一种抑制反流的微通道蒸发器结构

1.本发明涉及高功率密度电子器件散热领域，尤其涉及一种抑制反流的微通道蒸发器结构。


背景技术：

2.随着紧凑型电子设备和高速处理器的不断发展，电子元件的功率显著提高。在过去几十年中，芯片上晶体管的数目呈现指数式增长，大大提高其性能的同时也带来了更大的产热量。未来集成电路的热流密度将超过1000w/cm2，局部热流密度达到1200—4500w/cm2。温度会影响电力电子器件的性能、寿命以及机械结构等，由于温度过高而引起的失效占所有故障原因的55％，且粗略估计，工作温度每升高10℃，电子产品的运行寿命缩短50％。除了满足大功率的散热需求外，保持电子芯片连续运行的表面温度不能超过85℃。
3.电子设备的冷却方式主要有空气冷却、热管、喷雾冷却、微通道冷却等。不同的散热方式由于自身特性以及散热能力的差异，使其在应用环境略有不同。微通道由于其较大的比表面积、结构紧凑、对流换热系数大、易于加工等特点，在航空航天、制冷空调、5g通讯、燃料电池、催化反应、激光器件等领域都有着较为广泛的应用。
4.泵驱两相流结合微通道换热技术在高热流密度散热领域中有着广泛的应用，但同时存在着流动不稳定问题，影响系统的安全性和换热能力。在高热流密度下，由于气泡的产生所带来的阻力，会使得通道中的流体出现间歇性的反流，换热器由于得不到流体的润湿而出现烧干的现象，导致电子器件出现超温的情况。
5.因此，本领域的技术人员致力于开发一种抑制反流的微通道蒸发器结构，确保正向流动的流体几乎不受影响，反向流动的流体受到很大的阻力，从而抑制其反向流，且提高了系统的稳定性。


技术实现要素：

6.有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是针对微通道换热器中存在的反流现象，提供了一种抑制反流的微通道蒸发器结构，基于特斯拉阀结构来抑制通道内流体反流。
7.为实现上述目的，本发明提供了一种抑制反流的微通道蒸发器结构，包括顺着液体流动方向依次布置的进口集箱区、特斯拉阀结构区、平行通道区和出口集箱区，其中，所述进口集箱区被配置为与外界的流体源连通，所述平行通道区的底部被配置为与热源接触；在所述微通道蒸发器结构内部设置有多个平行的通道，所述平行的通道从所述进口集箱区直通所述出口集箱区，所述特斯拉阀结构区包括多个相同的特斯拉阀结构，设置在所述通道的侧面。
8.进一步地，所述多个相同的特斯拉阀结构分别位于所述通道的两侧且依次交替排列。
9.进一步地，所述多个相同的特斯拉阀结构位于所述通道的同一侧。
10.进一步地，所述特斯拉阀结构为并联特斯拉阀结构，由两个或两个以上的结构相似、大小不同的特斯拉阀并联组成。
11.进一步地，所述并联特斯拉阀结构中，小特斯拉阀的结构位于大特斯拉阀结构的内部。
12.进一步地，所述特斯拉阀结构包括斜管段和圆弧段，所述斜管段倾斜设置在所述微通道蒸发器结构的表面，所述圆弧段的一端连接所述斜管段，另一端连接至所述微通道蒸发器结构的表面。
13.进一步地，所述特斯拉阀结构的参数包括斜管段长度l、倾斜角β、圆弧半径r、通道宽度d以及两特斯拉阀间距w。
14.进一步地，所述并联特斯拉阀结构的方向与加热面垂直。
15.进一步地，所述微通道蒸发器结构包括上盖板和通道区域，所述上盖板盖在所述通道区域上，并在所述通道区域的前端形成所述特斯拉阀，从而形成所述进口集箱区、所述特斯拉阀结构区、所述平行通道区和所述出口集箱区。
16.进一步地，所述微通道蒸发器结构采用金属材料通过3d打印或扩散焊加工而成，或者所述微通道蒸发器结构采用硅基材料通过阳极键合技术加工而成。
17.总体而言，与现有技术相比，本发明提供的一种基于特斯拉阀结构来抑制通道内流体反流的微通道蒸发器结构具有以下有益效果：
18.1)本发明利用特斯拉阀的单相导通特性，只会对反向流动的流体产生较大的阻力，对于正向流动的流体产生的阻力较小，与进口节流等方式相比，避免了引入较大的正向压降，有利于减小所需要的泵功。
19.2)本发明采用多个特斯拉阀并联组成并联特斯拉阀结构，并由多个并联特斯拉阀结构串联组成的结构来抑制反流，充分发挥了特斯拉阀的特性，与常规特斯拉阀结构相比，可以提供更高的反向、正向阻力比值，达到更好的抑制效果。
20.3)本发明提出的特斯拉阀结构与流动方向垂直、与热流输入方向平行，使其不会因为特斯拉结构尺寸的影响，而引起单位加热面上通道数目的骤降，与渐扩通道等方式相比，充分利用了蒸发器的空间，提高其换热能力。
21.4)本发明提出的抑制流体反流的结构，不仅仅局限于特定的蒸发器类型，可应用于多种可能会出现流体反流的结构中，具有更广泛的应用价值。
22.以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
23.图1是本发明的一个较佳实施例的微通道蒸发器结构的示意图；
24.图2是图1的纵截面示意图；
25.图3是特斯拉阀结构的截面示意图；
26.图4是特斯拉阀结构的参数示意图；
27.图5是微通道蒸发器结构与热源连接的示意图。
具体实施方式
28.以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
29.在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
30.如图1和图2所示，本技术提供了一种抑制反流的微通道蒸发器结构，包括进口集箱区1、特斯拉阀结构区3、平行通道区4和出口集箱区6。顺着微通道蒸发器结构的液体流动方向，进口集箱区1、特斯拉阀结构区3、平行通道区4和出口集箱区6依次排列。蒸发器结构设置有多个平行的通道，这个通道从进口集箱区1连通至出口集箱区6，为直通道。在通道的侧面设置特斯拉阀结构，位于特斯拉阀结构区3内。平行通道区4的底部与热源接触。进口集箱区1与外界的流体源连通。工作时，工质通过进口集箱区1分配到每个通道中，工质沿着通道依次流过进口集箱区1、特斯拉阀结构区3、平行通道区4和出口集箱区6，在平行通道区4中产生相变，从而带走热源产生的热量。当通道中热量过大时，通道产生的气体便会向两侧流动。利用特斯拉阀区域的单相导通特性，抑制通道中的流体反流，从而保证换热器的换热能力和安全性。
31.特斯拉阀结构区3设置在平行通道区4之前，包括多个特斯拉阀结构2。利用特斯拉阀结构2的单向导通特性实现对平行通道中产生的反流的抑制。由于特斯拉阀结构2无法实现完全的单向导通功能，因此在每个通道的前段放置多个特斯拉阀结构2。同时提出了并联特斯拉阀的结构，在充分利用空间的同时，增强了单个特斯拉阀结构2的性能。在一些实施方式中，每个通道前段包括三个及以上特斯拉阀结构2，首尾相连，可根据应用场景选择交替放置或同一侧放置。例如，如图3所示，三个特斯拉阀结构2分别位于通道的两侧，一侧放置两个特斯拉阀结构2，另一侧放置一个特斯拉阀结构2，交替设置。在一些实施方式中，多个特斯拉阀结构2也可以放置在同一侧。在空间允许的情况下，增加特斯拉阀结构2的数目可提高其单向导通性能。同时，应当保证每个通道前的特斯拉阀结构2相同，以保证每个通道具有相同的导通能力。
32.如图3所示，特斯拉阀结构2从微通道蒸发器结构的表面往外突出设置，包括斜管段和圆弧段，其中斜管段与其所在的平面呈倾斜设置，圆弧段的一端与斜管段连接，另一端连接至微通道蒸发器结构的表面。每个特斯拉阀结构2为并联特斯拉阀结构2，其由两个或两个以上的结构相似、大小不同的特斯拉阀并联组成。如图3所示，通道位于特斯拉阀的部分在特斯拉阀内的布置与特斯拉阀的形状一致，即从特斯拉阀的纵截面看，通道位于特斯拉阀内的部分的走向与特斯拉阀的轮廓曲线保持一致。在每个特斯拉阀结构2中，可以设置两个或两个以上的并行的通道，每个通道的走向一致(即这些通道都具有依次相连的斜线段和圆弧段)，不同之处在于，每个通道形成的曲线的尺寸不同，从而形成类似环状的图形，即靠近特斯拉阀的外侧设置有第一通道以形成一个特斯拉阀，在第一单通道形成的形状的内部设置第二通道以再形成一个特斯拉阀，小的特斯拉阀位于大的特斯拉阀内部，以此类推。
33.特斯拉阀结构2的工作过程如下：在正向流动时(实线)，在a区域由于流动方向与
圆弧段夹角为钝角，只有少数流体会进入圆弧段管道，在b区域由于流动方向与圆弧段管道夹角为锐角，流向进本相同，因此可以在b区域汇合；在反向流动时(虚线)，在b区域由于流动方向与圆弧段夹角为锐角，加入圆弧段的流体较多，但在a区域两股流体几乎正面相遇，能量损耗大，因而大部分流体无法从a区反流回进口集箱。
34.如图4所示，单个并联特斯拉阀结构2的主要参数包括斜管段长度l、倾斜角β、圆弧半径r、通道宽度d以及两特斯拉阀间距w。值得注意的是，并联特斯拉阀结构2中的并联数目可根据实际应用情况进行调整。并联特斯拉阀结构2的方向与加热面垂直，进而可以增加单位加热面积上的通道数目。
35.如图1所示，微通道蒸发器结构可以由上盖板7和通道区域8组成，上盖板7盖在通道区域8上，从而形成了进口集箱区1、特斯拉阀结构区3、平行通道区4和出口集箱区6。然后在通道区域8前端加工出特斯拉阀结构2。
36.微通道蒸发器结构可以采用金属材料制造，通过3d打印技术或扩散焊技术加工而成；可以采用硅基材料，采用阳极键合工艺加工。
37.本发明的微通道蒸发器结构使用如下：如图5所示，微通道换热结构与发热元件5(热源)相连，并带走由发热元件5产生的热量。发热元件5放置在平行通道区4底部，采用热界面材料减小其中的接触热阻。外部流体进入蒸发器的进口集箱区1，并分配到各个通道中，流体在经过特斯拉阀结构区3进入平行通道区4中，吸收发热元件5产生的热量，从而产生相变。高热流密度下因气泡生成而出现的反流现象，由于特斯拉阀结构区3的单向导通特性而被抑制，从而正常的流向下游方向，进入出口集箱区6中，防止了微通道蒸发器中因为反流而出现的局部烧干现象，保障了系统的安全性和稳定性。
38.以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。