一种三级相变换热器制造技术

一种三级相变换热器，用于超高热流密度大功率元器件的散热，包括：换热器主体，其包括金属口琴管、金属或合金固液相变材料腔体、腔体外的扩展散热表面、两个端头；冷却液体喷嘴及其支撑结构，包括：支撑结构及喷嘴或者喷嘴阵列。制冷剂流体工质经端头流入金属口琴管，吸收由口琴管下壁面导入的热量，汽化的制冷剂从金属口琴管另一端头流出。产热剧增时，腔体内的金属或合金固材料发生固液相变，同时顶部的喷嘴喷出雾化冷却(绝缘)液体，后者接触到散热壳体上表面，吸热发生汽化，通过以上金属或合金固液相变和冷却液体喷雾液气相变两种相变潜热来吸收这部分“额外”的瞬时大热流热量，保证大功率元器件温度维持在一定范围内正常工作。作。

【技术实现步骤摘要】
一种三级相变换热器


[0001]本专利技术涉及一种三级相变换热器。

技术介绍

[0002]大功率元器件作为电子器件的核心部件，其热流密度呈迅速增长的趋势，目前已达到1000W/cm2级别。目前，大功率元器件的散热方式主要依靠风冷，液冷和两相流散热近些年来也得到了推广。风冷由于散热能力有限，目前发展已经遇到了瓶颈。液冷和两相流散热形式具有散热能力强、所使用的换热器结构体积小的特点，在大功率元器件散热领域有广泛的应用前景。这两种散热形式所用的散热器整体结构基本相似，都是工质流体流经换热器密封空腔(一般腔体内有流道，或者强化换热结构)，通过工质自身温升或者发生相变来吸收大功率元器件的产热。
[0003]这种单一结构的换热器能够应对大功率元器件正常工作时的产热，但是对于大功率元器件短时间内高频工作所产生的热量则无法及时转移，极易造成工质流体含气率上升导致干涸，换热能力骤降。为此，有必要提出一种新型的换热器，既能够带走大功率元器件正常工作时的产热，又能应对大功率元器件短时高频工作的“额外”产热。

技术实现思路

[0004]根据本专利技术的一个方面，提供了一种三级相变换热器，其特征在于包括：
[0005]换热器主体，
[0006]冷却液体喷嘴，
[0007]冷却液体喷嘴的支撑结构，
[0008]换热器主体包括：
[0009]一段金属口琴管，
[0010]一个金属和/或合金固液相变材料腔体，
[0011]两个端头，
[0012]其中：
[0013]金属口琴管贴合在发热大功率元器件上，
[0014]金属口琴管内部具有多个平行孔道，
[0015]金属和/或合金固液相变材料腔体位于金属口琴管的上面；
[0016]在孔道方向上，金属口琴管的入、出口与两个端头连接；
[0017]冷却液体喷嘴及冷却液体喷嘴的支撑结构包括：
[0018]一个支撑结构，
[0019]一个喷嘴和/或一个含有多个的喷嘴阵列。
[0020]根据本专利技术的另一个方面，提供了基于上述三级相变换热器的一种三级相变换热方法。
附图说明
[0021]图1为根据本专利技术的一个实施例的三级相变换热器整体示意图。
[0022]图2为图1所示的三级相变换热器的俯视图。
[0023]图3A为沿图2中的B-B截面的剖视图。图3B为沿图2中的A-A截面的剖视图。
[0024]图4为包括根据本专利技术的一个实施例的三级相变换热器的大功率元器件散热系统的示意图。
[0025]图5为包括根据本专利技术的一个实施例的三级相变换热器的大功率元器件散热系统的示意图。
具体实施方式
[0026]本专利技术针对现有换热器的不足，通过加入低熔点相变材料结合喷雾冷却来吸收大功率元器件短时高频工作的产热、抑制大功率元器件温度的快速上升，保证大功率元器件正常工作。
[0027]一种三级相变换热器，其特征在于：该换热器结构包括：换热器主体，喷嘴及其支撑结构。换热器主体包括一段金属口琴管(1)，一个金属或合金固液相变材料腔体(2)，两个端头(3)、(4)，其中金属口琴管(1)贴合在发热大功率元器件上，金属口琴管内部是多个小尺度的平行孔道；金属或合金固液相变材料腔体(2)位于金属口琴管(1)上面；在孔道方向上，金属口琴管(1)的入、出口与两个端头(3)、(4)连接；冷却液体喷嘴及其支撑结构包括一个支撑结构(5)，喷嘴或者喷嘴阵列(6)。
[0028]所述的金属口琴管(1)内部是多个小尺度的平行孔道，水力直径小于1mm，孔道内流通的是制冷剂或水，孔道入口是单相流体，出口为单相或两相流体。
[0029]所述的孔道其横截面形状不局限于图3A和3B中显示的矩形，可以是其他形式的横截面形状。
[0030]所述的金属或合金固液相变材料腔体其中空部分填充了特定的相变材料,其顶部端盖外表面有槽道。
[0031]所述的特定的相变材料是据换热器实际使用工况选择的，尤指低熔点金属相变材料。
[0032]所述的支撑结构(5)不限于图1中的结构。
[0033]所述的金属口琴管(1)，一个金属或合金固液相变材料腔体(2)，两个端头(3)、(4)的材质可以是铜，铝及铝合金，或其他满足导热和强度需要的金属材料。
[0034]所述的金属口琴管(1)，一个金属或合金固液相变材料腔体(2)，两个端头(3)、(4)是焊接在一起的。其中金属或合金固液相变材料腔体(2)的四周边框下边沿与金属口琴管(1)上表面及端头(3)、(4)焊连在一起，上边沿与一块适当厚度的矩形金属盖板焊接在一起，最终形成一个密封腔。
[0035]与现有技术相比，本专利技术技术方案的有益效果如下：
[0036](1)本专利技术不但可以解决大功率元器件正常工作时的发热问题，还能解决该元件短时高频工作产生的大量热负荷。
[0037](2)在低发热功率情况下，只有制冷剂循环参与工作，因此有明显的节能效果。
[0038](3)金属或合金固液相变材料导热能力强，可以迅速吸收大功率元件产热，缓解温
升速度。
[0039](4)雾化的冷却液液滴冲击换热表面后汽化，换热能力极强，能够及时控制大功率元件的温度。
[0040]下面结合附图和实例、对本专利技术的具体实施方式做进一步详细的说明，但不应以此限制本专利技术的保护范围。
[0041]如图1、图2、图-3A和图3B所示，根据本专利技术的一个实施例的一种三级相变换热器包含换热器主体，冷却液体喷嘴及其支撑结构。换热器主体包括一段金属口琴管(1)，一个金属或合金固液相变材料腔体(2)，两个端头(3)、(4)；其中，金属口琴管(1)贴合在发热大功率元器件上，其间填充有高效导热材料，降低接触热阻，金属口琴管(1)内部是多个小尺度的平行孔道(1-1)；金属或合金固液相变材料腔体(2)位于金属口琴管(1)上面；在孔道方向上，金属口琴管(1)与两个端头(3)和(4)连接；冷却液体喷嘴及其支撑结构包括支撑结构(5)和喷嘴或者喷嘴阵列(6)。
[0042]在实际使用中，根据本专利技术的三级相变换热器的大小可以根据发热大功率元器件的尺寸来调整，尤其是，根据本专利技术的三级相变换热器所包含的金属口琴管内部的孔道数目、孔道长度、孔道尺寸会发生变化。
[0043]根据本专利技术的三级相变换热器的使用操作可以通过散热循环实现。针对不同的应用场景：(1)开放环境，冷却液不需要回收；(2)封闭环境，冷却液需要回收，本专利技术提出了两种不同的实施例。
[0044]实施例1：
[0045]如图4所示，根据本专利技术的一个实施例的大功率元器件散热系统包括根据本专利技术的三级相变换热器(1)、大功率元器件(2)、散热器(3)、储液罐(4)、氟泵(5)、冷却液供液系统和连接管路。根据本专利技术的一个具体实施例，相变材料选择为48℃的低熔点相变金属材料，填充在导热肋片(2-1)之间。制冷剂在氟泵的驱动下，进入三级相变换热器，吸收大功率元本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三级相变换热器，其特征在于包括：换热器主体，冷却液体喷嘴，冷却液体喷嘴的支撑结构，换热器主体包括：一段金属口琴管(1)，一个金属和/或合金固液相变材料腔体(2)，两个端头(3、4)，其中：金属口琴管(1)贴合在发热大功率元器件上，金属口琴管内部具有多个平行孔道，金属和/或合金固液相变材料腔体(2)位于金属口琴管(1)的上面；在孔道方向上，金属口琴管(1)的入、出口与两个端头(3、4)连接；冷却液体喷嘴及冷却液体喷嘴的支撑结构包括：一个支撑结构(5)，一个喷嘴和/或一个含有多个喷嘴的喷嘴阵列(6)。2.根据权利要求1所述的三级相变换热器，，其特征在于：平行孔道(1-1)内用于流通制冷剂，在平行孔道(1-1)入口处的制冷剂为单相流体，当大功率元器件发热量小时，制冷剂通过显热吸收热量；当发热量大的时，制冷剂通过潜热吸收热量。3.根据权利要求2所述的三级相变换热器，其特征在于：每个平行孔道(1-1)均具有小的水力直径，小于1mm，属于微通道。其横截面形状如图3所示为矩形，但不局限图中的截面形状。4.根据权利要求1所述的三级相变换热器，其特征在于：金属和/或合金固液相变材料腔体(2)的内部设有导热肋片(2-1)，用于强化金属和/或合金固液相变材料的内部的导热，金属和/或合金固液相变材料被填充肋片(2-1)之间。5.根据权利要求4所述的三级相变换热器，其特征在于：金属和/或合金固液相变材料通过固液相变吸收大功率元器件短时高频工作时的大量产热，金属或合金固液相变材料腔体(2)的顶部端盖的外表面设有槽道(2-2)，用于加大冷却液与表面的换热。6.根据权利要求1所述的三级相变换热器，其特征在于：支撑结构(5)用于保证喷嘴和/或喷嘴阵列(6)与换热器主体之间的位置相对固定。7.根据权利要求1所述的三级相变换热器，其特征在于：喷嘴和/或喷嘴阵列(6)用于喷出雾化冷却液，雾化冷却液接触金属或合金固液相变材料腔体(2)顶部槽道表面并发生相变，从而带走大功率元器件在短时高频工作时所产生的热量，
...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁卫星，任柯先，苗泽，侯佳琪，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：