CN114608364B - 一种微小多通道流体相变式均温换热板 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微小多通道流体相变式均温换热板，包括左侧的一号纵向通道、中间区域内的至少两条相变组合多通道、以及右侧的二号纵向通道；每条所述相变组合多通道均由沿纵向依次分布的一号横向通道、呈一字型并列连接的至少四个特斯拉阀组合区、二号横向通道组成；每个所述特斯拉阀组合区均由两列流通方向相反、且每列串联至少两个流通方向相同的单特斯拉阀组成，串联的每列单特斯拉阀两端分别与一号横向通道、二号横向通道相通。本发明能够满足高热流密度冷却或加热需求，且温度场高度均一，能自动调节与稳定工质压力，稳定对应的饱和相变温度值，实现对换热板温度的自动稳定调控，还可以任意调换工质进出口，任意角度安装，适用范围广。

Description

一种微小多通道流体相变式均温换热板

技术领域

本发明属于高热流密度加热或冷却技术领域，具体涉及一种微小多通道流体相变式均温换热板。

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8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。

另一方面，在高热流密度加热领域，常规的加热方式使用通过微小点接触的电加热技术，但由于高热流密度加热情况下的局部加热点温度过高，往往会损坏被加热器件，在实际应用总受到了限制。

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流体相变式均温换热板，实现高热流密度器件的快速加热或高效散热要求，并保持换热板的高度均温性，大幅提升被换热器件的温度均匀性。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种微小多通道流体相变式均温换热板，包括左侧的一号纵向通道、中间区域内沿纵向均匀分布的至少两条相变组合多通道、以及右侧的二号纵向通道；其中，相变组合多通道可以设置为2-100条，具体可根据换热对象体积进行设置；另外，根据换热工质的不同，该换热板不仅能适用于高热流密度冷却需求(可采用液体冷却工质)，也可以满足高热流密度加热需求(可采用蒸汽等加热工质)。

每条所述相变组合多通道均由沿纵向依次分布的一号横向通道、呈一字型并列连接的至少四个特斯拉阀组合区、二号横向通道组成，所述一号纵向通道与所有的一号横向通道连通，与所有的二号横向通道不连通，所述的二号纵向通道与所有的二号横向通道连通，与所有的一号横向通道不连通；其中，特斯拉阀组合区可以设置为4-200个；

在冷却工况下，使用接近工质饱和沸点的过冷液体工质，令其通过一侧的纵向通道流入换热器的横向通道中，并在该区域分流、受热；形成的饱和气液混合物穿过特斯拉阀组合区，并在该特斯拉阀组合区和随后经过的横向通道中实现气液分离，形成的饱和气体或过热气体由另一侧的纵向通道排出。这样，使得整个换热板内的沸腾汽化过程均在统一压力下实现，对应的饱和温度均相等，亦即沸腾相变下的气液混合物均有相同的温度，使得换热板内工质的温度水平保持在饱和温度附近，从而换热板本身的温度也在该温度值附近波动，大幅度提升本相变式换热板的均温性。

在加热工况下，使用接近工质饱和沸点的气体工质，使得该工质在换热板内放出相变潜热而冷凝成液体排出。这样，一方面可以获得大量的相变潜热，实现对受热对象的高热流密度加热；另一方面该冷凝相变过程中压力一定，换热板内工质的温度也维持在对应的饱和温度附近，使得换热板的温度水平保持较高的均一性；

每个所述特斯拉阀组合区均由两列流通方向相反、且每列串联至少两个流通方向相同的单特斯拉阀组成，串联的每列单特斯拉阀两端分别与一号横向通道、二号横向通道相通；其中，每列单特斯拉阀可以由2-10个流通方向相同的单特斯拉阀串联组成；

特斯拉阀组合区设置的多道流通方向相反的特斯拉阀组合，能够起到自动调节与稳定换热器内气相压力的作用，从而稳定该压力对应的饱和温度，使得换热板内工质的温度保持在一个相对固定的温度值上，以实现对换热板温度均一性的自动调控。以沸腾冷却为例，由于特斯拉阀组合区的两列串联特斯拉阀是相反布置，在正常的工质进口压力驱动下，换热工质只从特斯拉阀组合区的一列串联特斯拉阀中流过并产生沸腾汽化变化；当被冷却器件的热流密度瞬间增大的时候，这时沸腾气化产生的气体更多，在整个换热板进出口压力一定的情况下，会导致汇聚气体的横向通道中压力增大，使得有部分气体会沿着特斯拉阀组合区内另一列串联特斯拉阀逆向流动，回到上游的横向通道中对上游的冷却液体进行加热，这样一方面可以缓解瞬间热流密度增加导致的冷却需求，更重要的是，能够将换热板出口端横向通道中的工质压力降低至某一稳定值，这样，维持该压力对应的饱和温度稳定值，亦即将换热板内的工质温度震荡调整在某一恒定值附近。

作为本发明的进一步优化方案，每条所述相变组合多通道中的特斯拉阀组合区均呈相同角度、相同方向倾斜布置，使得所有的一号横向通道朝向一号纵向通道呈相同角度的张角状态，所有的二号横向通道朝向二号纵向通道亦呈相同角度的张角状态。该相变组合多通道中横向通道的张角结构设计，使得并行流过每一个特斯拉阀的流量趋于相等，使得整个换热板在横向上的相变换热量趋于一致，保持整个换热板在横向上的温度均一性。

作为本发明的进一步优化方案，相邻两个相变组合多通道之间设置有隔板，所述隔板用于分隔相邻两个相变组合多通道的一号横向通道和二号横向通道。

作为本发明的进一步优化方案，所述一号横向通道、特斯拉阀组合区、二号横向通道的平均纵向宽度比为1:(1-2):1。该种比例设置，能够方便布置更多串联数量的单特斯拉阀，以实现对换热板内工质相变压力波动范围的调控。

本发明的有益效果在于：

1)本发明在实现微小通道沸腾换热的高热流密度传热的同时，能够保证换热板温度的高度均匀性，避免被换热对象承受过高的温度和过大的温差应力；

2)本发明换热板不仅能适用于高热流密度冷却需求，也可以满足高热流密度加热需求，冷却工况下，整个换热板内的沸腾汽化过程均在统一压力下实现，对应的饱和温度均相等，亦即沸腾相变下的气液混合物均有相同的温度，使得换热板内工质的温度水平保持在饱和温度附近，从而换热板本身的温度也在该温度值附近波动，大幅度提升本相变式换热板的均温性；加热工况下，能够获得大量的相变潜热，实现对受热对象的高热流密度加热，且该冷凝相变过程中压力一定，换热板内工质的温度也维持在对应的饱和温度附近，使得换热板的温度水平保持较高的均一性；

3)本发明特斯拉阀组合区设置的多道流通方向相反的特斯拉阀组合，能够起到自动调节与稳定换热器内气相压力的作用，从而稳定该压力对应的饱和温度，使得换热板内工质的温度保持在一个相对固定的温度值上，以实现对换热板温度均一性的自动调控；

4)本发明相变组合多通道中横向通道的张角结构设计，使得并行流过每一个特斯拉阀的流量趋于相等，使得整个换热板在横向上的相变换热量趋于一致，保持整个换热板在横向上的温度均一性；

5)本发明的进出口在两个纵向通道之间可任意调换，且换热板可任意角度安装，增加了换热板的适用性。

附图说明

图1是本发明实施例1的整体剖面图及工质流向示意图。

图2是本发明实施例1的均温换热板内部结构立体示意图。

图3是本发明实施例1的特斯拉阀内工质正向与反向流动原理示意图。

图4是本发明实施例1中单个特斯拉阀组合区内工质返流情况示意图。

图5是本发明实施例2中工质进出口调换后的整体剖面图及工质流向示意图。

图6是常规平行流微小多通道换热板的表面温度云图。

图7是本发明均温换热板的表面温度云图。

图8是常规微小单通道内液体工质沸腾状态图。

图中：1、一号纵向通道；2、相变组合多通道；21、一号横向通道；22、特斯拉阀组合区；23、二号横向通道；24、单特斯拉阀；3、二号纵向通道。

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

如图1-2所示，一种微小多通道流体相变式均温换热板，包括左侧的一号纵向通道1、中间区域内沿纵向均匀分布的至少两条相变组合多通道2、以及右侧的二号纵向通道3，本实施例中采用两条相变组合多通道2；

每条所述相变组合多通道2均由沿纵向依次分布的一号横向通道21、呈一字型并列连接的至少四个特斯拉阀组合区22、二号横向通道23组成；本实施例中每条所述相变组合多通道2中采用四个特斯拉阀组合区22；

每个所述特斯拉阀组合区22均由两列流通方向相反、且每列串联至少两个流通方向相同的单特斯拉阀24组成，串联的每列单特斯拉阀24(即特斯拉阀串联通道)两端分别与一号横向通道21、二号横向通道23相通；本实施例中每列串联的流通方向相同的单特斯拉阀24个数是2个；

所述一号纵向通道1与所有的一号横向通道21连通，与所有的二号横向通道23不连通；

所述的二号纵向通道3与所有的二号横向通道23连通，与所有的一号横向通道21不连通。

每条所述相变组合多通道2中的特斯拉阀组合区22均呈相同角度、相同方向倾斜布置，使得所有的一号横向通道21朝向一号纵向通道1呈相同角度的张角状态，所有的二号横向通道23朝向二号纵向通道3亦呈相同角度的张角状态。在本实施例中，一号横向通道21的张角朝向左侧，二号横向通道23的张角朝向右侧。

相邻两个相变组合多通道2之间设置有隔板，所述隔板用于分隔相邻两个相变组合多通道2的一号横向通道21和二号横向通道23。

在尺寸比例上，每一条相变组合多通道2中，所述一号横向通道21、特斯拉阀组合区22、二号横向通道23的平均纵向宽度比为1:(1-2):1。特斯拉阀组合区22的尺寸可以比其纵向两侧的一号横向通道21和二号横向通道23略大，以便布置更多串联数量的单特斯拉阀24，以实现对换热板内工质相变压力波动范围的调控。

本发明的均温换热板可根据实际需要，任意角度放置，只需保持其前/后侧面与需被加热或冷却对象紧密接触即可。

需要说明的是，在实际冷却散热运行工况下，液体冷却工质在驱动压头的作用下，由一号纵向通道1流入，然后均匀分流至每一条相变组合多通道2中的一号横向通道21中。液体冷却工质吸收均温换热板侧壁传递过来的热量，温度迅速上升至其压力对应的饱和温度，并随后发生沸腾汽化，将高热流密度热源产生的热量迅速带走。产生的蒸汽则通过两个特斯拉阀组合区22中左侧的特斯拉阀串联通道流过，右侧的特斯拉阀串联通道由于其在该方向上的流动阻力大，无法实现流通。穿过特斯拉阀组合区22的气体，汇聚进入二号横向通道23，再由二号纵向通道3排出。

这里运用了特斯拉阀单相流动的工作原理，如图3示出了相反方向流体流经2组2个串联特斯拉阀的流动情况：

图3(a)所示，由下而上的流体流经第一个分叉口处，由于自身惯性会使得绝大部分流体沿着左侧通道流过，在其转弯180°反向流动后则直接冲击经第一个分叉口处分流出来的右侧极少部分流体，造成流体无法实现正常的向上流动；即使有少量流体能继续向上流向第二个特斯拉阀，仍会重复上述过程，最终导致由于流动阻力过大流体无法顺利流过。

在图3(b)中，流体由上而下流动，粗箭头表示的主流方向，细箭头表示的是辅助流动方向，可以看出流动能够正常进行。即，特斯拉阀是一种单向导通阀，特斯拉阀中的反向流动的阻力远远大于正向流动的阻力。上述图3(a)的模型为反向流动，图3(b)的模型为正向流动。

所以，在本实例中，在正常的运行工况下，由于特斯拉阀组合区22流动上游的工质压力要大于下游的工质压力，使得流体只能在特斯拉阀组合区22的左列串联特斯拉阀中流过，其右列的串联特斯拉阀中可以充注有液体工质并发生相变过程，但不会形成大量明显的由上而下或由下而上的流体流动，如图1-2所示。

然而，当需被冷却热源的热流密度增大的时候，会有更多的液体工质发生沸腾汽化变化，导致更多的气体聚集在特斯拉阀组合区22的下游二号横向通道23中，导致该区域工质压力迅速提升。根据热力学性质，工质的饱和温度与其压力一一对应，且会随着工质的压力的增大而增大。这就意味着对应该压力的工质饱和温度将升高，会使得特斯拉阀组合区22的气液混合物温度升高，导致换热板的温度升高，降低了换热板的均温性；与此同时，二号横向通道23气体压力的提升，会打破特斯拉阀组合区22的右列串联特斯拉阀中工质流通的压力平衡，导致有部分汽化气体由下而上返流，如图4所示，返流回一号横向通道21中，与该上游区域的液体发生热质交换，这会使得下游二号横向通道23的气体压力下降，缓解工质饱和温度提高的趋势。亦即，特斯拉阀组合区22中两列相反方向设置的串联特斯拉阀具有稳定工质的相变压力和对应饱和温度的特点，使得该换热板能保持在某一恒定温度范围内，温度均一性优异。

实施例2

由于本发明的进出口在左侧的一号纵向通道1与右侧的二号纵向通道3之间可任意调换，如图5所示，本实施例中与实施例1基本相同，不同的是工质的流通方向完全相反，在正常运行压力工况下，工质在特斯拉阀组合区22右侧列的串联特斯拉阀中由下而上流动，当热流密度增大导致气相侧工质压力增大时，即上游一号横向通道21内气压增大，此时在特斯拉阀组合区22左侧列产生由上而下的返流，从而使得上游一号横向通道21的气体压力下降，缓解工质饱和温度提高的趋势，使得该换热板能保持在某一恒定温度范围内，温度均一性优异。

同样，本换热板可任意角度安装，不会影响换热板的使用性能，这增强了换热板的适用性。

针对上述两个实施例，进行验证计算，计算采用的是HFE-7000工质，其常压下的饱和沸点是307.15K，所得云图见图7；

图6和图7分别表示的是，在沸腾冷却工况下，常规平行流微小多通道换热板的表面温度云图和本发明均温换热板的表面温度云图(单位：K)；由图中可以明确看出，常规平行流微小多通道换热板的表面温度云图呈竖条状，最大温差为25℃，而本发明均温换热板的表面温度云图则呈水平条状，最大温差为9℃。由此可知，本发明提供的均温换热板温度均一性获得了大幅度的提升。

实施例3

将上述实施例1和实施例2中的均温换热板使用在高热流密度加热的情况下时，流通方向与前述实施例相同，不同的是，流入的流体是过热或饱和蒸汽，其在相变组合多通道2中发生凝结变成液态，释放大量相变潜热，加热与其侧壁紧密接触的被加热对象。

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 (3)

1.一种微小多通道流体相变式均温换热板，其特征在于：包括左侧的一号纵向通道(1)、中间区域内沿纵向均匀分布的至少两条相变组合多通道(2)、以及右侧的二号纵向通道(3)；

每条所述相变组合多通道(2)均由沿纵向依次分布的一号横向通道(21)、呈一字型并列连接的至少四个特斯拉阀组合区(22)、二号横向通道(23)组成；

每个所述特斯拉阀组合区(22)均由两列流通方向相反、且每列串联至少两个流通方向相同的单特斯拉阀(24)组成，串联的每列单特斯拉阀(24)两端分别与一号横向通道(21)、二号横向通道(23)相通；

所述一号纵向通道(1)与所有的一号横向通道(21)连通，与所有的二号横向通道(23)不连通；

所述的二号纵向通道(3)与所有的二号横向通道(23)连通，与所有的一号横向通道(21)不连通；

每条所述相变组合多通道(2)中的特斯拉阀组合区(22)均呈相同角度、相同方向倾斜布置，使得所有的一号横向通道(21)朝向一号纵向通道(1)呈相同角度的张角状态，所有的二号横向通道(23)朝向二号纵向通道(3)亦呈相同角度的张角状态。

2.根据权利要求1所述的一种微小多通道流体相变式均温换热板，其特征在于：相邻两个相变组合多通道(2)之间设置有隔板，所述隔板用于分隔相邻两个相变组合多通道(2)的一号横向通道(21)和二号横向通道(23)。

3.根据权利要求1所述的一种微小多通道流体相变式均温换热板，其特征在于：所述一号横向通道(21)、特斯拉阀组合区(22)、二号横向通道(23)的平均纵向宽度比为1:(1-2):1。