CN115420131A - 一种中心差分式换热器及其换热性能检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种中心差分式换热器，包括换热器本体，换热器本体内设置流道，流道包括入口流道、二级流道，三级流道、四级流道、出口流道，换热器本体两端分别连接入口转接头、出口转接头，入口转接头和出口转接头内部对应开设入口管路和出口管路，入口流道连通入口管路，出口流道连通出口管路。本发明两相流散热在高热流下有很好的散热能力；多个热源有很好的温度均匀性；解决了现有技术中高热流下散热能力有限且温度均匀性较差的问题。本发明还公开了一种中心差分式换热器的换热性能检测装置，能够较为准确检测两相流换热器的换热效果。

Description

一种中心差分式换热器及其换热性能检测装置
技术领域
本发明属于换热器技术领域，涉及一种中心差分式换热器，还涉及上述一种中心差分式换热器的换热性能检测装置。
背景技术
相控阵天线阵面均匀排列的发射/接收(T/R)组件是热耗最集中的部件。近年来，相控阵天线正朝着高热流、小型化和集成化方向发展。随着天线芯片集成数量以及芯片热流密度提高，芯片的温度显著升高。相控阵天线的测量精度随着温度的增大急剧下降。此外，阵面温度分布不均会影响探测精度，一个热源的损坏会影响整个系统甚至造成巨大损失。因此，如何有效控制天线阵面上多芯片的最高温度和降低不同芯片之间的温差已成为相控阵天线设计的关键因素之一。对于多芯片阵列，旨在改善芯片温度均匀性的通道结构，具有重要的工程应用价值。传统单相流流道的设计在高热流下散热能力有限且具有较差的温度均匀性，靠近换热器出口处的热源温度会更高，且随热流密度的增大，温度均匀性会越来越差。对于未来可能出现的芯片热流密度随时间变化的应用场景，单相流散热情况下，阵面温度变化较大，温度的急剧上升容易导致相控阵天线发射/接收模块的损坏，且单相流液冷传热依靠液体的流动带走热量，为解决高热流下的散热问题，仅能依靠提高流速的方法，需要较多的冷却液，成本高昂。
发明内容
本发明的目的是提供一种中心差分式换热器，解决了现有技术中高热流下散热能力有限且温度均匀性较差的问题。
本发明的另一个目的是提供一种中心差分式换热器的换热性能检测装置。
本发明所采用的一种技术方案是，一种中心差分式换热器，包括换热器本体，换热器本体内设置流道，流道包括入口流道、二级流道，三级流道、四级流道、出口流道，换热器本体两端分别连接入口转接头、出口转接头，入口转接头和出口转接头内部对应开设入口管路和出口管路，入口流道连通入口管路，出口流道连通出口管路。
本发明的特点还在于，
入口流道沿水平方向设置，入口流道端部位于换热器本体中心位置，入口流道端部连接二级流道，二级流道沿竖直方向设置，二级流道上下两端分别连接三级流道，三级流道沿水平方向设置，三级流道两端均连接两个并联的四级流道，四级流道端部汇流到出口流道，每个四级流道上依次设置两个热源。
热源采用MCH高温陶瓷加热片，MCH高温陶瓷加热片电连接直流电源。
入口管路靠近入口端一侧设置入口集流槽，出口管路靠近出口端一侧设置出口集流槽，入口管路和出口管路内对应设置入口圆管、出口圆管，入口圆管、出口圆管分别对应连通与入口集流槽、出口集流槽内部。
入口集流槽下游设置压力计连接口；出口集流槽上游设置压力计连接口，压力计连接口连接压力计。
入口转接头和出口转接头均卡合连接换热器本体，入口管路和出口管路分别位于换热器本体的两边中心处。
本发明所采用的另一种技术方案是，一种中心差分式换热器的换热性能检测装置，包括恒温水浴箱、蠕动泵、液体收集箱和中心差分式换热器，蠕动泵入口端与恒温水浴箱出口端相通，蠕动泵出口端与中心差分式换热器的入口转接头之间管道连通，出口转接头连接液体收集箱，液体从中心差分式换热器出口端流出后进入液体收集箱中，液体收集箱与恒温水浴箱之间管道连通。
本发明的特点还在于，
连通液体收集箱与恒温水浴箱的管道上设置出口止流阀，蠕动泵与中心差分式换热器的管道上设置入口止流阀。
换热器本体上表面垂直放置红外热像仪。
本发明的有益效果是：本发明一种中心差分式换热器，将两相流沸腾传热技术应用于相控阵天线，以解决高热流下的散热问题，同时改善多热源的温度均匀性，本发明一种中心差分式换热器的换热性能检测装置能够较为准确检测两相流换热器的换热效果，提高换热器在高热流下的散热能力、降低不同芯片之间的温差，为将来可能出现的变热流应用工况提供一个更平稳更可靠的工作环境，同时减少冷却液的使用，降低成本。
附图说明
图1是本发明一种中心差分式换热器的结构示意图；
图2是本发明换热器内部流道及热源布置位置的结构示意图；
图3(a)是本发明入口转接头结构示意图；
图3(b)是本发明出口转接头结构示意图；
图4是本发明换热和流动性能的检测装置的连接示意图；
图5是本发明直流电源为热源供热电的电路图。
图中，1.换热器本体，2.入口转接头，3.出口转接头，4.入口管路，5.出口管路，6.流道，61.入口流道，62.二级流道，63.三级流道，64.四级流道，65.出口流道，7.入口圆管，8.出口圆管，9.入口集流槽，10.出口集流槽，11.压力计连接口，12.入口止流阀，13.出口止流阀，14.恒温水浴箱，15.蠕动泵，16.液体收集箱，17.直流电源，18.压力计，19.红外热像仪，20.热源。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种中心差分式换热器的结构，如图1所示，包括换热器本体1，换热器本体1内设置流道6，如图2所示，流道6包括入口流道61、二级流道62，三级流道63、四级流道64、出口流道65，入口流道61沿水平方向设置，入口流道61端部位于换热器本体1中心位置，入口流道61端部连接二级流道62，二级流道62沿竖直方向设置，二级流道62上下两端分别连接三级流道63，三级流道63沿水平方向设置，三级流道63两端均连接两个并联的四级流道64，四级流道64端部汇流到出口流道65，换热器本体1两端分别连接入口转接头2、出口转接头3，入口转接头2和出口转接头3内部对应开设入口管路4和出口管路5，冷却液从左侧入口端流入流道6，入口流道61连通入口管路4，出口流道65连通出口管路5，形成闭合独立空间。
每个四级流道64上依次设置两个热源20，冷却液从入口流道61流入，由中心向两侧分流进入二级流道62，在二级流道62中流动的冷却液流至两排热源的中心时继续分流为两个三级流道63，此时流体流入三级流道63，三级流道63继续分流为四级流道64，这次分流后的流体在四级流道64中流经热源20后汇合，流道流出时的回合流道与流入时的分流流道相同，流经热源的流体汇合后从出口流道65流出，流道6采用阵面中央对称的通道，两相流的散热能力受流速影响较小，在低流速下达到好的散热效果，从而减少了冷却液的使用。
如图3(a)所示，入口管路4靠近入口端一侧设置入口集流槽9，入口集流槽9下游设置压力计连接口11；如图3(b)所示，出口管路5靠近出口端一侧设置出口集流槽10，出口集流槽10上游设置压力计连接口11，压力计连接口11连接压力计18；入口管路4和出口管路5内对应设置入口圆管7、出口圆管8，入口圆管7、出口圆管8分别对应连通与入口集流槽9、出口集流槽10内部，入口转接头2和出口转接头3均卡合连接换热器本体1，入口管路4和出口管路5分别位于换热器本体1的两边中心处。
本发明一种中心差分式换热器的结构的一种实施例中，热源20采用MCH高温陶瓷加热片，16个热源20排布于四级流道64表面，流道6中各个通道高度为1.5mm，上壁厚为1mm，下壁厚为2.5mm，换热器本体1的高度为5mm。本发明通道的出入口设置以及通道分布情况提高换热器的换热性能，并显著降低换热器中心处的温度，散热效率较高，可满足高负荷电子器件的散热要求，有效地控制不同芯片之间的温差，提高相控阵天线工作的可靠性。
本发明一种中心差分式换热器的换热性能检测装置的结构，如图4所示，包括恒温水浴箱14、蠕动泵15、液体收集箱16和中心差分式换热器，蠕动泵15入口端与恒温水浴箱14出口端相通，恒温水浴箱14使冷却液加热到固定温度并存储，恒温水浴箱14、蠕动泵15电连接，蠕动泵15出口端与中心差分式换热器的入口转接头2之间管道连通，通过控制蠕动泵15使恒温水浴箱14的液体进入中心差分式换热器的流道内，在中心差分式换热器的流道6内发生两相流换热，出口转接头3连接液体收集箱16，液体从中心差分式换热器出口端流出后进入液体收集箱16中，液体收集箱16与恒温水浴箱14之间管道连通，连通液体收集箱16与恒温水浴箱14的管道上设置出口止流阀13，蠕动泵15与中心差分式换热器的管道上设置入口止流阀12。
压力计18分别连接位于中心差分式换热器1的入口管路4和出口管路5处的压力计连接口11，换热器本体1上表面垂直放置红外热像仪19，负责测量换热器表面温度。
如图5所示，为16个热源20的电路图，箭头方向为电流走向图，16个MCH高温陶瓷加热片电连接直流电源17，一个直流电源17同时为16个热源20供电，通过图5的电路图直接实现16个热源20的并联。通过两相流散热的中心差分式换热器在高热流下有很好的散热能力；通过两相流散热的中心差分式换热器的多个热源有很好的温度均匀性；一种用于中心差分式换热器换热和流动性能的检测装置较为准确检测两相流换热器的换热效果。对于16个热源20的供电，采用并联方式简化实验成本。流道6提高高热流下的散热能力，降低了多热源不同芯片之间的温差，同时减少了冷却液的使用，减小了泵功率，从而降低了成本。中心差分式换热器不仅可以保证在高热流下芯片表面温度在正常工作范围内，更重要的是能改善芯片阵列之间的温度均匀性。
本发明一种中心差分式换热器的换热性能检测装置的工作原理为：采用16个高温陶瓷加热片作为热源20进行局部加热，红外热像仪19用于测量中心差分式换热器的表面温度，根据热源20提供的热流密度、流体入口的平均温度以及中心差分式换热器流道6受热面的温度，计算出中心差分式换热器的平均沸腾传热系数，由压力计测取测试段两端压力，得到中心差分式换热器的流动阻力参数。
中心差分式换热器上表面上加载有离散多热源20，给中心差分式换热器提供所需的热流密度，热源由16个MCH高温陶瓷加热片组成，热量通过导热硅胶传到微通道的受热面，热流密度通过控制直流电源输入到热源的电流和电压进行控制。
红外热像仪19垂直置于换热器本体1中心上方，在实验系统开启后，观察红外热像仪19上记录的中心差分式换热器的表面温度值，温度稳定后，用红外热像仪19记录，最后导入与红外热像仪19配套使用的ThermoTools软件进行后处理。
冷却液在恒温水浴箱14中被加热至接近沸点(过冷度为2K)并储存，冷却液由蠕动泵15驱动进入带有离散多热源20的换热器本体1中，在流道6中液体吸收热量后温度升高，产生相变而发生两相流沸腾传热，气泡的生成与破裂会带走大量的热量，从换热器出口流出的冷却液流入到液体收集箱16中将流体中的气泡冷却后，再通过出口止流阀13流入到恒温水浴箱14中。
本发明一种中心差分式换热器的换热性能检测装置的工作过程为：恒温水浴箱14中的冷却液体在蠕动泵15的驱动下流经入口止流阀12，通过入口4流入带有离散多热源20的中心差分式换热器中，从中心差分式换热器出口端流出的液体流至液体收集箱16中，如果打开出口止流阀13，冷却液便能从液体收集箱16流到恒温水浴箱14，实现循环；在此过程中，开启直流电源17为热源20供电，所需的热流密度大小由直流电源17控制，通过改变输入到热源20的电流和电压控制热源的热流密度。待压力计18和红外热像仪19稳定后，即可记录各个压力值以及温度值，冷却液经过加载有离散多热源20的中心差分式换热器1后，液体中会有气泡生成，将流体流入液体收集箱16，待其气泡冷置后变为液体，开启出口止流阀13，使得液体收集箱16中的冷却液流到恒温水浴箱14中。
恒温水浴箱14中的冷却液体在蠕动泵15的驱动下流经入口止流阀12通过入口圆管7流入带热源的中心差分式换热器中，液体从换热器测试段流出后经出口圆管8流至液体收集箱16，如果打开出口止流阀13，冷却液便能从液体收集箱16流到恒温水浴箱14，实现循环；在此过程中，开启直流电源17加热装置，将加载的热流密度调节到需要的值，待压力计18和红外热像仪19稳定后，即可记录各个压力值以及温度值。本发明换热性能和流体流动性能的检测装置较为准确检测两相流换热器的换热效果。
本实施例一种中心差分式换热器的换热性能检测装置，分别对中心差分式换热器在热流密度为150W/cm2、200W/cm2和300W/cm2，入口速度为0.2m/s、0.4m/s、0.6m/s、0.8m/s和1.0m/s条件下进行了仿真和实验，仿真和实验结果表明：本发明面向多芯片阵列的中心差分式换热器，两相流沸腾传热的本质是释放相变潜热，可以保证相控阵天线发射/接收模块在热流高达150W/cm2～300W/cm2的情况下正常使用；16个热源20的温度差别很小，有效地控制了不同芯片之间的温差，从而提高了相控阵天线的检测精度；本发明将两相流应用于相控阵天线发射/接收模块的散热，可以保证在热流密度突然增大的情况下，阵面增大的温度远远降低，提供一个更平稳更可靠的工作环境。可针对不同芯片阵列以及进出口位置进行调整，满足天线阵面的温度均匀性要求。随着热流的增加，即使在300W/cm2的热流下，芯片的温度也只略高于流体的沸点，这表明当热流急剧上升时，两相流传热可以避免芯片温度的急剧上升，这也是两相流传热的中心差分式换热器的优势，能够有效对相控阵天线发射/接收模块进行散热，从而保证其正常使用，很好的应对相控阵天线向高热流、小型化和集成化方向发展带来的挑战；对于未来可能出现的可变(热流随时间变化)高热流下的散热，用于两相流传热的中心差分式换热器具有独特的优势；本发明中心差分式换热器及其换热性能检测装置结构简单、容易操作、成本较低，流体流动性能优异，并大大提高了工作效率。

Claims (10)

1.一种中心差分式换热器，其特征在于，包括换热器本体(1)，换热器本体(1)内设置流道(6)，流道(6)包括入口流道(61)、二级流道(62)，三级流道(63)、四级流道(64)、出口流道(65)，换热器本体(1)两端分别连接入口转接头(2)、出口转接头(3)，入口转接头(2)和出口转接头(3)内部对应开设入口管路(4)和出口管路(5)，入口流道(61)连通入口管路(4)，出口流道(65)连通出口管路(5)。
2.根据权利要求1所述的一种中心差分式换热器，其特征在于，所述入口流道(61)沿水平方向设置，入口流道(61)端部位于换热器本体(1)中心位置，入口流道(61)端部连接二级流道(62)，二级流道(62)沿竖直方向设置，二级流道(62)上下两端分别连接三级流道(63)，三级流道(63)沿水平方向设置，三级流道(63)两端均连接两个并联的四级流道(64)，四级流道(64)端部汇流到出口流道(65)，每个四级流道(64)上依次设置两个热源(20)。
3.根据权利要求2所述的一种中心差分式换热器，其特征在于，所述热源(20)采用MCH高温陶瓷加热片，MCH高温陶瓷加热片电连接直流电源(17)。
4.根据权利要求1所述的一种中心差分式换热器，其特征在于，所述入口管路(4)靠近入口端一侧设置入口集流槽(9)，出口管路(5)靠近出口端一侧设置出口集流槽(10)。
5.根据权利要求4所述的一种中心差分式换热器，其特征在于，所述，入口管路(4)和出口管路(5)内对应设置入口圆管(7)、出口圆管(8)，入口圆管(7)、出口圆管(8)分别对应连通与入口集流槽(9)、出口集流槽(10)内部。
6.根据权利要求1所述的一种中心差分式换热器，其特征在于，所述入口转接头(2)和出口转接头(3)均卡合连接换热器本体(1)，入口管路(4)和出口管路(5)分别位于换热器本体(1)的两边中心处。
7.一种中心差分式换热器的换热性能检测装置，其特征在于，包括恒温水浴箱(14)、蠕动泵(15)、液体收集箱(16)和上述权利要求1中的中心差分式换热器，蠕动泵(15)入口端与恒温水浴箱(14)出口端相通，蠕动泵(15)出口端与中心差分式换热器的入口转接头(2)之间管道连通，出口转接头(3)连接液体收集箱(16)，液体从中心差分式换热器出口端流出后进入液体收集箱(16)中，液体收集箱(16)与恒温水浴箱(14)之间管道连通。
8.根据权利要求7所述的一种中心差分式换热器的换热性能检测装置，其特征在于，连通所述液体收集箱(16)与恒温水浴箱(14)的管道上设置出口止流阀(13)，蠕动泵(15)与中心差分式换热器的管道上设置入口止流阀(12)。
9.根据权利要求7所述的一种中心差分式换热器的换热性能检测装置，其特征在于，所述换热器本体(1)上表面垂直放置红外热像仪(19)。
10.根据权利要求4所述的一种中心差分式换热器，其特征在于，所述入口集流槽(9)下游设置压力计连接口(11)；出口集流槽(10)上游设置压力计连接口(11)，压力计连接口(11)连接压力计(18)。
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