一种冷却超高热流密度热源的系统和方法与流程

本发明涉及高功率电子器件冷却技术领域，特别涉及一种冷却超高热流密度热源的系统和方法。

背景技术：

随着大功率微电子芯片及固体激光技术在航空航天等领域的应用，相应的高热流密度的散热问题显得越来越重要，而军事电子设备如相控阵雷达、微波功率器件、固体激光器等大功率发热源的热流密度则更高。特别是高功率二极管激光器的研制成功促进了高功率固体激光器在航空航天军事领域的应用，随之带来的问题是，在高功率下，固体激光器在工作中产生的大量无用热会降低激光光束的质量和输出功率，由此造成设备发热功率不断升高，热流密度可达数百W/cm²甚至数千W/cm²，这种情况下会损毁激光介质，因此高功率固体激光器的发热问题成为制约其输出功率进一步提高的瓶颈，如何高效、可靠地解决机载激光器高热流密度的快速散热问题具有重要意义。

现有的冷却技术主要包括液冷、射流冲击、喷雾冷却、热管和热泵等，针对高功率电子器件的散热需求，将散热能力高于500W/cm²的技术称为高热流密度冷却技术，目前主要有微通道冷却，射流冲击，喷雾冷却。

微通道冷却通常是指在微尺度空间的沸腾传热，其主要优点是热阻非常低，受重力影响小。微尺度通道内沸腾的热负荷能力达300W/cm²(小尺度通道内的热负荷能力达200W/cm²)，但由于微通道尺寸小等原因致使液体在微通道内压降很大，需防止微通道内的污垢和堵塞，且液体温度增加会致使微通道内存在很大的温度梯度及热应力。

例如公开号为CN 106252309A的专利文献公开了一种用于高热流密度芯片的微通道液冷散热器及导冷插件，微通道液冷散热器固定安装在芯片的一侧面上；包括芯片封装板、盖板和冷却液循环装置，芯片封装板封装固定在芯片的一侧面上，芯片封装板的另一侧面的边沿与盖板的边沿密封固定连接，芯片封装板与所述盖板之间形成一流通腔，所述芯片封装板位于所述流通腔内的一侧面上设有多个散热齿；所述盖板上开设有进液孔和出液孔，所述进液孔和出液孔分别通过液冷管道与所述冷却液循环装置相连通。通过在芯片封装板位于流通腔内的一侧面设置成具有多个散热齿的微通道散热结构，减小了接触热阻，提升了热交换效率，有利于高热流密度发热芯片等集中热源的散热。

射流冲击冷却是通过喷口射出自由射流直接冲击高温表面的方法，由于流程短且被冲击表面上的边界层薄，虽然其等温性较差，但其热负荷能力较高，射流冲击普通表面时的热负荷能力为100～300W/cm²左右，射流冲击微尺度表面时的热负荷能力可达到500W/cm²左右。

喷雾冷却是将微量液体混入压力气流中形成雾状气液两相流体，通过喷雾产生射流并喷射到高温表面以使其充分冷却。其主要优点是热阻低，具有较好的等温性和较高的热负荷能力，如压力雾化喷嘴使用水时热负荷达1000W/cm²(理论值)，对应过热温度不超过60℃；蒸汽雾化喷嘴使用水时热负荷达1300W/cm²(理论值)，对应过热温度不超过5℃。

例如公开号为CN106091743A的专利文献公开了一种机载高热流密度表面冷却系统，由间歇热载荷表面通过管道依次连接有第二储液器第二泵、至少一个相变储热器、第一储液器、过滤器、第一泵和雾化喷嘴至间歇热载荷表面构成一循环系统，其中所述管道中设有制冷剂，所述相变储热器还设有冷源进口和冷源出口。该发明具有体积小、重量轻，换热效果好，节约能源，不产生污染的特点；同时结构紧凑、制造工艺简单。适用于高热流密度间歇热载荷的冷却。该发明还公开了一种机载高热流密度表面冷却系统的工作方法。

对比几种高热流密度冷却技术表明，微通道冷却方式工质流动方向的温度和压力梯度大，高流速产生噪声，射流冲击冷却方式温度梯度高，容易导致温度敏感器件失效，且液膜在非冲击区域易破碎。

技术实现要素：

本发明提供了一种冷却超高热流密度热源的系统，具有结构紧凑、质量小的优点，且能够实现400～600W/cm²的散热能力。

一种冷却超高热流密度热源的系统，包括热沉基底以及冷却模块，所述冷却模块包括：

冷却室，内部安装有所述热沉基底；

雾化喷嘴，安装在所述冷却室内，喷头朝向所述热沉基底的待冷却表面；

储液罐，装有冷却液；

水泵，将储液罐内的冷却液输送至雾化喷嘴；

真空泵，连接所述冷却室；

压力传感器，监测所述冷却室内的压力；

温度传感器，监测所述热沉基底的温度；

控制单元，根据所述压力传感器和所述温度传感器的监测控制所述真空泵调节所述冷却室内的压力以及抽出所述真空泵内的冷却液至储液罐，控制所述雾化喷嘴工作。

通过设置冷却室以及调节冷却室内部压力的真空泵，从而可以将冷却室内不凝性气体抽出，并控制内部压力，抽走冷却室内不凝性气体，一方面减小了相变换热阻力，另一方面减压降低冷却液的沸点，使得传热驱动力即温差增大，提高了相变换热能力。

为了提高冷却效果，优选的，所述热沉基底的待冷却表面设有阵列排布的圆锥形热源凸起。为了使热沉基底温度均匀，同时热源的热量尽快向外传导，热沉基底和阵列的圆锥形热源凸起采用高热导率的紫铜材料。

为了提高冷却效果，优选的，每个圆锥形热源凸起上方设有对应的所述的雾化喷嘴。

为了进一步提高冷却效果，优选的，所述热沉基底内设有铺设的集汽管，所述热沉基底的待冷却表面设有连通至集汽管的排汽孔，所有集汽管集中连接到所述的真空泵。冷却液受热蒸发，蒸汽和部分冷却液随排汽孔进入集汽管，对热源做进一步冷却，同时通过温度传感器监测热沉基底的温度，控制冷却液流量和真空泵出力。为了保持冷却室内真空度稳定，进而保证热源温度的精确控制，控制单元可以采用反馈控制技术调节真空泵的出力。利用压力传感器监测冷却室内的压力，当热源功率增加，喷雾量增大时，冷却液的蒸发量也增大，这时真空泵的出力要提高，否则冷却室压力升高，冷却液沸点增加，传热温差减小，进而造成冷却液不能迅速相变，热源表面的微尺度液膜加厚，喷雾冷却急剧恶化。

为了减薄热沉基底表面微尺度液膜的厚度，同时对热源做进一步冷却，优选的，相邻排圆锥形热源凸起之间铺设有所述的集汽管，每个圆锥形热源凸起的周围设有四个所述的排汽孔且所述排气孔位于对应集汽管的正上方。

为了进一步提高冷却效果，优选的，所述圆锥形热源凸起的锥角θ₁＝90°～100°。为了增加冷却液与热源的接触面积，同时结合喷雾场呈锥形的特点，在热源表面加装圆锥形热源凸起，进一步优选的，圆锥形热源凸起的高度h＝4～6mm，横向间距Lx＝14～16mm，纵向间距Ly＝12～14mm。

为了达到最优的喷雾冷却效果，雾化喷嘴位于圆锥形热源凸起的正上方，优选的，所述雾化喷嘴距离所述热沉基底表面的高度H＝10～12mm，所述雾化喷嘴的雾化粒径d＝15～20μm，雾化锥角θ₂＝60°～65°。

为了进一步提高冷却效果，优选的，θ₁：θ₂＝1.4～1.6。进一步优选的，相邻的雾化喷嘴的喷射投影圆横向相切，纵向相交，所述的集汽管纵向延伸。

本发明还提供了一种冷却超高热流密度热源的方法，使用上述的冷却超高热流密度热源的系统，包括以下步骤：

(1)控制真空泵抽走冷却室内不凝性气体，结合压力传感器的检测，将冷却室内的压力控制在2000～3000Pa；

(2)控制雾化喷嘴将储液罐中混合好的冷却液喷射到对应的圆锥形热源凸起上；

(3)冷却液受热蒸发，蒸汽和部分冷却液随排汽孔进入所述集汽管，控制真空泵将集汽管内的冷却液导出并冷却后流入储液罐；

(4)控制单元根据温度传感器和压力传感器的监测情况，控制雾化喷嘴的喷雾量和真空泵的出力。

本发明提出的冷却超高热流密度热源的方法通过抽走冷却室内不凝性气体，一方面减压降低了冷却液的沸点，冷却液在较低的温度下进入核态沸腾，使得传热驱动力即温差增大；另一方面，不凝性气体的减少使得蒸汽离开热源表面的阻力降低，同时提高了热源表面附近蒸汽分压力，加快了冷却液的蒸发速率，从而使得喷雾冷却时的表面换热系数增加。

喷射冷却液前，抽走冷却室内不凝性气体，步骤(2)、(3)中，冷却液喷射到热源表面受热蒸发，同时要增加抽气泵出力，保持冷却室内真空度稳定。

为了提高冷却效果，优选的，所述的储液罐内的冷却液为水和乙醇的混合液，其中乙醇的质量分数控制在3％～5％。混合液喷射到热源表面时会形成微尺度液膜，由于乙醇的沸点比水的低，首先受热蒸发，造成汽、液相界面上局部含量的随机变化，引起液相表面张力的随机变化，从而引起界面发生湍流、变形。同时，液膜内、外层乙醇的浓度差也会引起界面湍流，而这与冷却液的主体流动无关。界面湍流、变形将导致传质速率明显加快，对喷雾冷却具有显著的强化效果。但是，乙醇含量过高会降低冷却液的相变潜热，这对以相变换热为基础的喷雾冷却来说是不利的，实验结果表明乙醇的质量分数在3％～5％为最佳。

本发明的有益效果：

本发明的冷却超高热流密度热源的方法和系统，相比于现有技术，针对超高热流密度热源能够实现400～600W/cm²的散热能力，且具有结构紧凑、质量小的优点。

附图说明

图1为本发明的冷却超高热流密度热源的系统的结构示意图。

图2为雾化喷嘴布置及圆锥形热源凸起的特征参数示意图。

图3为圆锥形热源凸起、排汽孔及热源中集汽管相对位置参数示意图。

具体实施方式

为了使本发明的技术手段、创作特征、工作流程、使用方法易于了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。

如图1所示，本实施例的冷却超高热流密度热源的系统主要包括冷液管路1、冷却系统控制回路2、汽液管路3、储液罐4、流量计5、水泵6、冷却室7、微型阵列的雾化喷嘴组8、圆锥形热源凸起9、排汽孔10、热沉基底11、集汽管12、压力传感器13、温度传感器14、真空泵15、板式换热器16和控制单元17。

系统中储液罐4用来储存混合均匀的冷却液，实现经过板式换热器16冷却后的冷却液回收；流量计5和水泵6用来监测和控制冷却液流量；冷却室7在真空泵15的作用下其内部的不凝性气体被抽走，根据压力传感器13的压力信号反馈调节真空泵15出力，保持冷却室7内压力稳定；等间距顺列布置的微型阵列的雾化喷嘴组8将冷却液雾化后喷射到阵列圆锥形热源凸起9热源表面，冷却液受热蒸发，蒸汽和部分冷却液随排汽孔10进入集汽管12，随后经真空泵15到板式换热器16，实现对热沉基底11的冷却；通过温度传感器14监测热沉基底11的温度，调节喷雾量和冷却室7的真空度，从而精确控制热沉基底11的温度。

如图2和图3所示，为了达到最优的喷雾冷却效果，雾化喷嘴组8布置及圆锥形热源凸起9特征如下：

为了使热沉基底11温度均匀，同时热源的热量尽快向外传导，热沉基底11和圆锥形热源凸起9采用高热导率的紫铜材料。

为了增加冷却液与热源的接触面积，同时结合喷雾场呈锥形的特点，在热源表面加装圆锥形热源凸起9，圆锥形热源凸起9的锥角901θ₁＝90～100°，高度902h＝4～6mm，横向间距903Lx＝14～16mm，纵向间距904Ly＝12～14mm。

为了减薄热源表面微尺度液膜的厚度，同时对热源做进一步冷却，设计排汽孔10位于每四个圆锥构成的矩形中心，集汽管12在排汽孔的正下方，纵向布置。

为了达到最优的喷雾冷却效果，雾化喷嘴组8位于圆锥形热源凸起9的正上方，优选的喷嘴距离热源底面高度802H＝10～12mm，喷嘴的雾化粒径d＝15～20μm，雾化锥角801θ₂＝60～65°，优选的θ₁约为θ₂的1.5倍，喷嘴的喷射投影圆803横向相切，纵向相交。

本实施例的冷却超高热流密度热源的方法包括以下步骤：

(1)利用真空泵15抽走冷却室7内不凝性气体，抽走冷却室7内不凝性气体一方面减压降低了冷却液的沸点，冷却液在较低的温度下进入核态沸腾，使得传热驱动力即温差增大；另一方面，不凝性气体的减少使得蒸汽离开热源表面的阻力降低，同时提高了热源表面附近蒸汽分压力，加快了冷却液的蒸发速率，从而使得喷雾冷却时的表面换热系数增加。

(2)雾化喷嘴组8将储液罐4中混合好的冷却液喷射到对应圆锥形热源凸起9的热源表面。冷却液采用水和乙醇的混合液，乙醇的质量分数控制在3％～5％。混合液喷射到热源表面时会形成微尺度液膜，由于乙醇的沸点比水的低，首先受热蒸发，造成汽、液相界面上局部含量的随机变化，引起液相表面张力的随机变化，从而引起界面发生湍流、变形。同时，液膜内、外层乙醇的浓度差也会引起界面湍流，而这与冷却液的主体流动无关。界面湍流、变形将导致传质速率明显加快，对喷雾冷却具有显著的强化效果。但是，乙醇含量过高会降低冷却液的相变潜热，这对以相变换热为基础的喷雾冷却来说是不利的，实验结果表明乙醇的质量分数在3％～5％为最佳。

(3)喷射到圆锥形热源凸起9的冷却液受热蒸发，蒸汽和部分冷却液随排汽孔10进入集汽管12，对热源做进一步冷却，同时通过温度传感器14监测热源温度，控制冷却液流量和真空泵15出力。采用反馈控制技术调节真空泵15的出力，利用压力传感器13监测冷却室7内的压力，当热源功率增加，喷雾量增大时，冷却液的蒸发量也增大，这时真空泵15的出力要提高，否则冷却室7压力升高，冷却液沸点增加，传热温差减小，进而造成冷却液不能迅速相变，热源表面的微尺度液膜加厚，喷雾冷却急剧恶化。

(4)最后集汽管12中的蒸汽经真空泵15进入高效板式换热器16被冷却变为液体，流入储液罐4实现冷却液的回收。