用于传热的换热设备和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于在一个或多个传热表面与呈液态或二相态的载热介质之间进行传热、尤其是用于冷却电子装置的设备和方法。
【背景技术】
[0002]技术装置中的散热，尤其是如电力电子器件、微处理器或激光器等电子装置中的散热会在技术系统的设计方面造成严重的问题，尤其是相对于系统集成和系统性能而言。通常情况下，会采取冷却措施来避免这些装置出现过热的现象。由于这类装置的功率密度的不断增大，也促使冷却方法得到了稳步的发展。
[0003]在大多数需要对高功率密度的装置进行冷却的技术系统中，所采用的是一种促使其在装置的冷却板或与其联接的表面上方流过的冷却介质，如此便将该高功率密度装置所散发出的热量传递至该冷却介质。
[0004]与用作载热介质的空气相比，如果要采用液体，就需要在换热设备的密闭体积内形成有序的通道。因此，随着需要传输的热能的量不断增加，这类设备将会变得越来越复杂。通常情况下，通过使液流产生在冷却装置内引起较高流体动力损失的湍流，实现了换热效率的提升。鉴于从目标装置带走热量或向其传输热量都至少需要一个最小流速，这些流体动力损失将会对系统产生不利的影响，进而需要采用更大且性能更强的泵，也增大了系统的噪声水平和功耗，同时还使其可靠性降低，正常运行时间缩短。
[0005]由于在高功率密度的装置中增大冷却液体与待冷却装置之间的传热面是远远不够的，因此，最近已经研发出了新的技术来进行针对待冷却装置的高热量密度的管理。例如，已经研发出了合成射流，而这些合成射流是建立在施加至冷却液体的压电振动的基础上。
[0006]此外，还采用了冲击射流，而这些冲击射流包括冷却介质的引导至传热表面的射流。在传热表面附近，冷却介质产生大量的湍流，这可能会使得来自传热表面的热传递变得不均匀，以至于会产生传热特性降低的局部热点。对于更高的喷射速度和/或入口压力来说，这种效果甚至会变得更加突出。
[0007]对于较低的速度来说，冲击射流具有更加分层化的流动，同时没有旋动或者说旋动的可能性较低，因此，由于在射流与传热表面之间形成了边界层，所以仅获得了较低的冷却介质传热率。
[0008]在换热设备内人为地使液流产生湍流能够在低得多的速度下实现对湍流来说常见的传热率，并且由此，能量也少得多，可靠性也高得多。为了实现这种效果，射流的旋动是必不可少的。在美国专利文献US2011/0042041 Al中，这一效果已经通过如下方式得到了实现:以交错(即，梳状)的方式在散热表面上对流动方向相反的射流进行导向，从而使得射流与流向为横向的相邻射流一起并排通过。在两个相邻射流之间产生了破坏射流与散热表面之间的边界层的漩涡，从而改善散热。然而，由于交替气流的影响，流体动力损失比较高，并且，若要产生那些交错射流，则要求了低容错度的复杂结构是必不可少的。
[0009]鉴于上述内容，理想的情况是，借助沿传热表面流动的呈液态或二相态的载热介质来实现从传热表面传热或向其传热，同时还通过避免产生局部热点来实现较低的流体动力损失和均匀的热流量。
【发明内容】
[0010]本发明的实施例由根据权利要求1所述的用于从一个或多个传热表面传热或向其传热的射流换热装置以及根据进一步独立权利要求所述的系统和方法来体现。其他实施例在从属权利要求中体现。
[0011 ] 根据第一方面，提供一种用于从一个或多个传热表面传热或向其传热的射流换热装置，包括:
一个或多个孔口组，各孔口组用于将载热介质引导至传热表面上；
其中，至少一个孔口组包括:
用于产生主射流的主孔口 ；以及
两个或多个控制孔口，其与主孔口相关联并且配置为产生用于与主射流相互作用的控制射流，以使主射流的载热介质进行旋动。
[0012]上述射流换热设备的一种构想是提供至少一个主射流和两个大体上平行流动的分别相关联的控制射流，其中，控制射流布置于主射流附近或周围，以实现与主射流的相互作用，从而使载热介质(诸如冷却介质、冷却剂等)进行旋动。这种旋动之所以发生的原因在于，主射流动态地改变了其方向，从而以扇状方式不规则地扫动传热表面的整个面积，其中，该面积大体上大于在无控制射流存在的情况下被主射流所覆盖的面积。由此，实现了湍流化，即，一种涉及传热表面与周围流体的相互作用且同时对边界层加以破坏以加强对流传热的传热过程。此外，能够避免其上可能会出现热点的局部静态漩涡等。相反，主射流的流向呈动态曲线变化，并且还使得该流向以横向于主流向的快速移动来实现摆动。
[0013]此外，一个或多个控制射流的流向可大体上等同于主射流的流向。
[0014]根据一个实施例，一个或多个控制孔口的横截面面积的大小可以为被引导至传热表面的主孔口的开口的横截面面积的约1%至60%。
[0015]可以设置的是:一个或多个控制孔口与主孔口相距的距离为主孔口的最大横截面尺寸的1%至50%。此外，两个或多个控制孔口可以对称地布置在关联的主孔口周围，其中，这种对称至少是相对于主孔口的第一横轴，其中，特别地，第一横轴大体上垂直于传热表面。
[0016]另选地，三个或多个控制孔口可以对称地布置在各自孔口组的主孔口周围，其中，对称线穿过主孔口的几何中心，主孔口的数量对应于与主孔口相关联的控制孔口的数量。
[0017]此外，其中，至少两个控制孔口从所选择的其中一条对称线或者从穿过主孔口的另一条对称线，朝向传热表面偏移，其中，两个控制孔口位于所选择对称线或另一条对称线与传热表面之间，使得主射流以曲线的方式朝着传热表面流动。
[0018]根据一个实施例，每一个孔口组中各主孔口和各控制孔口具有选自方形、矩形、三角形、圆形和椭圆形横截面的横截面。
[0019]孔口组内的主孔口可以是在任意方向上具有任意形状。主孔口的形状、大小和(横截面形状相对于流向的)方向由局部点在该特定孔口组所针对的传热表面上的形状、大小和位置来决定。
[0020]孔口组内的各控制孔口可以是在任意方向上具有任意形状。各控制孔口的形状、大小和方向由局部点在该特定孔口组所针对的传热表面上的形状、大小和位置来决定。
[0021 ] 可以设置的是，至少一个孔口组内的至少一个主孔口和/或一个或多个控制孔口呈锥形。根据特定目的，孔口可以在下游方向上或者上游方向上呈锥形。
[0022]根据一个实施例，一个或多个孔口组可以由一般体积的入口歧管来实现供给，从而在大体上相同的压力下，向各孔口组内的各孔口供给载热介质。
[0023]此外，一个或多个孔口组大体上平行于传热表面呈直线对齐地并入到孔板中。
[0024]另外，一个或多个传热表面包括在载热介质从中通过的封罩中。
[0025]一个或多个传热表面可包括一个或多个突起和/或相对于其中一个孔口组设置的一个或多个凹陷，从而使得至少一个孔口组的主射流与一个或多个突起和/或一个或多个凹陷相接合。
[0026]此外，可以设置的是，一个或多个对齐销沿着控制射流的路径布置于至少一个孔口组的至少一个控制孔口的下游，和/或，其中，一个或多个对齐销沿着主射流的路径布置于至少一个孔口组中的主孔口的下游。
[0027]另外，可以设置一个或多个包括一个或多个传热表面的腔室，其中，一个或多个腔室由包括一个或多个孔口组的至少一个孔板进行限制。
[0028]特别地，多个腔室可以以串联、并联或者并联和串联相结合的方式布置于装置的外壳的封罩内。
[0029]根据另一方面，提供一种系统，包括:
上述装置；以及
提供传热表面或者热联接至传热表面的元件。
[0030]根据另一方面，提供一种用于从一个或多个传热表面传热或向其传热的方法，包括以下步骤:
提供呈液态或二相态的载热介质的被引导至传热表面上的主射流；以及提供用于与主射流相互作用的至少两个控制射流，以使载热介质进行旋动。
【附图说明】
[0031]结合以下附图，对实施例进行更加详细的描述，其中:
图1示出了第一换热设备的剖视图；
图2示出了用于提供主射流和两个控制射流的孔口布置的截面图；
图3示出了换热设备的剖视透视图，其图示了图1的实施例中的主射流的流向；
图4a至图4k示出了用于提供旋动射流的不同类型的孔板的剖视图；
图5示出了具有不同类型的孔口组的换热装置的剖视透视图；
图6示出了用于提供旋动射流的具有更少数量的控制孔口的孔板的剖视图；
图7示出了具有两个传热表面的第二换热设备的剖视图；
图8示出了用于图7的第二换热设备的孔口组的剖视图；
图9示出了第三换热设备的剖视图；
图1Oa和图1Ob不出了用于产生与传热表面相隔不同距离的相对旋动射流的孔口组； 图11示出了具有带有结构的传热表面的第四换热设备的剖视图；
图1la示出了一种类型的第四换热装置的剖视透视图，这种类型的换热装置具有作为传热表面的结构的且位于控制射流的流路中的销；
图1lb示出了图1la的换热装置的横截面俯视图；
图1lc示出了另一类型的第四换热装置的剖视透视图，这种类型的换热装置具有作为传热表面的结构的且位于控制射流的流路中的销以及位于主射流的流路中的销；
图1ld示出了图1lc的换热装置的横截面俯视图；
图12示出了具有两个传热表面的第五换热设备的剖视图；
图13a和13b示出了用于提供两个相对旋动射流的出口的布置；
图14示出了第六换热设备的剖视图，其中，封罩分离成多个单元；
图14a不出了图14的第六换热设备的截面俯视图；
图15示出了第七换热设备的剖视图，其中，孔口的横截面呈锥形；
图16示出了图15的第七换热设备的孔板的剖视图；
图17示出了提供在相对方向上流动的主射流和控制射流的第八换热设备的剖视图；
以及
图18a和图18b示出了用于产生在相对方向上流动的主射流和控制射流的孔板的剖视图。
【具体实施