CN111981884B - 一种基于气体膜分离的相变强化传热装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于气体膜分离的相变强化传热装置，压力腔分为三层，依次为从下至上的蒸发室、混合室和排气室；蒸发室位于底板和第一隔板之间，其中装有沸点低于被冷却物体温度的相变介质；混合室位于第一隔板和第二隔板之间，第一隔板上设有螺旋通道，外部冷空气经由入口段依次进入冷气室和螺旋通道在所述螺旋通道中与蒸发室中产生的介质蒸气混合，排气室位于第二隔板和多孔介质层之间，多孔介质层下方设有气体分离膜，排气室下壁面加工有针状阵列，顶部与气体分离膜接触。本发明通过相变换热和气体混合换热这两种高效的换热方式将被冷却体的热量传递给空气，实现了高效紧凑的空气冷却。

Description

一种基于气体膜分离的相变强化传热装置

技术领域

本发明涉及一种强化传热技术领域，特别涉及一种基于气体膜分离的相变强化传热装置。

背景技术

根据摩尔定律的预测，半导体芯片的性能每隔18个月提升一倍，这是在不断缩小晶体管尺寸的基础上实现的。但是晶体管的尺寸不可能无限缩小，这是因为当晶体管的源极和栅极间的沟道缩小到一定尺寸时，量子隧穿效应就会变得极为容易，源极和栅极之间的电阻无法发挥作用，晶体管就失去了本身开关的作用，因此也没法实现逻辑电路。5nm则是现有半导体工艺的物理极限，当前的半导体工艺已经非常接近这个极限，这表现为近年来芯片性能的提升逐渐低于摩尔定律的预期。除非寻找到能有效替代硅的新型半导体材料，否则芯片性能在不久的将来会达到一个无法逾越的极限。

除了半导体的工艺水平，半导体电子元器件的运行温度也会显著影响其工作性能。在低温下电子元器件的开关时间更短、电阻更小因而电流更快。研究显示，每当芯片温度降低10℃，芯片内的信息流动速度提高1.4％。当前，芯片级的大规模集成化导致芯片的功率和热流密度大幅增加。过热的芯片温度不仅会降低芯片的性能甚至会导致芯片失效。自然对流显然已经无法满足芯片的温度控制的要求，强制对流冷却是目前芯片冷却的主流技术手段。采用空冷技术可以将芯片的温度控制在60℃到100℃之间，随着芯片性能和功耗提升，空冷所要求的空气流量和换热面积也不断提高。过大空气流量会导致严重的噪声问题，过大的换热面积则会导致电子设备体积庞大。为了解决上述问题，出现了以液体作为介质的对流换热技术，称为液冷技术。由于通常采用水作为冷却介质，也称为水冷技术。对于大型集群电子设备，可采用环境水源，如江河湖泊等作为冷源。在无法利用环境水源的条件下，液体工质需要在电子设备内部循环。最终还是需要利用流动的空气将热量带走，无法从根本上解决上述的噪音和体积问题。

相变传热是一种比对流换热更高效的换热方式。液态的介质被电子元器件的热量加热而蒸发，由于蒸发过程液态介质会吸收大量的潜热，意味着相变过程的热阻极低，可以形成非常大的热流密度。上个世纪出现了直接将芯片浸泡在液氮中冷却技术，虽然芯片可以在极低的温度下非常高效的工作，这种开环冷却方式会因为液氮蒸发、质量损失导致芯片无法长时间持续工作。为此需要将蒸发的工质压缩冷凝后还原成液态介质，这种冷却技术广泛用于空调制冷，可以将芯片的温度降低到非常低得温度，但是仍然面临系统复杂、能耗高、成本高、体积大等问题，目前仅用于对性能要求极高的大型高端机组。

导致沸腾、蒸发冷却的系统复杂、体积庞大的主要原因是冷凝器的存在，从根本上还是因为当前的冷却系统最终依靠空气对流带走热量。空气与冷凝管等固体壁面的热流密度始终受到对流换热系数的限制。

发明内容

针对背景技术存在的问题，本发明提供一种利用空气进行冷却、利用内部介质沸腾和蒸发强化传热的装置，本发明提出利用冷空气与相变介质直接掺混扩散的方式减小气态介质到冷空气的传热热阻。气态介质直接在冷空气中凝结成小液滴，省去传统制冷循环中的压缩机和冷凝器。小液滴通过微型螺旋通道内强大的离心力进行第一次分离，然后通过通道出口的气体分离膜进行第二次分离，最终实现相变冷却的紧凑化设计。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种基于气体膜分离的相变强化传热装置，包括压力腔，所述压力腔分为三层，依次为从下至上的蒸发室、混合室和排气室；

所述蒸发室位于底板和第一隔板之间，其中装有沸点低于被冷却物体温度的相变介质；

所述混合室位于第一隔板和第二隔板之间，所述第一隔板上设有螺旋通道，外部冷空气受到压气机的压缩，经由入口段依次进入冷气室和螺旋通道在所述螺旋通道中与所述蒸发室中产生的介质蒸气混合。

所述排气室位于第二隔板和多孔介质层之间，所述多孔介质层下方设有气体分离膜，所述排气室下壁面加工有针状阵列，顶部与气体分离膜接触。

进一步，所述第一隔板上方混合室侧壁上设有第一气孔，所述入口段与所述混合室外缘相切，冷气室设置在所述蒸发室和所述混合室外圈，所述冷气室通过第一气孔与所述混合室连通。

进一步，所述第一隔板上设有螺旋通道，所述螺旋通道外侧第一隔板上设有上下连通所述蒸汽室和所述混合室的第二气孔。

进一步，所述第二隔板上中心位置处设有缩放通道，所述缩放通道入口处设有将所述混合室和所述排气室连通的第三气孔，混合气体通过所述缩放通道后进入所述排气室依次通过所述针状阵列、气体分离膜和多孔介质层。

进一步，所述缩放通道包括凸起的圆弧面和设置在所述圆弧面上的水平板，所述圆弧面凸起的最高点和水平板之间形成所述缩放通道的喉部。

进一步，所述排气室下端壁和所述蒸发室底面为亲水表面，所述气体分离膜的内表面和螺旋通道的侧壁均设计成憎水表面。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1.通过相变换热和气体混合换热这两种高效的换热方式将被冷却体的热量传递给空气，实现了高效紧凑的空气冷却。采用气体分离膜分离空气和介质，相变介质在压力腔内循环，不会损失介质。

2.利用螺旋通道强化冷却空气与气态介质混合的同时将液滴介质从混合气体中分离。随着半径的减小，离心力也更大，实现对不同直径液滴分层分离。通道出口的缩放通道可加速混合气体，使得混合气体的速度达到最大，从而将更小直径的液滴分离出来。

3.气体分离膜的内表面以及螺旋通道的侧壁对介质的亲和力低，沉积的液滴介质不会成液膜。排气室的下端壁以及压力腔的底面对介质的亲和力高。排气室下壁面加工有针状阵列，顶部与气体分离膜轻微接触。保证沉积的液态介质在重力和毛细作用下汇集并平铺在压力腔底面，达到最佳的相变传热效果。

附图说明

图1是本发明整体结构爆炸示意图；

图2是本发明俯视图；

图3是本发明图2中剖视图；

图4是本发明螺旋通道内部示意图；

图5是本发明排气室内部示意图；

其中，1-蒸发室；2-混合室；3-排气室；4-底板；5-第一隔板；6-第二隔板；7-气体分离膜；8-入口段；9-冷气室；10-第一气孔；11-第二气孔；12-螺旋通道；13-第三气孔；14-缩放通道；15-多孔介质层；16-针状阵列。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。

需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

如图1-5所示，本实施例基于气体膜分离的相变强化传热装置包括压力腔，所述压力腔分为三层，依次为从下至上的蒸发室1、混合室2和排气室3；

所述蒸发室1位于底板4和第一隔板5之间，其中装有沸点低于被冷却物体温度的相变介质；

所述混合室2位于第一隔板5和第二隔板6之间，所述第一隔板5上设有螺旋通道12，外部冷空气受到压气机的压缩，经由入口段8依次进入冷气室9和螺旋通道12在所述螺旋通道12中与所述蒸发室1中从产生的水蒸气混合；

所述排气室3位于第二隔板6和多孔介质层15之间，所述多孔介质层15下方设有气体分离膜7，所述排气室3下壁面加工有针状阵列16，顶部与气体分离膜7接触。

在本实施例中，压力腔根据被冷却物体的形状进行设计，以被冷却物体的形状为圆形为例，则压力腔的形状如图所示。压力腔的底部与被冷却体紧密接触，压力腔整体受到被冷却体的加热。

压力腔中装有易相变介质，在室温条件下介质为液体，要求液体的沸点低于被冷却物体温度，本申请在优选方案中选取介质为水。要求液态水不充满蒸发室1，优选方案中液体水的容积约为蒸发室1容积的四分之一。当压力腔被加热时，部分液体水会被汽化成水蒸气，导致实际液态水的体积比蒸发室1容积的四分之一更少。压力腔底部被加热到高于介质沸点，压力腔内的液态介质处于沸腾或蒸发状态，液态介质通过沸腾或蒸发变成气态介质的同时会带走大量热量。

本发明采用空气作为冷源，外部冷空气受到压气机的压缩，经由入口段8进入压力腔。如图3所示，冷气通过入口段8首先进入冷气室9，冷气室9内壁第二层区域开设有第一气孔10，进入冷气室9的冷气通过第一气孔10进入混合室2中的螺旋通道12。汽化的水蒸气从蒸发室1通过第一隔板5上的第二气孔11进入混合室2。进入混合室2的冷空气与水蒸气充分混合，这个过程中空气被加热，水蒸气被冷却，开始凝结成液滴并悬浮于混合气体中。由于对流以及湍流的作用，空气和水蒸气迅速完成扩散混合，分子层面的碰撞使得混合后的空气和水蒸气温度接近。冷空气的流量要保证这个温度低于水蒸气的凝结温度，水蒸气因此凝结成液滴并悬浮于混合气体中。混合气体在螺旋通道12中螺旋前进，受到离心力和重力的作用，大部分液滴沉积在螺旋通道12的壁面上。冷空气从螺旋通道12的边缘进入，裹挟水蒸气及液滴在螺旋通道12内旋转并逐渐减小半径。液滴在离心力作用下撞击并沉积在通道内壁，随着半径的减小，离心力也更大，实现对不同直径液滴分层分离。通道的螺旋通道12的出口部位设置有缩放通道14，缩放通道14的喉部混合气体及最小直径的液滴将达到最大的速度，进一步从混合气体中分离出小直径的液滴。

虽然大部分气态介质被空气冷却后变成液态介质，仍然有少部分气态介质混合在空气中。为了防止介质的质量损失。本发明在压力腔的出口设置有气体分离膜7，该气动分离膜允许空气通过，气态介质通过率比空气低得多。吸收热量的空气通过排气室3排入大气。在螺旋通道12的末端混合气体通过第二隔板6上的第三气孔13进入排气室3中的缩放通道14，其中，缩放通道14包括凸起的圆弧面和设置在所述圆弧面上的水平板，所述圆弧面凸起的最高点和水平板之间形成所述缩放通道14的喉部，混合气体的在缩放通道14的喉部速度达到最大值，液滴的离心力也达到最大值。混合气体中大部分小直径的液滴在此处被分离出。之后混合气体进入排气室3，排气室3的上端面为气体分离膜7。该气动分离膜7允许空气全部通过，水蒸气拥有较低通过率。气体分离膜7的厚度要保证进入压力腔内的水蒸气大于或等于随空气排出的水蒸气，当进入压力腔的水蒸气大于排出的水蒸气，水蒸气在压力腔内的分压会增大，气体分离膜7两侧的水蒸气压差会驱动更多的水蒸气穿过分离膜，直到压力腔排气室3内水的质量达到平衡。分离膜的外层粘结有多孔介质层15，多孔介质层15为分离膜提供支撑，防止分离膜内外压差破坏分离膜。小部分液滴沉积在气体分离膜7内表面，最终汇集并融入液相介质。

混合气体中的液滴无法穿过气体分离膜7，会沉积在气体分离膜7内表面。气体分离膜7的内表面和螺旋通道12的侧壁均设计成憎水表面，沉积在憎水表面的液态水不会成液膜，而是形成水珠，保证空气可顺利通过分离膜。排气室3的下端壁以及压力腔的底面为亲水表面，实际应用中可通过改变表面粗糙度或喷射亲水涂层来增加表面的亲水性。排气室3下壁面加工有针状阵列16，顶部与气体分离膜7轻微接触。针状阵列16利用毛细作用将沉积在气体分离膜7上的液体输运到排气室3下表面，排气室3下表面对介质的亲和能力高，可形成液膜。当液膜达到一定厚度后通过微孔流到压力腔底部。压力腔底部也对介质的亲和能力高。气体分离膜7的内表面和螺旋通道12侧壁上的水滴会在毛细作用和重力的作用下汇聚在压力腔底面，并形成液膜或液层。

在上述过程中，液态介质吸收被冷却体热量变成气态介质，气态介质将热量传递给空气后回归成液态介质。第一个传热过程属于沸腾或蒸发换热，第二个过程属于气体对流和扩散混合换热，两个过程均是高效低热阻的换热方式。

本发明处于工作状态时，水在压力腔内不断进行液态水，气态水，液滴水，液态水的循环。这个循环高效的将热量传递给空气。除了这条传热路径外，空气还可以通过对流换热直接从压力腔的固体部分吸收热量。其中冷空气来源于大气，吸收热量的空气最终排入大气。

上述实施例只是用于对本发明的举例和说明，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明不局限于上述实施例，根据本发明教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围内。

Claims (6)

1.一种基于气体膜分离的相变强化传热装置，其特征在于：包括压力腔，所述压力腔分为三层，依次为从下至上的蒸发室、混合室和排气室；

所述蒸发室位于底板和第一隔板之间，其中装有沸点低于被冷却物体温度的相变介质；

所述混合室位于第一隔板和第二隔板之间，所述第一隔板上设有螺旋通道，外部冷空气受到压气机的压缩，经由入口段依次进入冷气室和螺旋通道在所述螺旋通道中与所述蒸发室中产生的介质蒸气混合；

所述排气室位于第二隔板和多孔介质层之间，所述多孔介质层下方设有气体分离膜，所述排气室下壁面加工有针状阵列，顶部与气体分离膜接触。

2.根据权利要求1所述的一种基于气体膜分离的相变强化传热装置，其特征在于：所述第一隔板上方混合室侧壁上设有第一气孔，所述入口段与所述混合室外缘相切，冷气室设置在所述蒸发室和所述混合室外圈，所述冷气室通过第一气孔与所述混合室连通。

3.根据权利要求1所述的一种基于气体膜分离的相变强化传热装置，其特征在于：所述第一隔板上设有螺旋通道，所述螺旋通道外侧第一隔板上设有上下连通所述蒸发室和所述混合室的第二气孔。

4.根据权利要求1所述的一种基于气体膜分离的相变强化传热装置，其特征在于：所述第二隔板上中心位置处设有缩放通道，所述缩放通道入口处设有将所述混合室和所述排气室连通的第三气孔，混合气体通过所述缩放通道后进入所述排气室依次通过所述针状阵列、气体分离膜和多孔介质层。

5.根据权利要求4所述的一种基于气体膜分离的相变强化传热装置，其特征在于：所述缩放通道包括凸起的圆弧面和设置在所述圆弧面上的水平板，所述圆弧面凸起的最高点和水平板之间形成所述缩放通道的喉部。

6.根据权利要求1所述的一种基于气体膜分离的相变强化传热装置，其特征在于：所述排气室下端壁和所述蒸发室底面为亲水表面，所述气体分离膜的内表面和螺旋通道的侧壁均设计成憎水表面。

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