[发明专利]一种基于毛细导流的干法相变换热设备

说明书

本发明公开了一种基于毛细导流的干法相变换热设备，涉及换热冷却技术领域，包括冷却液、储液池、输液毛细管网络，所述储液池内设置有冷却液，所述储液池与所述输液毛细管网络的一端相连接，所述输液毛细管网络的另一端设置于发热表面，所述输液毛细管网络由毛细管构成。本发明利用毛细作用自动调节供液量，在发热表面形成岛状液膜阵列的气液分离通道，通过干法相变进行散热，具有冷却液使用量少、散热效率高、均热能力强等优点。

技术领域

本发明涉及换热冷却技术领域，尤其涉及一种基于毛细导流的干法相变换热设备。

背景技术

随着科技进步和技术发展，高发热环境在生产生活中已经变得越来越普遍，高铁、电动车、航天、雷达等领域的大功率电子设备的发热量日益增长。过高的温度会损坏半导体节点以及电路连结面，增加电阻值，甚至形成机械应力损伤。随着电子元件的温度升高，系统可靠性会急剧降低。目前大功率电子设备的热流密度可达到250W/cm²，大功率半导体激光器的热流密度可达到1000W/cm²。提供行之有效的散热方案，实现高热流密度工作环境下的热管理，已成为时下相关行业的迫切需求。

传统的热管理方案以单相流循环冷却技术为主。这一技术已经非常成熟，其主要原理是使用循环冷却液在热源表面对流带走热量。近年来，两相流冷却技术和射流冲击冷却也逐渐成为高热流密度工况下热管理的有效手段。相比单相流循环冷却，两相流冷却技术在冷却液通过热源表面时发生相变汽化，利用了气泡生成过程中产生的扰动以及液体的相变潜热，具有冷却液流量小、换热量大的优点。射流冲击冷却是一种用于高热流密度工况下的热管理手段。冷却液在压差的作用下，通过圆形或其他形状的射流孔喷射到加热表面上对其进行冷却。冷却液直接冲击表面，在被冲击表面形成较薄边界层，同时局部沸腾汽化，可有效实将发热区域热量带走。

另一种有效利用两相冷却的换热设备称之为热管，当前热管的发展朝着微型化、高效能方向发展，微热管作为一种高效的相变换热装置，具有体积小、导热能力强、稳定性高等优点，吸液芯结构是决定热管性能的重要参数，目前热管中常用的吸液芯结构有沟槽型、烧结型以及复合型。

但是，随着电子设备功率增长，上述现有技术均显现出一定的局限性。

(1)单相流循环冷却逐渐难以应对高热流密度工况下的热管理需求。

(2)两相流循环冷却可提供更强的换热能力，但系统设计难度较高。与单相流循环冷却类似，两相流循环冷却同样需要循环泵驱动冷却液，因此两相流循环冷却系统需保证带走热量气化后的冷却液在到达循环泵之前完全冷凝，恢复单相状态。否则当气态冷却液通过循环泵时会导致冷却系统无法正常工作。考虑到大功率电子设备存在瞬态高功率工作状态，两相流循环冷却技术难以在此种工况下应用。且由于散热过程中在封闭循环管道内持续出现沸腾和凝结相变过程，会对散热系统形成持续的周期性震荡冲击，容易出现故障或导致系统损坏。

(3)射流冲击冷却可提供较强的换热能力，但在实际应用场景中，喷射在壁面上的液膜厚度不均，射流喷洒的大部分冷却液无法在换热过程中汽化，而是保持液态。处于液态的冷却液无法利用相变过程的潜热带走热量，换热效率较低。且与换热表面接触的冷却液沸腾后，会被未能汽化的冷却液阻挡，气泡难以排开，导致换热能力下降。此外，射流气液无法分离，在冷却液到达受热壁面之前会与气体发生一定的热交换，降低实际换热效果。

(4)封闭微热管的适用场合较少，在某些特定的散热环境下并不适用，如某些需要添加辅助风冷散热的开放式场合(如启动阶段散热)。此外平板热管等在不规则、不平整的加热壁面则无法有效散热，异型热管能满足不同形貌加热面的散热要求，但是对不同形貌加热面就需要加工不同热管，形貌适应性差，加工复杂且维护成本高。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种换热设备，能够根据发热器件功率自动调节冷却液供给量，并提高换热效率和不同应用场景的适用性，满足大功率电子设备的换热需求。

发明内容