CN217363677U - 高热流密度喷雾强化散热装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高热流密度喷雾强化散热装置，包括上部盛装液态相变工质的储液室和下部的蒸发室，所述储液室与蒸发室之间通过喷孔板间隔，所述喷孔板上安装有若干雾化喷嘴，储液室还设置至少一个有向其内部注入液态相变工质的进液口，蒸发室还设置有至少一个使蒸发室内保持负压的排气口。本实用新型针对高热流密度情况下散热效率低的问题，基于喷雾相变的散热原理，提供了一种高热流密度喷雾强化散热装置，其改善了现有散热结构设计，只需提供一个很小的喷雾流量即可获得极高的散热效率，实现1000W/cm²的散热能力；散热效率高，散热一致性较好，结构紧凑轻量化，尤其适用于高功率器件的散热。

Description

高热流密度喷雾强化散热装置

技术领域

本实用新型涉及电子设备散热技术领域，具体是指高热流密度喷雾强化散热装置。

背景技术

为了进一步提高电子设备的性能，满足现代化科技发展的需求，未来的电力电子元件必然会朝着更加大功率、高度微型化和集成化的方向发展，随之而来的问题是电子元件发热功率也将从百瓦级别上升到千瓦甚至上万瓦级别。在密封狭小的空间内，热量难以自发地从设备中导出。若热量不能及时导出，电子元件将面临高热流密度的冲击，大量热量的累积必然引起设备高温。在这种情况下，电子设备的性能无法有效发挥出来，其寿命也会大打折扣，甚至严重威胁电子设备和周围环境的安全。因此，能否高效散热是高热流密度电子设备进一步发展和应用所必须解决的关键问题。

常规的单相液冷及热管冷却技术已经被广泛应用于常见的电力电子、暖通等行业，但受限于导热材质的载热量不高，其理论上最高仅有100W/cm²的散热能力；热电制冷技术是一种新型的散热技术，其基于帕尔贴原理，在进行热电转换的过程中传输热量，但热电制冷技术存在热电转换效率低，体积大，散热量低等缺点。对于如高性能芯片、大功率半导体等热流密度高达500 W/cm²~1000 W/cm²的大功率器件，上述散热技术的散热能力远远不够。针对超常规的高热流密度散热的问题，在散热技术领域逐渐出现了射流冲击冷却、微通道冷却、喷雾冷却等新型散热技术。射流冲击冷却技术利用制冷工质的高速射流冲击冷却表面进行换热，其散热能力可达200 W/cm²~500 W/cm²，但仍无法应对1000W /cm²的高热流密度的散热场景，且在高速射流冲击下，散热面很难保证散热一致性。微通道冷却技术可利用单相流体或双相流体在微小流道中进行对流换热或相变沸腾换热来吸收大量热量。微通道散热器采用特殊工艺形成比常规散热器更大的换热面积，在此基础上结合制冷剂的相变潜热能力，理论上可实现1000W /cm²以上的散热能力。同样作为相变散热技术，与热管冷却技术的被动式循环相比，微通道冷却技术采用制冷剂的主动式相变循环进行制冷，能够大大提高相变工质的制冷循环的速度，因此散热能力更高。但是由于微通道中空间极为狭小，其中的相变工质在发生相变反应时，蒸汽容易在微通道中堵塞导致换热表面流动状态的不稳定，进而影响换热效率。喷雾冷却技术与微通道冷却技术类似，利用制冷剂在散热表面发生相变反应时所具有的潜热来吸收大量热量，其区别在于，喷雾冷却技术通过高压喷头将制冷剂雾化后，形成的微小雾滴在气流的带动下与散热面接触后吸热蒸发来带走大量热量。由于在发生相变之前，从喷口喷出并雾化后的制冷剂微小液滴遇到压力的骤降后蒸发温度随之降低，在换热表面更易于发生相变反应而吸收热量，可达到1000W /cm²以上的散热能力，因此其只需要少量的制冷剂即可进行高效换热。然而喷雾冷却还存在以下问题亟待解决：

1.尽管雾化后的液滴更易于吸热蒸发，但散热面通常为光滑表面，雾化液滴的易蒸发性不能得以充分发挥，导致相变换热效率低。此外，蒸发形成的制冷剂蒸汽若不能及时排出，雾化空间内的气压必然出现不稳定现象，影响雾化效果，进而降低散热效率。

2.由于常规的喷嘴形状限制，使得喷出的雾滴难以保证散布均匀性，导致散热一致性差。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种散热效率高，结构紧凑轻量化，适用于高功率器件散热的高热流密度喷雾强化散热装置。

为了实现上述目的，本实用新型通过下述技术方案实现：高热流密度喷雾强化散热装置，包括上部盛装液态相变工质的储液室和下部的蒸发室，所述储液室与蒸发室之间通过喷孔板间隔，所述喷孔板上安装有若干雾化喷嘴，储液室还设置至少一个有向其内部注入液态相变工质的进液口，蒸发室还设置有至少一个使蒸发室内保持负压的排气口。

本技术方案基于喷雾相变的散热原理，将具有一定压力的液态相变工质通过进液口输入储液室，并保持一定的压力。在储液室和蒸发室压差的作用下，相变工质由阵列雾化喷嘴喷出。相变工质在由高压区流向低压区的瞬间撕裂形成雾化液滴，再以高速气流的形式喷入蒸发室的下表面，而蒸发室下表面与热源接触，在热源提供的热量下，雾化液滴蒸发吸热，降低热源热量，所形成的蒸汽通过排气口及时排出。通过上述特殊的散热结构设计，该装置在喷雾过程中，只需提供一个很小的喷雾流量即可获得极高的散热效率，实现1000W/cm²的散热能力。由于蒸发室内空间有限，相变工质蒸发后形成的蒸汽若不能及时地排出，会引起蒸发室内压力升高，严重影响相变工质地喷雾效果和吸热蒸发效率。

为更好的实现本实用新型，进一步地，所述蒸发室底部为散热基板，所述散热基板上表面设置有毛细多孔层。

为更好的实现本实用新型，进一步地，所述散热基板下表面为高精度平面，上表面为圆弧波浪形，所述毛细多孔层均匀附着在散热基板圆弧波浪形的上表面。

为更好的实现本实用新型，进一步地，所述毛细多孔层由细小金属粉末构成，所述细小金属粉末的粒径为50um~100um。

为更好的实现本实用新型，进一步地，所述毛细多孔层的厚度为0.3 mm ~0.8mm。

为更好的实现本实用新型，进一步地，所述雾化喷嘴以矩形阵列的方式排布在喷孔板上。

为更好的实现本实用新型，进一步地，所述雾化喷嘴的喷嘴口为扁形口，其宽度为0.2mm~1mm。

为更好的实现本实用新型，进一步地，每个所述进液口还连接有向储液室泵入液态相变工质的压力泵。

为更好的实现本实用新型，进一步地，每个所述排气口还连接有使蒸发室保持负压的真空泵，将蒸发室内压力控制在5000 Pa ~8000Pa的范围内。

本实用新型与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

（1）本实用新型针对高热流密度情况下散热效率低的问题，基于喷雾相变的散热原理，提供了一种高热流密度喷雾强化散热装置，其改善了现有散热结构设计，只需提供一个很小的喷雾流量即可获得极高的散热效率，实现1000W /cm²的散热能力；

（2）本实用新型中散热基板通过波浪形上表面的设计扩展散热面积，同时在波浪形上表面附着有一层金属粉末烧结形成的微尺度的毛细多孔层，采用这种设计能够极大的扩展相变工质所形成的液膜面积，从而获得更高的散热效率；

（3）本实用新型采用微型的压力雾化喷嘴作为雾化元件并将雾化喷嘴均匀安装于喷孔板上形成阵列雾化喷嘴，能够获得均匀稳定的雾化气流，保证喷雾散热的均匀性。

（4）本实用新型散热效率高，散热一致性较好，结构紧凑轻量化，适用于高热流密度散热场景，尤其适用于高功率器件的散热，其结构设置合理，功能完善。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其他特征、目的和优点将会变得更为明显：

图1为本实用新型的立体结构示意图；

图2为本实用新型中多孔板的平面结构示意图；

图3为本实用新型中散热基板的立体结构图；

图4为本实用新型的剖面结构示意图；

图5为本实用新型图1中A处局部放大示意图。

其中：1—储液室，2—蒸发室，3—喷孔板，4—雾化喷嘴，5—进液口，6—排气口，7—散热基板，8—毛细多孔层。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；也可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

实施例1：

本实施例的主要结构，如图1，图2所示，包括上部盛装液态相变工质的储液室1和下部的蒸发室2，所述储液室1与蒸发室2之间通过喷孔板3间隔，所述喷孔板3上安装有若干雾化喷嘴4，储液室1还设置至少一个有向其内部注入液态相变工质的进液口5，蒸发室2还设置有至少一个使蒸发室2内保持负压的排气口6。

具体实施方式为，如图4所示，将蒸发室2底部与热源接触，然后通过进液口5向储液室1导入具有一定压力的液态相变工质，蒸发室2内的排气口6则不断向外抽气，使蒸发室2保持负压，由于储液室1和蒸发室2的压力差，液态相变工质可以从喷孔板3上安装的雾化喷嘴4从储液室1的高压力环境向蒸发室2的低压力环境流动，经过雾化喷嘴4后液态相变工质雾化成小液滴，由于雾化喷嘴4与蒸发室2底部之间距离很短，雾化气流在穿过蒸发室很短的行程后即与蒸发室2底部的上表面接触后迅速形成液膜薄层，再吸收蒸发室2底部热源提供的热量迅速蒸发，得益于蒸发室内低压环境以及相变工质较高的汽化潜热，其中的相变工质蒸发温度变低，液膜薄层吸热后得以迅速发生相变反应，可以通过提供一个很小的喷雾流量即可获得极高的散热效率，实现1000W /cm²的散热能力。散热过程中蒸发室2中产生的蒸汽可以不断地从排气口6排出进行回收循环利用，而蒸发室2可以维持恒定的负压条件，使储液室1和蒸发室2维持稳定的压差，保证了连续稳定的喷雾效果以及散热的稳定性。

实施例2：

本实施例在上述实施例的基础上，进一步限定蒸发室2的底部为散热基板7，如图1，图3，图4，图5所示，所述蒸发室2底部为散热基板7，所述散热基板7上表面设置有毛细多孔层8。散热基板7采用高导热材料制成薄板，能够满足高热通量的需求。散热基板7下表面能够与热源表面形成紧密接触，相变工质的雾化气流接触毛细多孔层8时，可迅速附着于毛细多孔结构中并形成液膜薄层，得益于蒸发室内低压环境以及相变工质较高的汽化潜热，其中的相变工质蒸发温度变低，液膜薄层吸热后得以迅速发生相变反应。本实施例的其他部分与上述实施例相同，不再赘述。

实施例3：

本实施例在上述实施例的基础上，进一步限定散热基板7的结构，如图1，图3，图4，图5所示，所述散热基板7下表面为高精度平面，上表面为圆弧波浪形，所述毛细多孔层8均匀附着在散热基板7圆弧波浪形的上表面。散热基板7下表面采用高精度平面工艺加工制成，能够与热源表面形成紧密接触，使表面空隙形成的接触热阻最小。散热基板7上表面采用圆弧波浪形设计，波间距为毫米级尺寸，借助于这种设计，能够极大地扩展散热面积，提高散热能力。本实施例的其他部分与上述实施例相同，不再赘述。

实施例4：

本实施例在上述实施例的基础上，进一步限定毛细多孔层8的结构，如图1，图5所示，所述毛细多孔层8由细小金属粉末构成，所述细小金属粉末的粒径为50um~100um。毛细多孔层8采用这种设计，该散热装置能够获得高于原来至少4~6倍的散热面积。本实施例的其他部分与上述实施例相同，不再赘述。

实施例5：

本实施例在上述实施例的基础上，进一步限定毛细多孔层8的结构，如图1，图5所示，所述毛细多孔层8的厚度为0.3 mm ~0.8mm。为了使毛细多孔层8在最大程度扩展相变工质所形成的液膜面积的同时，还保持较好的传热效率，因此特别优选毛细多孔层8的厚度，最优为0.5mm。本实施例的其他部分与上述实施例相同，不再赘述。

实施例6：

本实施例在上述实施例的基础上，进一步限定雾化喷嘴4在喷孔板3的排布方式，如图2所示，所述雾化喷嘴4以矩形阵列的方式排布在喷孔板3上。微型的雾化喷嘴均匀地布置于蒸发室上方形成阵列雾化喷嘴，每个雾化喷嘴形成的气流互不影响，因此其形成的喷雾气流能够完整均匀地覆盖散热基板上表面的每个区域。此外，在毛细多孔层的毛细力作用下，相变工质的雾化液滴与散热基板的上表面接触后能够迅速填充于毛细多孔层的孔隙中，从而避免了局部过热造成的干烧问题。根据不同的散热面积、散热功率的需求，阵列雾化喷嘴与散热基板的相对位置，雾化喷嘴的数量与排布方式可进行合理调整，以获得最佳的散热效果。本实施例的其他部分与上述实施例相同，不再赘述。

实施例7：

本实施例在上述实施例的基础上，进一步限定雾化喷嘴4的结构，如图2所示，所述雾化喷嘴4的喷嘴口为扁形口，其宽度为0.2mm~1mm。采用了微型的扁平雾化喷嘴对相变工质进行雾化，雾化效果好，能够克服单一的大流量喷嘴喷雾不均匀的问题。在喷雾过程中，相变工质以相同的压力沿喷孔板上的圆孔进入雾化喷嘴，雾化喷嘴孔径逐渐收缩促使喷射压力进一步升高，使喷出的相变工质得到充分地雾化，更加有利于后续相变工质的吸热蒸发。本实施例的其他部分与上述实施例相同，不再赘述。

实施例8：

本实施例在上述实施例的基础上，进一步增设压力泵，每个所述进液口5还连接有向储液室1泵入液态相变工质的压力泵。为了使储液室1与蒸发室2之间保持压差，因此特别设置压力泵，将液态的相变工质输入储液室1内，使储液室1内保持较大压力，以便更好的雾化。本实施例的其他部分与上述实施例相同，不再赘述。

实施例9：

本实施例在上述实施例的基础上，进一步增设真空泵，每个所述排气口6还连接有使蒸发室2保持负压的真空泵。为了使储液室1与蒸发室2之间保持压差，特别设置真空泵，不断将蒸发室2内的蒸发的相变工质抽出蒸发室2，使蒸发室2内保持负压，以便相变工质更好的雾化进行散热。本实施例的其他部分与上述实施例相同，不再赘述。

可以理解的是，根据本实用新型一个实施例的高热流密度喷雾强化散热装置结构，例雾化喷嘴4和散热基板7等部件的工作原理和工作过程都是现有技术，且为本领域的技术人员所熟知，这里就不再进行详细描述。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.高热流密度喷雾强化散热装置，其特征在于，包括上部盛装液态相变工质的储液室（1）和下部的蒸发室（2），所述储液室（1）与蒸发室（2）之间通过喷孔板（3）间隔，所述喷孔板（3）上安装有若干雾化喷嘴（4），储液室（1）还设置至少一个有向其内部注入液态相变工质的进液口（5），蒸发室（2）还设置有至少一个使蒸发室（2）内保持负压的排气口（6）。

2.根据权利要求1所述的高热流密度喷雾强化散热装置，其特征在于，所述蒸发室（2）底部为散热基板（7），所述散热基板（7）上表面设置有毛细多孔层（8）。

3.根据权利要求2所述的高热流密度喷雾强化散热装置，其特征在于，所述散热基板（7）下表面为高精度平面，上表面为圆弧波浪形，所述毛细多孔层（8）均匀附着在散热基板（7）圆弧波浪形的上表面。

4.根据权利要求3所述的高热流密度喷雾强化散热装置，其特征在于，所述毛细多孔层（8）由细小金属粉末构成，所述细小金属粉末的粒径为50um~100um。

5.根据权利要求3或4所述的高热流密度喷雾强化散热装置，其特征在于，所述毛细多孔层（8）的厚度为0.3 mm ~0.8mm。

6.根据权利要求1~4任一项所述的高热流密度喷雾强化散热装置，其特征在于，所述雾化喷嘴（4）以矩形阵列的方式排布在喷孔板（3）上。

7.根据权利要求1~4任一项所述的高热流密度喷雾强化散热装置，其特征在于，所述雾化喷嘴（4）的喷嘴口为扁形口，其宽度为0.2mm~1mm。

8.根据权利要求1~4任一项所述的高热流密度喷雾强化散热装置，其特征在于，每个所述进液口（5）还连接有向储液室（1）泵入液态相变工质的压力泵。

9.根据权利要求1~4任一项所述的高热流密度喷雾强化散热装置，其特征在于，每个所述排气口（6）还连接有使蒸发室（2）保持负压的真空泵。

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