[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

说明书

一种协同驱动的高热流密度芯片相变散热装置和方法，包括蒸发器、中心进液‑环周进汽式汽液两相流喷射升压装置、冷凝器、储液器和微泵；其中，蒸发器出口与中心进液‑环周进汽式汽液两相流喷射升压装置相连，中心进液‑环周进汽式汽液两相流喷射升压装置与冷凝器相连，冷凝器与储液器相连，储液器经过微泵与蒸发器入口相连。本发明通过设置中心进液‑环周进汽式汽液两相流喷射升压装置，一方面能够利用液体引射蒸发器蒸汽，从而降低蒸发器底板温度；另一方面还能在出口处形成高压液体，驱动液体回流，降低泵功；通过再散热系统中增加微泵用于驱动工质循环，可以加快液体工质的循环速率，有效降低补偿腔的漏热影响，同时可以增加热量传输距离。

技术领域

本发明属于超高热流密度冷却散热相关领域，更具体地，涉及一种协同驱动的高热流密度芯片相变散热装置和方法，可以用于军民领域的超高热流密度电子元器件的冷却散热。

背景技术

随着国防、电子信息领域技术发展对硬件性能的追求以及微机械加工技术(MEMS)的进步，电子设备体积趋于微型化，系统趋于复杂化、集成化，而这些发展就带来了不可避免的高热流密度问题。专家预测2026年高性能计算机和工作站芯片的热流密度将分别高达200W/cm²和450W/cm²。传统的常规尺度单相冷却技术的上限仅为100W/cm²，沸腾换热技术的上限为200W/cm²。因此需要更为高效的冷却技术来满足苛刻的散热需求。此外，对阵列化芯片或规模化计算集群而言，散热系统的传输距离和性能可靠性是整体高效散热结构设计和长期稳定运行的重要保障。

环路热管是一种高效的非能动散热装置，以多孔毛细芯为驱动源，液体在蒸发器吸热沸腾/蒸发，经蒸汽管路进入冷凝器放热，最后在毛细力的作用下回到补偿腔，完成热量传递。环路热管工作过程无需外部动力源，具有安全稳定、传热量大等优点，在高热流密度芯片散热领域极具前景。但是，由于环路热管主要依靠多孔毛细芯的毛细抽吸力提供驱动力，当热流密度较高时毛细力无法克服流动阻力，会出现蒸发器烧干的现象，导致系统失去散热能力，蒸发器底板温度急剧上升，目前公开报道的环路热管极限热流密度仅为100W/cm²左右，无法满足未来更高热流密度的散热需求。另外，由于环路热管蒸发器的特殊结构，蒸发器侧壁导热和背向漏热严重，容易使蒸发器补偿腔内液体的温度升高而造成系统的失稳。中国专利201711044628.1设计了一种微泵辅助的环路热管，通过在系统中增加微泵和液体回路，一方面增加了循环的驱动力(热量传输距离)；另一方面将液体补偿腔的漏热带走，消除了因液体补偿腔温度升高带来的系统失稳，提高了运行的稳定性，但是没有解决环路热管的毛细极限问题。同时，由于增加了微泵，使系统的复杂性增加、安全可靠性大大降低。

发明内容

针对以上现有技术的缺陷，结合环路热管的工作特点，本发明的目的是提出一种协同驱动的高热流密度芯片相变散热装置和方法。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种协同驱动的高热流密度芯片相变散热装置，包括蒸发器、中心进液-环周进汽式汽液两相流喷射升压装置、冷凝器、储液器和微泵；其中，蒸发器出口与中心进液-环周进汽式汽液两相流喷射升压装置相连，中心进液-环周进汽式汽液两相流喷射升压装置与冷凝器相连，冷凝器与储液器相连，储液器经过微泵与蒸发器入口相连。

本发明进一步的改进在于，蒸发器包括壳体、补偿腔、毛细芯镍层和毛细芯铜层；其中，壳体内设置有毛细芯铜层，毛细芯铜层上设置有毛细芯镍层，毛细芯镍层上方为补偿腔；

补偿腔的入口与储液器相连，补偿腔的出口与冷凝器相连；

毛细芯铜层底部设置有蒸汽槽道，蒸汽槽道出口与蒸汽管路相连通。

本发明进一步的改进在于，中心进液-环周进汽式汽液两相流喷射升压装置包括液体喷嘴、蒸汽喷嘴、混合腔，喉部和扩散段；其中，液体喷嘴伸入到蒸汽喷嘴内部，混合腔的入口与液体喷嘴和蒸汽喷嘴相连通，混合腔出口与喉部相连通，喉部与扩散段相连通；