基于封闭微喷射流的错列微细通道热沉装置.pdf

本发明提供了一种基于封闭微喷射流的错列微细通道热沉装置，包括微喷器件、微泵和上盖板，微喷器件分为下部的流体腔和上部的射流腔，流体腔和射流腔之间通过阵列微喷射流孔连通，上盖板位于射流腔顶部，下表面带有错列微细通道，上盖板上载有发热器件；冷却工质在微泵的作用在进入流体腔，通过阵列微喷射流孔形成射流进入射流腔，射流冲击上盖板，与发热器件产生热量交换，换热后的冷却工质流出射流腔；冷却工质流出射流腔后经过散热装置或制冷装置降温，再次由微泵泵入流体腔。本发明有助于提高雷达电子设备散热系统的散热能力，减小散热装置尺寸，降低重量，增强雷达系统的机动能力。

1.  一种基于封闭微喷射流的错列微细通道热沉装置，包括微喷器件、微泵和上盖板，其特征在于：所述的微喷器件分为下部的流体腔和上部的射流腔，流体腔和射流腔之间通过阵列微喷射流孔连通，上盖板位于射流腔顶部，下表面带有错列微细通道，上盖板上载有发热器件；冷却工质在微泵的作用在进入流体腔，通过阵列微喷射流孔形成射流进入射流腔，射流冲击上盖板，与发热器件产生热量交换，换热后的冷却工质流出射流腔；冷却工质流出射流腔后经过散热装置或制冷装置降温，再次由微泵泵入流体腔。

2.  根据权利要求1所述的基于封闭微喷射流的错列微细通道热沉装置，其特征在于：所述微喷器件的整体尺寸为46mm×46mm×11mm，壁厚为2mm，冷却工质进出微喷器件的出入口直径为4mm；单个微喷射流孔的直径为0.5mm，阵列微喷射流孔采用9×9阵列，采用顺排或叉排方式布置，相邻射流孔的间距均为4mm，射流孔深度2mm；错列微细通道的肋片宽度和高度均为0.5mm，肋片长度为6mm，相邻肋片间距为3mm，在微喷器件出口处的肋片间距减小至1.5mm。

基于封闭微喷射流的错列微细通道热沉装置
技术领域
本发明涉及一种体小、质轻、高效的新体制热控技术，主要用于下一代有源相控阵雷达高密度射频组件的散热。
背景技术
雷达热控系统作为雷达电子装备的生命保障系统，通过雷达内部与外部环境热交换过程，承担着保证雷达内部各元器件在各种运行状态下均能处于要求的温度范围内的使命，其性能的优劣将直接影响到雷达的工作性能和服役寿命。伴随着电子技术和微波器件的飞速发展，固态化技术和相控阵技术已经成为雷达领域的重要课题。随着技术水平的发展，作为固态有源相控阵雷达核心部件之一的射频组件逐渐向着高度集成化的方向发展，子阵模块的发热密度大幅增加，而热辐射面积的减小、传热路径的加长都使得散热更加困难，主要体现在：
a.由于器件体积的缩小，组装密度随之增加，使得散热问题不易解决，需要更高效率的散热设计方法来解决过热问题；
b.器件堆叠后发热量急剧增加，散热面积却没有随之增加，因此，热流密度将大幅度提高；
c.多器件封装虽然保持原散热面积，但由于热源相互连接，热耦合增强，会造成更为严重的热问题；
d.内埋置基板中的无源器件有一定的发热问题，而陶瓷基板与有机基板的散热不良，也会产生严重的热问题。
目前国内对于高密度射频组件的冷却一般采用基于传统强迫风冷或液冷冷板的冷却方法，散热能力均很难突破100W/cm²，散热问题已经成为制约高密度射频组件性能进一步提高的瓶颈难题，散热技术的发展水平也已经落后于我国电子技术本身的发展需求，实际冷却需求至少是当前技术水平的5～10倍，严重制约了电子技术的进一步革新。
由于当前极高热流密度电子设备对重量和体积的严格限制，采用微喷射流或微细通道的冷却方法日益受到广泛关注并逐渐推广到工程应用，但这两种冷却方法均存在各自固有的缺点：在微喷射流冷却方法中，若将冷却流体直接喷射到发热器件表面， 考虑到电绝缘的需求，则必须采用电绝缘冷却介质，若采用类似于液冷冷板的形式，则在散热系统集成的过程中必须采用导热胶等热界面材料，增加额外的界面热阻。同时，射流冲击过程中横流的存在也会对射流冲击主流产生扰动，影响换热效果。对于微细通道冷却方法，冷却流体在流经热沉下游时，换热效果逐渐减弱，同时，在极细的流道中流动的冷却流体流动路程过长，沿程压力损失大，对泵的功率要求较高。因此，开发新一代体小、质轻、高效的散热装置已经迫在眉睫。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于封闭微喷射流的错列微细通道热沉装置，在错列微细通道热沉中引入封闭微喷射流散热技术，由于射流冲击在所有对流换热方式中具有最佳的协同度，流动方向与温度梯度完全吻合，因而具有最高的传热效率，有助于提高雷达电子设备散热系统的散热能力，减小散热装置尺寸，降低重量，增强雷达系统的机动能力。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括微喷器件、微泵和上盖板。
所述的微喷器件分为下部的流体腔和上部的射流腔，流体腔和射流腔之间通过阵列微喷射流孔连通，上盖板位于射流腔顶部，下表面带有错列微细通道，上盖板上载有发热器件；冷却工质在微泵的作用在进入流体腔，通过阵列微喷射流孔形成射流进入射流腔，射流冲击上盖板，与发热器件产生热量交换，换热后的冷却工质流出射流腔；冷却工质流出射流腔后经过散热装置或制冷装置降温，再次由微泵泵入流体腔。
所述微喷器件的整体尺寸为46mm×46mm×11mm，壁厚为2mm，冷却工质进出微喷器件的出入口直径为4mm；单个微喷射流孔的直径为0.5mm，阵列微喷射流孔采用9×9阵列，采用顺排或叉排方式布置，相邻射流孔的间距均为4mm，射流孔深度2mm；错列微细通道的肋片宽度和高度均为0.5mm，肋片长度为6mm，相邻肋片间距为3mm，在微喷器件出口处的肋片间距减小至1.5mm。
本发明的有益效果是：将错列微细通道强化换热结构和微喷射流冷却技术相结合，从而可有效提高系统的散热能力，减小散热装置尺寸，降低重量。主要优势如下：
射流流体直接喷射到被冷却物体表面，流程短，射流冲击驻点区附近的附面层非常薄，对流换热系数极高，传热效率远高于传统的冷却方式；错列微细通道的引入可以进一步提高系统的传热传质效率，传热效果相比常规尺度能够提高2～3个数量级；
系统中同时采用多个喷嘴形成阵列微喷结构可以得到均匀的温度分布，同时，系 统采用封闭形式，气体、液体甚至金属液体等均可以作为工作介质，无需考虑采用电绝缘冷却介质；
可以采用与传统冷却方式相似的热沉结构，与现有芯片封装结构兼容且易于实现集成，能够简化封装结构；射流冷却介质可以直接冲击封装基板，热界面材料可以省略，能够明显缩短传热路径；
热量转移效果好，是应对极高热负荷的首选冷却方式，尤其对于局部散热效果甚好，可以实现强制冷却，并且对水泵功率要求不高。
附图说明
图1是本发明的原理图；
图中，1为发热器件，2为带错列微细通道的上盖板，3为阵列微喷射流孔，4为微喷器件，5为微泵，6为散热装置(或制冷机组)。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
一种基于封闭微喷射流的错列微细通道热沉装置，其特征在于将错列微细通道强化换热结构和微喷射流冷却技术相结合，可以有效提高雷达热控系统的散热能力，减小散热装置尺寸，降低重量。错列微细通道是一种强化换热结构，属于一种周期性的结构，由多排平行短通道组成，通过流道的间断与交错布置破坏了热边界层的发展，同时可以增加横流的扰动以减少对冲击流的影响并且增大横流与壁面的对流换热，具有显著的强化换热效果；微喷射流冷却采用射流冲击冷却技术，对设备中的高热元器件进行有效冷却，依靠冲击射流良好的对流换热效果，将热量从高热元器件带入冷却系统从而实现散热，系统中同时采用多个微喷可以得到均匀的温度分布。
其特征还在于整个散热装置包括微喷器件(含阵列微喷射流孔)、微泵、散热装置(或制冷机组)、带错列微细通道的上盖板以及管路系统。
所述的微喷器件主要完成热量交换过程，包括下部的流体腔和上部的射流腔，整体尺寸为46mm×46mm×11mm，四周壁厚为2mm。冷却工质水通过微喷器件入口进入流体腔，微喷器件入口直径为4mm。冷却工质水在压力作用下通过阵列微喷射流孔形成强烈的射流并进入射流腔，射流流体直接冲击位于射流腔正上方的载有发热器件的上盖板，与发热器件产生热量交换，换热后的冷却工质水通过微喷器件出口流出进入管路系统，微喷器件出口直径为4mm。
单个微喷射流孔的直径为0.5mm，阵列微喷射流孔采用9×9阵列，采用顺排或叉排方式布置(由优化结果确定)，相邻射流孔沿横向和纵向的间距均为4mm，射流孔深度2mm。
所述的微泵主要为散热装置中冷却工质水的循环提供动力，使其进入微喷器件并喷射到待冷却器件表面，达到热量交换的目的。微泵采用电磁原理驱动，通过调整输入电压可以改变流量。
所述的散热装置(或制冷机组)主要完成升温后的冷却工质水和环境的热交换过程，使其温度下降，低温冷却工质水重新进入微泵中开始下一轮次的循环。
所述的带错列微细通道的上盖板与现有芯片封装结构能够实现兼容设计，不采用热界面材料，减小界面热阻。错列微细通道肋片宽度和高度均为0.5mm，肋片长度为6mm，相邻肋片间距为3mm，在靠近微喷器件出口处对肋片进行局部加密，间距可减小至1.5mm，形成前疏后密的错列布置。错列微细通道的存在既可为流体的回流提供通道，又可以起到一定的扰流作用，通过流道的间断与交错布置破坏了热边界层的发展，增加横流的扰动以减少对冲击流的影响并且增大横流与壁面的对流换热，具有显著的强化换热效果。
所述的管路系统采用不锈钢管道，管道的连接采用快速接头，方便冷却工质水的注入并提高管路系统的密封性。
参见图1，如其中的具体实施例所示，系统运行前，首先通过连接口注入冷却工质水进入系统，而后密封各连接口以防冷却工质的泄漏。当微泵5开始工作后，流体通过微喷器件4的入口流入流体腔，在压力作用下通过阵列微喷射流孔3形成强烈的射流并进入射流腔，射流流体直接冲击正上方载有发热器件的上盖板，产生强烈的对流换热效果，发热器件1产生的热量被射流流体吸收，其温度下降，而射流流体由于吸收了热量温度升高，升温后的射流流体通过微喷器件出口流出，进入管路系统，在散热装置(或制冷机组)6的作用下，受热后的射流流体和环境发生热量交换，其温度下降，降温后的射流流体重新流入微泵5中，在微泵5的作用下再次进入到热沉中开始下一轮次的循环。