CN114577042B - 一种微小多通道沸腾换热式均温冷却板 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种微小多通道沸腾换热式均温冷却板，包括左侧的冷却液体入口通道、中间位置处沿竖直方向均匀分布的至少两条冷却液沸腾组合多通道以及右侧的沸腾气体出口通道；每条所述冷却液沸腾组合多通道均由自下而上依次连通的液体横流直通道、气体上升窄通道、气体横流直通道组成，使得自所述冷却液体入口通道输入的液体冷却工质与被冷却对象换热时沸腾气化，并向上流动从沸腾气体出口通道排出。本发明能够在实现微小通道沸腾换热的高热流密度传热同时，能够保证冷却板温度的高度均一性，适用于大功率电力电子元器件或新能源汽车动力电池的散热冷却。
Description
技术领域
本发明属于高热流密度冷却技术领域，具体涉及一种微小多通道沸腾换热式均温冷却板。
背景技术
近年来，随着微纳加工技术的不断发展，微电子机械系统、大规模集成电路以及大功率激光器的发展也有了长足的进步。航空航天、核能技术、能源动力、电动汽车等先进技术产业领域越来越注重电子设备的微型化和集成化，不断提升的市场需求加剧了对高精尖设备研制技术发展的要求。电子设备的功率提升与体积微小化发展趋势导致了其发热热流持续上升，例如，计算机芯片的平均热流密度可达到100W/cm2，其中局部热斑的热流密度达到500W/cm2；而对于电力电子装置中能源转换与传输的核心器件IGBT(绝缘栅双极型晶体管)模块，其中芯片级的热流密度可以达到甚至超出1000W/cm2，过高的运行温度将直接导致设备可靠性下降，甚至烧毁，因此亟需研发针对这种微小尺度的高热流密度散热技术。
面对如此狭小的物理空间与如此巨大的热流密度，常规的冷却技术已经无法满足散热要求，而微小通道冷却器由于具有紧凑的结构尺寸、高效的传热性能与较小的压降损失，并且所需的流体容量较小、泵功较小，在微机械电子行业中得到了广泛的发展与应用。
另一方面，传统的单相冷却技术，例如风冷和水冷，只是采用自然对流或强迫对流的机理进行换热，由于传热能力有限，已经难以满足日益增长的散热要求；而沸腾相变换热技术则利用相变过程中流体从液态转变为气态时吸收大量汽化潜热，进一步实现了高效换热，具有更高的传热速率，且所需的流体质量流量更小。
所以，与常规技术冷却器相比，微小通道沸腾换热冷却器结合了单位体积流体表面积更大、传热系数更高以及泵功更小的优点，表现出更高效的传热能力，目前在高热流密度冷却技术领域获得了广泛的认同。
目前微小通道换热冷却器多为平行流微小多通道冷却器，每个单通道内液体工质的流动与传热情形如图6所示，冷却工质从左侧入口进入，在液体单相区，主要以对流换热为主，随着传热的进行，液体工质温度逐渐升高，工质与接触热源的温差逐渐降低，导致对流换热量逐渐下降，即使得换热器在沿着流动方向上的温度逐渐上升；随后依次经过过冷核沸腾、包河核沸腾、液膜对流沸腾阶段，这些均为发生沸腾相变的两相共存状态，换热系数逐渐略有升高，换热器的温度表现出逐渐下降的趋势；在单通道的后部，冷却工质进入饱和蒸汽和过热蒸汽状态，即表现出欠液传热状态，这是传热系数显著下降，导致换热器温度显著上升。因此，虽然平行流微小多通道换热器可以获得很大的传热量，但冷却器工质进上下游进出口处表面的温差较大，亦即使得被冷却的器件温差往往超出了允许的范围，容易使得被冷却器件产生过大的热应力而降低该器件的使用寿命。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种微小多通道沸腾换热式均温冷却板，实现高热流密度器件的高效散热要求，并保持冷却板的高度均温性，大幅提升被冷却器件的温度均匀性。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种微小多通道沸腾换热式均温冷却板，包括左侧的冷却液体入口通道、中间位置处沿竖直方向均匀分布的至少两条冷却液沸腾组合多通道以及右侧的沸腾气体出口通道；其中，冷却液沸腾组合多通道可以为2-100条，液体冷却工质自所述冷却液体入口通道输入至4条冷却液沸腾组合多通道中，与冷却板侧壁的被冷却对象换热，发生沸腾气化，最后从沸腾气体出口通道排出；
每条所述冷却液沸腾组合多通道均由自下而上依次连通的液体横流直通道、气体上升窄通道、气体横流直通道组成，使得自所述冷却液体入口通道输入的液体冷却工质与被冷却对象换热时沸腾气化，并向上流动从沸腾气体出口通道排出；该过程中，流入每一条冷却液沸腾组合多通道的液体工质，迅速充满液体横流直通道，在侧壁的高热流密度加热情况下，整个液体横流直通道的液体同时产生沸腾，气化形成的蒸汽通过截面尺寸较小的气体上升窄通道，并在气体横流直通道中汇聚后流出至沸腾气体出口通道。这样，使得液体横流直通道内的液体沸腾传热状态为同一种沸腾换热模式，即过冷核沸腾或饱和核沸腾状态，气体上升窄通道内沸腾模式为液膜对流沸腾状态，气体横流直通道中气体为饱和蒸汽和过热蒸汽状态，使得传统通道内的呈点状分布的沸腾状态变化为本发明的水平线状分布，使得每一条冷却液沸腾组合多通道的温度均匀性大幅提升；
所述冷却液体入口通道与液体横流直通道相贯通，与气体上升窄通道、气体横流直通道均不贯通；
所述沸腾气体出口通道与气体横流直通道相贯通，与液体横流直通道、气体上升窄通道均不贯通。
作为本发明的进一步优化方案，相邻所述冷却液沸腾组合多通道之间通过隔板分隔，所述隔板即为上一冷却液沸腾组合多通道的液体横流直通道的底板，也即是下一冷却液沸腾组合多通道的气体横流直通道的顶板。
作为本发明的进一步优化方案，所述冷却液体入口通道与沸腾气体出口通道关于冷却液沸腾组合多通道对称设置。
作为本发明的进一步优化方案，所述冷却液体入口通道采用沿液体冷却工质流向渐缩的梯形歧管结构，所述沸腾气体出口通道采用沿液体冷却工质流向渐扩的梯形歧管结构，所述冷却液体入口通道和沸腾气体出口通道沿冷却液沸腾组合多通道的竖直分布方向进行设置。所述冷却液体入口通道的液体总入口以及所述沸腾气体出口通道的气体总出口均位于梯形歧管结构的扩张端。
作为本发明的进一步优化方案，所述冷却液体入口通道和沸腾气体出口通道均采用分支歧管结构，且分支歧管结构的各管道分布方向与冷却液沸腾组合多通道的横向方向平行。所述冷却液体入口通道的液体总入口以及所述沸腾气体出口通道的气体总出口均位于分支歧管结构的总管端。
通过将冷却液体入口通道采用沿流向渐缩的梯形歧管结构或分支歧管结构设计，并同时对沸腾气体出口通道采用方向相反的结构设计，使得进入的冷却液体工质能够均匀地流入每一条冷却液沸腾组合多通道中去，最终保证流经每一条冷却液沸腾组合多通道的冷却工质流量相等。继而，使得每一条冷却液沸腾组合多通道的换热量保持一致，最终保证了整个冷却板温度的高度均一性。
作为本发明的进一步优化方案，所述液体横流直通道、气体上升窄通道、气体横流直通道的高度比为(1-2):(0.5-1):1，宽度比为1:(0.2-0.5):1，且宽度和高度的尺寸均在1-1000微米之间，这样设置使得气体上升窄通道较窄，能够改变介质状态，使得每一条冷却液沸腾组合多通道的温度均匀性大幅提升。
本发明的有益效果在于：
1)本发明通过在冷却板内布置多条上述冷却液沸腾组合多通道，并将冷却液体入口通道和沸腾气体出口通道设计成相反的梯形歧管结构或分支歧管结构，能够使得进入的冷却液体工质能够均匀地流入每一条冷却液沸腾组合多通道中去，保证流经每一条冷却液沸腾组合多通道的冷却工质流量相，继而，使得每一条冷却液沸腾组合多通道的换热量保持一致，最终保证了整个冷却板温度的高度均一性；
2)本发明通过将每条冷却液沸腾组合多通道均设置成自下而上的三通道，中间的气体上升窄通道截面尺寸较小，使得底部的液体横流直通道内的液体沸腾传热状态为同一种沸腾换热模式，即过冷核沸腾或饱和核沸腾状态，中部气体上升窄通道内沸腾模式为液膜对流沸腾状态，顶部的气体横流直通道中气体为饱和蒸汽和过热蒸汽状态，使得每一条冷却液沸腾组合多通道的温度均匀性大幅提升。
附图说明
图1是本发明实施例1中采用梯形歧管入口结构的整体剖面结构示意图。
图2是本发明的图1中A-A处的剖面结构示意图。
图3是本发明实施例2中采用分支歧管入口结构的整体剖面结构示意图。
图4是常规平行流微小多通道冷却板的表面温度云图。
图5是本发明均温冷却板的表面温度云图。
图6是常规微小单通道内液体工质沸腾状态图。
图中：1、冷却液体入口通道；11、液体总入口；2、冷却液沸腾组合多通道；21、液体横流直通道；22、气体上升窄通道；23、气体横流直通道；3、沸腾气体出口通道；31、气体总出口。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本申请进行进一步的说明，不能理解为对本申请保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述申请内容对本申请作出一些非本质的改进和调整。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“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，而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；在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”、“若干”的含义是两个或两个以上。
实施例1
一种微小多通道沸腾换热式均温冷却板，包括左侧的冷却液体入口通道1、中间位置处沿竖直方向均匀分布的4条冷却液沸腾组合多通道2以及右侧的沸腾气体出口通道3；液体冷却工质自所述冷却液体入口通道1输入至4条冷却液沸腾组合多通道2中，与冷却板侧壁的被冷却对象换热，发生沸腾气化，最后从沸腾气体出口通道3排出。
如图1所示，所述冷却液体入口通道1与沸腾气体出口通道3关于冷却液沸腾组合多通道2对称设置；
所述冷却液体入口通道1采用沿液体冷却工质流向渐缩的梯形歧管结构，所述沸腾气体出口通道3采用沿液体冷却工质流向渐扩的梯形歧管结构，所述冷却液体入口通道1和沸腾气体出口通道3沿冷却液沸腾组合多通道2的竖直分布方向进行设置，所述冷却液体入口通道1的液体总入口11以及所述沸腾气体出口通道3的气体总出口31均位于梯形歧管结构的扩张端。
如图2所示，每条所述冷却液沸腾组合多通道2均由自下而上依次连通的液体横流直通道21、气体上升窄通道22、气体横流直通道23组成，使得自所述冷却液体入口通道1输入的液体冷却工质与被冷却对象换热时沸腾气化，并向上流动从沸腾气体出口通道3排出；
相邻所述冷却液沸腾组合多通道2之间通过隔板分隔，所述隔板即为上一冷却液沸腾组合多通道2的液体横流直通道21的底板，也即是下一冷却液沸腾组合多通道2的气体横流直通道23的顶板；
所述冷却液体入口通道1与液体横流直通道21相贯通，与气体上升窄通道22、气体横流直通道23均不贯通；
所述沸腾气体出口通道3与气体横流直通道23相贯通，与液体横流直通道21、气体上升窄通道22均不贯通。
在结构尺寸比例和具体数值范围上，本实施例中所述液体横流直通道21、气体上升窄通道22、气体横流直通道23的高度比取值为1:0.5:1，宽度比取值为1:0.3:1。
另外，液体横流直通道21与气体横流直通道23也可以是圆形截面或其他形状截面的通道，只需其当量直径满足上述比例关系即可。
液体横流直通道21、气体上升窄通道22、气体横流直通道23的具体宽度和高度尺寸范围均在1-1000微米之间。
需要说明的是，在实际散热冷却运行的时候，液体冷却工质在驱动压头和自身重力的作用下，由液体总入口11流入冷却液体入口通道1，然后均匀分流至每一条冷却液沸腾组合多通道2的液体横流直通道21中。当该均温冷却板侧壁与被冷却对象即高热流密度散热对象接触的时候，被冷却对象的热量通过侧壁导热至该均温冷却板，使得每一条液体横流直通道21的工作发生相同状态的沸腾现象，产生的蒸汽上升通过气体上升窄通道22流入气体横流直通道23中，并经沸腾气体出口通道3，由气体总出口31流出。
本发明的最佳安装方式为竖直放置，其侧面与被冷却对象紧密接触，即被冷却对象与冷却液沸腾组合多通道2前/后侧面紧密贴合。被冷却对象可以是大功率电力电子元器件散热或新能源汽车动力电池。竖直放置的目的在于，即使在没有对冷却工质施加驱动压头的情况下，借助冷却工质的自身重力，液体横流直通道21中能够被冷却工质迅速充满，同时，沸腾产生的汽泡借助自身的浮力向上溢出，流经气体上升窄通道22而流入气体横流直通道23中。
由于每一条液体横流直通道21、气体上升窄通道22和气体横流直通道23上的沸腾传热状态均相同，各自的传热系数也十分相近，导致该均温冷却板的表面温度呈现良好的均温性，温差范围传统的平行流微小多通道冷却板要小得多。
实施例2
如图3所示，本实施例与实施例1基本相同，唯一区别在于：所述冷却液体入口通道1和沸腾气体出口通道3均采用分支歧管结构，且分支歧管结构的各管道分布方向与冷却液沸腾组合多通道2的横向方向平行，所述冷却液体入口通道1的液体总入口11以及所述沸腾气体出口通道3的气体总出口31均位于分支歧管结构的总管端。
相比实施例1，本实施例更加适合在驱动压头输送下的液体冷却工质均匀分流使用，均匀分流效果更好
针对上述两个实施例，进行验证计算，其中，计算采用的是HFE-7000工质，其常压下的饱和沸点是307.15K。所得云图呈现水平线条状，与传统的平行流微小多通道冷却板的表面温度云图完全不同，具体见图4和图5；
图4和图5分别表示的是常规平行流微小多通道冷却板的表面温度云图和本发明均温冷却板的表面温度云图(单位：K)，从图中可以明确得知，常规平行流微小多通道冷却板的表面温度云图呈竖条状，最大温差为25℃，而本发明均温冷却板的表面温度云图则呈水平条状，最大温差为8℃。可见，本发明提供的均温冷却板温度均温性获得了大幅度的提升。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本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，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种微小多通道沸腾换热式均温冷却板，其特征在于：包括左侧的冷却液体入口通道(1)、中间位置处沿竖直方向均匀分布的至少两条冷却液沸腾组合多通道(2)以及右侧的沸腾气体出口通道(3)；
每条所述冷却液沸腾组合多通道(2)均由自下而上依次连通的液体横流直通道(21)、气体上升窄通道(22)、气体横流直通道(23)组成，使得自所述冷却液体入口通道(1)输入的液体冷却工质与被冷却对象换热时沸腾气化，并向上流动从沸腾气体出口通道(3)排出；
所述冷却液体入口通道(1)与液体横流直通道(21)相贯通，与气体上升窄通道(22)、气体横流直通道(23)均不贯通；
所述沸腾气体出口通道(3)与气体横流直通道(23)相贯通，与液体横流直通道(21)、气体上升窄通道(22)均不贯通；
相邻所述冷却液沸腾组合多通道(2)之间通过隔板分隔，所述隔板即为上一冷却液沸腾组合多通道(2)的液体横流直通道(21)的底板，也即是下一冷却液沸腾组合多通道(2)的气体横流直通道(23)的顶板；
所述液体横流直通道(21)、气体上升窄通道(22)、气体横流直通道(23)的高度比为(1-2):(0.5-1):1，宽度比为1:(0.2-0.5):1，且宽度和高度的尺寸均在1-1000微米之间，这样设置使得气体上升窄通道(22)较窄，能够改变介质状态，使得每一条冷却液沸腾组合多通道(2)的温度均匀性大幅提升。
2.根据权利要求1所述的一种微小多通道沸腾换热式均温冷却板，其特征在于：所述冷却液体入口通道(1)与沸腾气体出口通道(3)关于冷却液沸腾组合多通道(2)对称设置。
3.根据权利要求2所述的一种微小多通道沸腾换热式均温冷却板，其特征在于：所述冷却液体入口通道(1)采用沿液体冷却工质流向渐缩的梯形歧管结构，所述沸腾气体出口通道(3)采用沿液体冷却工质流向渐扩的梯形歧管结构，所述冷却液体入口通道(1)和沸腾气体出口通道(3)沿冷却液沸腾组合多通道(2)的竖直分布方向进行设置。
4.根据权利要求3所述的一种微小多通道沸腾换热式均温冷却板，其特征在于：所述冷却液体入口通道(1)的液体总入口(11)以及所述沸腾气体出口通道(3)的气体总出口(31)均位于梯形歧管结构的扩张端。
5.根据权利要求2所述的一种微小多通道沸腾换热式均温冷却板，其特征在于：所述冷却液体入口通道(1)和沸腾气体出口通道(3)均采用分支歧管结构，且分支歧管结构的各管道分布方向与冷却液沸腾组合多通道(2)的横向方向平行。
6.根据权利要求5所述的一种微小多通道沸腾换热式均温冷却板，其特征在于：所述冷却液体入口通道(1)的液体总入口(11)以及所述沸腾气体出口通道(3)的气体总出口(31)均位于分支歧管结构的总管端。
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