CN102155832B

CN102155832B - 一种化学与相变复合散热装置与方法

Info

Publication number: CN102155832B
Application number: CN2011100471701A
Authority: CN
Inventors: 李静; 姬升涛; 滕文锐; 王永; 姚泽民
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2011-02-28
Filing date: 2011-02-28
Publication date: 2012-10-31
Anticipated expiration: 2031-02-28
Also published as: CN102155832A

Abstract

本发明公开了一种化学与相变复合散热装置与方法，包括工质灌、动力泵、密闭容器和喷嘴；工质灌与动力泵通过管道连接，动力泵与喷嘴通过管道连接，二氧化碳水合物和碳组成混合工质，储存在工质灌中，二氧化碳水合物和碳以1∶54-65的摩尔比混合；喷嘴设置在密闭容器空腔内部顶端，密闭容器的底部设有热沉，密闭容器的上端设有出口；工质灌由保温、绝热、耐压材料制成。本散热系统的混合工质喷射到热沉表面，首先，二氧化碳水合物吸热气化，生成二氧化碳和水蒸气，其次，碳与二氧化碳和水蒸气发生化学吸热反应，快速移除大量的热。本系统将喷雾冷却技术与化学反应吸热技术相结合，达到对高功率元件迅速散热的目的。

Description

一种化学与相变复合散热装置与方法

技术领域

本发明涉及一种散热装置，特别是涉及一种化学与相变复合散热装置与方法。适用于高功率、高热流密度以及温度对元件性能影响较大的散热系统。

背景技术

随着激光功率增强、电子元件高度集成，高热流密度散热问题显得越来越重要，例如，电极表面高热流密度引起的烧蚀，不仅使设备整体性能下降，而且影响设备寿命；大功率半导体激光器的热沉积其表面的热流密度高达400W/cm²，高热流密度快速瞬态散热是限制其性能发挥和功率进一步提高的瓶颈。

高热流密度快速瞬态散热问题非常重要，是近几年国内国际上传热领域的热点研究内容。但目前的研究主要集中于喷射技术、工质选择、换热机理研究上，较少涉及热量空间转移的研究。对于高热流密度快速瞬态散热的理论研究没有深入，热量传递时间控制问题更是很少涉及，必须寻找解决的方法。

现有的散热技术，包括对流强化散热、沸腾散热、喷雾冷却其适用的热流密度比较小，对于高功率、高热流密度的元件表面的散热，很难达到散热的要求。目前，雾化喷射冷却是研究重点，以水为冷却液能力可达200W/cm²以上，在高温、高热流密度方面的应用前景得到人们的广泛关注。但该方法受到物理相变能力的限制，换热受到制约。因此该冷却方法存在工质选择较难，尤其是电绝缘性方面控制技术成本高等缺点。

二氧化碳水合物是水和二氧化碳在低温、高压条件下形成的一种较为特殊的包络化合物。压力为2-6MPa的情况下，二氧化碳水合物分解温度为285K；目前主要应用在气体分离、海水淡化及二氧化碳捕获等领域，将二氧化碳水合物在散热方面的应用，特别是高热流密度快速瞬态散热尚未见报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种将喷雾冷却技术和化学吸热反应散热技术相结合的，适用于高功率元件的快速散热系统。

本发明目的通过如下技术方案实现：

一种化学与相变复合散热装置：包括工质罐、动力泵、密闭容器和喷嘴；工质罐与动力泵通过管道连接，动力泵与喷嘴通过管道连接，二氧化碳水合物和碳组成混合工质，储存在工质罐中，二氧化碳水合物和碳以1∶54-65的摩尔比混合；喷嘴设置在密闭容器空腔内部顶端，密闭容器的底部设有热沉，热沉与高热流密度的功率元件相连接，使热沉的表面热流密度在100W/cm²以上；密闭容器的上端设有出口；工质罐由保温、绝热、耐压材料制成。

为进一步实现本发明目的，所述连接动力泵与喷嘴的管道上设有流量计。能够显示工质流量，便于控制温度及反应速度。

所述密闭容器上还设有温度计和压力计。显示容器内部温度、压力值，便于工质流量等参数的调整，保证系统的安全运行。

所述功率元件为高温反应釜，激光泵浦或者发动机燃烧室。

所述热沉呈平板长方体状、椭圆体或圆柱体；

所述喷嘴为一个或者多个，使喷出的混合工质均匀覆盖整个热沉上表面。

一种化学与相变复合散热方法：二氧化碳水合物和碳以1∶54-65的摩尔比混合组成混合工质，混合工质储存在工质罐中，混合工质通过与工质罐连通的动力泵加压后，经设置在密闭容器空腔内部顶端的喷嘴喷入设置在密闭容器空腔内底部的热沉上表面，来自高热流密度功率元件的热源使热沉的表面热流密度在100W/cm²以上；密闭容器中的二氧化碳水合物在高温的热沉内表面遇热液化并汽化，利用自身的汽化潜热吸收功率元件生成的热量，降低功率元件的温度；二氧化碳水合物随后发生分解反应，分解为二氧化碳和水蒸气；碳粉在高温下与二氧化碳及水蒸气进行化学反应，生成物主要为一氧化碳和氢气，反应为吸热反应，该吸热反应使功率元件得到二次散热；生成物通过出口排出，通过控制混合工质的喷入量控制密闭容器内的压力为8-10MPa，密闭容器内的温度为600-1000℃。

相对于现有技术，本发明具有如下优点：

（1）本发明散热系统集微喷射与化学吸热反应于一体，选用环保的二氧化碳与水合成的二氧化碳水合物及碳为原料，散热系统简单，便于控制，具有散热效果好，散热速率快，散热效率高等优点，对热流密度在400W/cm²及以上的大功率器件，能将其温度控制在800℃左右。

（2）每摩尔的二氧化碳水合物通过化学/相变复合传热可以移走670KJ热量。每摩尔水相变移走的热量为67KJ。本发明水合物单位的量移走的热量是水汽化潜热的10倍。

（3）本发明混合工质具备良好绝缘性、较大气化潜能、瞬间强吸热反应，反应产物可以做高热值燃料再次循环使用，反应后得到的产物是CO和H₂，CO热值比C提高6％左右，H₂热值比C提高3～4倍，相当于将能量转化成另一种能源，为能量循环使用提供必要条件。

（4）本发明由于反应时间的可控性，从根本上解决了瞬间热传递问题。

附图说明

图1为本发明散热系统的装置示意图。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所达到的目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。

如图1所示，一种化学与相变复合散热装置包括工质罐1、动力泵2、密闭容器3和喷嘴5；工质罐1与动力泵2通过管道连接，动力泵2与喷嘴5通过管道15连接，二氧化碳水合物6和碳7组成混合工质，储存在工质罐1中，二氧化碳水合物6和碳7以1∶54-65的摩尔比混合；喷嘴5设置在密闭容器3空腔内部顶端，密闭容器3的底部设有热沉9，热沉9与高热流密度的功率元件14相连接，使热沉9的表面热流密度在400W/cm²以上；密闭容器3的上端设有出口11，用于吸热反应后生成物一氧化碳、氢气等排出并收集。工质罐1由保温、绝热、耐压材料制成。连接动力泵2与喷嘴5的管道15上设有流量计4，能够显示混合工质流量，便于控制温及调节化学反应速率；密闭容器3上还设有温度计10和压力计12，显示密闭容器3内部温度、压力值。通过控制混合工质的喷入量可控制密闭容器3内的压力为8-10MPa，密闭容器3内的温度为600-1000℃。

功率元件14为高温反应釜，激光泵浦，发动机燃烧室或者大功率电子器件。功率元件14的热流密度一般在400W/cm²以上，因此该元件温度在短时间内将达到上千度，没有外界的散热措施，如此高的温度将危及元件的工作性能及寿命，该温度能满足吸热反应所需要的反应温度，为散热系统能正常工作提供条件。

热沉9优选呈平板长方体状、椭圆体或圆柱体；所述喷嘴5可为一个或者多个，使喷出的混合工质均匀覆盖整个热沉9上表面。

密闭容器3上端还可设有参数测量分析仪13，该参数测量分析仪13为气相色谱分析仪，可分析密闭容器3内各种气体的成分和含量情况，观察反应程度与传热的关系。便于工质流量等参数的调整，保证系统的安全运行。

应用时，二氧化碳水合物6和碳7以1∶54-65的摩尔比混合组成混合工质，混合工质储存在工质罐1中，混合工质通过与工质罐1连通的动力泵2加压后，经设置在密闭容器3空腔内内部顶端的喷嘴5喷入设置在密闭容器3空腔内底部的热沉9上表面，来自高热流密度功率元件14的热源使热沉9的表面热流密度在400W/cm²以上；密闭容器3中的二氧化碳水合物6在高温的热沉9内表面遇热液化并汽化，利用自身的汽化潜热吸收功率元件14生成的热量，降低功率元件14的温度；二氧化碳水合物6随后发生分解反应，分解为二氧化碳和水蒸气；碳7粉在高温下与二氧化碳及水蒸气进行化学反应，生成物8主要为一氧化碳和氢气，反应为吸热反应，该吸热反应使功率元件14得到二次散热；生成物8携带大量的热量通过出口11排出，并可被回收再利用，生成二氧化碳及水，并可形成二氧化碳水合物，达到往复循环利用的目的。通过控制混合工质的喷入量可控制密闭容器3内的压力为8-10MPa，密闭容器3内的温度为600-1000℃；保证密闭容器3内的分解以及吸热反应连续进行。

二氧化碳水合物6具有较高的气化潜热，二氧化碳水合物6气化温度在285K左右，控制压力可使其保藏在工质罐1中；碳7具有较高的反应活性，具有较高反应活性的碳7，在一定的温度和压力下能够迅速的与二氧化碳水合物6经过分解反应得到的二氧化碳和水蒸气发生强烈的化学反应。该华学反应为吸热反应，可将来源于功率元件14的热能转换成化学能，并快速有效较低功率元件14的温度。工作时，首先，运用微喷射冷却技术，将混合工质喷射到热沉9内表面，二氧化碳水合物6吸热液化并汽化，分解为二氧化碳和水蒸气，对功率元件14的温度进行初步控制，其次，高温下碳与二氧化碳和水蒸气反应，运用化学反应吸热技术使功率元件14在正常的工作温度范围内运行，通过该两步散热技术达到对大功率元件强化散热的目的，将功率元件14的温度控制在正常的工作范围内。

经检测，当密闭容器3内的温度设定为973K时，应用上述化学与相变复合散热装置对功率元件14为高温反应釜（热沉9温度为1000℃）进行散热处理时，每摩尔的二氧化碳水合物通过化学/相变复合传热可以移走670KJ热量。每摩尔水相变移走的热量为67KJ。由此可见，水合物单位的量移走的热量是水汽化潜热的10倍。另外，在考虑混合工质要具备良好绝缘性、较大气化潜能、瞬间强吸热反应同时，还考虑到反应产物可以做高热值燃料再次循环使用，反应后得到的产物是CO和H₂，CO热值比C提高6％左右，H₂热值比C提高3～4倍，这相当于将能量转化成另一种能源，为能量循环使用提供必要条件。同时由于反应时间的可控性，从根本上解决了瞬间热传递问题。

Claims

1.一种化学与相变复合散热装置，其特征在于：包括工质罐、动力泵、密闭容器和喷嘴；工质罐与动力泵通过管道连接，动力泵与喷嘴通过管道连接，二氧化碳水合物和碳组成混合工质，储存在工质罐中，二氧化碳水合物和碳以1∶54-65的摩尔比混合；喷嘴设置在密闭容器空腔内部顶端，密闭容器的底部设有热沉，热沉与高热流密度的功率元件相连接，使热沉的表面热流密度在100W/cm²以上；密闭容器的上端设有出口；工质罐由保温、绝热、耐压材料制成。

2.根据权利要求1所述的化学与相变复合散热装置，其特征在于：所述连接动力泵与喷嘴的管道上设有流量计。

3.根据权利要求1所述的化学与相变复合散热装置，其特征在于：所述密闭容器上还设有温度计和压力计。

4.根据权利要求1所述的化学与相变复合散热装置，其特征在于：所述功率元件为高温反应釜，激光泵浦或者发动机燃烧室。

5.根据权利要求1所述的化学与相变复合散热装置，其特征在于：所述热沉呈平板长方体状、椭圆体或圆柱体。

6.据权利要求1所述的化学与相变复合散热装置，其特征在于：所述喷嘴为一个或者多个，使喷出的混合工质均匀覆盖整个热沉上表面。

7.一种化学与相变复合散热方法：其特征在于：二氧化碳水合物和碳以1∶54-65的摩尔比混合组成混合工质，混合工质储存在工质罐中，混合工质通过与工质罐连通的动力泵加压后，经设置在密闭容器空腔内部顶端的喷嘴喷入设置在密闭容器空腔内底部的热沉上表面，来自高热流密度功率元件的热源使热沉的表面热流密度在100W/cm²以上；密闭容器中的二氧化碳水合物在高温的热沉内表面遇热液化并汽化，利用自身的汽化潜热吸收功率元件生成的热量，降低功率元件的温度；二氧化碳水合物随后发生分解反应，分解为二氧化碳和水蒸气；碳粉在高温下与二氧化碳及水蒸气进行化学反应，生成物主要为一氧化碳和氢气，反应为吸热反应，该吸热反应使功率元件得到二次散热；生成物通过出口排出，通过控制混合工质的喷入量控制密闭容器内的压力为8-10MPa，密闭容器内的温度为600-1000℃。