CN111540716B - 用于大功率芯片散热的静电闪蒸微喷雾循环冷却系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于大功率芯片散热的静电闪蒸微喷雾循环冷却系统，其包括喷雾室、荷电腔室以及冷却介质制冷循环管路机构；通过冷却介质制冷循环管路机构能将液态冷却介质送入荷电腔室内，经过荷电腔室得到的荷电液滴能进入喷雾室的微通道喷嘴内，以经由微通道喷嘴将荷电液滴在喷雾液滴电场作用下靶向沉积在热沉的表面，对热沉冷却后的冷却介质返回至冷却介质制冷循环管路机构内，以使得通过热沉温度传感器采集的热沉当前温度与所述循环冷却控制器内预设的目标温度相一致。本发明能有效解决大功率芯片高效散热，同时提高冷却效率，缩小系统体积，满足国防及航空航天领域对冷却系统小型化、集成化以及高可靠性的技术要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种循环冷却系统，尤其是一种用于大功率芯片散热的静电闪蒸微喷雾循环冷却系统，属于芯片散热的技术领域。
背景技术
大功率芯片的电子器件因其长寿命、高可靠性以及体积小、质量轻等优势广泛应用于航空航天、国防、工农业生产和生物医学领域中。随着芯片功率密度不断提升、散热面积不断缩小，加之小型化、集成化以及轻量化在航空航天领域的特殊应用需求，大功率芯片的功率密度已超过500 W/cm2，相当于飞行器返回大气层时与高速气流摩擦产生的热量。著名的10 ºC法则指出：电子器件的使用寿命与温度密切相关，当超过工作温度（如LED结温80ºC）时，每上升10 ºC，寿命缩短50%。目前市场上并无针对大功率芯片散热问题所开发的高效紧凑冷却系统。
现有已应用在大功率芯片的散热技术包括：风冷、液冷、热管冷却、微通道冷却以及热电冷却等。虽然集成化程度较高，但仅利用工质显热或部分潜热，冷却能力不足，极大地限制了激光器等大功率芯片的进一步提升。因此急需开发新型高效紧凑的冷却技术，解决高功率芯片散热问题。
静电喷雾技术通过在喷头与靶标之间建立静电场，液滴带电荷后在电场力作用下实现靶向沉积，具有雾化质量高、工质用量低、液滴沉积均匀且沉积量高等优势，广泛应用于农药喷洒、工业喷涂、喷雾燃烧、工业除尘、脱硫以及废气净化等工业工程领域。
制冷剂闪蒸喷雾冷却能力强，有望解决大功率芯片散热问题，但由于闪蒸作用常使制冷剂内部及表面产生气泡，气泡破裂导致制冷剂爆炸性破碎，雾化效果不佳，且形成较大喷雾锥角（> 90º），对于散热面积仅为数十平方毫米的高功率半导体芯片难以实施精准冷却，且大量工质沉积或飞溅至散热面外部，易造成冷却效率下降和能源浪费。此外，为获得较好雾化及冷却效果，喷雾距离常设置为30 mm以上，导致喷雾腔体积庞大，难以实现小型化、集成化的冷却系统设计及封装。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种用于大功率芯片散热的静电闪蒸微喷雾循环冷却系统，其能有效解决大功率芯片高效散热，同时提高冷却效率，缩小系统体积，满足国防及航空航天领域对冷却系统小型化、集成化以及高可靠性的技术要求。
按照本发明提供的技术方案，所述用于大功率芯片散热的静电闪蒸微喷雾循环冷却系统，包括能收纳待散热大功率芯片的喷雾室、能使得冷却介质携带电荷的荷电腔室以及能与所述喷雾室、荷电腔室适配连接的冷却介质制冷循环管路机构；
所述荷电腔室位于喷雾室的上方且荷电腔室与喷雾室内的微通道喷嘴相连通，喷雾室内设置能与待散热的大功率芯片接触配合的热沉，所述热沉在喷雾室内位于微通道喷嘴的正下方，在热沉上设置能检测热沉温度状态的热沉温度传感器；
还包括能控制冷却介质制冷循环管路机构工作状态的循环冷却控制器以及能与荷电腔室、微通道喷嘴适配电连接的高压静电发生装置，所述高压静电发生装置、热沉温度传感器与循环冷却控制器电连接；通过高压静电发生装置与荷电腔室配合能使得通过荷电腔室的液态冷却介质携带电荷，且通过高压静电发生装置与微通道喷嘴配合能在微通道喷嘴与热沉之间形成喷雾液滴电场；
通过冷却介质制冷循环管路机构能将液态冷却介质送入荷电腔室内，经过荷电腔室得到的荷电液滴能进入喷雾室的微通道喷嘴内，以经由微通道喷嘴将荷电液滴在喷雾液滴电场作用下靶向沉积在热沉的表面，对热沉冷却后的冷却介质返回至冷却介质制冷循环管路机构内；循环冷却控制器控制冷却介质制冷循环管路机构将所需剂量的冷却介质在荷电腔室、喷雾室以及冷却介质制冷循环管路机构间循环冷却，以使得通过热沉温度传感器采集的热沉当前温度与所述循环冷却控制器内预设的目标温度相一致。
在荷电腔室、喷雾室以及冷却介质制冷循环管路机构内循环冷却的冷却介质包括液氨；
所述冷却介质制冷循环管路机构包括能与喷雾室连通的第一气液分离器以及与所述第一气液分离器的出气口连接的气体压缩机，所述气体压缩机的出气口与冷凝器的进口端连接，冷凝器的出口端通过第二气液分离器能与储液罐连接，所述储液罐通过储液罐输送管路与荷电腔室连接，在所述储液罐输送管路上设置节流阀；
在储液罐上设置能对所述储液罐加热的电加热器，所述电加热器、节流阀以及气体压缩机均与循环冷却控制器电连接，以通过循环冷却控制器控制所述电加热器、节流阀以及气体压缩机的工作状态。
所述第一气液分离器通过第一连接管与喷雾室的出液口连接，第一气液分离器通过第二连接管与冷凝器的进口连接，第一气液分离器通过第三连接管与气体压缩机的进气口连接；
储液罐输送管路通过旁路管与冷凝器的进口连接，旁路管上设置旁通阀，在储液罐输送管路上设置流量传感器，所述流量传感器位于旁路管与储液罐输送管路的连接部与荷电腔室之间，流量传感器与循环冷却控制器电连接。
所述荷电腔室包括绝缘壳体、设置于所述绝缘壳体内的环形电极以及穿入绝缘壳体内的腔室电极，环形电极邻近荷电腔室的腔室进口，腔室电极位于环形电极与荷电腔室的腔室出口之间；
腔室电极包括电极连接部以及电极放电部，所述电极放电部与电极连接部间呈L型，电极连接部穿出绝缘壳体后能与高压静电放电装置电连接。
所述微通道喷嘴包括喷嘴壳体、位于所述喷嘴壳体内的喷嘴腔、设置于所述喷嘴壳体上的喷嘴连管以及与所述喷嘴壳体适配连接的喷嘴电极；
所述喷嘴连管与喷嘴腔连通，喷嘴壳体与喷雾室紧固连接；在喷嘴壳体内的下部设置阵列分布的喷液通道，所述喷液通道与喷嘴腔相连通，经喷嘴连管进入喷嘴腔内的荷电液滴能经由喷液通道以雾状喷出；喷嘴电极与高压静电发生装置电连接后，能在喷嘴壳体与热沉间产生喷雾液滴电场。
所述喷嘴电极位于喷嘴壳体内或位于喷嘴壳体的端部，且喷嘴电极与喷嘴连管分别位于喷嘴壳体的两端；通过喷液通道喷出的雾状液滴的粒径为5 ~ 15 µm。
所述热沉温度传感器为采用磁控溅射镀膜方式设置在热沉上的T型薄膜热电偶，在T型热薄膜热电偶上喷涂有防氧化保护层。
所述高压静电发生装置包括高压静电第一发生器以及高压静电第二发生器，所述高压静电第一发生器与荷电腔室电连接，高压静电第二发生器与微通道喷嘴电连接，高压静电第一发生器、高压静电第二发生器均与循环冷却控制器电连接。
所述循环冷却控制器还与测量喷雾室内压力状态的压力传感器以及测量喷雾室内温度状态的喷雾温度传感器电连接。
喷液通道位于喷嘴腔底部的下方，在喷嘴壳体内设置2 × 2阵列的喷液通道，喷液通道的内径为0.1 ±0.01 mm，喷液通道间的间距为10 ±0.1 mm。
本发明的优点：
1、具有低沸点、高潜热的液氨为冷却介质，加之闪蒸效应，可使微米级的荷电液滴高速撞击热沉的表面，并与热沉的表面发生核态沸腾、过渡沸腾以及液膜蒸发等复杂相变换热过程，极大提高了换热效率，在维持较低表面温度（< 80 ºC）的同时，热沉的表面热流密度可达500 W/cm2以上。
2、本发明通过荷电腔室使得冷却介质携带电荷，在微通道喷嘴与热沉之间能形成液滴喷雾电场，从而通过静电雾化技术，雾化质量高、工质用量低，液滴沉积均匀且沉积量高，大大提高冷却效率及均匀性的同时可靶向冷却热沉，缩短喷雾距离，喷雾室的体积可缩小至10 × 20 × 20 mm3。
3、微通道喷嘴内的喷液通道呈阵列分布，通过喷液通道可产生微米级粒径液滴，雾化质量高。2 × 2阵列的喷液通道完全覆盖热沉表面，避免因冷却不完全带来的芯片温度陡增、烧结以及失效等风险。
4、通过热沉温度传感器采集热沉温度、通过喷雾温度传感器获取喷雾腔内的温度，通过压力传感器获取喷雾室内的压力，通过流量传感器获取进入荷电腔室内冷却介质的流量，根据大功率芯片的目标温度，循环冷却控制器调节高压静电发生装置输出的电压、电加热器的功率、气体压缩机的功率、节流阀以及旁通阀开度，从而实现调节静电闪蒸喷雾冷却能力，有效解决了冷却系统与芯片发热功率耦合匹配问题。
5、将第一气液分离器以及第二气液分离器将所分离出的蒸汽通入冷凝器内再次冷凝，大大提高了冷凝效率，同时保证进入仅有液态介质进入储液罐，防止蒸汽对闪蒸喷雾产生不利影响。
6、冷却效果强、节省资源、结构紧凑、冷却系统体积小，长期运行安全可靠，可用于计算机CPU、激光器、雷达等大功率芯片的高效紧凑散热。
附图说明
图1为本发明的示意图。
图2为本发明微通道喷嘴的剖视图。
图3为本发明微通道喷嘴内喷液通道的示意图。
图4为本发明荷电腔室的示意图。
附图标记说明：1-高压静电第一发生器、2-循环冷却控制器、3-第一气液分离器、4-气体压缩机、5-冷凝器、6-电加热器、7-储液罐、8-节流阀、9-旁通阀、10-流量传感器、11-荷电腔室、12-电磁阀、13-微通道喷嘴、14-喷雾室、15-热沉、16-压力传感器、17-喷雾温度传感器、18-热沉温度传感器、19-喷液通道、20-外连接套、21-喷嘴电极、22-高压静电第二发生器、23-第二气液分离器、24-喷嘴连管、25-喷嘴腔、26-绝缘壳体、27-腔室进口、28-腔室出口、29-腔室电极、30-环形电极、31-第一连接管、32-第二连接管、33-第三连接管、34-第一开关阀、35-第四连接管、36-第五连接管、37-第六连接管、38-第二开关阀、39-第七连接管、40-储液罐输送第一管、41-第三开关阀、42-储液罐输送第二管、43-旁路管、44-喷嘴壳体、45-电极放电部以及46-电极连接部。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示：为了能有效解决大功率芯片高效散热，同时提高冷却效率，本发明包括能收纳待散热大功率芯片的喷雾室14、能使得冷却介质携带电荷的荷电腔室11以及能与所述喷雾室14、荷电腔室11适配连接的冷却介质制冷循环管路机构；
所述荷电腔室11位于喷雾室14的上方且荷电腔室11与喷雾室14内的微通道喷嘴13相连通，喷雾室14内设置能与待散热的大功率芯片接触配合的热沉15，所述热沉15在喷雾室14内位于微通道喷嘴13的正下方，在热沉15上设置能检测热沉15温度状态的热沉温度传感器18；
还包括能控制冷却介质制冷循环管路机构工作状态的循环冷却控制器2以及能与荷电腔室11、微通道喷嘴13适配电连接的高压静电发生装置，所述高压静电发生装置、热沉温度传感器18与循环冷却控制器2电连接；通过高压静电发生装置与荷电腔室11配合能使得通过荷电腔室11的液态冷却介质携带电荷，且通过高压静电发生装置与微通道喷嘴13配合能在微通道喷嘴13与热沉15之间形成喷雾液滴电场；
通过冷却介质制冷循环管路机构能将液态冷却介质送入荷电腔室11内，经过荷电腔室11得到的荷电液滴能进入喷雾室14的微通道喷嘴13内，以经由微通道喷嘴13将荷电液滴在喷雾液滴电场作用下靶向沉积在热沉15的表面，对热沉15冷却后的冷却介质返回至冷却介质制冷循环管路机构内；循环冷却控制器2控制冷却介质制冷循环管路机构将所需剂量的冷却介质在荷电腔室11、喷雾室14以及冷却介质制冷循环管路机构间循环冷却，以使得通过热沉温度传感器18采集的热沉15当前温度与所述循环冷却控制器2内预设的目标温度相一致。
喷雾室14一般呈竖直分布状态，图1中，以喷雾室14作为基准方向，喷雾室14邻近荷电腔室11的端部为上端，喷雾室14远离荷电腔室11的端部为下端，荷电腔室11位于喷雾室14的上方具体是指荷电腔室11位于上端的上方。具体地，将需要散热的大功率芯片置于喷雾室14内，喷雾室14为一个相对封闭的腔室，热沉15位于喷雾室14内的底部，大功率芯片与热沉15接触连接，即大功率芯片能与热沉15进行热交换，当利用冷却介质对热沉15进行冷却时，通过热沉15与大功率芯片间的配合，能实现对大功率芯片的散热。在利用热沉15与大功率芯片散热时，冷却介质不会影响大功率芯片以及由大功率芯片制备或形成的系统的正常使用，即冷却介质通过与热沉15表面接触实现对热沉15的冷却，而冷却介质不与大功率芯片接触，不需要增加大功率芯片在散热时的密封性等，不会增加成本，提高冷却效率。对热沉15冷却后的冷却介质会再次进入冷却介质制冷循环管路机构内，实现冷却介质的循环冷却。
荷电腔室11位于喷雾室14上方，冷却介质先经过荷电腔室11，然后再进入喷雾室14内的微通道喷嘴13内，冷却介质经过荷电腔室11时，会使得冷却介质携带电荷，从而形成荷电液滴。荷电液滴经过微通道喷嘴13喷出时具有闪蒸效应，同时，喷出的荷电液滴在在喷雾液滴电场作用下靶向沉积在热沉15的表面，从而实现冷却介质与热沉5的热交换，避免资源浪费，提高冷却效率。
本发明实施例中，通过高压静电发生装置与荷电腔室11配合后，以能对通过荷电腔室11的冷却介质携带电荷并形成荷电液滴；同时，高压静电发生装置与微通道喷嘴13配合，能在微通道喷嘴13与热沉15之间形成喷雾液滴电场，此时，热沉15需要接地。
具体实施时，循环冷却控制器2控制冷却介质制冷循环管路机构将所需剂量的冷却介质在荷电腔室11、喷雾室14以及冷却介质制冷循环管路机构间循环冷却，以使得通过热沉温度传感器18采集的热沉15当前温度与所述循环冷却控制器2内预设的目标温度相一致。本发明实施例中，目标温度与待散热的大功率芯片以及由大功率芯片的工作系统的工作需求相关，具体以能确保大功率芯片工作的可靠性为准，目标温度的具体确定为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。在确定目标温度后，循环冷却控制器2可以调整冷却介质制冷循环管路机构、荷电腔室11以及微通道喷嘴13间的具体工作状态以及相对应的冷却介质的循环过程，以使得热沉温度传感器18采集的热沉15当前温度与所述循环冷却控制器2内预设的目标温度相一致，此时，能使得大功率芯片的工作温度为目标温度。热沉温度传感器18采集的热沉15当前温度为热沉15邻近微通道喷嘴13表面的温度，热沉15当前温度与目标温度相一致，具体指热沉15当前温度与目标温度的差值在允许的范围内，具体范围可以根据实际需要进行选择确定，具体为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。
本发明实施例中，循环冷却控制机构2具体可以采用现有常用的形式，如采用微处理芯片等形式，热沉15可以采用现有常用的形式，热沉15能置于喷雾室14内且能与大功率芯片接触。
进一步地，在荷电腔室11、喷雾室14以及冷却介质制冷循环管路机构内循环冷却的冷却介质包括液氨；
所述冷却介质制冷循环管路机构包括能与喷雾室14连通的第一气液分离器3以及与所述第一气液分离器3的出气口连接的气体压缩机4，所述气体压缩机4的出气口与冷凝器5的进口端连接，冷凝器5的出口端通过第二气液分离器23能与储液罐7连接，所述储液罐7通过储液罐输送管路与荷电腔室11连接，在所述储液罐输送管路上设置节流阀8；
在储液罐7上设置能对所述储液罐7加热的电加热器6，所述电加热器6、节流阀8以及气体压缩机4均与循环冷却控制器2电连接，以通过循环冷却控制器2控制所述电加热器6、节流阀8以及气体压缩机4的工作状态。
本发明实施例中，冷却介质采用具有低沸点（−33.4°C）、高潜热（1370.3 kJ/kg）的液氨，液氨闪蒸喷雾可将热沉15冷却至较低温度（< 80 ºC）的同时，表面热流密度超过500W/cm2，满足大功率芯片高效散热需求，同时喷雾室14的体积缩小至10 × 20 × 20 mm3，可实现冷却系统小型化、集成化设计与封装。具体实施时，除了液氨还可以使用制冷剂R134a、R404A和R32等。上述工质同属于制冷剂、性质相似，但液氨具有更好的冷却效果。
具体实施时，所述第一气液分离器3通过第一连接管31与喷雾室14的出液口连接，第一气液分离器3通过第二连接管32与冷凝器5的进口连接，第一气液分离器3通过第三连接管33与气体压缩机4的进气口连接；
储液罐输送管路通过旁路管43与冷凝器5的进口连接，旁路管43上设置旁通阀9，在储液罐输送管路上设置流量传感器10，所述流量传感器10位于旁路管43与储液罐输送管路的连接部与荷电腔室11之间，流量传感器10与循环冷却控制器2电连接。
本发明实施例中，气体压缩机4的出气口通过第四连接管35与冷凝器5的进口连接，冷凝器5的出口通过第五连接管36与第二气液分离器23的进口连接，第二气液分离器23的出气口通过第六连接管37与冷凝器5的进口连接，第二气液分离器23的出液口通过第七连接管39与储液罐7连接。储液罐输送管路包括储液罐输送第一管40以及储液罐输送第二管42，其中，储液罐输送第一管40的一端与储液罐7直接连接，储液罐输送第二管42的一端与荷电腔室11之间连接，储液罐输送第一管40的另一端与储液罐输送第二管42的另一端连接并连通，从而实现储液罐7与荷电腔室11的连接与连通。旁路管43与储液罐输送第一管40与储液罐输送第二管42的结合部连接，从而实现旁路管43与储液罐输送第一管40以及储液罐输送第二管42连接连通。
在第三连接管33上设置第一开关阀34，在第六连接管37上设置第二开关阀38，在储液罐输送第一管40与储液罐7连接的一端设置第三开关阀41，第一开关阀34、第二开关阀38以及第三开关阀41均可以采用常用的阀体结构，通过开关阀能控制所在管路的通断状态。
电加热器6可以采用现有常用的加热形式，如可以采用加热电阻丝缠绕在储液罐7上，通过调节电加热器6的加热功率，能实现对储液罐7内的冷却介质加热状态。储液罐7需采用能满足对液氨储存的形式，具体为本技术领域人员所熟知。具体工作时，冷却介质存储在储液罐7中，通过气体压缩机4作为整个冷却介质制冷循环管路机构的动力源，实现冷却介质在冷却介质制冷循环管路机构、荷电腔室11以及喷雾室14间的循环冷却，当然，气体压缩机4的工作状态受循环冷却控制器2控制，如控制气体压缩机4的启动、关闭以及工作时的功率等，从而能实现对冷却介质制冷循环管路机构工作状态的控制。
气体压缩机4工作时，能将储液罐7内的冷却介质通过储液罐输送第一管40、储液罐输送第二管42送入荷电腔室11内，冷却介质在喷雾室14对热沉15冷却降温后能返回至第一气液分离器3内。通过第一气液分离器3与气体压缩机4配合，避免未蒸发的冷却介质进入气体压缩机4内形成液滴，确保气体压缩机4工作的可靠性，提高气体压缩机4的使用寿命。经过气体压缩机4压缩后的气态冷却介质经过冷凝器5冷凝后进入第二气液分离器23，第二气液分离器23分离后的气态冷却介质通过第六连接管37能再次返回到冷凝器5内，而第二气液分离器23内的液态冷却介质能进入储液罐7，从而实现整个冷却介质的冷却循环。
在整个冷却循环时，可以通过节流阀8控制进入荷电腔室11内冷却介质的剂量，当然，还可以通过旁路管43以及旁通阀9对经过节流阀8后的液态冷却介质进行分流，确保进入荷电腔室11内的冷却介质满足整个散热冷却的需要。为了确保冷却介质在冷却介质制冷循环管路机构内的流动的可控性，可以在第一连接管31、第二连接管32、第三连接管33、第四连接管35、第五连接管36、第六连接管37、旁路管43以及储液罐输送管路上设置单向阀，以确保冷却介质流动方向进行控制，确保冷却介质循环冷却过程的可靠性。单向阀可以采用现有常用的结构形式，具体可以根据实际需要进行选择，具体为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。通过流量传感器10能实时获取进入荷电腔室11内冷却介质的流量，流量传感器10可以采用现有常用的结构形式，流量传感器10与循环冷却控制器2电连接，从而循环冷却控制器2根据流量控制器10所获取冷却介质的流量能调节节流阀8、旁通阀9相对应的开度。
此外，还可以在第一连接管31、第二连接管32、第三连接管33、第四连接管35、第五连接管36、第六连接管37、旁路管43以及储液罐输送管路上包裹保温棉等物质，以减少与外部的热交换，进一步实现散热冷却循环的可控性。经过荷电腔室11得到的荷电液滴，在喷雾室14内与热沉15上表面接触，由于热沉15接地，从而能去除液滴上所携带的电荷，即经过喷雾室14进入冷却介质制冷循环管路机构内的冷却介质不再携带有电荷。
如图4所示，所述荷电腔室11包括绝缘壳体26、设置于所述绝缘壳体26内的环形电极30以及穿入绝缘壳体26内的腔室电极29，环形电极30邻近荷电腔室11的腔室进口27，腔室电极29位于环形电极30与荷电腔室11的腔室出口28之间；
腔室电极29包括电极连接部46以及电极放电部45，所述电极放电部45与电极连接部46间呈L型，电极连接部46穿出绝缘壳体26后能与高压静电放电装置电连接。
本发明实施例中，绝缘壳体26可以采用特氟龙制成，绝缘壳体26的一端具有腔室进口27，绝缘壳体26的另一端具有腔室出口28，绝缘壳体26内呈中空状，腔室进口27与腔室出口28连通，且腔室进口27、腔室出口28与绝缘壳体26呈同轴分布。腔室出口28邻近喷雾室14，腔室进口27与储液罐输送第二管42连接并连通。
环形电极30呈环形，环形电极30固定在绝缘壳体26内，环形电极30可以为铜电极，在工作中，环形电极30需要接地，环形电极30与绝缘壳体26呈同轴分布。腔室电极29呈L型，电极连接部46从绝缘壳体26穿出后，能方便与高压静电发生装置电连接，电极放电部45与绝缘壳体26呈同轴分布，电极放电部45具有锥形尖端，当电极连接部46与高压静电发生装置电连接后，电极放电部45处于带电状态，利用电极放电部45能使得进入绝缘壳体26内冷却介质带电。
具体实施时，腔室出口28通过出口喷嘴连管与喷雾室14内的微通道喷嘴13连接与连通，出口喷嘴连管上可设置电磁阀12，电磁阀12与循环冷却控制器2电连接，循环冷却控制器2能控制电磁阀12的开关状态，从而能对荷电液滴进入微通道喷嘴13进行控制。
如图2和图3所示，所述微通道喷嘴13包括喷嘴壳体44、位于所述喷嘴壳体44内的喷嘴腔25、设置于所述喷嘴壳体44上的喷嘴连管24以及与所述喷嘴壳体44适配连接的喷嘴电极21；
所述喷嘴连管24与喷嘴腔25连通，喷嘴壳体44与喷雾室14紧固连接；在喷嘴壳体44内的下部设置阵列分布的喷液通道19，所述喷液通道19与喷嘴腔25相连通，经喷嘴连管24进入喷嘴腔25内的荷电液滴能经由喷液通道19以雾状喷出；喷嘴电极21与高压静电发生装置电连接后，能在喷嘴壳体44与热沉15间产生喷雾液滴电场。
本发明实施例中，喷嘴壳体44一般可采用聚四氟乙烯制成，当然，喷嘴壳体44也可以采用其他的绝缘材料制成，具体可以根据需要进行选择，此处不再赘述。喷嘴腔25在喷嘴壳体44内的中心区，在喷嘴壳体44上设置喷嘴连管24，喷嘴连管24与喷嘴腔25连通。在喷嘴连管24外圈设置外连接套20，微通道喷嘴13通过外连接套20与喷雾室14内的顶板连接，外连接套20与喷雾室14的顶板间可以采用螺纹连接。当微通道喷嘴13与喷雾室14连接后，微通道喷嘴13与喷雾室14间可呈同轴分布，同时，微通道喷嘴13的喷嘴连管24通过出口喷嘴连管与荷电腔室11连接，从而能使得荷电液滴通过喷嘴连管24能进入喷嘴腔25内。
通过喷嘴电极21能与高压静电发生装置电连接，当喷嘴电极21与高压静电发生装置电连接且热沉15接地时，能在喷嘴壳体44与热沉15间产生喷雾液滴电场。喷液通道19位于喷嘴壳体44的下部，喷液通道19与喷嘴腔25相连通，进入喷嘴腔25内的荷电液滴能经由喷液通道19以雾状喷出，即使得冷却介质产生闪蒸效应。本发明实施例中，荷电液滴在喷雾液滴电场作用下靶向沉积至热沉15表面，避免荷电液滴的资源浪费，冷却效率进一步提升。调节静电发生装置加载的电压值可获得不同强度电场，从而控制冷却区域面积大小。
进一步地，所述喷嘴电极21位于喷嘴壳体44内或位于喷嘴壳体44的端部，且喷嘴电极21与喷嘴连管24分别位于喷嘴壳体44的两端；通过喷液通道19喷出的雾状液滴的粒径为5 ~ 15 µm。
图2中示出了喷嘴电极21位于喷嘴壳体44内的情况，喷嘴电极21位于喷嘴腔25底部的下方，喷液通道19贯穿所述喷嘴电极21。喷嘴电极21也可以固定在喷嘴壳体44下端部，当然，喷嘴电极21固定在喷嘴壳体44的下端部后，需要不影响荷电液滴从喷液通道19喷出，且以不影响形成喷雾液滴电场以及热沉15上的冷却区域对应。喷嘴电极21的具体位置可以根据实际需要进行选择，此处不再赘述。
喷液通道19位于喷嘴腔25底部的下方，在喷嘴壳体44内设置2×2阵列的喷液通道19，喷液通道19的内径为0.1 ±0.01 mm，喷液通道19间的间距为10 ±0.1 mm。本发明实施例中，喷液通道19可通过化学刻蚀方法获得，散热面积为2 × 2 cm2的热沉15放置在喷嘴腔25下方，喷嘴壳体44的下端部与热沉15上壁面距离为10 mm，喷雾液滴垂直冲击热沉15。2× 2阵列的喷液通道19所产生的雾场可完全覆盖热沉15的表面，避免因冷却不完全导致芯片失效。
进一步地，所述循环冷却控制器2还与测量喷雾室14内压力状态的压力传感器16以及测量喷雾室14内温度状态的喷雾温度传感器17电连接。
本发明实施例中，通过压力传感器16能获取喷雾室14内的压力状态，通过喷雾温度传感器17能获取喷雾室14内的温度状态，循环冷却控制器2根据所获取的压力状态、温度状态可以调节节流阀8、旁通阀9、电加热器6以及气体压缩机4的工作，以便使得通过热沉温度传感器18采集的热沉15当前温度与所述循环冷却控制器2内预设的目标温度相一致。
进一步地，所述高压静电发生装置包括高压静电第一发生器1以及高压静电第二发生器22，所述高压静电第一发生器1与荷电腔室11电连接，高压静电第二发生器22与微通道喷嘴13电连接，高压静电第一发生器1、高压静电第二发生器22均与循环冷却控制器2电连接。
本发明实施例中，高压静电第一发生器1与高压静电第二发生器2间相互独立，即通过高压静电第一发生器1能独立控制荷电腔室11的静电电压，通过高压静电第二发生器22能独立控制加载到喷嘴电极21上的静电电压，以得到不同的喷雾液滴电场的场强。高压静电第一发生器1、高压静电第二发生器22可以采用现有常用的结构形式，具体可以根据时间需要进行选择，具体为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。高压静电第一发生器1、高压静电第二发生器22均可产生0-20 kV电压，具体产生电压的大小可以根据需要进行确定，此处不再赘述。
进一步地，所述热沉温度传感器18为采用磁控溅射镀膜方式设置在热沉15上的T型薄膜热电偶，在T型热薄膜热电偶上喷涂有防氧化保护层。
本发明实施例中，通过磁控溅射镀膜技术在热沉15表面沉积2 µm厚T型薄膜热电偶，通过热沉温度传感器18可监测热沉15表面温度的快速变化。将铜和康铜作为T型薄膜热电偶的两级材料，T型薄膜热电偶与补偿导线采用焊接方式连接，通过补偿导线能与循环冷却控制器2电连接。为防止镀膜氧化，在表面喷涂厚度为0.05 µm的防氧化保护层，所述防氧化保护层可以为二氧化硅层。T型薄膜热电偶的电阻约为20 W，导电性较好。静态校核和动态标定结果显示，测量误差小于±0.5%，动态响应时间为1.2 µs。
采用磁控溅射镀膜方式制备得到T型薄膜热电偶的工艺过程与现有相一致，具体为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。当然，还可以采用其他的技术方式制备得到热沉温度传感器18，如采用嵌入式热电偶/热电阻接触式测温、红外热像仪非接触式测温等，具体根据需要进行选择，此处不再赘述。
综上，本发明以具有低沸点、高潜热的液氨为冷却介质，加之闪蒸效应，可使微米级的荷电液滴高速撞击热沉15的表面，并与热沉15的表面发生核态沸腾、过渡沸腾以及液膜蒸发等复杂相变换热过程，极大提高了换热效率，在维持较低表面温度（< 80 ºC）的同时，热沉15的表面热流密度可达500 W/cm2以上。
本发明通过荷电腔室11使得冷却介质携带电荷，在微通道喷嘴13与热沉15之间能形成液滴喷雾电场，从而通过静电雾化技术，雾化质量高、工质用量低，液滴沉积均匀且沉积量高，大大提高冷却效率及均匀性的同时可靶向冷却热沉15，缩短喷雾距离，喷雾室14的体积可缩小至10 × 20 × 20 mm3。
本发明微通道喷嘴13内的喷液通道19呈阵列分布，通过喷液通道19可产生微米级粒径液滴，雾化质量高。2 × 2阵列的喷液通道19完全覆盖热沉15表面，避免因冷却不完全带来的芯片温度陡增、烧结以及失效等风险。
本发明通过热沉温度传感器18采集热沉温度、通过喷雾温度传感器17获取喷雾腔内的温度，通过压力传感器16获取喷雾室14内的压力，通过流量传感器10获取进入荷电腔室11内冷却介质的流量信号，根据大功率芯片的目标温度，循环冷却控制器2调节高压静电发生装置输出的电压、电加热器6的功率、气体压缩机4的功率、节流阀8以及旁通阀9开度，从而实现调节静电闪蒸喷雾冷却能力，有效解决了冷却系统与芯片发热功率耦合匹配问题。
本发明将第一气液分离器3以及第二气液分离器23将所分离出的蒸汽通入冷凝器5内再次冷凝，大大提高了冷凝效率，同时保证进入仅有液态介质进入储液罐7，防止蒸汽对闪蒸喷雾产生不利影响。
本发明冷却效果强、节省资源、结构紧凑、冷却系统体积小，长期运行安全可靠，可用于计算机CPU、激光器、雷达等大功率芯片的高效紧凑散热。
Claims (10)
1.一种用于大功率芯片散热的静电闪蒸微喷雾循环冷却系统，包括能收纳待散热大功率芯片的喷雾室（14）、能使得冷却介质携带电荷的荷电腔室（11）以及能与所述喷雾室（14）、荷电腔室（11）适配连接的冷却介质制冷循环管路机构；
所述荷电腔室（11）位于喷雾室（14）的上方且荷电腔室（11）与喷雾室（14）内的微通道喷嘴（13）相连通，喷雾室（14）内设置能与待散热的大功率芯片接触配合的热沉（15），所述热沉（15）在喷雾室（14）内位于微通道喷嘴（13）的正下方，在热沉（15）上设置能检测热沉（15）温度状态的热沉温度传感器（18）；其特征是：
还包括能控制冷却介质制冷循环管路机构工作状态的循环冷却控制器（2）以及能与荷电腔室（11）、微通道喷嘴（13）适配电连接的高压静电发生装置，所述高压静电发生装置、热沉温度传感器（18）与循环冷却控制器（2）电连接；通过高压静电发生装置与荷电腔室（11）配合能使得通过荷电腔室（11）的液态冷却介质携带电荷，且通过高压静电发生装置与微通道喷嘴（13）配合能在微通道喷嘴（13）与热沉（15）之间形成喷雾液滴电场；
通过冷却介质制冷循环管路机构能将液态冷却介质送入荷电腔室（11）内，经过荷电腔室（11）得到的荷电液滴能进入喷雾室（14）的微通道喷嘴（13）内，以经由微通道喷嘴（13）将荷电液滴在喷雾液滴电场作用下靶向沉积在热沉（15）的表面，对热沉（15）冷却后的冷却介质返回至冷却介质制冷循环管路机构内；循环冷却控制器（2）控制冷却介质制冷循环管路机构将所需剂量的冷却介质在荷电腔室（11）、喷雾室（14）以及冷却介质制冷循环管路机构间循环冷却，以使得通过热沉温度传感器（18）采集的热沉（15）当前温度与所述循环冷却控制器（2）内预设的目标温度相一致。
2.根据权利要求1所述的用于大功率芯片散热的静电闪蒸微喷雾循环冷却系统，其特征是：在荷电腔室（11）、喷雾室（14）以及冷却介质制冷循环管路机构内循环冷却的冷却介质包括液氨；
所述冷却介质制冷循环管路机构包括能与喷雾室（14）连通的第一气液分离器（3）以及与所述第一气液分离器（3）的出气口连接的气体压缩机（4），所述气体压缩机（4）的出气口与冷凝器（5）的进口端连接，冷凝器（5）的出口端通过第二气液分离器（23）能与储液罐（7）连接，所述储液罐（7）通过储液罐输送管路与荷电腔室（11）连接，在所述储液罐输送管路上设置节流阀（8）；
在储液罐（7）上设置能对所述储液罐（7）加热的电加热器（6），所述电加热器（6）、节流阀（8）以及气体压缩机（4）均与循环冷却控制器（2）电连接，以通过循环冷却控制器（2）控制所述电加热器（6）、节流阀（8）以及气体压缩机（4）的工作状态。
3.根据权利要求2所述的用于大功率芯片散热的静电闪蒸微喷雾循环冷却系统，其特征是：所述第一气液分离器（3）通过第一连接管（31）与喷雾室（14）的出液口连接，第一气液分离器（3）通过第二连接管（32）与冷凝器（5）的进口连接，第一气液分离器（3）通过第三连接管（33）与气体压缩机（4）的进气口连接；
储液罐输送管路通过旁路管（43）与冷凝器（5）的进口连接，旁路管（43）上设置旁通阀（9），在储液罐输送管路上设置流量传感器（10），所述流量传感器（10）位于旁路管（43）与储液罐输送管路的连接部与荷电腔室（11）之间，流量传感器（10）与循环冷却控制器（2）电连接。
4.根据权利要求1所述的用于大功率芯片散热的静电闪蒸微喷雾循环冷却系统，其特征是：所述荷电腔室（11）包括绝缘壳体（26）、设置于所述绝缘壳体（26）内的环形电极（30）以及穿入绝缘壳体（26）内的腔室电极（29），环形电极（30）邻近荷电腔室（11）的腔室进口（27），腔室电极（29）位于环形电极（30）与荷电腔室（11）的腔室出口（28）之间；
腔室电极（29）包括电极连接部（46）以及电极放电部（45），所述电极放电部（45）与电极连接部（46）间呈L型，电极连接部（46）穿出绝缘壳体（26）后能与高压静电放电装置电连接。
5.根据权利要求1所述的用于大功率芯片散热的静电闪蒸微喷雾循环冷却系统，其特征是：所述微通道喷嘴（13）包括喷嘴壳体（44）、位于所述喷嘴壳体（44）内的喷嘴腔（25）、设置于所述喷嘴壳体（44）上的喷嘴连管（24）以及与所述喷嘴壳体（44）适配连接的喷嘴电极（21）；
所述喷嘴连管（24）与喷嘴腔（25）连通，喷嘴壳体（44）与喷雾室（14）紧固连接；在喷嘴壳体（44）内的下部设置阵列分布的喷液通道（19），所述喷液通道（19）与喷嘴腔（25）相连通，经喷嘴连管（24）进入喷嘴腔（25）内的荷电液滴能经由喷液通道（19）以雾状喷出；喷嘴电极（21）与高压静电发生装置电连接后，能在喷嘴壳体（44）与热沉（15）间产生喷雾液滴电场。
6.根据权利要求5所述的用于大功率芯片散热的静电闪蒸微喷雾循环冷却系统，其特征是：所述喷嘴电极（21）位于喷嘴壳体（44）内或位于喷嘴壳体（44）的端部，且喷嘴电极（21）与喷嘴连管（24）分别位于喷嘴壳体（44）的两端；通过喷液通道（19）喷出的雾状液滴的粒径为5μm~15 µm。
7.根据权利要求1所述的用于大功率芯片散热的静电闪蒸微喷雾循环冷却系统，其特征是：所述热沉温度传感器（18）为采用磁控溅射镀膜方式设置在热沉（15）上的T型薄膜热电偶，在T型热薄膜热电偶上喷涂有防氧化保护层。
8.根据权利要求1所述的用于大功率芯片散热的静电闪蒸微喷雾循环冷却系统，其特征是：所述高压静电发生装置包括高压静电第一发生器（1）以及高压静电第二发生器（22），所述高压静电第一发生器（1）与荷电腔室（11）电连接，高压静电第二发生器（22）与微通道喷嘴（13）电连接，高压静电第一发生器（1）、高压静电第二发生器（22）均与循环冷却控制器（2）电连接。
9.根据权利要求1所述的用于大功率芯片散热的静电闪蒸微喷雾循环冷却系统，其特征是：所述循环冷却控制器（2）还与测量喷雾室（14）内压力状态的压力传感器（16）以及测量喷雾室（14）内温度状态的喷雾温度传感器（17）电连接。
10.根据权利要求5或6所述的用于大功率芯片散热的静电闪蒸微喷雾循环冷却系统，其特征是：喷液通道（19）位于喷嘴腔（25）底部的下方，在喷嘴壳体（44）内设置2 × 2阵列的喷液通道（19），喷液通道（19）的内径为0.1 ±0.01 mm，喷液通道（19）间的间距为10 ±0.1 mm。
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