CN116581093A - 一种储热型大功率器件冷却装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种储热型大功率器件冷却装置，流体工质沿程依次经过冷却模块、储热器、冷凝器、储液罐和泵，应用于间歇性热载荷大功率器件的冷却。冷却模块包括冷却单元、工质入口和工质出口。冷却单元包括入口联箱、出口联箱、耳状结构和主流道。储热器包括集液腔、分液腔和相变储热颗粒堆，其中相变储热颗粒堆的单体为凹形核壳结构相变微胶囊。本发明在主流道设置N个所述耳状结构（N≥1的整数），因耳状结构具有流体定向流动二极管特性，能有效阻止蒸汽逆向流动，抑制微通道沸腾不稳定性，从而提高沸腾传热效率和临界热流密度。凹形核壳结构相变微胶囊呈阵列排布且尺寸沿流向呈梯级分布，实现全流域相变材料的协同储热强化。
Description
技术领域
本发明涉及间歇热载荷下大功率器件的散热。更具体地说是一种储热型大功率器件冷却装置。
背景技术
在一些周期性变化或波动的环境中，如果不能转移短时产生的大量热量，将会降低电子器件的运行性能，甚至造成设备的毁坏。现有的冷却技术包括风冷、液冷等。相变储能技术由于其储热密度高、蓄放热恒温以及可循环利用等特有的优势，成为突破间歇热流功耗器件可靠高效散热技术瓶颈的优选解决方案。然而相变材料热导率较低，且其通常放置于储热器中，热量传至相变材料内部之前需经过壁面热传导过程，不利于分钟级的间歇热载荷下大功率电子器件的冷却。
基于现有技术的不足，本发明对于相变材料进行优化，将相变材料(液体和固体)以胶囊的形式包装，胶囊的外表面为凹形核壳结构，从而增大相变材料与换热流体的接触面积，提升熔化速率。凹形核壳结构相变微胶囊呈阵列排布且尺寸沿流向呈梯级分布，实现全流域相变材料的协同储热强化。此外，针对微通道结构内部流动沸腾不稳定的问题，采用耳状结构阻止蒸汽逆向流动，从而提高沸腾传热效率和临界热流密度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供了一种储热型大功率器件冷却装置，该装置有效解决了间歇热载荷下大功率器件的冷却。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种储热型大功率器件冷却装置，包括：过冷却模块、储热器、冷凝器、储液罐和泵，流体工质沿程依次经过所述冷却模块、储热器、冷凝器、储液罐和泵；
所述冷却模块为大功率器件的冷却源；所述冷却模块包括冷却单元、工质入口和工质出口，所述冷却单元连接在所述工质入口和工质出口之间；所述冷却单元包括入口联箱、主流道和出口联箱，所述主流道设置在所述入口联箱与出口联箱之间，在每个主流道上设置N个用于阻止蒸汽泡的逆向流动的耳状结构，N≥1；所述耳状结构包括主通道和旁通道，所述旁通道包括入口段和出口段，所述入口段为弧形段，弧形段的入口垂直于主通道；
在热载荷工作阶段，所述冷却模块来的工质经进入所述储热器内部吸收热量后流出所述储热器；在非热载荷工作阶段，所述冷凝器来的工质进入所述储热器内部吸收热量后流出所述储热器。
所述出口段为直线段，与所述主通道的夹角为20-40°。
所述入口段为圆弧段，圆弧的半径与主流道宽度的关系式为：
r＝k*L
其中，r为圆弧半径；L为主流道宽度；k为比例系数，0＜k＜3。
所述储热器包括分液腔、储热腔、相变微胶囊、和集液腔，所述储热腔位于分液腔和集液腔之间，所述相变微胶囊位于储热腔内；所述相变微胶囊为由两个球体和连接柱组成的凹形相变微胶囊，所述凹形相变微胶囊呈45°角阵列分布于所述储热腔内。
凹形相变微胶囊的球体半径和连接柱底面圆半径尺寸满足的关系式为：
R＝a*H
其中，R为球体半径；H为连接柱底面圆半径；a为长径比，0＜a＜2。
所述凹形相变微胶囊的尺寸沿流体流动方向递减：
Ri＝R1-b(i-1)
Hi＝H1-c(i-1)
其中，Ri为沿流体流动方向上第i个相变微胶囊的球体半径，Hi为沿流体流动方向上第i个相变微胶囊的连接柱底面圆半径，i＝1,2,3,...,n,n为沿流体流动方向相变微胶囊的数量；b和c分别为半径比例系数和长度比例系数，
在所述储热腔内设置有胶囊固定结构，所述相变微胶囊设置在所述胶囊固定结构上。
所述胶囊固定结构为支撑板。
所述冷却模块入口管道直径沿程递减，所述冷却模块出口管道直径沿程递增。所述储热型大功率器件冷却装置，其特征在于：在热载荷工作阶段，所述冷却模块来的工质经由所述分液腔进入所述储热器内部，通过所述相变储热颗粒堆吸收热量后经由所述集液腔流出所述储热器。在非热载荷工作阶段，所述冷凝器来的工质由所述分液腔进入所述储热器内部，吸收所述相变储热颗粒堆的热量后经由所述集液腔后流出所述储热器。
所述冷却模块，其特征在于：所述冷却工质通过所述工质入口进入所述冷却模块，并沿流动方向分别进入K个冷却单元，在所述入口联箱分配至所述M个主流道。通过所述M个主流道和所述N个耳状结构强化沸腾传热，吸收大功率器件产生的热量后流出所述冷却单元，所述K个冷却单元流出的工质汇合后一起经由所述工质出口流出所述冷却模块。
所述冷却单元，其特征在于：所述耳状结构具有独特的流体定向流动二极管特性，进而阻止蒸汽泡的逆向流动，消除蒸汽泡爆发性增长，并强化气液两相流扰动混合，促进气液两相工质在全流域定向有序流动，达到克服流动沸腾不稳定性的目的。
所述储热器，其特征在于：相变储热颗粒堆(液体和固体)以胶囊的形式封装，为了提升熔化速率且增大微胶囊的比表面积，微胶囊的外表面为凹形核壳结构。所述凹形核壳结构球体半径Ri和连接柱底面圆半径Hi尺寸满足的关系式为：
Ri＝a*Hi
由于在所述储热器入口处流体温度较高，较大的温差加速了相变材料的熔化速率，而在所述储热器出口处流体温度较低，较小的温差使得相变材料的熔化速率较低。故所述凹形核壳结构相变微胶囊采用分形阵列，即所述凹形核壳结构相变微胶囊呈45°放置于所述储热器中，且沿流体流动方向所述凹形相变微胶囊尺寸依次减小。故所述凹形核壳结构球体半径Ri和连接柱底面圆半径Hi分形尺寸满足的关系式为：
Ri＝R1-b(i-1)
Hi＝H1-c(i-1)
i＝1,2,3,...,n b,c＞0
所述冷凝器，其特征在于：在非热载荷工作阶段，所述冷却工质吸收所述相变储热颗粒堆的热量后经由所述冷凝器带走。使得所述相变储热颗粒堆恢复到初始状态。
所述储液罐和所述泵，其特征在于：所述储液罐为所述储热型大功率器件冷却装置提供冷却工质。根据所述器件的功率来选择合适工作温度范围的冷却工质，可以选择但不仅限于水、乙二醇等流体。所述泵为所述储热型大功率器件冷却装置提供内部冷却工质的流动提供动力。
有益效果
本发明提供一种储热型大功率器件冷却装置，通过储热型流体回路，有效解决了间歇工作模式下大功率器件的散热需求。通过耳状结构阻止蒸汽泡的逆向流动，消除蒸汽泡爆发性增长，实现抑制微通道沸腾不稳定性的目的。通过呈分形阵列排布的凹形相变微胶囊增大传热面积，提高传热效率，从而强化储热效率。
附图说明
通过以下参考附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和有点更为清楚，在附图中：
图1是本发明实施例中储热型大功率器件冷却装置示意图。
图2是本发明实施例中冷却模块示意图。
图3是本发明实施例中冷却单元示意图；(a)为耳状结构个数N＝1的冷却单元示意图，(b)为耳状结构个数N＝2的冷却单元示意图。
图4是本发明实施例中耳状结构示意图。
图5是本发明实施例中储热器示意图。
图6是本发明实施例中单个凹形相变微胶囊周围流场图。
图7普通球体与凹形核壳结构相变微胶囊液相率对比图
在图中，1-大功率器件，2-冷却模块，3-储热器，4-冷凝器，5-储液罐，6-泵，7-冷却单元，8-冷却模块入口，9冷却模块出口，10-冷却单元入口，11-入口联箱，12-耳状结构，13-主流道，14-出口联箱，15-冷却单元出口，16-储热器进口，17-分液腔，18-凹形相变微胶囊，19-支撑板，20-集液腔，21-储热器出口。
具体实施方式
图1是本发明实施例中储热型大功率器件冷却装置示意图，包括大功率器件1、冷却模块2、储热器3、冷凝器4、储液罐5和泵6。大功率器件1紧贴在冷却模块2壁面。冷却模块包括工质入口7、冷却单元8和工质出口9，冷却单元8包括入口联箱11、耳状结构12、主流道14和出口联箱15。储热器3包括分液腔16、凹形相变微胶囊18、支撑板19和分液腔21。
图2是本发明实施例中冷却模块2示意图。冷却模块2包括K个冷却单元7、冷却模块入口8和冷却模块出口9，K个冷却单元并列布置于工质入口和工质出口之间；冷却单元7包括入口联箱11、主流道13和出口联箱14，主流道13设置在入口联箱11与出口联箱14之间，在每个主流道13上设置N个用于阻止蒸汽泡的逆向流动的耳状结构12，N≥1；耳状结构12包括主通道和旁通道，旁通道包括入口段和出口段，入口段为弧形段，弧形段的入口垂直于主通道。
K个冷却单元7并列布置于冷却模块2中，通过工质入口8的分布管和工质出口9的汇流管进行工作液体的分配与收集。分布管和汇流管管径沿流体流动方向逐渐变化，即入口管道管径沿流体流动方向递减，出口管道管径沿流体流动方向递增。
图3是本发明实施例中冷却单元示意图。冷却单元内部布置有M条主流道，且每条主流道上布置有N个耳状结构，N≥1。在高热流激励作用下，过热液体短时释放能量导致气泡在微通道受限结构内发生爆发性生长，从而产生沸腾两相流不稳定性。两相不稳定性主要表现为微通道内蒸汽的逆向流动。由于耳状结构具有独特的流体定向流动二极管特性，即逆流时的流动阻力远大于顺流时的流动阻力，可以阻止蒸汽泡的逆向流动。
图4是本发明实施例中耳状结构流动与压降示意图。为了验证耳状结构的单向流动特性，通过模拟软件分别模拟了耳状结构中顺流和逆流时的压降。顺流时流体工质通过主流道流动。逆流时通过耳状结构的部分流体工质在流动中会首先碰撞到壁面在经过一个90°弯角，从而产生了一定的压损。首先在SINDA/FLUINT软件中建立了耳状结构的二维模型，其次分别在耳状结构中建立顺流和逆流时的流线，通道内单相强迫对流的Nu随轴向距离的变化可表达为：
其中，α是流道的宽高比，W为流道宽度，H为流道高度，x*为无量纲轴向距离，x为沿水平运动的距离，Dh为流道内水力直径，Re和Pr分别代表雷诺数和普朗特数。
设置流线的初始压力为660KPa，初始温度为282K，通道内流量设置为1.2L/min。最终计算得出顺流和逆流时的流动压降。由模拟结果可知，顺流时压降比逆流时小30kPa。由此可以验证耳状结构可以有效阻止逆向流动，从而提升微通道内沸腾传热性能和临界热流密度。
图5是本发明实施例中储热器示意图。相变储热颗粒堆以胶囊的形式封装，为了提升熔化速率且增大相变微胶囊的比表面积，相变微胶囊采用凹形相变微胶囊。储热器内部设置H(H≥1的整数)个横向布置的支撑板19，凹形相变微胶囊置于支撑板19上。由于在储热器入口处流体温度较高，较大的温差加速了相变材料的熔化速率，而在储热器出口处流体温度较低，较小的温差使得相变材料的熔化速率较低。故凹形相变微胶囊在支撑板19上呈阵列排布且尺寸沿流向呈梯级分布，实现全流域相变材料的协同储热强化。
图6是本发明实施例中凹形相变微胶囊及周围流场示意图。凹形相变微胶囊包括两个球体和一个连接柱，球体半径与连接柱长度相等，球体半径与连接柱底面圆半径满足的关系式为：
Ri＝a*Hi
其中，Ri为球体半径，Hi为连接柱底面圆半径；a为长径比，0＜a＜2。
流体工质流经凹形相变微胶囊时，在其右部凹面会形成漩涡，由此加速了凹形相变微胶囊内部储热颗粒堆的熔化速率，有利于短时间歇工况下大功率器件的冷却。
凹形相变微胶囊呈45°角阵列分布于储热器内部，且沿流体流动方向相变微胶囊的尺寸递减，即凹形核壳结构相变微胶囊球体和圆柱直径满足的关系式为：
Ri＝R1-b(i-1)
Hi＝H1-c(i-1)
其中，Ri为沿流体流动方向上第i个相变微胶囊的球体半径，Hi为沿流体流动方向上第i个相变微胶囊的连接柱底面圆半径，i＝1,2,3,...,n；b和c分别为半径比例系数和长度比例系数，
图7为普通球体与凹形相变微胶囊液相率对比图。为了简化计算，只选取单个球体相变微胶囊和凹形相变微胶囊，考虑到有效热容法在求解以导热为主的熔化传热过程中所具有的优势，将有效热容法应用于求解熔化过程。在笛卡尔坐标系下，相变微胶囊内储热颗粒堆的熔化传热控制方程可写成：
其中，ρp表示相变材料的密度，T表示温度，t表示时间，λp表示相变材料的导热系数，c为热容，是微分运算符号，/>是偏导。其分布函数可由下式得出：
式中，Lh为比潜热，Tl和Ts分别为相变材料的固相温度和液相温度，cl和cs分别为相变材料的固相热容和液相热容。
在Fluent里设置模拟的初始温度为298K，四周边界温度310K，相变材料为正十八烷(相变温度300.65K)，胶囊周围流体是水。通过模拟结果可知凹形相变微胶囊内部相变颗粒堆的熔化时间比普通球体相变微胶囊缩短了37.5％。
储热型大功率器件冷却装置工作原理为：在热载荷工作阶段，冷却工质在泵6的作用下进入冷却模块2，经由工质入口7分配到M个冷却单元内部，冷却工质经由入口联箱11分配至K个流道，流体工质首先流经耳状结构12。冷却工质充分吸收大功率器件1的热量后汇集到出口联箱15流出冷却单元8。M个冷却单元流出的工质汇聚到工质出口9流出冷却模块2。以随后，流体工质经由分液腔17进入储热器3内部，通过凹形相变微胶囊18内部储热颗粒堆吸收热量后经由集液腔20流出储热器3。
在非热载荷工作阶段，流体工质在冷凝器4放出热量后在泵的作用下由分液腔17进入储热器3内部，吸收凹形相变微胶囊18内部储热颗粒堆的热量后经由集液腔20后流出储热器3。储热颗粒堆在放出热量后恢复到初始固态，从而完成一个循环。
Claims (10)
1.一种储热型大功率器件冷却装置，其特征在于，包括：过冷却模块、储热器、冷凝器、储液罐和泵，流体工质沿程依次经过所述冷却模块、储热器、冷凝器、储液罐和泵；
所述冷却模块为大功率器件的冷却源；所述冷却模块包括冷却单元、工质入口和工质出口，所述冷却单元连接在所述工质入口和工质出口之间；所述冷却单元包括入口联箱、主流道和出口联箱，所述主流道设置在所述入口联箱与出口联箱之间，在每个主流道上设置N个用于阻止蒸汽泡的逆向流动的耳状结构，N≥1；所述耳状结构包括主通道和旁通道，所述旁通道包括入口段和出口段，所述入口段为弧形段，弧形段的入口垂直于主通道；
在热载荷工作阶段，所述冷却模块来的工质经进入所述储热器内部吸收热量后流出所述储热器；在非热载荷工作阶段，所述冷凝器来的工质进入所述储热器内部洗手热量后流出所述储热器。
2.根据权利要求1所述的大功率器件冷却装置，其特征在于：所述出口段为直线段，与所述主通道的夹角为20-40°。
3.根据权利要求1所述的大功率器件冷却装置，其特征在于：所述入口段为圆弧段，圆弧的半径与主流道宽度的关系式为：
r＝k*L
其中，r为圆弧半径；L为主流道宽度；k为比例系数，0＜k＜3。
4.根据权利要求1所述的大功率器件冷却装置，其特征在于：所述储热器包括分液腔、储热腔、相变微胶囊、和集液腔，所述储热腔位于分液腔和集液腔之间，所述相变微胶囊位于储热腔内；所述相变微胶囊为由两个球体和连接柱组成的凹形相变微胶囊，所述凹形相变微胶囊呈45°角阵列分布于所述储热腔内。
5.根据权利要求4所述的大功率器件冷却装置，其特征在于：凹形相变微胶囊的球体半径和连接柱底面圆半径尺寸满足的关系式为：
R＝a*H
其中，R为球体半径；H为连接柱底面圆半径；a为长径比，0＜a＜2。
6.根据权利要求5所述的大功率器件冷却装置，其特征在于：所述凹形相变微胶囊的尺寸沿流体流动方向递减：
Ri＝Rl-b(i-1)
Hi＝H1-c(i-1)
其中，Ri为沿流体流动方向上第i个相变微胶囊的球体半径，Hi为沿流体流动方向上第i个相变微胶囊的连接柱底面圆半径，i＝1,2,3,...,n,n为沿流体流动方向相变微胶囊的数量；b和c分别为半径比例系数和长度比例系数，
7.根据权利要求6所述的大功率器件冷却装置，其特征在于：在所述储热腔内设置有胶囊固定结构，所述相变微胶囊设置在所述胶囊固定结构上。
8.根据权利要求7所述的大功率器件冷却装置，其特征在于：所述胶囊固定结构为支撑板。
9.根据权利要求1-8任一所述的大功率器件冷却装置，其特征在于：所述冷却模块入口管道直径沿程递减，所述冷却模块出口管道直径沿程递增。
10.根据权利要求1-8任一所述的大功率器件冷却装置，其特征在于：所述流体包括但不限于水、乙二醇流体。
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