CN111511164A - 喷雾冷却相变热沉一体化蒸发冷却装置 - Google Patents

Abstract

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。

Description

喷雾冷却相变热沉一体化蒸发冷却装置

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，

本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，一种喷雾冷却相变热沉一体化蒸发冷却装置，包括：设置在气相工质存储腔2中的液体工质雾化喷射装置1及设置在存储腔底部对应喷头的发热源6，连通液体工质雾化喷射装置1的相变热沉3和液态工质回流的储存腔4，其特征在于：汇聚于存储腔4中的液态工质通过直通连接管路液体泵7，在液体泵7驱动下的高动量液质，进入雾化喷射装置1雾化后，形成向下的冲击喷射区5的雾状液流，全面覆盖底层喷雾腔高热流密度的发热源6，被喷射的雾状液体工质被发热源6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2上部连通的弯管回流道管，加剧扩散至相变热沉3容器内表面进行高换热，其所携带的热量在容器内表面被相变热沉吸收，冷却后的液相工质汇聚于液态工质存储腔4中，在液体泵7的驱动下，重新得到喷射，如此循环往复，将发热源6的热量传递至相变热沉3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。

本发明相对于现有技术的具有如下有益效果。

本发明采用设置在气相工质存储腔2中的液体工质雾化喷射装置1及设置在存储腔底部对应喷头的发热源6，连通液体工质雾化喷射装置1的相变热沉3和液态工质回流的储存腔4，将喷雾冷却技术与相变散热技术创造性的结合，液体通过喷嘴雾化喷射在热源上，气化带走热量，重新回到冷凝器冷却为液态，完成一个循环，减小了传统喷雾冷却系统的体积，而且可应用不具备外部散热条件的特殊设备。这种利用液体雾化沸腾换热将被冷却物体表面的热量带走的方式，相对于传统相变冷却装置，具有尺寸小、重量轻、结构紧凑，导热系数大、温度均匀性好、过热度小、临界热流密度高和循环流量低的特点。

本发明利用喷雾相变冷却的喷嘴将液体工质雾化成液滴，并赋予一定的动能后喷射到换热表面，通过对流、相变换热，以较低的过热度带走大量的热量，可控性好，较高的冷却能力、较大的冷却效率、更好的温度分布均匀性、具有传热系数大、温度均匀性好、过热度低的特点，无需外部热沉即可实现高热流密度热源的高效散热。通过采用多喷嘴阵列喷射方式使温度梯度减小，可以减少温度梯度大的问题，克服单个喷嘴喷射冷却会在换热表面上产生较大的温度梯度的缺点。

本发明将所携带的热量在容器内表面被相变热沉吸收，被喷雾冷却后的液相工质液汇聚于液态工质存储腔4中，在液体泵7的驱动下，通过回流管重新沿程得到喷射，如此循环往复，将发热源6的热量传递至相变热沉3中进行冷却循环，可将热源温度控制在较低的范围内，产生循环流量小，比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的表面通过热管相连，具有更高的散热效率。可以克服传统相变冷却散热方式存在热量传递热阻大，温升较高的缺点。采用喷雾冷却的方式对热源表面进行冷却降低热沉与热源表面的接触热阻，利用可与高温蒸汽进行充分换热的多齿形状相变热沉表面，具有换热面积大及低冷却表面温度的显著特点，提高了换热效率，可以避免传统相变冷却装置散热结构相变材料(如石蜡)本身的导热系数较低，热源表面与相变热沉表面之间存在较大接触热阻，导致热源温度过高，不利于热量快速均匀地传导至相变材料内部，导致热源温度过高的缺陷。

附图说明

下面将结合附图对本发明进行详细说明。

图1是本发明一种喷雾冷却相变热沉一体化蒸发冷却装置的构造示意图。

图2是传统相变冷却散热原理示意图。

图中：1.雾化喷射装置，2气相工质存储腔，3相变热沉，4液相工质存储腔，5液体雾化喷射区，6发热源，7液体泵，8传统相变热沉。

具体实施方式

参阅图1。在以下描述的优选实施例中，一种喷雾冷却相变热沉一体化蒸发冷却装置，包括：设置在气相工质存储腔2中的液体工质雾化喷射装置1及设置在存储腔底部对应喷头的发热源6，连通液体工质雾化喷射装置1的相变热沉3和液态工质回流的储存腔4，其中：在气相工质存储腔2中，安装一个雾化喷射装置1，气相工质存储腔2的底部与热源6密封连接，气相工质存储腔2另一端与多个相变热沉3密封相连，相变热沉3的底部为液相工质存储腔4。气相工质存储腔2与相变热沉3所在的密闭腔体，液相工质存储腔4，液体泵7及雾化喷射装置1共同组成一个循环的密闭系统。汇聚于存储腔4中的液态工质通过直通连接管路的液体泵7，在液体泵7驱动下的高动量液态工质，进入雾化喷射装置1，通过喷嘴喷出的雾状工质向下冲击热源表面，全面覆盖底层喷雾腔高热流密度的发热源6。被喷射的雾状液体工质被发热源6表面喷雾区域加热后蒸发汽化，然后穿过气相工质储存腔2上部连通的气流通道，加剧扩散至相变热沉3容器内表面进行高换热，高温气流的热量被相变材料吸收，被换热的气相工质得到冷却变为液态，汇聚于液态工质存储腔4中，在液体泵7的驱动下，重新沿程得到喷射，如此循环往复，将发热源6的热量传递至相变热沉3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。其中，雾化喷射装置1的液体输入管道穿过气相工质存储腔2的侧壁连通液体泵7的输出管道，通过液体泵7的液体输入管道与各液相工质存储腔4的汇流管道相连。

发热源6对应雾化喷射装置1下方排列的喷嘴分布固定在气相工质存储腔2底部。气相工质存储腔2的顶部通过管道与相变热沉3所在腔体相连。液相工质存储腔4与相变热沉3所在密闭腔体为同一腔体，其中上半部分安装相变热沉3，下半部分腔体用于收集冷凝后的液体工质。

相变热沉3的结构形式为多齿状或多孔结构，多齿状可以采用表面布满翅片的多齿状的直槽翅片或多孔结构的矩形翅片排列的凹坑形强化表面强化高温气体与相变热沉3的换热，以扩大热交换面积，提高散热效率。

结构形式为多齿状或多孔结构的相变热沉3、液相工质存储腔4、气相工质存储腔2所在的密闭腔体，与液体泵7连通的雾化喷射装置1共同组成循环密闭系统。

液体泵7应能提供足够的压力，使液体工质通过喷头进行雾化喷射。液体泵7的各并联的液体输入管道与对应的液相工质存储腔4各汇流管道管路相连接；液相工质存储腔4与相连相变热沉3所在腔体另一端，通过各自的汇流管道连通气相工质存储腔2。

同为一腔体液相工质存储腔4与相变热沉3所在密闭腔体的液体工质，通过管路将冷却液输送到液体泵7，液体泵7供足够的压力对通过的液体工质进行加压，然后输送到雾化喷射装置1的喷头上，对腔体下方布置发热源6进行雾化喷射。

相变热沉3的结构形式为多齿状或多孔结构，以扩大热交换面积，相变热沉3可以采用表面布满翅片的多齿状的直槽翅片或多孔结构的矩形翅片排列的凹坑形强化表面强化高温气体与相变热沉3的换热。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种喷雾冷却相变热沉一体化蒸发冷却装置，包括：设置在气相工质存储腔(2)中的液体工质雾化喷射装置(1)及设置在存储腔底部对应喷头的发热源(6)，连通液体工质雾化喷射装置(1)的相变热沉(3)和液态工质回流的储存腔(4)，其特征在于：汇聚于存储腔(4)中的液态工质通过直通连接管路液体泵(7)，在液体泵(7)驱动下的高动量液质，进入雾化喷射装置(1)雾化后，形成向下的冲击喷射(5)的雾状液流，全面覆盖底层喷雾腔高热流密度的发热源(6)，被喷射的雾状液体工质被发热源(6)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(2)上部连通的弯管回流道管，加剧扩散至相变热沉(3)容器内表面进行高换热，其所携带的热量在容器内表面被相变热沉吸收，冷却后的液相工质汇聚于液态工质存储腔(4)中，在液体泵(7)的驱动下，重新得到喷射，如此循环往复，将发热源(6)的热量传递至相变热沉(3)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。

2.如权利要求1所述的喷雾冷却相变热沉一体化蒸发冷却装置，其特征在于：雾化喷射装置(1)的液体输入管道穿过气相工质存储腔(2)的侧壁连通液体泵(7)的输出管道，通过液体泵(7)的液体输入管道与各液相工质存储腔(4)的汇流管道相连。

3.如权利要求1所述的喷雾冷却相变热沉一体化蒸发冷却装置，其特征在于：发热源(6)对应雾化喷射装置(1)下方排列的喷嘴分布固定在气相工质存储腔(2)底部。

4.如权利要求1所述的喷雾冷却相变热沉一体化蒸发冷却装置，其特征在于：气相工质存储腔(2)的顶部通过管道与相变热沉3所在腔体相连。

5.如权利要求1所述的喷雾冷却相变热沉一体化蒸发冷却装置，其特征在于：气相工质存储腔(2)上部通过多列气流通道连通底部为液相工质存储腔(4)的多个相变热沉(3)。

6.如权利要求1所述的喷雾冷却相变热沉一体化蒸发冷却装置，其特征在于：液相工质存储腔(4)与相变热沉(3)所在密闭腔体为同一腔体，其中上半部分安装相变热沉(3)，下半部分腔体用于收集冷凝后的液体工质。

7.如权利要求1所述的喷雾冷却相变热沉一体化蒸发冷却装置，其特征在于：相变热沉(3)的结构形式为多齿状或多孔结构，采用表面布满翅片的多齿状的直槽翅片或多孔结构的矩形翅片排列的凹坑形强化表面强化高温气体与相变热沉(3)的换热。

8.如权利要求1所述的喷雾冷却相变热沉一体化蒸发冷却装置，其特征在于：液体泵(7)的各并联的液体输入管道与对应的液相工质存储腔(4)各汇流管道管路相连接；液相工质存储腔(4)与相连相变热沉(3)所在腔体另一端，通过各自的汇流管道连通气相工质存储腔(2)。

9.如权利要求1所述的喷雾冷却相变热沉一体化蒸发冷却装置，其特征在于：同为一腔体液相工质存储腔(4)与相变热沉(3)所在密闭腔体的液体工质，通过管路将冷却液输送到液体泵(7)，液体泵(7)供足够的压力对通过的液体工质进行加压，然后输送到气相工质存储腔(2)中的密封雾化喷射装置(1)的喷头上，对腔体下方布置发热源(6)进行雾化喷射。

10.如权利要求1所述的喷雾冷却相变热沉一体化蒸发冷却装置，其特征在于：结构形式为多齿状或多孔结构的相变热沉(3)与液相工质存储腔(4)之间的管路通过连通气相工质存储腔(2)所在的密闭腔体，与液体泵(7)连通的雾化喷射装置(1)共同组成循环密闭系统。

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