[发明专利]一种高热流密度散热用复合射流冷却热沉

说明书

本发明公开了一种高热流密度散热用复合射流冷却热沉，该热沉由：入口管线、盖板、丝网组件、孔板、支撑块、射流腔、针肋外覆多孔层强化基板、出口管线组成。热沉采用“上进上出”整体结构，使用两种不同目数丝网进行填充实现入口段流量均匀分配；采用分歧式射流孔板，使工质经由阵列射流孔射入射流腔完成换热后重新由上部出流，降低射流单元间的干扰作用，促进射流腔内部涡流的形成；采用针肋外覆多孔层强化基板，通过针肋设计促进湍流的发生，增加受冲击表面比表面积，通过多孔层增加气化核心，促进相变的发生。本设计的复合射流冷却热沉，可以有效提高热沉换热能力，达到更好的温度均匀性，它可以用于百瓦/cmsupgt;2/supgt;级高热流密度散热需求。

技术领域

本发明涉及用于高热流密度散热的热沉设计技术，具体是指用复合微通道、多孔介质结构作为受冲击表面强化结构的复合射流冷却热沉。复合射流冷却热沉作为高效的能量收集部件，可用于百瓦/cm²级高热流密度散热需求，如大规模集成电路、大功率电子器件、高功率固体激光器、星上载荷等的冷却散热。

背景技术

高热流密度散热技术是随着大功率、高集成度器件发展而伴随衍生出的一种有针对性的特殊热控需求。主要围绕将元器件运行过程中转化为热量的部分能量有效的散出展开设计，以保证其在限定温度条件下正常的工作及较好的发挥性能。在整个散热途径中，主要包含能量的收集、传输和排散，其中，设计优良的能量收集装置(热沉)是系统中第一步也是至关重要的一个环节。

相较于传统瓦/cm²级散热需求，更大的散热热流密度意味着对热沉换热能力有更高的要求。

Tuckerman和Pease于二十世纪八十年代提出的微通道换热器是高热流密度能量收集时最常使用的热沉类型，其沿垂直流动方向均匀分布多个平行微通道，通道截面可为矩形、三角形、圆形及不规则形状。微通道热沉与常规尺度通道热沉相比，通过在单位体积提供更大的固、液接触面积，实现更高的换热系数，达到更佳的换热效果。但对于热源发热面积较大及更高热流密度换热时，能量沿工质流动方向累积，受限于通道截面积过小，在两相工况时，由于气液比体积较大，会出现气塞、返流等流动沸腾不稳定现象，最终导致通道内工质蒸干传热恶化。

射流冲击冷却技术是一种高效的散热技术，在系统机械泵的驱动下，冷流体流经射流孔后在文丘里效应作用下加速冲击至热壁面换热。根据过增元院士于2000年提出的“场协同”理论可知，射流冲击时“流体速度场”与热源“热流场”协同性较好，可以达到较强的换热效果。同时，采用多射流孔阵列射流时，除可以完成换热区的及时补液，还可以实现较好的温度均匀性，研究表明其可有效用于百瓦/cm2级散热需求。

发明内容

本发明的目的是提出一种能够用于百瓦/cm²级散热需求的复合射流冷却热沉，通过射流冲击冷却技术复合微通道、多孔介质强化技术，充分发挥三者的优势，同时提高热沉在单相、两相工况的换热性能。

为达到上述目的，本发明的设计思路为：

1参考微通道换热器在单相工况的优良性能，设计针肋结构替代传统光滑表面强化单相换热。

2为促进相变的发生，在针肋表面设计一层多孔介质层，增加气化核心数。

3借鉴分歧式通道结构，设计可实现“上进上出”的孔板结构，使热沉射流腔内供液、排气流动顺畅。

根据上述思路，本发明采用下述技术步骤。