[发明专利]高热流密度条件下阵列射流、沸腾冷却耦合换热方法

说明书

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(100W/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.Whelan，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℃-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。(2)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。(5)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匀性。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

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。

具体实施方式