CN114740962A - 一种利用气泡微细化沸腾的重力回流冷却装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及高效换热领域，提供了一种利用气泡微细化沸腾的重力回流冷却装置。所述装置采用池式热沉设计，冷却工质受热在集热板上的圆台上发生气泡微细化沸腾。达到相变温度后，工质在蒸发室发生相变，产生热流。热流沿导流管进入冷凝室，在冷凝室内凝结成液滴，在重力作用下沿回流管道回到蒸发室进行二次蒸发，直至温度达到平衡。通过散热鳍片作用，在不依靠外力的情况下利用重力驱动液流回流至蒸发室，实现高效换热和低能量损耗。
Description
技术领域
本发明涉及高效换热领域，提供了一种利用气泡微细化沸腾的重力回流冷却装置。
技术背景
气泡微细化沸腾由Inada等（Inada S , Miyasaka Y , Sakumoto S , et al. Astudy on Boiling Curves in Subcooled Pool Boling (2nd Report, An effect ofliquid subcooling on local heat transfer)[J]. Nihon Kikai Gakkai Ronbunshu, BHen/Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, Part B, 1981,47(422):2021-2029.）首次发现。在沸腾换热领域，一定过冷度下，从核态沸腾向膜态沸腾过渡时出现壁面温度升高不大但热流密度却迅速升高的现象。该现象发生时热流密度远超常规CHF,且加热面上不断有气泡破碎和微小气泡喷射现象发生。这一特殊的沸腾现象被称作气泡微细化沸腾(MEB, Microbubble Emission Boiling).MEB在相对较低的壁面过热度下，能传递更高的热流。
气泡微细化沸腾相比传统的风冷、液冷式换热方案具有更强的换热能力，更适用于解决高热负荷设备和装置冷却问题，具有潜在的应用前景。
但是现有电脑设备中采用带泵的水冷散热器会存在居多缺陷，如：在散热器中增设水泵等驱动装置势必会让散热器安装空间增大，不利于电脑设备整体体积的缩小研发；会提高电脑设备的耗电功率，不够节能也不利于市场销售；电脑设备工作时会产生更大的噪音，无法保证工作环境安静，降低了用户使用体验；势必需要利用管道将散热主体和驱动装置连接起来，对接位置增多，可能的泄漏点就多了，生产和后期维修成本自然会提高；也是由于现有热器中配备了能驱动冷却液主动流动的驱动装置，因此在散热器主体的热结构中流道可以根据需要随机设置，都能保证冷却液顺利流动，因此现有散热器主体的内部流道设置很复杂，生产难度高，但是当电脑设备停机后，流道内部的某段位置仍然会存在积液，尤其是设置了向上流动的流道内一定会存在积液，这些积液无法在重力作用下流出流道，这种情况下会在流道内部形成始终封堵的存液段，当外接环境温度过低时，如冬天气温低至冰点后，散热器内部的存液段会结冰影响下次电脑设备的快速启动，甚至由于存液段结冰体积变大出现冻裂现象导致电脑设备损坏。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提供了一种冷却效果优良、结构紧凑的利用气泡微细化沸腾的、具有重力回流散热结构的冷却装置，所述装置利用气泡微细化沸腾现象，所述重力回流微通道换热器其只设有向下倾斜的转换集腔和水平的微通道，在重力作用下微通道换热器内部微通道内不会出现存液段，使用寿命更长；此外，更优的其应用于分体重力热管中时，不需要在外部管路设置水泵等驱动装置就能驱动流道内的冷却液正常流动，具有噪音小，能耗低、效率高的优点。
本申请实施例提供了一种利用气泡微细化沸腾的重力回流冷却装置，所述装置包括：集热板、陶瓷隔热板、止漏板、蒸发室 、导流管、回流管、回流肋片、冷凝室、散热鳍片。
所述陶瓷隔热板包括沸腾孔、连接通孔、密封槽。陶瓷隔热板通过连接通孔与止漏板连接固定。密封槽内涂抹密封胶，避免液体泄漏。沸腾孔通过与所述集热板上的圆台楔合，加强密封。
所述蒸发室包括连接通孔、管道连接孔、沸腾池。四个连接通孔位于蒸发室下部玻璃板的顶角处，将蒸发室于下部集热板连接固定。所述沸腾池两侧池壁附有若干管道连接孔。
所述导流管通过连接通孔将所述蒸发室与所述冷凝室相连接，引导蒸发室中沸腾蒸发出的蒸气进入所述冷凝室，强化散热。
所述冷凝室包括两侧边壁上的若干导流管连接通孔、底部倾斜转换集腔和回流通孔。所述导流管连接孔位于冷凝室两侧壁面，将冷凝室与所述导流管连接。所述底部倾斜转换集腔中间为若干回流管连接通孔，用于引导冷凝液流流入回流管，进行循环散热。
所述集热板上表面具有若干圆台，下表与高释热设备发热表面紧密贴合，集热板四个顶角处设置有连接通孔，供与陶瓷隔热板连接所用。
热量通过集热板传导至加热面处，冷却工质在沸腾池中接收到CPU传导的热量，在圆台表面发生气泡微细化沸腾，实现高效换热。
所述集热板的圆台楔入所述换热蜂巢层的圆台孔，在所述圆台上集聚热量后发生气泡微细化化沸腾，起强化散热的作用。
当所述蒸发室中工质受热产生蒸汽后，热流沿着导流管进入所述冷凝室后，由于上部散热鳍片的存在，蒸汽在冷凝室内迅速降温冷却，达到相变温度时，蒸汽冷凝为液滴，沿着倾斜转换集腔流入所述回流管。通过二次相变换热，有效地降低冷却工质的温度，实现高效散热。
所述止漏板尺寸与所述陶瓷隔热板中凹槽尺寸相适应，安装时将二者沿边界采用过盈配合，用以防止液体泄漏。
可选地，所述散热鳍片直接与冷凝室相连，两侧鳍片长度最短，中间鳍片长度最长，通过连接盖板与冷凝室形成封闭式冷凝室。
本申请提出的一种利用气泡微细化沸腾的重力回流冷却装置，CPU发热后产生的热量通过集热板传递到所述圆台上，圆台上的冷却工质通过发生气泡微细化沸腾（MEB）后实现“沸腾-蒸发-冷凝-回流-再蒸发”的相变过程，实现多次相变换热，同时采用散热鳍片和回流管侧肋片进行强化散热，使本冷却装置能高效地冷却高释热设备的发热表面。
本申请在冷凝室内的特定位置设置了倾斜式集腔结构，保证了在冷凝室内的冷却液在重力作用下能完全顺畅地排出，不会形成存液段，可完全避免微通道冻结出现损坏。
本申请不需要驱动装置来驱动冷却介质流动，还能保证微通道换热器的内部气到液的转换，使得所述重力回流冷却装置具有噪音小，能耗低的特点。
附图说明
图1为本申请提出的一种利用气泡微细化沸腾的重力回流冷却装置的爆炸视图与组合后的三维视图。
图2为本申请提出的一种利用气泡微细化沸腾的重力回流冷却装置冷凝室的俯视图和侧视图。
图3为本申请提出的一种利用气泡微细化沸腾的重力回流冷却装置冷凝室与回流管配合关系的示意图。
图4为本申请提出的一种利用气泡微细化沸腾的重力回流冷却装置隔热板结构示意图。
图5为本申请提出的一种利用气泡微细化沸腾的重力回流冷却装置蒸发室与集热部分配合关系的示意图。
图6为本申请提出的一种利用气泡微细化沸腾的重力回流冷却装置工质流动方向示意图。
图7为本申请提出的一种利用气泡微细化沸腾的重力回流冷却装置工质蒸发室内部结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加浅显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，并不用于限定本发明。
随着经济的增长和电气化水平的提高，能源成为社会发展的重要物质基础，据估计高耗能行业80%的热量需要经过热交换后进行使用，提高热交换率成为提高能源利用率、缓解能源危机的重要途径。各种高热流设备不断出现，高效散热已成为设备安全运行的重要条件，例如集成芯片、大功率逆变器等极高释热设备等。
据预测，随着电子芯片性能的提升和尺寸的微型化，芯片的平均热流密度将达到500W/cm2，远高于传统风冷散热1W/cm2的极限，对于处理高释热设备散热问题，传统冷却方式已愈发捉襟见肘。而气泡微细化沸腾在相对较低的壁面过热度下，能传递更高的热流密度（可达1000W/cm2），并且随着冷却工质过冷度和流速的提高，气泡微细化沸腾所能达到的换热极限不断增加，能够有效地解决集成芯片、新能源动力电池、大功率逆变器等极高释热设备的冷却问题。
现有电脑设备中采用带泵的水冷散热器会存在居多缺陷，如：在散热器中增设水泵等驱动装置势必会让散热器安装空间增大，不利于电脑设备整体体积的缩小研发；会提高电脑设备的耗电功多，不够节能也不利于市场销售；电脑设备工作时会产生更大的噪音，无法保证工作环境安静，降低了用户使用体验；势必需要利用管道将散热主体和驱动装置连接起来，对接位置增多，可能的泄漏点就多了，生产和后期维修成本自然会提高；也是由于现有热器中配备了能驱动冷却液主动流动的驱动装置，因此在散热器主体的热结构中流道可以根据需要随机设置，都能保证冷却液顺利流动，因此现有散热器主体的内部流道设置很复杂，生产难度高。
当电脑设备停机后，流道内部的某些段位置会仍然存在积液，尤其是设置了向上流动的流道内一定会存在积液，这些积液无法在重力作用下流出流道，这种情况下会在流道内部始终形成封堵的存液段，当外接环境温度过低时，如冬天气温低至冰点后，散热器内部的存液段会结冰影响下次电脑设备的快速启动使用，甚至由于存液段结冰体积变大出现冻裂现象造成电设备损坏。
鉴于上述问题，本申请发明人提出的一种冷却效果优良、结构紧凑的利用气泡微细化沸腾的、具有重力回流散热结构的冷却装置，所述装置利用气泡微细化沸腾现象，所述重力回流微通道换热器其只设有向下倾斜的转换集腔和水平的微通道，在重力作用下微通道换热器内部微通道内不会出现存液段，使用寿命更长；此外，其应用于分体重力热管中时，不需要在外部管路设置水泵等驱动装置就能驱动流道内的冷却液正常流动，具有噪音小，能耗低、效率高的优点。
以下通过具体实施例详细说明一种利用气泡微细化沸腾的重力回流冷却装置的技术方案、工作原理和实施效果。
本申请公开了一种利用气泡微细化沸腾的重力回流冷却装置如图一所示，图1为本申请提出的一种利用气泡微细化沸腾的重力回流冷却装置的爆炸视图与组合后的三维视图。
所述装置主要包括：集热板(1)、陶瓷隔热板(2)、止漏板 (3)、蒸发室 (4)、盖板(5)、导流管(6)、回流管(7)、回流肋片(8)、冷凝室(9)、散热鳍片(10)。
所述集热板(1)上表面具有若干圆台，下表与高释热设备发热表面紧密贴合，所述圆台起集聚热量、强化散热的作用。
所述陶瓷隔热板(2)包括连接通孔(2.1)、沸腾孔(2.2)、密封槽(2.3)。热量通过所述集热板传导至沸腾孔内加热面，冷却工质在蒸发室(4)中沸腾，在沸腾孔处发生气泡微细化沸腾实现高热流密度。所述陶瓷隔热板通过连接通孔与止漏板(3)连接固定。沸腾孔通过与所述集热板上的圆台楔合，加强密封。
所述止漏板(3)嵌入陶瓷隔热板(2)的密封槽(2.3)中，密封槽(2.3)内涂抹耐热密封胶，避免冷却工质泄漏。
所述集热板(1)的圆台楔入所述换热蜂巢层的圆台孔，冷却工质经所述类蜂巢分流通道(3.7)，在圆台上表面发生气泡微细化沸腾，以冷却所述高释热设备发热表面。
所述蒸发室(4)包括连接通孔(4.1)、管道连接孔(4.2)、沸腾池(4.3)。沸腾冷却工质在沸腾池内接收到集热板传递的热量，在圆台表面发生气泡微细化沸腾，以冷却所述高释热设备发热表面。待冷却工质沸腾发生相变后，产生蒸汽。热流沿着导流管(6)进入所述冷凝室(9)后，由于上部散热鳍片(10)的存在，蒸汽在冷凝室内迅速降温冷却，达到相变温度时，蒸汽冷凝为液滴，沿着倾斜转换集腔(9.2)流入所述回流管(7)。通过二次相变换热，有效地降低冷却工质温度，实现高效换热。
所述回流管(7) 为空心直管，通过上、下8个连接通孔与所述冷凝室(9)与所述蒸发室(4)连接。蒸汽经所述冷凝室(9)冷凝后形成冷凝液流，沿着所述回流管(7)流入下方冷凝室，当达到相变温度时，再次发生相变，产生蒸汽，实现冷却工质的循环冷却。
在本实施例中，导流管直径为8mm，呈对称分布。
在本实施例中，所述集热板(1)上表面具有顶圆直径10 mm、母线与其轴心线成10.0°的若干圆台(1.1)，圆台高度为2.5mm。
在本实施例中，回流管直径为5mm，长度为14mm，横向距离为7.5mm。管间直肋间距为1.5mm，肋片厚度为0.5mm。
在本实施例中，陶瓷隔热板(2)厚度为6 mm。
在本实施例中，冷却工质一般选用低温冷却工质如丙酮。
本申请提出的一种利用气泡微细化沸腾的重力回流冷却装置，当热量集热板传递到所述圆台上时，圆台上的冷却工质通过发生气泡微细化沸腾（MEB）后实现“沸腾-蒸发-冷凝-回流-再蒸发”的相变过程，大大地提高了换热效率，同时采用散热鳍片和回流管侧肋片强化散热，从而高效地冷却高释热设备的发热表面。在冷凝室内的特定位置设置了倾斜式集腔结构，保证了在冷凝室内的冷却液在重力作用下能完全顺畅地排出，不会形成存液段，可避免微通道冻结出现损坏。不需要驱动装置来驱动冷却介质流动，还能保证微通道换热器的内部气到液的转换，使得所述重力回流冷却装置具有噪音小，能耗低、效率高的特点。
以上对本发明所提供的一种利用气泡微细化沸腾的重力回流冷却装置，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本系统的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本系统的限制。
Claims (7)
1.一种利用气泡微细化沸腾的重力回流冷却装置，它主要包括集热板(1)、陶瓷隔热板(2)、止漏板 (3)、蒸发室 (4)、盖板(5)、导流管(6)、回流管(7)、回流肋片(8)、冷凝室(9)、散热鳍片(10)；
沸腾冷却工质位于所述蒸发室(4)中，经过所述集热板(1)加热沸腾后产生蒸汽，蒸汽进入所述导流管(6)中，在所述散热鳍片(10)的作用下迅速冷凝,通过所述冷凝室内壁流入所述回流管(7)，实现循环散热。
2.根据权利要求1所述的利用气泡微细化沸腾的重力回流散热冷却装置，其特征在于，所述集热板(1)上表面具有若干圆台(1.1)，下表与高释热设备发热表面紧密贴合，所述圆台起集聚热量的作用。
3.根据权利要求1所述的利用气泡微细化沸腾的重力回流散热冷却装置，其特征在于，所述陶瓷隔热板(2)包括连接通孔(2.1)、沸腾孔(2.2)、密封槽(2.3)；热量通过集热板传导至加热面处，冷却工质在蒸发室(4)中受热，在沸腾孔处发生气泡微细化沸腾；所述陶瓷隔热板通过连接通孔与止漏板(3)连接固定；密封槽内通过涂抹密封胶，避免漏液；所述陶瓷隔热板上的沸腾孔通过与所述集热板上的圆台楔合，加强密封。
4.根据权利要求1所述的利用气泡微细化沸腾的重力回流散热冷却装置，其特征在于，所述蒸发室(4)包括连接通孔(4.1)、管道连接孔(4.2)、沸腾池(4.3)；沸腾冷却工质在沸腾池内接收到集热板传递的热量，在圆台表面发生气泡微细化沸腾，以冷却所述高释热设备发热表面；
待冷却工质沸腾发生相变后，产生蒸汽，实现相变散热强化；蒸汽通过导流管进入冷凝室，进行二次相变、强化散热。
5.根据权利要求1所述的利用气泡微细化沸腾的重力回流散热冷却装置，其特征在于，所述导流管(6)通过连接通孔(4.1)将所述蒸发室(4)与所述冷凝室(9)相连接，引导蒸发室(4)中沸腾蒸发出的蒸气进入所述冷凝室(9)，强化散热。
6.根据权利要求1所述的利用气泡微细化沸腾的重力回流散热冷却装置，其特征在于，所述冷凝室(9)包括两侧边壁上的若干导流管连接通孔(9.1)，底部倾斜转换集腔(9.2)和与所述倾斜转换集腔相连接的回流通孔(9.3)；当所述蒸发室中冷却工质受热产生蒸汽后，热流沿着导流管(6)进入所述冷凝室(9)后，由于上部散热鳍片(10)的存在，蒸汽在冷凝室内迅速降温冷却，达到相变温度时，蒸汽冷凝为液滴，沿着倾斜转换集腔(9.2)流入所述回流管(7)；通过二次相变换热，有效地降低冷却工质温度，实现高效散热。
7.根据权利要求1所述的利用气泡微细化沸腾的重力回流散热冷却装置，其特征在于，所述回流管(7) 为空心直管，通过上、下若干个连接通孔与所述冷凝室(9)与所述蒸发室(4)连接；蒸汽经所述冷凝室(9)冷凝后形成冷凝液流，沿着所述回流管(7)流入下方冷凝室，实现冷却工质的循环冷却。
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