申请/专利权人：山东省科学院能源研究所

申请日：2019-03-12

公开（公告）日：2024-04-26

公开（公告）号：CN109764706B

主分类号：F28D15/02

分类号：F28D15/02

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.26#授权;2019.06.11#实质审查的生效;2019.05.17#公开

摘要：本发明涉及一种带有喷管的微通道换热器结构及工作方法，包括第一换热部、第二换热部及位于第一换热部及第二换热部之间的至少一个喷管部，所述第一换热部内具有高压换热流道，所述高压换热流道内设有第一微肋阵，所述第二换热部内具有低压换热流道，所述高压换热流道及低压换热流道通过喷管部内设置的至少一个喷管连通，本发明的换热器结构换热效果好，可以达到更好的换热热流密度。

主权项：1.一种带有喷管的微通道换热器结构，其特征在于，包括第一换热部、第二换热部及位于第一换热部及第二换热部之间的至少一个喷管部，所述第一换热部内具有高压换热流道，所述高压换热流道内设有第一微肋阵，所述第二换热部内具有低压换热流道，所述高压换热流道及低压换热流道通过喷管部内设置的至少一个喷管连通；所述第一换热部位于喷管部所在一侧的端面开设第一凹槽，另一侧端面开设介质入口，所述介质入口与第一凹槽连通；所述第二换热部位于喷管部所在一侧的端面开设第二凹槽，另一侧端面开设介质出口，所述介质出口与第二凹槽连通；所述喷管为拉瓦尔喷管。

全文数据：一种带有喷管的微通道换热器结构及工作方法技术领域本发明涉及换热设备技术领域，具体涉及一种带有喷管的微通道换热器结构及工作方法。背景技术在新一代电子芯片、大功率激光武器、雷达以及核能等众多军事及民用领域中，部分器件的散热热流密度已超过1000Wcm2，散热问题已成为阻碍计算机芯片等高新技术向更高性能发展的主要瓶颈之一。若电子器件产生的热量不能被及时散出，器件温度将持续升高，严重影响其可靠性和使用寿命。因此亟需开发新型高效强热流冷却技术，获取更大冷却能力，以满足前沿领域高集成度大功率器件散热的迫切需要。微通道流动沸腾相变换热技术在高热流密度散热方面有着极为广阔的应用前景，尤其是带有微肋阵的微通道内沸腾传热更是高热流密度散热研究和应用的热点，近年来已经取得了一些研究成果，然而发明人发现现有技术主要是采用改变微肋阵的形状、尺寸及表面特性等手段实现强化传热，换热能力提高有限，难以满足下一代微电子器件的散热需求。发明内容本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种带有喷管的微通道换热器结构，具有很高的临界热流密度，可以大幅度增加微尺度散热的极限散热强度。为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：一种带有喷管的微通道换热器结构，包括第一换热部、第二换热部及位于第一换热部及第二换热部之间的至少一个喷管部，所述第一换热部内具有高压换热流道，所述高压换热流道内设有微肋阵，所述第二换热部内具有低压换热流道，所述高压换热流道及低压换热流道通过喷管部内设置的至少一个喷管连通。本发明的工作方法为：第一换热部与外部热源接触，换热介质流入高压换热流道，在高压换热流道内吸收热量产生沸腾换热现象，沸腾后的气液混合物经过喷管部内设置的多个喷管喷射至低压换热流道，在低压换热流道内进行二次吸热后流出，当换热的热流密度升高至一定程度后，喷管产生高速射流作用，加快沸腾产生的气体脱离与换热介质进行换热的壁面的速度，并且在喷管内形成高速对流换热，在低压换热流道内形成高速雾状喷射散热，提高换热能力。本发明的有益效果：本发明的带有喷管的微通道换热器结构，通过在第一换热部和第二换热部之间设置带有喷管的喷管部，在换热的热流密度升高到一定程度后，在喷管内可以形成高速射流，大幅提高沸腾产生的气体脱离速度，同时在喷管内部形成高速对流换热，在低压换热流道内形成高速雾状喷射散热，极大的增强了换热器结构的换热能力，能够使换热器结构达到很高的临界热流密度。附图说明构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。图1为本发明实施例爆炸结构示意图；图2为本发明实施例剖面结构示意图；其中，1.第一换热部，2.喷管部，3.第二换热部，4.介质入口，5.第一凹槽，6.第一微肋阵，7.喷管，8.第二微肋阵，9.第二凹槽，10.介质出口，11.外部热源。具体实施方式应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和或它们的组合。为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。正如背景技术所介绍的，现有的微通道流动沸腾相变技术主要采用改变微肋阵的形状、尺寸及表面特性等手段实现强化传热，换热能力提高有限，难以满足下一代微电子器件的散热需求，针对上述问题，本申请提出了一种带有喷管的微通道换热器结构。一种带有喷管的微通道换热器结构，包括第一换热部、第二换热部及位于第一换热部及第二换热部之间的至少一个喷管部，所述第一换热部内具有高压换热流道，所述高压换热流道内设有第一微肋阵，所述第二换热部内具有低压换热流道，所述高压换热流道及低压换热流道通过喷管部内设置的至少一个喷管连通。进一步的，所述第一换热部位于喷管部所在一侧的端面开设第一凹槽，另一侧端面开设介质入口，所述介质入口与第一凹槽连通，换热介质可通过介质入口流入第一凹槽内。进一步的，所述第二换热部位于喷管部所在一侧的端面开设第二凹槽，另一侧端面开设介质出口，所述介质出口与第二凹槽连通，第二凹槽内的换热介质可通过介质出口流出。进一步的，所述喷管为拉瓦尔喷管或锥形喷管。进一步的，所述第一微肋阵包括多个呈阵列分布的第一圆柱管状结构，第一圆柱管状结构的管壁设有用于换热介质流动的第一开口。进一步的，所述低压换热通道内设有第二微肋阵。进一步的，所述第二微肋阵包括多个呈阵列分布的第二圆柱管状结构，第二圆柱管状结构的管壁设有用于换热介质流动通的第二开口。进一步的，所述高压换热流道内表面及第一微肋阵表面涂覆亲水涂层或疏水涂层。进一步的，所述低压换热流道内表面及第二微肋阵表面涂覆亲水涂层或疏水涂层。本实施例还公开了带有喷管的微通道换热器结构的工作方法：第一换热部与外部热源接触，换热介质流入高压换热流道，在高压换热流道内吸收热量产生沸腾换热现象，沸腾后的气液混合物经过喷管部内设置的多个喷管喷射至低压换热流道，在低压换热流道内进行二次吸热后流出，当换热的热流密度升高至一定程度后，喷管产生高速射流作用，加快沸腾产生的气体脱离与换热介质进行换热的壁面的速度，并且在喷管内形成高速对流换热，在低压换热流道内形成高速雾状喷射散热，提高换热能力。下面结合附图对本实施例进行详细说明，如图1-2所示，一种带有喷管的微通道换热器结构，包括由导热性较好的固体材料制成的第一换热部1、第二换热部3及喷管部2，所述第一换热部、第二换热部及喷管部均采用板状结构，所述的导热性的固体材料可选用铜、铝，也可选用其他导热材料，本领域技术人员可根据实际需要进行选择，所述喷管部设置在第一换热部及第二换热部之间，所述喷管部至少设置一块，本领域技术人员可根据实际需要设置喷管部的数量。所述第一换热部内设有高压换热流道，优选的，所述第一换热部位于喷管部一侧的端面上开设第一凹槽5，另一侧端面上开设介质入口4，所述介质入口与第一凹槽相连通，介质入口和第一凹槽共同构成高压换热流道，本领域技术人员也可采用其他方式设置高压换热流道，只要满足换热介质的换热需求即可，在此不进行详细叙述。所述高压换热流道内设有第一微肋阵6，所述第一微肋阵包括多个按照矩形阵列分布且固定在第一凹槽底面的的第一圆柱管状结构，所述第一圆柱管状结构的管壁上设有用于换热介质流通的第一开口，所述第一微肋阵在增加换热面积的同时，还可以用来改变和引导换热介质在高压换热流道内的流动方向和流动状态，强化换热效果。所述第一微肋阵也可采用多个其他形状的结构按阵列分布构成，本领域技术人员可根据实际情况进行设置，第一微肋阵可在第一换热部上加工而成，也可单独加工再安装在第一换热部的高压换热流道内，本领域技术人员可根据实际情况选择其加工方式。所述第二换热部内设有低压换热流道，优选的，所述第二换热部位于喷管部一侧的端面上开设第二凹槽9，另一侧端面上开设介质出口10，所述介质出口与第二凹槽连通，介质出口和第二凹槽共同构成低压换热流道，本领域技术人员也可采用其他方式设置低压换热流道，只要满足换热介质的换热需求即可，在此不进行详细叙述。优选的，所述低压换热流道内设有第二微肋阵8，所述第二微肋阵包括多个按照矩形阵列分布的且固定在第二凹槽底面的第二圆柱管状结构，所述第二圆柱管状结构的管壁上设有用于换热介质流通的第二开口，所述第二微肋阵的作用与第一微肋阵的作用相同，加工方式可选择与第一微肋阵相同的加工方式，在此不进行详细叙述。所述喷管部内设有多个按照阵列分布的喷管7，所述喷管两端分别与高压换热流道及低压换热流道相连通，所述喷管可以直接在喷管部上加工而成，也可单独加工完成后再安装到喷管部上，本领域技术人员可根据实际需要选择其加工方式，优选的，所述喷管可采用拉瓦尔喷管，也可采用锥形喷管渐缩喷管或渐扩喷管，也可采用其他形状的喷管，本领域技术人员可根据实际需要进行选择。优选的，可以对高压换热流道内表面、第一微肋阵外表面、低压换热流道内表面、第二微肋阵外表面进行加工和改性处理，形成特定的亲水或疏水性表面，所述的加工和改性处理可采用在高压换热流道内表面、第一微肋阵外表面、低压换热流道内表面、第二微肋阵外表面涂覆亲水或疏水涂层，也可采用其他方式进行处理，本领域技术人员可根据实际需要进行选择，在此不进行详细叙述。对高压换热流道内表面、第一微肋阵外表面、低压换热流道内表面、第二微肋阵外表面进行加工和改性处理，可以有效减小对换热介质的阻力，加速气泡生成和脱离、增加对流换热系数等不同的强化换热效果，能够进一步增强换热器结构的换热能力。本实施例还公开了一种带有喷管的微通道换热器结构的工作方法：换热器结构的第一换热部与外部热源11接触，换热介质经介质入口流入高压换热流道内，换热介质在高压换热流道内吸收热量产生沸腾换热现象，沸腾后的气液混合物经过喷管部内的喷管喷射至低压换热流道内，在低压换热流道内进行二次吸热后由介质出口流出，当换热的热流密度升高到一定程度时，换热介质沸腾产生的气体含量、高压换热流道和低压换热流道内的压力值及喷管的尺寸相互作用关系达到一定的临界值，喷管内产生高速射流作用，换热介质在喷管内形成极高的射流速度，高速射流作用产生后，一方面会极大的加快沸腾产生的气体脱离与换热介质进行换热的壁面的速度，另一方面会在喷管内部形成高速对流换热、在低压换热流道内形成高速雾状喷射散热，多种散热效果共同作用在换热器结构内部，极大的增强了换热器结构的换热能力，使换热器结构能够达到很高的临界热流密度。上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

权利要求：1.一种带有喷管的微通道换热器结构，其特征在于，包括第一换热部、第二换热部及位于第一换热部及第二换热部之间的至少一个喷管部，所述第一换热部内具有高压换热流道，所述高压换热流道内设有第一微肋阵，所述第二换热部内具有低压换热流道，所述高压换热流道及低压换热流道通过喷管部内设置的至少一个喷管连通。2.如权利要求1所述的一种带有喷管的微通道换热器结构，其特征在于，所述第一换热部位于喷管部所在一侧的端面开设第一凹槽，另一侧端面开设介质入口，所述介质入口与第一凹槽连通。3.如权利要求1所述的一种带有喷管的微通道换热器结构，其特征在于，所述第二换热部位于喷管部所在一侧的端面开设第二凹槽，另一侧端面开设介质出口，所述介质出口与第二凹槽连通。4.如权利要求1所述的一种带有喷管的微通道换热器结构，其特征在于，所述喷管为拉瓦尔喷管或锥形喷管。5.如权利要求1所述的一种带有喷管的微通道换热器结构，其特征在于，所述第一微肋阵包括多个呈阵列分布的第一圆柱管状结构，第一圆柱管状结构的管壁设有用于换热介质流动的第一开口。6.如权利要求1所述的一种带有喷管的微通道换热器结构，其特征在于，所述低压换热通道内设有第二微肋阵。7.如权利要求6所述的一种带有喷管的微通道换热器结构，其特征在于，所述第二微肋阵包括多个呈阵列分布的第二圆柱管状结构，第二圆柱管状结构的管壁设有用于换热介质流动的第二开口。8.如权利要求1所述的一种带有喷管的微通道换热器结构，其特征在于，所述高压换热流道内表面及第一微肋阵表面涂覆亲水涂层或疏水涂层。9.如权利要求6所述的一种带有喷管的微通道换热器结构，其特征在于，所述低压换热流道内表面及第二微肋阵表面涂覆亲水涂层或疏水涂层。10.一种权利要求1-9任一项所述的带有喷管的微通道换热器结构的工作方法，其特征在于，换热介质流入高压换热流道，在高压换热流道内吸收热量产生沸腾换热现象，沸腾后的气液混合物经过喷管部内设置的喷管喷射至低压换热流道，在低压换热流道内进行二次吸热后流出，当换热的热流密度升高至一定程度后，喷管产生高速射流作用，加快沸腾产生的气体脱离与换热介质进行换热的壁面的速度，并且在喷管内形成高速对流换热，在低压换热流道内形成高速雾状喷射散热。

百度查询： 山东省科学院能源研究所 一种带有喷管的微通道换热器结构及工作方法

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