[发明专利]一种冷却超高热流密度热源的系统和方法

说明书

本发明公开了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，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；本发明还公开了一种冷却超高热流密度热源的方法；本发明的系统和方法针对超高热流密度热源能够实现400～600W/cm²的散热能力，且结构紧凑、质量小。

技术领域

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℃。