气泡微细化沸腾的超声强化传热池式冷却装置，旨在解决利用气泡微细化沸腾冷却高热负荷发热设备时，冷却装置加热面附近气泡微细化沸腾发生所需的过冷度难以维持、加热面易氧化，以及气泡微细化沸腾的发生对管路和水泵造成损坏等问题。
本申请实施例提供了一种利用气泡微细化沸腾的超声强化传热池式冷却装置，所述装置包括：受限水池盖板、散热管、受限水池、超声波换能器、绝热陶瓷块和导热铜块；
所述受限水池装有冷却工质，上方设有所述受限水池盖板，所述受限水池盖板用于密封所述受限水池，将所述受限水池内的冷却工质与外界隔离；
通过所述受限水池盖板固定所述超声波换能器和所述散热管，所述超声波换能器和所述散热管用于稳定所述冷却工质的过冷度；
所述受限水池的底部设置有绝热陶瓷块安装座，通过所述绝热陶瓷块安装座固定所述绝热陶瓷块和所述导热铜块；
所述导热铜块的下方涂抹导热硅脂与发热装置相连，所述导热铜块的上部有导热铜芯，所述导热铜芯的上表面为加热面，通过所述绝热陶瓷块下沉所述加热面；
其中，所述加热面接触所述冷却工质，发生气泡微细化沸腾，将所述发热装置的热量传导至所述冷却工质。
可选地，所述受限水池盖板的下表面的中心设有凹陷安装座，所述超声波换能器中间设有安装环，通过螺栓固定所述凹陷安装座和所述安装环，再采用硅胶密封所述安装环与所述凹陷安装座的接缝，将所述超声波换能器固定于所述受限水池内；
所述超声波换能器产生超声波，所述超声波对所述冷却工质引入超声空化作用和超声声流作用，提高冷热流体混合速率，调节所述冷却工质的温度，以稳定所述冷却工质的过冷度。
可选地，通过所述受限水池盖板的限制部位，将所述散热管限制于所述受限水池内；
所述散热管浸没在所述冷却工质中，冷却液流经所述散热管，吸收所述冷却工质的热量，维持所述冷却工质的温度，以稳定所述冷却工质的过冷度。
可选地，所述散热管为盘管，所述受限水池盖板上设有所述盘管的进水口和排水口的连接口；
位于所述受限水池盖板下侧的盘管上设有固定环，所述固定环的上方通过硅胶与所述受限水池盖板配合，位于所述受限水池盖板的上侧的盘管开有螺纹，通过螺母和所述固定环将硅胶压紧，以实现将整体盘管限制于所述受限水池内；
所述冷却液通过所述进水口流入盘管，吸收所述冷却工质的热量，再通过所述出水口流出盘管，导出所述冷却工质的热量。
可选地，所述散热管为塔式热管散热器的热管蒸发端，所述热管蒸发端位于所述受限水池内，除所述热管蒸发端外的所述塔式热管散热器的其他部分位于所述受限水池盖板的上方；所述塔式热管散热器包括：散热风扇、翅片和热管，所述翅片固定在所述热管上，所述散热风扇位于所述翅片两侧；
通过热管固定盖的下表面焊接的平行竖板，将所述塔式热管散热器内的所述热管抵在所述受限水池的下表面，进而限制所述塔式热管散热器在垂直方向的移动；
所述冷却液在所述热管蒸发端吸收所述冷却工质的热量，汽化为气体冷却液，扩散到热管冷凝端，通过所述散热风扇调节所述热管中的所述气体冷却液，使所述气体冷却液在所述热管冷凝端释放热量，液化为液体冷却液，所述液体冷却液再流回所述热管蒸发端。
可选地，所述受限水池盖板的四周开有螺栓孔，所述受限水池盖板的上表面设有工质补充口，所述工质补充口上方开有密封螺纹，以避免液体泄漏；所述受限水池的侧面设有工质排水口；
所述受限水池的顶部和底部有凸缘，所述凸缘的四角开有通孔，所述受限水池通孔的孔径与所述受限水池盖板的螺栓孔的孔径相同，螺丝依次穿过所述受限水池盖板的螺栓孔和所述受限水池的通孔，连接所述发热装置，将所述发热装置固定于所述利用气泡微细化沸腾的超声强化传热池式冷却装置。
可选地，所述受限水池盖板分为所述热管固定盖与中心盖板，所述中心盖板的四周开有螺栓孔，所述热管固定盖的边缘开有两个通孔，所述受限水池的凸缘处开有对应通孔，通过螺栓连接所述热管固定盖与所述受限水池，以固定塔式热管散热器和所述受限水池；
通过所述螺丝连接所述中心盖板、所述受限水池和所述发热装置，所述中心盖板和所述热管固定盖之间的缝隙用耐温胶填充，以封闭所述受限水池。
可选地，所述绝热陶瓷块内部开有通孔，以下沉所述加热面；
下沉的所述加热面用于避免在发生气泡微细化沸腾时，各所述加热面间的气膜相连；
其中，所述绝热陶瓷块内部的通孔为错位倒角通孔，以减小所述加热面下沉对所述冷却工质补充的阻碍作用
可选地，所述冷却工质未完全充满所述受限水池，所述受限水池未装有冷却工质的空间为气空间，所述气空间用于吸收和减小冷却工质发生气泡微细化沸腾产生的压力振荡。
可选地，通过螺丝依次穿过所述绝热陶瓷块安装座、所述绝热陶瓷块的通孔和所述导热铜块对应位置带螺纹的通孔，再用硅胶密封所述绝热陶瓷块安装座和所述绝热陶瓷块，以固定所述绝热陶瓷块和所述导热铜块。
本申请提出的一种利用气泡微细化沸腾的超声强化传热池式冷却装置，通过池式热沉的设计将冷却液的流动回路和冷却工质发生气泡微细化沸腾的通道分离，以使受限水池内冷却工质发生气泡微细化沸腾时剧烈的压力不会影响到冷却液流动回路所在的管路，以及水泵等设备；另外，本申请提出的一种利用气泡微细化沸腾的超声强化传热池式冷却装置结合超声波换能器，引入超声波，通过超声空化作用和超声声流作用，提高受限水池内冷热冷却工质的混合速率，强化传热性能；并利用超声波有效地抑制加热面氧化，保证了气泡微细化沸腾的持续稳定发生；本申请提出的一种利用气泡微细化沸腾的超声强化传热池式冷却装置还通过错位倒角下沉加热面，抑制气膜横向膨胀相连的同时减小气泡对冷却工质补充的障碍，保证了各个加热面传热性能，进而维持气泡微细化沸腾的稳定发生，解决了常规散热方式无法解决的超高热负荷发热设备的冷却需求。
附图说明
图1是本申请实施例利用气泡微细化沸腾的超声强化传热池式冷却装置的第一种结构示意图；
图2是本申请实施例利用错位倒角通孔下沉加热面示意图；
图3是本申请实施例盘管与受限水池盖板的密封结构图；
图4是本申请实施例受限水池盖板与超声波换能器的固定结构图；
图5是本申请实施例利用气泡微细化沸腾的超声强化传热池式冷却装置的第二种结构示意图；
图6是本申请实施例塔式热管散热器的结构示意图；
图7是本申请实施例塔式热管散热器与受限水池的固定结构示意图。
具体实施方式
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。
目前的气泡微细化沸腾冷却装置都是采用流动沸腾的方式，冷却工质流流经的管路即为换热通道，换热通道接触加热面，冷却工质流在管路内发生气泡微细化沸腾，管路壁面的气泡经历快速的局部破碎或者顶部破碎过程，同时伴有微气泡喷射现象及强烈的沸腾噪声，进而引起强烈的压力振荡，管路和水泵等设备长期处于强烈的压力振荡下，不可避免地会受到一定程度的损坏，减少其使用寿命。
为克服上述问题，本申请提出的一种利用气泡微细化沸腾的超声强化传热池式冷却装置，将冷却工质流直接在管路内发生气泡微细化沸腾的流动沸腾方式，改为可将冷却液的流动管路与冷却工质发生气泡微细化沸腾的换热通道分离的池式沸腾方式。同时通过超声波换能器，引入超声波空化作用和声流作用，提高冷热流体的混合，达到维持冷却工质温度以稳定冷却工质过冷度的作用，进而解决常规散热方式无法解决的超高热负荷发热设备(例如：电动汽车的逆流器、聚变反应堆内的偏滤器等)的冷却需求。
图1示出本申请利用气泡微细化沸腾的超声强化传热池式冷却装置的第一种实施方式。参考图1，一种利用气泡微细化沸腾的超声强化传热池式冷却装置包括：受限水池盖板、散热管、受限水池、超声波换能器、绝热陶瓷块和导热铜块；
参考图1，受限水池盖板1下表面连接超声波换能器2，超声波换能器2周围是盘绕而成的散热管(盘管)3，盖上受限水池盖板1，超声波换能器2和散热管(盘管)3处于受限水池4的内部，受限水池4的下方是绝热陶瓷块5，导热铜块6位于绝热陶瓷块5的下面。受限水池盖板1和受限水池4可采用耐腐蚀的不锈钢板制作，散热管(盘管)3用导热性良好的材料制作(例如铜)。
所述受限水池装有冷却工质，上方设有所述受限水池盖板，所述受限水池盖板用于密封所述受限水池，将所述受限水池内的冷却工质与外界隔离；
为了保证冷却液流经的散热管路不受气泡微细化沸腾产生的压力振荡的影响，冷却工质并未完全充满受限水池，受限水池内留有约1/5的气空间，用于进一步吸收和减小气泡微细化沸腾发生时的压力振荡。
所述冷却工质未完全充满所述受限水池，所述受限水池未装有冷却工质的空间为气空间，所述气空间用于吸收和减小冷却工质发生气泡微细化沸腾产生的压力振荡。
通过所述受限水池盖板固定所述超声波换能器和所述散热管，所述超声波换能器和所述散热管用于稳定所述冷却工质的过冷度；
所述受限水池的底部设置有绝热陶瓷块安装座，通过所述绝热陶瓷块安装座固定所述绝热陶瓷块和所述导热铜块；
所述导热铜块的下方涂抹导热硅脂与发热装置相连，所述导热铜块的上部有导热铜芯，所述导热铜芯的上表面为加热面，通过所述绝热陶瓷块下沉所述加热面；
其中，所述加热面接触所述冷却工质，发生气泡微细化沸腾，将所述发热装置的热量传导至所述冷却工质。
一般的低温工质都可以作为受限水池4的冷却工质，本实施例将水作为受限水池4中的冷却工质，需维持受限水池内4工质水的过冷度在20K以上，才能保证气泡微细化沸腾。通常情况下，也可以将水作为散热管(盘管)3的冷却液，当然散热管(盘管)3的冷却液并不局限于水。下面将以水作为受限水池4的冷却工质，对新能源汽车逆流器的发热面进行冷却为例，对本申请第一种实施方式进行详细说明。
所述受限水池盖板的四周开有螺栓孔，所述受限水池盖板的上表面设有工质补充口，所述工质补充口上方开有密封螺纹，以避免液体泄漏；所述受限水池的侧面设有工质排水口；
继续参考图1，受限水池盖板1四周开有螺栓孔，尺寸为180mm×180mm。受限水池盖板1设有为盘管3开设的进水口连接口1-1和排水口连接口1-2，受限水池盖板1的上表面设有工质补充口1-3，下表面中心设有超声波换能器的凹陷安装座1-4。
受限水池盖板1上表面的工质补充口1-3用于补充受限水池内的工质水，工质补充口1-3上方开有密封螺纹，以实现更换受限水池4内工质水时，以及利用气泡微细化沸腾的超声强化传热池式冷却装置工作时的密封。受限水池盖板1在受限水池4的上端，用于将受限水池4内的工质水与外界隔离。
所述受限水池的顶部和底部有凸缘，所述凸缘的四角开有通孔，所述受限水池通孔的孔径与所述受限水池盖板的螺栓孔的孔径相同，螺丝依次穿过所述受限水池盖板的螺栓孔和所述受限水池的通孔，连接所述发热装置，将所述发热装置固定于所述利用气泡微细化沸腾的超声强化传热池式冷却装置。
继续参考图1，受限水池4内部尺寸140mm×140mm，其顶部和底部有宽为20mm的凸缘，凸缘四周开有通孔，通孔孔位与受限水池盖板1四周螺栓孔的孔位相同，将螺丝从受限水池盖板1的上表面开始，依次穿过受限水池盖板1的螺栓孔和受限水池4的通孔后，与需要冷却的发热设备(新能源汽车逆流器的发热面)连接，实现利用气泡微细化沸腾的超声强化传热池式冷却装置与新能源汽车逆流器的发热面的固定，以及受限水池4内工质水与外界的隔离密封。
固定完成的新能源汽车逆流器的发热面的热量通过导热铜块6进入利用气泡微细化沸腾的超声强化传热池式冷却装置。导热铜块6上部设有9个直径为8mm的导热铜芯，导热铜芯的上表面为加热面6-1。
首先，需将导热铜块6固定在受限水池下方；
通过螺丝依次穿过所述绝热陶瓷块安装座、所述绝热陶瓷块的通孔和所述导热铜块对应位置带螺纹的通孔，再用硅胶密封所述绝热陶瓷块安装座和所述绝热陶瓷块，以固定所述绝热陶瓷块和所述导热铜块。
受限水池4的底部设有凹陷的绝热陶瓷块安装座4-2，绝热陶瓷块安装座4-2的四周开有通孔，绝热陶瓷块5和导热铜块6的四周设有相应的通孔，螺丝穿过绝热陶瓷块安装座4-2、绝热陶瓷块5和导热铜块6对应的通孔，将导热铜块6固定在受限水池4的下方，绝热陶瓷块安装座4-2和绝热陶瓷块5之间用硅胶密封。
其次，再利用绝热陶瓷块5的错位倒角通孔下沉加热面6-1。所述绝热陶瓷块内部开有通孔，以下沉所述加热面。
下沉的所述加热面用于避免在发生气泡微细化沸腾时，各所述加热面间的气膜相连。
参考图2，图2是本申请实施例利用错位倒角通孔下沉加热面示意图。其中，所述绝热陶瓷块内部的通孔为错位倒角通孔，以减小所述加热面下沉对所述冷却工质补充的阻碍作用。
绝热陶瓷块5尺寸为60mm×60mm，高13mm，内部开有9个与导热铜块6的9个直径8mm的导热铜芯对应的直径8mm的通孔5-1，通孔5-1为错位倒角设计5-2。导热铜块6的加热面6-1距离绝热陶瓷块5上表面3mm。
利用气泡微细化沸腾的超声强化传热池式冷却装置工作时，受限水池4内的工质水在加热面6-1发生气泡微细化沸腾，带走新能源汽车逆流器的发热面通过导热铜块6导至加热面6-1的热量，完成对新能源汽车逆流器的发热面的冷却。
发生气泡微细化沸腾时，加热面6-1上存在气膜剧烈生长破裂的过程，气膜通常从加热面边缘逸出。而本申请实施例中，加热面下沉3mm时，四周壁面可以显著限制蒸汽气膜的横向膨胀。
并且加热面6-1与绝热陶瓷块5上表面采用错位倒角5-2过渡，减小了加热面6-1下沉对工质水补充点的阻碍作用，且相邻加热面6-1的错位倒角5-2相互错开，在避免气膜相连的前提下，减小了气泡对工质水的阻碍，维持了加热面6-1上工质水气泡微细化沸腾的稳定发生。
受限水池内在加热面6-1发生气泡微细化沸腾的工质水具体可通过以下方式更换：
受限水池盖板1的上表面设有工质补充口1-3，受限水池4侧面设有工质排水口4-1，沿用受限水池盖板1的上表面的工质补充口1-3上方开有密封螺纹相同的处理办法，受限水池4侧面设有的工质排水口4-1同样开有密封螺纹，以实现更换工质水时，以及利用气泡微细化沸腾的超声强化传热池式冷却装置工作时的密封。
排出工质水时，受限水池4侧面的排水口4-1与排水管一端有密封螺纹的接头连接，避免排出的工质水从受限水池4侧面的工质排水口4-1泄露；受限水池4内工质水排出完毕，拆下水管，盖上有密封螺纹的盖子实现受限水池4的密封。
补充工质水时，受限水池盖板1上表面的工质补充口1-3与水管一端有密封螺纹的接头连接，避免补充的工质水从受限水池盖板1的上表面的工质补充口1-3泄露；工质水补充完毕，拆下水管，盖上有密封螺纹的盖子实现受限水池4的密封。
利用气泡微细化沸腾的超声强化传热池式冷却装置工作后，加热面6-1接触的工质水发生气泡微细化沸腾，迅速将热量传导至加热面6-1附近的工质水中，导致受限水池4内工质水局部温度升高，过冷度降低。受限水池4内的工质水在补充完毕后，会一直处于受限水池4内，不向受限水池4以外的其他部位流动，因此受限水池4内工质水的热量，由散热管(盘管)3内冷却水通过单相对流换热的方式带至利用气泡微细化沸腾的超声强化传热池式冷却装置外部，以维持受限水池4内工质水的温度。
继续参考图1，详细说明通过散热管(盘管)3内的冷却水的单相对流将工质水的热量带至利用气泡微细化沸腾的超声强化传热池式冷却装置外部的过程。
通过所述受限水池盖板的限制部位，将所述散热管限制于所述受限水池内；
所述散热管浸没在所述冷却工质中，冷却液流经所述散热管，吸收所述冷却工质的热量，维持所述冷却工质的温度，以稳定所述冷却工质的过冷度。
在本申请第一种实施方式中，散热管是内径5mm、外径6mm的铜管盘绕制成的盘管3(下文将散热管(盘管)3统称为盘管3)。通过受限水池盖板将盘管固定在受限水池内的方法如下：
所述散热管为盘管，所述受限水池盖板上设有所述盘管的进水口和排水口的连接口；
位于所述受限水池盖板下侧的盘管上设有固定环，所述固定环的上方通过硅胶与所述受限水池盖板配合，位于所述受限水池盖板的上侧的盘管开有螺纹，通过螺母和所述固定环将硅胶压紧，以实现将整体盘管限制于所述受限水池内；
所述冷却液通过所述进水口流入盘管，吸收所述冷却工质的热量，再通过所述出水口流出盘管，导出所述冷却工质的热量。
参考图3，图3是本申请实施例盘管与受限水池盖板的密封结构图。盘管3通过进水口连接口和1-1和排水口连接口1-2固定在受限水池盖板1下侧：受限水池盖板1下侧的盘管3的进水口和出水口设有固定环3-1，固定环3-1上方通过硅胶与受限水池盖板1配合，受限水池盖板1上侧的盘管3的进水口和出水口开有螺纹3-2，通过螺母3-3和固定环3-1将硅胶压紧，实现盘管3与受限水池盖板1的密封。
盘管3内冷却水通过单相对流换热的方式将热量带至利用气泡微细化沸腾的超声强化传热池式冷却装置外部的步骤具体为：
冷却水从位于受限水池盖板1的进水口流入盘管3底部，由于盘管3浸泡在受限水池4内温度更高的工质水中，冷却水在盘管3中流动上升时不断吸收受限水池4内工质水的热量，从而维持受限水池4内工质水的温度；最后，上升的冷却水从盘管3另一端自受限水池盖板1的排水口流出，进入盘管外部的冷端，盘管外部的冷端装有风扇等冷却设备以及水泵等动力设备，冷却水流经冷端经冷却设备冷却后，在动力设备的驱动下，再次通过盘管3的进水口流入盘管内部，以此通过调节流入盘管3内冷却水的温度和流量，来调节受限水池4内工质水的温度。
本申请实施例通过将受限水池作为冷却工质发生气泡微细化沸腾的换热通道，再利用冷却液流经盘管带走冷却工质的热量的方式，将冷却液的流动管路与冷却工质发生气泡微细化沸腾的换热通道分离，使冷却工质发生气泡微细化沸腾产生的压力振荡不会对冷却液的流动管路造成影响，更不会对盘管外部冷端的冷却设备和动力设备造成影响，提高了利用气泡微细化沸腾的超声强化传热池式冷却装置的稳定性。
实际应用中，可将本申请中利用气泡微细化沸腾的超声强化传热池式冷却装置的第一种结构的冷端布置在需散热系统壳体附近，如新能源电动汽车的车壳附近，利用风扇等冷却装置将热量直接排出设备，不会使带走的热量二次进入利用气泡微细化沸腾的超声强化传热池式冷却装置，避免了其内部问题，增强装置的冷却能力。
本申请实施例中，利用盘管3内的冷却水的单相对流将工质水的热量带至利用气泡微细化沸腾的超声强化传热池式冷却装置外部的对工质水的冷却方式，将流动回路和气泡微细化沸腾发生的通道隔离，使气泡微细化沸腾发生时剧烈的压力振荡不会对管路和水泵造成影响，提高了利用气泡微细化沸腾的超声强化传热池式冷却装置的可靠性。
除上述实施例中利用盘管3内的冷却水带走工质水的热量，以维持受限水池4内工质水的温度外，还可以结合通过受限水池盖板1固定于受限水池4内的超声波换能器2，以超声波换能器2工作后产生的超声空化和超声声流效应，对受限水池4的工质水产生强搅动作用，提高了冷热流体的混合效果、抑制了氧化层的发展，进一步提高了换热能力，维持受限水池4内工质水的温度，以稳定其20K以上的过冷度。
继续参考图1，超声波换能器2的频率为20±1kHz，功率为100W。
通过受限水池盖板1将超声波换能器2固定在受限水池4内的方法如下：
参考图4，图4是本申请实施例受限水池盖板与超声波换能器的固定结构图。所述受限水池盖板的下表面的中心设有凹陷安装座，所述超声波换能器中间设有安装环，通过螺栓固定所述凹陷安装座和所述安装环，再采用硅胶密封所述安装环与所述凹陷安装座的接缝泄露，将所述超声波换能器固定于所述受限水池内；
受限水池盖板1下表面中心的凹陷安装座1-4设有四个螺孔，螺孔与超声波换能器2中间的安装环2-1周的通孔对应，用螺栓穿过受限水池盖板1下表面中心的凹陷安装座1-4和超声波换能器2中间的安装环2-1，再采用硅胶密封凹陷安装座1-4和安装环2-1间的间隙，保证受限水池4内的工质水不从超声波换能器2和受限水池盖板1间的接缝漏泄。
用上述方式固定超声波换能器2避免了受限水池4内工质水从超声波换能器2和受限水池盖板1间的接缝泄露。同时，超声波换能器2的下表面直径为50mm，能完全覆盖导热铜块6的9个加热面6-1，超声波换能器2的下表面与加热面6-1距离5mm。
固定在受限水池4内的超声波换能器2提高了冷热工质水的混合效果的方法是：
所述超声波换能器产生超声波，所述超声波对所述冷却工质引入超声空化作用和超声声流作用，提高冷热流体混合速率，调节所述冷却工质的温度，以稳定所述冷却工质的过冷度。
超声空化作用：超声波换能器2产生的超声波在受限水池4的工质水中传播，产生压力周期变化的现象，当压力减小至饱和蒸汽压以下时，工质水中的微小气泡开始生长为较大的空化气泡，当压力恢复后，空化气泡急剧崩溃闭合。空化气泡急剧崩溃时可释放出巨大的能量，并产生高速、有强大冲击力的微射流。以上作用减小热了热边界层，提高了盘管3附近的冷工质水和加热面6-1附近的热工质水的混合速率，强化了工质水间的传热性能，使加热面6-1附近的工质水能维持气泡微细化沸腾所需的过冷度。
超声声流效应：超声波换能器2产生的超声波在受限水池4的工质水中传播时能量不断耗散，工质水液体中存在压力梯度，从而引起工质水的宏观流动，这种宏观流动的声流提高了盘管3附近的冷工质水和加热面6-1附近的热工质水的混合速率，强化了工质水流间的传热性能，使加热面6-1附近的工质水能维持气泡微细化沸腾所需的过冷度。
同时，由于在自然对流阶段打开超声波，剧烈的空化效应可以有效去除加热面6-1表面氧化层，所以超声波换能器2产生的超声波还可以有效抑制加热面6-1氧化的作用。
图5示出本申请利用气泡微细化沸腾的超声强化传热池式冷却装置的第二种实施方式。下面将以水作为受限水池5的冷却工质，对新能源汽车逆流器的发热面进行冷却为例，对本申请第二种实施方式进行详细说明。
参考图5，塔式热管散热器1下方是热管固定盖2，热管固定盖2和中心盖板3在受限水池5的上方面，组成受限水池盖板共同密封受限水池5，塔式热管散热器1中热管蒸发端1-3为散热管，与超声波换能器4共同处于受限水池5的内部，受限水池5的底部是绝热陶瓷块6，导热铜块7位于绝热陶瓷块6的下面。
所述散热管为塔式热管散热器的热管蒸发端，所述热管蒸发端位于所述受限水池内，除所述热管蒸发端外的所述塔式热管散热器的其他部分位于所述受限水池盖板的上方；所述塔式热管散热器包括：散热风扇、翅片和热管，所述翅片固定在所述热管上，所述散热风扇位于所述翅片两侧；
通过热管固定盖的下表面焊接的平行竖板，将所述塔式热管散热器内的所述热管抵在所述受限水池的下表面，进而限制所述塔式热管散热器在垂直方向的移动；
所述冷却液在所述热管蒸发端吸收所述冷却工质的热量，汽化为气体冷却液，扩散到热管冷凝端，通过所述散热风扇调节所述热管中的所述气体冷却液，使所述气体冷却液在所述热管冷凝端释放热量，液化为液体冷却液，所述液体冷却液再流回所述热管蒸发端。
与利用气泡微细化沸腾的超声强化传热池式冷却装置的第一种实施方式相同的是，受限水池5内的工质水在绝热铜块7的加热面7-1发生气泡微细化沸腾，带走新能源汽车逆流器的发热面通过导热铜块7导至加热面7-1的热量。再通过散热管(热管蒸发端1-3)内冷却液的单相流动，带走受限水池5中冷却工质中的热量，结合超声波换能器4，以提高受限水池5内冷热工质水的混合效果，强化工质水间的传热性能，维持加热面7-1附近工质水的过冷度，保证气泡微细化沸腾的稳定发生。
与利用气泡微细化沸腾的超声强化传热池式冷却装置的第一种实施方式不同的是，与利用气泡微细化沸腾的超声强化传热池式冷却装置的第一种实施方式的散热管是内径5mm、外径6mm的铜管盘绕制成的盘管，而利用气泡微细化沸腾的超声强化传热池式冷却装置的第二种实施方式的散热管是塔式热管散热器1的热管蒸发端1-3，由于两种实施方式散热管结构不同，利用气泡微细化沸腾的超声强化传热池式冷却装置的第二种实施方式将工质水的热量从受限水池5带离的原理也不相同。
首先详细说明，本申请第二种实施方式将散热管(热管蒸发端1-3)固定于受限水池5内的方法。
所述受限水池盖板分为所述热管固定盖与中心盖板，所述中心盖板的四周开有螺栓孔，所述热管固定盖的边缘开有两个通孔，所述受限水池的凸缘处开有对应通孔，通过螺栓连接所述热管固定盖与所述受限水池，以固定塔式热管散热器和所述受限水池；
通过所述螺丝连接所述中心盖板、所述受限水池和所述发热装置，所述中心盖板和所述热管固定盖之间的缝隙用耐温胶填充，以封闭所述受限水池。
本申请二种实施方式的散热管是热管蒸发端1-3，属于塔式热管散热器1的一部分。参考图6，图6是本申请实施例塔式热管散热器的结构图。
塔式热管散热器1由散热风扇1-1、翅片1-2和热管组成。热管分为位于受限水池5内部的热管蒸发端1-3和位于受限水池5外部的热管冷凝端1-4。
为提高塔式热管散热器1的散热能力，在翅片1-2两侧都设置了直径14mm的散热风扇1-1，散热风扇1-1的最高转速为3600r/min。翅片1-2的单片翅片为厚度是0.3mm的边长140mm的正方形，翅片1-2的单片翅片由导热性好的材料如铝、铜制成。单片翅片间隔2.5mm，固定在外径6mm、内径5mm的6根热管上。塔式热管散热器1的热管外壳由导热性好的材料如铜等制成，流入热管内部的冷却液一般采用低温工质如氟利昂-113、丙酮等。
参考图7，图7是塔式热管散热器与受限水池的固定结构示意图。
为便于安装塔式热管散热器1，将受限水池盖板分为热管固定盖2与中心盖板3两部分，中心盖板3的四周开有螺栓孔，对应受限水池5的顶部及底凸缘四角通孔，螺丝穿过中心盖板3的四周的螺栓孔和受限水池5凸缘四角通孔，将中心盖板3固定于受限水池5，以此将塔式热管散热器1隔离于中心盖板3的上方。
热管固定盖2下表面焊有两块竖版，竖版负责将热管抵在受限水池5下表面，以限制塔式热管散热器1垂直方向的运动。距离热管固定盖2边缘10mm处开有两个通孔，受限水池5凸缘处开有对应通孔，通过螺丝将热管固定盖2与受限水池5连接后，塔式热管散热器1与受限水池5也得以固定。热管、中心盖板3和热管固定盖2之间的缝隙用耐温胶填充，以封闭受限水池5。
将散热管(热管蒸发端1-3)固定于受限水池5内后，以丙酮作为塔式热管散热器1的冷却液为例，说明塔式热管散热器1的热管将热量从受限水池5的工质水中带离的方式。
热管蒸发端1-3直接浸没在受限水池5内工质水中，热管蒸发端1-3内的丙酮吸热后迅速汽化，蒸汽在热扩散的动力下流向热管冷凝端1-4，并在热管冷凝端1-4释放热量，冷凝的丙酮再通过多孔材料靠毛细作用流回热管蒸发端1-3，如此不断循环将利用气泡微细化沸腾的超声强化传热池式冷却装置内的热量导出。由于热管表面积小，为提高热管冷凝端1-4的传热速率，在热管冷凝端1-4固有翅片1-2，扩大了对流换热的表面积。翅片1-2内的热量通过散热风扇1-1引入的空气强制带离，因此，通过调节散热风扇1-1的转速，可控制冷却风量，控制热管内丙酮的冷凝速率，进而控制热管散热的能力，以达到控制受限水池5内工质水的温度。
本申请利用气泡微细化沸腾的超声强化传热池式冷却装置的第二种实施方式的塔式热管散热器1，在结构方面，不需要水泵和密封元件，具有无噪音、免维修、安全可靠的优势；在传热性能方面，主要靠流入热管内部的冷却液的汽、液相变传热，热阻很小，等效热导系数可达几千W/(m·K)，具体大小与热管内部冷却液性质和加热功率有关。
以上对本申请所提供的一种利用气泡微细化沸腾的超声强化传热池式冷却装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。
Claims (10)
1.一种利用气泡微细化沸腾的超声强化传热池式冷却装置，其特征在于，所述装置包括：受限水池盖板、散热管、受限水池、超声波换能器、绝热陶瓷块和导热铜块；
所述受限水池装有冷却工质，上方设有所述受限水池盖板，所述受限水池盖板用于密封所述受限水池，将所述受限水池内的所述冷却工质与外界隔离；
通过所述受限水池盖板固定所述超声波换能器和所述散热管，所述超声波换能器和所述散热管用于稳定所述冷却工质的过冷度；
所述受限水池的底部设置有绝热陶瓷块安装座，通过所述绝热陶瓷块安装座固定所述绝热陶瓷块和所述导热铜块；
所述导热铜块的下方涂抹导热硅脂与发热装置相连，所述导热铜块的上部有导热铜芯，所述导热铜芯的上表面为加热面，通过所述绝热陶瓷块下沉所述加热面；
其中，所述加热面接触所述冷却工质，发生气泡微细化沸腾，将所述发热装置的热量传导至所述冷却工质。
2.根据权利要求1所述的利用气泡微细化沸腾的超声强化传热池式冷却装置，其特征在于，所述受限水池盖板的下表面的中心设有凹陷安装座，所述超声波换能器中间设有安装环，通过螺栓固定所述凹陷安装座和所述安装环，再采用硅胶密封所述安装环与所述凹陷安装座的接缝，将所述超声波换能器固定于所述受限水池内；
所述超声波换能器产生超声波，所述超声波对所述冷却工质引入超声空化作用和超声声流作用，提高冷热流体混合速率，调节所述冷却工质的温度，以稳定所述冷却工质的过冷度。
3.根据权利要求1所述的利用气泡微细化沸腾的超声强化传热池式冷却装置，其特征在于，通过所述受限水池盖板的限制部位，将所述散热管限制于所述受限水池内；
所述散热管浸没在所述冷却工质中，冷却液流经所述散热管，吸收所述冷却工质的热量，维持所述冷却工质的温度，以稳定所述冷却工质的过冷度。
4.根据权利要求3所述的利用气泡微细化沸腾的超声强化传热池式冷却装置，其特征在于，所述散热管为盘管，所述受限水池盖板上设有所述盘管的进水口和排水口的连接口；
位于所述受限水池盖板下侧的盘管上设有固定环，所述固定环的上方通过硅胶与所述受限水池盖板配合，位于所述受限水池盖板的上侧的盘管开有螺纹，通过螺母和所述固定环将硅胶压紧，以实现将整体盘管限制于所述受限水池内；
所述冷却液通过所述进水口流入盘管，吸收所述冷却工质的热量，再通过所述排水口流出盘管，导出所述冷却工质的热量。
5.根据权利要求3所述的利用气泡微细化沸腾的超声强化传热池式冷却装置，其特征在于，
所述散热管为塔式热管散热器的热管蒸发端，所述热管蒸发端位于所述受限水池内，除所述热管蒸发端外的所述塔式热管散热器的其他部分位于所述受限水池盖板的上方；所述塔式热管散热器包括：散热风扇、翅片和热管，所述翅片固定在所述热管上，所述散热风扇位于所述翅片两侧；
通过热管固定盖的下表面焊接的平行竖板，将所述塔式热管散热器内的所述热管抵在所述受限水池的下表面，进而限制所述塔式热管散热器在垂直方向的移动；
所述冷却液在所述热管蒸发端吸收所述冷却工质的热量，汽化为气体冷却液，扩散到热管冷凝端，通过所述散热风扇调节所述热管中的所述气体冷却液，使所述气体冷却液在所述热管冷凝端释放热量，液化为液体冷却液，所述液体冷却液再流回所述热管蒸发端。
6.根据权利要求1所述的利用气泡微细化沸腾的超声强化传热池式冷却装置，其特征在于，所述受限水池盖板的四周开有螺栓孔，所述受限水池盖板的上表面设有工质补充口，所述工质补充口上方开有密封螺纹，以避免液体泄漏；所述受限水池的侧面设有工质排水口；
所述受限水池的顶部和底部有凸缘，所述凸缘的四角开有通孔，所述受限水池通孔的孔径与所述受限水池盖板的螺栓孔的孔径相同，螺丝依次穿过所述受限水池盖板的螺栓孔和所述受限水池的通孔，连接所述发热装置，将所述发热装置固定于所述利用气泡微细化沸腾的超声强化传热池式冷却装置。
7.根据权利要求6所述的利用气泡微细化沸腾的超声强化传热池式冷却装置，其特征在于，所述受限水池盖板分为所述热管固定盖与中心盖板，所述中心盖板的四周开有螺栓孔，所述热管固定盖的边缘开有两个通孔，所述受限水池的凸缘处开有对应通孔，通过螺栓连接所述热管固定盖与所述受限水池，以固定塔式热管散热器和所述受限水池；
通过所述螺丝连接所述中心盖板、所述受限水池和所述发热装置，所述中心盖板和所述热管固定盖之间的缝隙用耐温胶填充，以封闭所述受限水池。
8.根据权利要求1所述的利用气泡微细化沸腾的超声强化传热池式冷却装置，其特征在于，
所述绝热陶瓷块内部开有通孔，以下沉所述加热面；
下沉的所述加热面用于避免在发生气泡微细化沸腾时，各所述加热面间的气膜相连；
其中，所述绝热陶瓷块内部的通孔为错位倒角通孔，以减小所述加热面下沉对所述冷却工质补充的阻碍作用。
9.根据权利要求1所述的利用气泡微细化沸腾的超声强化传热池式冷却装置，其特征在于，
所述冷却工质未完全充满所述受限水池，所述受限水池未装有冷却工质的空间为气空间，所述气空间用于吸收和减小冷却工质发生气泡微细化沸腾产生的压力振荡。
10.根据权利要求1所述的池式冷却装置，其特征在于，通过螺丝依次穿过所述绝热陶瓷块安装座、所述绝热陶瓷块的通孔和所述导热铜块对应位置带螺纹的通孔，再用硅胶密封所述绝热陶瓷块安装座和所述绝热陶瓷块，以固定所述绝热陶瓷块和所述导热铜块。
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