本發(fā)明涉及高功率電子器件冷卻技術領域，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：

隨著大功率微電子芯片及固體激光技術在航空航天等領域的應用，相應的高熱流密度的散熱問題顯得越來越重要，而軍事電子設備如相控陣雷達、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了高功率固體激光器在航空航天軍事領域的應用，隨之帶來的問題是，在高功率下，固體激光器在工作中產(chǎn)生的大量無用熱會降低激光光束的質(zhì)量和輸出功率，由此造成設備發(fā)熱功率不斷升高，熱流密度可達數(shù)百W/cm²甚至數(shù)千W/cm²，這種情況下會損毀激光介質(zhì)，因此高功率固體激光器的發(fā)熱問題成為制約其輸出功率進一步提高的瓶頸，如何高效、可靠地解決機載激光器高熱流密度的快速散熱問題具有重要意義。

現(xiàn)有的冷卻技術主要包括液冷、射流沖擊、噴霧冷卻、熱管和熱泵等，針對高功率電子器件的散熱需求，將散熱能力高于500W/cm²的技術稱為高熱流密度冷卻技術，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)點是熱阻非常低，受重力影響小。微尺度通道內(nèi)沸騰的熱負荷能力達300W/cm²(小尺度通道內(nèi)的熱負荷能力達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，且液體溫度增加會致使微通道內(nèi)存在很大的溫度梯度及熱應力。

例如公開號為CN 106252309A的專利文獻公開了一種用于高熱流密度芯片的微通道液冷散熱器及導冷插件，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)面上設有多個散熱齒；所述蓋板上開設有進液孔和出液孔，所述進液孔和出液孔分別通過液冷管道與所述冷卻液循環(huán)裝置相連通。通過在芯片封裝板位于流通腔內(nèi)的一側(cè)面設置成具有多個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，但其熱負荷能力較高，射流沖擊普通表面時的熱負荷能力為100～300W/cm²左右，射流沖擊微尺度表面時的熱負荷能力可達到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)點是熱阻低，具有較好的等溫性和較高的熱負荷能力，如壓力霧化噴嘴使用水時熱負荷達1000W/cm²(理論值)，對應過熱溫度不超過60℃；蒸汽霧化噴嘴使用水時熱負荷達1300W/cm²(理論值)，對應過熱溫度不超過5℃。

例如公開號為CN106091743A的專利文獻公開了一種機載高熱流密度表面冷卻系統(tǒng)，由間歇熱載荷表面通過管道依次連接有第二儲液器第二泵、至少一個相變儲熱器、第一儲液器、過濾器、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)，其中所述管道中設有制冷劑，所述相變儲熱器還設有冷源進口和冷源出口。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；同時結(jié)構(gòu)緊湊、制造工藝簡單。適用于高熱流密度間歇熱載荷的冷卻。該發(fā)明還公開了一種機載高熱流密度表面冷卻系統(tǒng)的工作方法。

對比幾種高熱流密度冷卻技術表明，微通道冷卻方式工質(zhì)流動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，容易導致溫度敏感器件失效，且液膜在非沖擊區(qū)域易破碎。

技術實現(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，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；

儲液罐，裝有冷卻液；

水泵，將儲液罐內(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)測所述冷卻室內(nèi)的壓力；

溫度傳感器，監(jiān)測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)的冷卻液至儲液罐，控制所述霧化噴嘴工作。

通過設置冷卻室以及調(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，使得傳熱驅(qū)動力即溫差增大，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，同時熱源的熱量盡快向外傳導，熱沉基底和陣列的圓錐形熱源凸起采用高熱導率的紫銅材料。

為了提高冷卻效果，優(yōu)選的，每個圓錐形熱源凸起上方設有對應的所述的霧化噴嘴。

為了進一步提高冷卻效果，優(yōu)選的，所述熱沉基底內(nèi)設有鋪設的集汽管，所述熱沉基底的待冷卻表面設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入集汽管，對熱源做進一步冷卻，同時通過溫度傳感器監(jiān)測熱沉基底的溫度，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調(diào)節(jié)真空泵的出力。利用壓力傳感器監(jiān)測冷卻室內(nèi)的壓力，當熱源功率增加，噴霧量增大時，冷卻液的蒸發(fā)量也增大，這時真空泵的出力要提高，否則冷卻室壓力升高，冷卻液沸點增加，傳熱溫差減小，進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，同時對熱源做進一步冷卻，優(yōu)選的，相鄰排圓錐形熱源凸起之間鋪設有所述的集汽管，每個圓錐形熱源凸起的周圍設有四個所述的排汽孔且所述排氣孔位于對應集汽管的正上方。

為了進一步提高冷卻效果，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，同時結(jié)合噴霧場呈錐形的特點，在熱源表面加裝圓錐形熱源凸起，進一步優(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°。

為了進一步提高冷卻效果，優(yōu)選的，θ₁：θ₂＝1.4～1.6。進一步優(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，將冷卻室內(nèi)的壓力控制在2000～3000Pa；

(2)控制霧化噴嘴將儲液罐中混合好的冷卻液噴射到對應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入所述集汽管，控制真空泵將集汽管內(nèi)的冷卻液導出并冷卻后流入儲液罐；

(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，冷卻液在較低的溫度下進入核態(tài)沸騰，使得傳熱驅(qū)動力即溫差增大；另一方面，不凝性氣體的減少使得蒸汽離開熱源表面的阻力降低，同時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)量分數(shù)控制在3％～5％?；旌弦簢娚涞綗嵩幢砻鏁r會形成微尺度液膜，由于乙醇的沸點比水的低，首先受熱蒸發(fā)，造成汽、液相界面上局部含量的隨機變化，引起液相表面張力的隨機變化，從而引起界面發(fā)生湍流、變形。同時，液膜內(nèi)、外層乙醇的濃度差也會引起界面湍流，而這與冷卻液的主體流動無關。界面湍流、變形將導致傳質(zhì)速率明顯加快，對噴霧冷卻具有顯著的強化效果。但是，乙醇含量過高會降低冷卻液的相變潛熱，這對以相變換熱為基礎的噴霧冷卻來說是不利的，實驗結(jié)果表明乙醇的質(zhì)量分數(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，針對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。

附圖說明

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位置參數(shù)示意圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的技術手段、創(chuàng)作特征、工作流程、使用方法易于了解，下面結(jié)合具體實施例，進一步闡述本發(fā)明。

如圖1所示，本實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、儲液罐4、流量計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)中儲液罐4用來儲存混合均勻的冷卻液，實現(xiàn)經(jīng)過板式換熱器16冷卻后的冷卻液回收；流量計5和水泵6用來監(jiān)測和控制冷卻液流量；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進入集汽管12，隨后經(jīng)真空泵15到板式換熱器16，實現(xiàn)對熱沉基底11的冷卻；通過溫度傳感器14監(jiān)測熱沉基底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，同時熱源的熱量盡快向外傳導，熱沉基底11和圓錐形熱源凸起9采用高熱導率的紫銅材料。

為了增加冷卻液與熱源的接觸面積，同時結(jié)合噴霧場呈錐形的特點，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，同時對熱源做進一步冷卻，設計排汽孔10位于每四個圓錐構(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，冷卻液在較低的溫度下進入核態(tài)沸騰，使得傳熱驅(qū)動力即溫差增大；另一方面，不凝性氣體的減少使得蒸汽離開熱源表面的阻力降低，同時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的表面換熱系數(shù)增加。

(2)霧化噴嘴組8將儲液罐4中混合好的冷卻液噴射到對應圓錐形熱源凸起9的熱源表面。冷卻液采用水和乙醇的混合液，乙醇的質(zhì)量分數(shù)控制在3％～5％?；旌弦簢娚涞綗嵩幢砻鏁r會形成微尺度液膜，由于乙醇的沸點比水的低，首先受熱蒸發(fā)，造成汽、液相界面上局部含量的隨機變化，引起液相表面張力的隨機變化，從而引起界面發(fā)生湍流、變形。同時，液膜內(nèi)、外層乙醇的濃度差也會引起界面湍流，而這與冷卻液的主體流動無關。界面湍流、變形將導致傳質(zhì)速率明顯加快，對噴霧冷卻具有顯著的強化效果。但是，乙醇含量過高會降低冷卻液的相變潛熱，這對以相變換熱為基礎的噴霧冷卻來說是不利的，實驗結(jié)果表明乙醇的質(zhì)量分數(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進入集汽管12，對熱源做進一步冷卻，同時通過溫度傳感器14監(jiān)測熱源溫度，控制冷卻液流量和真空泵15出力。采用反饋控制技術調(diào)節(jié)真空泵15的出力，利用壓力傳感器13監(jiān)測冷卻室7內(nèi)的壓力，當熱源功率增加，噴霧量增大時，冷卻液的蒸發(fā)量也增大，這時真空泵15的出力要提高，否則冷卻室7壓力升高，冷卻液沸點增加，傳熱溫差減小，進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進入高效板式換熱器16被冷卻變?yōu)橐后w，流入儲液罐4實現(xiàn)冷卻液的回收。