專利名稱：高熱流密度條件下陣列射流、沸騰冷卻耦合換熱方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電子器件散熱技術(shù)，特別是一種高熱流密度條件下陣列射流、沸騰冷卻耦合換熱方法。
背景技術(shù)：
射流沖擊冷卻的原理是流體通過一定形狀的噴嘴(圓形或狹縫形)直接噴射到被冷卻表面，由于流程短，流速高，在射流面上形成很大的壓力，使射流沖擊駐點區(qū)附近的邊界層變得很薄，因而具有極高的換熱效率，相比于常規(guī)的對流換熱技術(shù)，射流冷卻技術(shù)的沖擊換熱系數(shù)要高幾倍甚至是一個數(shù)量級。雖然單相陣列射流換熱具有較高的對流換熱系數(shù)，在高熱流密度條件下的散熱有著很大的優(yōu)勢。當電子器件具有極高的熱流密度時(lOOW/cm2及以上)，單相陣列射流沖擊冷卻同樣不能達到散熱的需求，電子器件溫度過高，甚至超出電子器件溫度承受范圍，從而導致電子器件的燒毀。同時，在較大的換熱表面條件下使用單相陣列射流換熱時，所需冷卻液流量較大。池沸騰利用冷卻液汽化時的相變潛熱進行散熱，能夠移除大量的熱量，但是池沸騰本身的換熱能力較弱，對于極高熱流密度條件下的散熱無能為力，不能滿足未來大功率電子器件的散熱需求。各國研究人員都對單相陣列射流散熱進行了廣泛的研究，主要對影響射流換熱的各種參數(shù)進行了優(yōu)化設(shè)計，特別是陣列射流中射流孔的布置形式給予了大量的關(guān)注，換熱表面大多為平面。但是在高熱流密度條件下，所需換熱量極大，依靠單相換熱移除熱量必然需要大量的冷卻液流量。對比文獻 1 (B. P. ffhelan, A. J. Robinson, Nozzle geometryeffects in liquid jet array impingement,Applied Thermal Engineering 29 (2009)2211-2221) 研究了不同形狀射流孔的沖擊射流效果，換熱表面為直徑31. 5mm的圓形表面，實驗中使用冷卻液流量范圍為11/111丨1^&<221/1^11 ,換熱表面的熱流密度僅為25. 66W/cm2，不能滿足大功率電子器件的散熱需求，而且實驗流量過大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能夠應(yīng)用于高熱流密度條件下電子器件散熱的方法， 著眼于提高電子器件的散熱能力，保證電子器件的安全運行。實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為一種高熱流密度條件下陣列射流、沸騰冷卻耦合換熱方法，將單相陣列射流沖擊冷卻和沸騰換熱結(jié)合，利用冷卻液的蒸發(fā)潛熱移除電子器件的熱量，即選取沸點在_20°C _30°C的冷卻液，通過控制工質(zhì)壓力在-0. 5bar-10bar, 獲得所需范圍內(nèi)的沸點溫度，將冷卻液泵送至陣列射流沖擊裝置，通過射流孔射流在換熱表面上，同時控制冷卻液的溫度和壓力，使冷卻液在射流換熱后部分發(fā)生相變，利用冷卻液的汽化潛熱散熱，換熱后殘余液體以及汽化的氣體在壓差作用下排除，完成整個陣列射流、 沸騰冷卻耦合換熱過程。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(1)將單相陣列射流沖擊冷卻和沸騰換熱
3結(jié)合，利用陣列射流極高的對流換熱系數(shù)和冷卻液的相變潛熱實現(xiàn)高熱流密度條件下的電子器件的散熱，從而滿足高熱流密度條件下電子器件的散熱需求，有效控制電子器件的溫度，滿足電子器件的工作溫度需求。( 在優(yōu)化單相陣列射流的基礎(chǔ)上，結(jié)合射流冷卻和池沸騰換熱，充分利用射流冷卻極高的對流換熱系數(shù)和池沸騰中冷卻液的汽化潛熱，通過有效的控制，促使冷卻液進行射流冷卻時，部分冷卻液發(fā)生汽化，有效利用冷卻液的汽化潛熱，獲得更高的換熱能力。(3)減少電子期間散熱所需的冷卻液流量。(4)利用冷卻液的汽化潛熱，增強射流冷卻的散熱能力。( 換熱過程中冷卻液汽化潛熱的加入，使得冷卻液的溫升較小，增強了換熱表面的溫度均勻性。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述。


圖1是陣列射流、沸騰冷卻散熱部分結(jié)構(gòu)優(yōu)化示意圖。圖2是兩種換熱方法換熱效果對比圖。
具體實施例方式結(jié)合圖1，本發(fā)明高熱流密度條件下陣列射流、沸騰冷卻耦合換熱方法，實現(xiàn)陣列射流冷卻、沸騰換熱熱控能力，包括冷卻液的選擇，單相陣列射流冷卻的優(yōu)化以及散熱工況的控制，將單相陣列射流沖擊冷卻和沸騰換熱結(jié)合，利用冷卻液的蒸發(fā)潛熱移除電子器件的熱量，即選擇適合電子器件使用的冷卻液，冷卻液的沸點控制在-20°C -30 如氟利昂系列以及氟碳類等，可通過控制冷卻液的溫度和壓力，如通過控制工質(zhì)壓力在-0. ^ar-IObar,獲得所需范圍內(nèi)的沸點溫度，從而實現(xiàn)冷卻液在陣列射流時，就是將冷卻液泵送至陣列射流沖擊裝置，通過射流孔射流在換熱表面上，同時控制冷卻液的溫度和壓力，使冷卻液在射流換熱后部分發(fā)生相變，利用冷卻液的汽化潛熱散熱，換熱后殘余液體以及汽化的氣體在壓差作用下排除，完成整個陣列射流、沸騰冷卻耦合換熱過程。本發(fā)明高熱流密度條件下陣列射流、沸騰冷卻耦合換熱方法中，根據(jù)公式 ρ = 古算冷卻液流量范圍，一般流量范圍可選0. 5L/min至5L/min。在單相陣列射流沖擊裝置的射流孔板上開設(shè)射流孔，相鄰射流孔間距S和射流孔直徑D比值范圍3. 5-7，射流孔直徑范圍為0. 5mm-2. 5mm。在單相陣列射流沖擊裝置的換熱表面上刻槽，刻槽的槽深h 選值為0. 5mm-1. 5_，槽寬d選值為0. 5mm-1. 0_，槽間距選值為0. 5mm-1. 5mm 下面進一步說明本發(fā)明的實施過程。本發(fā)明高熱流密度條件下陣列射流、沸騰冷卻耦合換熱方法中，步驟如下(1)圖1中，優(yōu)化的單相陣列射流要求相鄰射流孔間距S和射流孔直徑D比值范圍為3-10，射流孔直徑范圍為0. 5mm-3. Omm。根據(jù)換熱表面的面積，選擇合適的射流孔直徑， 進而優(yōu)化配置射流孔。選擇射流孔直徑應(yīng)不宜過大，以1. Omm最佳；S/D值應(yīng)稍偏大，避免相鄰射流孔之間的相互干涉。(2)換熱表面刻槽，強化換熱能力。槽深h選值0.5mm-1.5mm， 槽寬d選值0. 5mm-2. Omm,槽間距選值為0. 5mm_2. Omm。(3)電子器件的工作溫度較低，冷卻液和電子器件存在換熱溫差，因此，所選冷卻液沸點應(yīng)在-20°C -30°C最佳，如氟利昂系列中的和R134a、氟碳類冷卻液等，通過控制壓力在-0. 5bar-10bar，可以得到所需范圍內(nèi)的沸點溫度。同等條件下，首選汽化潛熱更大的冷卻液。(4)根據(jù)公式0 = 古算出冷卻液流量范圍，通過控制散熱過程中冷卻液溫度和壓力，使冷卻液以接近沸點的溫度進行換熱，使換熱過程中冷卻液部分汽化，實現(xiàn)陣列射流換熱、沸騰冷卻的換熱方法。(5)將冷卻液泵送至實驗設(shè)備，通過陣列孔射流在換熱表面上，同時控制冷卻液的溫度和壓力，確保冷卻液在射流換熱后部分相變，利用冷卻液的汽化潛熱散熱，獲得更好的換熱效果，換熱后殘余液體以及汽化的氣體在壓差作用下排除，完成整個換熱過程。
圖2為陣列射流、沸騰冷卻耦合散熱方法試驗效果與單相陣列射流散熱方法的對比圖。目前，電子器件的熱流密度遠遠低于lOOW/cm2，對于lOOW/cm2以上的熱流密度統(tǒng)稱為高熱流密度。圖2中陣列射流、沸騰冷卻耦合散熱以作為冷卻液，冷卻液沸點控制約為5°C，試驗熱流密度為300W/cm2，遠遠高于現(xiàn)有電子器件的熱流密度。圖2顯示了新方法的優(yōu)越性更少的冷卻液流量，獲得更高的散熱能力，換熱能力遠遠高于單相陣列射流換熱。圖2中采用陣列射流、沸騰冷卻耦合散熱方法，最高可以獲得超過50000W/m2K的對流換熱系數(shù)，遠遠超過單相陣列射流的散熱能力。
權(quán)利要求
1.一種高熱流密度條件下陣列射流、沸騰冷卻耦合換熱方法，其特征在于將單相陣列射流沖擊冷卻和沸騰換熱結(jié)合，利用冷卻液的蒸發(fā)潛熱移除電子器件的熱量，即選取沸點在-20°c -30°c的冷卻液，通過控制工質(zhì)壓力在-0. ^ar-IObar,獲得所需范圍內(nèi)的沸點溫度，將冷卻液泵送至陣列射流沖擊裝置，通過射流孔射流在換熱表面上，同時控制冷卻液的溫度和壓力，使冷卻液在射流換熱后部分發(fā)生相變，利用冷卻液的汽化潛熱散熱，換熱后殘余液體以及汽化的氣體在壓差作用下排除，完成整個陣列射流、沸騰冷卻耦合換熱過程。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高熱流密度條件下陣列射流、沸騰冷卻耦合換熱方法，其特征在于根據(jù)公式ρ = 古算冷卻液流量范圍。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高熱流密度條件下陣列射流、沸騰冷卻耦合換熱方法，其特征在于在單相陣列射流沖擊裝置的射流孔板上開設(shè)射流孔，相鄰射流孔間距S和射流孔直徑D比值范圍3. 5-7，射流孔直徑范圍為0. 5mm-2. 5mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高熱流密度條件下陣列射流、沸騰冷卻耦合換熱方法，其特征在于在單相陣列射流沖擊裝置的換熱表面上刻槽，刻槽的槽深h選值為0. 5mm-l. 5mm，槽寬d選值為0. 5mm-1. Omm，槽間距選值為0. 5mm-1. 5mm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高熱流密度條件下陣列射流、沸騰冷卻耦合換熱方法，將單相陣列射流沖擊冷卻和沸騰換熱結(jié)合，利用冷卻液的蒸發(fā)潛熱移除電子器件的熱量，即選取沸點在-20℃-30℃的冷卻液，通過控制工質(zhì)壓力在-0.5bar-10bar，獲得所需范圍內(nèi)的沸點溫度，將冷卻液泵送至陣列射流沖擊裝置，通過射流孔射流在換熱表面上，同時控制冷卻液的溫度和壓力，使冷卻液在射流換熱后部分發(fā)生相變，利用冷卻液的汽化潛熱散熱，換熱后殘余液體以及汽化的氣體在壓差作用下排除，完成整個陣列射流、沸騰冷卻耦合換熱過程。本發(fā)明實現(xiàn)高熱流密度條件下的電子器件的散熱，從而滿足高熱流密度條件下電子器件的散熱需求，有效控制電子器件的溫度，滿足電子器件的工作溫度需求。
文檔編號H05K7/20GK102271485SQ20111012211
公開日2011年12月7日 申請日期2011年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月12日
發(fā)明者宣益民, 李強, 鐵鵬 申請人:南京理工大學