[發明專利]一種冷卻超高熱流密度熱源的系統和方法

有效

• 申請號: 201710013528.6
• 申請日: 2017-01-09
• 公開（公告）號: CN106785822B
• 公開（公告）日: 2019-04-16
• 發明（設計）人: 周永剛;薛志亮;李培;金滔
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: H01S3/04
• 分類號: H01S3/04;H01S3/042;H01S5/024
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 徐敏

本發明公開了一種冷卻超高熱流密度熱源的系統，包括熱沉基底以及冷卻模塊，所述冷卻模塊包括：冷卻室，內部安裝有所述熱沉基底；霧化噴嘴，安裝在所述冷卻室內，噴頭朝向所述熱沉基底的待冷卻表面；儲液罐，裝有冷卻液；水泵，將儲液罐內的冷卻液輸送至霧化噴嘴；真空泵，連接所述冷卻室；壓力傳感器，監測所述冷卻室內的壓力；溫度傳感器，監測所述熱沉基底的溫度；控制單元，控制所述真空泵調節所述冷卻室內的壓力以及抽出所述真空泵內的冷卻液至儲液罐，控制所述霧化噴嘴工作；本發明還公開了一種冷卻超高熱流密度熱源的方法；本發明的系統和方法針對超高熱流密度熱源能夠實現400～600W/cm²的散熱能力，且結構緊湊、質量小。

技術領域

本發明涉及高功率電子器件冷卻技術領域，特別涉及一種冷卻超高熱流密度熱源的系統和方法。

背景技術

隨著大功率微電子芯片及固體激光技術在航空航天等領域的應用，相應的高熱流密度的散熱問題顯得越來越重要，而軍事電子設備如相控陣雷達、微波功率器件、固體激光器等大功率發熱源的熱流密度則更高。特別是高功率二極管激光器的研制成功促進了高功率固體激光器在航空航天軍事領域的應用，隨之帶來的問題是，在高功率下，固體激光器在工作中產生的大量無用熱會降低激光光束的質量和輸出功率，由此造成設備發熱功率不斷升高，熱流密度可達數百W/cm²甚至數千W/cm²，這種情況下會損毀激光介質，因此高功率固體激光器的發熱問題成為制約其輸出功率進一步提高的瓶頸，如何高效、可靠地解決機載激光器高熱流密度的快速散熱問題具有重要意義。

現有的冷卻技術主要包括液冷、射流沖擊、噴霧冷卻、熱管和熱泵等，針對高功率電子器件的散熱需求，將散熱能力高于500W/cm²的技術稱為高熱流密度冷卻技術，目前主要有微通道冷卻，射流沖擊，噴霧冷卻。

微通道冷卻通常是指在微尺度空間的沸騰傳熱，其主要優點是熱阻非常低，受重力影響小。微尺度通道內沸騰的熱負荷能力達300W/cm²(小尺度通道內的熱負荷能力達200W/cm²)，但由于微通道尺寸小等原因致使液體在微通道內壓降很大，需防止微通道內的污垢和堵塞，且液體溫度增加會致使微通道內存在很大的溫度梯度及熱應力。

例如公開號為CN 106252309A的專利文獻公開了一種用于高熱流密度芯片的微通道液冷散熱器及導冷插件，微通道液冷散熱器固定安裝在芯片的一側面上；包括芯片封裝板、蓋板和冷卻液循環裝置，芯片封裝板封裝固定在芯片的一側面上，芯片封裝板的另一側面的邊沿與蓋板的邊沿密封固定連接，芯片封裝板與所述蓋板之間形成一流通腔，所述芯片封裝板位于所述流通腔內的一側面上設有多個散熱齒；所述蓋板上開設有進液孔和出液孔，所述進液孔和出液孔分別通過液冷管道與所述冷卻液循環裝置相連通。通過在芯片封裝板位于流通腔內的一側面設置成具有多個散熱齒的微通道散熱結構，減小了接觸熱阻，提升了熱交換效率，有利于高熱流密度發熱芯片等集中熱源的散熱。

射流沖擊冷卻是通過噴口射出自由射流直接沖擊高溫表面的方法，由于流程短且被沖擊表面上的邊界層薄，雖然其等溫性較差，但其熱負荷能力較高，射流沖擊普通表面時的熱負荷能力為100～300W/cm²左右，射流沖擊微尺度表面時的熱負荷能力可達到500W/cm²左右。

噴霧冷卻是將微量液體混入壓力氣流中形成霧狀氣液兩相流體，通過噴霧產生射流并噴射到高溫表面以使其充分冷卻。其主要優點是熱阻低，具有較好的等溫性和較高的熱負荷能力，如壓力霧化噴嘴使用水時熱負荷達1000W/cm²(理論值)，對應過熱溫度不超過60℃；蒸汽霧化噴嘴使用水時熱負荷達1300W/cm²(理論值)，對應過熱溫度不超過5℃。