本發(fā)明涉及一種可應(yīng)用于冷卻諸如新型電動汽車逆流器、激光轉(zhuǎn)向器以及電子電力系統(tǒng)中極高發(fā)熱裝置和設(shè)備的冷卻裝置，特別是一種利用氣泡微細(xì)化沸騰現(xiàn)象，用于具有極高熱負(fù)荷及較大發(fā)熱面的裝置和設(shè)備散熱的冷卻裝置。

背景技術(shù)：

在能源、動力以及航空航天等眾多工業(yè)領(lǐng)域中，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的工程系統(tǒng)和裝置的發(fā)熱量超過常規(guī)冷卻方式冷卻能力的極限。如目前新型純電動汽車或混合動力汽車所使用的逆流器，其散熱面在20cm×20cm尺寸上的發(fā)熱功率就可達(dá)到100kw以上（熱流密度超過250w/cm2）；而國際核聚變實驗堆內(nèi)防止等離子體接觸壁面的轉(zhuǎn)向器，受到等離子區(qū)域帶電粒子和x射線輻照產(chǎn)生的熱負(fù)荷最高值甚至已經(jīng)超過2000w/cm2。對于具有如此高熱負(fù)荷的發(fā)熱面，風(fēng)冷、水冷以及常規(guī)的相變冷卻方式已經(jīng)很難滿足要求。如果沒有有效的冷卻措施，這些裝置和設(shè)備很難長時間的穩(wěn)定運行。因此，如何有效解決極高發(fā)熱裝置和設(shè)備的冷卻問題已經(jīng)成為阻礙眾多工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展進(jìn)步的瓶頸。

20世紀(jì)80年代，日本學(xué)者inada等人發(fā)現(xiàn)了一種具有極高換熱能力的特殊沸騰現(xiàn)象——氣泡微細(xì)化沸騰（inada,s.,miyasaka,y.,sakumoto,s.,izumi,r.,1981.astudyonboilingcurvesinsubcooledpoolboiling(2ndreport,aneffectofcontaminationofsurfaceonboilingheattransferandcollapsevaporslug).transactionofjsme47,2021-2029）。對于水工質(zhì)來說，氣泡微細(xì)化沸騰通常在20k以上過冷度時才會發(fā)生，發(fā)生時熱流密度遠(yuǎn)超常規(guī)沸騰的臨界熱流密度（chf），能達(dá)到1000w/cm2以上。隨著冷卻液過冷度和流速的提高，氣泡微細(xì)化沸騰所能達(dá)到的換熱極限不斷增加。因此該現(xiàn)象在解決極高發(fā)熱設(shè)備冷卻問題方面具有極好的應(yīng)用前景。然而，日本學(xué)者suzuki等人發(fā)現(xiàn)，隨著發(fā)熱面尺寸增加，氣泡微細(xì)化沸騰所能達(dá)到的最高熱流密度逐漸下降，當(dāng)發(fā)熱面長度超過10cm時，氣泡微細(xì)化沸騰甚至將不再發(fā)生，熱流密度到達(dá)chf點后，壁溫飛升（suzuki,k.,2007.highheatfluxtransportbymicrobubbleemissionboiling.microgravitysciencetechnology,xix-3/4,148-150）。實驗發(fā)現(xiàn)，阻礙較大尺寸發(fā)熱面上氣泡微細(xì)化沸騰發(fā)生的主要原因在于：極高的熱流密度使得發(fā)熱面下游冷卻液被快速加熱，使其冷度低于氣泡微細(xì)化沸騰發(fā)生所需過冷度，導(dǎo)致發(fā)熱面下游區(qū)域快速蒸干，最終整個壁面燒毀。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種可以實現(xiàn)氣泡微細(xì)化沸騰冷卻尺寸較大發(fā)熱面的具有極高冷卻能力的冷卻裝置。為此需設(shè)計一種可降低尺寸較大發(fā)熱面下游區(qū)域冷卻液溫度的結(jié)構(gòu)。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：

一種多通道分流冷卻裝置，包括進(jìn)水室、均流孔板、出水室、底板、分流結(jié)構(gòu)以及帶肋換熱板。底板、分流結(jié)構(gòu)和帶肋換熱板組成冷卻裝置主體。一定過冷度及流速的冷卻液由進(jìn)水室流入，流經(jīng)均流孔板進(jìn)入冷卻裝置主體，通過氣泡微細(xì)化沸騰將熱量帶走，最終由出水室流出。在冷卻裝置主體內(nèi)，冷卻液通過多個入口進(jìn)入換熱通道，再由相鄰的出口流出，有效保證了發(fā)熱面不同區(qū)域冷卻液過冷度均勻性，并減少了冷卻液在發(fā)熱面上的流動距離。

本發(fā)明還包括：

所述的帶肋換熱板選用導(dǎo)熱性能好的材料如銅、鋁等制作，以保證氣泡微細(xì)化沸騰的發(fā)生。

所述的進(jìn)水室、均流孔板、出水室、底板和分流結(jié)構(gòu)選用導(dǎo)熱性較差的材料如硅、不銹鋼等制作，以減小冷卻液流入換熱通道時與流入進(jìn)水室時的溫差。

所述的分流結(jié)構(gòu)的肋片上局部焊有細(xì)針，用于降低氣泡微細(xì)化沸騰發(fā)生時氣泡破碎所引入的壓力波動。

所述的分流結(jié)構(gòu)的入口尺寸及數(shù)量需根據(jù)實際發(fā)熱面尺寸設(shè)計，其可決定氣泡微細(xì)化沸騰是否發(fā)生，及最大的冷卻能力。

所述的分流結(jié)構(gòu)與帶肋換熱板通過耐溫膠或焊接的方式連接。

所述的氣泡微細(xì)化沸騰是指發(fā)生在一定過冷度下伴隨氣泡破碎和微小氣泡噴射的特殊沸騰現(xiàn)象，其發(fā)生時熱流密度遠(yuǎn)超常規(guī)沸騰臨界熱流密度。

所述的一定過冷度和流速是指保證氣泡微細(xì)化沸騰發(fā)生所需的冷卻液過冷度和流速。

本發(fā)明的優(yōu)勢在于：（1）結(jié)構(gòu)相對簡單，加工方便，利用換熱通道多入口流入及多出口流出的方式，有效解決了較大尺寸發(fā)熱面上無法實現(xiàn)氣泡微細(xì)化沸騰的問題。（2）換熱通道頂部細(xì)針可將沸騰產(chǎn)生的較大氣泡打碎，進(jìn)而有效降低氣泡微細(xì)化沸騰時由氣泡破碎引起的壓力波動。（3）均流孔板及分流結(jié)構(gòu)漸縮入口的設(shè)計可有效降低分流通道流量分配不均勻程度，減小進(jìn)水室尺寸。（4）由于氣泡微細(xì)化沸騰的換熱能力遠(yuǎn)超空冷、水冷及常規(guī)的沸騰換熱，因此本發(fā)明可解決其它冷卻裝置極難處理的極高工作熱負(fù)荷裝置和設(shè)備的冷卻問題。

附圖說明

圖1本發(fā)明的一個實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2帶肋換熱板示意圖；

圖3底板示意圖；

圖4分流結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5分流通道及換熱通道內(nèi)冷卻液流動方向示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明作更詳細(xì)說明：本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實施，給出了詳細(xì)的實施方案和具體操作過程，但本發(fā)明保護(hù)范圍不限于下屬實例。

參見圖1、圖2、圖3和圖4，本發(fā)明主要包括進(jìn)水室1、均流孔板2、分流結(jié)構(gòu)3、底板4、帶肋換熱板5以及出水室6。冷卻液以除氣水為例。進(jìn)水室1入口冷卻液過冷度建議在40-70k范圍內(nèi)，帶肋換熱板5尺寸為20cm×20cm，底部發(fā)熱功率為100kw。

參見圖2，熱量由底部換熱板8導(dǎo)入冷卻裝置，換熱板8和肋片7組成換熱通道。

參見圖3，所述的底板4開有帶肋換熱板5的安裝孔9，兩者可通過焊接或用耐溫膠的方式連接密封。

參見圖4，所述的分流結(jié)構(gòu)3采用漸縮式入口10，以增強分流通道流量分配均勻性。分流通道的入流及出流口尺寸根據(jù)實際情況設(shè)計，通道肋片上部焊有細(xì)針11，用于降低氣泡微細(xì)化沸騰發(fā)生時的壓力波動。細(xì)針直徑0.2-1mm，長度比換熱通道高度低3-5mm，排列方式可參見圖4中的局部放大圖此外，為保證氣泡微細(xì)化沸騰的發(fā)生及冷卻能力，分流結(jié)構(gòu)3設(shè)計有6個入口。

本發(fā)明實施流程如下：參見圖1及圖5，熱量通過帶肋換熱板5底部進(jìn)入，一定過冷度及流速的冷卻液由進(jìn)水室1進(jìn)入后，經(jīng)過均流孔板2，沿流動方向12分流到分流結(jié)構(gòu)的各入流通道13中，二次分流進(jìn)入各換熱通道15，冷卻液通過發(fā)生在換熱通道15內(nèi)的氣泡微細(xì)化沸騰將熱量帶走。由于換熱通道頂部的細(xì)針將較大氣泡打碎，氣泡微細(xì)化沸騰時氣泡破碎引起的壓力波動被有效減小。最終冷卻液由分流結(jié)構(gòu)各出流通道14流出，匯聚后由出水室6流出。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種利用微細(xì)化沸騰高效換熱技術(shù)的冷卻裝置。裝置主要包括進(jìn)水室、均流孔板、分流結(jié)構(gòu)、底板、帶肋換熱板以及出水室。氣泡微細(xì)化沸騰是一種發(fā)生在較小尺寸發(fā)熱面上，換熱能力遠(yuǎn)超單相換熱及常規(guī)沸騰換熱的特殊沸騰現(xiàn)象（熱流密度可達(dá)1?MW/m2）。本發(fā)明通過分流結(jié)構(gòu)和帶肋換熱板組合，形成多入口及多出口換熱通道以實現(xiàn)較大尺寸發(fā)熱面上氣泡微細(xì)化沸騰的發(fā)生。利用分流結(jié)構(gòu)上焊有的細(xì)針，降低由氣泡微細(xì)化沸騰時氣泡破碎所引入的壓力波動。本發(fā)明具有極高的冷卻能力且結(jié)構(gòu)相對簡單，可解決常規(guī)冷卻裝置不易處理的高工作熱負(fù)荷裝置和設(shè)備的冷卻問題。

技術(shù)研發(fā)人員：唐繼國;孫立成;莫征宇;劉洪濤;鮑靜靜;謝果
受保護(hù)的技術(shù)使用者：四川大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：2017.07.14
技術(shù)公布日：2017.09.08