[發明專利]基于汽液多相流體交錯分割的微通道沸騰傳熱系統及方法

在審

• 申請號: 201910432640.2
• 申請日: 2019-05-23
• 公開（公告）號: CN110282596A
• 公開（公告）日: 2019-09-27
• 發明（設計）人: 張偉;于俊杰;郭明宇;劉廣林;徐進良
• 申請（專利權）人: 華北電力大學
• 主分類號: B81B7/00
• 分類號: B81B7/00;B81C1/00;H01L23/473
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司 11246
• 代理人: 張文寶

本發明公開了一種屬于微蒸發器領域的強化傳熱系統及方法，由上層蓋板、周期性交錯型微通道陣列板以及模擬熱源組成。液態工質進入交錯型微通道陣列受熱發生氣液相變，汽液兩相工質在交錯型微通道陣列內發生周期性分割，同時實現五類強化傳熱模式：(1)氣相分割增加了氣液接觸面積從而增加潛熱交換；(2)過熱液體能量從更多氣液界面進行釋放，減小了界面膨脹速率，從根本上抑制界面快速膨脹導致的流動及熱不穩定性；(3)氣泡分割延緩了大面積蒸汽膜覆蓋加熱面導致傳熱惡化；(4)增加了氣泡尾部擾流區域，增強對流換熱；(5)液相的周期性分割使近壁區熱邊界層發生周期性脫離和再發展，顯著近壁區換熱熱阻，提高對流換熱。

技術領域

本發明屬于微通道相變傳熱技術領域，特別涉及一種基于汽液多相流體交錯分割的微通道沸騰傳熱系統及方法。

背景技術

隨著微納米尺度技術的發展，電子元件的尺寸越來越小，集成化程度越來越高，芯片的熱流密度急劇增大，高集成度芯片的最高熱通量能達到100W/cm²,對芯片的熱管理提出了更高的需求。已經有研究表明，芯片溫度每上升10℃，可靠性降低50％，因此電子元件的可靠性增加，亟需發展高熱流密度電子芯片冷卻技術。微通道蒸發器具有結構緊湊、比表面積大、換熱系數高的優點，且微通道蒸發器內工質從液態轉變為氣態時吸收大量的潛熱，具有較高的傳熱速率。微通道蒸發器有望成為下一代高熱流電子芯片冷卻的關鍵核心技術。然而，盡管學術界和工業界在微通道蒸發器進行了較多的研究工作，仍存在以下兩個關鍵問題：

(1)無論是電子芯片擬采用的硅基微通道蒸發器還是工業領域采用的金屬基蒸發器，由于通道尺度的減小，所采用的加工工藝較常規的大尺度換熱器更為精密，如硅基微蒸發器采用MEMS工藝加工，金屬基微通道蒸發器采用精密機床、激光加工等，由于加工精度的提高，表面粗糙度減小，導致微通道蒸發器的核化穴尺度相對較小，微通道內發生氣液相變所需的壁面過熱度與核化穴尺寸成反比，因此，較小的核化穴尺度導致較高的壁面過熱度，從而產生沸騰系統的啟動過溫現象；

(2)在相對較高的壁面過熱度下，液體也處于高過熱的亞穩態，一旦核化穴處發生氣泡核化，氣泡便迅速生長充滿整個微通道的流動界面，過熱的亞穩態液體內儲存的能量通過有限的氣液界面進行集中快速釋放，導致氣液界面的迅速膨脹，使得通道內流量、壓降、溫度等產生大幅脈動，氣液界面甚至會倒流到通道入口的儲液槽，對微通道換熱器的穩定運行提出了挑戰。

針對上述兩個問題，目前，通過增加人造核化穴減小啟動過溫和通過在通道入口布置節流裝置是抑制不穩定性的常規方法。

采用入口布置節流裝置來消除不穩定性會導致整個微通道蒸發器的壓降增大，雖然可以部分抑制通道內氣液相變過程中的流體倒流，但是節流裝置后的通道內氣液界面的震蕩和溫度波動問題仍無法有效解決。氣液界面的急劇膨脹的根本原因是由于過熱液體的能量在有限的氣液交界面上集中快速釋放導致的，如若通過一段的手段或方法增加氣液交界面的面積，那么過熱液體的能量能夠從較大的氣液接觸面上釋放，可從根本上減緩氣液界面的膨脹速率，抑制不穩定性的產生。在理想條件下，對于半徑為r，體積為V的球形氣泡，滿足體積表面積S＝4πr²。當該球形氣泡被分割兩個相同體積的氣泡，則每個氣泡的體積變為每個氣泡的表面積變為大氣泡分割成兩個氣泡后的總表面積為即氣泡分割后，在體積不變的情況下，其表面積可提高約26％。

發明內容

本發明的目的是提出一種基于氣液多相流體交錯分割的微通道沸騰傳熱系統及方法，其特征在于，所述基于氣液多相流體交錯分割的微通道沸騰傳熱系統，其特征在于，該微通道沸騰傳熱系統由上層蓋板1、底層微通道陣列板2以及模擬熱源3組成；所述上層蓋板1上有進液口11和出液口12；所述底層微通道陣列板2正面有周期性交錯分割排列的平行微通道陣列21、22、23、24，進口儲液槽25及出口儲液槽26；所述模擬熱源3位于底層微通道陣列板2背面并正對所述周期性交錯分割排列的第一平行微通道陣列21、第二平行微通道陣列22、第三平行微通道陣列23、第四平行微通道陣列24區域并向該區域提供加熱熱流。