一种二极管相分离蒸发器

1.本发明属于电子器件的散热装置技术领域，尤其涉及一种低能耗、高性能的电子器件散热技术。
技术背景
2.随着5g及人工智能时代的到来，海量数据需要高速处理和传输，电子设备功耗大幅上升，热流密度将从～100w/cm2攀升到～1000 w/cm2，这给电子器件冷却带来了巨大挑战：(1)如果采用单相液体冷却，需要更大流量的液体，泵功消耗攀升，将加剧数据中心能耗；(2)如果采用常规微通道对流沸腾冷却，高热流密度下沸腾产生的汽泡可能堵塞通道，产生流动阻力大、流动不稳定甚至沸腾危机等问题；(3)通过多种形式的肋表面，微通道沸腾换热性能有所提升，但这些散热方案难以在低能耗下同时提升临界热流密度和传热系数。因此，芯片散热及数据中心热管理亟需低能耗、高性能的创新方案。
3.毋庸置疑，两相沸腾传热远优于单相对流冷却，仍然是电子冷却首选方案。针对两相流阻力大、流动不稳定等问题以及传热强化、临界热流密度提升等需求，以下通过分析问题的根本原因，谋划创新解决方案：(1)两相摩擦压降要比单相液体摩擦压降至少高一个量级。研究表明，两相摩擦压降正比于汽相界面面积与体积的比值。因此，通过“相分离”，及时从两相流中分离出汽体，减小汽相比表面积，能够减小压降和泵功消耗。(2)并联多通道两相流输送时，各通道内两相分布随空间和时间变化，引起并联通道流量动态分配，产生流动不稳定性。入口节流等传统方法可解决流动不稳定性，但压降阻力惩罚太大。设计具有“二极管特性”的单向流动通道，是解决两相流不稳定性的新思路。(3)无论单相流还是两相流，对流传热均具有“短管效应”，即流体进入通道后边界层逐渐发展，通道越短，边界层越薄，传热性能越好。


技术实现要素：

4.本发明的目的是设计一种二极管相分离蒸发器，可以解决电子冷却蒸发器中两相流阻力大、流动不稳定等问题，满足强化传热、提升临界热流密度等需求。
5.本发明的目的是设计一种二极管相分离蒸发器为上、中、下三层结构，上、中、下三层分别为蒸汽腔、相分离膜组件及底板，底板上键合蒸汽腔，中间夹层为相分离膜组件；底板一侧带有与外部联通的入口，底板内带有连续呈锯齿状分布的肋，肋将底板分割形成液体槽和蒸汽槽，肋顶部表面上带有连通液体槽和蒸汽槽的流体二极管通道；液体槽通过底板内的分流槽与入口联通，蒸汽槽与底板内的汇流槽联通；相分离膜组件遮盖于底板上，在蒸汽槽对应位置开缝，蒸汽槽顶端通过相分离膜组件与蒸汽腔连通，而液体槽顶端被相分离膜组件遮盖，与蒸汽腔不连通，蒸汽腔带有与外部相通的出口。
6.所述的二极管相分离蒸发器中，液体槽呈2个以上的v字形，v 字的开口端朝向底板的入口，盲端远离底板的入口，液体槽的v形开口端通过位于底板内的分流槽互相连通，并与入口相连；蒸汽槽呈 2个以上的v字形，v字的盲端朝向底板的入口，开口端远离底板的
入口，蒸汽槽的v形开口端通过位于底板内的汇流槽互相联通；液体槽、蒸汽槽的v字形张角在15
°‑
45
°
范围。
7.所述的二极管相分离蒸发器中，分离膜组件为夹层结构，由上面板和下面板夹持多孔膜而成，上面板和下面板在蒸汽槽对应位置开缝，其余为实板；多孔膜采用具有阻液通气特性的尼龙膜，孔径在 10-100纳米量级；上面板和下面板采用厚度10微米量级的铜箔。
8.所述的二极管相分离蒸发器中，肋、液体槽及蒸汽槽的宽度为 100微米量级，肋的高度及液体槽及蒸汽槽的深度为10微米量级，流体二极管通道间距100微米量级，通道宽度10微米量级。
9.所述的二极管相分离蒸发器中的流体二极管通道在液体槽侧的截面面积小于蒸汽槽侧的截面面积。
10.所述的二极管相分离蒸发器中，流体二极管通道内由弯曲形的主通道和旁路通道并联而成，主通道和旁路通道交于通道内(a、b) 两点，一交点(a)靠近液体槽，该点主通道和旁路通道夹角(α) 为钝角；另一交点(b)靠近蒸汽槽，该点主通道和旁路通道夹角(β) 为锐角；主通道和旁路通道从液体槽到蒸汽槽方向的通道截面面积逐渐增大。
11.所述的二极管相分离蒸发器中的底板采用硅或紫铜材质制成。
12.二极管相分离蒸发器运行时，液体从底板入口流入，通过分流槽分配到液体槽中，随后进入流体二极管通道单向流动，产生汽泡并带走热量。流体二极管通道截面面积从液体槽侧到蒸汽槽侧逐渐增大，汽泡在流体二极管通道中受到拉普拉斯压差作用，自动流入蒸汽槽，并携带部分液体进入蒸汽槽。蒸汽槽中液体不能通过“阻液通气”的多孔膜，只能进一步吸热变成蒸汽，与汽泡中的蒸汽一起通过相分离膜组件进入蒸发腔，并从出口排出。
13.本发明所设计的二极管相分离蒸发器与传统两相流蒸发器相比，具有低能耗、高可靠性、高散热量的优势。
14.低能耗优势来源于几个方面：(1)首先，本发明采用原位相分离原理，通过“阻液通气”的多孔膜及时将蒸汽从蒸汽槽中排出，减少了两相混合流动时汽液界面的摩擦能耗。(2)流体二极管通道宽度从液体槽侧到蒸汽槽侧逐渐增大，汽泡在通道中受到拉普拉斯压差的驱动，自动地从液体槽流入蒸汽槽，避免了汽泡堵塞通道引起的大压降。 (3)液体槽、二极管通道、蒸汽槽通流截面与流体体积相匹配：液体槽呈v字形，随着液体不断分配到肋上的二极管通道，液体量变小，槽通流截面积变小；一旦液体在二极管通道中加热成蒸汽，体积不断变大，相应地，二极管通道宽度从液体槽侧到蒸汽槽侧逐渐增大。另外，蒸汽槽中汇集和产生大量蒸汽，流体体积最大，其通流部位从侧面变更为顶面，通流面积随之增大。这种自适应的通流设计也可以有效降低阻力。
15.二极管相分离蒸发器高可靠性的优势主要来源于流动不稳定性的消除。流体在整个蒸发器中的流动是单向的，依次通过入口、分液槽、液体槽、二极管通道、蒸汽槽、相分离膜组件、蒸汽腔、出口；其中，二极管通道中发生剧烈的相变过程，但不会发生流体回流和流动不稳定性。首先，如果流体从蒸汽槽向液体槽回流，在夹角为锐角的b交点分成两股支流，在夹角为钝角的a交点汇合，汇合时两股支流在连通液体槽和蒸汽槽方向上的流动速度分量反向，不能通过二极管通道。其次，通道变截面设计产生拉普拉斯压差，驱动汽泡并携带液体自动从液体槽向蒸汽槽，也有利于流体单向流动，防止流动不稳定性。
16.二极管相分离蒸发器高散热量优势通过以下几个方面实现：(1) 由于采用原位相
分离及自适应通流设计，二极管相分离蒸发器流动阻力小，相同泵功下通流能力提高，传热性能和传热量随之提高。(2)由于多孔膜具有“阻液通气”特性，流入二极管相分离蒸发器的液体完全相变成蒸汽才能排出。与传统液体进入、两相流排出的蒸发器相比，单位质量流体吸收和带走的热量更多。(3)肋上的流体二极管通道是 3d二极管相分离蒸发器主要换热场所，该通道具有“短管效应”，热边界层薄，传热好。
附图说明
17.图1是二极管相分离蒸发器结构示意图。
18.图2是相分离膜组件结构示意图。
19.图3是流体二极管通道的结构示意图。
20.图中标号：1-底板，2-相分离膜组件，3-蒸汽腔，4-肋，5-液体槽，6-蒸汽槽，7-流体二极管通道，8-入口，9-分流槽，10-汇流槽， 11-出口，12-上面板，13-下面板，14-多孔膜，15-缝，16-主通道，17
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旁路通道，18-液体，19-汽泡。
具体实施方式
21.下面结合附图对本发明所设计的二极管相分离蒸发器的结构及实施效果做进一步详细说明。
22.实施例1
23.如图1所示的二极管相分离蒸发器，主要包括三层：底板1、相分离膜组件2以及蒸汽腔3，底板1上键合蒸汽腔3，中间夹层为相分离膜组件2；底板1为紫铜材质，一侧带有与外部联通的入口8，底板1内带有连续呈锯齿状分布的肋4，将底板分割成液体槽5和蒸汽槽6，肋4顶部表面上间隔刻蚀分布有流体二极管通道7，可连通液体槽5和蒸汽槽6，肋4、液体槽5及蒸汽槽6的宽度为100微米量级，肋4的高度液体槽5及蒸汽槽6的深度为10微米量级，流体二极管通道7的间距100微米量级、宽度10微米量级；液体槽5呈多个v字形，液体槽5的v字形张角15
°
，开口端朝向底板1的入口8，盲端远离底板1的入口8，液体槽5的v形开口端通过分流槽 9互相连通，并与入口8相连，液体槽5两侧壁即为所述肋4；蒸汽槽6呈多个v字形，v字形张角15
°
，盲端朝向底板1的入口8，开口端远离底板1的入口8，蒸汽槽6的v形开口端通过汇流槽10 互相联通，蒸汽槽6两侧壁亦为所述肋4，通过流体二极管通道7与相邻液体槽5连通；相分离膜组件2遮盖于底板1上，相分离膜组件 2图2所示，为夹层结构，由上面板12和下面板13夹持多孔膜14 冲压而成，多孔膜14采用尼龙膜，具有“阻液通气”特性，孔径10-100 纳米量级；上面板12和下面板13采用厚度10微米量级的铜箔，上面板12和下面板13在蒸汽槽6对应位置开缝15，蒸汽槽6顶端通过相分离膜组件2的开缝15与蒸汽腔3连通；而液体槽5顶端被相分离膜组件2遮盖，且与蒸汽腔3不连通；蒸汽腔3带有出口11。
24.流体二极管通道7如图3所示，其在液体槽5侧的截面面积小于蒸汽槽6侧的截面面积，流体二极管通道7内部由弯曲形的主通道 16和旁路通道17并联而成，主通道16和旁路通道17交于通道内a、 b两点，a交点靠近液体槽5，该点主通道16和旁路通道17夹角α为钝角；b交点靠近蒸汽槽6，该点主通道16和旁路通道17夹角β为锐角；沿液体槽5到蒸汽槽6方向，主通道16和旁路通道17的通道截面面积逐渐增大。
25.本实施例在运行时，液体18从底板1的入口8流入，通过分流槽9分配到液体槽5中，
随后进入流体二极管通道7流动，产生汽泡 19并带走热量。流体二极管通道7的宽度从液体槽5到蒸汽槽6逐渐增大。汽泡19在流体二极管通道中受到拉普拉斯压差δp作用，δp＝p
1-p2＝4σ/w
1-4σ/w2，其中，σ为汽液界面表面张力，w1和p1为汽泡靠近液体槽5一侧的宽度与界面压力，w2和p2为汽泡靠近蒸汽槽6一侧的宽度与界面压力。由于w1《w2，所以p1》p2，δp》0，即汽泡19受到液体槽5指向蒸汽槽6的推力，因此汽泡19自动流入蒸汽槽6，并携带部分液体18进入蒸汽槽6；被汽泡19携带进入蒸汽槽 6中液体18不能通过具有“阻液通气”功能的相分离膜组件2中的多孔膜14，只能进一步吸热变成蒸汽，与汽泡19中的蒸汽一起通过相分离膜组件2进入蒸发腔3，并从出口11排出。多孔膜14及时将蒸汽从蒸汽槽6中排出，减少了两相混合流动时汽液界面的摩擦能耗；同时，多孔膜14将液体留在蒸汽槽6，让其完全蒸发，也能带走更多热量。因此，本实施例的二极管相分离蒸发器同时具有低能耗、高散热量的优势。
26.值得注意的是，在本实施例运行时，无论液体18还是汽泡19在流体二极管通道7中只能单向流动。如果液体18或者汽泡19从蒸汽槽6向液体槽5回流，在夹角α》90
°
的a交点汇合时，主通道16和旁路通道17中流体在连通液体槽5和蒸汽槽6方向上的流动速度分量反向，流动阻力激增。根据能量最小原理，无论液体18还是汽泡 19总是单向地从液体槽5流向蒸汽槽6。因此，本实施例的二极管相分离蒸发器可有效消除流动不稳定性，可靠性高。另外，流体二极管通道7在垂直于肋4的方向的长度与肋4宽度相当，在100微米量级，具有“短管效应”，热边界薄、传热性能好。
27.由上所述可见，本实施例运行过程中两相流动阻力小、流动稳定，热传导效率高，具有低能耗、高散热量的优点。
28.实施例2
29.本实施例与实施例1结构相同，主要由底板1、相分离膜组件2 以及蒸汽腔3构成，所不同的是底板1为硅材质，底板1内的液体槽 5、蒸汽槽6的v字形张角为45
°
。本实施例具有与实施例1相同的运行效果。
30.实施例3
31.本实施例与实施例1结构相同，主要由底板1、相分离膜组件2 以及蒸汽腔3构成，所不同的是底板1内的液体槽5的v字形张角为30
°
、蒸汽槽6的v字形张角为45
°
。本实施例具有与实施例1 相同的运行效果。
32.本发明所设计的一种二极管相分离蒸发器的保护范围不局限于实施例所展示的内容，以权利要求的保护范围为准。