毛細微槽群與熱電組合熱控制方法及系統的製作方法

2023-09-15 22:52:15

專利名稱：毛細微槽群與熱電組合熱控制方法及系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種雷射器器件、電子電氣元器件和其它光電子器件的散 熱與熱控制系統，特別是應用於各種小尺寸的、大功率的雷射器器件、電子電氣元器件和其它光電子器件的毛細微槽群與熱電致冷器(TEC)組合 式散熱與熱控制系統。
背景技術：
大功率雷射器是高精度機械加工必不可少的設備，是重要的武器裝備， 在雷射加工、信息和軍事等領域中有著廣泛而重大的應用價值。然而雷射 器的雷射輸出功率的提高受到雷射器散熱性能與熱控制性能優劣的嚴重 制約。 一般的閃光泵浦源雷射器只有5%的輸入能量可轉變為雷射輸出，餘 者都要轉變為熱能和其他形式的能量，如輸入lkw的電能，只有50w雷射 輸出，而散熱要達到900w左右。目前許多高性能大功率雷射器器件的發 熱熱流密度都大於10V/m2以上，因此能否解決好散熱是大功率雷射器發 展的關鍵技術之一。另外一方面，提高雷射器的功率除了散熱問題外，還 必須實現對部件的溫度控制。避免雷射工作介質的熱效應引起光束質量及 效率下降。例如，由於雷射器工作時雷射晶體的溫度將升高，如果不進行控制，會引起工作物質發光特性發生變化，雷射波長發生偏移，導致雷射 器閾值升高，效率和雷射質量降低。另外，在雷射器工作時，雷射器器件溫度分布的不均勻，將形成溫度梯度，溫度梯度的存在會使雷射介質內部 形成折射率梯度和應力分布，引起雷射束產生聚焦P雙折射和退偏振等熱 效應，從而降低雷射器的光束質量和功率水平。因而在保證散熱效果的基 礎上對雷射器實施可靠的熱控制手段同樣至關重要。以上所述的雷射器的 散熱和熱控制問題可以歸納為雷射技術中的熱管理技術問題，是大功率激 光器發展的瓶頸，必須加以解決。目前常規的方法是對器件進行空氣或者 液體冷卻，但這些常規冷卻技術根本無法解決上面提出的問題，必須採用 新的冷卻技術才能滿足要求。另外，隨著大規模集成電路(LSI)的發展，高集成度的電子電氣元器 件的體積發熱熱流密度的增大趨勢非常迅猛。熱量的累積將導致器件溫度 迅速升高，輕則使電子電氣元器件功能喪失，重則器件被燒毀，整個電子 設備崩潰。因此，配置強有力的散熱與熱控制系統對維持電子電氣元器件 的正常運行也至關重要。目前，應用於雷射器器件、電子電氣元器件和其它光電子器件的散熱 與熱控制方法主要有以下幾種。(1) 直接強制風冷 利用風扇進行直接強制氣冷是目前使用最廣泛的雷射器器件、電子電氣元器件和其它光電子器件的散熱方式。通常利用鋁或銅製散熱片增加對流面積，再以風扇進行強制對流氣冷而達到散熱的效果。散熱片的設計與 風扇的配合決定了該方式散熱效果的好壞。特點裝置簡單，成本較低。其換熱係數大致在20 100W/(mVC)之間。該種散熱方式效率低、噪音大、 功耗高、需佔用較大的空間，熱控制性能差，單獨應用到小尺寸的大功率 器件時該方式的散熱能力不足。如用於個人電腦CPU散熱的強制空氣冷卻 方式，目前最多能處理60W的CPU晶片熱量。其散熱片與風扇的組合已接近極限負荷的狀態。(2) 常規尺寸的液體單相直接強制對流冷卻常規尺寸的液體單相強制對流冷卻，是一種被證明了的可靠的傳統冷 卻技術。該冷卻方式利用冷卻液、導熱部件、泵、閥以及連通的循環管路， 通過液體的單相強制對流換熱方式將發熱器件產生的熱量，由流通於管路 中的液體，攜帶轉移到外部環境中去，以達到降低發熱器件溫度的效果。其對流換熱係數的大致範圍為100(Tl5000W/(mVC)。冷卻較大功率的雷射 器器件、電子電氣元器件和其它光電子器件其所耗泵功率也較大。其主要 缺陷是熱控制性能較差，裝置複雜，必須克服水循環時的壓降，管路易洩 漏，易造成電路絕緣等級降低甚至短路等事故，密封性要求非常高。(3) 熱管冷卻熱管是目前己應用在一些雷射器、電子電氣和其它光電子設備中的一 種較新的散熱技術。發熱元器件產生的熱量使熱管蒸發段的液體受熱蒸發 成蒸汽，蒸汽攜帶熱量流向熱管的冷凝段冷凝，再用冷卻水或風扇對熱管 冷凝段進行強制液冷或風冷以帶走熱量。其主要優點在於熱控制性能好、 傳熱能力強、等溫性高、具有熱流密度變換能力等。但是，普通熱管由於 蒸汽和液體處於同一空間，易產生挾帶現象，使凝結液回流減少，造成蒸 發段管壁溫突然上升，使熱管損毀或失效。 一般來講，氨水熱管的散熱能 力低於6W/cm2，水熱管的散熱能力在25 100W/c^之間。另外，由於熱管 管徑較小，熱管冷凝段冷凝面積有限，總凝結換熱量很小，因而，儘管熱 管冷凝段的外管壁上布置有大量散熱肋片，但熱管的總散熱量非常有限， 難以滿足小尺寸、大功率的電子、光電子和電氣元器件的散熱與熱控制要 求。(4) 熱電致冷(Thermoelectric Cooling) 熱電致冷利用的是溫差電效應(Peltier效應)。即當電流流經兩個不同導體形成的接點時，接點處會產生放熱和吸熱現象。現在應用的熱電材 料多以摻雜Bi、 Te半導體合金材料為主。因而熱電冷卻技術也被稱為半 導體冷卻技術。熱電致冷器的優點是沒有滑動部件，應用在一些空間受到限制，可靠性要求高，無致冷劑汙染的場合，可實現高精度的溫度控制， 熱慣性非常小，致冷時間快。但由於受材料的限制，目前常規半導體致冷器的尺寸仍不夠小，致冷效率不夠高，散熱熱流密度低於10W/cm2的數量級。如單獨使用，則無法滿足小尺寸、大功率的雷射器器件、電子電氣元 器件和其它光電子器件的散熱與熱控制要求。發明內容本發明的目的在於解決現有散熱技術存在的效率低、需佔用較大的 雷射器、電子電氣和其它光電子系統的有限功能空間、散熱能力不足、熱控制性能差的技術缺陷；從而提供一種無功耗的、微小面積的、高熱流密度的取熱模式，同時，滿足發熱元器件的低於環境溫度的工作溫度要求、 能對發熱元器件進行高精度溫度控制和具有強散熱能力的毛細微槽群與熱電致冷器(TEC)組合式散熱與熱控制系統。本發明的目的是這樣實現的一種毛細微槽群與熱電致冷器組合式熱控制方法，使用含有微槽群蒸 發器、管路、遠程放熱元件、熱電致冷器、散熱元件組合的系統，將狹窄 空間裡尺寸微小的大功率雷射器器件、電子電氣元器件或其它光電子器件所產生的高熱流密度的發熱量及時地散失到異地的外界大環境空間裡去；其特徵在於，利用微槽群蒸發器等溫能力的微尺度相變換熱特性和熱電致 冷器的精確溫度控制特性實現對發熱的雷射器器件、電子電氣元器件或其它光電子器件的溫度控制；包括a)將微槽群蒸發器的吸熱外表面與大功率雷射器器件、電子電氣元器 件或其它光電子器件的發熱面緊密連接；b)在微槽群蒸發器裡吸熱、氣化就是利用具有汽化潛熱的液體工質 在微槽群蒸發器裡的開放式毛細微槽群中的毛細力驅動的流動特性和薄 液膜蒸發和沸騰的微尺度相變換熱特性將狹窄空間裡的尺寸微小的大功 率雷射器器件、電子電氣元器件或其它光電子器件所產生的高熱流密度的 發熱量取出，使液體工質汽化；C)利用熱量及流體輸運管路將蒸汽送入遠程放熱元件使攜帶熱量的 蒸汽通過蒸汽保溫軟管流入遠程放熱元件中；d) 利用熱電致冷器使蒸汽在遠程放熱元件中凝結放熱成為液體蒸 汽進入冷凝器後，在緊貼著冷凝器外壁面的熱電致冷器的致冷作用下，蒸 汽在冷凝器內壁開放式凝結微槽槽頂處進行凝結放熱，而熱電致冷器在進 行溫度控制的同時，將蒸汽凝結所釋放的熱量以及熱電致冷器自身產生的 熱量由熱電致冷器的熱面傳導到散熱元件上，散熱元件與外界環境之間進 行熱量交換，最終將熱量散失到外界環境中去；e) 遠程放熱元件積聚的低溫液體經流體輸運管路送回微槽群蒸發器循環使用冷凝器中的凝結液通過回液軟管，藉助於重力和由回液軟管、導液微槽連接器以及微槽群蒸發器裡的開放式毛細微槽群所形成的連續毛細引力作用及時回流到微槽群蒸發器中，從而完成一個取熱和放熱的循 環；f) 調節熱電致冷器的致冷溫度及功率，達到使發熱器件冷卻和對其進 行熱控制的目的。所述的方法，其所述遠程放熱元件，為冷凝器。所述的方法，其所述d)步中的散熱元件，為水冷散熱元件或風冷散熱元件其中的一種；若用水冷散熱元件，是將蒸汽凝結所釋放的熱量以及熱電致冷器自身 產生的熱量由熱電致冷器的熱面傳導到水冷散熱器中，通過與水冷散熱器 中流過的冷卻水進行對流換熱，最終由冷卻水將這些熱量帶走；若用風冷散熱元件，是將蒸汽凝結所釋放的熱量以及熱電致冷器自身 產生的熱量由熱電致冷器的熱面傳導到散熱板的肋片群上，用風扇製造空 氣對流的換熱條件與外界環境之間進行熱量交換。一種所述的方法使用的組合式熱控制系統，包括微槽群蒸發器(3)、 軟管、冷凝器(6)、熱電致冷器(7)、散熱元件、導液微槽連接器(12); 其中，蒸發器(3)為一抽真空的空腔，且其內灌注液體工質，微槽群蒸 發器(3)的一外表面與大功率雷射器器件、電子電氣元器件或其它光電子器件(1)的外表發熱面緊貼相連，在微槽群蒸發器(3)接受發熱元器件發熱量的受熱內表面上設有多數個開放式毛細微槽道，形成蒸發微槽群(2)，用以將液體工質吸入到微槽中並使其發生高強度蒸發和沸騰變成蒸 汽；其還包括在微槽群蒸發器(3)的頂面上設有至少一個蒸汽出口 (16)， 蒸汽出口 (16)所在的微槽群蒸發器(3)的內壁上設置有縱橫交錯的微 槽(4)，蒸發器(3)的下端與導液微槽連接器(10)的上端連通；至少 一根保溫軟管(5)的一端與微槽群蒸發器(3)的蒸汽出口 (16)相連， 另一端與冷凝器(6)的蒸汽進口相接，蒸汽從微槽群蒸發器(3)的蒸汽 出口 (15)處流出，通過保溫軟管(5)由冷凝器(6)的蒸汽進口處流入 冷凝器(6)中；冷凝器(6)為一抽真空的空腔，其上端有至少一個蒸汽 進口，該冷凝器(6)的空腔內壁縱向分布多數個開放式凝結微槽(15)，斜坡面(14)上沿斜坡長度方向布置有 多數個導流微槽(13)，斜坡面(14)底端有至少一個凝結液出口；在冷凝器(6)的兩側外壁面上分別設置至少一個熱電致冷器(7),每個熱電 致冷器(7)的冷麵通過焊接或用導熱性能好的粘合劑或導熱矽脂與冷凝 器(6)外表面緊密接觸，熱電致冷器(7)的熱面則通過焊接或用導熱性 能好的粘合劑或導熱矽脂與散熱元件緊密接觸；冷凝器(6)的凝結液出 口與至少一根回液軟管(10)的一端相連，回液軟管(10)的另一端與至 少有一個進液口的導液微槽連接器(12)的進液口相接，導液微槽連接器 (12)為帶狀，其內設有多數根並行緊密排列的微管，微管上端與微槽群 蒸發器(3)中的蒸發微槽群(2)相連通，下端與回液軟管(10)相連通； 系統內的絕對壓力處於O. 1 50 kPa範圍內。所述的組合式熱控制系統，其所述微槽群蒸發器(3)由導熱金屬材 料製成，其內部受熱壁面上設置的蒸發微槽道(2)橫截面為矩形、三角 形或梯形，該微槽道縱向分布排列，槽道的寬度和深度均在0.01—lmm範 圍內，微槽道之間的間距在0.01—1 範圍內，在微槽群蒸發器(3)的 蒸汽出口 (16)所在壁面上密布縱橫交錯的微槽(4)，其橫截面為矩形、 三角形、梯形、U形幾何形狀，縱向和橫向微槽(4)的寬度和深度在0.01 —l誦範圍內，微槽道之間的間距在0. Ol—l國範圍內。所述的組合式熱控制系統，其所述冷凝器(6)由導熱金屬材料製成; 冷凝器(6)內壁縱向密布有許多開放式凝結微槽(15)，凝結微槽(15) 的橫截面為梯形、三角形或波浪形，凝結微槽(15)的寬度和深度在0.01 —lOram範圍內，凝結微槽(15)之間的間距在0.01-20mm範圍內；冷凝器(6)的外表面為光滑平坦表面。所述的組合式熱控制系統，其所述冷凝器(6)空腔內底部斜坡面(14) 上的矩形導流微槽道(13)的寬度和深度均在0.01—lmm範圍內，微槽道 (13)之間的間距在0.01—lram範圍內。所述的組合式熱控制系統，其所述導液微槽連接器(12)內的多數根 並行緊密排列的微管，其單根微管內徑大小在0.01—2mm的範圍內，由塑 料軟管或軟金屬或能任意彎曲的材料製成。所述的組合式熱控制系統，其所述蒸汽保溫軟管(5)由能任意彎曲 的材料製成，其內徑在l一20mm的範圍內。所述的組合式熱控制系統，其所述回液軟管(10)由能任意彎曲的材 料製成，其內徑在O. l—10mm的範圍內。所述的組合式熱控制系統，其所述回液軟管(10)內沿管軸方向加裝 毛細芯，該毛細芯為2層250目的不鏽鋼絲或銅絲網芯。所述的組合式熱控制系統，其所述熱電致冷器(7)為利用熱電效應的 一種片狀半導體致冷裝置，單個熱電致冷器(7)的長度在1—500mm範圍 內，寬度在l一500mm範圍內，厚度在0. 5—lOOran範圍內，單個熱電致冷 器的最大致冷功率在0—500W範圍內。所述的組合式熱控制系統，其所述散熱元件，為水冷散熱器(11)，其 為塊狀，外表面尺寸與熱電致冷器(7)的熱面大小相匹配，內部布置有 蛇形通道，蛇形通道中有冷卻水，蛇形通道通過管道、泵與外部冷卻水源 構成迴路；水冷散熱器(11)由導熱金屬材料製成，其內部蛇形彎曲布置 的通道橫截面為矩形，通道橫截面的高度在0. l — 50mm範圍內，寬度在0. 1一20mm範圍內。所述的組合式熱控制系統，其所述散熱元件，為風冷散熱器，包括散 熱板(8)和風扇(9);散熱板(8)的大小與熱電致冷器(7)的熱面相適配，熱電致冷器(7)的熱面通過焊接或用導熱性能好的粘合劑或導熱 矽脂與有肋片群的散熱板(8)緊密接觸，在散熱板(8)的頂部設有風扇 (9);散熱板(8)上的單個肋片的高度在O. 1-60ram的範圍內，肋片厚度 在O. l-10mm的範圍內，肋片間距在O. 1-lOmm的範圍內，所述的安裝在散 熱板(8)頂部的風扇(9)的大小與散熱板的外形尺寸相匹配，風扇功率 在O. 5—200W之間。本發明的技術效果國內外的研究表明，微通道內的流動及傳熱的總體特性與大尺度通道 內的結果有很大不同，微槽道內工質的蒸發和沸騰有著極高的強度，屬於 微空間尺度下的傳熱傳質的超常現象，其相變蒸發熱流密度的理論極限比 目前大功率電子電氣元器件例如高性能計算機晶片的最高發熱熱流密度 還要高出約兩個數量級，且傳熱過程具有很好的等溫性，是一種高性能的 冷卻散熱方式。另外，熱電致冷器具有精確控溫的特點，通過電流輸入回饋計算，其冷端溫度可以精確控制在土o. rc以內。本發明中的本地取熱元件(微槽群蒸發器3)由於採用了微槽道內工質的蒸發和沸騰換熱原理， 其尺寸可以小到與很小的雷射器器件、電子電氣元器件和其它光電子器件 的發熱面尺寸相匹配；本發明中的熱量及流體輸運器件採用了毛細泵兩相 抽吸迴路原理，可以將本地取熱元件所取的高熱流密度的熱量及時輸運至遠地。同時，本發明中的冷凝器布置在遠離雷射器、電子電氣和其它光電子設備的功能系統以外的空間裡，並且在冷凝器的外表面緊密粘貼著熱電 致冷器精確控制冷凝器外表面的溫度。因此，本發明通過本地取熱元件(微 槽群蒸發器)、熱量及流體輸運器件、遠程放熱元件(冷凝器)、熱電致冷 器、散熱板與風扇或者水冷散熱器的組合可以將狹窄空間裡尺寸微小的大 功率雷射器器件、電子電氣元器件和其它光電子器件所產生的高熱流密度 的發熱量及時地散失到異地的外界大環境空間裡去，並且利用微槽群蒸發 器的高強度、高等溫能力的微尺度相變換熱特性和熱電致冷器的高精度溫 度控制特性實現對發熱的雷射器器件、電子電氣元器件和其它光電子器件 的溫度控制。本發明無需像一些傳統散熱冷卻方式那樣，為強化對流換熱 冷卻而必須在發熱的雷射器器件、電子電氣元器件和其它光電子器件所處 的有限空間裡布置體積較大的肋片、電扇及相關散熱與熱控制部件，從而 可以大幅度地節省雷射器、電子電氣和其它光電子設備系統的功能空間， 實現整個散熱系統的無功耗取熱、遠距離熱輸運、靜音運行、高強度的散 熱冷卻和對發熱的雷射器、電子電氣和其它光電子設備進行高精度的遠程 熱控制的目的。微槽群蒸發器內部受熱壁面上設置的蒸發微槽為矩形槽道，該微槽道縱向分布排列，槽道的寬度和深度均在0. l—0.8mm範圍內，微槽道之間 的間距在0. 1—0. 8mm範圍內，微槽群蒸發器的取熱能力較強。蒸發器內部的蒸汽出口所在壁面上密布縱橫交錯的微槽，縱向和橫向 微槽的寬度和深度在0. Ol—l誦範圍內，微槽道之間的間距在0. Ol—lmm 範圍內。這樣的縱橫交錯的微槽與蒸發微槽(微槽群熱沉)組成貫通槽道，能形成很好的連續毛細引力作用，可以避免蒸汽管中沿程冷凝液對出汽口 的阻塞。散熱系統是具有一定真空度的密封系統。系統內的絕對壓力處於0. 1 50 kPa範圍內時整個散熱系統的散熱冷卻能力較強。蒸汽保溫軟管的內徑在1—20mm的範圍內，管外套有較好的保溫材料 時，整個散熱系統有較好的散熱效果。導液微槽連接器為帶狀，由多根微管並行緊密排列組成。微管由塑料 軟管或軟金屬或其他能任意彎曲的材料製成。單根微管內徑大小在0.01 一2mm的範圍內時，導液微槽連接器將回液軟管中的冷凝液穩定地輸運到 蒸發器中蒸發微槽中去的作用轎強。回液軟管的一端與冷凝器的冷凝液出口處相連，另一端與導液微槽連 接器的進液口相接。回液軟管的內徑在O. l—10mm的範圍內，由能任意彎 曲的材料製成，能形成毛細力作用。回液軟管可利用重力和毛細力的作用 將遠程的冷凝器中凝結的冷凝液輸運至導液微槽連接器中。並且通過在回 液軟管內加裝毛細芯可以增加這種毛細驅動能力。散熱板8上的單個肋片高度在1-50mm的範圍內，肋片厚度在0. 5-2mm 的範圍內，肋片間距在l-5mm的範圍內，並且風扇9的大小與散熱板的外 形尺寸相匹配，風扇9的功率在0. 5—200W之間時,系統的散熱效果較好。水冷散熱器11由導熱係數較高的金屬材料製成，例如金屬銅。水冷散 熱器11的外表面大小與熱電致冷器熱面尺寸相匹配。內部布置有蛇形彎 曲布置的矩形通道，通道橫截面的高度在l一15mm範圍內，寬度在l一10mm 範圍內時，系統的散熱效果較好。


圖1是本發明微槽群蒸發器中的蒸發微槽群的結構示意圖；其中 圖1 (a)為蒸發微槽群表面；圖1 (b)為蒸發微槽群的微槽群的微槽道剖面；圖2是本發明微槽群蒸發器內部蒸汽出口壁面上的縱橫交錯的微槽結 構示意圖；圖3是本發明冷凝器及其內壁上凝結微槽結構示意圖；其中圖3 (a)為冷凝器的內部剖視圖；圖3 (b)為豎直開放式梯形凝結微槽；圖3 (C)為豎直開放式梯形凝結微槽道剖面；圖4是本發明導液微槽連接器結構示意圖；圖5是採用本發明方法的毛細微槽群與熱電致冷器(TEC)組合式散 熱與熱控制系統的一種水冷散熱的實施例；圖6是本發明水冷散熱器內部結構示意圖；圖7是採用本發明方法的毛細微槽群與熱電致冷器(TEC)組合式散 熱與熱控制系統的另一種風冷散熱的實施例。
具體實施方式
本發明提供的毛細微槽群與熱電致冷器(TEC)組合式散熱與熱控制系 統，包括 一抽真空的空腔形成的蒸發器3，該蒸發器3的開放式微槽道 設置在蒸發器空腔裡的接受發熱器件本身或發熱器件的次熱沉1的熱量的受熱內表面上，形成蒸發微槽群2;所述蒸發微槽群2的大小以適合形成毛細力，可將所述微槽道邊的液體工質吸入到蒸發微槽群2內，如圖1所 示；其特徵在於，還包括在蒸發器3的蒸汽出口 16所在壁面設置縱橫交錯的微槽4，如圖2所示；蒸發器3的進液口與導液微槽連接器12相連， 如圖5所示；以及一由導熱金屬材料製成的冷凝器6，該冷凝器6的內壁 縱向分布開放式凝結微槽15，和內腔布置有迅速收集凝結液的斜坡面14， 斜坡面14上沿斜坡長度方向布置有許多導流微槽13，可利用重力和毛細 力的作用加速凝結液的匯集，如圖3所示；在冷凝器6的兩外壁面上分別 設置一個或多個熱電致冷器7，每個熱電致冷器的冷麵通過焊接或用導熱 性能較好的粘合劑或導熱矽脂與冷凝器外表面緊密接觸，熱電致冷器的熱 面通過焊接或用導熱性能較好的粘合劑或導熱矽脂與有肋片群的散熱板8 緊密接觸，在散熱板8的頂部安裝有風扇9，如圖7所示。或者熱電致冷 器的熱面通過焊接或用導熱性能較好的粘合劑或導熱矽脂與水冷散熱器 ll的一面緊密接觸，如圖5所示。水冷散熱器為塊狀，外表面尺寸與熱電 致冷器的熱面大小相匹配，內部布置有蛇形通道，如圖6所示，通道中有 冷卻水流過使熱電致冷器熱面冷卻； 一根或一根以上保溫軟管5的一端與 蒸發器3的蒸汽出口相連，另一端與冷凝器6的蒸汽進口相接；另一根或 一根以上回液軟管10的一端與冷凝器6的冷凝液出口處相連，另一端與 導液微槽連接器12的進液口相接；回液軟管10內可以加裝毛細芯用來增 加使冷凝液迅速流回到蒸發器3的毛細力。在上述的技術方案中，所述蒸發器3由導熱金屬材料製成，例如金屬 銅，蒸發器3內部受熱壁面上設置的蒸發微槽道為矩形、三角形或梯形槽道，該微槽道縱向分布排列，槽道的寬度和深度均在0.01—lmm範圍內， 微槽道之間的間距在0.01—l誦範圍內，如圖la所示；所述開放式微槽 道的大小適合形成毛細力，以將所述微槽道邊的液體工質吸入到微槽道 內。如圖2所示，所述縱橫交錯的微槽形成毛細引力作用，可以將出氣口 處的冷凝液迅速拉離蒸汽出口位置，避免蒸汽管中沿程冷凝液對出汽口的 阻塞。所述縱向和橫向微槽的寬度和深度在0.01—lmm範圍內，微槽道之 間的間距在0. Ol—lmm範圍內。在上述的技術方案中，所述冷凝器6由導熱係數較高的金屬材料製成， 例如金屬銅。冷凝器內壁縱向密布有許多開放式凝結微槽，凝結微槽的幾 何形狀為梯形、三角形或波浪形，凝結微槽的寬度和深度在0.01—lOmm 範圍內，凝結微槽之間的間距在0.01-20mm範圍內。冷凝器6的外表面為 光滑平坦表面。在上述的技術方案中，所述冷凝器內部的斜坡面上的矩形導流微槽道 13的寬度和深度均在0. Ol—lmm範圍內，微槽道之間的間距在0. Ol—lmm 範圍內。在上述的技術方案中，所述熱電致冷器7為利用熱電效應(即Peltier 效應)的一種片狀半導體致冷裝置，單個熱電致冷器7的長度在l一500mm 範圍內，寬度在l一500mm範圍內，厚度在0. 5—100mm範圍內，單個熱電 致冷器的最大致冷功率在0—500W範圍內。在上述的技術方案中，所述的有肋片群的散熱板8上的單個肋片的高 度在0.卜6Chnm的範圍內，肋片厚度在0. 1-IO腦的範圍內，肋片間距在 0. l-10mm的範圍內，所述的安裝在散熱板8頂部的風扇9的大小與散熱板的外形尺寸相匹配，風扇功率在O. 5—200W之間。在上述的技術方案中，所述的水冷散熱器11由導熱係數較高的金屬材 料製成，例如金屬銅。水冷散熱器11的外表面大小與熱電致冷器熱面尺寸相匹配。內部布置有蛇形彎曲布置的矩形通道，通道橫截面的高度在0. 1 —50rm範圍內，寬度在O. 1 —20mm範圍內。在上述的技術方案中，所述的導液微槽連接器12為帶狀，由多根微管 並行緊密排列組成。單根微管內徑大小在0.01—2mm的範圍內，由塑料軟 管或軟金屬或其他能任意彎曲的材料製成。所述的導液微槽連接器起著將 回液軟管中的冷凝液穩定地輸運到蒸發器中蒸發微槽中去的作用。在上述的技術方案中，所述蒸汽保溫軟管5可以由聚氨酯管制作，該 蒸汽保溫軟管的內徑在l一20mm的範圍內，直接由導熱係數較小的能任意 彎曲的材料製成，或採用較軟的金屬材料，並在管外加保溫套管制成。該 保溫軟管起著將本地的蒸發器中產生的蒸汽輸運到遠程的冷凝器中去的 作用。上述回液軟管10的一端與冷凝器的冷凝液出口相連，另一端與導液 微槽連接器12的進液口相接，起著將遠程冷凝器中的冷凝液輸運至導液 微槽連接器中的作用。在上述的技術方案中，所述回液軟管10的內徑在0. 1—10mm的範圍 內，由能任意彎曲的材料例如聚氨酯材料製成。回液軟管內可以加裝毛 細芯用來增加使冷凝液迅速流回到蒸發器的毛細力。毛細芯為多孔的固體材料，例如不鏽鋼絲網。實施例1下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細地說明參見圖5，製作一種水冷散熱的毛細微槽群與熱電致冷器(TEC)組合 式散熱與熱控制系統。它包括一個用導熱性好的金屬銅製成一長方形密封腔體的微槽群蒸發器3，也可以稱為取熱元件。其微槽群蒸發器3腔體受 熱面的內壁上開有矩形微槽道2，形成微槽群，該微槽道2的間距為0. 4mm、 微槽道2的寬度為0. 3mm和槽道深度為0. 8mm。所述矩形微槽道2的大小 適合形成較強的毛細力，以將微槽群蒸發器3內的無水乙醇或蒸餾水等， 具有較高的汽化潛熱的液體工質，通過微槽道2吸入到微槽道2內受熱區 域裡形成高強度的蒸發和沸騰，變成蒸汽以帶走發熱體產生的熱量。本實 施例微槽群蒸發器3腔體受熱面的外表面，通過導熱矽膠(矽脂)與發熱器件或其次熱沉1外表面緊貼在一起。一根直徑為5mm的聚氨酯保溫軟管5的一端與微槽群蒸發器3的蒸汽 出口相連，另一端與冷凝器的蒸汽進口相接；另一根直徑為3mm的聚氨酯 回液軟管IO，其一端與冷凝器的冷凝液出口處相連，另一端與導液微槽連 接器12的進液口相連通。蒸汽通過與微槽群蒸發器3相連的保溫軟管5 流入到冷凝器6中。本實施例的冷凝器6是一用導熱性好的金屬鋁製成的一長方形密封腔 體。冷凝器6的內壁布置有許多豎直開放式梯形凝結微槽，凝結微槽的寬 度和深度均在1.5mm，凝結微槽之間的間距在0.5mm，如圖3所示。在冷 凝器內的底部區域做斜坡面，斜坡的角度為45°,其上幵出矩形導流微槽 道13，導流微槽道13的寬度為1.5mra，深度為2mm，導流微槽道13之間的間距為1. 5mm。在冷凝器6的兩外壁面上分別設置一個熱電致冷器7， 每個熱電致冷器的冷麵通過導熱矽脂與冷凝器外表面緊密接觸，熱電致冷 器的熱面通過導熱矽脂與水冷散熱器11的一面緊密接觸，水冷散熱器為 塊狀，外表面尺寸與熱電致冷器的熱面大小相匹配，內部布置有蛇形彎曲 布置的矩形通道，通道寬度為10誦，高度為8mm，如圖6所示，通道中有 冷卻水流過使熱電致冷器熱面冷卻。冷凝器6豎直放置在雷射器、電子電氣或其它光電子設備的機箱或機 櫃的外部，或者鑲嵌在機箱或機櫃壁面中。蒸汽主要在冷凝器6內壁開放 式梯形凝結微槽槽頂處凝結放熱，在表面張力的作用下，凝結液沿水平方 向流向微槽槽谷區域，使槽頂處的液膜減薄，冷凝液則沿著槽谷自上而下 地排洩到冷凝器6的底部，冷凝器6內部的底部布置有用以迅速收集凝結 液的斜坡面，斜坡面上沿斜坡長度方向布置有矩形導流微槽，可利用重力 和毛細力的作用加速凝結液的匯集。蒸汽凝結所釋放的熱量由冷凝器6內 壁傳導到冷凝器6外表面上，被熱電致冷器的冷麵吸收，熱電致冷器在進 行溫度控制的同時，將這些熱量以及熱電致冷器自身產生的熱量在熱電致 冷器的熱面通過與水冷散熱器中流過的冷卻水進行對流換熱最終由冷卻 水帶走。而冷凝器6底部的凝結液則通過回液軟管10，藉助於重力和由回 液軟管10、導液微槽連接器12以及蒸發微槽2 (微槽群熱沉)所形成的 較強的連續毛細引力作用及時回流到蒸發器3中，從而完成一個取熱和放 熱的循環，達到使發熱器件冷卻和對其進行熱控制的目的。實施例2參見圖6，製作一種風冷散熱的毛細微槽群與熱電致冷器(TEC)組合式散熱與熱控制系統。將實施例1中的水冷散熱器替換成有肋片群的散熱 板8。使熱電致冷器的熱面通過導熱矽脂與有肋片群的散熱板8的底面緊密接觸，在散熱板8的頂部安裝風扇9，矩形肋片的高度為20mm，肋片的 厚度為lmm，肋片間距為1. 5mm,風扇9的功率為30W，蒸汽凝結所釋放的 熱量由冷凝器6內壁傳導到冷凝器6外表面上，被熱電致冷器的冷麵吸收，熱電致冷器在進行溫度控制的同時，將這些熱量以及熱電致冷器自身產生 的熱量由熱電致冷器的熱面傳導到散熱板8的肋片上，然後通過風扇創造 的空氣強制對流換熱條件與外界環境之間進行熱量交換，最終將熱量散失 到外界環境中去，達到對發熱器件進行熱控制的目的。本實施例的其他部 分同實施例1。實施例3:本實施例中，回液軟管10內沿管軸方向加裝毛細芯用來增 加使冷凝液迅速流回到蒸發器的毛細力。毛細芯為2層250目的不鏽鋼絲 網芯。本實施例的其他部分同實施例1。實施例4:本實施例中，四根直徑為4mm的聚氨酯保溫軟管5的一端 與微槽群蒸發器3的蒸汽出口相連，另一端與冷凝器的蒸汽進口相接；另 三根直徑為5mm的聚氨酯回液軟管10，其一端與冷凝器的冷凝液出口處 相連，另一端與導液微槽連接器12的進液口相連通。本實施例的其他部 分同實施例1。實施例5:本實施例取熱元件(微槽群蒸發器)中的受熱面為發熱器 件或其次熱沉的外表面。即直接將發熱器件或其次熱沉外表面與微槽群蒸 發器做成一體，作為微槽群蒸發器內受熱面並在其表面刻布矩形微槽道， 形成微槽群。本實施例的其他部分同實施例l。
權利要求
1. 一種毛細微槽群與熱電組合熱控制方法，使用含有微槽群蒸發器、管路、遠程放熱元件、熱電致冷器、散熱元件組合的系統，將狹窄空間裡尺寸微小的大功率雷射器器件、電子電氣元器件或其它光電子器件所產生的高熱流密度的發熱量及時地散失到異地的外界大環境空間裡去；其特徵在於，利用微槽群蒸發器等溫能力的微尺度相變換熱特性和熱電致冷器的精確溫度控制特性實現對發熱的雷射器器件、電子電氣元器件或其它光電子器件的溫度控制；包括a)將微槽群蒸發器的吸熱外表面與大功率雷射器器件、電子電氣元器件或其它光電子器件的發熱面緊密連接；b)在微槽群蒸發器裡吸熱、氣化就是利用具有汽化潛熱的液體工質在微槽群蒸發器裡的開放式毛細微槽群中的毛細力驅動的流動特性和薄液膜蒸發和沸騰的微尺度相變換熱特性將狹窄空間裡的尺寸微小的大功率雷射器器件、電子電氣元器件或其它光電子器件所產生的高熱流密度的發熱量取出，使液體工質汽化；c)利用熱量及流體輸運管路將蒸汽送入遠程放熱元件使攜帶熱量的蒸汽通過蒸汽保溫軟管流入遠程放熱元件中；d)利用熱電致冷器使蒸汽在遠程放熱元件中凝結放熱成為液體蒸汽進入冷凝器後，在緊貼著冷凝器外壁面的熱電致冷器的致冷作用下，蒸汽在冷凝器內壁開放式凝結微槽槽頂處進行凝結放熱，而熱電致冷器在進行溫度控制的同時，將蒸汽凝結所釋放的熱量以及熱電致冷器自身產生的熱量由熱電致冷器的熱面傳導到散熱元件上，散熱元件與外界環境之間進行熱量交換，最終將熱量散失到外界環境中去；e)遠程放熱元件積聚的凝結液體經流體輸運管路送回微槽群蒸發器循環使用冷凝器中的凝結液通過回液軟管，藉助於重力和由回液軟管、導液微槽連接器以及微槽群蒸發器裡的開放式毛細微槽群所形成的連續毛細引力作用及時回流到微槽群蒸發器中，從而完成一個取熱和放熱的循環；f)調節熱電致冷器的致冷溫度及功率，達到使發熱器件冷卻和對其進行熱控制的目的。
2、 如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述遠程放熱元件，為冷凝器。
3、 如權利要求l所述的方法，其特徵在於，所述d)步中的散熱元件， 為水冷散熱元件或風冷散熱元件其中的一種；若用水冷散熱元件，是將蒸汽凝結所釋放的熱量以及熱電致冷器自身 產生的熱量由熱電致冷器的熱面傳導到水冷散熱器中，通過與水冷散熱器 中流過的冷卻水進行對流換熱，最終由冷卻水將這些熱量帶走；若用風冷散熱元件，是將蒸汽凝結所釋放的熱量以及熱電致冷器自身 產生的熱量由熱電致冷器的熱面傳導到散熱板的肋片群上，用風扇製造空 氣對流的換熱條件與外界環境之間進行熱量交換。
4、 一種如權利要求1所述的方法使用的組合式熱控制系統，包括 微槽群蒸發器(3)、軟管、冷凝器(6)、熱電致冷器(7)、散熱元件、導 液微槽連接器(12);其中，蒸發器(3)為一抽真空的空腔，且其內灌注液體工質，微槽群蒸發器(3)的一外表面與大功率雷射器器件、電子電氣元器件或其它光電子器件(1)的外表發熱面緊貼相連，在微槽群蒸發 器(3)接受發熱元器件發熱量的受熱內表面上設有多數個開放式毛細微槽道，形成蒸發微槽群(2)，用以將液體工質吸入到微槽中並使其發生高 強度蒸發和沸騰變成蒸汽；其特徵在於，還包括在微槽群蒸發器(3)的 頂面上設有至少一個蒸汽出口 (16)，蒸汽出口 (16)所在的微槽群蒸發 器(3)的內壁上設置有縱橫交錯的微槽(4)，蒸發器(3)的下端與導液 微槽連接器(10)的上端連通；至少一根保溫軟管(5)的一端與微槽群 蒸發器(3)的蒸汽出口 (16)相連，另一端與冷凝器(6)的蒸汽進口相 接，蒸汽從微槽群蒸發器(3)的蒸汽出口 (15)處流出，通過保溫軟管(5)由冷凝器(6)的蒸汽進口處流入冷凝器(6)中；冷凝器(6)為一 抽真空的空腔，其上端有至少一個蒸汽進口，該冷凝器(6)的空腔內壁 縱向分布多數個開放式凝結微槽(15)，空腔內底部設置有斜坡面(14)， 斜坡面(14)上沿斜坡長度方向布置有多數個導流微槽(13)，斜坡面(14) 底端有至少一個凝結液出口；在冷凝器(6)的兩側外壁面上分別設置至 少一個熱電致冷器(7)，每個熱電致冷器(7)的冷麵通過焊接或用導熱 性能好的粘合劑或導熱矽脂與冷凝器(6)外表面緊密接觸，熱電致冷器(7)的熱面則通過焊接或用導熱性能好的粘合劑或導熱矽脂與散熱元件 緊密接觸；冷凝器(6)的凝結液出口與至少一根回液軟管(10)的一端 相連，回液軟管(10)的另一端與至少有一個進液口的導液微槽連接器(12) 的進液口相接，導液微槽連接器(12)為帶狀，其內設有多數根並行緊密 排列的微管，微管上端與微槽群蒸發器(3)中的蒸發微槽群(2)相連通，下端與回液軟管(10)相連通；系統內的絕對壓力處於O. 1 50 kPa範圍內。
5、 如權利要求4所述的組合式熱控制系統，其特徵在於，所述微槽群蒸 發器(3)由導熱金屬材料製成，其內部受熱壁面上設置的蒸發微槽道(2)橫 截面為矩形、三角形或梯形，該微槽道縱向分布排列，槽道的寬度和深度均在 O.Ol—l咖範圍內，微槽道之間的間距在0.01—lmm範圍內，在微槽群蒸發器(3)的蒸汽出口 (16)所在壁面上密布縱橫交錯的微槽(4)，其橫截面為矩 形、三角形、梯形、U形幾何形狀，縱向和橫向微槽(4)的寬度和深度在0.01 一lmm範圍內，微槽道之間的間距在0. 01—1 範圍內。
6、 如權利要求4所述的組合式熱控制系統，其特徵在於，所述冷凝器(6) 由導熱金屬材料製成；冷凝器(6)內壁縱向密布有許多開放式凝結微槽(15)， 凝結微槽(15)的橫截面為梯形、三角形或波浪形，凝結微槽(15)的寬度和 深度在0.01—lOmm範圍內，凝結微槽(15)之間的間距在0. 01-20mm範圍內； 冷凝器(6)的外表面為光滑平坦表面。
7、 如權利要求4所述的組合式熱控制系統，其特徵在於，所述冷凝器(6) 空腔內底部斜坡面(14)上的矩形導流微槽道(13)的寬度和深度均在0.01 —lmm範圍內，微槽道(13)之間的間距在0.01—1鵬範圍內。
8、 如權利要求4所述的組合式熱控制系統，其特徵在於，所述導液微槽 連接器(12)內的多數根並行緊密排列的微管，其單根微管內徑大小在0.01 一2mm的範圍內，由塑料軟管或軟金屬或能任意彎曲的材料製成。
9、 如權利要求4所述的組合式熱控制系統，其特徵在於，所述蒸汽保溫 軟管(5)由能任意彎曲的材料製成，其內徑在1—20mm的範圍內。
10、 如權利要求4所述的組合式熱控制系統，其特徵在於，所述回液軟管(10)由能任意彎曲的材料製成，其內徑在0.1—10im的範圍內。
11、 如權利要求4或IO所述的組合式熱控制系統，其特徵在於，所述回 液軟管(10)內沿管軸方向加裝毛細芯，該毛細芯為單層或多層目數在50 — 450目之間的不鏽鋼或銅絲網芯。
12、 如權利要求4所述的組合式熱控制系統，其特徵在於，所述熱電致冷 器(7)為利用熱電效應的一種片狀半導體致冷裝置，單個熱電致冷器(7)的 長度在l一500ram範圍內，寬度在l一500mm範圍內，厚度在0. 5—100mra範圍 內，單個熱電致冷器的最大致冷功率在0—500W範圍內。
13、 如權利要求4所述的組合式熱控制系統，其特徵在於，所述散熱元件， 為水冷散熱器(11)，其為塊狀，外表面尺寸與熱電致冷器(7)的熱面大小相 匹配，內部布置有蛇形通道，蛇形通道中有冷卻水，蛇形通道通過管道、泵與 外部冷卻水源構成迴路；水冷散熱器(11)由導熱金屬材料製成，其內部蛇形 彎曲布置的通道橫截面為矩形，通道橫截面的高度在0.1 — 50mm範圍內，寬度 在O. l—20mm範圍內。
14、如權利要求4所述的組合式熱控制系統，其特徵在於，所述散熱元件， 為風冷散熱器，包括散熱板(8)和風扇(9);散熱板(8)的大小與熱電致冷 器(7)的熱面相適配，熱電致冷器(7)的熱面通過焊接或用導熱性能好的粘 合劑或導熱矽脂與有肋片群的散熱板(8)緊密接觸，在散熱板(8)的頂部設 有風扇(9);散熱板(8)上的單個肋片的高度在0.1-60mm的範圍內，肋片厚 度在O. 1-lOmm的範圍內，肋片間距在O. l-10mm的範圍內，所述的安裝在散熱 板(8)頂部的風扇(9)的大小與散熱板的外形尺寸相匹配，風扇功率在0.5-—200W之間。
全文摘要
本發明一種毛細微槽群與熱電組合熱控制方法及系統，涉及一種用於雷射器和電子電氣器件的散熱與熱控制方法及裝置。發熱器件使液體在微槽群蒸發器的蒸發微槽群中受熱蒸發與沸騰，蒸汽通過保溫軟管流入冷凝器中，在冷凝器外壁的熱電致冷器的作用下，在冷凝器的凝結微槽中凝結放熱，同時熱電致冷器將熱量由其熱面傳到散熱元件(散熱板或水冷散熱器)中，通過空冷或水冷最終將熱量散失掉；凝結液通過回液軟管與導液微槽連接器流回到微槽群蒸發器中，完成一個取熱和放熱循環，使器件冷卻和對其進行熱控制。採用本發明方法的裝置包括一抽真空的微槽群蒸發器、蒸汽保溫軟管、冷凝器、熱電致冷器、散熱元件、回液軟管、導液微槽連接器。
文檔編號H01S3/04GK101242729SQ20071006370
公開日2008年8月13日 申請日期2007年2月7日 優先權日2007年2月7日
發明者唐大偉, 濤 王, 肖送連, 胡學功 申請人:中國科學院工程熱物理研究所