TWM596329U - 強化沸騰裝置 - Google Patents

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Abstract

本創作公開了一種強化沸騰裝置，包括內部具有空腔的蒸發腔體和強化沸騰翅片，強化沸騰翅片設置在蒸發腔體的內壁面上，蒸發腔體內部設置有相變換熱介質，蒸發腔體吸收發熱源的熱量通過內壁面傳遞給相變換熱介質，該強化沸騰翅片可增加蒸發腔體的該內壁的汽化核心數量和增加沸騰換熱的面積，以促進相變換熱介質沸騰汽化和降低沸騰熱阻。本創作的強化沸騰裝置具有以下優點：採用密集排布的強化沸騰翅片，最大限度地提高換熱的面積，降低沸騰的換熱熱阻；強化沸騰翅片上分佈密集的穿孔或視窗極大增加了氣泡核心的數量，減小了氣泡的直徑大小，更容易形成氣泡，從而降低換熱熱阻。

Description

強化沸騰裝置
本創作屬於換熱器件技術領域，尤其是關於一種用於電子器件的強化沸騰裝置。
相變散熱作為一種高效率的散熱方式日益普及，相變散熱原理就是利用相變介質在一定溫度下沸騰氣化吸熱，然後氣體在其他位置冷凝液化以放熱，從而實現了熱量的傳遞，傳熱效果好、應用廣泛。蒸發氣化階段是相變傳熱過程關鍵階段，而傳熱效率的高低直接影響相變傳熱的效果。
為提高傳熱效率，增強沸騰換熱效果，增強沸騰換熱效果的原理主要包括增加沸騰的氣泡核心數量，增加換熱面積以及避免出現過渡沸騰現象。其中，目前主要採用的改變傳熱表面結構的方法有：機械加工、鐳射刻蝕、化學刻蝕法、燒結等。通過在傳熱表面設置槽道、凸起結構以及多孔表面，來增大換熱面積，增加氣泡核心的生成，以達到強化沸騰換熱的目的。
機械加工方法加工出多孔表面效果相對較好，但該方法增加氣泡核心數量有限，很難加工出0.1mm以下的孔隙，隨著熱流密度增高，容易出現過渡沸騰的現象，導致傳熱能力下降；此外，機械加工方法加工 成本很高，製造週期也長，不能滿足規模、高效生產的要求。
金屬燒結的方式能很好增加氣泡核心數量，但燒結出的孔隙會影響材料的熱導率從而影響有效的換熱面積；燒結過程中存在其它物質殘留，影響相變介質的性能。
鐳射蝕刻和化學蝕刻法存在蝕刻深度有限，換熱面積不足以及極易出現過渡沸騰現象等缺點。因此，本領域中需設計一種沸騰換熱熱阻低、傳熱熱流密度高，生產成本低，生產效率高的強化沸騰裝置。
為解決上述現有技術中的問題，本創作提供了一種強化沸騰裝置。
為實現上述目的，本創作的強化沸騰裝置的具體技術方案如下：
一種強化沸騰裝置，包括內部具有空腔的蒸發腔體和強化沸騰翅片，強化沸騰翅片設置在蒸發腔體的內壁面上，蒸發腔體內部設置有相變換熱介質，蒸發腔體吸收發熱源的熱量通過內壁面傳遞給相變換熱介質，該強化沸騰翅片可增加蒸發腔體的該內壁面的汽化核心數量和增加沸騰換熱的面積以促進相變換熱介質沸騰汽化和降低沸騰熱阻。
進一步，該強化沸騰翅片為設置在蒸發腔體的內壁面上的多個鋸齒狀或波浪狀的條形散熱片。
進一步，該條形散熱片由多個鋸齒片或波浪片聚集組成，鋸 齒狀條形散熱片中最小重複單元的鋸齒間距小於1mm，鋸齒片的厚度小於0.2mm。
進一步，鋸齒狀條形散熱片中最小重複單元的鋸齒間距為0.0001mm-1mm，鋸齒片的厚度為0.01mm-0.2mm。
進一步，強化沸騰翅片上形成有穿孔或開窗結構。
進一步，強化沸騰翅片通過釺焊方式連接在蒸發腔體的內壁面上。
進一步，鋸齒狀條形散熱片為三角鋸齒狀或矩形鋸齒狀條形散熱片。
進一步，多個條形散熱片平行排列在蒸發腔體的內壁面上，強化沸騰裝置還包括風冷散熱組件，多個條形散熱片平行排布的通道方向與風冷散熱元件的風向垂直。
進一步，蒸發腔體的外壁面與發熱源接觸設置，與發熱源接觸的蒸發腔體的側壁厚度小於2mm。
進一步，蒸發腔體的壁外表面具有接觸吸熱面，發熱源具有熱源面，蒸發腔體的接觸吸熱面與發熱源的熱源面接觸。
本創作的強化沸騰裝置換熱高效，生產加工成本低，並主要具有以下優點：
1)採用密集排布的強化沸騰翅片，最大限度地提高換熱的面積，降低沸騰的換熱熱阻；
2)強化沸騰翅片上分佈密集的穿孔或視窗極大增加了氣泡核心數量，即提高了沸騰核心的數量，減小了氣泡的直徑大小，更容易形成氣泡，從 而降低換熱熱阻；
3)密集設置的穿孔或視窗，能有效控制氣泡大小，防止形成蒸汽柱，避免壁面形成不穩定氣膜，從而避免出現過渡沸騰現象，提高沸騰換熱的熱流密度，增加相變換熱介質的毛細力；
4)強化沸騰翅片和蒸發腔體採用釺焊連接為一體，減少了翅片與蒸發腔本體間的接觸熱阻；
5)相對於機加工、鐳射刻蝕和化學刻蝕等工藝方法，釺焊工藝加工效率高、成本低、工藝成熟度高，適合大批量規模化生產。
10‧‧‧蒸發腔體
20‧‧‧強化沸騰翅片
21‧‧‧穿孔或開窗結構
圖1為本創作強化沸騰裝置的透視圖；
圖2為本創作強化沸騰裝置的放大圖；
圖3為本創作強化沸騰裝置的俯視圖；
圖4為本創作強化沸騰裝置中的開窗結構。
為了更好地瞭解本創作的目的、結構及功能，下面結合附圖，對本創作的強化沸騰裝置做進一步詳細的描述。
本創作中的相關術語解釋如下：
沸騰換熱：是指熱量從壁面傳給液體，使液體沸騰汽化的傳熱過程。
氣化核心：汽化核心是啟動液體沸騰的載體；
熱導率：定義為在物體內部垂直於導熱方向取兩個相距1米，面積為1平方米的平行平面，若兩個平面的溫度相差1K，則在1秒內從一個平面傳導至另一個平面的熱量就規定為該物質的熱導率，其單位為瓦特．米-1．開-1(W．m-1．K-1)；
熱阻：定義為當有熱量在物體上傳輸時，在物體兩端溫度差與熱源的功率之間的比值。單位為開爾文每瓦特(K/W)或攝氏度每瓦特(℃/W)；
傳熱係數：是指在穩定傳熱條件下，圍護結構兩側空氣溫差為1度(K或℃)，單位時間通過單位面積傳遞的熱量，單位是瓦/(平方米．度)(W/m2．K，此處K可用℃代替)，反映了傳熱過程的強弱；
熱流密度：單位時間內通過單位面積傳遞的熱量稱熱流密度。q=Q/(S*t)--Q為熱量，t為時間，S為截面面積，熱流密度的單位：J/(m2．s)；
過渡沸騰：當熱流密度增大，由大量的汽化核心處噴出的蒸汽形成蒸汽柱，伴隨蒸汽流對向傳熱面不給的液體產生了妨礙，短時間在傳熱面出現液體乾涸，導致傳熱面的溫度急劇上升。
本創作的強化沸騰裝置包括蒸發腔體10和強化沸騰翅片20，蒸發腔體10可以是中部具有空腔的板狀腔體，也可以是包括多個彼此連通的子腔體。強化沸騰翅片20設置在蒸發腔體10內部，也即連接在蒸發腔體10的內壁面上，蒸發腔體10上連接有強化沸騰翅片20的側壁的外側面與發熱源相連，以吸收發熱源的熱量。蒸發腔體10內部設置有相變換熱介質，蒸發腔體10內的相變換熱介質吸收發熱源的熱量後沸騰氣化，其中強化沸騰翅片20可顯著增加蒸發腔體10側壁的沸騰氣化核心的數量，增加換熱面 積，促進相變換熱介質沸騰汽化。
強化沸騰翅片20為設置在蒸發腔體10的內壁面上的多個鋸齒狀條形散熱片或波紋狀條形散熱片，例如三角鋸齒狀或矩形鋸齒狀條形散熱片，或者S形波紋狀條形散熱片，強化沸騰翅片20的板面沿垂直於蒸發腔體10內表面的方向延伸，以方便向外散熱。強化沸騰翅片20可以採用銅、鋁、銅合金、鋁合金、不銹鋼等材料製成。
多個鋸齒狀條形散熱片平行排列在蒸發腔體10側壁的內表面上，對於包含風冷散熱的情形，多個鋸齒狀條形散熱片排布的通道方向與風向垂直，多個鋸齒狀條形散熱片間隔均勻排布，以確保流體在強化沸騰翅片20中均勻流動。多個鋸齒狀條形散熱片可彼此錯齒排布。
鋸齒狀條形散熱片包括多個的鋸齒翅片或波浪翅片，鋸齒翅片例如可以三角鋸齒或矩形鋸齒的形狀，波浪翅片則為平滑過渡的弧形波浪狀，多個鋸齒翅片和波浪翅片密集排布組成沸騰強化結構，相鄰的兩鋸齒片之間的間距(相鄰兩個對應波峰位置的間距)小於1mm，如0.0001mm-1mm，也即最小重複單元的鋸齒的間距小於1mm，以增大換熱面積，鋸齒片或波浪片的厚度小於0.2mm，如0.01mm-0.2mm，鋸齒狀條形散熱片的孔隙率小於60%，如10%-60%，上述密集排布的鋸齒狀或波浪狀條形散熱片，在促進汽化沸騰的同時，還通過鋸齒形狀或波浪狀的設置降低後續沸騰核心形成的難度。
鋸齒片上可形成有穿孔或開窗結構21，穿孔和開窗結構21能破壞熱邊界層來提升傳熱性能，提高強化沸騰翅片20的換熱係數，增強換熱效果。穿孔的形狀可以是圓形、矩形和橢圓形孔，開窗中視窗的形狀 可以是矩形、橢圓形和圓形，穿孔或窗口的數量越密，散熱效果越好。能有效降低減少沸騰氣泡的直徑，也即控制氣泡的大小，防止形成蒸汽柱，從而避免出現過渡沸騰現象，鋸齒片上形成的穿孔或開窗結構可提高沸騰換熱的熱流密度，增加相變換熱介質的毛細力。
強化沸騰翅片20通過釺焊方式連接在蒸發腔體10的內壁面，以減少強化沸騰翅片20與蒸發腔體10之間的接觸熱阻，降低兩者間的溫差。釺焊工藝相對於微機加工、鐳射刻蝕和化學刻蝕等工藝方法，工藝過程更簡單，釺焊設備投資少，加工效率高。
蒸發腔體10與發熱源直接接觸，也即蒸發腔體10側壁的外表面與發熱源直接接觸，蒸發腔體10的外表面直接代替現有散熱裝置的基板，以提升發熱源與蒸發腔體10部的熱傳遞效率，優選地，蒸發腔體的外壁面與發熱源接觸設置，並且與發熱源接觸的蒸發腔體的側壁厚度小於2mm。蒸發腔體10優選為內部具有空腔的平面板狀體，蒸發腔體10的內部空腔為平面狀空腔，蒸發腔體10的一側壁具有接觸吸熱面，發熱源具有平面狀的熱源面，蒸發腔體10的接觸吸熱面與發熱源的熱源面接觸設置。
上述發熱源的熱源面的面積小於蒸發腔體10的接觸吸熱面的面積，內部相變換熱介質通過相變流動可將熱量從發熱源吸收而沿二維方向快速傳遞，可確保蒸發腔體10中的溫度均勻。
本創作的強化沸騰裝置中，蒸發腔體10用於電子器件直接散熱，發熱源直接安裝在蒸發腔體10上，相變換熱介質不與發熱源接觸，熱量通過蒸發腔體10側壁傳導給強化沸騰翅片20，強化沸騰翅片20與蒸發腔體10側壁以及相變換熱介質接觸。
由此，由於蒸發腔體10中設置了密集而均勻的多個鋸齒狀條形散熱片或波紋狀條形散熱片，這種結構有助於產生大量的氣泡核心，大量的氣泡核心可促進蒸發腔體10中的相變換熱介質汽化沸騰，強化沸騰翅片20可促進相變換熱介質的液氣轉化換熱，使發熱源的熱量更多、更快速、更均勻地傳遞給相變換熱介質。
可以理解，本創作是通過一些實施例進行描述的，本領域技術人員知悉的，在不脫離本創作的精神和範圍的情況下，可以對這些特徵和實施例進行各種改變或等效替換。另外，在本創作的教導下，可以對這些特徵和實施例進行修改以適應具體的情況及材料而不會脫離本創作的精神和範圍。因此，本創作不受此處所公開的具體實施例的限制，所有落入本申請的申請專利範圍內的實施例都屬於本創作所保護的範圍內。
10‧‧‧蒸發腔體
20‧‧‧強化沸騰翅片

Claims (10)

  1. 一種強化沸騰裝置，包括內部具有空腔的蒸發腔體和強化沸騰翅片，其特徵在於，該強化沸騰翅片設置在該蒸發腔體的內壁面上，該蒸發腔體內部設置有相變換熱介質，該蒸發腔體吸收發熱源的熱量通過該內壁面傳遞給該相變換熱介質，該強化沸騰翅片可增加該蒸發腔體的該內壁面的汽化核心數量和增加沸騰換熱的面積，以促進該相變換熱介質沸騰汽化和降低沸騰熱阻。
  2. 如請求項1所述的強化沸騰裝置，其中，該強化沸騰翅片為設置在該蒸發腔體的該內壁面上的多個鋸齒狀或波浪狀的條形散熱片。
  3. 如請求項2所述的強化沸騰裝置，其中，該條形散熱片由多個鋸齒片或波浪片聚集組成，該鋸齒狀條形散熱片中最小重複單元的鋸齒間距小於1mm，該鋸齒片的厚度小於0.2mm。
  4. 如請求項3所述的強化沸騰裝置，其中，該鋸齒狀條形散熱片中最小重複單元的鋸齒間距為0.0001mm-1mm，該鋸齒片的厚度為0.01mm-0.2mm。
  5. 如請求項2所述的強化沸騰裝置，其中，該強化沸騰翅片上形成有穿孔或開窗結構。
  6. 如請求項2所述的強化沸騰裝置，其中，該強化沸騰翅片通過釺焊方式連接在該蒸發腔體的該內壁面上。
  7. 如請求項2所述的強化沸騰裝置，其中，該鋸齒狀條形散熱片為三角鋸齒狀或矩形鋸齒狀條形散熱片。
  8. 如請求項2所述的強化沸騰裝置，其中，多個該條形散熱片平行排列在該蒸發腔體該的內壁面上，該強化沸騰裝置還包括風冷散熱組件，多個 該條形散熱片平行排布的通道方向與該風冷散熱元件的風向垂直。
  9. 如請求項2所述的強化沸騰裝置，其中，該蒸發腔體的外壁面與該發熱源接觸設置，與該發熱源接觸的該蒸發腔體的側壁厚度小於2mm。
  10. 如請求項9所述的強化沸騰裝置，其中，該蒸發腔體的側壁外表面具有接觸吸熱面，該發熱源具有熱源面，該蒸發腔體的該接觸吸熱面與該發熱源的該熱源面接觸。
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