专利名称：喷雾冷却与微槽群相变换热相结合的高效相变取热装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及微尺度冷却技术领域，是一种微尺度相变散热冷却方法，特别是
应用于大功率固体激光器、电力、电子及光电子发热器件的冷却方法及其装置。
背景技术：
随着科技的日益发展，大功率固体激光器的输入功率越来越高，然而，激光器的输 入功率越大，热效应也越严重，因此，如何及时消除因功率消散所转化的热量，解决散热冷 却问题是促进大功率固体激光器进一步发展的关键技术之一。目前对大功率固体激光器的 激光晶体冷却主要有以下几种方式泵浦面采用空气直接冷却，非泵浦面粘贴铜翅片散热， 此方式虽然能显著的改善激光晶体内温度和热应力分布，但是其换热效率很低，不适合大 功率的固体激光器；一侧泵浦面与非泵浦面采用直接水冷，另一侧泵浦面直接空冷，该方法 虽能提高一定的换热能力，但是泵浦面采用直接常规水冷会引起光束相位失真，激光晶体 中心处应力增加，当泵浦能量很高时容易造成激光晶体的损坏。 蓝宝石薄片冷却法和复合介质冷却法，这两种冷却方式较其他方法而言能更好的 改善激光晶体热透镜效应，但是蓝宝石薄片的加工工艺技术及复合介质的合成技术则成了 此两种冷却方式应用的关键问题。 金刚石冷却技术，此方法比蓝宝石薄片冷却法的换热效果更高，但是同样遇到加 工工艺技术的问题。 微槽群相变换热冷却方法，该方法在很少的工质条件下，如蒸馏水，就能达到很高 的热流密度，而且加工及安装工艺比较简单，不过此冷却方式因为有槽的出现，会使发热体 内部的温度分布不均匀，温度梯度过大，从而导致其热应力分布不均。 还有喷雾冷却法，是近年来崛起的一种具有高强热流密度的散热冷却方式，除能 达到高效热流密度之外，它还具有表面温度分布均匀、过热度小、只需很少工质等优点。
实用新型内容本实用新型的目的是为了解决现有常规的气体与液体冷却所带来的需要较大散
热面积、散热能力不足及温度分布不均的技术缺陷，提供一种喷雾冷却与微槽群相变换热
相结合的高效相变取热装置，该装置低功耗、散热面积小、只需少量工质、表面温度梯度均
匀、散热热流密度极高及散热总能力极大。 为达到上述目的，本实用新型的技术解决方案是 —种喷雾冷却与微槽群相变换热相结合的高效相变取热装置，其包括微槽群和喷 嘴；直接在发热体外表面需要散热的部位或紧贴发热体散热区域的导热材料表面设置多个 毛细微槽，形成微槽群；喷嘴正对微槽群表面，与微槽群之间有一距离，喷嘴到微槽群表面 的距离为2 50mm ; 喷嘴入口通过气管与高压氮气瓶供液系统或微型齿轮泵相通连。 所述的高效相变取热装置，其所述发热体外表面需要散热的部位或导热材料表面
3是通过导热硅胶与微槽群相固连。 所述的高效相变取热装置，其所述喷嘴，其出口压力为0.2 2.0MPa，流量为 10 150ml/min，出口直径为0. 2 0. 9mm，喷嘴喷出液滴的沙特平均直径为(Sauter Mean Diameter) 20 200 y m，喷嘴的喷射角度为30 150° ，该系列喷嘴可在市场购买，喷嘴为 不锈钢材质，喷嘴与发热体表面的法方向之间的夹角为0 90° 。 所述的高效相变取热装置，其所述微槽群，其上的毛细微槽道纵向均匀排列，形状 为矩形、梯形或三角形其中之一。 所述的高效相变取热装置，其所述毛细微槽道，为矩形时，其毛细微槽的宽度和深 度为0. 05 2mm，间距为0. 05 5mm ;为梯形时，梯形的上底边长度为0. 05 2mm，下底边 长度为0. 08 2. 5mm，槽深为0. 05 2mm，间距为0. 05 5mm ;为三角形时，三角形的槽底 顶角为5° 60° ，槽深为0. 05 2mm，间距为0 5mm。 所述的高效相变取热装置，其所述微槽群，其微槽群表面与地面垂直或与地面平
行；微槽群表面的毛细微槽道，其毛细微槽道的纵方向与地面垂直或与地面平行。 所述的高效相变取热装置，其所述气管，为聚氨酯气管。 本实用新型装置是把喷雾冷却与微槽群相变换热技术相结合，在保持各自的优点 之外，还能得到极高的换热效果。
图1是本实用新型的喷雾冷却与微槽群相变换热相结合的高效相变取热装置的 第一种结构示意图； 图2是本实用新型的喷雾冷却与微槽群相变换热相结合的高效相变取热装置中 毛细微槽道纵向密布均匀排列，且为梯形时的示意图； 图3是本实用新型的喷雾冷却与微槽群相变换热相结合的高效相变取热装置中 毛细微槽道纵向密布均匀排列，且为三角形时的示意图； 图4是本实用新型的喷雾冷却与微槽群相变换热相结合的高效相变取热装置的 第二种结构示意图； 图5是本实用新型的喷雾冷却与微槽群相变换热相结合的高效相变取热装置的 第三种结构示意图； 图6是本实用新型的喷雾冷却与微槽群相变换热相结合的高效相变取热装置的 总系统图。
具体实施方式—种喷雾冷却与微槽群相变换热相结合的高效相变取热装置，直接在发热体外表 面需要散热的部位或紧贴发热体散热区域的导热材料表面设置多个微槽，形成微槽群，所 述微槽中存在三相接触线附近薄液膜区域中的高强度蒸发和厚液膜区域里的液体核态沸 腾的高强度复合相变强化换热，因而可以得到很好的换热效果。同时在微槽群外表面上方 设计一个喷嘴，在一定高度范围内，使喷嘴对具有微槽群结构的导热材料表面进行喷雾冷 却，液体在高压条件下经过喷嘴所喷出沙特平均直径(Sauter MeanDiameter) d32在100 ii m 量级的微细水滴，从而进行高效的相变换热而从发热体表面带走热量。发热体的一部分热量是直接通过液滴接触表面时的瞬间相变换热带走，另一部分直接进入毛细微槽道中，其 微槽中的液体工质受热后形成高强度的蒸发与沸腾，带走发热体的热量，从而使发热体得 到冷却。 喷嘴可在市场购买，为不锈钢材质。喷嘴的出口直径为0. 2 0. 9mm，出口压力在 0. 2 2. OMPa范围内，喷嘴喷嘴喷出液滴的沙特平均直径为(Sauter Mean Diameter)20 200iim，喷嘴到微槽表面的距离在2 50mm范围内，喷嘴的喷射角度在30 150°内。喷 嘴与发热体表面的法方向之间的夹角在0 90° 。 毛细微槽的宽度和深度在0. 05 2mm范围内，毛细微槽的间距在0. 05 5mm范 围内。 喷嘴入口经聚氨酯气管与高压氮气瓶供液系统或微型齿轮泵相通连，聚氨酯气管 可在费斯托(中国)有限公司北京分公司购买。 —种实现上述方法的专用部件——喷嘴及带有毛细微槽群表面的导热材料相结 合的装置，所述导热材料一侧表面设置许多个微槽，形成微槽群，喷嘴的作用是使工质在一 定范围的出口压力下形成极细的高速液滴，其喷嘴的出口压力是通过若干聚氨酯气管(在 费斯托(中国)有限公司北京分公司购买)由高压氮气瓶或微型齿轮泵提供，从而使液滴 在加热体的微槽群表面上更容易发生相变换热。加热体表面加工许多毛细微槽，形成毛细 微槽群，所述毛细微槽的大小，适合形成毛细力，以将所述毛细微槽边的液体工质吸入到微 槽道内，并在微槽内形成能进行高强度相变换热的薄液膜区域，同时，由于高速液滴的冲 击，加强了表面液膜的内部扰动，从而进一步的强化了换热。 本实用新型的技术效果直接在发热体外表面需要散热的部位或紧贴发热体散热 区域的导热材料表面设有多个微槽，形成微槽群，所述微槽不仅能适合形成毛细力，并且在 微槽中所述微槽中存在三相接触线附近薄液膜区域中的高强度蒸发和厚液膜区域里的液 体核态沸腾的高强度复合相变强化换热，因而可以得到很好的换热效果。同时在微槽群外 表面上方设计一个喷嘴，其特征是流量少，并且能够在一定压力范围内形成极细沙特平均 直径(Sauter Mean Diameter) d32为100 ii m量级的高速液滴，所述的高速液滴能够更好的 进行相变换热，并且在一定高度范围内，高速液滴的冲击能够对换热表面上的薄液膜产生 强烈扰动而进一步强化相变换热。发热体的一部分热量是直接通过液滴接触表面时的瞬间 相变换热带走，另一部分直接进入毛细微槽道中，其微槽中的液体工质受热后形成高强度 的蒸发与沸腾，带走发热体的热量，从而使发热体得到冷却。本实用新型通过毛细微槽群表 面相变换热和喷雾冷却的高效相变换热两种方式进行，实现了低功耗的散热冷却。研究表 明，发热体表面加工成毛细微槽群表面可以有效的增加换热表面积，提高换热量；同时，毛 细微槽内工质的蒸发和沸腾也有着极高的强度，其蒸发和沸腾热流密度的理论极限值比目 前高性能芯片的最高热流密度还要高出约两个数量级。同时喷雾冷却是目前利用相变换热 能取得换热效果最好的一种手段，喷嘴的作用是使工质在一定范围的出口压力下形成极细 的高速液滴，喷雾冷却是指在一定出口压力下使工质形成极细的高速液滴，从而使液滴在 加热体的微槽群表面上更容易发生相变换热。同时，由于高速液滴的冲击，加强了表面液膜 的内部扰动，从而进一步的强化了换热。利用喷雾冷却技术及外表面上毛细微槽群中液体 工质的相变换热，这两种换热方式的组合可以获得非常好的冷却散热效果。这种高效率的 喷雾冷却与微槽群相变换热相结合取热方法可以减小换热面尺寸和只需很少的工质，因而采用本实用新型能在很大程度上解决目前及今后大功率固体激光器、电力、电子及光电子 器件的散热问题，降低和控制大功率固体激光器、电力、电子及光电子器件的工作温度，保 证并提高器件的工作性能。 毛细微槽的宽度和深度在0. 05 2mm范围内时微槽内产生的毛细力较强，具有较 强的吸附液体工质的能力。 喷嘴的出口压力在0. 2 2. 0MPa范围内，出口直径为0. 2 0. 9mm，喷嘴喷出液滴 的沙特平均直径(Sauter Mean Diameter)在20 200 y m范围内，喷嘴的喷射角度在30 150°内，喷嘴到微槽表面的距离在2 50mm范围内，调节喷嘴到加热表面的距离，使液体 工质能全部到达加热表面上，同时在一定的液滴速度及大小下，以在接触加热表面时更好 的发生相变换热，从而提高冷却效率。 见图6，是本实用新型的喷雾冷却与微槽群相变换热相结合的高效相变取热装置 的总系统图。其中，氮气瓶1、气体过滤器2、压力控制阀3、蓄水箱4、液体过滤器5、流量计 6、压力传感器7、喷嘴8、 (Agilent34970A)9、计算机10、电流表11、调节变压器12、电压表 13、集水箱14、毛细微槽15。 整个实验系统由三个部分组成，即供液与喷雾系统、实验测试段以及数据采集系 统。供液和喷射系统是由一个高压储水箱4在高压氮气瓶1所给的压力下将工质通过喷嘴 8形成雾滴喷出，其喷嘴8的出口压力P可通过压力控制阀3来控制；实验测试段是指工质 (可为蒸馏水或乙醇)在高压的作用下通过喷嘴8以高速极细的液滴形式撞击微槽群加热 表面，其中加热表面的输入功率可以由调节变压器12来控制；数据采集系统就是让已布置 在微槽表面下的热电偶所得到的温度信号是通过数据采集系统(Agilent34970A)9传输到 计算机10，以对加热表面上的热流量进行实时监测和分析处理。 实施例1 :直接在发热体外表面需要散热的部位或紧贴发热体散热区域的导热材 料表面设置多个毛细微槽15，形成微槽群，在微槽群表面上方设计一个喷嘴8，这种由喷雾 冷却技术与微槽群相变换热相结合的高效换热取热装置，见图1。图1中毛细微槽15为纵 向密布均匀排列，喷嘴8与微槽群1表面垂直放置。毛细微槽15的宽度和深度在0. 05 2mm范围内，毛细微槽之间的间距在0. 05 5mm范围内，该范围的毛细微槽15对多种工质 如无水乙醇或蒸馏水都有毛细力作用。喷嘴8的出口压力在0. 2 2. OMPa范围内，口直径 为0. 2 0. 9mm，喷嘴喷出液滴的沙特平均直径(Sauter Mean Diameter)在20 200 ii m 喷嘴到微槽表面的距离在2 50mm范围内，喷嘴的喷射角度在30 150°内，在压力驱使 下使喷嘴8喷出的极细高速液滴，在接触加热体表面的时候能更好的发生相变换热，同时 高速的液滴对表面上的薄液膜产生强烈扰动，增强了换热，再结合毛细微槽15内工质的蒸 发和沸腾复合相变换热有着极高的换热强度这一特征，而且微槽群表面也增加了加热体的 有效换热面积，大大提高取热装置的换热效率，带走发热体大量热量，从而使发热体降温。 发热体可以是电力、电子和光电子器件或其他发热体。 实施例2 :见图2，本实施例热沉的毛细微槽15纵向密布均匀排列，且为梯形，梯形 的上底边长度为0. 2mm，下底边长度为0. 4mm，槽深为0. 8mm，间距为0. 2mm。 实施例3 :见图3，本实施例热沉的毛细微槽15纵向密布均匀排列，且为三角形，三 角形的槽底顶角为30° ，槽深为0. 6mm，间距为0. 2mm。 实施例4 :见图4，本实施例中喷嘴与微槽表面垂直放置，且微槽群表面与地面垂直以及毛细微槽15的横向开口方向与地面平行。本实施例的其他部分同实施例1。 实施例5 :见图5，本实施例中喷嘴8与微槽表面垂直放置，且微槽群表面与地面垂 直以及毛细微槽15的横向开口方向与地面垂直。本实施例的其他部分同实施例1。
权利要求一种喷雾冷却与微槽群相变换热相结合的高效相变取热装置，其特征在于，包括微槽群和喷嘴；直接在发热体外表面需要散热的部位或紧贴发热体散热区域的导热材料表面设置多个毛细微槽，形成微槽群；喷嘴正对微槽群表面，与微槽群之间有一距离，喷嘴到微槽群表面的距离为2～50mm；喷嘴入口通过气管与高压氮气瓶供液系统或微型齿轮泵相通连。
2. 如权利要求1所述的高效相变取热装置，其特征在于，所述发热体外表面需要散热 的部位或导热材料表面是通过导热硅胶与微槽群相固连。
3. 如权利要求l所述的高效相变取热装置，其特征在于，所述喷嘴，其出口压力为 0. 2 2. 0MPa，流量为10 150ml/min，喷嘴出口直径为0. 2 0. 9mm，喷嘴喷出液滴的沙 特平均直径为20 200 ii m，喷嘴的喷射角度为30 150° ，喷嘴与发热体表面的法方向之 间的夹角为0 90。。
4. 如权利要求1所述的高效相变取热装置，其特征在于，所述微槽群，其上的毛细微槽 道纵向均匀排列，形状为矩形、梯形或三角形其中之一。
5. 如权利要求4所述的高效相变取热装置，其特征在于，所述毛细微槽道，为矩形时， 其微槽的宽度和深度为0. 05 2mm，间距为0. 05 5mm ;为梯形时，梯形的上底边长度为 0. 05 2mm，下底边长度为0. 08 2. 5mm，槽深为0. 05 2mm，间距为0. 05 5mm ;为三角 形时，三角形的槽底顶角为5° 60° ，槽深为0.05 2mm，间距为0 5mm。
6. 如权利要求1所述的高效相变取热装置，其特征在于，所述微槽群，其微槽群表面与 地面垂直或与地面平行；微槽群表面的毛细微槽道，其毛细微槽道的纵方向与地面垂直或 与地面平行。
7. 如权利要求1所述的高效相变取热装置，其特征在于，所述气管，为聚氨酯气管。
专利摘要本实用新型一种喷雾冷却与微槽群相变换热相结合的高效相变取热装置，涉及微尺度冷却技术，其包括微槽群和喷嘴；直接在发热体外表面需要散热的部位或紧贴发热体散热区域的导热材料表面设置多个毛细微槽，形成微槽群；喷嘴正对微槽群表面，与微槽群之间有一距离，喷嘴到微槽群表面的距离为2～50mm；喷嘴入口与高压氮气瓶供液系统或微型齿轮泵相通连。本实用新型通过喷雾冷却技术与微槽群相变换热两种方式进行，实现了低功耗的高效散热冷却。
文档编号H05K7/20GK201467614SQ20092011049
公开日2010年5月12日 申请日期2009年8月12日 优先权日2009年8月12日
发明者唐大伟, 胡学功, 谢宁宁, 陈东芳 申请人:中国科学院工程热物理研究所