CN110567302A - 一种双层截断式多孔射流气泡微细化沸腾冷却装置 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种双层截断式多孔射流气泡微细化沸腾冷却装置，涉及发热设备冷却领域。旨在实现极高发热设备大面积发热面上气泡微细化沸腾的稳定发生，以解决极高发热设备大面积发热面的冷却问题。所述装置包括：上层盖板、上层底板、下层盖板以及下层底板；冷却液流经所述上层底板上的上层流道，通过上层流道的射流孔补充所述下层底板上下层流道下游的过冷液，维持过冷液的过冷度，保证下层流道下游气泡微细化沸腾的稳定发生。
Description
技术领域
本申请涉及发热设备冷却领域，特别是涉及一种双层截断式多孔射流气泡微细化沸腾冷却装置。
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极高发热设备发热面的冷却需求。
气泡微细化沸腾(Microbubble Emission Boiling简称MEB)，是在上世纪80年代由日本学者Inada等(Inada,S.,Miyasaka,Y.,Sakumoto,S.,Izumi,R.,1981.A study onboiling curves in subcooled pool boiling(2nd Report,Aneffect of contaminationof surface on boiling heat transfer and collapse vaporslug).Transaction ofJSME 47,2021-2029)发现的一种具有极高换热能力的特殊沸腾现象，由于沸腾伴随着剧烈的气泡破裂和微气泡发射过程，因此称为气泡微细化沸腾，气泡微细化沸腾的热流密度可达10MW/m2，远高于临界热流密度(约1MW/m2)，因此气泡微细化沸腾可用于极高发热设备发热面的冷却。
然而，冷却液发生气泡微细化沸腾需要一定的过冷度，以水工质为例，气泡微细化沸腾通常在20K以上的过冷度才会发生；但在利用气泡微细化沸腾冷却较大尺寸的发热面时，极高的热流密度快速加热发热面下游的冷却液，使冷却液的过冷度低于气泡微细化沸腾发生所需过冷度，气泡微细化沸腾不再发生，因此，怎样利用气泡微细化沸腾冷却大面积的极高发热设备发热面的问题亟待解决。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提供一种双层截断式多孔射流气泡微细化沸腾冷却装置，旨在实现极高发热设备大面积发热面上气泡微细化沸腾的稳定发生，以解决极高发热设备大面积发热面的冷却问题。
本申请实施例提供了一种双层截断式多孔射流气泡微细化沸腾冷却装置，所述装置包括：上层盖板、上层底板、下层盖板以及下层底板；
所述下层底板设有下层流道，过冷液流经所述下层流道，发生气泡微细化沸腾，冷却与所述下层底板接触的发热面；
所述下层盖板和所述上层底板组成中间层，所述中间层位于所述下层底板上，以使所述下层流道隔离于外界环境；
所述上层底板设有上层流道，所述上层流道开有射流孔，所述上层盖板位于所述上层底板上，以使所述上层流道隔离于外界环境；
冷却液流经所述上层流道，通过所述射流孔补充所述下层流道的所述过冷液，维持所述过冷液的过冷度，保证所述下层流道下游气泡微细化沸腾的稳定发生。
可选地，所述上层流道包括所述上层底板上设置的间隔均匀的子流道；其中，所述上层底板的各子流道开有多个所述射流孔。
所述下层流道包括所述下层底板上设置的间隔均匀的子流道。
可选地，所述下层盖板开有第一进水口；所述上层盖板开有第二进水口和出水口；所述上层底板对应所述第二进水口的位置设有渐扩均流结构，所述下层底板对应所述第一进水口的位置设有所述渐扩均流结构；所述下层底板对应所述出水口的位置设有渐缩汇流结构；所述出水口孔径大于所述第二进水口孔径；
所述过冷液由所述第一进水口流入所述下层底板，通过所述渐扩均流结构分配到所述下层流道的各子流道，所述下层流道上游的所述过冷液发生气泡微细化沸腾，吸收所述发热面的热量，导致所述过冷液温度增高；
所述冷却液由所述第二进水口流入所述上层底板，通过所述渐扩均流结构分配到所述上层流道的各子流道，通过所述射流孔补充到所述下层流道，使温度增高的所述过冷液冷却，维持所述下层流道下游气泡微细化沸腾的稳定发生；
所述下层流道下游的过冷液发生气泡微细化沸腾，吸收所述发热面的热量，温度升高，通过所述渐缩汇流结构从所述出水口排出。
可选地，所述射流孔孔径随着其与所述出水口的距离的增大而减小，以均匀所述下层流道下游过冷液的温度。
可选地，所述下层盖板朝向所述下层流道的下表面上设有细针，所述上层底板朝向所述下层流道的下表面上设有细针，所述细针用于降低气泡微细化沸腾发生时的压力振荡。
可选地，所述中间层由中间均流板和所述上层底板组成，所述中间均流板为设有半圆均流结构的所述下层盖板；所述上层盖板开有第一进水口、第一出水口、第二进水口以及第二出水口；所述第一进水口孔径小于所述第一出水口孔径；所述第二进水口孔径大于所述第二出水口孔径；所述上层底板对应所述第二进水口的位置设有所述渐扩均流结构，所述下层底板对应所述第一进水口的位置设有所述渐扩均流结构；所述下层底板对应所述第一出水口的位置设有所述渐缩汇流结构；所述上层底板对应所述第二出水口的位置设有所述渐缩汇流结构；
所述过冷液由所述第一进水口流入所述中间均流板，通过所述中间均流板分流，流入所述下层底板；所述冷却液由所述第二进水口流入所述上层底板；
所述冷却液流经所述上层流道，通过所述渐缩汇流结构从所述第二出水口排出；
所述下层流道下游的过冷液通过所述渐缩汇流结构从所述第一出水口排出。
可选地，所述上层底板开有排水导水孔，所述排水导水孔用于排出所述渐缩汇流结构中的过冷液。
可选地，所述上层底板的上表面设有上层进水口、上层单侧渐缩均流结构、上层出水口、以及上层单侧渐扩汇流结构；所述下层底板设有下层进水口、下层单侧渐缩均流结构、下层出水口、以及下层单侧渐扩汇流结构；所述下层出水口大于所述下层进水口；
所述过冷液由所述下层进水口流入所述下层底板，通过所述下层单侧渐缩均流结构分配到所述下层流道的各子流道；
所述冷却液由所述上层进水口流入所述上层底板，通过所述上层单侧渐缩均流结构分配到所述上层流道的各子流道；
所述冷却液流经所述上层流道，通过所述上层单侧渐扩汇流结构从所述上层出水口排出；
所述下层流道下游的所述过冷液温度升高，通过所述下层单侧渐扩汇流结构从所述下层出水口排出。
可选地，所述上层底板与所述下层盖板通过阶梯型拼接结构连接。
可选地，所述上层流道长度为所述下层流道长度的三分之一至三分之二。
本申请提出的一种双层截断式多孔射流气泡微细化沸腾冷却装置，冷却液通过上层流道孔射流与下层流道下游的高温过冷液混合，降低温度升高的过冷液的温度度，恢复过冷液的过冷度，以维持下层流道下游气泡微细化沸腾的稳定发生，进而使双层截断式多孔射流气泡微细化沸腾冷却装置能冷却高负荷发热装置大面积的发热面。
同时本申请采用截断的上层流道，避免上层流道具有较高温度的冷却液加热下层流道入口区域低温过冷液，提高上层流道冷却液对下层流道过冷液的冷却效率。设置在上层底板和下层盖板下表面的细针可以减小气泡体积，防止下层流道的子流道内气泡聚集形成气膜导致传热性能下降。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。
图1是本申请提出的第一种双层截断式多孔射流气泡微细化沸腾冷却装置结构示意图；
图2是本申请提出的第一种双层截断式多孔射流气泡微细化沸腾冷却装置上层底板的结构示意图；
图3是本申请实施例过冷液和冷却液的流向示意图；
图4是本申请提出的第二种双层截断式多孔射流气泡微细化沸腾冷却装置的结构示意图；
图5是本申请提出的第二种双层截断式多孔射流气泡微细化沸腾冷却装置的上层底板的结构示意图；
图6是本申请提出的第二种双层截断式多孔射流气泡微细化沸腾冷却装置的下层盖板的结构示意图；
图7是本申请提出的第三种双层截断式多孔射流气泡微细化沸腾冷却装置的结构示意图；
图8是本申请提出的第三种双层截断式多孔射流气泡微细化沸腾冷却装置上层底板的结构示意图；
图9是本申请提出的第三种双层截断式多孔射流气泡微细化沸腾冷却装置下层底板的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、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发明作进一步详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，并不用于限定本发明。
随着科技的发展，在能源、动力以及航天航空众多工业领域中，工程系统、动力系统等装置能满足更高的动力需求，但其发热面的发热量也相应增加，越来越多的工程系统、动力系统和装置的发热量超过常规冷却方式冷却能力的极限；例如新能源汽车逆变器等集成电路，以及聚变反应堆的转向器等。
对于新能源汽车使用的逆流器，其散热面在20cm×20cm尺寸上的发热功率可以达到100kw以上(热流密度超过250W/cm2)，对于具有以上高热负荷的发热面，单相换热和常规沸腾等冷却方式已经难以满足其冷却需求。而气泡微细化沸腾发生时的热流密度可达1000W/cm2，随着过冷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，能够解决新能源汽车逆变器等集成电路、聚变反应堆的转向器等极高发热符合发热面的冷却问题。
然而随着发热面尺寸的增加，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10cm时，气泡微细化沸腾甚至不再发生。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是：极高的热流密度使发热面下游冷却液被快速加热，使其过冷度低于气泡微细化沸腾发生所需的过冷度。
有鉴于此，本申请发明人提出：采用具有上层流道和下层流道结构的双层截断式多孔射流气泡微细化沸腾冷却装置，上层流道的冷却液通过射流孔，补充下层流道过冷液，降低下层流道温度升高的过冷液的温度，恢复其过冷度，双层截断式多孔射流气泡微细化沸腾冷却装置通过经射流孔流入下层流道的冷却液，和两层之间的导热来维持下层流道下游过冷液的过冷度，保证气泡微细化沸腾可以在较大加热面上持续发生，进而保证气泡微细化沸腾对极高发热设备大面积发热面的冷却。
以下通过具体实施例详细说明一种双层截断式多孔射流气泡微细化沸腾冷却装置的装置结构、工作原理和实施效果。
实施例1
本申请第一种实施例公开的一种双层截断式多孔射流气泡微细化沸腾冷却装置如图1所示，图1是本申请提出的第一种双层截断式多孔射流气泡微细化沸腾冷却装置的结构示意图。
所述装置包括：上层盖板1、上层底板2、下层盖板3以及下层底板4；
所述下层底板4设有下层流道41，过冷液流经所述下层流道41，发生气泡微细化沸腾，冷却与所述下层底板4接触的发热面；
所述下层盖板3和所述上层底板2组成中间层，所述中间层位于所述下层底板4上，以使所述下层流道41隔离于外界环境；
所述上层底板2设有上层流道22，所述上层流道22开有射流孔23，所述上层盖板1位于所述上层底板2上，以使所述上层流道22隔离于外界环境；
冷却液流经所述上层流道22，通过所述射流孔23补充所述下层流道41的所述过冷液，维持所述过冷液的过冷度，保证所述下层流道41下游气泡微细化沸腾的稳定发生。
本申请实施例中，双层截断式多孔射流气泡微细化沸腾冷却装置的上层结构是上层盖板1和上层底板2组成空间结构；下层结构是：下层底板4与中间层组成的空间结构。
所述上层底板与所述下层盖板通过阶梯型拼接结构21连接。上层底板2与下层盖板3在阶梯型拼接结构21处通过耐温胶或焊接方式连接，组成中间层。
其中下层结构中的下层流道41作为过冷液的气泡微细化沸腾的发生通道，与换热面接触；在冷却过程中，因需要冷却的发热面面积较大，下层流道41的流道尺寸也较大，为避免下层流道41下游的过冷液因发热面的热量影响导致气泡微细化沸腾不会发生的现象，在利用下层流道41下游通过上层结构补充下层流道41下游的过冷液，具体方法是在上层结构的上层流道22设置射流孔23，并将冷却液注入上层流道22，使冷却液通过射流孔23补充用下层流道41下游的过冷液。
需要注意的是：上层流道22截断长度为下层流道41的三分之一至三分之二，具体尺寸与冷却液工质、过冷液工质及上层流道22的加工材质有关，目的在于避免上层流道22的冷却液加热后，具有较高温度的冷却液加热下层流道41入口区域的低温过冷液，提高上层流道22冷却液对下层流道41过冷液的混合冷却效率。
所述上层流道22长度为所述下层流道长度41的三分之一至三分之二。
以下分别具体分析上层盖板1、上层底板2、下层盖板3以及下层底板4的设置及其在双层截断式多孔射流气泡微细化沸腾冷却装置的作用。
所述下层盖板3开有第一进水口31；所述上层盖板1开有第二进水口11和出水口12；所述上层底板2对应所述第二进水口11的位置设有渐扩均流结构24，所述下层底板4对应所述第一进水口31的位置设有所述渐扩均流结构42；所述下层底板4对应所述出水口12的位置设有渐缩汇流结构43；所述出水口12孔径大于所述第二进水口孔径11；
上层盖板1尺寸为105mm×100mm，在上层盖板1上开有流经上层流道22的冷却液的第二进水口11，和流经下层流道41并发生气泡微细化沸腾换热的过冷液的出水口12，过冷液在下层流道41发生气泡微细化沸腾冷却与下层底板4接触的发热面，最终温度升高的过冷液从出水口12流出。
下层盖板3开有流经下层流道41的过冷液的第一进水口31，由于双层截断式多孔射流气泡微细化沸腾冷却装置的下层流道41的过冷液包括：自第一进水口31流入的过冷液和经上层流道22的射流孔23补充的冷却液，又因下层流道41的过冷液只能从出水口12流出，相当于下层流道41的进水口多于排水口，为平衡下层流道41内压力与流速，出水口12的尺寸应大于第一进水口31的尺寸。
如图2所示，图2是本申请提出的第一种双层截断式多孔射流气泡微细化沸腾冷却装置上层底板的结构示意图。
上层底板2的尺寸为115mm×100mm，在上层底板2对应第二进水口11的位置设置有渐扩均流结构24，冷却液从第二进水口11流入上层底板2的渐扩均流结构24，渐扩均流结构24将冷却液均匀分配至上层流道22的各子流道中。
上层底板2和下层盖板3的下表面焊有细针26，用于减小下层流道41的过冷液发生气泡微细化沸腾时产生的气泡的体积，降低气泡破碎所引入的压力波动，进而以减小气泡微细化沸腾对下层流道41的损坏；同时，减小下层流道41的过冷液发生气泡微细化沸腾时产生的气泡的体积，还可以防止下层流道的子流道内气泡聚集形成气膜导致传热性能下降。
所述下层盖板朝向所述下层流道的下表面上设有细针，所述上层底板朝向所述下层流道的下表面上设有细针，所述细针用于降低气泡微细化沸腾发生时的压力振荡。
并且远离上层流道入口渐扩均流结构24处的射流孔23孔径逐渐减小，其目的在于增加下层流道41出口高温区域冷却液对过冷液的补充量，维持整个流道过冷度均匀性，提高传热极限。
所述射流孔孔径随着其与所述出水口的距离的增大而减小，以均匀所述下层流道下游过冷液的温度。
下层底板4尺寸为200mm×100mm，在下层底板4对应第一进水口31的位置开有渐扩均流结构42，并且对应上层盖板1的出水口12的位置开有渐缩汇流结构43；相应地，在上层底板2上对应渐缩汇流结构43和出水口12的位置设有排水导水孔25。
所述上层底板开有排水导水孔25，所述排水导水孔25用于排出所述渐缩汇流结构中的过冷液。
排水导水孔25用于将下层底板4渐缩汇流结构43的最终温度升高的过冷液导至出水口12排出。
在本申请第一种实施例中，上层底板2的上层流道22和下层底板4的下层流道41都是上层底板上间隔均匀的子流道。
所述上层流道22包括所述上层底板上2设置的间隔均匀的子流道；其中，所述上层底板2的各子流道开有多个所述射流孔。
所述下层流道41包括所述下层底板4上设置的间隔均匀的子流道。
如图3所示，图3是本申请实施例过冷液和冷却液的流向示意图。
本申请第一种实施例中，过冷液通过双层截断式多孔射流气泡微细化沸腾冷却装置，冷却发热设备发热面的流动原理是：
所述过冷液由所述第一进水口31流入所述下层底板4，通过所述渐扩均流结构42分配到所述下层流道41的各子流道，所述下层流道41上游的所述过冷液发生气泡微细化沸腾，吸收所述发热面的热量，导致所述过冷液温度增高；
所述冷却液由所述第二进水口11流入所述上层底板2，通过所述渐扩均流结构24分配到所述上层流道22的各子流道，通过所述射流孔23补充到所述下层流道41，使温度增高的所述过冷液冷却，维持所述下层流道41下游气泡微细化沸腾的稳定发生；
所述下层流道41下游的过冷液发生气泡微细化沸腾，吸收所述发热面的热量，温度升高，通过所述渐缩汇流结构43从所述出水口12排出。
过冷液自第一进水口31流入下层底板4，通过渐扩均流结构42，将过冷液均匀分配至下层流道41的各子流中，过冷液发生气泡微细化沸腾，温度升高，在下层流道41的下游，与通过射流孔23的过冷射射流混合，恢复其过冷度，再次转变为低温的过冷液，维持下层流道41的下游气泡微细化沸腾的发生，冷却后的过冷液与发热面换热，最终温度升高，从下层流道41流出，汇聚到所述渐缩汇流结构43，通过渐缩汇流结构43与排水导水孔25，从出水口12排出。
在双层截断式多孔射流气泡微细化沸腾冷却装置的材料选择方面，为了提高上层流道2的冷却液吸收的过冷液热量，和下层流道4的过冷液的对发热设备发热面的换热效率，上层底板2和下层底板4采用导热性能好的材料如铜制作；同时为了避免下层流道41发生气泡微细化沸腾产生的热量影响第一进水口31过冷液的温度，以及避免上层流道22的热量影响第二进水口11的冷却液的温度，上层盖板1和下层盖板3选用导热性较差的材料如不锈钢等制作。
实施例2
与本申请第一种实施例同的是，本申请第二种实施例的双层截断式多孔射流气泡微细化沸腾冷却装置包括，上层盖板1、上层底板2、下层盖板3以及下层底板4。
所述下层底板4设有下层流道41，过冷液流经所述下层流道41，发生气泡微细化沸腾，冷却与所述下层底板4接触的发热面；
所述下层盖板3和所述上层底板2组成中间层，所述中间层位于所述下层底板4上，以使所述下层流道41隔离于外界环境；
所述上层底板2设有上层流道22，所述上层流道22开有射流孔23，所述上层盖板1位于所述上层底板2上，以使所述上层流道22隔离于外界环境；
冷却液流经所述上层流道22，通过所述射流孔23补充所述下层流道41的所述过冷液，维持所述过冷液的过冷度，保证所述下层流道41下游气泡微细化沸腾的稳定发生。
实施例2在实施例1的基础上对双层截断式多孔射流气泡微细化沸腾冷却装置的进一步改进。
如图4所示，图4是本申请提出的第二种双层截断式多孔射流气泡微细化沸腾冷却装置的结构示意图。
所述中间层由中间均流板32和所述上层底板2组成，所述中间均流板32为设有半圆均流结构31的所述下层盖板3；所述上层盖板1开有第一进水口11、第一出水口12、第二进水口13以及第二出水口14；所述第一进水口11孔径小于所述第一出水口12孔径；所述第二进水口13孔径大于所述第二出水口14孔径；
本申请第二种实施例中，上层盖板1的尺寸为200mm×100mm，与下层底板4的尺寸相同，位于中间层上方，不仅可以将上层流道22隔离于外界环境，也可以将下层盖板设置的半圆均流结构31与外界环境隔离。
上层盖板1设置的第二出水口14提高了上层流道22内冷却液的流速，进而提高了上层流道22的冷却液的换热能力，使其能够更好地补充下层流道41中过冷液的过冷度。
为平衡上层流道22的压力和其中冷却液的流速，第二出水口14孔径小于第二进水口13的孔径。同时为平衡下层流道41的压力和其中冷却液的流速，第一出水口12孔径大于第一进水口11的孔径。具体可以将第一进水口11的孔径设置为10mm，第一出水口12孔径设置为15mm，第二进水口13的孔径设置为10mm，第二出水口14的孔径设置为6mm。
如图5所示，图5是本申请提出的第二种双层截断式多孔射流气泡微细化沸腾冷却装置的上层底板的结构示意图。
所述上层底板2对应所述第二进水口13的位置设有所述渐扩均流结构，所述下层底板对应所述第一进水口的位置设有所述渐扩均流结构；所述下层底板对应所述第一出水口的位置设有所述渐缩汇流结构；所述上层底板对应所述第二出水口的位置设有所述渐缩汇流结构；
在本申请第二种实施例中，上层底板2的尺寸仍然为115mm×100mm，对应于第二进水口13的位置设置有渐扩均流结构24，对应于第二出水口14的位置设置有渐缩汇流结构26。上层底板2上间隔均匀的子流道为上层流道22，上层流道开有射流孔23，远离上层流道入口渐扩均流结构24处的射流孔23孔径逐渐减小，以增加下层流道41下游距离高温区域过冷水的补充量，维持整个下层流道41过冷液过冷度的均匀性，提高双层截断式多孔射流气泡微细化沸腾冷却装置对高负荷发热设备发热面的传热极限。
如图6所示，图6是本申请提出的第二种双层截断式多孔射流气泡微细化沸腾冷却装置的下层盖板的结构示意图。
本申请第二种实施例中，下层盖板3设置有半圆均流结构31，形成中间均流板32，用于在进入下层流道41之前对过冷液进行分流，提高下层流道41内过冷液流量分配的均匀性。
上层底板2的左侧设有阶梯型拼接结构21，中间均流板32通过耐温胶或焊接方式的阶梯型拼接结构21处连接上层底板2，形成中间层。
上层底板2和中间均流板32的下表面焊有细针27，用于减小下层流道41的过冷液发生气泡微细化沸腾时产生的气泡的体积，降低气泡破碎所引入的压力波动，进而以减小气泡微细化沸腾对下层流道41的损坏。
上层底板2对应第一出水口12的位置设置有排水导水孔25，用于将下层底板4渐缩汇流结构43的温度升高的过冷液导至第一出水口12排出。
本申请第二种实施例中，下层流道4的结构与本申请第一种实施例下层流道4的结构相同，不再多做赘述。
上层流道22截断长度为下层流道41的三分之一至三分之二，具体尺寸与冷却液工质、过冷液工质及上层流道22的加工材质有关，目的在于避免上层流道22的冷却液加热后，具有较高温度的冷却液加热下层流道41入口区域的低温过冷液，提高上层流道22冷却液对下层流道41过冷液的混合冷却效率。
如图3所示的过冷液和冷却液的流动方向，本申请第二种实施例中，本申请第二种实施例中，过冷液通过双层截断式多孔射流气泡微细化沸腾冷却装置，冷却发热设备发热面的流动原理是：
所述过冷液由所述第一进水口11流入所述中间均流板32，通过所述中间均流板32分流，流入所述下层底板4；所述冷却液由所述第二进水口13流入所述上层底板2；
所述冷却液流经所述上层流道22，通过所述渐缩汇流结构24从所述第二出水口14排出；
所述下层流道42下游的过冷液通过所述渐缩汇流结构43从所述第一出水口12排出。
过冷液自第一进水口11流入中间均流板32，通过半圆均流结构32将过冷液分流，均匀流入下层底板4，通过渐扩均流结构42，将过冷液均匀分配至下层流道41的各子流道中，过冷液发生气泡微细化沸腾，转变为温度升高，流至下层流道41的下游。
冷却液自第二进水口13流入上层底板2，通过渐扩均流结构24分配到上层流道22的各子流道，部分冷却液通过上层流道22的射流孔23进入下层流道，部分通过渐缩汇流结构26，从第二出水口14排出。
下层流道41下游的温度升高的过冷液与自射流孔23流出的冷却液流混合，温度降低，维持下层流道41下游气泡微细化沸腾的稳定发生，冷却高负荷发热设备的发热面，过冷液最终温度升高，通过渐缩汇流结构43、排水导水孔25，最后从第一出水口12排出。
与本申请第一种实施例相似的是，上层底板2和下层底板4采用导热性能好的材料如铜制作，上层盖板1和中间均流板32采用导热性较差的材料如不锈钢等制作，材料选择的原理与本申请第一种实施例相似，在此不多作赘述。
实施例3
与本申请第一种实施例同的是，本申请第三种实施例的双层截断式多孔射流气泡微细化沸腾冷却装置包括，上层盖板1、上层底板2、下层盖板3以及下层底板4。
所述下层底板4设有下层流道41，过冷液流经所述下层流道41，发生气泡微细化沸腾，冷却与所述下层底板4接触的发热面；
所述下层盖板3和所述上层底板2组成中间层，所述中间层位于所述下层底板4上，以使所述下层流道41隔离于外界环境；
所述上层底板2设有上层流道22，所述上层流道22开有射流孔23，所述上层盖板1位于所述上层底板2上，以使所述上层流道22隔离于外界环境；
冷却液流经所述上层流道22，通过所述射流孔23补充所述下层流道41的所述过冷液，维持所述过冷液的过冷度，保证所述下层流道41下游气泡微细化沸腾的稳定发生。
实施例3是在实施例1的基础上对双层截断式多孔射流气泡微细化沸腾冷却装置的进一步改进。
如图7所示，图7是本申请提出的第三种双层截断式多孔射流气泡微细化沸腾冷却装置的结构示意图。
所述上层底板2的上表面设有上层进水口24、上层单侧渐缩均流结构25、上层出水口26、以及上层单侧渐扩汇流结构27；所述下层底板4设有下层进水口42、下层单侧渐缩均流结构43、下层出水口44、以及下层单侧渐扩汇流结构45；所述下层出水口44大于所述下层进水口42；
本申请第三种实施例中，上层盖板1的尺寸为105mm×100mm，仅用于使上层流道22隔离外界环境，而将上层流道22的上层进水口24设置于上层底板2的上表面。
如图8所示，图8是本申请提出的第三种双层截断式多孔射流气泡微细化沸腾冷却装置上层底板的结构示意图。
上层底板2左侧设有阶梯型拼接结构21，其上表面分别设有上层进水口24、上层单侧渐缩均流结构25，上层出水口26、以及上层单侧渐扩汇流结构27；其中，上层单侧渐缩均流结构25用于将冷却液均匀分配至上层流道22的各子流道，上层单侧渐扩汇流结构27用于汇聚流经上层流道22的部分冷却液，通过上层出水口26排出上层流道22。
上层进水口24和上层出水口26为矩形，受到上层底板厚度的限制，上层进水口24和上层出水口26的尺寸可以是10mm×6mm。
上层底板2上射流孔23随着其与上层出水口26的距离的增大而减小，越靠近下层流道41下游的射流孔23孔径越大，以向温度更高位置补充更多过冷水，维持下层流道41下游温度均匀分布。同一子流道中射流孔23的具体尺寸从小到大分别可以是6、7、8、9和10mm。
上层底板2和下层盖板3的下表面焊有细针28，用于减小下层流道41的过冷液发生气泡微细化沸腾时产生的气泡的体积，降低气泡破碎所引入的压力波动，进而以减小气泡微细化沸腾对下层流道41的损坏。
如图9所示，图9是本申请提出的第三种双层截断式多孔射流气泡微细化沸腾冷却装置下层底板的结构示意图。
下层底板4设有下层进水口42、下层单侧渐缩均流结构43、下层出水口44、以及下层单侧渐扩汇流结构45，由于上层流道22部分冷却液会补充至下层流道41，为平衡下层流道41内的压力和过冷液的流速，下层出水口44的尺寸应大于下层进水口42的尺寸。具体地，下层进水口42的尺寸可以是20mm×6mm，下层出水口44的尺寸可以是25mm×6mm。
将上层进水口24、上层出水口26设置于上层底板2上表面的侧面，下层进水口42、下层出水口44设置于下层底板4上表面的侧面，减少了双层截断式多孔射流气泡微细化沸腾冷却装置所占空间，适用于设备纵向空间较小处的散热。
上层流道22截断长度为下层流道41的三分之一至三分之二，具体尺寸与冷却液工质、过冷液工质及上层流道22的加工材质有关，目的在于避免上层流道22的冷却液加热后，具有较高温度的冷却液加热下层流道41入口区域的低温过冷液，提高上层流道22冷却液对下层流道41过冷液的混合冷却效率。
本申请第三种实施例中上层流道22和下层流道41的设置与本申请第一种实施例和本申请第二种实施例类似，再次不多作赘述。
如图3所示的过冷液和冷却液的流动方向，本申请第三种实施例中，过冷液通过双层截断式多孔射流气泡微细化沸腾冷却装置，冷却发热设备发热面的流动原理是：
所述过冷液由所述下层进水口42流入所述下层底板4，通过所述下层单侧渐缩均流结构43分配到所述下层流道41的各子流道；
所述冷却液由所述上层进水口24流入所述上层底板2，通过所述上层单侧渐缩均流结构25分配到所述上层流道22的各子流道；
所述冷却液流经所述上层流道22，通过所述上层单侧渐扩汇流结构27从所述上层出水口26排出；
所述下层流道41下游的所述过冷液温度升高，通过所述下层单侧渐扩汇流结构45从所述下层出水口44排出。
过冷液自下层进水口42进入下层底板1，通过下层单侧渐缩均流结构43，将过冷液均匀分配至下层流道41的各子流道中，过冷液发生气泡微细化沸腾，温度升高，流至下层流道41的下游。
冷却液自上层进水口24流入上层底板2，通过上层单侧渐缩均流结构25均匀流入上层流道22的各子流道，部分冷却液通过上层流道22的射流孔23流入下层流道，上层单侧渐扩汇流结构27，从上层出水口26排出。
下层流道41下游的温度升高的过冷液与通过射流孔流入下层流道的冷却液流混合，恢复过冷度，维持下层流道41下游气泡微细化沸腾的稳定发生，冷却高负荷发热设备的发热面，过冷液最终温度升高，通过下层单侧渐扩汇流结构45，最后从下层出水口12排出。
与本申请第一种实施例相似的是，上层底板2和下层底板4采用导热性能好的材料如铜制作，上层盖板1和下层盖板3采用导热性较差的材料如不锈钢等制作，材料选择的原理与本申请第一种实施例相似，在此不多作赘述。
还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法所固有的要素。
以上对本发明所提供的一种双层截断式多孔射流气泡微细化沸腾冷却装置，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明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发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，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发明的限制。
Claims (10)
1.一种双层截断式多孔射流气泡微细化沸腾冷却装置，其特征在于，所述装置包括：上层盖板、上层底板、下层盖板以及下层底板；
所述下层底板设有下层流道，过冷液流经所述下层流道，发生气泡微细化沸腾，冷却与所述下层底板接触的发热面；
所述下层盖板和所述上层底板组成中间层，所述中间层位于所述下层底板上，以使所述下层流道隔离于外界环境；
所述上层底板设有上层流道，所述上层流道开有射流孔，所述上层盖板位于所述上层底板上，以使所述上层流道隔离于外界环境；
冷却液流经所述上层流道，通过所述射流孔补充所述下层流道的所述过冷液，维持所述过冷液的过冷度，保证所述下层流道下游气泡微细化沸腾的稳定发生。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述上层流道包括所述上层底板上设置的间隔均匀的子流道；其中，所述上层底板的各子流道开有多个所述射流孔。
所述下层流道包括所述下层底板上设置的间隔均匀的子流道。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述下层盖板开有第一进水口；所述上层盖板开有第二进水口和出水口；所述上层底板对应所述第二进水口的位置设有渐扩均流结构，所述下层底板对应所述第一进水口的位置设有所述渐扩均流结构；所述下层底板对应所述出水口的位置设有渐缩汇流结构；所述出水口孔径大于所述第二进水口孔径；
所述过冷液由所述第一进水口流入所述下层底板，通过所述渐扩均流结构分配到所述下层流道的各子流道，所述下层流道上游的所述过冷液发生气泡微细化沸腾，吸收所述发热面的热量，导致所述过冷液温度增高；
所述冷却液由所述第二进水口流入所述上层底板，通过所述渐扩均流结构分配到所述上层流道的各子流道，通过所述射流孔补充到所述下层流道，使温度增高的所述过冷液冷却，维持所述下层流道下游气泡微细化沸腾的稳定发生；
所述下层流道下游的过冷液发生气泡微细化沸腾，吸收所述发热面的热量，温度升高，通过所述渐缩汇流结构从所述出水口排出。
4.根据权利要3所述的装置，其特征在于，所述射流孔孔径随着其与所述出水口的距离的增大而减小，以均匀所述下层流道下游过冷液的温度。
5.根据权利要1所述的装置，其特征在于，所述下层盖板朝向所述下层流道的下表面上设有细针，所述上层底板朝向所述下层流道的下表面上设有细针，所述细针用于降低气泡微细化沸腾发生时的压力振荡。
6.根据权利要2所述的装置，其特征在于，所述中间层由中间均流板和所述上层底板组成，所述中间均流板为设有半圆均流结构的所述下层盖板；所述上层盖板开有第一进水口、第一出水口、第二进水口以及第二出水口；所述第一进水口孔径小于所述第一出水口孔径；所述第二进水口孔径大于所述第二出水口孔径；所述上层底板对应所述第二进水口的位置设有所述渐扩均流结构，所述下层底板对应所述第一进水口的位置设有所述渐扩均流结构；所述下层底板对应所述第一出水口的位置设有所述渐缩汇流结构；所述上层底板对应所述第二出水口的位置设有所述渐缩汇流结构；
所述过冷液由所述第一进水口流入所述中间均流板，通过所述中间均流板分流，流入所述下层底板；所述冷却液由所述第二进水口流入所述上层底板；
所述冷却液流经所述上层流道，通过所述渐缩汇流结构从所述第二出水口排出；
所述下层流道下游的过冷液通过所述渐缩汇流结构从所述第一出水口排出。
7.根据权利要3或6所述的装置，其特征在于，所述上层底板开有排水导水孔，所述排水导水孔用于排出所述渐缩汇流结构中的过冷液。
8.根据权利要2所述的装置，其特征在于，所述上层底板的上表面设有上层进水口、上层单侧渐缩均流结构、上层出水口、以及上层单侧渐扩汇流结构；所述下层底板设有下层进水口、下层单侧渐缩均流结构、下层出水口、以及下层单侧渐扩汇流结构；所述下层出水口大于所述下层进水口；
所述过冷液由所述下层进水口流入所述下层底板，通过所述下层单侧渐缩均流结构分配到所述下层流道的各子流道；
所述冷却液由所述上层进水口流入所述上层底板，通过所述上层单侧渐缩均流结构分配到所述上层流道的各子流道；
所述冷却液流经所述上层流道，通过所述上层单侧渐扩汇流结构从所述上层出水口排出；
所述下层流道下游的所述过冷液温度升高，通过所述下层单侧渐扩汇流结构从所述下层出水口排出。
9.根据权利要1-6任一或8所述的装置，其特征在于，所述上层底板与所述下层盖板通过阶梯型拼接结构连接。
10.根据权利要1-6任一或8所述的装置，其特征在于，所述上层流道长度为所述下层流道长度的三分之一至三分之二。
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| CN110567302B (zh) | 2020-08-21 |
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