本發(fā)明涉及高功率電子器件冷卻技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種冷卻超高熱流密度熱源的系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

隨著大功率微電子芯片及固體激光技術(shù)在航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用，相應(yīng)的高熱流密度的散熱問(wèn)題顯得越來(lái)越重要，而軍事電子設(shè)備如相控陣?yán)走_(dá)、微波功率器件、固體激光器等大功率發(fā)熱源的熱流密度則更高。特別是高功率二極管激光器的研制成功促進(jìn)了高功率固體激光器在航空航天軍事領(lǐng)域的應(yīng)用，隨之帶來(lái)的問(wèn)題是，在高功率下，固體激光器在工作中產(chǎn)生的大量無(wú)用熱會(huì)降低激光光束的質(zhì)量和輸出功率，由此造成設(shè)備發(fā)熱功率不斷升高，熱流密度可達(dá)數(shù)百W/cm²甚至數(shù)千W/cm²，這種情況下會(huì)損毀激光介質(zhì)，因此高功率固體激光器的發(fā)熱問(wèn)題成為制約其輸出功率進(jìn)一步提高的瓶頸，如何高效、可靠地解決機(jī)載激光器高熱流密度的快速散熱問(wèn)題具有重要意義。

現(xiàn)有的冷卻技術(shù)主要包括液冷、射流沖擊、噴霧冷卻、熱管和熱泵等，針對(duì)高功率電子器件的散熱需求，將散熱能力高于500W/cm²的技術(shù)稱為高熱流密度冷卻技術(shù)，目前主要有微通道冷卻，射流沖擊，噴霧冷卻。

微通道冷卻通常是指在微尺度空間的沸騰傳熱，其主要優(yōu)點(diǎn)是熱阻非常低，受重力影響小。微尺度通道內(nèi)沸騰的熱負(fù)荷能力達(dá)300W/cm²(小尺度通道內(nèi)的熱負(fù)荷能力達(dá)200W/cm²)，但由于微通道尺寸小等原因致使液體在微通道內(nèi)壓降很大，需防止微通道內(nèi)的污垢和堵塞，且液體溫度增加會(huì)致使微通道內(nèi)存在很大的溫度梯度及熱應(yīng)力。

例如公開(kāi)號(hào)為CN 106252309A的專利文獻(xiàn)公開(kāi)了一種用于高熱流密度芯片的微通道液冷散熱器及導(dǎo)冷插件，微通道液冷散熱器固定安裝在芯片的一側(cè)面上；包括芯片封裝板、蓋板和冷卻液循環(huán)裝置，芯片封裝板封裝固定在芯片的一側(cè)面上，芯片封裝板的另一側(cè)面的邊沿與蓋板的邊沿密封固定連接，芯片封裝板與所述蓋板之間形成一流通腔，所述芯片封裝板位于所述流通腔內(nèi)的一側(cè)面上設(shè)有多個(gè)散熱齒；所述蓋板上開(kāi)設(shè)有進(jìn)液孔和出液孔，所述進(jìn)液孔和出液孔分別通過(guò)液冷管道與所述冷卻液循環(huán)裝置相連通。通過(guò)在芯片封裝板位于流通腔內(nèi)的一側(cè)面設(shè)置成具有多個(gè)散熱齒的微通道散熱結(jié)構(gòu)，減小了接觸熱阻，提升了熱交換效率，有利于高熱流密度發(fā)熱芯片等集中熱源的散熱。

射流沖擊冷卻是通過(guò)噴口射出自由射流直接沖擊高溫表面的方法，由于流程短且被沖擊表面上的邊界層薄，雖然其等溫性較差，但其熱負(fù)荷能力較高，射流沖擊普通表面時(shí)的熱負(fù)荷能力為100～300W/cm²左右，射流沖擊微尺度表面時(shí)的熱負(fù)荷能力可達(dá)到500W/cm²左右。

噴霧冷卻是將微量液體混入壓力氣流中形成霧狀氣液兩相流體，通過(guò)噴霧產(chǎn)生射流并噴射到高溫表面以使其充分冷卻。其主要優(yōu)點(diǎn)是熱阻低，具有較好的等溫性和較高的熱負(fù)荷能力，如壓力霧化噴嘴使用水時(shí)熱負(fù)荷達(dá)1000W/cm²(理論值)，對(duì)應(yīng)過(guò)熱溫度不超過(guò)60℃；蒸汽霧化噴嘴使用水時(shí)熱負(fù)荷達(dá)1300W/cm²(理論值)，對(duì)應(yīng)過(guò)熱溫度不超過(guò)5℃。

例如公開(kāi)號(hào)為CN106091743A的專利文獻(xiàn)公開(kāi)了一種機(jī)載高熱流密度表面冷卻系統(tǒng)，由間歇熱載荷表面通過(guò)管道依次連接有第二儲(chǔ)液器第二泵、至少一個(gè)相變儲(chǔ)熱器、第一儲(chǔ)液器、過(guò)濾器、第一泵和霧化噴嘴至間歇熱載荷表面構(gòu)成一循環(huán)系統(tǒng)，其中所述管道中設(shè)有制冷劑，所述相變儲(chǔ)熱器還設(shè)有冷源進(jìn)口和冷源出口。該發(fā)明具有體積小、重量輕，換熱效果好，節(jié)約能源，不產(chǎn)生污染的特點(diǎn)；同時(shí)結(jié)構(gòu)緊湊、制造工藝簡(jiǎn)單。適用于高熱流密度間歇熱載荷的冷卻。該發(fā)明還公開(kāi)了一種機(jī)載高熱流密度表面冷卻系統(tǒng)的工作方法。

對(duì)比幾種高熱流密度冷卻技術(shù)表明，微通道冷卻方式工質(zhì)流動(dòng)方向的溫度和壓力梯度大，高流速產(chǎn)生噪聲，射流沖擊冷卻方式溫度梯度高，容易導(dǎo)致溫度敏感器件失效，且液膜在非沖擊區(qū)域易破碎。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種冷卻超高熱流密度熱源的系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量小的優(yōu)點(diǎn)，且能夠?qū)崿F(xiàn)400～600W/cm²的散熱能力。

一種冷卻超高熱流密度熱源的系統(tǒng)，包括熱沉基底以及冷卻模塊，所述冷卻模塊包括：

冷卻室，內(nèi)部安裝有所述熱沉基底；

霧化噴嘴，安裝在所述冷卻室內(nèi)，噴頭朝向所述熱沉基底的待冷卻表面；

儲(chǔ)液罐，裝有冷卻液；

水泵，將儲(chǔ)液罐內(nèi)的冷卻液輸送至霧化噴嘴；

真空泵，連接所述冷卻室；

壓力傳感器，監(jiān)測(cè)所述冷卻室內(nèi)的壓力；

溫度傳感器，監(jiān)測(cè)所述熱沉基底的溫度；

控制單元，根據(jù)所述壓力傳感器和所述溫度傳感器的監(jiān)測(cè)控制所述真空泵調(diào)節(jié)所述冷卻室內(nèi)的壓力以及抽出所述真空泵內(nèi)的冷卻液至儲(chǔ)液罐，控制所述霧化噴嘴工作。

通過(guò)設(shè)置冷卻室以及調(diào)節(jié)冷卻室內(nèi)部壓力的真空泵，從而可以將冷卻室內(nèi)不凝性氣體抽出，并控制內(nèi)部壓力，抽走冷卻室內(nèi)不凝性氣體，一方面減小了相變換熱阻力，另一方面減壓降低冷卻液的沸點(diǎn)，使得傳熱驅(qū)動(dòng)力即溫差增大，提高了相變換熱能力。

為了提高冷卻效果，優(yōu)選的，所述熱沉基底的待冷卻表面設(shè)有陣列排布的圓錐形熱源凸起。為了使熱沉基底溫度均勻，同時(shí)熱源的熱量盡快向外傳導(dǎo)，熱沉基底和陣列的圓錐形熱源凸起采用高熱導(dǎo)率的紫銅材料。

為了提高冷卻效果，優(yōu)選的，每個(gè)圓錐形熱源凸起上方設(shè)有對(duì)應(yīng)的所述的霧化噴嘴。

為了進(jìn)一步提高冷卻效果，優(yōu)選的，所述熱沉基底內(nèi)設(shè)有鋪設(shè)的集汽管，所述熱沉基底的待冷卻表面設(shè)有連通至集汽管的排汽孔，所有集汽管集中連接到所述的真空泵。冷卻液受熱蒸發(fā)，蒸汽和部分冷卻液隨排汽孔進(jìn)入集汽管，對(duì)熱源做進(jìn)一步冷卻，同時(shí)通過(guò)溫度傳感器監(jiān)測(cè)熱沉基底的溫度，控制冷卻液流量和真空泵出力。為了保持冷卻室內(nèi)真空度穩(wěn)定，進(jìn)而保證熱源溫度的精確控制，控制單元可以采用反饋控制技術(shù)調(diào)節(jié)真空泵的出力。利用壓力傳感器監(jiān)測(cè)冷卻室內(nèi)的壓力，當(dāng)熱源功率增加，噴霧量增大時(shí)，冷卻液的蒸發(fā)量也增大，這時(shí)真空泵的出力要提高，否則冷卻室壓力升高，冷卻液沸點(diǎn)增加，傳熱溫差減小，進(jìn)而造成冷卻液不能迅速相變，熱源表面的微尺度液膜加厚，噴霧冷卻急劇惡化。

為了減薄熱沉基底表面微尺度液膜的厚度，同時(shí)對(duì)熱源做進(jìn)一步冷卻，優(yōu)選的，相鄰排圓錐形熱源凸起之間鋪設(shè)有所述的集汽管，每個(gè)圓錐形熱源凸起的周圍設(shè)有四個(gè)所述的排汽孔且所述排氣孔位于對(duì)應(yīng)集汽管的正上方。

為了進(jìn)一步提高冷卻效果，優(yōu)選的，所述圓錐形熱源凸起的錐角θ₁＝90°～100°。為了增加冷卻液與熱源的接觸面積，同時(shí)結(jié)合噴霧場(chǎng)呈錐形的特點(diǎn)，在熱源表面加裝圓錐形熱源凸起，進(jìn)一步優(yōu)選的，圓錐形熱源凸起的高度h＝4～6mm，橫向間距Lx＝14～16mm，縱向間距Ly＝12～14mm。

為了達(dá)到最優(yōu)的噴霧冷卻效果，霧化噴嘴位于圓錐形熱源凸起的正上方，優(yōu)選的，所述霧化噴嘴距離所述熱沉基底表面的高度H＝10～12mm，所述霧化噴嘴的霧化粒徑d＝15～20μm，霧化錐角θ₂＝60°～65°。

為了進(jìn)一步提高冷卻效果，優(yōu)選的，θ₁：θ₂＝1.4～1.6。進(jìn)一步優(yōu)選的，相鄰的霧化噴嘴的噴射投影圓橫向相切，縱向相交，所述的集汽管縱向延伸。

本發(fā)明還提供了一種冷卻超高熱流密度熱源的方法，使用上述的冷卻超高熱流密度熱源的系統(tǒng)，包括以下步驟：

(1)控制真空泵抽走冷卻室內(nèi)不凝性氣體，結(jié)合壓力傳感器的檢測(cè)，將冷卻室內(nèi)的壓力控制在2000～3000Pa；

(2)控制霧化噴嘴將儲(chǔ)液罐中混合好的冷卻液噴射到對(duì)應(yīng)的圓錐形熱源凸起上；

(3)冷卻液受熱蒸發(fā)，蒸汽和部分冷卻液隨排汽孔進(jìn)入所述集汽管，控制真空泵將集汽管內(nèi)的冷卻液導(dǎo)出并冷卻后流入儲(chǔ)液罐；

(4)控制單元根據(jù)溫度傳感器和壓力傳感器的監(jiān)測(cè)情況，控制霧化噴嘴的噴霧量和真空泵的出力。

本發(fā)明提出的冷卻超高熱流密度熱源的方法通過(guò)抽走冷卻室內(nèi)不凝性氣體，一方面減壓降低了冷卻液的沸點(diǎn)，冷卻液在較低的溫度下進(jìn)入核態(tài)沸騰，使得傳熱驅(qū)動(dòng)力即溫差增大；另一方面，不凝性氣體的減少使得蒸汽離開(kāi)熱源表面的阻力降低，同時(shí)提高了熱源表面附近蒸汽分壓力，加快了冷卻液的蒸發(fā)速率，從而使得噴霧冷卻時(shí)的表面換熱系數(shù)增加。

噴射冷卻液前，抽走冷卻室內(nèi)不凝性氣體，步驟(2)、(3)中，冷卻液噴射到熱源表面受熱蒸發(fā)，同時(shí)要增加抽氣泵出力，保持冷卻室內(nèi)真空度穩(wěn)定。

為了提高冷卻效果，優(yōu)選的，所述的儲(chǔ)液罐內(nèi)的冷卻液為水和乙醇的混合液，其中乙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在3％～5％?；旌弦簢娚涞綗嵩幢砻鏁r(shí)會(huì)形成微尺度液膜，由于乙醇的沸點(diǎn)比水的低，首先受熱蒸發(fā)，造成汽、液相界面上局部含量的隨機(jī)變化，引起液相表面張力的隨機(jī)變化，從而引起界面發(fā)生湍流、變形。同時(shí)，液膜內(nèi)、外層乙醇的濃度差也會(huì)引起界面湍流，而這與冷卻液的主體流動(dòng)無(wú)關(guān)。界面湍流、變形將導(dǎo)致傳質(zhì)速率明顯加快，對(duì)噴霧冷卻具有顯著的強(qiáng)化效果。但是，乙醇含量過(guò)高會(huì)降低冷卻液的相變潛熱，這對(duì)以相變換熱為基礎(chǔ)的噴霧冷卻來(lái)說(shuō)是不利的，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明乙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在3％～5％為最佳。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明的冷卻超高熱流密度熱源的方法和系統(tǒng)，相比于現(xiàn)有技術(shù)，針對(duì)超高熱流密度熱源能夠?qū)崿F(xiàn)400～600W/cm²的散熱能力，且具有結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量小的優(yōu)點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的冷卻超高熱流密度熱源的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為霧化噴嘴布置及圓錐形熱源凸起的特征參數(shù)示意圖。

圖3為圓錐形熱源凸起、排汽孔及熱源中集汽管相對(duì)位置參數(shù)示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、工作流程、使用方法易于了解，下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。

如圖1所示，本實(shí)施例的冷卻超高熱流密度熱源的系統(tǒng)主要包括冷液管路1、冷卻系統(tǒng)控制回路2、汽液管路3、儲(chǔ)液罐4、流量計(jì)5、水泵6、冷卻室7、微型陣列的霧化噴嘴組8、圓錐形熱源凸起9、排汽孔10、熱沉基底11、集汽管12、壓力傳感器13、溫度傳感器14、真空泵15、板式換熱器16和控制單元17。

系統(tǒng)中儲(chǔ)液罐4用來(lái)儲(chǔ)存混合均勻的冷卻液，實(shí)現(xiàn)經(jīng)過(guò)板式換熱器16冷卻后的冷卻液回收；流量計(jì)5和水泵6用來(lái)監(jiān)測(cè)和控制冷卻液流量；冷卻室7在真空泵15的作用下其內(nèi)部的不凝性氣體被抽走，根據(jù)壓力傳感器13的壓力信號(hào)反饋調(diào)節(jié)真空泵15出力，保持冷卻室7內(nèi)壓力穩(wěn)定；等間距順列布置的微型陣列的霧化噴嘴組8將冷卻液霧化后噴射到陣列圓錐形熱源凸起9熱源表面，冷卻液受熱蒸發(fā)，蒸汽和部分冷卻液隨排汽孔10進(jìn)入集汽管12，隨后經(jīng)真空泵15到板式換熱器16，實(shí)現(xiàn)對(duì)熱沉基底11的冷卻；通過(guò)溫度傳感器14監(jiān)測(cè)熱沉基底11的溫度，調(diào)節(jié)噴霧量和冷卻室7的真空度，從而精確控制熱沉基底11的溫度。

如圖2和圖3所示，為了達(dá)到最優(yōu)的噴霧冷卻效果，霧化噴嘴組8布置及圓錐形熱源凸起9特征如下：

為了使熱沉基底11溫度均勻，同時(shí)熱源的熱量盡快向外傳導(dǎo)，熱沉基底11和圓錐形熱源凸起9采用高熱導(dǎo)率的紫銅材料。

為了增加冷卻液與熱源的接觸面積，同時(shí)結(jié)合噴霧場(chǎng)呈錐形的特點(diǎn)，在熱源表面加裝圓錐形熱源凸起9，圓錐形熱源凸起9的錐角901θ₁＝90～100°，高度902h＝4～6mm，橫向間距903Lx＝14～16mm，縱向間距904Ly＝12～14mm。

為了減薄熱源表面微尺度液膜的厚度，同時(shí)對(duì)熱源做進(jìn)一步冷卻，設(shè)計(jì)排汽孔10位于每四個(gè)圓錐構(gòu)成的矩形中心，集汽管12在排汽孔的正下方，縱向布置。

為了達(dá)到最優(yōu)的噴霧冷卻效果，霧化噴嘴組8位于圓錐形熱源凸起9的正上方，優(yōu)選的噴嘴距離熱源底面高度802H＝10～12mm，噴嘴的霧化粒徑d＝15～20μm，霧化錐角801θ₂＝60～65°，優(yōu)選的θ₁約為θ₂的1.5倍，噴嘴的噴射投影圓803橫向相切，縱向相交。

本實(shí)施例的冷卻超高熱流密度熱源的方法包括以下步驟：

(1)利用真空泵15抽走冷卻室7內(nèi)不凝性氣體，抽走冷卻室7內(nèi)不凝性氣體一方面減壓降低了冷卻液的沸點(diǎn)，冷卻液在較低的溫度下進(jìn)入核態(tài)沸騰，使得傳熱驅(qū)動(dòng)力即溫差增大；另一方面，不凝性氣體的減少使得蒸汽離開(kāi)熱源表面的阻力降低，同時(shí)提高了熱源表面附近蒸汽分壓力，加快了冷卻液的蒸發(fā)速率，從而使得噴霧冷卻時(shí)的表面換熱系數(shù)增加。

(2)霧化噴嘴組8將儲(chǔ)液罐4中混合好的冷卻液噴射到對(duì)應(yīng)圓錐形熱源凸起9的熱源表面。冷卻液采用水和乙醇的混合液，乙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在3％～5％。混合液噴射到熱源表面時(shí)會(huì)形成微尺度液膜，由于乙醇的沸點(diǎn)比水的低，首先受熱蒸發(fā)，造成汽、液相界面上局部含量的隨機(jī)變化，引起液相表面張力的隨機(jī)變化，從而引起界面發(fā)生湍流、變形。同時(shí)，液膜內(nèi)、外層乙醇的濃度差也會(huì)引起界面湍流，而這與冷卻液的主體流動(dòng)無(wú)關(guān)。界面湍流、變形將導(dǎo)致傳質(zhì)速率明顯加快，對(duì)噴霧冷卻具有顯著的強(qiáng)化效果。但是，乙醇含量過(guò)高會(huì)降低冷卻液的相變潛熱，這對(duì)以相變換熱為基礎(chǔ)的噴霧冷卻來(lái)說(shuō)是不利的，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明乙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在3％～5％為最佳。

(3)噴射到圓錐形熱源凸起9的冷卻液受熱蒸發(fā)，蒸汽和部分冷卻液隨排汽孔10進(jìn)入集汽管12，對(duì)熱源做進(jìn)一步冷卻，同時(shí)通過(guò)溫度傳感器14監(jiān)測(cè)熱源溫度，控制冷卻液流量和真空泵15出力。采用反饋控制技術(shù)調(diào)節(jié)真空泵15的出力，利用壓力傳感器13監(jiān)測(cè)冷卻室7內(nèi)的壓力，當(dāng)熱源功率增加，噴霧量增大時(shí)，冷卻液的蒸發(fā)量也增大，這時(shí)真空泵15的出力要提高，否則冷卻室7壓力升高，冷卻液沸點(diǎn)增加，傳熱溫差減小，進(jìn)而造成冷卻液不能迅速相變，熱源表面的微尺度液膜加厚，噴霧冷卻急劇惡化。

(4)最后集汽管12中的蒸汽經(jīng)真空泵15進(jìn)入高效板式換熱器16被冷卻變?yōu)橐后w，流入儲(chǔ)液罐4實(shí)現(xiàn)冷卻液的回收。