CN110325020A - 一种高热流密度散热用复合射流冷却热沉 - Google Patents

一种高热流密度散热用复合射流冷却热沉 Download PDF

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Abstract

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/cm2级高热流密度散热需求。

Description

一种高热流密度散热用复合射流冷却热沉
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。
一种高热流密度散热用复合射流冷却热沉，包括入口管线1、盖板2、A丝网3-1、B丝网3-2、孔板4、支撑块5、射流腔6、针肋外覆多孔层强化基板7、出口管线8。以机械泵驱动流体循环作为工质，当工作时，工质首先经入口管线进入热沉，在丝网a、丝网b整流作用下，在整个平面实现流量近似均匀分布。然后通过孔板上的阵列圆孔进入射流腔。基板下表面与热源通过界面材料连接，热流方向垂直与接触面，在基板上表面完成冷流体与热壁面的换热。吸热后的工质经孔板内多个并联的分歧式通道汇总，最终由出口管线流出。
当热源热流密度较小或工质流量相对较大时，射流腔内始终处于单相工况，基板上表面针肋结构可以破坏换热表面层流边界层，促进湍流的发生及冷热流体掺混，提高单相换热系数。
当热源热流密度较大或工质流量相对较小时，射流腔内工质发生相变，进入两相工况。高热导率固态实心针肋可以保证热量有效的经基板下表面传导至针肋表面，针肋表面多孔介质层通过提供多个连通的微孔，形成有效气化核心，降低沸腾所需过热度，促进工质相变的发生。
具体结构设计如下：
一种高热流密度散热用复合射流冷却热沉，包括入口管线1、盖板2、丝网组件3、孔板4、支撑块5、射流腔6、针肋外覆多孔层强化基板7、出口管线8，其特征在于：
所述的复合射流冷却热沉的盖板2内部压填丝网组件3及孔板4，通过真空钎焊实现针肋外覆多孔层强化基板7和盖板2间的联结、密封，并在孔板4与针肋外覆多孔层强化基板7间设置支撑块5保证孔板4在垂直针肋外覆多孔层强化基板7方向上保持固定位置，入口管线1和两侧出口管线8分别焊接固定在盖板2侧面的三个凸台上。
所述的盖板2内部压填的丝网组件3分别为两组A丝网3-1、一组B丝网3-2；所述的两组A丝网3-1在垂直入口管线平面关于入口管线轴向两侧对称布置，一组B丝网3-2布置于中央。
所述的孔板4采用分歧式流道结构，在平行针肋外覆多孔层强化基板7上均匀开多个阵列的贯通射流孔，阵列可为圆形阵列及矩形整列等，射流孔截面形状可为圆形、矩形及三角形等；所述的孔板4内部沿平行和垂直入口管线1方向分别开两层每层多个并联回流通道，通道数需保证每行/列阵列射流孔两侧均有回流通道。
所述的针肋外覆多孔层强化基板7中间为有效射流冲击区域；所述的针肋外覆多孔层强化基板7中间有效射流冲击区域表面采用切割矩形针肋为基体，外覆烧结多孔颗粒层作为基板强化表面结构。
所述的支撑块5高度与孔板4下表面与针肋外覆多孔层强化基板7上表面间距离保持一致。
本发明的优点是：
复合射流热沉采用分歧式孔板设计，可实现良好的供液、排气流动，保证热沉的良好运行。采用针肋外覆多孔层强化基板，同时提升单相工况、两相工况性能。即分别通过破坏换热表面层流边界层，促进湍流的发生及冷热流体掺混，提高单相换热系数；通过针肋表面多孔介质层提供多个连通的微孔，形成有效气化核心，降低沸腾所需过热度，促进工质相变的发生。
附图说明
图1复合射流冷却热沉实际使用示意图。
图2复合射流冷却热沉外观图。
图3复合射流冷却热沉正视局部剖面图。
图4复合射流冷却热沉内部工质流动方向示意图。
图5复合射流冷却热沉孔板结构图，其中(a)是左视局部剖视图、(b)是仰视图。
图6复合射流冷却热沉针肋外覆多孔层强化基板结构图，其中(a)是俯视视局部放大视图、(b)是针肋主视图、(c)是俯视图。
注：图中D为射流孔直径、WL为阵列长、Ww为针肋宽、Hw为针肋高、Wc为针肋间距，δ为烧结多孔颗粒层厚、H为孔板下表面到针肋外覆多孔层强化基板上表面距离。
具体实施方式
一种高热流密度散热用复合射流冷却热沉，包括入口管线1、盖板2、丝网组件3、孔板4、支撑块5、射流腔6、针肋外覆多孔层强化基板7、出口管线8。其中，盖板2内部压填A丝网3-1、B丝网3-2分别为两种不同丝网，其中A丝网3-1为低目数丝网，B丝网3-2为高目数丝网。孔板4采用分歧式流道设计，在平行针肋外覆多孔层强化基板7上均匀开贯通的阵列射流孔，孔板4内部沿平行和垂直入口管线1方向分别开两层并联回流通道，两层回流通道所在平面相互平行，且均垂直于射流孔轴向。支撑块5高度和孔板4下表面与针肋外覆多孔层强化基板7上表面间距离保持一致。针肋外覆多孔层强化基板7可以采用矩形针肋外覆烧结多孔颗粒层作为基板强化表面结构，其复合针肋整体长宽WL＝Ww＝0.8～1.2mm、高Hw＝0.5～1mm、肋间距Wc＝0.3～0.6mm，烧结多孔颗粒层厚δ＝0.2～0.4mm。
入口管线1、出口管线8采用与盖板2焊接性能良好的金属材料，如无氧铜、不锈钢等。盖板2与针肋外覆多孔层强化基板7均采用导热性能良好的无氧铜材料机加工完成。A丝网3-1、B丝网3-2采用可机加工易获得的金属编制丝网开模切割，单片丝网长度、宽度分别与盖板内腔体宽度、高度相同。孔板4使用不锈钢材料，外部结构采用常规机加工方式加工，中间多个并联矩形通道采用先打孔后线切割的方法分别加工。支撑块5采用金属材料如不锈钢机加工而成。针肋外覆多孔层强化基板7采用无氧铜作基材，首先使用线切割技术加工出多个针肋阵列，后使用低温烧结技术将不规则铜粉颗粒烧结至针肋外表面，形成一层多孔介质层。最后再通过钎焊将填充好A丝网3-1、B丝网3-2、孔板4、支撑块5的盖板2与针肋外覆多孔层强化基板7连接起来实现热沉的密封。可根据具体应用场景调节针肋的几何尺寸、铜粉颗粒粒径及多孔层厚度等参数控制流固耦合换热性能；调节射流孔尺寸使其满足不同流量下的射流速度要求；调整射流腔高度寻找一定输入条件下的最优设计等。
工作时，工质首先经入口管线进入热沉，在丝网a、丝网b整流作用下，在整个平面实现流量近似均匀分布。然后通过孔板中阵列圆孔，进入射流腔。基板下表面与热源连接，热流方向垂直与接触面向外，在基板上表面完成冷流体与热壁面的换热。吸热后的工质经孔板内多个并联分歧式通道汇总，最终由出口管线流出。
上述结构保证了工质的顺利流入、流出，且当热源热流密度较小或工质流量相对较大时，射流腔内始终处于单相工况，基板上表面针肋可以破坏换热表面层流边界层，促进湍流的发生及冷热流体掺混，提高单相换热系数。当热源热流密度较大或工质流量相对较小时，射流腔内工质发生相变，进入两相工况。高热导率固态实心针肋可以保证热量有效的经底板下表面传导至固液界面，针肋表面多孔介质层通过提供多个连通的微孔，形成有效气化核心，降低沸腾所需过热度，促进工质相变的发生。

Claims (5)

1.一种高热流密度散热用复合射流冷却热沉，包括入口管线(1)、盖板(2)、丝网组件(3)、孔板(4)、支撑块(5)、射流腔(6)、针肋外覆多孔层强化基板(7)、出口管线(8),其特征在于：
所述的复合射流冷却热沉的盖板(2)内部压填丝网组件(3)及孔板(4)，通过真空钎焊实现针肋外覆多孔层强化基板(7)和盖板(2)间的联结、密封，并在孔板(4)与针肋外覆多孔层强化基板(7)间设置支撑块(5)保证孔板(4)在垂直针肋外覆多孔层强化基板(7)方向上保持固定位置，入口管线(1)和两侧出口管线(8)分别焊接固定在盖板(2)侧面的三个凸台上。
2.根据权利要求1所述的一种高热流密度散热用复合射流冷却热沉，其特征在于：所述的盖板(2)内部压填的丝网组件(3)分别为两组A丝网(3-1)、一组B丝网(3-2)；所述的两组A丝网(3-1)在垂直入口管线平面关于入口管线轴向两侧对称布置，一组B丝网(3-2)布置于中央。
3.根据权利要求1所述的一种高热流密度散热用复合射流冷却热沉，其特征在于：所述的孔板(4)采用分歧式流道结构，在平行针肋外覆多孔层强化基板(7)上均匀开多个阵列的贯通射流孔，阵列可为圆形阵列及矩形整列等，射流孔截面形状可为圆形、矩形及三角形等；所述的孔板(4)内部沿平行和垂直入口管线(1)方向分别开两层每层多个并联回流通道，通道数需保证每行/列阵列射流孔两侧均有回流通道。
4.根据权利要求1所述的一种高热流密度散热用复合射流冷却热沉，其特征在于：所述的针肋外覆多孔层强化基板(7)中间为有效射流冲击区域；所述的针肋外覆多孔层强化基板(7)中间有效射流冲击区域表面采用切割矩形针肋为基体，外覆烧结多孔颗粒层作为基板强化表面结构。
5.根据权利要求1所述的一种高热流密度散热用复合射流冷却热沉，其特征在于：所述支撑块(5)高度与孔板(4)下表面与针肋外覆多孔层强化基板(7)上表面间距离保持一致。
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