[發明專利]一種高熱流密度散熱用復合射流冷卻熱沉

有效

• 申請號: 201910618755.0
• 申請日: 2019-07-10
• 公開（公告）號: CN110325020B
• 公開（公告）日: 2023-07-04
• 發明（設計）人: 張添;吳亦農;謝榮建;董德平;張暢
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海技術物理研究所
• 主分類號: H05K7/20
• 分類號: H05K7/20
• 代理公司: 上海滬慧律師事務所 31311
• 代理人: 郭英

本發明公開了一種高熱流密度散熱用復合射流冷卻熱沉，該熱沉由：入口管線、蓋板、絲網組件、孔板、支撐塊、射流腔、針肋外覆多孔層強化基板、出口管線組成。熱沉采用“上進上出”整體結構，使用兩種不同目數絲網進行填充實現入口段流量均勻分配；采用分歧式射流孔板，使工質經由陣列射流孔射入射流腔完成換熱后重新由上部出流，降低射流單元間的干擾作用，促進射流腔內部渦流的形成；采用針肋外覆多孔層強化基板，通過針肋設計促進湍流的發生，增加受沖擊表面比表面積，通過多孔層增加氣化核心，促進相變的發生。本設計的復合射流冷卻熱沉，可以有效提高熱沉換熱能力，達到更好的溫度均勻性，它可以用于百瓦/cmsupgt;2/supgt;級高熱流密度散熱需求。

技術領域

本發明涉及用于高熱流密度散熱的熱沉設計技術，具體是指用復合微通道、多孔介質結構作為受沖擊表面強化結構的復合射流冷卻熱沉。復合射流冷卻熱沉作為高效的能量收集部件，可用于百瓦/cm²級高熱流密度散熱需求，如大規模集成電路、大功率電子器件、高功率固體激光器、星上載荷等的冷卻散熱。

背景技術

高熱流密度散熱技術是隨著大功率、高集成度器件發展而伴隨衍生出的一種有針對性的特殊熱控需求。主要圍繞將元器件運行過程中轉化為熱量的部分能量有效的散出展開設計，以保證其在限定溫度條件下正常的工作及較好的發揮性能。在整個散熱途徑中，主要包含能量的收集、傳輸和排散，其中，設計優良的能量收集裝置(熱沉)是系統中第一步也是至關重要的一個環節。

相較于傳統瓦/cm²級散熱需求，更大的散熱熱流密度意味著對熱沉換熱能力有更高的要求。

Tuckerman和Pease于二十世紀八十年代提出的微通道換熱器是高熱流密度能量收集時最常使用的熱沉類型，其沿垂直流動方向均勻分布多個平行微通道，通道截面可為矩形、三角形、圓形及不規則形狀。微通道熱沉與常規尺度通道熱沉相比，通過在單位體積提供更大的固、液接觸面積，實現更高的換熱系數，達到更佳的換熱效果。但對于熱源發熱面積較大及更高熱流密度換熱時，能量沿工質流動方向累積，受限于通道截面積過小，在兩相工況時，由于氣液比體積較大，會出現氣塞、返流等流動沸騰不穩定現象，最終導致通道內工質蒸干傳熱惡化。

射流沖擊冷卻技術是一種高效的散熱技術，在系統機械泵的驅動下，冷流體流經射流孔后在文丘里效應作用下加速沖擊至熱壁面換熱。根據過增元院士于2000年提出的“場協同”理論可知，射流沖擊時“流體速度場”與熱源“熱流場”協同性較好，可以達到較強的換熱效果。同時，采用多射流孔陣列射流時，除可以完成換熱區的及時補液，還可以實現較好的溫度均勻性，研究表明其可有效用于百瓦/cm2級散熱需求。

發明內容

本發明的目的是提出一種能夠用于百瓦/cm²級散熱需求的復合射流冷卻熱沉，通過射流沖擊冷卻技術復合微通道、多孔介質強化技術，充分發揮三者的優勢，同時提高熱沉在單相、兩相工況的換熱性能。

為達到上述目的，本發明的設計思路為：

1參考微通道換熱器在單相工況的優良性能，設計針肋結構替代傳統光滑表面強化單相換熱。

2為促進相變的發生，在針肋表面設計一層多孔介質層，增加氣化核心數。

3借鑒分歧式通道結構，設計可實現“上進上出”的孔板結構，使熱沉射流腔內供液、排氣流動順暢。

根據上述思路，本發明采用下述技術步驟。