[发明专利]喷雾冷却相变热沉一体化蒸发冷却装置

说明书

本发明公开的一种喷雾冷却相变热沉一体化蒸发冷却装置，旨在提供一种解决喷雾冷却与相变热沉的集成问题的冷却装置。本发明通过下述技术方案实现：在液体泵驱动下的高动量液质进入雾化喷射装置雾化，形成向下冲击喷射区的雾状液流，全面覆盖底层喷雾腔高热流密度的发热源，被喷射的雾状液体工质被发热源表面喷雾区域加热后变为蒸发汽化的蒸汽流，穿过气相工质储存腔上部连通的弯管回流道管，加剧扩散至相变热沉容器内表面进行高换热，所携带的热量在容器内表面被相变热沉吸收冷却，冷却后液体在液体泵的驱动下，重新得到喷射，如此循环往复，将发热源的热量传递至相变热沉中进行冷却循环，从而实现不具备外部散热条件的高热流密度设备的高效散热。

技术领域

本发明涉及一种可广泛应用于高热流密度热源散热领域的散热冷却装置。

背景技术

随着电子信息技术的快速发展，电子元器件高度集成与微型化等技术得以迅速发展，已经渗透到各个领域，其应用环境不断扩大。由于电子产品向微型化方向不断发展，电子器件的封装密度不断地提高，功率更大而外形尺寸日益缩小，。尤其是高功率器件在工作时产生大量无用热量，设备内部器件的发热功率的不断升高，使得电子元器件功率密度和热流密度不断增大。电子产品的这些发展趋势使得电子设备过热的问题越来越突出。如何高效可靠的解决大功率器件的高热流密度的良好散热问题对保证设备的正常工作至关重要。因为电子设备的过热是电子产品失效的主要原因之一，研究资料表明，半导体元件的温度升高10℃，可靠性降低50％。传统自然风冷对流、强迫对流、热管水冷散热等传统电子散热方法其散热能力已经不能满足温度控制的需求，无法满足未来电子技术发展的需求。目前，在众多的散热方法中，喷雾冷却技术以其散热能力高、冷却过程中温差小、工质需求量小等优点受到广泛关注。喷雾冷却换热机理是通过对流换热、液膜表面蒸发、核态沸腾、以及液膜表面的二次核态沸腾进行传热。实验系统关键组成喷雾冷却换热机部分有喷嘴、泵、冷却剂搭建起的循环喷雾冷却实验系统。但在一个闭环的空气助力雾化喷雾系统中，如何将回收冷却剂中的气体排出是一个非常复杂的难题，尤其是这些气体会对循环系统中的冷凝器产生伤害，因此气助雾化喷雾冷却系统不易实现回路控制，冷却液汽化后不易收集，不易将回收的冷却剂介质置于回路中循环使用。喷雾相变冷却的能质传输过程十分复杂。研究表明，喷雾相变冷却的性能受到喷嘴特性、喷淋高度以及工质流量等多因素的耦合作用机制的影响，喷雾冷却换热方式还未得到广泛应用，大多处于实验研究。目前如何将喷雾冷却的冷却液循环利用换热系统集成于整个喷雾冷却系统，并且使系统尽可能的小型化是喷雾冷却换热技术应用的关键问题。由于传统的喷雾冷却方法其冷却介质与热源进行热交换后，其温度升高，高温工质需要经过热交换器与外界进行热交换后重新冷却，才能再次被雾化喷射至热源表面。这种形式的喷雾冷却系统包含一个外部热交换器，热交换器将喷雾冷却工质携带的热量通过风冷或者液冷散热方式散出到环境等其他热沉中。该种喷雾冷却系统的体积较大，系统组成复杂，可靠性差。而且该种散热方式需要借助空气热沉或者液体热沉等外部散热措施。在不具备外部散热条件的情况下，无法直接应用上述散热方式。在这种情况下，通常的散热方式是采用图2所示相变储能材料吸收设备短时产生的大热量，避免芯片温度过度升高。传统的相变冷却散热方式通常将高热流密度的发热源6的散热表面紧贴于相变热沉8，或者将发热源6的表面和传统相变热沉8的表面通过热管相连，这样可以将发热源6和相变热沉8分开放置。以上两种方式均存在热量传递热阻大，温升较高的缺点。相变材料(如石蜡)本身的导热系数较低，传统的的散热结构不利于热量快速均匀地传导至相变材料内部，导致热源温度过高。传统的相变冷却装置其热源表面与相变热沉表面之间存在较大接触热阻，这也是导致热源温度过高的原因之一。

发明内容

本发明的目的针对高热流密度电子元件的冷却问题，尤其是在不具备外部散热热沉的条件下高热流密度热源的散热问题和现有技术存在的不足之处，提供一种具有更高的换热效率，更少的冷却剂需求量，热源表面温度分布更加均匀的散热系统降低芯片结温，扩大喷雾冷却的应用范围，减小喷雾冷却系统体积，使得喷雾冷却可以应用在不具备外部散热热沉条件的设备上。解决喷雾冷却与相变热沉的集成问题，