CN112788918A - 一种多孔介质扰流射流冷却装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多孔介质扰流射流冷却装置，包括：第一冷板和第二冷板，所述第一冷板紧贴于发热元件，所述第一冷板和第二冷板之间具有射流腔，所述第二冷板设有射流孔，射流通过所述射流孔进入所述射流腔并冲击所述第一冷板，所述第一冷板被冲击的表面为平滑面；所述第一冷板和第二冷板之间还具有扰流腔，所述扰流腔与所述射流腔连通，所述扰流腔内设有多孔介质。流体经过射流入口，冲击第一冷板内表面，流程短，并且，被冲击的表面上的流动边界层薄，从而使直接受到冲击的区域产生很强的换热效果。经过扰流多孔介质，多孔介质破坏了流道中形成的流动边界层，并增加了流动中的扰流，从而进一步达到强化换热效果。

Description

一种多孔介质扰流射流冷却装置

技术领域

本发明涉及散热装置领域，尤其涉及一种多孔介质扰流射流冷却装置。

背景技术

随着微电子技术的进步，推动了电子器件小型化、微型化的发展，电子器件尺寸的减小同时使得电子器件的热流密度大幅增加，这对微电子器件的散热提出了更苛刻的要求，因此有效地解决高热流密度的散热问题已成为电子设备发展必须解决的关键技术。

发明内容

本发明提供一种多孔介质扰流射流冷却装置，以解决高热流密度的散热问题。

一种多孔介质扰流射流冷却装置，包括：第一冷板和第二冷板，所述第一冷板紧贴于发热元件，所述第一冷板和第二冷板之间具有射流腔，所述第二冷板设有射流孔，射流通过所述射流孔进入所述射流腔并冲击所述第一冷板，所述第一冷板被冲击的表面为平滑面；

所述第一冷板和第二冷板之间还具有扰流腔，所述扰流腔与所述射流腔连通，所述扰流腔内设有多孔介质。

进一步地，还包括液管、气管和射流管，所述液管通入液态工质，所述气管中通入气体，所述液管和气管均与所述射流管的一端连通，所述射流管的另一端与所述射流孔连通，所述射流管与所述第一冷板垂直。

进一步地，所述液管、气管和射流管设于同一平面内，且所述液管、气管和射流管的轴线相交于同一点。

进一步地，所述液管和气管之间的夹角为10°-30°，所述液管和气管与所述射流管之间的夹角相等。

进一步地，多个所述射流孔均匀排列在所述第二冷板的中心线上，所述第一冷板中心线处为光滑平面，所述扰流腔设于所述射流腔的两侧。

进一步地，还包括分路管，所述分路管包括主管、分管和支路管，所述主管与所述分管垂直连通，所述分管设有多个所述支路管，所述支路管与所述液管或气管对应连通。

本发明公开的一种多孔介质扰流射流冷却装置，流体经过射流入口，冲击第一冷板内表面，流程短，并且，被冲击的表面上的流动边界层薄，从而使直接受到冲击的区域产生很强的换热效果。流体冲击第一冷板内表面后，继续流动，经过扰流多孔介质，多孔介质破坏了流道中形成的流动边界层，并增加了流动中的扰流，从而进一步达到强化换热效果。扰流多孔介质也增大了装置与流体的热交换面积，延长了流体在装置中的停留时间，充分利用流体进行换热，提高了散热量，具有更好的散热效果。

本发明结合了含气射流冲击冷却技术与扰流多孔介质的优势，充分利用冷却介质与装置进行换热，大大提升了冷却装置的换热能力，并改善了散热装置的均温效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例公开的一种多孔介质扰流射流冷却装置结构示意图；

图2为本发明实施例公开的第一冷板和第二冷板结构示意图；

图3为本发明实施例公开的一种多孔介质扰流射流冷却装置安装使用状态示意图；

图4为本发明实施例公开的一种多孔介质扰流射流冷却装置侧视图；

图5为本发明实施例公开的分路管示意图；

图6为本发明实施例公开的一种多孔介质扰流射流冷却装置安装使用状态侧视图；

图7为本发明实施例公开的一种多孔介质扰流射流冷却装置流体流动示意图。

1、第一冷板；2、第二冷板；3、射流腔；4、扰流腔；5、射流孔；6、多孔介质；7、液管；8、气管；9、射流管；10、分路管；11、主管；12、分管；13、支路管；14、发热元件。

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作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。

如图1-3所示，一种多孔介质扰流射流冷却装置，其特征在于，包括：第一冷板1和第二冷板2，所述第一冷板1紧贴于发热元件14，所述第一冷板1和第二冷板2之间具有射流腔3，所述第二冷板2设有射流孔5，射流通过所述射流孔5进入所述射流腔3并冲击所述第一冷板，所述第一冷板被冲击的表面为平滑面；

所述第一冷板1和第二冷板2之间还具有扰流腔4，所述扰流腔4与所述射流腔3连通，所述扰流腔4内设有多孔介质6。

第一冷板1和第二冷板2平行设置，两组对边封闭，使第一冷板1和第二冷板2之间形成贯通的腔体，另外两组对边敞开，形成所述腔体的出口。如图7所示，流体从射流管进入第一冷板1和第二冷板2之间，换热后，从腔体两侧的出口离开。离开腔体后的流体可以排放，也可循环使用。

将所述腔体分成两部分，一部分为所述射流腔3，另一部分为所述扰流腔4。

射流孔5作为流体工质的入射孔，流体工质射向第一冷板1，第一冷板1紧贴发热元件14，发热元件14的热量传递给第一冷板1，并在射流形成的流动边界层产生的强换热作用带走。本实施例中，射流孔5为圆孔。

高速流体冲击到壁面，然后沿冲击壁面流出。此过程中，流体在驻点区，流动方向发生改变，并且具有很高压力梯度，而在壁面射流区，即驻点区周围，压力逐渐恢复静压，流动逐渐接近于平行壁面。流体在壁面流动，速度边界层的层流底层是对流传热热阻的主要来源，即，层流底层的厚度直接决定了对流换热的强度，因此，在壁面射流区，由于压力逐渐恢复，换热的效率也随之逐渐降低。

射流冲击第一冷板的区域，远不能覆盖整个需要冷却的面积，一方面受限于布设空间，无法使射流做覆盖式布设。另一方面，射流孔的布设位置过于密集，相邻射流之间会相互干扰。当喷孔之间的间距较小时，由于剪切力的作用而产生了冲击前的相互干涉。如果两股相邻壁面射流的雷诺数较大，则会在中间部分由于碰撞而产生回流。由于射流相干以及相互碰撞影响了换热，因此，相同流量下，射流孔过多，会影响换热效果。

由于在射流冲击区域外，换热效果大幅削弱，且无法通过射流孔的数量的不断增加显著增强换热，所以，为了进一步增强换热效果，本发明设置扰流腔4。扰流腔4与射流腔3贯通，流体工质从射流腔流向扰流腔，扰流腔中设有多孔介质，流体工质流经多孔介质时，会产生边界层分离，破坏形成的流体边界层，进而使得层流底层变薄。层流底层的热阻对换热影响很大，层流底层越薄，流体与壁面间的热阻就越小，流体与多孔介质及第一冷板壁面换热增强。在扰流腔内由多孔介质与流体作用而产生的涡流与层流中的涡流相互作用，会改变流场中涡的结构和强度，从而影响流体流动状态。由多孔介质产生的涡动能进一步增强流动中的扰动，有利于流体层流边界层湍流化、层流底层薄层化。使用射流冲击冷却技术与多孔介质扰流相结合，可使散热装置总的换热效果大幅提高，并改善电子设备的均温问题。

射流腔3和扰流腔4的布设形式可根据需要进行选择，可呈矩阵状间隔设置，也可如本实施例所示，腔体中部设为射流腔3，两侧设为扰流腔4。

进一步地，还包括液管7、气管8和射流管9，所述液管7通入液态工质，所述气管8中通入气体，所述液管7和气管8均与所述射流管9的一端连通，所述射流管的另一端与所述射流孔5连通，所述射流管3与所述第一冷板1垂直。所述液管7、气管8和射流管9设于同一平面内，且所述液管7、气管8和射流管9的轴线相交于同一点。所述液管7和气管8之间的夹角为10°-30°，所述液管7和气管8与所述射流管9之间的夹角相等，并且大于90°。

液管7、气管8和射流管9呈“Y”字型设置，液管7和气管8之间的夹角较小，压力流体工质和压力气体，从管路中喷出，有较长的路径，使液体和气体进行混合，从液体和气体开始混合，至二者完全进入射流管，液体和气体经过的混合路径长度为数倍的管路直径长度。较长的混合长度，使液体和气体的流动方向改变较小，混合过程中，压力损失小，并且可以充分混合。

气体与液体工质混合，形成气液混合射流，冲击到冷却表面时，射流中的气泡瞬间爆裂，进一步减薄流动边界层，增大换热系数。

如图4所示，多个所述射流孔5均匀排列在所述第二冷板2的中心线上，所述第一冷板1中心线处为光滑平面，所述扰流腔4设于所述射流腔3的两侧。

如图5、图6所示，还包括分路管10，所述分路管10包括主管11、分管12和支路管13，所述主管11与所述分管12垂直连通，所述分管12设有多个所述支路管13，所述支路管13与所述液管7或气管8对应连通。两个分路管10，分别接液体工质和气体，通过分路管，注入各个液管或气管。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围。

Claims (6)

1.一种多孔介质扰流射流冷却装置，其特征在于，包括：第一冷板(1)和第二冷板(2)，所述第一冷板(1)紧贴于发热元件(14)，所述第一冷板(1)和第二冷板(2)之间具有射流腔(3)，所述第二冷板(2)设有射流孔(5)，射流通过所述射流孔(5)进入所述射流腔(3)并冲击所述第一冷板，所述第一冷板(1)被冲击的表面为平滑面；

所述第一冷板(1)和第二冷板(2)之间还具有扰流腔(4)，所述扰流腔(4)与所述射流腔(3)连通，所述扰流腔(4)内设有多孔介质(6)。

2.根据权利要求1所述的一种多孔介质扰流射流冷却装置，其特征在于，还包括液管(7)、气管(8)和射流管(9)，所述液管(7)通入液态工质，所述气管(8)中通入气体，所述液管(7)和气管(8)均与所述射流管(9)的一端连通，所述射流管(9)的另一端与所述射流孔(5)连通，所述射流管(9)与所述第一冷板(1)垂直。

3.根据权利要求2所述的一种多孔介质扰流射流冷却装置，其特征在于，所述液管(7)、气管(8)和射流管(9)设于同一平面内，且所述液管(7)、气管(8)和射流管(9)的轴线相交于同一点。

4.根据权利要求2所述的一种多孔介质扰流射流冷却装置，其特征在于，所述液管(7)和气管(8)之间的夹角为10°-30°，所述液管(7)和气管(8)与所述射流管(9)之间的夹角相等。

5.根据权利要求2所述的一种多孔介质扰流射流冷却装置，其特征在于，多个所述射流孔(5)均匀排列在所述第二冷板(2)的中心线上，所述第一冷板(1)中心线处为光滑平面，所述扰流腔(4)设于所述射流腔(3)的两侧。

6.根据权利要求5所述的一种多孔介质扰流射流冷却装置，其特征在于，还包括分路管(10)，所述分路管(10)包括主管(11)、分管(12)和支路管(13)，所述主管(11)与所述分管(12)垂直连通，所述分管(12)设有多个所述支路管(13)，所述支路管(13)与所述液管(7)或气管(8)对应连通。

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