CN112033196A - 一种低压气-液两相流冷板 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低压气‑液两相流冷板，从上到下依次设置盖板、节流蒸发板和蒸发板，其中节流蒸发板上表面设置节流微通道和多组并行排列的微蒸发通道，各微蒸发通道彼此不相通，节流微通道与流道入口连接，第一组微蒸发通道入口与节流微通道出口相连，出口设置穿板微孔，其余各微蒸发通道入口设置穿板回流孔，出口设置穿板微孔；蒸发板上表面设置多组并行排列的微蒸发通道，各通道彼此不相通，且在穿板微孔和回流孔处与节流蒸发板上的微蒸发通道连通，形成三维堆叠的整体流道，最后一组微蒸发通道出口处与流道出口连接。本发明能够在较小的空间内获得较大的换热面积，提高换热效率，进一步降低温度梯度，具有较强的换热能力和良好的温度均匀性。

Description

一种低压气-液两相流冷板

技术领域

本发明属于电子设备温控技术领域，具体涉及一种低压气-液两相流冷板。

背景技术

电子设备不可避免的会产生热损耗，随着元器件的小型化甚至微小型化、集成度以及功率的不断提高，设备的热耗和热流密度不断攀升，在过去的40余年里，晶体管增加了接近216万倍，高功率芯片的发展，必将带来高热量密度散热问题。温度过高不仅会影响芯片的可靠性和稳定性，严重时还会影响芯片的寿命，芯片在70～80℃之间时，温度每升高1℃，可靠性下降5％。因此，更加高效的散热方法，更加小型化的温控装置成为电子设备温控技术领域的主要研究方向。

近年来，新型的冷却技术包括：单相液冷散热、单相冲击射流冷却、微通道气-液两相流散热。研究和应用过程中发现上述新型冷却技术存在以下方面的不足：

1、单相液冷散热工质流量大、流阻大、压力高，冷板尺寸大，换热能力有限，温度梯度大，换热不均匀；

2、冲击射流冷却散热能力能达到较高水平，但是结构较为复杂，实施应用难度较大；

3、目前常用的微通道气-液两相流散热采用的介质为低沸点工质(如R134a等)，仍然面临流量偏大、微通道截面小导致流阻大、压力高等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低压气-液两相流冷板。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种低压气-液两相流冷板，从上到下依次设置盖板、节流蒸发板和蒸发板，其中：

盖板表面无流道；

节流蒸发板上表面设置节流微通道和多组并行排列的微蒸发通道，各微蒸发通道彼此不相通，节流微通道与流道入口连接，第一组微蒸发通道入口与节流微通道出口相连，出口设置穿板微孔，其余各微蒸发通道入口设置穿板回流孔，出口设置穿板微孔；

蒸发板上表面设置多组并行排列的微蒸发通道，其与节流蒸发板上表面设置的微蒸发通道数量相等，蒸发板上各通道彼此不相通，且在穿板微孔和回流孔处与节流蒸发板上的微蒸发通道连通，形成三维堆叠的整体流道，最后一组微蒸发通道出口处与流道出口连接；

所述液态制冷剂选用高蒸发焓工质，从流道入口进入冷板，经节流微通道降压节流后以气-液两相流形态进入节流蒸发板第一组微蒸发通道内换热，经由该通道出口穿板微孔进入连通的下一层微蒸发通道换热，而后穿过节流蒸发板下一组微蒸发通道入口处的穿板回流孔回流至上层流道继续换热，如此多次交替，最后从流道出口处流出。

节流蒸发板上表面设置的微蒸发通道数量与蒸发板上表面设置的微蒸发通道数量相等，液态制冷剂从流道入口进入冷板，经节流微通道降压节流后以气-液两相流形态进入节流蒸发板第一组微蒸发通道内换热，经由该通道出口穿板微孔进入连通的下一层微蒸发通道换热，而后穿过节流蒸发板下一组微蒸发通道入口处的穿板回流孔回流至上层流道继续换热，如此多次交替，最后从流道出口处流出。

进一步的，所述冷板由盖板、节流蒸发板和蒸发板焊接而成。

进一步的，所述微蒸发通道采用点阵式换热结构，用以增加换热面积、减小流阻、防止单个微通道堵塞。

进一步的，所述节流蒸发板、蒸发板上设置定位销孔，以确保安装定位销之后节流蒸发板流道和蒸发板流道在垂直板面方向和展向方向连通起来。

更进一步的，所述节流蒸发板和蒸发板的定位销孔位置及形状尺寸完全一致。

进一步的，所述液态制冷剂为丙酮、乙醇或乙醇水溶液，其在饱和蒸气压低于标准大气压状态下可以沸腾。

进一步的，所述节流蒸发板上表面设置的微蒸发通道包括主流道和若干支流道，所述支流道设置在主流道的两侧，关于主流道中线镜像对称。

进一步的，所述蒸发板上表面设置的微蒸发通道包括主流道和若干支流道，所述支流道设置在主流道的两侧，关于主流道中线镜像对称。

一种基于上述低压气-液两相流冷板的加工方法，包括如下步骤：

加工盖板、节流蒸发板和蒸发板；

将蒸发板上表面贴合节流蒸发板下表面，节流蒸发板上表面贴合盖板下表面，实现流道表面封闭；

在贴合面间放置焊料，将整个多层板倒置，用工装压紧，焊接；

去除冷板上下面多余部分材料，完成冷板加工。

一种基于上述低压气-液两相流冷板的换热方法，具体为：

控制流道入口和流道出口的气压小于设定阈值，并保持一定的压力差，以驱动制冷剂在节流蒸发板和蒸发板的流道内流动，实现热量交换。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

(1)选用高蒸发焓制冷剂在低饱和蒸汽压下沸腾换热，能够以较小的质量流量实现较大的换热量，温度梯度小，且工作压力低，流阻小；

(2)采用简单的平板微铣削加工，而后多层板真空钎焊而成，以简单结构同时实现节流和蒸发换热功能，冷板表面精度高，成型工艺性好，可实现性好；

(3)采用三维堆叠的多层微通道流道结构，冷板尺寸小、换热面积大，具有较强的换热能力和良好的温度均匀性。

附图说明

图1是本发明一种低压气-液两相流冷板结构示意图；

图2是本发明盖板结构示意图；

图3是本发明节流蒸发板2流道结构示意图；

图4是本发明蒸发板3流道结构示意图；

图5是本发明流体流动路线示意图；

图6是本发明实例稳定状态温度监测曲线图；

其中：

1：盖板，1-1：盖板定位销孔；

2：节流蒸发板，2-1：流道入口，2-2：节流微通道，2-3：上层主流道，2-4：上层一级支流道，2-5：上层二级支流道，2-6：上层三级支流道，2-7：上层四级支流道，2-8：穿板微孔，2-9：穿板回流孔，2-10：节流蒸发板定位销孔；

3：蒸发板，3-1：下层主流道，3-2：下层一级支流道，3-3：下层二级支流道，3-4：下层三级支流道，3-5：下层四级支流道，3-6：下层汇流通道，3-7：流道出口；3-8：蒸发板定位销孔；

4：定位销。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

一种低压气-液两相流冷板，从上到下依次设置盖板、节流蒸发板和蒸发板，其中：

盖板表面无流道；

节流蒸发板上表面设置节流微通道和多组并行排列的微蒸发通道，各微蒸发通道彼此不相通，节流微通道与流道入口连接，第一组微蒸发通道入口与节流微通道出口相连，出口设置穿板微孔，其余各微蒸发通道入口设置穿板回流孔，出口设置穿板微孔；

蒸发板上表面设置多组并行排列的微蒸发通道，其与节流蒸发板上表面设置的微蒸发通道数量相等，蒸发板上各通道彼此不相通，且在穿板微孔和回流孔处与节流蒸发板上的微蒸发通道连通，形成三维堆叠的整体流道，最后一组微蒸发通道出口处与流道出口连接；

所述液态制冷剂选用高蒸发焓工质，从流道入口进入冷板，经节流微通道降压节流后以气-液两相流形态进入节流蒸发板第一组微蒸发通道内换热，经由该通道出口穿板微孔进入连通的下一层微蒸发通道换热，而后穿过节流蒸发板下一组微蒸发通道入口处的穿板回流孔回流至上层流道继续换热，如此多次交替，最后从流道出口处流出。

作为一种具体实施方式，所述冷板由盖板、节流蒸发板和蒸发板焊接而成。为了提高后续焊接刚性，一些实施例中，盖板和蒸发板零件加工时，板厚方向留一定的加工余量。为了确保安装定位销之后节流蒸发板流道和蒸发板流道在垂直板面方向和展向方向连通起来，一些实施例中，在盖板、节流蒸发板、蒸发板上设置定位销孔。进一步优选的，所述盖板、节流蒸发板、蒸发板上的定位销孔位置及形状尺寸完全一致。

作为一种具体实施方式，节流蒸发板和/或蒸发板上的微蒸发通道采用点阵式换热结构，用以增加换热面积、减小流阻、防止单个微通道堵塞。

作为一种具体实施方式，制冷剂选用乙醇、丙酮、乙醇水溶液等高蒸发焓工质，该类工质在低饱和蒸汽压下沸腾，蒸发焓仍能保持在较高水平，通过控制冷板进出口气压在较低值，并保持一定的压力差驱动流体流动，沸腾换热，从而实现以较小的制冷剂流量获得较大的换热量。实践证明，降低压力能够显著降低气-液两相流的动力粘度，从而大幅降低流阻。

作为一种具体实施方式，所述节流蒸发板上表面设置的微蒸发通道包括主流道和若干支流道，所述支流道设置在主流道的两侧，关于主流道中线镜像对称。所述蒸发板上表面设置的微蒸发通道可以采用类似的设计。

本发明还提出一种低压气-液两相流冷板的加工方法，施焊前，将蒸发板上表面贴合节流蒸发板下表面，节流蒸发板上表面贴合盖板下表面，实现流道表面封闭；然后在贴合面间放置焊料；接着将整个多层板倒置，用工装压紧，保证焊接后焊料不堵塞流道，进行焊接；最后精加工去除冷板上下面多余部分材料，提高上下表面精度，具有较好的成型工艺性。

一种低压气-液两相流冷板的换热方法，具体为控制冷板进出口气压在较低值，并保持一定的压力差驱动流体在节流蒸发板和蒸发板的流道内流动，实现热量交换。由于采用高蒸发焓制冷剂，其在低饱和蒸汽压下沸腾，因此可以以气-液两相流状态换热，以较小的制冷剂流量实现较大的换热量，且温度梯度小、工作压力低、流阻小。

本发明利用微通道截面尺寸小的特性，通过这种三维堆叠的多层流道结构形式，使得流体沿板面展向一个方向往返、另一方向扩展，沿垂向上下穿梭多次交替流动，能够在较小的空间内获得较大的换热面积，提高换热效率，进一步降低温度梯度，具有较强的换热能力和良好的温度均匀性。根据实际需求，可通过堆叠流道层数延长流道，采用串并联结合设计分支流道等方式灵活布置流道，进一步提高换热效率，优化冷板结构。

实施例

为了验证本发明方案的有效性，进行如下实验设计。

如图1所示，本发明实例涉及一种低压气-液两相流冷板，以无水乙醇为工质，在低压下沸腾换热，冷板由盖板1、节流蒸发板2、蒸发板3及定位销4组成，冷板尺寸94mm×100mm×6mm。

如图2所示，所述盖板1为冷板最顶层，上下表面无流道，两侧加工两个定位销孔1-1，考虑焊接工艺性，零件准备时预留一定厚度，盖板1尺寸为94mm×100mm×4mm。

如图3所示，所述节流蒸发板2为冷板中间层，外形尺寸94mm×100mm×2mm，上表面加工矩形截面流道，流道深度0.8mm，由节流微通道2-2和微蒸发通道组成，微蒸发通道包含上层主流道2-3和上层支流道2-4～2-7。节流微通道2-2宽度0.8mm，长度88mm，90°折转四次，入口2-1宽度3mm；上层主流道2-3入口处连通节流微通道2-2出口，居中布置，宽度16.2mm，共12个通道，单通道宽度0.8mm，每个通道末端加工有直径0.8mm的穿板微孔2-8；上层支流道2-4a～2-7a和2-4b～2-7b位于上层主流道2-3两侧，2-4a～2-7a在一侧，由中向外依次排开，2-4b～2-7b位于另一侧，由中向外依次排开，两侧支流道关于上层主流道2-3中线镜像对称，每个上层支流道宽度7.8mm，入口处连通直径5mm的穿板回流孔2-9，共含6个通道，通道宽度0.8mm，每个通道末端加工有直径0.8mm的穿板微孔2-8。为了增加换热面积、减小流阻、防止单个微通道堵塞，微蒸发通道采用点阵式散热结构。节流蒸发板2两侧加工两个定位销孔2-10。

如图4所示，所述蒸发板3为冷板最底层，考虑焊接工艺性，零件准备时预留一定厚度，外形尺寸94mm×100mm×4mm，上表面加工矩形截面流道，流道深度0.8mm，由微蒸发通道和下层汇流通道3-6组成，微蒸发通道包含下层主流道3-1和下层支流道3-2～3-5。下层主流道3-1居中布置，宽度16.2mm，共12个通道，通道宽度0.8mm，出口向两侧分支延伸；下层支流道3-2a～3-5a和3-2b～3-5b位于下层主流道3-1两侧，3-2a～3-5a在一侧，由中向外依次排开，3-2b～3-5b位于另一侧，由中向外依次排开，两侧支流道关于下层主流道3-1中线镜像对称，每个下层支流道宽度7.8mm，共含6个通道，通道宽度0.8mm；为了增加换热面积、减小流阻、防止焊接过程中微通道堵塞，微蒸发通道同样采用点阵式散热结构。蒸发板3两侧加工两个定位销孔3-8。

本发明实例低压气-液两相流冷板采用真空钎焊成型，其成型工艺为：盖板1覆于节流蒸发板2上表面，节流蒸发板2下表面覆于蒸发板3上表面，使上层流道和下层流道成为封闭的腔体，两层接触面间填置焊料，安装定位销4使上下两层流道连通，而后将多层板倒置，用工装压紧施焊，最后精加工冷板上下表面，去除多余材料，加工后厚度为6mm。

如图5所示，本发明实例低压气-液两相流冷板，其流体流动路线为：液态制冷剂从流道入口2-1进入冷板，经节流微通道2-2降压节流后以气-液两相流形态进入上层主流道2-3换热，经由上层主流道2-3末端穿板微孔2-8进入下层主流道3-1换热，在下层主流道3-1出口处分成两条支路，一条穿过上层一级支流道2-4a入口处的穿板回流孔2-9，另一条穿过上层一级支流道2-4b入口处的穿板回流孔2-9，而后两条并联支路各自运行，具体是一侧支路的两相流从上层一级支流道2-4a完成部分换热后由末端穿板微孔2-8进入下层一级支流道3-2a，在此处完成部分换热后回流至上层二级支流道2-5a换热，再流入下层二级支流道3-3a，如此在支流道内往复、扩展及上下穿梭换热，另一侧支路也依次规律镜像运行，最后两支路流体从下层四级支流道3-5a和3-5b出口处连接的下层汇流通道3-6a和3-6b汇流后从流道出口3-7流出。冷板内流道采用串并联相结合、三维堆叠的双层结构方式布置，可以在较小的尺寸内设计出很长的流道，增加换热面积，且流体在流道内沿板面展向经历5次往返，在不同板层间上下穿梭9次，换热彻底，蒸发效率高，冷板温度均匀性进一步提高。

本发明实例低压气-液两相流冷板，其制冷剂选用无水乙醇，冷板流道入口2-1处压力设定为67.3KPa，流道出口3-7处压力设定为10KPa，乙醇质量流量约为0.02kg/min，用240W模拟热源进行加热，稳定工作后，监测热源表面温度变化曲线如图6所示，由此可以看出，仅用0.02kg/min的微小流量就能实现240W换热量，流量不足同等散热功率下常规液冷板的1％，换热能力强，且工作压力远低于标准大气压，正常工作进出口压力差仅为57.3KPa，流阻小，热源表面温度波动偏差小于3℃，温度梯度小，均温性好。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种低压气-液两相流冷板，其特征在于，从上到下依次设置盖板、节流蒸发板和蒸发板，其中：

盖板表面无流道；

节流蒸发板上表面设置节流微通道和多组并行排列的微蒸发通道，节流蒸发板上各微蒸发通道彼此不相通，节流微通道与流道入口连接，第一组微蒸发通道入口与节流微通道出口相连，出口设置穿板微孔，其余各微蒸发通道入口设置穿板回流孔，出口设置穿板微孔；

蒸发板上表面设置多组并行排列的微蒸发通道，其与节流蒸发板上表面设置的微蒸发通道数量相等，蒸发板上各通道彼此不相通，且在穿板微孔和回流孔处与节流蒸发板上的微蒸发通道连通，形成三维堆叠的整体流道，最后一组微蒸发通道出口处与流道出口连接；

所述液态制冷剂选用高蒸发焓工质，从流道入口进入冷板，经节流微通道降压节流后以气-液两相流形态进入节流蒸发板第一组微蒸发通道内换热，经由该通道出口穿板微孔进入连通的下一层微蒸发通道换热，而后穿过节流蒸发板下一组微蒸发通道入口处的穿板回流孔回流至上层流道继续换热，如此多次交替，最后从流道出口处流出。

2.根据权利要求1所述的低压气-液两相流冷板，其特征在于，所述冷板由盖板、节流蒸发板和蒸发板焊接而成。

3.根据权利要求1所述的低压气-液两相流冷板，其特征在于，所述微蒸发通道采用点阵式换热结构。

4.根据权利要求1所述的低压气-液两相流冷板，其特征在于，所述节流蒸发板、蒸发板上设置定位销孔。

5.根据权利要求4所述的低压气-液两相流冷板，其特征在于，所述节流蒸发板和蒸发板的定位销孔位置及形状尺寸完全一致。

6.根据权利要求1所述的低压气-液两相流冷板，其特征在于，所述液态制冷剂为丙酮、乙醇或乙醇水溶液。

7.根据权利要求1所述的低压气-液两相流冷板，其特征在于，所述节流蒸发板上表面设置的微蒸发通道包括主流道和若干支流道，所述支流道设置在主流道的两侧，关于主流道中线镜像对称。

8.根据权利要求1所述的低压气-液两相流冷板，其特征在于，所述蒸发板上表面设置的微蒸发通道包括主流道和若干支流道，所述支流道设置在主流道的两侧，关于主流道中线镜像对称。

9.基于权利要求1-8任一项所述的低压气-液两相流冷板的加工方法，其特征在于，包括如下步骤：

加工盖板、节流蒸发板和蒸发板；

将蒸发板上表面贴合节流蒸发板下表面，节流蒸发板上表面贴合盖板下表面，实现流道表面封闭；

在贴合面间放置焊料，将整个多层板倒置加工。

10.基于权利要求1-8任一项所述的低压气-液两相流冷板的换热方法，其特征在于，具体为：

控制流道入口和流道出口的气压小于设定阈值，并保持一定的压力差，以驱动制冷剂在节流蒸发板和蒸发板的流道内流动，实现热量交换。

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