[发明专利]一种协同驱动的高热流密度芯片相变散热装置和方法

权利要求书

1.一种协同驱动的高热流密度芯片相变散热装置，其特征在于，包括蒸发器（1）、中心进液-环周进汽式汽液两相流喷射升压装置（9）、冷凝器（11）、储液器（15）和微泵（17）；其中，中心进液-环周进汽式汽液两相流喷射升压装置（9）与冷凝器（11）相连，冷凝器（11）与储液器（15）相连，储液器（15）经过微泵（17）与蒸发器（1）入口相连；

其中，蒸发器（1）包括壳体、补偿腔（5）、毛细芯镍层（3）和毛细芯铜层（2）；其中，壳体内设置有毛细芯铜层（2），毛细芯铜层（2）上设置有毛细芯镍层（3），毛细芯镍层（3）上方为补偿腔（5）；

补偿腔（5）的入口即蒸发器（1）入口，补偿腔（5）的出口与冷凝器（11）相连；

毛细芯铜层（2）底部设置有蒸汽槽道（4），蒸汽槽道（4）出口作为蒸发器（1）出口，通过蒸汽管路（8）与中心进液-环周进汽式汽液两相流喷射升压装置（9）相连；

储液器（15）为圆筒结构，储液器（15）进口与冷凝器（11）连接，出口与第四液体管路（16）相连，第四液体管路（16）出口分为两路，一路与蒸发器（1）相连，另一路与中心进液-环周进汽式汽液两相流喷射升压装置（9）相连；微泵（17）设置在第四液体管路（16）上。

2.根据权利要求1所述的协同驱动的高热流密度芯片相变散热装置，其特征在于，中心进液-环周进汽式汽液两相流喷射升压装置（9）包括液体喷嘴（9-1）、蒸汽喷嘴（9-2）、混合腔（9-3），喉部（9-4）和扩散段（9-5）；其中，液体喷嘴（9-1）伸入到蒸汽喷嘴（9-2）内部，混合腔（9-3）的入口与液体喷嘴（9-1）和蒸汽喷嘴（9-2）相连通，混合腔（9-3）出口与喉部（9-4）相连通，喉部（9-4）与扩散段（9-5）相连通；

液体喷嘴（9-1）入口与储液器（15）相连，蒸汽喷嘴（9-2）与蒸汽管路（8）相连通，扩散段（9-5）与冷凝器（11）相连。

3.根据权利要求2所述的协同驱动的高热流密度芯片相变散热装置，其特征在于，液体喷嘴（9-1）为渐缩喷嘴，内部末端设置有平直段；混合腔（9-3）为圆柱形渐缩通道；为保证降低流动损失的同时保证装置的高性能，收缩角为12°~15°；扩散段（9-5）为渐扩形的通道，扩张角为20°。

4.根据权利要求3所述的协同驱动的高热流密度芯片相变散热装置，其特征在于，平直段占液体喷嘴（9-1）总长度的1/5。

5.根据权利要求1所述的协同驱动的高热流密度芯片相变散热装置，其特征在于，毛细芯镍层（3）和毛细芯铜层（2）构成镍-铜复合毛细芯，镍-铜复合毛细芯的具体制备过程如下：将铜粉填入不锈钢模具中并铺平，形成铜层，模具底部加工有宽和高均为1~2mm的矩形微小槽道，将铜层压实；在铜层上填入镍粉，并压实形成镍层；铜层和镍层结合在一起，形成胚体；将胚体在保护气下烧结，得到镍-铜复合毛细芯。

6. 根据权利要求5所述的协同驱动的高热流密度芯片相变散热装置，其特征在于，铜粉的粒径为5~20 μm，铜层的厚度为2~4 mm；镍粉的粒径为50~100μm，镍层的厚度为1~2 mm；

烧结的具体条件为：以5℃/min的速率自室温升温至800℃，并在800℃下保温30min，随后以5℃/min的速率冷却至室温。

7.根据权利要求1所述的协同驱动的高热流密度芯片相变散热装置，其特征在于，储液器（15）顶部开设有液体工质注入口；

微泵（17）为离心泵、隔膜泵或电驱泵；

补偿腔（5）的出口经第一液体管路（6）与冷凝器（11）相连，第一液体管路（6）上设置有第一阀门（7）；

储液器（15）的出口经第五液体管路（20）与中心进液-环周进汽式汽液两相流喷射升压装置（9）相连；

第四液体管路（16）出口分为两路，一路经第五液体管路（20）与汽液两相流喷射升压装置（9）相连，另一路经第六液体管路（21）与补偿腔（5）相连，第六液体管路（21）上设置有第三阀门（22）。

8.一种基于权利要求1-7中任意一项所述的协同驱动的高热流密度芯片相变散热装置的散热方法，其特征在于，

将蒸发器（1）的底面与热源贴合，热量通过蒸发器（1）的壁面传导至毛细芯铜层（2），液体在毛细芯铜层（2）表面受热汽化，同时在气液界面产生弯月面，形成毛细力驱动循环，控制补偿腔（5）内的压力，毛细芯铜层（2）与蒸发器（1）的底板接触面会形成液体薄膜，产生的蒸汽通过蒸汽槽道（4）和蒸汽管路（8）进入汽液两相流喷射升压装置（9）中，储液器（15）内的液体同时进入汽液两相流喷射升压装置（9）中，通过渐缩型的液体喷嘴（9-1）加速后进入混合腔（9-3），高速液体射流通过卷吸以及紊动扩散作用，将蒸汽喷嘴（9-2）出口的气体带走，使得环周蒸汽喷嘴（9-2）的蒸汽进入混合腔（9-3），在混合腔（9-3）内，汽液两相在速度差、温度差的作用下，进行质量、动量和热量的交换，形成环状流并向泡状流转变，在喉部（9-4）附近产生凝结激波形成高压的单相流体；

单相流体进入冷凝器（11），补偿腔（5）内的流体在微泵（17）的作用下经过进入冷凝器（11），进入冷凝器（11）的高温液体经过冷凝后再进入储液器（15）；储液器（15）内的液体在微泵（17）的作用下分别进入补偿腔（5）和汽液两相流喷射升压装置（9），从而完成整个循环。