WO2024077761A1 - 一种用于气液混合态介质内的散热装置及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于气液混合态介质内的散热装置及其制备方法，属于散热领域，散热装置包括：散热板及多个支撑结构。散热板竖直方向的一侧与热源接触；散热板与热源相对的一侧设置多个支撑结构；多个支撑结构在散热板的水平方向上均匀设置，且水平方向的各支撑结构的面积相等；多个支撑结构的面积在竖直方向上从上至下依次变大；散热板、支撑结构及热源均位于气液混合态介质内。通过合理设置支撑结构的位置及大小，能够准确掌握不同区域的散热面积，进而提高了散热装置压力分布的一致性及散热的均匀性。

Description

一种用于气液混合态介质内的散热装置及其制备方法
本申请要求于2022年10月10日提交中国专利局、申请号为202211234864.0、发明名称为“一种用于气液混合态介质内的散热装置及其制备方法”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。
技术领域
本发明涉及散热领域，特别是涉及一种用于气液混合态介质内的散热装置及其制备方法。
背景技术
氟碳化合物等绝缘性能优异、不可燃、化学稳定性好，并且沸点较低(40—70℃)的材料，在相变(液—气)过程会带走大量的热量，因此在水轮发电机、大数据中心的计算机散热方面得到应用。通常将这类借助相变换热过程实现对装置冷却散热的材料称为相变换热介质，这类介质在高压设备的散热领域应用还不成熟，而换流阀等高压直流输电装备对于具有高可靠性的散热系统具有重要需求，以用于换流阀冷却的去离子水冷系统为例，以水为冷却介质的散热系统在发生渗漏后，往往导致绝缘失效，并且水冷系统设备较多，控制复杂，都会导致换流阀的故障率增加。
通常的散热器为管道结构，其根本原因在于通常散热器需要将散热介质封闭在固定空间，通过热传导或对流实现散热。但是应用相变介质的散热器需要具备以下特点：(1)与热源紧密接触，只有紧密接触才能实现低热阻的热传导。(2)承受压力情况下接触面压力分布均匀。(3)相变换热的效率与接触面积密切相关，因此需要尽可能增大接触面积实现良好的散热器-相变换热介质的热传导。(4)为了实现对热源的均匀散热，散热器表面的温度分布需要尽可能接近一致。(5)相变换热介质在发生液-气相变后，如果气泡黏附在散热器表面，将显著降低热传导效率，因此散热器的表面需要不容易积聚气泡。
但是对于浸没在换流阀内的散热器，各现有解决方案存在矛盾甚至是互斥的，难以直接应用。尤其是承受压力的需求导致其他要求的实现存在困难，比如：(1)与液体接触面积大需要散热器内部采用较细的柱状或翅状结构，而这种结构对于承受压情况下的散热器，难以承受较大压力实现与热源的紧密接触。(2)散热器表面的温度分布尽可能接近需要散热器内部不同区域的热阻存在差异，这就需要不同区域的散热面积不同，这就给压力均匀的设计带来困难。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于气液混合态介质内的散热装置及其制备方法，可提高散热装置压力分布的一致性，且散热均匀。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种用于气液混合态介质内的散热装置，包括：散热板及多个支撑结构；
所述散热板竖直方向的一侧与热源接触；
所述散热板与所述热源相对的一侧设置多个支撑结构；
多个支撑结构在散热板的水平方向上均匀设置，且水平方向的各支撑结构的面积相等；
多个支撑结构的面积在竖直方向上从上至下依次变大；
所述散热板、支撑结构及热源均位于气液混合态介质内。
可选地，各支撑结构包括球台部分及圆柱部分；
所述球台部分的上底面半径小于下底面半径；
所述球台部分的下底面设置在所述散热板上；
所述圆柱部分的底面半径与所述球台部分的上底面半径相等；
所述圆柱部分的一个底面与所述球台部分的上底面固定。
可选地，所述球台部分的下底面半径与所述圆柱部分的底面半径的比例关系为：
Figure PCTCN2022139330-appb-000001
其中，R为球台部分的下底面半径，r为圆柱部分的底面半径。
可选地，各支撑结构的面积由气液混合态介质的气泡分布率确定。
可选地，所述气液混合态介质为相变换热介质。
为实现上述目的，本发明还提供了如下方案：
一种用于气液混合态介质内的散热装置的制备方法，包括：
获取第一个结构参数；所述结构参数用于限定支撑结构的面积；
针对散热板竖直方向的第n行区域，基于第n个结构参数制备多个支撑结构，0<n；
将多个支撑结构均匀设置在散热板竖直方向的第n行区域；
根据第n个结构参数、第n行区域支撑结构的数量、散热板水平方向的长度、第n行区域支撑结构与散热板底部的距离，确定第n行区域的散热面积；
调整第n个结构参数，得到第n+1个结构参数，使第n行区域的散热面积与第n+1行区域的散热面积的变化率在设定范围内，且第n+1行区域各支撑结构的面积大于第n行区域各支撑结构的面积；
判断第n+1行区域各支撑结构与散热板的底部距离是否小于设定阈值，若是，则散热装置制备完成，否则继续制备第n+1行区域的支撑结构。
可选地，所述根据第n个结构参数、第n行区域支撑结构的数量、散热板水平方向的长度、第n行区域支撑结构与散热板底部的距离，确定第n行区域的散热面积，具体包括：
根据第n个结构参数、第n行区域支撑结构的数量、散热板水平方向的长度，计算第n行区域的初始散热面积；
根据第n行区域支撑结构与散热板底部的距离，确定第n行区域的气泡分布率；
根据第n行区域的初始散热面积及第n行区域的气泡分布率，确定第n行区域的散热面积。
可选地，各支撑结构包括球台部分及圆柱部分；所述结构参数包括：球台部分的下底面半径、圆柱部分的底面半径及圆柱部分的高；
采用以下公式，计算第n行区域的初始散热面积：
Figure PCTCN2022139330-appb-000002
其中，S row，n为第n行区域的初始散热面积，N n为第n行区域支撑结构的数量，R n为第n行区域各支撑结构的球台部分的下底面半径，r n为第n行区域各支撑结构的圆柱部分的底面半径，h n为第n行区域各支撑结构的圆柱部分的高，D为散热板水平方向的长度。
可选地，采用以下公式，确定第n行区域的气泡分布率：
α bubble，n＝k 1+k 2y n；
其中，α bubble，n为第n行区域的气泡分布率，k 1和k 2为拟合系数，y n为第n行区域支撑结构与散热板底部的距离。
可选地，采用以下公式，计算第n行区域的散热面积：
S′ row，n＝S row，n(1-α bubble，n)；
其中，S′ row，n为第n行区域的散热面积，S row，n为第n行区域的初始散热面积，α bubble，n为第n行区域的气泡分布率。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：散热板、支撑结构及热源均位于气液混合态介质内，散热板竖直方向的一侧与热源接触，且散热板与热源相对的一侧设置多个支撑结构；多个支撑结构在散热板的水平方向上均匀设置，且水平方向的各支撑结构的面积相等；多个支撑结构的面积在竖直方向上从上至下依次变大；由于热源产生的热量导致气液混合态介质的气泡竖直方向从下向上运动，且下方气泡数量少体积大，上方气泡数量多体积小，因此通过合理设置支撑结构的位置及大小，能够准确掌握不同区域的散热面积，进而提高了散热装置压力分布的一致性及散热的均匀性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明用于气液混合态介质内的散热装置的示意图；
图2为散热装置与热源的位置关系示意图；
图3为散热装置的制备方法的流程图；
图4为初始球台半径为0.01m的布局示意图；
图5为初始球台半径为0.05m的布局示意图。
符号说明：
散热板-1，支撑结构-2，球台部分-21，圆柱部分-22，热源-3。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种用于气液混合态介质内的散热装置及其制备方法，通过合理设置支撑结构的位置及大小，能够准确掌握不同区域的散热面积，进而提高散热装置压力分布的一致性及散热的均匀性。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
如图1和图2所示，本发明用于气液混合态介质内的散热装置包括：散热板1及多个支撑结构2。所述散热板1、支撑结构2及热源3均位于气液混合态介质内。在本实施例中，气液混合态介质为相变换热介质。
所述散热板1竖直方向的一侧与热源3接触。即热源3紧贴散热板1。在本实施例中，热源3为换流阀内部主要热源(晶闸管或IGBT等电力电 子器件)。
所述散热板1与所述热源3相对的一侧设置多个支撑结构2。
在本实施例中，散热板1为长方体。与热源3接触的一面以及设置支撑结构2的一面可以是长方形或正方形。
多个支撑结构2在散热板1的水平方向上均匀设置，且水平方向的各支撑结构2的面积相等。优选地，各支撑结构2的面积由气液混合态介质的气泡分布率确定。
多个支撑结构2的面积在竖直方向上从上至下依次变大。竖直方向上支撑结构2之间的间距可以相等也可以不相等，根据实际需要选择即可。
具体地，各支撑结构2包括球台部分21及圆柱部分22。
所述球台部分21的上底面半径小于下底面半径。
所述球台部分21的下底面设置在所述散热板1上。
所述圆柱部分22的底面半径与所述球台部分21的上底面半径相等。
所述圆柱部分22的一个底面与所述球台部分21的上底面固定。
本发明采用球台和圆柱的结合设计支撑结构2，能够提高散热装置表面的平整度。此外，还可以涂膜导热导电的热界面材料，使散热板1能与热源3紧密接触。
为了保证散热器与热源接触面的压力均匀，球台部分21的下底面半径与圆柱部分22的底面半径的比例关系为：
Figure PCTCN2022139330-appb-000003
其中，R为球台部分的下底面半径，r为圆柱部分的底面半径。一般取R＝2r。
进一步地，散热装置的厚度由散热板1的厚度h 1、圆柱部分22的高h以及球台部分21的高构成。其中，球台部分21的高采用公式
Figure PCTCN2022139330-appb-000004
确定。散热板1的厚度只要能够承受两侧的压力，不出现形变根据实际情况确定即可，一般取5mm。圆柱部分22的高一般取3-5cm均可，与散热装置整体空间设计相关。
在本实施例中，通过增大散热装置的整体厚度，或者增加支撑结构的数量，使得散热装置承受压力情况下接触面压力分布均匀。
用于换流阀内的散热器需要承受高达几十kN甚至上百kN的压力，既要保证热源与散热器的紧密接触，也要保证接触面积尽可能大。但是如果接触面压力不均匀，则接触面积和一致的热阻都难以保证。因此，本发明设计了球台加圆柱型状的支撑结构，提高压力分布的一致性，同时按照气泡分布情况设计了球台的面积，即散热板的不同区域具有不同的散热面积，使散热装置表面的温度分布尽可能均匀。
作为一种具体地实施方式，在有多个排列设置的热源3的情况下，每两个散热装置为一组。两个散热装置中支撑结构2相对设置。即从左至右或从右至左依次为第一个热源、第一个散热板、第一个散热板上的支撑结构、第二个散热板上的支撑结构、第二个散热板、第二个热源、第三个散热板、第三个散热板上的支撑结构......以此类推。
此外，还可以通过简化散热装置的表面，将其加工成蜂窝状或增加翅片等扰流结构，使得不容易积聚气泡。并采用微通道的结构尽可能增大与液体的接触面积。
本发明散热装置每行区域散热面积的变化按照温度变化梯度和气泡含有率设计，对散热器不同高度处的散热面积进行设计时考虑了气泡含有率，进而提高了散热均匀性。
实施例二
本实施例提供了一种制备实施例一的散热装置的方法。
如图3所示，本实施例提供的用于气液混合态介质内的散热装置的制备方法，包括：
S1：获取第一个结构参数。所述结构参数用于限定支撑结构的面积。各支撑结构包括球台部分及圆柱部分。结构参数包括：球台部分的下底面半径、圆柱部分的底面半径及圆柱部分的高。
第一个结构参数中球台部分的下底面半径，需要按照热源的发热功率进行设计选择，但是实际应用中一般是考虑工艺实现，尽可能减小下底面半径以增加散热面积。
S2：针对散热板竖直方向的第n行区域，基于第n个结构参数制备多个支撑结构，0<n。
S3：将多个支撑结构均匀设置在散热板竖直方向的第n行区域。
S4：根据第n个结构参数、第n行区域支撑结构的数量、散热板水平方向的长度、第n行区域支撑结构与散热板底部的距离，确定第n行区域的散热面积。
具体地，(1)根据第n个结构参数、第n行区域支撑结构的数量、散热板水平方向的长度，采用以下公式，计算第n行区域的初始散热面积：
Figure PCTCN2022139330-appb-000005
其中，S row，n为第n行区域的初始散热面积，N n为第n行区域支撑结构的数量，R n为第n行区域各支撑结构的球台部分的下底面半径，r n为第n行区域各支撑结构的圆柱部分的底面半径，h n为第n行区域各支撑结构的圆柱部分的高，D为散热板水平方向的长度。
进一步地，本发明将球台部分、圆柱部分以及球台底部散热板的正方形区域作为一个散热子域。第n行区域各散热子域的散热面积为：
Figure PCTCN2022139330-appb-000006
因此，根据每个散热子域的散热面积即可计算出每行区域的初始散热面积。
(2)根据第n行区域支撑结构与散热板底部的距离，采用以下公式，确定第n行区域的气泡分布率：
α bubble，n＝k 1+k 2y n；
其中，α bubble，n为第n行区域的气泡分布率，k 1和k 2为拟合系数，y n为第n行区域支撑结构与散热板底部的距离。
具体地，支撑结构与散热板底部的距离为球台部分的中心到散热板底部的距离。
本发明考虑相变换热介质的液体沸腾后产生的气泡附着在散热板表面，由于气泡的存在，阻挡了散热板向液体内的热传导，导致无法实现有 效散热，从而导致存在较多气泡的区域散热板温度升高。同时气泡由于重力、液体动力粘度、密度、冷凝器产生的气体流动速度等多因素共同作用从散热板下方向上方运动，并在运动中破碎，呈现下方气泡数量少体积大，上方气泡数量多体积小的现象。这就导致上方气泡表面积大，附着在散热板表面后对热量传导造成不利影响。实际上由于沸腾情况下的气泡变化复杂，与热源发热功率、相变介质热容、理化特性等都密切相关。因此对于不同的介质和发热功率其计算公式存在较大差异。
在本实施例中，以热源最大功率情况下气泡的分布情况为依据，经过多次拍摄取平均面积建立气泡分布率与支撑结构到散热板底部距离的近似公式。该测试是以加热板为热源，在沸腾情况下，拍摄多张不同时刻的照片，分别计算照片中不同区域气泡的表面积，获得气泡分布率与高度(支撑结构到散热板底部距离)的关系，即确定拟合系数k 1和k 2。气泡分布指的是单位面积内气泡的总面积，为无量纲数。
(3)根据第n行区域的初始散热面积及第n行区域的气泡分布率，采用以下公式，确定第n行区域的散热面积：
S′ row，n＝S row，n(1-α bubble，n)；
其中，S′ row，n为第n行区域的散热面积，S row，n为第n行区域的初始散热面积，α bubble，n为第n行区域的气泡分布率。
本发明计算的是考虑相变换热介质的气泡分布率后的散热面积，目标为保证每行区域散热面积尽量相等，或者偏差尽可能小。
S5：调整第n个结构参数，得到第n+1个结构参数，使第n行区域的散热面积与第n+1行区域的散热面积的变化率在设定范围内，且第n+1行区域各支撑结构的面积大于第n行区域各支撑结构的面积。
具体地，增大球台部分的半径，重复步骤S4计算第n+1行区域的散热面积，并控制第n+1行区域的散热面积与第n行区域的散热面积的变化率在10％左右。
S6：判断第n+1行区域各支撑结构与散热板的底部距离是否小于设定阈值，若是，则散热装置制备完成，否则继续制备第n+1行区域的支撑结 构。
即当计算出的第n+1行区域球台部分的中心到散热板的底部距离小于球台部分的半径时，制备完成。
为了更好的理解本发明的方案，下面以一厚度为0.025m，边长为D＝0.25m的正方形散热装置为例进一步进行说明。
考虑散热装置在压力作用下不发生形变，散热板的厚度h 1＝0.005m。
考虑到球台地面半径和圆柱地面半径的比例关系，取R＝2r。则圆柱的高
Figure PCTCN2022139330-appb-000007
则散热子域的散热面积
Figure PCTCN2022139330-appb-000008
气泡分布与高度的关系α bubble＝0.06+0.062y。
取最上端的球台底面半径R＝0.01m，可以设计出图4所示布局的散热装置。
取最上端的球台底面半径R＝0.02m，可以设计出图5所示布局的散热装置。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
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，依据本发明的思想，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发明的限制。

Claims (10)

  1. 一种用于气液混合态介质内的散热装置，其特征在于，所述用于气液混合态介质内的散热装置包括：散热板及多个支撑结构；
    所述散热板竖直方向的一侧与热源接触；
    所述散热板与所述热源相对的一侧设置多个支撑结构；
    多个支撑结构在散热板的水平方向上均匀设置，且水平方向的各支撑结构的面积相等；
    多个支撑结构的面积在竖直方向上从上至下依次变大；
    所述散热板、支撑结构及热源均位于气液混合态介质内。
  2. 根据权利要求1所述的用于气液混合态介质内的散热装置，其特征在于，各支撑结构包括球台部分及圆柱部分；
    所述球台部分的上底面半径小于下底面半径；
    所述球台部分的下底面设置在所述散热板上；
    所述圆柱部分的底面半径与所述球台部分的上底面半径相等；
    所述圆柱部分的一个底面与所述球台部分的上底面固定。
  3. 根据权利要求2所述的用于气液混合态介质内的散热装置，其特征在于，所述球台部分的下底面半径与所述圆柱部分的底面半径的比例关系为：
    Figure PCTCN2022139330-appb-100001
    其中，R为球台部分的下底面半径，r为圆柱部分的底面半径。
  4. 根据权利要求1所述的用于气液混合态介质内的散热装置，其特征在于，各支撑结构的面积由气液混合态介质的气泡分布率确定。
  5. 根据权利要求1所述的用于气液混合态介质内的散热装置，其特征在于，所述气液混合态介质为相变换热介质。
  6. 一种用于气液混合态介质内的散热装置的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
    获取第一个结构参数；所述结构参数用于限定支撑结构的面积；
    针对散热板竖直方向的第n行区域，基于第n个结构参数制备多个支撑结构，0<n；
    将多个支撑结构均匀设置在散热板竖直方向的第n行区域；
    根据第n个结构参数、第n行区域支撑结构的数量、散热板水平方向的长度、第n行区域支撑结构与散热板底部的距离，确定第n行区域的散热面积；
    调整第n个结构参数，得到第n+1个结构参数，使第n行区域的散热面积与第n+1行区域的散热面积的变化率在设定范围内，且第n+1行区域各支撑结构的面积大于第n行区域各支撑结构的面积；
    判断第n+1行区域各支撑结构与散热板的底部距离是否小于设定阈值，若是，则散热装置制备完成，否则继续制备第n+1行区域的支撑结构。
  7. 根据权利要求6所述的用于气液混合态介质内的散热装置的制备方法，其特征在于，所述根据第n个结构参数、第n行区域支撑结构的数量、散热板水平方向的长度、第n行区域支撑结构与散热板底部的距离，确定第n行区域的散热面积，具体包括：
    根据第n个结构参数、第n行区域支撑结构的数量、散热板水平方向的长度，计算第n行区域的初始散热面积；
    根据第n行区域支撑结构与散热板底部的距离，确定第n行区域的气泡分布率；
    根据第n行区域的初始散热面积及第n行区域的气泡分布率，确定第n行区域的散热面积。
  8. 根据权利要求7所述的用于气液混合态介质内的散热装置的制备方法，其特征在于，各支撑结构包括球台部分及圆柱部分；所述结构参数包括：球台部分的下底面半径、圆柱部分的底面半径及圆柱部分的高；
    采用以下公式，计算第n行区域的初始散热面积：
    Figure PCTCN2022139330-appb-100002
    其中，S row，n为第n行区域的初始散热面积，N n为第n行区域支撑结构的数量，R n为第n行区域各支撑结构的球台部分的下底面半径，r n为第n行区域各支撑结构的圆柱部分的底面半径，h n为第n行区域各支撑结构 的圆柱部分的高，D为散热板水平方向的长度。
  9. 根据权利要求7所述的用于气液混合态介质内的散热装置的制备方法，其特征在于，采用以下公式，确定第n行区域的气泡分布率：
    α bubble，n＝k 1+k 2y n；
    其中，α bubble，n为第n行区域的气泡分布率，k 1和k 2为拟合系数，y n为第n行区域支撑结构与散热板底部的距离。
  10. 根据权利要求7所述的用于气液混合态介质内的散热装置的制备方法，其特征在于，采用以下公式，计算第n行区域的散热面积：
    S′ row，n＝S row，n(1-α bubble，n)；
    其中，S′ row，n为第n行区域的散热面积，S row，n为第n行区域的初始散热面积，α bubble，n为第n行区域的气泡分布率。
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