基于汽液多相流体交错分割的微通道沸腾传热系统及方法与流程

本发明属于微通道相变传热技术领域，特别涉及一种基于汽液多相流体交错分割的微通道沸腾传热系统及方法。

背景技术：

随着微纳米尺度技术的发展，电子元件的尺寸越来越小，集成化程度越来越高，芯片的热流密度急剧增大，高集成度芯片的最高热通量能达到100w/cm²,对芯片的热管理提出了更高的需求。已经有研究表明，芯片温度每上升10℃，可靠性降低50％，因此电子元件的可靠性增加，亟需发展高热流密度电子芯片冷却技术。微通道蒸发器具有结构紧凑、比表面积大、换热系数高的优点，且微通道蒸发器内工质从液态转变为气态时吸收大量的潜热，具有较高的传热速率。微通道蒸发器有望成为下一代高热流电子芯片冷却的关键核心技术。然而，尽管学术界和工业界在微通道蒸发器进行了较多的研究工作，仍存在以下两个关键问题：

(1)无论是电子芯片拟采用的硅基微通道蒸发器还是工业领域采用的金属基蒸发器，由于通道尺度的减小，所采用的加工工艺较常规的大尺度换热器更为精密，如硅基微蒸发器采用mems工艺加工，金属基微通道蒸发器采用精密机床、激光加工等，由于加工精度的提高，表面粗糙度减小，导致微通道蒸发器的核化穴尺度相对较小，微通道内发生气液相变所需的壁面过热度与核化穴尺寸成反比，因此，较小的核化穴尺度导致较高的壁面过热度，从而产生沸腾系统的启动过温现象；

(2)在相对较高的壁面过热度下，液体也处于高过热的亚稳态，一旦核化穴处发生气泡核化，气泡便迅速生长充满整个微通道的流动界面，过热的亚稳态液体内储存的能量通过有限的气液界面进行集中快速释放，导致气液界面的迅速膨胀，使得通道内流量、压降、温度等产生大幅脉动，气液界面甚至会倒流到通道入口的储液槽，对微通道换热器的稳定运行提出了挑战。

针对上述两个问题，目前，通过增加人造核化穴减小启动过温和通过在通道入口布置节流装置是抑制不稳定性的常规方法。

采用入口布置节流装置来消除不稳定性会导致整个微通道蒸发器的压降增大，虽然可以部分抑制通道内气液相变过程中的流体倒流，但是节流装置后的通道内气液界面的震荡和温度波动问题仍无法有效解决。气液界面的急剧膨胀的根本原因是由于过热液体的能量在有限的气液交界面上集中快速释放导致的，如若通过一段的手段或方法增加气液交界面的面积，那么过热液体的能量能够从较大的气液接触面上释放，可从根本上减缓气液界面的膨胀速率，抑制不稳定性的产生。在理想条件下，对于半径为r，体积为v的球形气泡，满足体积表面积s＝4πr²。当该球形气泡被分割两个相同体积的气泡，则每个气泡的体积变为每个气泡的表面积变为大气泡分割成两个气泡后的总表面积为即气泡分割后，在体积不变的情况下，其表面积可提高约26％。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种基于气液多相流体交错分割的微通道沸腾传热系统及方法，其特征在于，所述基于气液多相流体交错分割的微通道沸腾传热系统，其特征在于，该微通道沸腾传热系统由上层盖板1、底层微通道阵列板2以及模拟热源3组成；所述上层盖板1上有进液口11和出液口12；所述底层微通道阵列板2正面有周期性交错分割排列的平行微通道阵列21、22、23、24，进口储液槽25及出口储液槽26；所述模拟热源3位于底层微通道阵列板2背面并正对所述周期性交错分割排列的第一平行微通道阵列21、第二平行微通道阵列22、第三平行微通道阵列23、第四平行微通道阵列24区域并向该区域提供加热热流。

所述周期性交错分割排列的第一平行微通道阵列21、第二平行微通道阵列22、第三平行微通道阵列23、第四平行微通道阵列24在沿程方向上彼此交错排列，排列方式为下游通道肋壁的中心线正对上游通道的中心线。

所述周期性交错分割排列的第一平行微通道阵列21、第二平行微通道阵列22、第三平行微通道阵列23、第四平行微通道阵列24的肋壁两端均为形状相同且长度等于l的尖锐三角形，且两个相互交错的平型微通道阵列的交错区域长度等于尖锐三角形部分的长度l。

所述周期性交错分割排列的第一平行微通道阵列21、第二平行微通道阵列22、第三平行微通道阵列23、第四平行微通道阵列24的每个通道上游的来流在上游肋壁的尖锐尾端发生边界层脱离；在下游肋壁前端尖锐刀锋处发生气相的分割以及液相边界层的再发展。

所述周期性交错分割排列的第一平行微通道阵列21、第二平行微通道阵列22、第三平行微通道阵列23、第四平行微通道阵列24的通道水力直径应小于临界毛细尺度，所述微通道水力直径di应不大于：

其中di为微通道的水力直径，g为重力加速度，ρl、ρg分别为所述传热工质的液相、汽相密度，σ为工质的液相和汽相之间界面张力。

所述周期性交错分割排列的第一平行微通道阵列21、第二平行微通道阵列22、第三平行微通道阵列23、第四平行微通道阵列24交错区域的水力直径di应满足压降不变原则，即：

其中di为平行微通道的水力直径，θ为肋壁前端的尖锐角度，di为交错区域的水力直径。

所述基于气液多相流体交错分割的微通道沸腾传热方法，其特征在于，所述微通道沸腾传热方法是单相液态工质由进液口11经进口储液槽25进入周期性交错分割排列的第一平行微通道阵列21、第二平行微通道阵列22、第三平行微通道阵列23、第四平行微通道阵列24，在模拟热源3的加热热流下，工质在周期性交错分割排列的第一平行微通道阵列21、第二平行微通道阵列22、第三平行微通道阵列23、第四平行微通道阵列24内发生气液相变而形成多相流，在第一平行微通道阵列21、第二平行微通道阵列22、第三平行微通道阵列23、第四平行微通道阵列24彼此交错区域分别产生流体分割以及边界层脱离和再发展，以及大气泡周期性分割为小气泡，同时实现显热和潜热换热的强化，达到同时实现五类强化传热模式：(1)通过气相分割使得气液接触面的增加从而增加潜热换热量；(2)气相分割使得气液界面增加，气泡周围过热液体内储存的能量能够从更多气液交换面积进行释放，减小了气液界面的膨胀速率，从根本上抑制由于气液界面快速膨胀导致的倒流以及流量、压降、温度的不稳定性；(3)大气泡分割成小气泡，延缓了大气泡易于聚合形成蒸汽膜覆盖加热壁面而产生传热的恶化，增大了临界热流密度；(4)气泡尾涡处由于流体的高度交混具有较高的传热系数，气泡分割使得单个气泡尾部扰流区域变为分割后的两个尾部扰流区域，将显著增强对流显热交换；(5)对于液相的周期性分割可使近壁区热边界层周期性的脱离和重新再发展，由于热边界层的热阻较大，周期性破坏边界层，显著减小近壁区换热热阻，提高对流显热交换。

本发明的有益效果是本发明提出一种基于汽液多相流体交错分割的微通道沸腾强化传热方法及系统，通过多相流体包括气相和液相的周期性分割，使得气泡数目增加，气液接触面积增大。同时气泡周围的扰流区域变大，从根本上抑制由于气液界面快速膨胀导致的倒流以及流量、压降、温度的不稳定性，而液相的分割实现了边界层周期性的脱离和再发展，实现了显热和潜热的强化。本发明具有较强的科学创新性和技术实用性。

附图说明

图1为基于气液多相流体交错分割的微通道沸腾传热强化系统整体示意图。

图2为下层微通道阵列板a-a的剖面示意图。

图3为微通道阵列板背面结构示意图。

图4为微通道阵列板正面交错分割排列的平行微通道阵列结构示意图。

图5为交错分割排列的平行微通道阵列内流体分割原理示意图。

附图标记表示为：

1-上层盖板；2-微通道阵列板；3-模拟热源；11-进液口；12-出液口；25-进口储液槽；26-出口储液槽；21,22,23,24均为平行微通道阵列

具体实施方式

本发明提出一种基于气液多相流体交错分割的微通道沸腾传热系统及方法，下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。

实施例1

如图1-4所示为基于气液多相流体交错分割的微通道沸腾传热系统，由上层盖板1、底层基于流体交错分割的微通道阵列板2以及模拟热源3组成。所述上层盖板上有进液口11和出液口12；所述底层基于流体交错分割的微通道阵列板2正面有周期性交错分割排列的第一平行微通道阵列21、第二平行微通道阵列22、第三平行微通道阵列23、第四平行微通道阵列24，进口储液槽25及出口储液槽26；所述模拟热源3位于所述基于流体交错分割的微通道阵列板2背面并正对所述周期性交错分割排列的第一平行微通道阵列21、第二平行微通道阵列22、第三平行微通道阵列23、第四平行微通道阵列24区域并向该区域提供加热热流。所述上层盖板(1)的材质为耐热玻璃、硅、陶瓷或常用金属不锈钢、铜或铝；底层微通道阵列板(2)的材质为硅、陶瓷或换热器常用金属不锈钢、铜或铝等；所述模拟热源(3)为利用电阻发热的电加热元件。

当单相液态工质由进液口11经进口储液槽25进入周期性交错分割排列的第一平行微通道阵列21、第二平行微通道阵列22、第三平行微通道阵列23、第四平行微通道阵列24后，在模拟热源3的加热热流下，工质在周期性交错分割排列的第一平行微通道阵列21、第二平行微通道阵列22、第三平行微通道阵列23、第四平行微通道阵列24内发生气液相变而形成多相流，在所述周期性交错分割排列的第一平行微通道阵列21、第二平行微通道阵列22、第三平行微通道阵列23、第四平行微通道阵列24彼此交错区域分别产生流体分割以及边界层脱离和再发展，并通过所述五类强化传热模式强化微通道中沸腾换热。

所述周期性交错分割排列的第一平行微通道阵列21、第二平行微通道阵列22、第三平行微通道阵列23、第四平行微通道阵列24在沿程方向上彼此交错排列，排列方式为下游通道肋壁的中心线正对上游通道的中心线；

所述周期性交错分割排列的第一平行微通道阵列21、第二平行微通道阵列22、第三平行微通道阵列23、第四平行微通道阵列24的肋壁两端均为形状相同且长度等于为l的尖锐三角刀锋形，且两个相互交错的平型微通道阵列的交错区域长度等于尖锐刀锋部分的长度l。每个通道上游的来流在彼此交错区域的进口分割成流通面积相同的两路，在交错区域出口交错混合；

所述周期性交错分割排列的第一平行微通道阵列21、第二平行微通道阵列22、第三平行微通道阵列23、第四平行微通道阵列24的通道水力直径应小于临界毛细尺度，所述微通道水力直径di一般条件下应不大于：

其中di为微通道的水力直径，g为重力加速度，ρl、ρg分别为所述传热工质的液相、汽相密度，σ为工质的液相和汽相之间界面张力。

所述周期性交错分割排列的第一平行微通道阵列21、第二平行微通道阵列22、第三平行微通道阵列23、第四平行微通道阵列24交错区域的水力直径di应满足压降不变原则，即

其中di为平行微通道的水力直径，为肋壁前端的尖锐角度，di为交错区域的水力直径。

实施例2

如图5所示为一种基于气液多相流体交错分割的微通道沸腾传热强化方法，单相液态工质由进液口11经进口储液槽25进入周期性交错分割排列的第一平行微通道阵列21、第二平行微通道阵列22、第三平行微通道阵列23、第四平行微通道阵列24，在模拟热源3的加热热流下，工质在周期性交错分割排列的微通道阵列21、22、23、24内发生气液相变而形成多相流，在第一平行微通道阵列21、第二平行微通道阵列22、第三平行微通道阵列23、第四平行微通道阵列24彼此交错区域分别产生流体分割以及边界层脱离和再发展，以及大气泡周期性分割为小气泡，本系统利用多相流体的周期性交错分割实现液相边界层周期性脱离和再发展，实现显热和潜热换热的强化，达到同时实现五类强化传热模式：(1)通过气相分割使得气液接触面的增加从而增加潜热换热量；(2)气相分割使得气液界面增加，气泡周围过热液体内储存的能量可以从更多气液交换面积进行释放，减小了气液界面的膨胀速率，从根本上抑制由于气液界面快速膨胀导致的倒流以及流量、压降、温度的不稳定性；(3)大气泡分割成小气泡，延缓了大气泡易于聚合形成蒸汽膜覆盖加热壁面而产生传热恶化，增大了临界热流密度；(4)气泡尾涡处由于流体的高度交混具有较高的传热系数，气泡分割使得单个气泡尾部扰流区域变为分割后的两个尾部扰流区域，将显著增强对流显热交换；(5)对于液相的周期性分割可使近壁区热边界层周期性的脱离和重新在发展，由于热边界层的热阻较大，周期性破坏边界层可显著减小近壁区换热热阻，提高对流显热交换。