CN114111416A - 一种电场强化沸腾传热的微通道换热器 - Google Patents

一种电场强化沸腾传热的微通道换热器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种电场强化沸腾传热的微通道换热器，其包括从下至上层叠设置且通过紧固螺栓和螺母固定安装的底座隔热板、含进出口隔热体以及玻璃上盖板；所述底座隔热板与所述含进出口隔热体之间设置有含微通道紫铜热沉；所述含进出口隔热体与所述含微通道紫铜热沉之间设置有密封垫片；所述含进出口隔热体与所述玻璃上盖板之间设置有氧化铟锡导电膜，在所述氧化铟锡导电膜与所述含进出口隔热体之间设置有密封圈。本发明采用氧化铟锡导电膜作为电极，可通过改变所述氧化铟锡导电膜的布置，在微通道中不同区域施加不同强度的高压电场，实现对微通道沸腾换热器局部不同区域两相流动状态的有效控制，进而达到最强优化传热的目的。

Description

一种电场强化沸腾传热的微通道换热器
技术领域
本发明涉及微通道相变强化传热技术领域，尤其涉及一种电场强化沸腾传热的微通道换热器。
技术背景
近年来，随着微尺度技术的快速发展，超大规模集成电路在微电子机械系统、航空航天和光电等领域日益受到广泛的关注，而集成电路芯片发热量的迅速增加严重制约了其性能，热致失效是目前微电子器件失效的主要形式。因此，高热流密度散热是微电子器件高效稳定运行亟待突破的重大瓶颈，也是微电子行业发展的关键技术之一。
微通道沸腾换热器集合了微通道换热器和沸腾冷却技术两者的优点：一方面尺度微小化可弥补传统散热方式设备体积大以及难以在有限空间内高效冷却的不足，从而满足设备微型化、紧凑化的发展趋势；另一方面沸腾传热可有效增大换热量和提高设备温度均匀性，维持设备处于适宜的工作温度，从而保证设备的高效稳定运行。随着微电子器件对集成度、性能和可靠性要求的不断提高，许多研究者致力于研发适用于微通道沸腾换热器的强化传热技术，以进一步强化其传热性能，进而提高能源的有效利用。其中，电场强化传热技术具有传热强化效果好、操作简单、容易控制、功耗低和无机动部件等优点，不仅能实现高热流密度散热，还可通过控制电场调节散热能力，是解决微电子器件高效稳定运行的一个重要途径。
电场强化沸腾传热主要是利用电场力对沸腾过程中气泡的形成、生长、脱离和运动等气泡动力学行为进行作用，改善通道内两相流动状态，进而达到强化传热的效果。然而，现有微通道沸腾换热器的传热效率还有待进一步的提高。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种电场强化沸腾传热的微通道换热器，旨在进一步提高微通道沸腾换热器传热效率。
本发明的技术方案如下：
一种电场强化沸腾传热的微通道换热器，其中，包括从下至上层叠设置且通过紧固螺栓和螺母固定安装的底座隔热板、含进出口隔热体以及玻璃上盖板；所述底座隔热板与所述含进出口隔热体之间设置有含微通道紫铜热沉；所述含进出口隔热体与所述含微通道紫铜热沉之间设置有密封垫片；所述含进出口隔热体与所述玻璃上盖板之间设置有氧化铟锡导电膜，所述氧化铟锡导电膜与所述含进出口隔热体之间设置有密封圈。
所述电场强化沸腾传热的微通道换热器，其中，所述氧化铟锡导电膜由PET基底以及溅射在所述PET基底上的高阻值ITO薄膜和低阻值ITO薄膜组成，所述高阻值ITO薄膜和所述低阻值ITO薄膜连通。
所述电场强化沸腾传热的微通道换热器，其中，所述氧化铟锡导电膜的总阻值为100kΩ-10MΩ。
所述电场强化沸腾传热的微通道换热器，其中，所述含微通道紫铜热沉的顶端设置有微通道，所述微通道由10-250个微凸台结构构成的阵列组成。
所述电场强化沸腾传热的微通道换热器，其中，所述微凸台结构的形状为矩形、圆柱形和菱形中的一种或多种。
所述电场强化沸腾传热的微通道换热器，其中，所述含微通道紫铜热沉的中部设置有用于安装热电偶的测温孔，所述含微通道紫铜热沉的底部设置有用于安装单头电加热管的加热孔。
所述电场强化沸腾热传的微通道换热器，其中，所述含微通道紫铜热沉上位于微通道和测温孔之间的位置设置有用于放置所述密封垫片的凸台。
所述电场强化沸腾热传的微通道换热器，其中，所述密封垫片为硅胶材质的中空矩形垫片，内矩形的长宽比微通道矩形的长宽均大0-0.5mm，外矩形的长宽比所述凸台外矩形的长宽均小0.5-1mm，所述密封垫片的厚度为1-2mm。
所述电场强化沸腾传热的微通道换热器，其中，所述含进出口隔热体包括隔热本体，设置在所述隔热本体左右两端的两个稳流腔，其中一个稳流腔上设置有换热工质进口，另一个稳流腔上设置有换热工质出口；所述隔热本体的顶部设置有放置密封圈的凹槽，所述隔热本体的中部设置有用于放置所述含微通道紫铜热沉的中通体。
所述电场强化沸腾传热的微通道换热器，其中，所述稳流腔上还设置有用于安装热电偶的测温口以及用于连接压力传感器的测压口。
有益效果：相比现有技术，本发明采用氧化铟锡导电膜作为电极，可通过改变所述氧化铟锡导电膜的布置，在微通道中不同区域施加不同强度的高压电场，实现对微通道沸腾换热器局部不同区域两相流动状态的有效控制，进而达到最强优化传热的目的。本发明对微通道的尺寸限制较小，可使氧化铟锡导电膜与微通道间距变的很小，更容易产生高强度电场；本发明提供的电场强化沸腾传热的微通道换热器结构简单，安装方便，容易解决密封和绝缘问题。
附图说明
图1为本发明一种电场强化沸腾传热的微通道换热器爆炸结构图。
图2为本发明氧化铟锡导电膜的结构示意图。
图3为本发明氧化铟锡导电膜在电场强化沸腾传热的微通道换热器上的布置示意图。
图4为本发明含微通道紫铜热沉的侧视结构示意图。
图5为本发明含微通道紫铜热沉的俯视结构示意图。
图6为本发明密封垫片的结构示意图。
图7为本发明含进出口隔热体的立体结构示意图。
图8为本发明含进出口隔热体的剖视结构示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种电场强化沸腾传热的微通道换热器，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，图1为本发明提供的一种电场强化沸腾传热的微通道换热器，如图所示，其包括从下至上层叠设置且通过紧固螺栓1和螺母9固定安装的底座隔热板8、含进出口隔热体5以及玻璃上盖板2；所述底座隔热板8与所述含进出口隔热体5之间设置有含微通道紫铜热沉7；所述含进出口隔热体5与所述含微通道紫铜热沉7之间设置有密封垫片6；所述含进出口隔热体5与所述玻璃上盖板2之间设置有氧化铟锡导电膜3，所述氧化铟锡导电膜3与所述含进出口隔热体5之间设置有密封圈4。
本发明采用氧化铟锡导电膜3作为电极，可通过改变所述氧化铟锡导电膜3的布置，在微通道中不同区域施加不同强度的高压电场，实现对微通道沸腾换热器局部不同区域两相流动状态的有效控制，进而达到最强优化传热的目的。本发明对微通道的尺寸限制较小，可使氧化铟锡导电膜与微通道间距变的很小，更容易产生高强度电场；本发明提供的电场强化沸腾传热的微通道换热器结构简单，安装方便，容易解决密封和绝缘问题。
在一些实施方式中，如图2所示，所述氧化铟锡导电膜3由PET基底以及溅射在所述PET基底上的高阻值ITO薄膜31和低阻值ITO薄膜32组成，所述高阻值ITO薄膜31和所述低阻值ITO薄膜32连通。在本实施例中，所述低阻值ITO薄膜32与高压电源正极连接，所述高阻值ITO薄膜31的结构与所述含微通道紫铜热沉7中的微流道结构相对应。如图3所示，针对不同微通道结构以及传热工况，可利用现有的镀膜技术加工不同结构的高阻值ITO薄膜，优化电场分布，进而达到更好的强化换热效果。
在一些实施方式中，所述氧化铟锡导电膜3的总阻值为100kΩ-10MΩ，但不限于此。通过镀膜技术加工不同结构的高阻值ITO薄膜31，可得到不同阻值的氧化铟锡导电膜3，从而可优化电场分布，进而达到更好的强化换热效果。本实施例中，所述氧化铟锡导电膜3透光性强，可利用氧化铟锡导电膜良好的透光性，借助显微镜和高速摄像机等设备实现电场强化微通道沸腾传热的可视化观察研究。
在一些实施方式中，如图4-图5所示，所述含微通道紫铜热沉7的顶端设置有微通道71，所述微通道71由10-250个微凸台结构构成的阵列组成，所述微凸台结构的形状为矩形、圆柱形和菱形中的一种或多种，但不限于此。
在一些实施方式中，如图4-图5所示，所述含微通道紫铜热沉7的中部设置有用于安装热电偶的测温孔72，所述含微通道紫铜热沉7的底部设置有用于安装单头电加热管的加热孔73。所述含微通道紫铜热沉7上位于微通道71和测温孔72之间的位置设置有用于放置所述密封垫片6的凸台74。所述含微通道紫铜热沉7整体长为30-50mm，宽为20-40mm，高为30-50mm，并通过铜线与高压电源负极相连。
在一些实施方式中，如图6所示，所述密封垫片6为硅胶材质的中空矩形垫片，内矩形的长宽比微通道矩形的长宽均大0-0.5mm，外矩形的长宽比所述凸台外矩形的长宽均小0.5-1mm，所述密封垫片的厚度为1-2mm。在本实施例中，所述紧固螺栓和螺母用于连接玻璃上盖板、含进出口腔的隔热体和底座隔热板，结合设置在氧化铟锡导电膜与含进出口隔热体之间的密封圈，以及设置在含进出口隔热体与含微通道紫铜热沉之间的密封垫片，保证微通道沸腾传热装置的密封性。
在一些实施方式中，如图7-图8所示，所述含进出口隔热体5包括隔热本体，设置在所述隔热本体左右两端的两个稳流腔51，其中一个稳流腔51上设置有换热工质进口52，另一个稳流腔上设置有换热工质出口521；所述隔热本体的顶部设置有放置密封圈4的凹槽55，所述隔热本体的中部设置有用于放置所述含微通道紫铜热沉的中通体57、密封凸台58以及与含微通道紫铜热沉上的测温孔72对应的隔热体测温孔56，所述稳流腔上还设置有用于安装热电偶的测温口53以及用于连接压力传感器的测压口54。在本实施例中，所述含进出口隔热体5通过3D打印机一体打印制成，材质为高温树脂。
在一些实施方式中，所述电场强化沸腾传热的微通道换热器的具体安装步骤如下所示：
S10、先将密封垫片6安装于含微通道紫铜热沉的凸台74上；然后将设置有密封垫片6的含微通道紫铜热沉7安装进含进出口隔热体5中的中通体57；再将上述安装体放置于底座隔热板8上，对准含进出口隔热体5和底座隔热板8上的八个螺栓孔；
S20、再将密封圈4安装于所述含进出口隔热体5中的凹槽55上；再将氧化铟锡导电膜3放置于含进出口隔热体5和密封圈4之上，并将微通道71的流道与高阻值ITO薄膜31对齐，如图3所示，保证高阻值ITO薄膜31与微通道71的金属部分不接触；
S30、再将有机玻璃上盖板2放置于氧化铟锡导电膜3和含进出口隔热体5之上，对准有机玻璃上盖板2和含进出口隔热体5上的八个螺栓孔；最后将紧固螺栓1安装于上述安装体的螺栓孔中，与螺母9拧紧，其中含进出口隔热体5上的凹槽55与密封圈4以及氧化铟锡导电膜3挤压密封，含微通道紫铜热沉7上的凸台74与密封垫片6以及含进出口隔热体5上的密封凸台58挤压密封，从而实现装置的整体密封。
在本实施例中，为了对电场强化沸腾传热微通道换热器的换热情况进行实时监测，所述含进出口隔热体5的稳流腔51设置有测温口53和测压口54，所述含微通道紫铜热沉7的中部设置有测温孔72，可用于安装温度传感器以及连接压力传感器来对相关参数进行采集。所述冷却工质使用FC72、HFE7100等电子氟化液，冷却工质经含进出口隔热体5的换热工质进口52流入，经过一个稳流腔51进入微通道71内，冷却工质在微通道71内吸收热量后，再经过另一个稳流腔51，最终由换热工质出口521流出微通道换热器。
在本实施例中，当微通道换热器工作时，所述氧化铟锡导电膜3接高压电源正极，含微通道的紫铜热沉7接高压电源负极，可通过改变所述氧化铟锡导电膜的布置，在微通道中不同区域施加不同强度的高压电场，实现对微通道沸腾换热器局部不同区域两相流动状态的有效控制，进而达到最强优化传热的目的。本实施例中，由于氧化铟锡导电膜3与微通道间距很小，可以在电压值相对较低的条件下产生高强度电场，可对沸腾汽泡和汽液两相界面产生较大的作用力；本发明提供的电场强化沸腾传热的微通道换热器结构简单，安装方便，容易解决密封和绝缘问题。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种电场强化沸腾传热的微通道换热器，其特征在于，包括从下至上层叠设置且通过紧固螺栓和螺母固定安装的底座隔热板、含进出口隔热体以及玻璃上盖板；所述底座隔热板与所述含进出口隔热体之间设置有含微通道紫铜热沉；所述含进出口隔热体与所述含微通道紫铜热沉之间设置有密封垫片；所述含进出口隔热体与所述玻璃上盖板之间设置有氧化铟锡导电膜，在所述氧化铟锡导电膜与所述含进出口隔热体之间设置有密封圈。
2.根据权利要求1所述电场强化沸腾传热的微通道换热器，其特征在于，所述氧化铟锡导电膜由PET基底以及溅射在所述PET基底上的高阻值ITO薄膜和低阻值ITO薄膜组成，所述高阻值ITO薄膜和所述低阻值ITO薄膜连通。
3.根据权利要求2所述电场强化沸腾传热的微通道换热器，其特征在于，所述氧化铟锡导电膜的总阻值为100kΩ-10MΩ。
4.根据权利要求1所述电场强化沸腾传热的微通道换热器，其特征在于，所述含微通道紫铜热沉的顶端设置有微通道，所述微通道由10-250个微凸台结构构成的阵列组成。
5.根据权利要求4所述电场强化沸腾传热的微通道换热器，其特征在于，所述微凸台结构的形状为矩形、圆柱形和菱形中的一种或多种。
6.根据权利要求4所述电场强化沸腾传热的微通道换热器，其特征在于，所述含微通道紫铜热沉的中部设置有用于安装热电偶的测温孔，所述含微通道紫铜热沉的底部设置有用于安装单头电加热管的加热孔。
7.根据权利要求6所述电场强化沸腾传热的微通道换热器，其特征在于，所述含微通道紫铜热沉上位于微通道和测温孔之间的位置设置有用于放置所述密封垫片的凸台。
8.根据权利要求7所述电场强化沸腾传热的微通道换热器，其特征在于，所述密封垫片为硅胶材质的中空矩形垫片，内矩形的长宽比微通道矩形的长宽均大0-0.5mm，外矩形的长宽比所述凸台外矩形的长宽均小0.5-1mm，所述密封垫片的厚度为1-2mm。
9.根据权利要求1所述电场强化沸腾传热的微通道换热器，其特征在于，所述含进出口隔热体包括隔热本体，设置在所述隔热本体左右两端的两个稳流腔，其中一个稳流腔上设置有换热工质进口，另一个稳流腔上设置有换热工质出口；所述隔热本体的顶部设置有放置密封圈的凹槽，所述隔热本体的中部设置有用于放置所述含微通道紫铜热沉的中通体。
10.根据权利要求9所述电场强化沸腾传热的微通道换热器，其特征在于，所述稳流腔上还设置有用于安装热电偶的测温口以及用于连接压力传感器的测压口。
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