CN209877719U - 强化沸腾装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种强化沸腾装置，包括内部具有空腔的蒸发腔体和强化沸腾翅片，强化沸腾翅片设置在蒸发腔体的内壁面上，蒸发腔体内部设置有相变换热介质，蒸发腔体吸收发热源的热量通过内壁面传递给相变换热介质，所述强化沸腾翅片可增加蒸发腔体的所述内壁的汽化核心数量和增加沸腾换热的面积，以促进相变换热介质沸腾汽化和降低沸腾热阻。本实用新型的强化沸腾装置具有以下优点：采用密集排布的强化沸腾翅片，最大限度地提高换热的面积，降低沸腾的换热传导热阻；强化沸腾翅片上分布密集的穿孔或窗口极大增加了气泡核心，提高沸腾核心的数量，容易形成气泡，从而降低换热热阻。

Description

强化沸腾装置

技术领域

本实用新型属于换热器件技术领域，尤其涉及一种用于电子器件的强化沸腾装置。

背景技术

相变散热作为一种高效率的散热方式日益普及，相变散热原理就是利用相变介质在一定温度下沸腾气化吸热，然后气体在其他位置冷凝液化以放热，从而实现了热量的传递，传热效果好、应用广泛。蒸发气化阶段是相变传热过程关键阶段，而传热效率的高低直接影响相变传热的效果。

为提高传热效率，增强沸腾换热效果，增强沸腾换热效果的原理主要包括增加沸腾的气泡核心数量，增加换热面积以及避免出现过渡沸腾现象。其中，目前主要采用的改变传热表面结构的方法有：机械加工、激光刻蚀、化学刻蚀法、烧结等。通过在传热表面设置槽道、凸起结构以及多孔表面，来增大换热面积，增加气泡核心的生成，以达到强化沸腾换热的目的。

机械加工方法加工出多孔表面效果相对较好，但该方法增加气泡核心数量有限，很难加工出0.1mm以下的孔隙，随着热流密度增高，容易出现过渡沸腾的现象，导致传热能力下降；此外，机械加工方法加工成本很高，制造周期也长，不能满足规模、高效生产的要求。

金属烧结的方式能很好增加气泡核心数量，但烧结出的孔隙会影响材料的热导率从而影响有效的换热面积；烧结过程中存在其它物质残留，影响相变介质的性能。

激光蚀刻和化学蚀刻法存在蚀刻深度有限，换热面积不足以及极易出现过渡沸腾现象等缺点。

因此，本领域中需设计一种沸腾换热热阻低、传热热流密度高，生产成本低，生产效率高的强化沸腾装置。

实用新型内容

为解决上述现有技术中的问题，本实用新型提供了一种强化沸腾装置。

为实现上述目的，本实用新型的强化沸腾装置的具体技术方案如下：

一种强化沸腾装置，包括内部具有空腔的蒸发腔体和强化沸腾翅片，强化沸腾翅片设置在蒸发腔体的内壁面上，蒸发腔体内部设置有相变换热介质，蒸发腔体吸收发热源的热量通过内壁面传递给相变换热介质，所述强化沸腾翅片可增加蒸发腔体的所述内壁面的汽化核心数量和增加沸腾换热的面积以促进相变换热介质沸腾汽化和降低沸腾热阻。

进一步，所述强化沸腾翅片为设置在蒸发腔体的内壁面上的多个锯齿状或波浪状的条形散热片。

进一步，所述条形散热片由多个锯齿片或波浪片聚集组成，锯齿状条形散热片中最小重复单元的锯齿间距小于1mm，锯齿片的厚度小于0.2mm。

进一步，锯齿状条形散热片中最小重复单元的锯齿间距为 0.0001mm-1mm，锯齿片的厚度为0.01mm-0.2mm。

进一步，强化沸腾翅片上形成有穿孔或开窗结构。

进一步，强化沸腾翅片通过钎焊方式连接在蒸发腔体的内壁面上。

进一步，锯齿状条形散热片为三角锯齿状或矩形锯齿状条形散热片。

进一步，多个条形散热片平行排列在蒸发腔体的内壁面上，强化沸腾装置还包括风冷散热组件，多个条形散热片平行排布的通道方向与风冷散热组件的风向垂直。

进一步，蒸发腔体的外壁面与发热源接触设置，与发热源接触的蒸发腔体的侧壁厚度小于2mm。

进一步，蒸发腔体的壁外表面具有接触吸热面，发热源具有热源面，蒸发腔体的接触吸热面与发热源的热源面接触。

本实用新型的强化沸腾装置换热高效，生产加工成本低，并主要具有以下优点：

1)采用密集排布的强化沸腾翅片，最大限度地提高换热的面积，降低沸腾的换热传导热阻；

2)强化沸腾翅片上分布密集的穿孔或窗口极大增加了气泡核心，提高沸腾核心的数量，容易形成气泡，从而降低换热热阻；

3)密集设置的穿孔或窗口，能有效控制气泡大小，防止形成蒸汽柱，从而避免出现过渡沸腾现象，提高沸腾换热的热流密度，增加相变换热介质的毛细力；

4)强化沸腾翅片和蒸发腔体采用钎焊连接为一体，减少了翅片与蒸发腔本体间的接触热阻；

5)相对于机加工、激光刻蚀和化学刻蚀等工艺方法，钎焊工艺加工效率高、成本低、工艺成熟度高，适合大批量规模化生产。

附图说明

图1为本实用新型强化沸腾装置的透视图；

图2为本实用新型强化沸腾装置的侧视图；

图3为本实用新型强化沸腾装置的放大图；

图4为本实用新型强化沸腾装置中的开窗结构。

具体实施方式

为了更好地了解本实用新型的目的、结构及功能，下面结合附图，对本实用新型的强化沸腾装置做进一步详细的描述。

本实用新型中的相关术语解释如下：

沸腾换热：是指热量从壁面传给液体，使液体沸腾汽化的传热过程。

气化核心：汽化核心是启动液体沸腾的载体。

热导率：定义为在物体内部垂直于导热方向取两个相距1米，面积为1 平方米的平行平面，若两个平面的温度相差1K，则在1秒内从一个平面传导至另一个平面的热量就规定为该物质的热导率，其单位为瓦特·米^-1·开^-1 (W·m^-1·K^-1)。

热阻：定义为当有热量在物体上传输时，在物体两端温度差与热源的功率之间的比值。单位为开尔文每瓦特(K/W)或摄氏度每瓦特(℃/W)。

传热系数：是指在稳定传热条件下，围护结构两侧空气温差为1度(K 或℃)，单位时间通过单位面积传递的热量，单位是瓦/(平方米·度)(W/ ·K，此处K可用℃代替)，反映了传热过程的强弱。

热流密度：单位时间内通过单位面积传递的热量称热流密度。q＝Q/(S*t) ——Q为热量，t为时间，S为截面面积，热流密度的单位：J/(m²·s)。

过渡沸腾：当热流密度增大，由大量的汽化核心处喷出的蒸汽形成蒸汽柱，伴随蒸汽流对向传热面不给的液体产生了妨碍，短时间在传热面出现液体干涸，导致传热面的温度急剧上升。

本实用新型的强化沸腾装置包括蒸发腔体10和强化沸腾翅片20，蒸发腔体10可以是中部具有空腔的板状腔体，也可以是包括多个彼此连通的子腔体。强化沸腾翅片20设置在蒸发腔体10内部，也即连接在蒸发腔体10 的内壁面上，蒸发腔体10上连接有强化沸腾翅片20的侧壁的外侧面与发热源相连，以吸收发热源的热量。蒸发腔体10内部设置有相变换热介质，蒸发腔体10内的相变换热介质吸收发热源的热量后沸腾气化，其中强化沸腾翅片20可显著增加蒸发腔体10侧壁的沸腾气化核心的数量，增加换热面积，促进相变换热介质沸腾汽化。

强化沸腾翅片20为设置在蒸发腔体10的内壁面上的多个锯齿状条形散热片或波纹状条形散热片，例如三角锯齿状或矩形锯齿状条形散热片，或者 S形波纹状条形散热片，强化沸腾翅片20的板面沿垂直于蒸发腔体10内表面的方向延伸，以方便向外散热。强化沸腾翅片20可以采用铜、铝、铜合金、铝合金、不锈钢等材料制成。

多个锯齿状条形散热片平行排列在蒸发腔体10侧壁的内表面上，对于包含风冷散热的情形，多个锯齿状条形散热片排布的通道方向与风向垂直，多个锯齿状条形散热片间隔均匀排布，以确保流体在强化沸腾翅片20中均匀流动。多个锯齿状条形散热片可彼此错齿排布。

锯齿状条形散热片包括多个的锯齿翅片或波浪翅片，锯齿翅片例如可以三角锯齿或矩形锯齿的形状，波浪翅片则为平滑过渡的弧形波浪状，多个锯齿翅片和波浪翅片密集排布组成沸腾强化结构，相邻的两锯齿片之间的间距 (相邻两个对应波峰位置的间距)小于1mm，如0.0001mm-1mm，也即最小重复单元的锯齿的间距小于1mm，以增大换热面积，锯齿片或波浪片的厚度小于0.2mm，如0.01mm-0.2mm，锯齿状条形散热片的孔隙率小于60％，如10％-60％，上述密集排布的锯齿状或波浪状条形散热片，在促进汽化沸腾的同时，还通过锯齿形状或波浪状的设置降低后续沸腾核心形成的难度。

锯齿片上可形成有穿孔或开窗结构21，穿孔和开窗结构21能破坏热边界层来提升传热性能，提高强化沸腾翅片20的换热系数，增强换热效果。穿孔的形状可以是圆形、矩形和椭圆形孔，开窗中窗口的形状可以是矩形、椭圆形和圆形，穿孔或窗口的数量越密，散热效果越好。能有效降低减少沸腾气泡的直径，也即控制气泡的大小，防止形成蒸汽柱，从而避免出现过渡沸腾现象，锯齿片上形成的穿孔或开窗结构可提高沸腾换热的热流密度，增加相变换热介质的毛细力。

强化沸腾翅片20通过钎焊方式连接在蒸发腔体10的内壁面，以减少强化沸腾翅片20与蒸发腔体10之间的接触热阻，降低两者间的温差。钎焊工艺相对于微机加工、激光刻蚀和化学刻蚀等工艺方法，工艺过程更简单，钎焊设备投资少，加工效率高。

蒸发腔体10与发热源直接接触，也即蒸发腔体10侧壁的外表面与发热源直接接触，蒸发腔体10的外表面直接代替现有散热装置的基板，以提升发热源与蒸发腔体10部的热传递效率，优选地，蒸发腔体的外壁面与发热源接触设置，并且与发热源接触的蒸发腔体的侧壁厚度小于2mm。蒸发腔体 10优选为内部具有空腔的平面板状体，蒸发腔体10的内部空腔为平面状空腔，蒸发腔体10的一侧壁具有接触吸热面，发热源具有平面状的热源面，蒸发腔体10的接触吸热面与发热源的热源面接触设置。

上述发热源的热源面的面积小于蒸发腔体10的接触吸热面的面积，内部相变换热介质通过相变流动可将热量从发热源吸收而沿二维方向快速传递，可确保蒸发腔体10中的温度均匀。

本实用新型的强化沸腾装置中，蒸发腔体10用于电子器件直接散热，发热源直接安装在蒸发腔体10上，相变换热介质不与发热源接触，热量通过蒸发腔体10侧壁传导给强化沸腾翅片20，强化沸腾翅片20与蒸发腔体 10侧壁以及相变换热介质接触。

由此，由于蒸发腔体10中设置了密集而均匀的多个锯齿状条形散热片或波纹状条形散热片，这种结构有助于产生大量的气泡核心，大量的气泡核心可促进蒸发腔体10中的相变换热介质汽化沸腾，强化沸腾翅片20可促进相变换热介质的液气转化换热，使发热源的热量更多、更快速、更均匀地传递给相变换热介质。

可以理解，本实用新型是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本实用新型的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本实用新型的精神和范围。因此，本实用新型不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本实用新型所保护的范围内。

Claims (10)

1.一种强化沸腾装置，包括内部具有空腔的蒸发腔体和强化沸腾翅片，其特征在于，强化沸腾翅片设置在蒸发腔体的内壁面上，蒸发腔体内部设置有相变换热介质，蒸发腔体吸收发热源的热量通过内壁面传递给相变换热介质，所述强化沸腾翅片可增加蒸发腔体的所述内壁面的汽化核心数量和增加沸腾换热的面积，以促进相变换热介质沸腾汽化和降低沸腾热阻。

2.根据权利要求1所述的强化沸腾装置，其特征在于，所述强化沸腾翅片为设置在蒸发腔体的内壁面上的多个锯齿状或波浪状的条形散热片。

3.根据权利要求2所述的强化沸腾装置，其特征在于，所述条形散热片由多个锯齿片或波浪片聚集组成，锯齿状条形散热片中最小重复单元的锯齿间距小于1mm，锯齿片的厚度小于0.2mm。

4.根据权利要求3所述的强化沸腾装置，其特征在于，锯齿状条形散热片中最小重复单元的锯齿间距为0.0001mm-1mm，锯齿片的厚度为0.01mm-0.2mm。

5.根据权利要求2所述的强化沸腾装置，其特征在于，强化沸腾翅片上形成有穿孔或开窗结构。

6.根据权利要求2所述的强化沸腾装置，其特征在于，强化沸腾翅片通过钎焊方式连接在蒸发腔体的内壁面上。

7.根据权利要求2所述的强化沸腾装置，其特征在于，锯齿状条形散热片为三角锯齿状或矩形锯齿状条形散热片。

8.根据权利要求2所述的强化沸腾装置，其特征在于，多个条形散热片平行排列在蒸发腔体的内壁面上，强化沸腾装置还包括风冷散热组件，多个条形散热片平行排布的通道方向与风冷散热组件的风向垂直。

9.根据权利要求2所述的强化沸腾装置，其特征在于，蒸发腔体的外壁面与发热源接触设置，与发热源接触的蒸发腔体的侧壁厚度小于2mm。

10.根据权利要求9所述的强化沸腾装置，其特征在于，蒸发腔体的侧壁外表面具有接触吸热面，发热源具有热源面，蒸发腔体的接触吸热面与发热源的热源面接触。