一种具有冷凝导流回液结构的EHD辅助两相散热元件

本发明涉及散热元件，具体涉及一种具有冷凝导流回液结构的ehd辅助两相散热元件。

背景技术：

1、随着第三代半导体功率器件、高速处理器、工业激光器、高密度集成光电模块等电子元器件性能持续升级，器件单位面积热流密度大幅攀升，整机内部装配空间持续超薄化、紧凑化，狭小密闭腔体内极易出现局部热点集中、全域温度分布不均等问题，热点超温会直接引发器件性能衰减、工作漂移、使用寿命缩短，严重时造成器件热失效，因此超薄、高均温、高传热极限的散热结构成为高端电子设备研发的核心需求。

2、均热板、平板热管等气液两相散热元件依靠腔体内工质蒸发吸热、冷凝放热的相变潜热实现热量跨区域快速传递，具备无机械振动、结构轻薄、当量导热系数高的优势，广泛应用于消费电子、车载功率模块、光通信设备等受限空间散热场景。但现有薄型两相散热元件以毛细力作为工质循环唯一驱动力，存在固有传热瓶颈：腔体扁平化后蒸汽流通截面高度被压缩，蒸汽自底部蒸发区向顶部冷凝面输运过程中流动阻力急剧增大，高功率工况下易出现蒸汽滞留、局部气堵现象；同时传统毛细芯回流结构依赖单一毛细通道导液，缺乏分层、定向的冷凝液体导流结构，冷凝液回流路径碎片化、连续性差，冷凝液无法快速、稳定回流至蒸发区，极易出现蒸发区干涸、传热极限骤降等问题，难以适配超高热流密度长期稳定散热需求。

3、为突破毛细力驱动的传热极限，行业引入电流体动力学（electrohydrodynamics，ehd）强化两相流循环。ehd技术依靠非均匀高压电场对腔体内气态工质分子电离产生带电离子，带电粒子在电场力作用下定向迁移，并通过动量碰撞拖拽中性工质流体形成定向流动，全程无风机、泵体等运动机械部件，可在密闭腔体内部主动驱动蒸汽流动，大幅提升蒸汽输运速率。现有ehd辅助两相散热结构主要将高压发射电极、接地集电电极简单布置于腔体内部，实际应用中暴露两大核心结构缺陷：其一，高压针尖发射端被连续实体壁面、壳体结构完全遮挡，电极与接地端之间电场线被隔断、有效电场强度大幅衰减，离子电离效率下降，电荷定向输运通道受阻，ehd蒸汽主动驱动效果被严重削弱；其二，现有方案仅侧重电场驱动蒸汽单向流动，未独立设计连续、分层的液相专属回流通道，冷凝液仅依靠重力与微弱毛细力自然回落，在设备倾斜、多姿态安装工况下极易出现积液、液膜覆盖冷凝面、回液中断等问题，无法保障蒸发区持续稳定供液，汽液两相循环匹配性差。

4、进一步地，现有ehd散热电极与冷凝导流结构多采用分体式布置，电极结构、冷凝集液槽、回液通道相互干涉，腔体内部空间利用率低，超薄腔体下难以同步实现高效电场驱动与稳定液相回流；常规接地电极采用分散点状、窄条状布置，无法形成全覆盖、定向引导蒸汽向上汇聚的均匀电场区域，蒸汽分散乱窜，冷凝面换热利用率不足。综上，现有薄型两相散热元件无法同时解决蒸汽输运驱动力不足、冷凝液回流路径不连续、高压电极与冷凝导流结构一体化集成困难的多重技术矛盾，难以满足高集成度大功率电子器件长期、多姿态、超薄空间下的高效均热需求。

技术实现思路

1、本发明为了解决现有薄型密闭腔体内蒸汽输运驱动力不足、冷凝液回流路径不连续，以及高压电极与冷凝结构集成困难的问题，进而提出一种具有冷凝导流回液结构的ehd辅助两相散热元件。

2、本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

3、一种具有冷凝导流回液结构的ehd辅助两相散热元件，包括盖板、壳体、冷凝导流回液组件和两组针尖式高压发射电极，盖板设置在壳体的上端且与壳体合围成有一个密封腔体，密封腔体的底部填充有工作液体，密封腔体的上部设有蒸汽空间区域，盖板中间的顶部设有电连接接地端的导电接地层，壳体的两侧内侧壁各设有一组针尖式高压发射电极，针尖式高压发射电极的导电针尖位于蒸汽空间区域内并朝向导电接地层设置，导电针尖电连接直流高压电源，蒸汽空间区域内由工作液体产生的蒸汽移动到盖板内端面后冷凝为液态的冷凝水，冷凝水通过冷凝导流回液组件流至工作液体。

4、进一步地，一组针尖式高压发射电极包括多个沿壳体侧壁的长度方向均布设置的针尖式高压发射电极，壳体两侧的针尖式高压发射电极相对设置。

5、进一步地，针尖式高压发射电极通过陶瓷绝缘密封引入件穿过壳体的侧壁。

6、进一步地，针尖式高压发射电极中导电针尖以外的导电连接体均包覆有连续绝缘层。

7、进一步地，盖板的形状为三角形屋脊状，导电接地层设置在盖板最高棱线处。

8、进一步地，冷凝导流回液组件包括两组亲液导流槽、两个重力渐宽导流部、两个有隙边缘集液槽和两个回液通道，两组亲液导流槽相对设置在盖板内端面的两侧，壳体两端内侧壁的上端均设有重力渐宽导流部，壳体两侧内侧壁的上端均设有有隙边缘集液槽，每个有隙边缘集液槽分别与一个回液通道连通，盖板内侧的液态冷凝水在重力的作用下经过亲液导流槽流入至重力渐宽导流部和有隙边缘集液槽，重力渐宽导流部内的液态冷凝水流入至有隙边缘集液槽，有隙边缘集液槽内的液态冷凝水经回液通道流回至工作液体中。

9、进一步地，重力渐宽导流部的导流口整体呈中间高两侧低的形态，且重力渐宽导流部的导流口的口径由中间至两侧逐渐增大，重力渐宽导流部的两端设有导流部流出端口，导流部流出端口设置在有隙边缘集液槽流入端的上方，回液通道竖直设置在有隙边缘集液槽流出端的下方，有隙边缘集液槽的流出端与回液通道的上部流入端相连通，有隙边缘集液槽由流入端至流出端向下倾斜设置，回液通道下部的侧壁上设有回流口。

10、进一步地，亲液导流槽在盖板的内端面上呈人字形倾斜设置。

11、进一步地，亲液导流槽的表面经激光微纹处理形成亲液表面。

12、进一步地，壳体底面的内侧壁上设有温度传感器，直流高压电源的控制器可根据温度传感器监测的实时温度来调节直流高压电源的电压强度。

13、本发明与现有技术相比包含的有益效果是：

14、第一，本发明将所有针尖完全裸露以作为高压发射端，针尖其余导电基体外部设置绝缘包覆层，同时在盖板顶部中心设置宽度10mm的条形接地区充当接地集电端。一方面，裸露针尖与中部条形接地区能够构建连续、集中的电场通道，形成定向的ehd驱动气流，大幅强化蒸汽自蒸发区向冷凝面的输运效率，缓解薄型腔体内部蒸汽滞留、气堵问题；另一方面，仅限定中部窄条区域接地，无需对整块盖板做接地处理，降低腔体绝缘、导电结构布局难度，规避大面积接地造成电场分散、驱动效能下降的缺陷，在超薄密闭腔体内实现高效电荷电离与定向输运。

15、第二，本发明对汽、液两相流动路径进行分区独立设计，ehd电场仅针对性强化气相蒸汽向上输送，冷凝液相则依托专属导流结构回流，汽液两套循环通道互不干扰、机理划分清晰。区别于传统ehd散热结构汽液混流、无专用回液通道的设计，本发明实现气相主动驱动、液相定向回流协同工作，避免冷凝液弥散遮挡电极发射端，保障电场作用稳定持续，大幅提升两相工质循环匹配度，提升元件极限散热功率。

16、第三，顶部冷凝面设置由上至下渐宽的喇叭口状重力导流坡面，冷凝液在重力势能作用下沿坡面平顺汇流至有隙边缘集液槽，坡面渐扩结构可加快冷凝液汇集速度，有效减少冷凝液在冷凝面局部堆积、槽口端部滞留积液的现象，保障冷凝面换热面积充分利用，避免厚液膜削弱冷凝换热系数。

17、第四，边缘集液槽预留导流间隙，配合贯通腔体的侧壁回液通道形成完整连续的液相回流链路，冷凝液可沿固定通道稳定回流至底部蒸发液池，即使设备处于多种倾斜安装姿态，也能持续为蒸发区补给液态工质，杜绝蒸发区干涸失效，提升散热元件多工况适配能力。

18、第五，整体散热装置无风机、液压泵等机械运动部件，结构紧凑轻薄，适配高集成电子设备的狭小、超薄装配空间；同时可依据器件实时热负荷动态调节高压电源输出电压，灵活改变ehd电场驱动力大小，热负荷较低时降低输出能耗，高热流工况下提升蒸汽输运能力，实现散热性能与能耗的动态平衡。

19、第六，本发明将电场驱动电极、冷凝导流槽、集液结构、侧壁回液通道一体化集成布置，各结构单元空间布局互不干涉，腔体内部空间利用率更高，简化超薄两相散热元件内部结构排布，降低整体加工、密封装配难度，产品一致性与生产可行性更强。