微通道蒸发冷却器及微通道蒸发冷却强化方法

本发明涉及换热设备及强化传热，尤其是涉及一种微通道蒸发冷却器及微通道蒸发冷却强化方法。

背景技术：

1、随着科技的不断进步与发展，电子元器件趋向于集成化、微小化、紧凑化。而微电子器件产生更多的热量导致设备出现故障，微电子器件的散热成为当前的一个研究热点。因此微通道换热技术被越来越多地应用到航空航天、电子信息技术、空调、微机电系统等领域。

2、流动沸腾是指液体在流动过程中因加热而发生沸腾的现象，通常发生在蒸汽发生器、蒸发冷却器和化学反应器中，流动沸腾伴随着一系列复杂的流型变化，从流体未开始沸腾的单相流到开始加热的泡沫流，随着加热强度的增加，气泡合并成较大的气体塞，这些气体塞在液体中交替流动的形式被称为段塞流，然后流型逐渐变化成弹状流、环状流、雾状流。其中段塞流的流动不稳定，压力和温度波动显著，在工业应用中，缩短段塞流的形成和存在时间是蒸发冷却器提升换热能力的关键之处。

3、因此，如何缩短段塞流的形成和存在时间，以提升蒸发冷却器换热能力本成为了本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种微通道蒸发冷却器，以解决现有技术中由于段塞流的形成或者存在时间过长，导致蒸发冷却器换热能力差的技术问题。

2、本发明的目的之二在于提供一种微通道蒸发冷却强化方法。

3、为了实现上述目的之一，本发明提供了一种微通道蒸发冷却器，包括蒸发冷却器本体，所述蒸发冷却器本体含有中空内腔，所述蒸发冷却器本体上还设有流体进口和流体出口，所述流体进口和所述流体出口与所述中空内腔连通，所述中空内腔内设有均匀微通道、气泡分割混合器和非均匀微通道，所述气泡分割混合器与所述非均匀微通道在流体流动方向上间隔排布。

4、可选地，所述气泡分割混合器包括第一气泡分割混合器和第二气泡分割混合器，所述非均匀微通道包括第一非均匀微通道和第二非均匀微通道，所述第一气泡分割混合器位于所述均匀微通道和所述第一非均匀微通道之间，所述第二气泡分割混合器设于所述第一非均匀微通道和所述第二非均匀微通道之间。

5、可选地，所述中空内腔内还设有进口集液腔，所述进口集液腔连通所述流体进口和所述均匀微通道；

6、所述中空内腔还设有出口集液腔，所述出口集液腔连通所述流体出口和所述第二非均匀微通道。

7、可选地，所述均匀微通道在流体流动方向上的每条微通道的当量直径均相等。

8、可选地，所述非均匀微通道在垂直流动方向上由窄通道和宽通道间隔排布，所述宽通道的当量直径是所述窄通道的当量之间的3倍以上。

9、可选地，所述气泡分割混合器由至少两排交错排布的楔形分割柱组成。

10、可选地，流体在所述均匀微通道的出口形成大小不一的气泡，气泡随流体进入所述气泡分割混合器，大气泡在楔形分割柱的尖锐前沿分割成小气泡，气泡分割使气相体积不变的条件下增加了气液接触面积，楔形分割柱交错排列强化两相对流效应。

11、可选地，从所述气泡分割混合器流出的两相混合物，流向所述非均匀微通道，在所述非均匀微通道入口处，由于宽通道和窄通道入口处气液界面的毛细压差不同，蒸汽进入宽通道需要克服的毛细压差小，气液界面更倾向进入宽通道，其中气液界面上的毛细压差可表示为：

12、

13、pv为气相压力，pl为液相压力，σ为界面张力，r为通道半径，r越大毛细压差越小，对气液界面运动的阻力越小。

14、可选地，所述非均匀微通道的窄通道对大气泡产生过滤效应，大气泡大部分进入宽通道，形成了宽通道以大气泡和气相流动为主，窄通道以小气泡和液相为主的流动结构。

15、为了实现上述目的之二，本发明提供了一种微通道蒸发冷却强化方法，在微通道蒸发冷却器内依次设置进口集液腔、均匀微通道、气泡分割混合器、非均匀微通道、出口集液腔，冷却工质由微通道入口的集液腔进入均匀微通道发生气液相变，在气泡分割混合器中，大气泡在楔形分割柱的尖锐前沿分割成小气泡，气泡分割使气相体积不变的条件下增加了气液接触面积，楔形分割柱交错排列强化两相对流效应，由于宽通道和窄通道入口处气液界面的毛细压差不同，蒸汽进入宽通道需要克服的毛细压差小，气液界面更倾向进入宽通道，其截面含气率较高，易于在宽通道内形成以环状流为主的薄液膜对流蒸发传热模式，窄通道中发生以核态沸腾为主的小气泡的生长和新气泡的核化过程，这种在垂直于流动方向的宽窄通道内同时存在的薄液膜对流蒸发和核态沸腾两种高效换热模式显著提高传热性能，减少传统微通道内段塞流导致的流动和传热不稳定性。

16、本发明提供的微通道蒸发冷却器，具有以下技术效果：

17、该种微通道蒸发冷却器，主要由蒸发冷却器本体构成，蒸发冷却器本体含有中空内腔，蒸发冷却器本体上还设有流体进口和流体出口，流体进口和流体出口与中空内腔连通，中空内腔内设有均匀微通道、气泡分割混合器和非均匀微通道，气泡分割混合器与非均匀微通道在流体流动方向上间隔排布，本发明的流体经流体进口到达均匀微通道受热发生气液相变，在均匀微通道的出口经气泡分割混合器使大气泡分割成小气泡，强化两相对流效应，气泡分割混合器产生的两相混合物，因非均匀微通道的界面效应，在非均匀微通道入口处对气泡进行筛选，形成了窄通道内以小气泡、液相为主，宽通道以大气泡和气相流动为主的流动结构，并在窄通道内发生小气泡的生长和新气泡的核化，在宽通道内大气泡合并迅速经过弹状流到环状流，通过气液分割强化两相流和宽窄通道中实现气液分离流动，提升蒸发冷却器的临界热流和流动稳定性。

技术特征：

1.一种微通道蒸发冷却器，包括蒸发冷却器本体，所述蒸发冷却器本体含有中空内腔，所述蒸发冷却器本体上还设有流体进口和流体出口，所述流体进口和所述流体出口与所述中空内腔连通，其特征在于，所述中空内腔内设有均匀微通道、气泡分割混合器和非均匀微通道，所述气泡分割混合器与所述非均匀微通道在流体流动方向上间隔排布。

2.根据权利要求1所述的微通道蒸发冷却器，其特征在于，所述气泡分割混合器包括第一气泡分割混合器和第二气泡分割混合器，所述非均匀微通道包括第一非均匀微通道和第二非均匀微通道，所述第一气泡分割混合器位于所述均匀微通道和所述第一非均匀微通道之间，所述第二气泡分割混合器设于所述第一非均匀微通道和所述第二非均匀微通道之间。

3.根据权利要求2所述的微通道蒸发冷却器，其特征在于，所述中空内腔内还设有进口集液腔，所述进口集液腔连通所述流体进口和所述均匀微通道；

4.根据权利要求1所述的微通道蒸发冷却器，其特征在于，所述均匀微通道在流体流动方向上的每条微通道的当量直径均相等。

5.根据权利要求1所述的微通道蒸发冷却器，其特征在于，所述非均匀微通道在垂直流动方向上由窄通道和宽通道间隔排布，所述宽通道的当量直径是所述窄通道的当量之间的3倍以上。

6.根据权利要求1-5任一所述的微通道蒸发冷却器，其特征在于，所述气泡分割混合器由至少两排交错排布的楔形分割柱组成。

7.根据权利要求6所述的微通道蒸发冷却器，其特征在于，流体在所述均匀微通道的出口形成大小不一的气泡，气泡随流体进入所述气泡分割混合器，大气泡在楔形分割柱的尖锐前沿分割成小气泡，气泡分割使气相体积不变的条件下增加了气液接触面积，楔形分割柱交错排列强化两相对流效应。

8.根据权利要求7所述的微通道蒸发冷却器，其特征在于，从所述气泡分割混合器流出的两相混合物，流向所述非均匀微通道，在所述非均匀微通道入口处，由于宽通道和窄通道入口处气液界面的毛细压差不同，蒸汽进入宽通道需要克服的毛细压差小，气液界面更倾向进入宽通道，其中气液界面上的毛细压差可表示为：

9.根据权利要求8所述的微通道蒸发冷却器，其特征在于，所述非均匀微通道的窄通道对大气泡产生过滤效应，大气泡大部分进入宽通道，形成了宽通道以大气泡和气相流动为主，窄通道以小气泡和液相为主的流动结构。

10.一种微通道蒸发冷却强化方法，其特征在于，在微通道蒸发冷却器内依次设置进口集液腔、均匀微通道、气泡分割混合器、非均匀微通道、出口集液腔，冷却工质由微通道入口的集液腔进入均匀微通道发生气液相变，在气泡分割混合器中，大气泡在楔形分割柱的尖锐前沿分割成小气泡，气泡分割使气相体积不变的条件下增加了气液接触面积，楔形分割柱交错排列强化两相对流效应，由于宽通道和窄通道入口处气液界面的毛细压差不同，蒸汽进入宽通道需要克服的毛细压差小，气液界面更倾向进入宽通道，其截面含气率较高，易于在宽通道内形成以环状流为主的薄液膜对流蒸发传热模式，窄通道中发生以核态沸腾为主的小气泡的生长和新气泡的核化过程，这种在垂直于流动方向的宽窄通道内同时存在的薄液膜对流蒸发和核态沸腾两种高效换热模式显著提高传热性能，减少传统微通道内段塞流导致的流动和传热不稳定性。

技术总结
本发明提供了一种微通道蒸发冷却器，涉及换热设备及强化传热技术领域，该种微通道蒸发冷却器，流体经流体进口到达均匀微通道受热发生气液相变，在均匀微通道的出口经气泡分割混合器使大气泡分割成小气泡，强化两相对流效应，气泡分割混合器产生的两相混合物，因非均匀微通道的界面效应，在非均匀微通道入口处对气泡进行筛选，形成了窄通道内以小气泡、液相为主，宽通道以大气泡和气相流动为主的流动结构，并在窄通道内发生小气泡的生长和新气泡的核化，在宽通道内大气泡合并迅速经过弹状流到环状流，通过气液分割强化两相流和宽窄通道中实现气液分离流动，提升蒸发冷却器的临界热流和流动稳定性。

技术研发人员：张伟,翟祥瑞,张倩倩,杨绪飞,孙东亮,马长山,王金东,陈长江
受保护的技术使用者：北京石油化工学院
技术研发日：
技术公布日：2024/3/24