專利名稱：噴霧冷卻與微槽群相變換熱相結(jié)合的高效相變?nèi)嵫b置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及微尺度冷卻技術(shù)領(lǐng)域，是一種微尺度相變散熱冷卻方法，特別是
應(yīng)用于大功率固體激光器、電力、電子及光電子發(fā)熱器件的冷卻方法及其裝置。
背景技術(shù)：
隨著科技的日益發(fā)展，大功率固體激光器的輸入功率越來越高，然而，激光器的輸 入功率越大，熱效應(yīng)也越嚴(yán)重，因此，如何及時消除因功率消散所轉(zhuǎn)化的熱量，解決散熱冷 卻問題是促進(jìn)大功率固體激光器進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前對大功率固體激光器的 激光晶體冷卻主要有以下幾種方式泵浦面采用空氣直接冷卻，非泵浦面粘貼銅翅片散熱， 此方式雖然能顯著的改善激光晶體內(nèi)溫度和熱應(yīng)力分布，但是其換熱效率很低，不適合大 功率的固體激光器；一側(cè)泵浦面與非泵浦面采用直接水冷，另一側(cè)泵浦面直接空冷，該方法 雖能提高一定的換熱能力，但是泵浦面采用直接常規(guī)水冷會引起光束相位失真，激光晶體 中心處應(yīng)力增加，當(dāng)泵浦能量很高時容易造成激光晶體的損壞。 藍(lán)寶石薄片冷卻法和復(fù)合介質(zhì)冷卻法，這兩種冷卻方式較其他方法而言能更好的 改善激光晶體熱透鏡效應(yīng)，但是藍(lán)寶石薄片的加工工藝技術(shù)及復(fù)合介質(zhì)的合成技術(shù)則成了 此兩種冷卻方式應(yīng)用的關(guān)鍵問題。 金剛石冷卻技術(shù)，此方法比藍(lán)寶石薄片冷卻法的換熱效果更高，但是同樣遇到加 工工藝技術(shù)的問題。 微槽群相變換熱冷卻方法，該方法在很少的工質(zhì)條件下，如蒸餾水，就能達(dá)到很高 的熱流密度，而且加工及安裝工藝比較簡單，不過此冷卻方式因為有槽的出現(xiàn)，會使發(fā)熱體 內(nèi)部的溫度分布不均勻，溫度梯度過大，從而導(dǎo)致其熱應(yīng)力分布不均。 還有噴霧冷卻法，是近年來崛起的一種具有高強(qiáng)熱流密度的散熱冷卻方式，除能 達(dá)到高效熱流密度之外，它還具有表面溫度分布均勻、過熱度小、只需很少工質(zhì)等優(yōu)點。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的是為了解決現(xiàn)有常規(guī)的氣體與液體冷卻所帶來的需要較大散
熱面積、散熱能力不足及溫度分布不均的技術(shù)缺陷，提供一種噴霧冷卻與微槽群相變換熱
相結(jié)合的高效相變?nèi)嵫b置，該裝置低功耗、散熱面積小、只需少量工質(zhì)、表面溫度梯度均
勻、散熱熱流密度極高及散熱總能力極大。 為達(dá)到上述目的，本實用新型的技術(shù)解決方案是 —種噴霧冷卻與微槽群相變換熱相結(jié)合的高效相變?nèi)嵫b置，其包括微槽群和噴 嘴；直接在發(fā)熱體外表面需要散熱的部位或緊貼發(fā)熱體散熱區(qū)域的導(dǎo)熱材料表面設(shè)置多個 毛細(xì)微槽，形成微槽群；噴嘴正對微槽群表面，與微槽群之間有一距離，噴嘴到微槽群表面 的距離為2 50mm ; 噴嘴入口通過氣管與高壓氮氣瓶供液系統(tǒng)或微型齒輪泵相通連。 所述的高效相變?nèi)嵫b置，其所述發(fā)熱體外表面需要散熱的部位或?qū)岵牧媳砻?br> 3是通過導(dǎo)熱硅膠與微槽群相固連。 所述的高效相變?nèi)嵫b置，其所述噴嘴，其出口壓力為0.2 2.0MPa，流量為 10 150ml/min，出口直徑為0. 2 0. 9mm，噴嘴噴出液滴的沙特平均直徑為(Sauter Mean Diameter) 20 200 y m，噴嘴的噴射角度為30 150° ，該系列噴嘴可在市場購買，噴嘴為 不銹鋼材質(zhì)，噴嘴與發(fā)熱體表面的法方向之間的夾角為0 90° 。 所述的高效相變?nèi)嵫b置，其所述微槽群，其上的毛細(xì)微槽道縱向均勻排列，形狀 為矩形、梯形或三角形其中之一。 所述的高效相變?nèi)嵫b置，其所述毛細(xì)微槽道，為矩形時，其毛細(xì)微槽的寬度和深 度為0. 05 2mm，間距為0. 05 5mm ;為梯形時，梯形的上底邊長度為0. 05 2mm，下底邊 長度為0. 08 2. 5mm，槽深為0. 05 2mm，間距為0. 05 5mm ;為三角形時，三角形的槽底 頂角為5° 60° ，槽深為0. 05 2mm，間距為0 5mm。 所述的高效相變?nèi)嵫b置，其所述微槽群，其微槽群表面與地面垂直或與地面平
行；微槽群表面的毛細(xì)微槽道，其毛細(xì)微槽道的縱方向與地面垂直或與地面平行。 所述的高效相變?nèi)嵫b置，其所述氣管，為聚氨酯氣管。 本實用新型裝置是把噴霧冷卻與微槽群相變換熱技術(shù)相結(jié)合，在保持各自的優(yōu)點 之外，還能得到極高的換熱效果。

圖1是本實用新型的噴霧冷卻與微槽群相變換熱相結(jié)合的高效相變?nèi)嵫b置的 第一種結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本實用新型的噴霧冷卻與微槽群相變換熱相結(jié)合的高效相變?nèi)嵫b置中 毛細(xì)微槽道縱向密布均勻排列，且為梯形時的示意圖； 圖3是本實用新型的噴霧冷卻與微槽群相變換熱相結(jié)合的高效相變?nèi)嵫b置中 毛細(xì)微槽道縱向密布均勻排列，且為三角形時的示意圖； 圖4是本實用新型的噴霧冷卻與微槽群相變換熱相結(jié)合的高效相變?nèi)嵫b置的 第二種結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5是本實用新型的噴霧冷卻與微槽群相變換熱相結(jié)合的高效相變?nèi)嵫b置的 第三種結(jié)構(gòu)示意圖； 圖6是本實用新型的噴霧冷卻與微槽群相變換熱相結(jié)合的高效相變?nèi)嵫b置的 總系統(tǒng)圖。
具體實施方式—種噴霧冷卻與微槽群相變換熱相結(jié)合的高效相變?nèi)嵫b置，直接在發(fā)熱體外表 面需要散熱的部位或緊貼發(fā)熱體散熱區(qū)域的導(dǎo)熱材料表面設(shè)置多個微槽，形成微槽群，所 述微槽中存在三相接觸線附近薄液膜區(qū)域中的高強(qiáng)度蒸發(fā)和厚液膜區(qū)域里的液體核態(tài)沸 騰的高強(qiáng)度復(fù)合相變強(qiáng)化換熱，因而可以得到很好的換熱效果。同時在微槽群外表面上方 設(shè)計一個噴嘴，在一定高度范圍內(nèi)，使噴嘴對具有微槽群結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱材料表面進(jìn)行噴霧冷 卻，液體在高壓條件下經(jīng)過噴嘴所噴出沙特平均直徑(Sauter MeanDiameter) d32在100 ii m 量級的微細(xì)水滴，從而進(jìn)行高效的相變換熱而從發(fā)熱體表面帶走熱量。發(fā)熱體的一部分熱量是直接通過液滴接觸表面時的瞬間相變換熱帶走，另一部分直接進(jìn)入毛細(xì)微槽道中，其 微槽中的液體工質(zhì)受熱后形成高強(qiáng)度的蒸發(fā)與沸騰，帶走發(fā)熱體的熱量，從而使發(fā)熱體得 到冷卻。 噴嘴可在市場購買，為不銹鋼材質(zhì)。噴嘴的出口直徑為0. 2 0. 9mm，出口壓力在 0. 2 2. OMPa范圍內(nèi)，噴嘴噴嘴噴出液滴的沙特平均直徑為(Sauter Mean Diameter)20 200iim，噴嘴到微槽表面的距離在2 50mm范圍內(nèi)，噴嘴的噴射角度在30 150°內(nèi)。噴 嘴與發(fā)熱體表面的法方向之間的夾角在0 90° 。 毛細(xì)微槽的寬度和深度在0. 05 2mm范圍內(nèi)，毛細(xì)微槽的間距在0. 05 5mm范 圍內(nèi)。 噴嘴入口經(jīng)聚氨酯氣管與高壓氮氣瓶供液系統(tǒng)或微型齒輪泵相通連，聚氨酯氣管 可在費斯托(中國)有限公司北京分公司購買。 —種實現(xiàn)上述方法的專用部件——噴嘴及帶有毛細(xì)微槽群表面的導(dǎo)熱材料相結(jié) 合的裝置，所述導(dǎo)熱材料一側(cè)表面設(shè)置許多個微槽，形成微槽群，噴嘴的作用是使工質(zhì)在一 定范圍的出口壓力下形成極細(xì)的高速液滴，其噴嘴的出口壓力是通過若干聚氨酯氣管(在 費斯托(中國)有限公司北京分公司購買)由高壓氮氣瓶或微型齒輪泵提供，從而使液滴 在加熱體的微槽群表面上更容易發(fā)生相變換熱。加熱體表面加工許多毛細(xì)微槽，形成毛細(xì) 微槽群，所述毛細(xì)微槽的大小，適合形成毛細(xì)力，以將所述毛細(xì)微槽邊的液體工質(zhì)吸入到微 槽道內(nèi)，并在微槽內(nèi)形成能進(jìn)行高強(qiáng)度相變換熱的薄液膜區(qū)域，同時，由于高速液滴的沖 擊，加強(qiáng)了表面液膜的內(nèi)部擾動，從而進(jìn)一步的強(qiáng)化了換熱。 本實用新型的技術(shù)效果直接在發(fā)熱體外表面需要散熱的部位或緊貼發(fā)熱體散熱 區(qū)域的導(dǎo)熱材料表面設(shè)有多個微槽，形成微槽群，所述微槽不僅能適合形成毛細(xì)力，并且在 微槽中所述微槽中存在三相接觸線附近薄液膜區(qū)域中的高強(qiáng)度蒸發(fā)和厚液膜區(qū)域里的液 體核態(tài)沸騰的高強(qiáng)度復(fù)合相變強(qiáng)化換熱，因而可以得到很好的換熱效果。同時在微槽群外 表面上方設(shè)計一個噴嘴，其特征是流量少，并且能夠在一定壓力范圍內(nèi)形成極細(xì)沙特平均 直徑(Sauter Mean Diameter) d32為100 ii m量級的高速液滴，所述的高速液滴能夠更好的 進(jìn)行相變換熱，并且在一定高度范圍內(nèi)，高速液滴的沖擊能夠?qū)Q熱表面上的薄液膜產(chǎn)生 強(qiáng)烈擾動而進(jìn)一步強(qiáng)化相變換熱。發(fā)熱體的一部分熱量是直接通過液滴接觸表面時的瞬間 相變換熱帶走，另一部分直接進(jìn)入毛細(xì)微槽道中，其微槽中的液體工質(zhì)受熱后形成高強(qiáng)度 的蒸發(fā)與沸騰，帶走發(fā)熱體的熱量，從而使發(fā)熱體得到冷卻。本實用新型通過毛細(xì)微槽群表 面相變換熱和噴霧冷卻的高效相變換熱兩種方式進(jìn)行，實現(xiàn)了低功耗的散熱冷卻。研究表 明，發(fā)熱體表面加工成毛細(xì)微槽群表面可以有效的增加換熱表面積，提高換熱量；同時，毛 細(xì)微槽內(nèi)工質(zhì)的蒸發(fā)和沸騰也有著極高的強(qiáng)度，其蒸發(fā)和沸騰熱流密度的理論極限值比目 前高性能芯片的最高熱流密度還要高出約兩個數(shù)量級。同時噴霧冷卻是目前利用相變換熱 能取得換熱效果最好的一種手段，噴嘴的作用是使工質(zhì)在一定范圍的出口壓力下形成極細(xì) 的高速液滴，噴霧冷卻是指在一定出口壓力下使工質(zhì)形成極細(xì)的高速液滴，從而使液滴在 加熱體的微槽群表面上更容易發(fā)生相變換熱。同時，由于高速液滴的沖擊，加強(qiáng)了表面液膜 的內(nèi)部擾動，從而進(jìn)一步的強(qiáng)化了換熱。利用噴霧冷卻技術(shù)及外表面上毛細(xì)微槽群中液體 工質(zhì)的相變換熱，這兩種換熱方式的組合可以獲得非常好的冷卻散熱效果。這種高效率的 噴霧冷卻與微槽群相變換熱相結(jié)合取熱方法可以減小換熱面尺寸和只需很少的工質(zhì)，因而采用本實用新型能在很大程度上解決目前及今后大功率固體激光器、電力、電子及光電子 器件的散熱問題，降低和控制大功率固體激光器、電力、電子及光電子器件的工作溫度，保 證并提高器件的工作性能。 毛細(xì)微槽的寬度和深度在0. 05 2mm范圍內(nèi)時微槽內(nèi)產(chǎn)生的毛細(xì)力較強(qiáng)，具有較 強(qiáng)的吸附液體工質(zhì)的能力。 噴嘴的出口壓力在0. 2 2. 0MPa范圍內(nèi)，出口直徑為0. 2 0. 9mm，噴嘴噴出液滴 的沙特平均直徑(Sauter Mean Diameter)在20 200 y m范圍內(nèi)，噴嘴的噴射角度在30 150°內(nèi)，噴嘴到微槽表面的距離在2 50mm范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)噴嘴到加熱表面的距離，使液體 工質(zhì)能全部到達(dá)加熱表面上，同時在一定的液滴速度及大小下，以在接觸加熱表面時更好 的發(fā)生相變換熱，從而提高冷卻效率。 見圖6，是本實用新型的噴霧冷卻與微槽群相變換熱相結(jié)合的高效相變?nèi)嵫b置 的總系統(tǒng)圖。其中，氮氣瓶1、氣體過濾器2、壓力控制閥3、蓄水箱4、液體過濾器5、流量計 6、壓力傳感器7、噴嘴8、 (Agilent34970A)9、計算機(jī)10、電流表11、調(diào)節(jié)變壓器12、電壓表 13、集水箱14、毛細(xì)微槽15。 整個實驗系統(tǒng)由三個部分組成，即供液與噴霧系統(tǒng)、實驗測試段以及數(shù)據(jù)采集系 統(tǒng)。供液和噴射系統(tǒng)是由一個高壓儲水箱4在高壓氮氣瓶1所給的壓力下將工質(zhì)通過噴嘴 8形成霧滴噴出，其噴嘴8的出口壓力P可通過壓力控制閥3來控制；實驗測試段是指工質(zhì) (可為蒸餾水或乙醇)在高壓的作用下通過噴嘴8以高速極細(xì)的液滴形式撞擊微槽群加熱 表面，其中加熱表面的輸入功率可以由調(diào)節(jié)變壓器12來控制；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)就是讓已布置 在微槽表面下的熱電偶所得到的溫度信號是通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(Agilent34970A)9傳輸?shù)?計算機(jī)10，以對加熱表面上的熱流量進(jìn)行實時監(jiān)測和分析處理。 實施例1 :直接在發(fā)熱體外表面需要散熱的部位或緊貼發(fā)熱體散熱區(qū)域的導(dǎo)熱材 料表面設(shè)置多個毛細(xì)微槽15，形成微槽群，在微槽群表面上方設(shè)計一個噴嘴8，這種由噴霧 冷卻技術(shù)與微槽群相變換熱相結(jié)合的高效換熱取熱裝置，見圖1。圖1中毛細(xì)微槽15為縱 向密布均勻排列，噴嘴8與微槽群1表面垂直放置。毛細(xì)微槽15的寬度和深度在0. 05 2mm范圍內(nèi)，毛細(xì)微槽之間的間距在0. 05 5mm范圍內(nèi)，該范圍的毛細(xì)微槽15對多種工質(zhì) 如無水乙醇或蒸餾水都有毛細(xì)力作用。噴嘴8的出口壓力在0. 2 2. OMPa范圍內(nèi)，口直徑 為0. 2 0. 9mm，噴嘴噴出液滴的沙特平均直徑(Sauter Mean Diameter)在20 200 ii m 噴嘴到微槽表面的距離在2 50mm范圍內(nèi)，噴嘴的噴射角度在30 150°內(nèi)，在壓力驅(qū)使 下使噴嘴8噴出的極細(xì)高速液滴，在接觸加熱體表面的時候能更好的發(fā)生相變換熱，同時 高速的液滴對表面上的薄液膜產(chǎn)生強(qiáng)烈擾動，增強(qiáng)了換熱，再結(jié)合毛細(xì)微槽15內(nèi)工質(zhì)的蒸 發(fā)和沸騰復(fù)合相變換熱有著極高的換熱強(qiáng)度這一特征，而且微槽群表面也增加了加熱體的 有效換熱面積，大大提高取熱裝置的換熱效率，帶走發(fā)熱體大量熱量，從而使發(fā)熱體降溫。 發(fā)熱體可以是電力、電子和光電子器件或其他發(fā)熱體。 實施例2 :見圖2，本實施例熱沉的毛細(xì)微槽15縱向密布均勻排列，且為梯形，梯形 的上底邊長度為0. 2mm，下底邊長度為0. 4mm，槽深為0. 8mm，間距為0. 2mm。 實施例3 :見圖3，本實施例熱沉的毛細(xì)微槽15縱向密布均勻排列，且為三角形，三 角形的槽底頂角為30° ，槽深為0. 6mm，間距為0. 2mm。 實施例4 :見圖4，本實施例中噴嘴與微槽表面垂直放置，且微槽群表面與地面垂直以及毛細(xì)微槽15的橫向開口方向與地面平行。本實施例的其他部分同實施例1。 實施例5 :見圖5，本實施例中噴嘴8與微槽表面垂直放置，且微槽群表面與地面垂 直以及毛細(xì)微槽15的橫向開口方向與地面垂直。本實施例的其他部分同實施例1。
權(quán)利要求一種噴霧冷卻與微槽群相變換熱相結(jié)合的高效相變?nèi)嵫b置，其特征在于，包括微槽群和噴嘴；直接在發(fā)熱體外表面需要散熱的部位或緊貼發(fā)熱體散熱區(qū)域的導(dǎo)熱材料表面設(shè)置多個毛細(xì)微槽，形成微槽群；噴嘴正對微槽群表面，與微槽群之間有一距離，噴嘴到微槽群表面的距離為2～50mm；噴嘴入口通過氣管與高壓氮氣瓶供液系統(tǒng)或微型齒輪泵相通連。
2. 如權(quán)利要求1所述的高效相變?nèi)嵫b置，其特征在于，所述發(fā)熱體外表面需要散熱 的部位或?qū)岵牧媳砻媸峭ㄟ^導(dǎo)熱硅膠與微槽群相固連。
3. 如權(quán)利要求l所述的高效相變?nèi)嵫b置，其特征在于，所述噴嘴，其出口壓力為 0. 2 2. 0MPa，流量為10 150ml/min，噴嘴出口直徑為0. 2 0. 9mm，噴嘴噴出液滴的沙 特平均直徑為20 200 ii m，噴嘴的噴射角度為30 150° ，噴嘴與發(fā)熱體表面的法方向之 間的夾角為0 90。。
4. 如權(quán)利要求1所述的高效相變?nèi)嵫b置，其特征在于，所述微槽群，其上的毛細(xì)微槽 道縱向均勻排列，形狀為矩形、梯形或三角形其中之一。
5. 如權(quán)利要求4所述的高效相變?nèi)嵫b置，其特征在于，所述毛細(xì)微槽道，為矩形時， 其微槽的寬度和深度為0. 05 2mm，間距為0. 05 5mm ;為梯形時，梯形的上底邊長度為 0. 05 2mm，下底邊長度為0. 08 2. 5mm，槽深為0. 05 2mm，間距為0. 05 5mm ;為三角 形時，三角形的槽底頂角為5° 60° ，槽深為0.05 2mm，間距為0 5mm。
6. 如權(quán)利要求1所述的高效相變?nèi)嵫b置，其特征在于，所述微槽群，其微槽群表面與 地面垂直或與地面平行；微槽群表面的毛細(xì)微槽道，其毛細(xì)微槽道的縱方向與地面垂直或 與地面平行。
7. 如權(quán)利要求1所述的高效相變?nèi)嵫b置，其特征在于，所述氣管，為聚氨酯氣管。
專利摘要本實用新型一種噴霧冷卻與微槽群相變換熱相結(jié)合的高效相變?nèi)嵫b置，涉及微尺度冷卻技術(shù)，其包括微槽群和噴嘴；直接在發(fā)熱體外表面需要散熱的部位或緊貼發(fā)熱體散熱區(qū)域的導(dǎo)熱材料表面設(shè)置多個毛細(xì)微槽，形成微槽群；噴嘴正對微槽群表面，與微槽群之間有一距離，噴嘴到微槽群表面的距離為2～50mm；噴嘴入口與高壓氮氣瓶供液系統(tǒng)或微型齒輪泵相通連。本實用新型通過噴霧冷卻技術(shù)與微槽群相變換熱兩種方式進(jìn)行，實現(xiàn)了低功耗的高效散熱冷卻。
文檔編號H05K7/20GK201467614SQ20092011049
公開日2010年5月12日 申請日期2009年8月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月12日
發(fā)明者唐大偉, 胡學(xué)功, 謝寧寧, 陳東芳 申請人:中國科學(xué)院工程熱物理研究所