一种协同驱动的高热流密度芯片相变散热装置和方法与流程

本发明属于超高热流密度冷却散热相关领域，更具体地，涉及一种协同驱动的高热流密度芯片相变散热装置和方法，可以用于军民领域的超高热流密度电子元器件的冷却散热。

背景技术：

随着国防、电子信息领域技术发展对硬件性能的追求以及微机械加工技术(mems)的进步，电子设备体积趋于微型化，系统趋于复杂化、集成化，而这些发展就带来了不可避免的高热流密度问题。专家预测2026年高性能计算机和工作站芯片的热流密度将分别高达200w/cm²和450w/cm²。传统的常规尺度单相冷却技术的上限仅为100w/cm²，沸腾换热技术的上限为200w/cm²。因此需要更为高效的冷却技术来满足苛刻的散热需求。此外，对阵列化芯片或规模化计算集群而言，散热系统的传输距离和性能可靠性是整体高效散热结构设计和长期稳定运行的重要保障。

环路热管是一种高效的非能动散热装置，以多孔毛细芯为驱动源，液体在蒸发器吸热沸腾/蒸发，经蒸汽管路进入冷凝器放热，最后在毛细力的作用下回到补偿腔，完成热量传递。环路热管工作过程无需外部动力源，具有安全稳定、传热量大等优点，在高热流密度芯片散热领域极具前景。但是，由于环路热管主要依靠多孔毛细芯的毛细抽吸力提供驱动力，当热流密度较高时毛细力无法克服流动阻力，会出现蒸发器烧干的现象，导致系统失去散热能力，蒸发器底板温度急剧上升，目前公开报道的环路热管极限热流密度仅为100w/cm²左右，无法满足未来更高热流密度的散热需求。另外，由于环路热管蒸发器的特殊结构，蒸发器侧壁导热和背向漏热严重，容易使蒸发器补偿腔内液体的温度升高而造成系统的失稳。中国专利201711044628.1设计了一种微泵辅助的环路热管，通过在系统中增加微泵和液体回路，一方面增加了循环的驱动力(热量传输距离)；另一方面将液体补偿腔的漏热带走，消除了因液体补偿腔温度升高带来的系统失稳，提高了运行的稳定性，但是没有解决环路热管的毛细极限问题。同时，由于增加了微泵，使系统的复杂性增加、安全可靠性大大降低。

技术实现要素：

针对以上现有技术的缺陷，结合环路热管的工作特点，本发明的目的是提出一种协同驱动的高热流密度芯片相变散热装置和方法。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种协同驱动的高热流密度芯片相变散热装置，包括蒸发器、中心进液-环周进汽式汽液两相流喷射升压装置、冷凝器、储液器和微泵；其中，蒸发器出口与中心进液-环周进汽式汽液两相流喷射升压装置相连，中心进液-环周进汽式汽液两相流喷射升压装置与冷凝器相连，冷凝器与储液器相连，储液器经过微泵与蒸发器入口相连。

本发明进一步的改进在于，蒸发器包括壳体、补偿腔、毛细芯镍层和毛细芯铜层；其中，壳体内设置有毛细芯铜层，毛细芯铜层上设置有毛细芯镍层，毛细芯镍层上方为补偿腔；

补偿腔的入口与储液器相连，补偿腔的出口与冷凝器相连；

毛细芯铜层底部设置有蒸汽槽道，蒸汽槽道出口与蒸汽管路相连通。

本发明进一步的改进在于，中心进液-环周进汽式汽液两相流喷射升压装置包括液体喷嘴、蒸汽喷嘴、混合腔，喉部和扩散段；其中，液体喷嘴伸入到蒸汽喷嘴内部，混合腔的入口与液体喷嘴和蒸汽喷嘴相连通，混合腔出口与喉部相连通，喉部与扩散段相连通；

液体喷嘴入口与储液器相连，蒸汽喷嘴与蒸汽管路相连通，扩散段与冷凝器相连。

本发明进一步的改进在于，液体喷嘴为渐缩喷嘴，内部末端设置有平直段；混合腔为圆柱形渐缩通道；为保证降低流动损失的同时保证装置的高性能，收缩角为12°～15°；扩散段为渐扩形的通道，扩张角为20°。

本发明进一步的改进在于，平直段占液体喷嘴总长度的1/5。

本发明进一步的改进在于，毛细芯镍层和毛细芯铜层构成镍-铜复合毛细芯，镍-铜复合毛细芯的具体制备过程如下：将铜粉填入不锈钢模具中并铺平，形成铜层，模具底部加工有宽和高均为1～2mm的矩形微小槽道，将铜层压实形成铜层；在铜层上填入镍粉，并压实形成镍层；铜层和镍层结合在一起，形成胚体；将胚体在保护气下烧结，得到镍-铜复合毛细芯。

本发明进一步的改进在于，铜粉的粒径为5～20μm，铜层的厚度为2～4mm；镍粉的粒径为50～100μm，镍层的厚度为1～2mm；

烧结的具体条件为：以5℃/min的速率自室温升温至800℃，并在800℃下保温30min，随后以5℃/min的速率冷却至室温。

本发明进一步的改进在于，储液器为圆筒结构，储液器进口与冷凝器连接，出口与第四液体管路相连，第四液体管路出口分为两路，一路与蒸发器相连，另一路与中心进液-环周进汽式汽液两相流喷射升压装置相连；微泵设置在第四液体管路上。

本发明进一步的改进在于，储液器顶部开设有液体工质注入口；

微泵为离心泵、隔膜泵或电驱泵；

补偿腔的出口经第一液体管路与冷凝器相连，第一液体管路上设置有第一阀门；

储液器的出口经第五液体管路与中心进液-环周进汽式汽液两相流喷射升压装置相连；

第四液体管路出口分为两路，一路经第五液体管路与汽液两相流喷射升压装置相连，另一路经第六液体管路与补偿腔相连，第六液体管路上设置有第三阀门。

一种散热方法，将蒸发器的底面与热源贴合，热量通过蒸发器的壁面传导至毛细芯铜层，液体在毛细芯铜层表面受热汽化，同时在气液界面产生弯月面，形成毛细力驱动循环，控制补偿腔内的压力，毛细芯铜层与蒸发器的底板接触面会形成液体薄膜，产生的蒸汽通过蒸汽槽道和蒸汽管路进入汽液两相喷射升压装置中，储液器内的液体同时进入汽液两相喷射升压装置中，通过渐缩型的液体喷嘴加速后进入混合腔，高速液体射流通过卷吸以及紊动扩散作用，将蒸汽喷嘴出口的气体带走，使得环周蒸汽喷嘴的蒸汽进入混合腔，在混合腔内，汽液两相在速度差、温度差的作用下，进行质量、动量和热量的交换，形成环状流并向泡状流转变，在喉部附近产生凝结激波形成高压的单相流体；

单相流体进入冷凝器，补偿腔内的流体在微泵的作用下经过进入冷凝器，进入冷凝器的高温液体经过冷凝后再进入储液器；储液器内的液体在微泵的作用下分别进入补偿腔和汽液两相喷射升压装置，从而完成整个循环。

本发明与现有技术相比主要具有以下有益效果：

1.通过设置中心进液-环周进汽式汽液两相流喷射升压装置，一方面能够利用液体引射蒸发器蒸汽，从而降低蒸发器底板温度；另一方面还能在出口处形成高压液体，驱动液体回流，降低泵功；

2.通过再散热系统中增加微泵用于驱动工质循环，可以加快液体工质的循环速率，有效降低补偿腔的漏热影响，同时可以增加热量传输距离；

3.有源泵(微泵)如出现故障，无源泵(汽液两相喷射升压装置)的工作模式由液引射汽自动切换为汽引射液，在蒸发室底板蒸汽量充足的情况下替代有源泵继续运行，增强了系统运行的安全可靠性。

进一步的，通过蒸发器液体出口的阀门调节，可以控制补偿腔内液体压力，从而控制毛细芯内的相变模式，形成高效的薄膜蒸发换热；

进一步的，通过第五液体管路和第六液体管路的阀门调节，可以有效控制整个系统的工质流量，适应不同热流密度的散热。

本发明中微泵将液体从储液器泵出后分两路，一路液体进入蒸发器的补偿腔，部分液体进行蒸发换热，其余液体从补偿腔另一侧流出，另一路进入中心进液-环周进汽式汽液两相喷射升压装置，引射蒸发器中的蒸汽进行两相混合形成高压单相热液体，单相热液体与补偿腔流出液体混合后进入冷凝器，把热量带出系统形成过冷液又回到储液器，完成对芯片的散热。利用微泵和中心进液-环周进汽式汽液两相流喷射升压装置的协同作用，提高极限热流密度和传输距离，同时增强装置运行的安全可靠性。本发明在提高散热效率的同时适应不同的散热功率。

附图说明

图1为本发明的散热装置主体剖视图。

图2为本发明的中心进液-环周进汽式汽液两相流喷射升压装置模型图。

图3为本发明的中心进液-环周进汽式汽液两相流喷射升压装置剖视图。

其中：1为蒸发器；2为毛细芯铜层；3为毛细芯镍层；4为蒸汽槽道；5为补偿腔；6为第一液体管路；7为第一阀门；8为蒸汽管路；9为汽液两相喷射升压装置；9-1为液体喷嘴；9-2为蒸汽喷嘴；9-3为混合腔；9-4为喉部；9-5为扩散段；10为第二液体管路；11为冷凝器；12为冷却液出口；13为冷却液入口；14为第三液体管路；15为储液器；16为第四液体管路；17为微泵；18为三通；19为第二阀门；20为第五液体管路；21为第六液体管路；22为第三阀门。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述。

环路热管的多孔毛细芯中存在沸腾和薄膜蒸发两种相变模式，取决于底板热流密度和汽液界面两侧的流体压差。沸腾模式存在汽泡成核与生长，阻碍液体向相变区域的补给，临界热流密度较低(<100w/cm²)；薄膜蒸发不存在汽泡，气体从液膜表面分离，解决了沸腾过程中汽化区的液体补给难题，具有极高的临界热流密度(>1000w/cm²)。因此，提高环路热管的极限热流密度，必须要有效控制蒸发器补偿腔内的压力，从而控制毛细芯内的相变模式，在毛细芯底部形成高效的薄膜蒸发换热，避免蒸发器烧干的现象。此外，及时排走蒸发器内的蒸汽，降低蒸发器底板温度，从而提高换热性能。

中心进液-环周进汽式汽液两相流喷射升压装置是一种特殊的射流泵，过冷液体经渐缩型喷嘴加速后进入混合腔，形成的高速射流通过卷吸以及紊动扩散作用，使得环形喷嘴内的蒸汽顺利进入混合腔。在混合腔内，汽液两相在速度差、温度差的作用下，进行质量、动量和热量的交换，实现环状流向泡状流转变形成超音速汽液两相流；经过混合腔喉部时，超音速汽液两相流遇到阻力形成凝结激波，汽相全部凝结最终形成高压的单相流体。中心进液-环周进汽式汽液两相流喷射升压装置实质上是利用蒸汽凝结释放的热量中的部分可用能转化为机械功得以提高液体的压力，目前主要应用于工业低品位余热回收领域，尚未应用于电子元器件冷却散热领域。中心进液-环周进汽式汽液两相流喷射升压装置不仅可以利用汽液混合获得额外的驱动力(降低泵功)，还能够用液体引射蒸发器蒸汽，促进蒸发器高温流体的快速排出，降低蒸发器底板温度，提高环路热管的整体换热性能。

高热流密度芯片的热流密度为200～1000w/cm²。

本发明中在散热系统中增加微泵，利用微泵驱动工质循环，加快液体工质的循环速率，有效降低补偿腔的漏热影响；利用阀门的调节，控制补偿腔内的液体压力，从而控制毛细芯内的相变模式，形成高效的薄膜蒸发；通过调节阀门开度，可以控制进入中心进液-环周进汽式气液两相流喷射升压装置的液体压力和流量，使蒸发器内表面形成高效的薄膜蒸发；利用散热装置中的中心进液-环周进汽式汽液两相流喷射升压装置，利用过冷液引射蒸发器蒸汽，从而降低蒸发器底板温度，同时在出口处形成高压液体，驱动液体回流，降低泵功。

利用微泵和中心进液-环周进汽式汽液两相流喷射升压装置的协同作用，提高极限热流密度和传输距离，同时增强装置运行的安全可靠性。

参见图1，本发明的一种有源泵与无源泵协同驱动的超高热流密度薄膜蒸发散热装置，包括蒸发器1、中心进液-环周进汽式汽液两相流喷射升压装置9、冷凝器11、储液器15和微泵17。其中，蒸发器1出口与中心进液-环周进汽式汽液两相流喷射升压装置9相连，中心进液-环周进汽式汽液两相流喷射升压装置9与冷凝器11相连，冷凝器11与储液器15相连，储液器15经过微泵17与蒸发器1入口相连。蒸发器1的外表面与芯片贴合。

参见图1，蒸发器1包括补偿腔5、毛细芯镍层3和毛细芯铜层2，蒸汽槽道4，毛细芯镍层3和毛细芯铜层2为系装置的运行提供一定的动力；其中，蒸发器1包括壳体，壳体内设置有毛细芯铜层2，毛细芯铜层2上设置有毛细芯镍层3，毛细芯镍层3上方为补偿腔5，补偿腔5的入口与第六液体管路21相连接，补偿腔5的出口与第一液体管路6相连接，第一液体管路6上设置有用于调节补偿腔压力的第一阀门7；毛细芯铜层2内设置有蒸汽槽道4，直接将蒸汽槽道4烧结在毛细芯的底层，降低蒸发器的加工难度，有效增大蒸发薄膜散热面积，提高传热性能。蒸汽槽道4出口与蒸汽管路8相连通。

毛细芯镍层3和毛细芯铜层2构成镍-铜复合毛细芯，镍-铜复合毛细芯的具体制备过程如下：首先使用不同目数的标准筛分别对镍粉和铜粉进行筛分，以获得所需的平均粒径，镍粉粒径为50～100μm，铜粉粒径为5～20μm。然后将筛分后的铜粉填入不锈钢模具中并铺平，形成铜层，模具底部加工宽和高为1～2mm的矩形微小槽道，利用冲头施加一定压力使铜层致密，铜层厚度为2～4mm；取下冲头，在铜层上面填入镍粉并铺平，形成镍层，再次利用冲头施加一定压力使镍层致密，镍层厚度1～2mm；由于压力的存在，铜层和镍层紧密结合在一起，形成胚体。脱模后将胚体放入管式炉中，向管式炉通入氩气或者氮气作为保护气，然后以5℃/min的速率自室温升温至800℃，并在800℃下保温30min，随后以5℃/min的速率冷却至室温，待温度降至室温后停止通入保护气，完成烧结工作。不锈钢模具、毛细芯的形状由蒸发器形状确定，可为矩形或圆形。

镍层为蒸发层，导热系数高，平均有效孔径大于10μm，具有较小的流动阻力和接触热阻，可保证热量在固液间的高效传导和液体的快速补给；铜层为吸液层，导热系数低，平均有效孔径小于5μm，提供较大的毛细力。

参见图1，储液器15为圆筒结构，储液器15进口与冷凝器11连接，出口将第四液体管理16、微泵17、三通18、第三液体管路22与蒸发器1相连，储液器15用于储存液体工质，顶部开设有液体工质注入口。

参见图1，微泵17用于驱动工质循环，微泵17为离心泵、隔膜泵或者其他类型电驱泵，进口与储液器15相连，出口与三通18相连。三通两条支路，一支路与第五液体管路20入口相连，第五液体管路20出口与中心进液-环周进汽式汽液两相流喷射升压装置9相连，另一支路与第六液体管路21入口相连，第六液体管21出口与蒸发器1相连，

第六液体管路21上设置有用于调节工质流量的第三阀门22，第五液体管路20上设置有用于调节工质流量的第二阀门19。

参见图2和图3，中心进液-环周进汽式汽液两相流喷射升压装置9由液体喷嘴9-1、蒸汽喷嘴9-2、混合腔9-3，喉部9-4和扩散段9-5组成。其中，液体喷嘴9-1伸入到蒸汽喷嘴9-2内部，混合腔9-3的入口与液体喷嘴9-1和蒸汽喷嘴9-2相连通，混合腔9-3出口与喉部9-4相连通，喉部9-4与扩散段9-5相连通。液体喷嘴9-1入口与第五液体管路20相连接，蒸汽喷嘴9-2与蒸汽管路8相连通，扩散段9-5与第二液体管路10相连通。液体喷嘴9-1是渐缩喷嘴，内部流通部分的末端有1/5的平直段对液体进行整流；混合腔9-3为圆柱形渐缩通道，为保证降低流动损失的同时保证装置的高性能，收缩角取为12°～15°；扩散段9-5为渐扩形的通道，为降低流动损失、防止流体与壁面分离，扩张角取20°；液体喷嘴9-1与混合腔9-3装配后，夹层形成环形缩放结构的蒸汽喷嘴9-2。液体喷嘴9-1、混合腔9-3和扩散段的长度根据联通管路的内径和收缩/扩张角确定。

中心进液-环周进汽式气液两相流喷射升压装置一方面可利用液体引射蒸发器中的气体，形成低压环境，降低蒸发室底板温度；另一方面可在泵出现故障后工作模式转变为汽引射液，保证系统中工质的正常循环，但蒸发室底板温度可能会高于液引射汽的工作模式。

中心进液-环周进汽式气液两相流喷射升压装置在液引射汽或汽引射液的工作模式下都能够在出口形成高压单相液体，克服流动阻力将液体输送至储液器，大大降低泵的功耗。

基于上述散热装置的散热方法为：

所述蒸发器1的底面与热源贴合，热量通过蒸发器1的金属壁面传导至毛细芯铜层2，液体在毛细芯铜层2表面受热汽化，同时在气液界面产生弯月面，形成毛细力驱动循环，控制补偿腔5内的压力，毛细芯铜层2与蒸发器1的底板接触面会形成液体薄膜，液体蒸发更为高效，产生的蒸汽通过蒸汽槽道4再通过蒸汽管路8进入汽液两相喷射升压装置9，经过第五液体管路20的液体同时进入汽液两相喷射升压装置9，通过渐缩型的液体喷嘴9-1加速后进入混合腔9-3，高速液体射流通过卷吸以及紊动扩散作用，将蒸汽喷嘴9-2出口的气体带走，使得环周喷嘴的蒸汽顺利的进入混合腔9-3，在混合腔9-3内，汽液两相在速度差、温度差的作用下，进行质量、动量和热量的交换，形成环状流并向泡状流转变，在喉部9-4附近产生凝结激波形成高压的单相流体，驱动液体流动。

单相热液体通过第二液体管路10进入冷凝器11，补偿腔5内的流体在微泵17的作用下经过第一液体管路6同样进入冷凝器11，可以带走漏入补偿腔5内的热量，保持系统的稳定性。进入冷凝器11的高温液体经过冷凝后再经过第三液体管路14进入储液器15，完成对芯片的散热。储液器15内的液体在微泵17的作用下经过三通18分别进入第五液体管路20和第六液体管路21，从而完成整个循环。

第一阀门7用于控制补偿腔5内液体的压力，第二阀门19和第三阀门22分别用于调控通过第五液体管路20和第六液体管路21的液体流量，在提高装置散热效率的同时适应不同的散热功率。

整个装置运行的动力来源于毛细芯的抽吸力、微泵17以及汽液两相喷射升压装置9，在提高散热效率的同时并不需要过多的外部动力。有源泵(微泵17)如出现故障，无源泵(汽液两相喷射升压装置9)能够替代有源泵继续运行，增强了装置运行的安全可靠性。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。