本发明公开了一种冷媒相变冷板，包括：冷板基板，其上布置有入口混合腔、出口混合腔，及用于连通入口混合腔和出口混合腔的流道；设置于冷板基板上，对流道进行封闭的盖板，发热元件设置在盖板和/或冷板基板上。流道包括彼此连通的正向流道和逆向流道，正向流道与逆向流道之间通过弯道连通，冷媒从入口混合腔进入，经过一级以上的正向流道及一级以上的逆向流道后，从出口混合腔流出。正向流道和逆向流道均包括彼此连通的突缩流道和扩张流道，每通过一次突缩流道和扩张流道，使冷媒在流道内每隔一段距离发生一次水力空化过程。本发明能够解决现有冷板通道内两相流流型分布和不同方向上的流动不稳定，换热性能不高的技术问题。
1.一种冷媒相变冷板，为设置于其上的发热元件(7)进行散热，其特征在于，包括：
冷板基板(1)，所述冷板基板(1)上布置有入口混合腔(2)、出口混合腔(3)，及用于连通所述入口混合腔(2)和出口混合腔(3)的流道(10)；
设置于所述冷板基板(1)上，对所述流道(10)进行封闭的盖板(6)，所述发热元件(7)设置在所述盖板(6)和/或所述冷板基板(1)上；
所述流道(10)包括彼此连通的正向流道(A)和逆向流道(B)，所述正向流道(A)与逆向流道(B)之间通过弯道(13)连通，冷媒从所述入口混合腔(2)进入，经过一级以上的正向流道(A)及一级以上的逆向流道(B)后，从所述出口混合腔(3)流出；
所述正向流道(A)包括彼此连通的第一突缩流道(11)和第一扩张流道(12)，所述逆向流道(B)包括彼此连通的第二突缩流道(14)和第二扩张流道(15)；冷媒自所述入口混合腔(2)进入，依次经过所述第一突缩流道(11)、第一扩张流道(12)，再通过所述弯道(13)依次流经所述第二突缩流道(14)、第二扩张流道(15)，使所述冷媒在所述流道(10)内每隔一段距离发生一次水力空化过程；
当冷媒进入所述弯道(13)，由弯道(13)的曲率结构产生的绕流涡诱发空化效应，同时处于气液两相状态的冷媒经过所述第二突缩流道(14)，经过静压下降、空化气泡、气泡破裂与扰动、沸腾强化后再经过第二扩张流道(15)后，所述冷媒的静压沿主流方向急剧下降，沸腾时产生的气泡逆流而上的阻力变大，同时冷媒沸腾时产生的大气泡在空化气泡破裂的影响下不易集聚，从而使得冷媒经过所述逆向流道(B)时的流型优化，沸腾换热强化。
2.根据权利要求1所述的冷媒相变冷板，其特征在于：当冷媒从所述入口混合腔(2)进入所述第一突缩流道(11)后横截面迅速变小，所述冷媒的流速急速上升，当冷媒的静压小于当前温度下的蒸汽压时产生空化气泡；当冷媒进入所述第一扩张流道(12)后压力得以恢复，空化气泡破裂所形成的高速微射流强化所述第一扩张流道(12)内的沸腾换热并抑制沸腾时小气泡的聚合。
3.根据权利要求1或2所述的冷媒相变冷板，其特征在于：所述正向流道(A)包括扩张级数为两级以上依次连通的第一扩张流道(12)，沿从所述第一突缩流道(11)至所述弯道(13)的方向，所述第一扩张流道(12)的宽度尺寸(L)逐渐增大；所述逆向流道(B)包括扩张级数为两级以上依次连通的第二扩张流道(15)，沿从所述第二突缩流道(14)至下一个弯道(13)的方向，所述第二扩张流道(15)的宽度尺寸(L)逐渐增大。
4.根据权利要求3所述的冷媒相变冷板，其特征在于：所述正向流道(A)中第一扩张流道(12)的扩张级数与所述逆向流道(B)中第二扩张流道(15)的扩张级数相同。
5.根据权利要求1、2或4所述的冷媒相变冷板，其特征在于：所述冷媒在微过冷状态或饱和状态下进入所述冷媒相变冷板(100)，并通过过冷沸腾或饱和沸腾的形式带走所述发热元件(7)的热量。
6.根据权利要求5所述的冷媒相变冷板，其特征在于：所述冷板基板(1)上开设有入口(4)，所述入口(4)连通所述入口混合腔(2)；所述冷板基板(1)上还开设有出口(5)，所述出口(5)连通所述出口混合腔(3)；所述出口混合腔(3)的腔体横截面尺寸大于所述入口混合腔(2)的腔体横截面尺寸，所述出口(5)的截面尺寸大于所述入口(4)的截面尺寸。
7.根据权利要求1、2、4或6所述的冷媒相变冷板，其特征在于：所述入口混合腔(2)、出口混合腔(3)内均布置有压力和温度传感器，以监控所述冷媒的瞬时温度、压力和压差波动数据，根据该数据能调节所述冷媒流入的流量和温度。
8.一种冷媒相变冷板，为设置于其上的发热元件(7)进行散热，其特征在于，包括：
冷板基板(1)，所述冷板基板(1)上布置有入口混合腔(2)、出口混合腔(3)，及用于连通所述入口混合腔(2)和出口混合腔(3)的流道(10)；
设置于所述冷板基板(1)上，对所述流道(10)进行封闭的盖板(6)，所述发热元件(7)设置在所述盖板(6)和/或所述冷板基板(1)上；
所述流道(10)包括彼此连通的正向流道(A)和逆向流道(B)，所述正向流道(A)与逆向流道(B)之间通过弯道(13)连通，冷媒从所述入口混合腔(2)进入，经过一级以上的正向流道(A)及一级以上的逆向流道(B)后，从所述出口混合腔(3)流出；
所述正向流道(A)包括第一扩张流道(12)、第一大尺度流道(16)及多条相对于所述第一大尺度流道(16)的宽度尺寸较小的第一微尺度流道(17)；所述逆向流道(B)包括第二扩张流道(15)、第二大尺度流道(19)及多条相对于所述第二大尺度流道(19)宽度尺寸较小的第二微尺度流道(110)；冷媒中的一部分自所述入口混合腔(2)进入所述第一微尺度流道(17)，并通过所述第一微尺度流道(17)流入所述第一扩张流道(12)，冷媒中的另一部分自所述入口混合腔(2)进入所述第一大尺度流道(16)，再通过设置在所述第一大尺度流道(16)上的喷射孔(18)进入所述第一扩张流道(12)；冷媒中的一部分经所述弯道(13)进入所述第二微尺度流道(110)，并通过所述第二微尺度流道(110)流入所述第二扩张流道(15)，冷媒中的另一部分自所述弯道(13)进入所述第二大尺度流道(19)，再通过设置在所述第二大尺度流道(19)上的喷射孔(18)进入所述第二扩张流道(15)，使所述冷媒在所述流道(10)内每隔一段距离发生一次气液分离过程。
9.根据权利要求8所述的冷媒相变冷板，其特征在于：当冷媒从所述入口混合腔(2)进入所述第一微尺度流道(17)后流速急速上升，当冷媒的静压小于当前温度下的蒸汽压时产生空化气泡，冷媒经过所述第一微尺度流道(17)所诱发的水力空化效应将会强化沸腾换热；所述冷媒中的气相在靠近所述第一微尺度流道(17)时，由于空化气泡在进入第一微尺度流道(17)时表面能增加，而易于流入所述第一大尺度流道(16)；所述冷媒中的气相进入所述第一大尺度流道(16)后通过所述喷射孔(18)重新进入位于所述第一微尺度流道(17)后部的第一扩张流道(12)；由于所述第一微尺度流道(17)的节流效应，所述第一扩张流道(12)中的压力较低，而所述第一大尺度流道(16)中的压力较高，使得所述喷射孔(18)的两侧形成高低压差，经过所述喷射孔(18)的气相速度加快，冲击所述第一扩张流道(12)中的沸腾气泡，从而阻止沸腾气泡团聚成阻塞流道的大气泡；当冷媒进入所述第一扩张流道(12)后压力得以恢复，空化气泡破裂所形成的高速微射流强化所述第一扩张流道(12)内的沸腾换热并抑制沸腾时小气泡的聚合。
10.根据权利要求9所述的冷媒相变冷板，其特征在于：当冷媒进入所述弯道(13)，在重力和离心力的作用下，气液两相发生分离，由弯道(13)的曲率结构产生的绕流涡诱发空化效应，同时处于气液两相状态的冷媒分别经所述第二微尺度流道(110)及第二大尺度流道(19)进入所述第二扩张流道(15)后，所述冷媒的静压沿主流方向急剧下降，沸腾时产生的气泡逆流而上的阻力变大，同时冷媒沸腾时产生的大气泡在空化气泡破裂的影响下不易集聚，从而使得冷媒经过所述逆向流道(B)时的流型优化，沸腾换热强化。
11.根据权利要求8、9或10所述的冷媒相变冷板，其特征在于：所述第一微尺度流道(17)与所述入口混合腔(2)连通，并位于所述正向流道(A)内靠近所述逆向流道(B)的一侧，所述第一大尺度流道(16)位于所述正向流道(A)内的另一侧，并与所述第一微尺度流道(17)相邻并排设置；所述第一扩张流道(12)的一端与所述第一微尺度流道(17)连通，另一端与所述弯道(13)连通；所述第二大尺度流道(19)与所述弯道(13)连通，并位于所述逆向流道(B)内靠近所述第一扩张流道(12)的一侧，所述第二微尺度流道(110)设置于所述逆向流道(B)内的另一侧，并与所述第二大尺度流道(19)相邻并排设置；所述第二微尺度流道(110)的一端与所述弯道(13)连通，另一端与所述第二扩张流道(15)连通；当经过所述弯道(13)时，所述冷媒的液相部分在离心力作用下分布于所述弯道(13)内的靠外一侧。
12.根据权利要求11所述的冷媒相变冷板，其特征在于：所述冷媒在微过冷状态或饱和状态下进入所述冷媒相变冷板(100)，并通过过冷沸腾或饱和沸腾的形式带走所述发热元件(7)的热量。
13.根据权利要求8、9、10或12所述的冷媒相变冷板，其特征在于：所述冷板基板(1)上开设有入口(4)，所述入口(4)连通所述入口混合腔(2)；所述冷板基板(1)上还开设有出口(5)，所述出口(5)连通所述出口混合腔(3)；所述出口混合腔(3)的腔体横截面尺寸大于所述入口混合腔(2)的腔体横截面尺寸，所述出口(5)的截面尺寸大于所述入口(4)的截面尺寸。
14.根据权利要求13所述的冷媒相变冷板，其特征在于：所述入口混合腔(2)、出口混合腔(3)内均布置有压力和温度传感器，以监控所述冷媒的瞬时温度、压力和压差波动数据，根据该数据能调节所述冷媒流入的流量和温度。
一种冷媒相变冷板
技术领域
[0001] 本发明涉及电力电子器件散热技术领域，尤其是涉及一种基于水力空化效应或气液分离效应的冷媒相变冷板。
背景技术
[0002] 大功率电力电子器件的散热技术中，流动沸腾是换热系数最高的形式之一，在现有的大功率电力电子器件的散热器中，采用流动沸腾技术的冷媒相变冷板效率较高。流动沸腾换热性能与气液两相的分布和流动特性密切相关，例如干度较高时换热表面被气相所覆盖会导致换热恶化。基于这一技术的冷媒相变冷板常常采用单一的蛇形流道布置方案，而没有考虑到气液两相流的流动特性，大大限制了冷板换热性能的提升。这种方案往往还存在以下技术缺陷：
[0003] (1)流道的管径单一，气液两相混合流动的阻力较大；
[0004] (2)冷板竖直放置时存在上升流与下降流，而流动沸腾换热性能对流动方向(上升流、下降流)较为敏感，下降流时气液流动的不稳定性大大降低了冷板的换热性能；
[0005] (3)当流道内的气相含量较高时，流道内换热表面上可能出现大面积干涸，导致表面温度飞升。
[0006] 在现有技术中，与本发明申请较为相似的技术方案主要有：
[0007] 方案1为中国长江三峡集团公司于2014年01月02日申请，并于2014年06月04日公告，公告号为CN203633055U的中国实用新型专利《一种具有新型换热结构及自适应特性的热沉散热装置》。该实用新型专利公开了一种具有新型换热结构及自适应特性的热沉散热装置，热沉散热装置由微通道热沉系统、微泵装置、动力补给系统和供电装置组成。微通道热沉系统由顶盖板、引流板和热沉板按照从上到下的顺序封装而成，热沉板上加工有微通道。微通道由水力直径不一的多种微通道通过多级组合而成。该实用新型可以实现高换热强度的散热装置，其具有自适应特性，适用于小尺寸、高热流密度发热部件，如电子器件、激光器件等。但是该方案适用于单相换热，不涉及到冷媒的相变换热。
[0008] 方案2为中国科学院工程热物理研究所于2014年05月16日申请，并于2014年07月30日公开，公开号为CN103954162A的中国发明专利申请《一种强化微通道换热的低阻水力空化结构》。该发明申请公开了一种强化微通道换热的低阻水力空化结构，主要包括：一基底平板，该基底平板上均匀平行地设置有若干冷却微通道。冷却微通道的一端为入口，另一端为出口，入口设有流量分配腔，出口设有液体汇集腔。在流量分配腔与液体汇集腔之间的各冷却微通道中设有诱发空化现象的渐缩-渐扩水力结构。渐缩-渐扩水力结构的喉部段长度与冷却微通道宽度的比值为0.1～1，渐缩-渐扩水力结构的渐缩段入口锥角为15～45°，渐缩-渐扩水力结构的渐扩段出口锥角为15～90°。该发明可以在强化微通道换热的同时，降低液体的流动阻力损失，减少为了诱发空化而额外增加的泵功输入。该发明适用于单相流换热，其效果是使得溶解于液体中的气体在压力低于饱和蒸气压时逸出，但是并未考虑伴随有沸腾换热的情形，沸腾换热时产生大量的气泡，将会与空化作用产生耦合效应。
[0009] 方案3为中国科学院理化技术研究所于2009年10月10日申请，并于2010年09月01日公告，公告号为CN201570775U的中国实用新型专利。该实用新型专利公开了一种单片式激光二极管微通道相变热沉，包括散热片，散热片上具有空化结构型式的进液通道。该实用新型能够有效抑制沸腾过程中不稳定性现象的发生，保证激光二极管可靠正常散热。具有散热热流密度高、冷却效果好、工作稳定等优点。但是该实用新型技术方案的通道特征水力直径完全属于微尺度，缺少从微尺度到宏观尺度的多级尺度通道组合，不适用于较大尺寸的冷板散热。
[0010] 因此需要开发更高效的流道结构，以解决现有冷板通道内两相流流型分布和不同方向上流动不稳定性的技术问题。
发明内容
[0011] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种冷媒相变冷板，以解决现有冷板通道内两相流流型分布和不同方向上的流动不稳定，换热性能不高的技术问题。
[0012] 为了实现上述发明目的，本发明具体提供了一种冷媒相变冷板的技术实现方案，一种冷媒相变冷板，为设置于其上的发热元件进行散热，包括：
[0013] 冷板基板，所述冷板基板上布置有入口混合腔、出口混合腔，及用于连通所述入口混合腔和出口混合腔的流道；
[0014] 设置于所述冷板基板上，对所述流道进行封闭的盖板，所述发热元件设置在所述盖板和/或所述冷板基板上；
[0015] 所述流道包括彼此连通的正向流道和逆向流道，所述正向流道与逆向流道之间通过弯道连通，冷媒从所述入口混合腔进入，经过一级以上的正向流道及一级以上的逆向流道后，从所述出口混合腔流出；
[0016] 所述正向流道包括彼此连通的第一突缩流道和第一扩张流道，所述逆向流道包括彼此连通的第二突缩流道和第二扩张流道。冷媒自所述入口混合腔进入，依次经过所述第一突缩流道、第一扩张流道，再通过所述弯道依次流经所述第二突缩流道、第二扩张流道，使所述冷媒在所述流道内每隔一段距离发生一次水力空化过程。
[0017] 优选的，当冷媒从所述入口混合腔进入所述第一突缩流道后横截面迅速变小，所述冷媒的流速急速上升，当冷媒的静压小于当前温度下的蒸汽压时产生空化气泡。当冷媒进入所述第一扩张流道后压力得以恢复，空化气泡破裂所形成的高速微射流强化所述第一扩张流道内的沸腾换热并抑制沸腾时小气泡的聚合。
[0018] 优选的，当冷媒进入所述弯道，由弯道的曲率结构产生的绕流涡诱发空化效应，同时处于气液两相状态的冷媒经过所述第二突缩流道，经过静压下降、空化气泡、气泡破裂与扰动、沸腾强化后再经过第二扩张流道后，所述冷媒的静压沿主流方向急剧下降，沸腾时产生的气泡逆流而上的阻力变大，同时冷媒沸腾时产生的大气泡在空化气泡破裂的影响下不易集聚，从而使得冷媒经过所述逆向流道时的流型优化，沸腾换热强化。
[0019] 优选的，所述正向流道包括扩张级数为两级以上依次连通的第一扩张流道，沿从所述第一突缩流道至所述弯道的方向，所述第一扩张流道的宽度尺寸逐渐增大。所述逆向流道包括扩张级数为两级以上依次连通的第二扩张流道，沿从所述第二突缩流道至下一个弯道的方向，所述第二扩张流道的宽度尺寸逐渐增大。
[0020] 优选的，所述正向流道中第一扩张流道的扩张级数与所述逆向流道中第二扩张流道的扩张级数相同。
[0021] 本发明还具体提供了另一种冷媒相变冷板的技术实现方案，一种冷媒相变冷板，为设置于其上的发热元件进行散热，包括：
[0022] 冷板基板，所述冷板基板上布置有入口混合腔、出口混合腔，及用于连通所述入口混合腔和出口混合腔的流道；
[0023] 设置于所述冷板基板上，对所述流道进行封闭的盖板，所述发热元件设置在所述盖板和/或所述冷板基板上；
[0024] 所述流道包括彼此连通的正向流道和逆向流道，所述正向流道与逆向流道之间通过弯道连通，冷媒从所述入口混合腔进入，经过一级以上的正向流道及一级以上的逆向流道后，从所述出口混合腔流出；
[0025] 所述正向流道包括第一扩张流道、第一大尺度流道及多条相对于所述第一大尺度流道的宽度尺寸较小的第一微尺度流道。所述逆向流道包括第二扩张流道、第二大尺度流道及多条相对于所述第二大尺度流道的宽度尺寸较小的第二微尺度流道。冷媒中的一部分自所述入口混合腔进入所述第一微尺度流道，并通过所述第一微尺度流道流入所述第一扩张流道，冷媒中的另一部分自所述入口混合腔进入所述第一大尺度流道，再通过设置在所述第一大尺度流道上的喷射孔进入所述第一扩张流道。冷媒中的一部分经所述弯道进入所述第二微尺度流道，并通过所述第二微尺度流道流入所述第二扩张流道，冷媒中的另一部分自所述弯道进入所述第二大尺度流道，再通过设置在所述第二大尺度流道上的喷射孔进入所述第二扩张流道，使所述冷媒在所述流道内每隔一段距离发生一次气液分离过程。
[0026] 优选的，当冷媒从所述入口混合腔进入所述第一微尺度流道后流速急速上升，当冷媒的静压小于当前温度下的蒸汽压时产生空化气泡，冷媒经过所述第一微尺度流道所诱发的水力空化效应将会强化沸腾换热。所述冷媒中的气相在靠近所述第一微尺度流道时，由于空化气泡在进入第一微尺度流道时表面能增加，而易于流入所述第一大尺度流道。所述冷媒中的气相进入所述第一大尺度流道后通过所述喷射孔重新进入位于所述第一微尺度流道后部的第一扩张流道。由于所述第一微尺度流道的节流效应，所述第一扩张流道中的压力较低，而所述第一大尺度流道中的压力较高，使得所述喷射孔的两侧形成高低压差，经过所述喷射孔的气相速度加快，冲击所述第一扩张流道中的沸腾气泡，从而阻止沸腾气泡团聚成阻塞流道的大气泡。当冷媒进入所述第一扩张流道后压力得以恢复，空化气泡破裂所形成的高速微射流强化所述第一扩张流道内的沸腾换热并抑制沸腾时小气泡的聚合。
[0027] 优选的，当冷媒进入所述弯道，在重力和离心力的作用下，气液两相发生分离，由弯道的曲率结构产生的绕流涡诱发空化效应，同时处于气液两相状态的冷媒分别经所述第二微尺度流道及第二大尺度流道进入所述第二扩张流道后，所述冷媒的静压沿主流方向急剧下降，沸腾时产生的气泡逆流而上的阻力变大，同时冷媒沸腾时产生的大气泡在空化气泡破裂的影响下不易集聚，从而使得冷媒经过所述逆向流道时的流型优化，沸腾换热强化。
[0028] 优选的，所述第一微尺度流道与所述入口混合腔连通，并位于所述正向流道内靠近所述逆向流道的一侧，所述第一大尺度流道位于所述正向流道内的另一侧，并与所述第一微尺度流道相邻并排设置。所述第一扩张流道的一端与所述第一微尺度流道连通，另一端与所述弯道连通。所述第二大尺度流道与所述弯道连通，并位于所述逆向流道内靠近所述第一扩张流道的一侧，所述第二微尺度流道设置于所述逆向流道内的另一侧，并与所述第二大尺度流道相邻并排设置。所述第二微尺度流道的一端与所述弯道连通，另一端与所述第二扩张流道连通。当经过所述弯道时，所述冷媒的液相部分在离心力作用下分布于所述弯道内的靠外一侧。
[0029] 优选的，所述冷媒在微过冷状态或饱和状态下进入所述冷媒相变冷板，并通过过冷沸腾或饱和沸腾的形式带走所述发热元件的热量。
[0030] 优选的，所述冷板基板上开设有入口，所述入口连通所述入口混合腔。所述冷板基板上还开设有出口，所述出口连通所述出口混合腔。所述出口混合腔的腔体横截面尺寸大于所述入口混合腔的腔体横截面尺寸，所述出口的截面尺寸大于所述入口的截面尺寸。
[0031] 优选的，所述入口混合腔、出口混合腔内均布置有压力和温度传感器，以监控所述冷媒的瞬时温度、压力和压差波动数据，根据该数据能调节所述冷媒流入的流量和温度。
[0032] 通过实施上述本发明提供的冷媒相变冷板的技术方案，具有如下有益效果：
[0033] (1)本发明通过在冷板内设计多尺度的流道，通过利用其水力空化效应或气液分离效应，能够减小正向流道与逆向流道之间两相流流型的差异，减小气液两相的流动阻力，改善换热表面上气相与液相的分布，提高换热表面温度分布的均匀性和稳定性；
[0034] (2)本发明通过水力空化效应能够有效解决流动沸腾不稳定性问题，利用水力空化效应，可使沸腾起始提前，降低过热度，空化气泡爆裂可破碎大气泡，可降低沸腾不稳定性问题；
[0035] (3)本发明基于气液分离效应能够有效解决两相流流型分布问题，利用这一效应，通过布置多尺度流道，能够实现气液两相的分离；分离后的蒸汽通过喷射孔成为高速蒸汽流，可进一步破碎液体通道中沸腾生成的大气泡，有助于减小流阻，也有利于润湿热流密度较高的换热表面。
附图说明
[0036] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的实施例。
[0037] 图1是本发明冷媒相变冷板一种具体实施例中冷板基板的结构示意图；
[0038] 图2是本发明冷媒相变冷板另一种具体实施例中冷板基板的结构示意图；
[0039] 图3是本发明冷媒相变冷板一种具体实施例的安装结构示意图；
[0040] 图中：1-冷板基板，2-入口混合腔，3-出口混合腔，4-入口，5-出口，6-盖板，7-发热元件，10-流道，11-第一突缩流道，12-第一扩张流道，13-弯道，14-第二突缩流道，15-第二扩张流道，16-第一大尺度流道，17-第一微尺度流道，18-喷射孔，19-第二大尺度流道，100-冷媒相变冷板，110-第二微尺度流道。
具体实施方式
[0041] 为了引用和清楚起见，将下文中使用的技术名词、简写或缩写记载如下：
[0042] 水力空化效应：是指在液体经过的管道某处制造低压强、高流速的状态，当液体压强小于饱和蒸汽压时，液体中的气泡就会不断膨胀，体积变大，而随着流体运动，气泡到达高压强、低流速区域之后，气泡就会塌缩、爆裂；
[0043] 气液分离效应：是利用气泡从较大流道进入较小流道时，表面能的增加要求气泡两端具有较大的压力差，当压力差不满足要求时，气泡无法进入较小流道。
[0044] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0045] 如附图1至附图3所示，给出了本发明冷媒相变冷板的具体实施例，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
[0046] 实施例1
[0047] 如附图1和3所示，一种冷媒相变冷板的具体实施例，为设置于其上的发热元件7进行散热，包括：
[0048] 冷板基板1，冷板基板1上布置有入口混合腔2、出口混合腔3，及用于连通入口混合腔2和出口混合腔3的流道10；设置于冷板基板1上，对流道10进行封闭的盖板6，发热元件7设置在盖板6上，或设置在冷板基板1的底部，或双面布置于盖板6上和冷板基板1的底部。其制作过程如下：在铝制的冷板基板1上铣出流道10(附图3中未示出)以及入口混合腔2和出口混合腔3，并开设有入口4和出口5。一铝制的盖板6，置于流道10之上，盖板6与流道10之间采用真空钎焊密封。一发热元件(发热元件为功率器件，如IGBT或IGCT，其热量通过盖板6传递至流道10内的冷媒中)，采用螺钉紧固安装(图中未画出螺钉孔)方式安装在盖板6上。如附图3中所示的箭头表示冷媒的流进和流出方向。
[0049] 流道10包括彼此连通的正向流道A和逆向流道B，逆向流道B与正向流道A中的冷媒流向相反。正向流道A与逆向流道B之间通过弯道13连通，冷媒从入口混合腔2进入，经过一级以上的正向流道A及一级以上的逆向流道B后，从出口混合腔3流出。如附图1所示，在本实施例中，流道10包括三个正向流道A和两个逆向流道B，正向流道A和逆向流道B交替排布。
[0050] 正向流道A包括彼此连通的第一突缩流道11和第一扩张流道12，逆向流道B包括彼此连通的第二突缩流道14和第二扩张流道15，冷媒自入口混合腔2进入，依次经过第一突缩流道11、第一扩张流道12，再通过弯道13依次流经第二突缩流道14、第二扩张流道15，使冷媒在流道10内每隔一段距离发生一次水力空化过程。
[0051] 冷媒在微过冷状态或饱和状态下进入冷媒相变冷板100，并通过过冷沸腾或饱和沸腾的形式带走发热元件7的热量。冷媒在入口混合腔1中的流速很小，当冷媒从入口混合腔2进入第一突缩流道11后横截面迅速变小，冷媒的流速急速上升，当冷媒的静压小于当前温度下的蒸汽压时产生空化气泡。当冷媒进入第一扩张流道12后压力得以恢复，空化气泡破裂所形成的高速微射流强化第一扩张流道12内的沸腾换热并抑制沸腾时小气泡的聚合。当冷媒进入弯道13，由弯道13的曲率结构产生的绕流涡诱发空化效应，同时处于气液两相状态的冷媒经过第二突缩流道14，经过静压下降、空化气泡、气泡破裂与扰动、沸腾强化后再经过第二扩张流道15后，冷媒的静压沿主流方向急剧下降，沸腾时产生的气泡逆流而上的阻力变大。同时，冷媒沸腾时产生的大气泡在空化气泡破裂的影响下不易集聚，从而使得冷媒经过逆向流道B时的流型优化，沸腾换热强化。而在逆向流道B的部分，常规的蛇形通道内极易发生气泡的集聚，形成气泡的阻塞，从而恶化换热、增加流阻。
[0052] 正向流道A包括扩张级数为两级以上依次连通的第一扩张流道12，沿从第一突缩流道11至弯道13的方向，第一扩张流道12的宽度尺寸L逐渐增大。逆向流道B包括扩张级数为两级以上依次连通的第二扩张流道15，沿从第二突缩流道14至下一个弯道13的方向，第二扩张流道15的宽度尺寸L逐渐增大。正向流道A中第一扩张流道12的扩张级数与逆向流道B中第二扩张流道15的扩张级数相同。如附图1所示，在本实施例中，正向流道A包括扩张级数为两级并依次连通的第一扩张流道12，逆向流道B包括扩张级数为两级并依次连通的第二扩张流道15。
[0053] 冷板基板1上开设有入口(采用螺纹孔)4，入口4连通入口混合腔2。冷板基板1上还开设有出口(采用螺纹孔)5，出口5连通出口混合腔3。出口混合腔3的腔体横截面S1尺寸大于入口混合腔2的腔体横截面S2尺寸，出口5的截面尺寸大于入口4的截面尺寸(当入口4和出口5均为圆孔时，即为出口5的孔径尺寸a大于入口4的孔径尺寸b)，以保证出口5处携带有部分蒸汽的流体快速通过。入口混合腔2、出口混合腔3内均布置有压力和温度传感器，以监控冷媒的瞬时温度、压力和压差波动数据，并根据该数据调节冷媒流入的流量和温度。
[0054] 实施例1描述的冷媒相变冷板100在冷板基板1的内部铣出如附图1所示的流道10，流道10采用竖直上升扩张流、竖直下降扩张流以及180°弯道突缩的模式，使冷媒在流道10内每隔一段距离发生一次水力空化过程。
[0055] 实施例2
[0056] 如附图2和3所示，另一种冷媒相变冷板的具体实施例，为设置于其上的发热元件7进行散热，包括：
[0057] 冷板基板1，冷板基板1上布置有入口混合腔2、出口混合腔3，及用于连通入口混合腔2和出口混合腔3的流道10；设置于冷板基板1上，对流道10进行封闭的盖板6，发热元件7设置在盖板6上，或设置在冷板基板1的底部，或双面布置于盖板6上和冷板基板1的底部。
[0058] 流道10包括彼此连通的正向流道A和逆向流道B，正向流道A与逆向流道B之间通过弯道13连通，冷媒从入口混合腔2进入，经过一级以上的正向流道A及一级以上的逆向流道B后，从出口混合腔3流出。如附图2所示，在本实施例中，流道10包括两个正向流道A和一个逆向流道B，正向流道A和逆向流道B交替排布。
[0059] 正向流道A包括第一扩张流道12、第一大尺度流道16及多条相对于第一大尺度流道16的宽度尺寸c较小的第一微尺度流道17(宽度尺寸为d)。逆向流道B包括第二扩张流道15、第二大尺度流道19及多条相对于第二大尺度流道19的宽度尺寸较小的第二微尺度流道
110(第二大尺度流道19和第二微尺度流道110的尺寸可以参考附图2中第一大尺度流道16和第一微尺度流道17的相应尺寸)。冷媒中的一部分自入口混合腔2进入第一微尺度流道
17，并通过第一微尺度流道17流入第一扩张流道12，冷媒中的另一部分自入口混合腔2进入第一大尺度流道16，再通过设置在第一大尺度流道16上的喷射孔18进入第一扩张流道12。
冷媒中的一部分经弯道13进入第二微尺度流道110，并通过第二微尺度流道110流入第二扩张流道15，冷媒中的另一部分自弯道13进入第二大尺度流道19，再通过设置在第二大尺度流道19上的喷射孔18进入第二扩张流道15，使冷媒在流道10内每隔一段距离发生一次气液分离过程。其中，较窄的第一微尺度流道17和第二微尺度流道110，与较宽的第一大尺度流道16和第二大尺度流道19，其尺度的定义基于气泡进入该流道所需的最小压差。设流入下一级流道前的上级流道宽度为W，下一级流道的宽度为w，假设流道深度不变，则气泡进入下一级流道所需的最小压差为：
[0060] ΔP＝2γlg(1/w-1/W)
[0061] 其中ΔP为最小压差，γlg为所采用工质的单位面积气液表面能。从上式可见，下一级流道的尺寸越小，所需的最小压差越大，当气泡两端压差小于该最小值时，气泡无法进入该流道，此时流道称为微尺度流道。同样根据上式，当下一级流道的尺寸越大，所对应的最小压差越小，此时气泡越容易进入下一级流道，该流道称为大尺度流道。
[0062] 冷媒在微过冷状态或饱和状态下进入冷媒相变冷板100，并通过过冷沸腾或饱和沸腾的形式带走发热元件7的热量。当冷媒从入口混合腔2进入第一微尺度流道17后流速急速上升，当冷媒的静压小于当前温度下的蒸汽压时产生空化气泡，冷媒经过第一微尺度流道17所诱发的水力空化效应将会强化沸腾换热。另一方面，冷媒流体中的气相在靠近正向流道A右侧较窄的流道(即第一微尺度流道17)时，由于气泡在进入较窄的流道时其表面能会增加，需要气泡前后具有较大压差做功，因而较难进入其中，而易于流入正向流道A左侧较宽的流道(第一大尺度流道16，即附图2中的气体通道C)。冷媒中的气相在靠近第一微尺度流道17时，由于空化气泡在进入第一微尺度流道17时表面能增加，而易于流入第一大尺度流道16。冷媒中的气相进入第一大尺度流道16后通过喷射孔18重新进入位于第一微尺度流道17后部的第一扩张流道12(即附图2中的液体通道D)。由于第一微尺度流道17的节流效应，第一扩张流道12中的压力较低，而第一大尺度流道16中的压力较高，使得喷射孔18的两侧形成高低压差，经过喷射孔18的气相速度加快，冲击第一扩张流道12中的沸腾气泡，从而阻止沸腾气泡团聚成阻塞流道的大气泡。当冷媒进入第一扩张流道12后压力得以恢复，空化气泡破裂所形成的高速微射流强化第一扩张流道12内的沸腾换热并抑制沸腾时小气泡的聚合。冷板基板1竖向放置(此时入口4位于下方，出口5位于上方)时，当冷媒进入弯道13，在重力和离心力的作用下，气液两相发生分离，由弯道13的曲率结构产生的绕流涡诱发空化效应，同时处于气液两相状态的冷媒分别经第二微尺度流道110及第二大尺度流道19进入第二扩张流道15后，冷媒的静压沿主流方向急剧下降，沸腾时产生的气泡逆流而上的阻力变大，同时冷媒沸腾时产生的大气泡在空化气泡破裂的影响下不易集聚，从而使得冷媒经过逆向流道B时的流型优化，沸腾换热强化。
[0063] 第一微尺度流道17与入口混合腔2连通，并位于正向流道A内靠近逆向流道B的一侧(如附图2中F所示)，第一大尺度流道16位于正向流道A内的另一侧(如附图2中E所示)，并与第一微尺度流道17相邻并排设置。第一扩张流道12的一端与第一微尺度流道17连通，另一端与弯道13连通。第二大尺度流道19与弯道13连通，并位于逆向流道B内靠近第一扩张流道12的一侧(如附图2中F所示)，第二微尺度流道110设置于逆向流道B内的另一侧(如附图2中E所示)，并与第二大尺度流道19相邻并排设置。第二微尺度流道110的一端与弯道13连通，另一端与第二扩张流道15连通。当经过弯道13时，冷媒的液相部分在离心力作用下分布于弯道13内的靠外一侧。如附图2中E所示为第一个弯道13(即位于第一扩张流道12与第二大尺度流道19、第二微尺度流道110之间的弯道13)内的靠外一侧，如F所示为该弯道13内的靠内一侧。
[0064] 冷板基板1上开设有入口4，入口4连通入口混合腔2。冷板基板1上还开设有出口5，出口5连通出口混合腔3。出口混合腔3的腔体横截面S1尺寸大于入口混合腔2的腔体横截面S2尺寸，出口5的截面尺寸大于入口4的截面尺寸(当入口4和出口5均为圆孔时，即为出口5的孔径尺寸a大于入口4的孔径尺寸b)。入口混合腔2、出口混合腔3内均布置有压力和温度传感器，以监控冷媒的瞬时温度、压力和压差波动数据，根据该数据能调节冷媒流入的流量和温度。
[0065] 实施例2通过在冷板基板1内部铣出如附图2所示的流道10，在每个竖直正向流道和竖直向下流道的入口处，通过较大和较小尺度流道在表面能作用下对气液两相进行分离，气液两相经过弯道13时在离心力作用下亦可实现自然分离。
[0066] 在本发明实施例1和实施例2中，冷板基板1既可以竖向放置(此时入口4位于下方，出口5位于上方)，也可以水平放置。但是，当冷板基板1竖向放置时，由于重力的因素使得水力空化或气液分离效应的作用效果更佳。
[0067] 实施例1和2描述的冷媒相变冷板通过在冷板内设计多尺度的流道10，利用其水力空化效应或气液分离效应，减小了正向流道A与逆向流道B之间两相流流型的差异，减小了气液两相流动阻力，改善了换热表面上气相与液相的分布，提高了换热表面温度分布的均匀性和稳定性。基于对两相流流型的调控：在低干度和低热流时，借助空化结构所诱发的空泡形成稳定的汽化核心，使沸腾蒸发过程保持稳定；在高干度和高热流时，借助空化结构入口较窄出口较宽的特点，阻止气泡向上游逆流，同时借助空泡湮灭所形成的高压微射流冲击，阻止气泡的集聚，从而可大大减轻流动不稳定性、提升散热功率密度的极限。实施例2还在水力空化结构的基础上进行变形，利用表面能和弯道离心力作用，实现了气液两相分离，进一步改善了两相流的流动特性。本发明具体实施例使冷媒相变冷板内的沸腾起始点提前，稳定了沸腾换热过程；能够阻止冷媒相变冷板内下降流中的气泡逆流，提高了流动的稳定性；利用突扩结构所诱发的空泡湮灭效应阻止了气泡的聚集，提高了沸腾换热的临界热流密度；利用气液分离效应，使得换热面上更易被液相润湿，提高了冷媒相变冷板的换热能力。
[0068] 通过实施本发明具体实施例描述的冷媒相变冷板的技术方案，能够产生如下技术效果：
[0069] (1)本发明具体实施例描述的冷媒相变冷板通过在冷板内设计多尺度的流道，通过利用其水力空化效应或气液分离效应，能够减小正向流道与逆向流道之间两相流流型的差异，减小气液两相的流动阻力，改善换热表面上气相与液相的分布，提高换热表面温度分布的均匀性和稳定性；
[0070] (2)本发明具体实施例描述的冷媒相变冷板通过水力空化效应能够有效解决流动沸腾不稳定性问题，利用水力空化效应，可使沸腾起始提前，降低过热度，空化气泡爆裂可破碎大气泡，可降低沸腾不稳定性问题；
[0071] (3)本发明具体实施例描述的冷媒相变冷板基于气液分离效应能够有效解决两相流流型分布问题，利用这一效应，通过布置多尺度流道，能够实现气液两相的分离；分离后的蒸汽通过喷射孔成为高速蒸汽流，可进一步破碎液体通道中沸腾生成的大气泡，有助于减小流阻，也有利于润湿热流密度较高的换热表面。
[0072] 本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0073] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围。
