微槽群复合相变散热技术及应用.doc

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1、微槽群复合相变换热冷却与节能技术（国家863技术） 2011-3-21 微槽群复合相变换热冷却与节能技术是国家高技术研究发展计划（863计划）项目（项目编号：2006AA05Z225）所最新研制出的具有完全自主知识产权并处于国际领先水平的用于高热流密度和大功率的电力设备、微电子与光电子器件的冷却以及工业余热利用、新能源利用等节能降耗场合的先进技术。一、应用领域1.电力设备冷却 整流柜中晶闸管的冷却、变频柜中IGBT与整流模块的冷却、SVC（电网高压静止无功补偿装置）晶闸管阀的冷却、大型变压器中铁心与绕组的冷却、直流输电站换流阀的冷却、大功率电阻的冷却等等。2.激光器冷却 泵浦源的冷却、激光二极

2、管阵列的冷却、激光晶体的冷却等等。3.计算机、通信设备以及其他各种电子设备冷却 CPU芯片的冷却、电子器件的冷却、移动基站与机房的散热、机箱与机柜的冷却等等。4.照明设备冷却 LED灯芯片的冷却等。5.余热利用 电厂烟气余热利用、铝厂电解槽烟气余热利用等等。6.太阳能利用 光热转化利用（供暖、供热等等）。7.地热能利用 地热供暖、地热发电等等。8.其他二、 原理 利用微细尺度槽群结构热沉的高强度复合相变强化换热机理进行换热。微槽群复合相变取热器的取热表面加工有复合相变微槽群结构，其原理性结构如图1所示。具有汽化潜热的液体工质在微槽群自身结构所形成的毛细压力梯度下沿微槽流动，同时在槽中形成扩展弯

3、月面薄液膜蒸发和厚液膜核态沸腾的高强度微细尺度复合相变强化换热过程，带走巨大热量，其理论最大取热热流密度可达到W/的数量级。图1 微槽群复合相变热沉原理性结构及其弯月面形状三、 系统组成与工作过程 微槽群复合相变换热系统的基本单元由取热元件（微槽群复合相变取热器）、热量及流体输运管路、远程放热元件（远程微结构凝结器）三部分构成，如图2-3 所示。热量及流体输运管路包括蒸汽回路和凝结液回路两部分，分别将微槽群复合相变取热器和远程微结构凝结器连接起来，形成一个对外封闭的循环系统。系统中的热量和质量的输运按照由微槽群复合相变取热器、蒸汽回路、远程微结构凝结器、凝结液回路再回到微槽群复合相变取热器的顺

4、序进行，形成一个具有工质单向流动、液汽液相变取热和放热模式的无功耗循环（被动式循环），达到使发热器件冷却或余热利用的目的。图2 微槽群复合相变换热系统（自冷/空冷冷端模式）原理性结构示意图 图3 微槽群复合相变换热系统（水冷冷端模式）原理性结构示意图四、 与热管的区别 形式上与热管相似，但在换热机理、结构和性能等方面有本质不同： 1.采用强大的微细尺度复合相变强化换热机理；热管仅为普通的液膜蒸发； 2.无热管固有的沸腾、挟带、毛细管力等诸多传热极限； 3.无热管大功率散热时的高接触热阻与导热热阻以及装置笨重复杂问题； 4.无热管启动与工作稳定性方面的问题； 5.同等温度下的单位面积取热能力比热

5、管高出约100倍，且系统简洁、轻巧和紧凑。五、 技术优势与特点1.取热能力强 目前，系统最大取热热流密度达到400W/，相变换热系数高达W/()数量级，比强制水冷高3个数量级，单位面积取热能力比水冷高出1000倍，比热管高出约100倍。2.温度控制能力出色 可按用户要求控制器件温度至任意所需范围；实现小于1的温度波动。3.集中热处理模式 可建立集成式散热系统从分散的各个热源取热，并集中进行热处理或余热利用。4.远距离的热输运和散热 系统在无动力的情况下，可实现距离100米以外的大功率热量输运和散热。5.无功耗冷却、高效节能、节材 无需水泵等外来动力，极大降低冷却所需能耗。尤其对于大功率电力设备

6、冷却，有如下显著经济和节能效果： 可省去冷却水处理装置及所耗电能； 可省去大功率水泵及所耗电能； 可省去大功率风扇及所耗电能； 可省去取热用体积笨重铝锭； 可大幅度节省冷却水流量； 可大幅度提高电力电子器件的节能效果。6.高效率余热利用 取热与放热热阻极小，等温性高，相变模式热输运功率大且距离长，是一种新型高效的余热利用方法。7.可靠性高 可选择正压或负压工作，压力条件不苛刻，极易确保系统的密封性； 可选取绝缘性相变冷却工质，管路可用非金属材质以保证用户电绝缘要求。8.加工成本低 加工成本小于水冷、风冷以及热管等散热系统，加工工艺适于大批量生产； 所用相变冷却工质量极少，循环使用，无消耗、对环

7、境友好、成本低廉。六、 技术成熟度与相关产品样机 目前已获14项国家专利，技术进入成熟期。可针对用户的具体需求进行冷却系统及产品的设计，并与企业合作进行新产品开发和市场推广应用。 目前已有的主要产品样机包括： (1) 微槽群复合相变集成冷却整流柜 (2) MGCP微槽群复合相变SVC集成冷却系统 (3) 大功率微槽群复合相变LED工矿灯 (4) 大功率微槽群复合相变LED路灯 (5) 台式计算机微槽群复合相变被动式冷却器 (6) 自冷式被动循环微槽群复合相变电子/光电子器件散热器 (7) 光纤耦合模块泵浦MG-TEC组合热控制器 (8) 微通道微槽群（MC-MG）中间换热器七、 应用展示(晶闸

8、管表面工作温度低于50)微槽群复合相变集成冷却整流柜 a)MGCP微槽群复合相变取热器 b) MGCP大功率远程风冷式微结构冷凝器c) MGCP 大功率远程被动式微结构冷凝器（SVC晶闸管阀表面工作温度低于50）MGCP微槽群复合相变SVC集成冷却系统(100W，芯片温度50)大功率微槽群复合相变LED工矿灯(120W, 芯片温度50)大功率微槽群复合相变LED路灯与市场上现有LED路灯（40W）体积的比较 （CPU占有率为95时，芯片温度低于50）（取热热流密度：168W/，散热功率：132W）台式计算机微槽群复合相变被动式冷却器 自冷式被动循环微槽群复合相变 电子/光电子器件散热器 （泵头表面温度：251）（传热系数：1.6104W/（K） 光纤耦合模块泵浦MG-TEC组合热控制器微通道微槽群（MC-MG）中间换热