专利名称：高热流密度条件下阵列射流、沸腾冷却耦合换热方法
技术领域：
本发明属于电子器件散热技术，特别是一种高热流密度条件下阵列射流、沸腾冷却耦合换热方法。
背景技术：
射流冲击冷却的原理是流体通过一定形状的喷嘴(圆形或狭缝形)直接喷射到被冷却表面，由于流程短，流速高，在射流面上形成很大的压力，使射流冲击驻点区附近的边界层变得很薄，因而具有极高的换热效率，相比于常规的对流换热技术，射流冷却技术的冲击换热系数要高几倍甚至是一个数量级。虽然单相阵列射流换热具有较高的对流换热系数，在高热流密度条件下的散热有着很大的优势。当电子器件具有极高的热流密度时(lOOW/cm2及以上)，单相阵列射流冲击冷却同样不能达到散热的需求，电子器件温度过高，甚至超出电子器件温度承受范围，从而导致电子器件的烧毁。同时，在较大的换热表面条件下使用单相阵列射流换热时，所需冷却液流量较大。池沸腾利用冷却液汽化时的相变潜热进行散热，能够移除大量的热量，但是池沸腾本身的换热能力较弱，对于极高热流密度条件下的散热无能为力，不能满足未来大功率电子器件的散热需求。各国研究人员都对单相阵列射流散热进行了广泛的研究，主要对影响射流换热的各种参数进行了优化设计，特别是阵列射流中射流孔的布置形式给予了大量的关注，换热表面大多为平面。但是在高热流密度条件下，所需换热量极大，依靠单相换热移除热量必然需要大量的冷却液流量。对比文献 1 (B. P. ffhelan, A. J. Robinson, Nozzle geometryeffects in liquid jet array impingement,Applied Thermal Engineering 29 (2009)2211-2221) 研究了不同形状射流孔的冲击射流效果，换热表面为直径31. 5mm的圆形表面，实验中使用冷却液流量范围为11/111丨1^&<221/1^11 ,换热表面的热流密度仅为25. 66W/cm2，不能满足大功率电子器件的散热需求，而且实验流量过大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够应用于高热流密度条件下电子器件散热的方法， 着眼于提高电子器件的散热能力，保证电子器件的安全运行。实现本发明目的的技术解决方案为一种高热流密度条件下阵列射流、沸腾冷却耦合换热方法，将单相阵列射流冲击冷却和沸腾换热结合，利用冷却液的蒸发潜热移除电子器件的热量，即选取沸点在_20°C _30°C的冷却液，通过控制工质压力在-0. 5bar-10bar, 获得所需范围内的沸点温度，将冷却液泵送至阵列射流冲击装置，通过射流孔射流在换热表面上，同时控制冷却液的温度和压力，使冷却液在射流换热后部分发生相变，利用冷却液的汽化潜热散热，换热后残余液体以及汽化的气体在压差作用下排除，完成整个阵列射流、 沸腾冷却耦合换热过程。本发明与现有技术相比，其显著优点(1)将单相阵列射流冲击冷却和沸腾换热
3结合，利用阵列射流极高的对流换热系数和冷却液的相变潜热实现高热流密度条件下的电子器件的散热，从而满足高热流密度条件下电子器件的散热需求，有效控制电子器件的温度，满足电子器件的工作温度需求。( 在优化单相阵列射流的基础上，结合射流冷却和池沸腾换热，充分利用射流冷却极高的对流换热系数和池沸腾中冷却液的汽化潜热，通过有效的控制，促使冷却液进行射流冷却时，部分冷却液发生汽化，有效利用冷却液的汽化潜热，获得更高的换热能力。(3)减少电子期间散热所需的冷却液流量。(4)利用冷却液的汽化潜热，增强射流冷却的散热能力。( 换热过程中冷却液汽化潜热的加入，使得冷却液的温升较小，增强了换热表面的温度均勻性。下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
图1是阵列射流、沸腾冷却散热部分结构优化示意图。图2是两种换热方法换热效果对比图。
具体实施例方式结合图1，本发明高热流密度条件下阵列射流、沸腾冷却耦合换热方法，实现阵列射流冷却、沸腾换热热控能力，包括冷却液的选择，单相阵列射流冷却的优化以及散热工况的控制，将单相阵列射流冲击冷却和沸腾换热结合，利用冷却液的蒸发潜热移除电子器件的热量，即选择适合电子器件使用的冷却液，冷却液的沸点控制在-20°C -30 如氟利昂系列以及氟碳类等，可通过控制冷却液的温度和压力，如通过控制工质压力在-0. ^ar-IObar,获得所需范围内的沸点温度，从而实现冷却液在阵列射流时，就是将冷却液泵送至阵列射流冲击装置，通过射流孔射流在换热表面上，同时控制冷却液的温度和压力，使冷却液在射流换热后部分发生相变，利用冷却液的汽化潜热散热，换热后残余液体以及汽化的气体在压差作用下排除，完成整个阵列射流、沸腾冷却耦合换热过程。本发明高热流密度条件下阵列射流、沸腾冷却耦合换热方法中，根据公式 ρ = 古算冷却液流量范围，一般流量范围可选0. 5L/min至5L/min。在单相阵列射流冲击装置的射流孔板上开设射流孔，相邻射流孔间距S和射流孔直径D比值范围3. 5-7，射流孔直径范围为0. 5mm-2. 5mm。在单相阵列射流冲击装置的换热表面上刻槽，刻槽的槽深h 选值为0. 5mm-1. 5_，槽宽d选值为0. 5mm-1. 0_，槽间距选值为0. 5mm-1. 5mm 下面进一步说明本发明的实施过程。本发明高热流密度条件下阵列射流、沸腾冷却耦合换热方法中，步骤如下(1)图1中，优化的单相阵列射流要求相邻射流孔间距S和射流孔直径D比值范围为3-10，射流孔直径范围为0. 5mm-3. Omm。根据换热表面的面积，选择合适的射流孔直径， 进而优化配置射流孔。选择射流孔直径应不宜过大，以1. Omm最佳；S/D值应稍偏大，避免相邻射流孔之间的相互干涉。(2)换热表面刻槽，强化换热能力。槽深h选值0.5mm-1.5mm， 槽宽d选值0. 5mm-2. Omm,槽间距选值为0. 5mm_2. Omm。(3)电子器件的工作温度较低，冷却液和电子器件存在换热温差，因此，所选冷却液沸点应在-20°C -30°C最佳，如氟利昂系列中的和R134a、氟碳类冷却液等，通过控制压力在-0. 5bar-10bar，可以得到所需范围内的沸点温度。同等条件下，首选汽化潜热更大的冷却液。(4)根据公式0 = 古算出冷却液流量范围，通过控制散热过程中冷却液温度和压力，使冷却液以接近沸点的温度进行换热，使换热过程中冷却液部分汽化，实现阵列射流换热、沸腾冷却的换热方法。(5)将冷却液泵送至实验设备，通过阵列孔射流在换热表面上，同时控制冷却液的温度和压力，确保冷却液在射流换热后部分相变，利用冷却液的汽化潜热散热，获得更好的换热效果，换热后残余液体以及汽化的气体在压差作用下排除，完成整个换热过程。
图2为阵列射流、沸腾冷却耦合散热方法试验效果与单相阵列射流散热方法的对比图。目前，电子器件的热流密度远远低于lOOW/cm2，对于lOOW/cm2以上的热流密度统称为高热流密度。图2中阵列射流、沸腾冷却耦合散热以作为冷却液，冷却液沸点控制约为5°C，试验热流密度为300W/cm2，远远高于现有电子器件的热流密度。图2显示了新方法的优越性更少的冷却液流量，获得更高的散热能力，换热能力远远高于单相阵列射流换热。图2中采用阵列射流、沸腾冷却耦合散热方法，最高可以获得超过50000W/m2K的对流换热系数，远远超过单相阵列射流的散热能力。
权利要求
1.一种高热流密度条件下阵列射流、沸腾冷却耦合换热方法，其特征在于将单相阵列射流冲击冷却和沸腾换热结合，利用冷却液的蒸发潜热移除电子器件的热量，即选取沸点在-20°c -30°c的冷却液，通过控制工质压力在-0. ^ar-IObar,获得所需范围内的沸点温度，将冷却液泵送至阵列射流冲击装置，通过射流孔射流在换热表面上，同时控制冷却液的温度和压力，使冷却液在射流换热后部分发生相变，利用冷却液的汽化潜热散热，换热后残余液体以及汽化的气体在压差作用下排除，完成整个阵列射流、沸腾冷却耦合换热过程。
2.根据权利要求1所述的高热流密度条件下阵列射流、沸腾冷却耦合换热方法，其特征在于根据公式ρ = 古算冷却液流量范围。
3.根据权利要求1所述的高热流密度条件下阵列射流、沸腾冷却耦合换热方法，其特征在于在单相阵列射流冲击装置的射流孔板上开设射流孔，相邻射流孔间距S和射流孔直径D比值范围3. 5-7，射流孔直径范围为0. 5mm-2. 5mm。
4.根据权利要求1所述的高热流密度条件下阵列射流、沸腾冷却耦合换热方法，其特征在于在单相阵列射流冲击装置的换热表面上刻槽，刻槽的槽深h选值为0. 5mm-l. 5mm，槽宽d选值为0. 5mm-1. Omm，槽间距选值为0. 5mm-1. 5mm。
全文摘要
本发明公开了一种高热流密度条件下阵列射流、沸腾冷却耦合换热方法，将单相阵列射流冲击冷却和沸腾换热结合，利用冷却液的蒸发潜热移除电子器件的热量，即选取沸点在-20℃-30℃的冷却液，通过控制工质压力在-0.5bar-10bar，获得所需范围内的沸点温度，将冷却液泵送至阵列射流冲击装置，通过射流孔射流在换热表面上，同时控制冷却液的温度和压力，使冷却液在射流换热后部分发生相变，利用冷却液的汽化潜热散热，换热后残余液体以及汽化的气体在压差作用下排除，完成整个阵列射流、沸腾冷却耦合换热过程。本发明实现高热流密度条件下的电子器件的散热，从而满足高热流密度条件下电子器件的散热需求，有效控制电子器件的温度，满足电子器件的工作温度需求。
文档编号H05K7/20GK102271485SQ20111012211
公开日2011年12月7日 申请日期2011年5月12日 优先权日2011年5月12日
发明者宣益民, 李强, 铁鹏 申请人:南京理工大学