CN103595349A - 一种基于环路热管原理冷却的微热光电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于环路热管原理冷却的微热光电系统。本发明由微燃烧器、光电转化系统和光电池冷却系统组成，光电转化系统位于微燃烧器的两侧，由光电池组成，光电池冷却系统位于光电转化系统的外侧，由微蒸发器、蒸汽管道、微冷凝器和液体管道组成。本发明在微燃烧室顶部的多孔介质顶板与玻璃遮罩顶板内壁之间布置有泡沫铜；在微燃烧室外壳竖壁内侧有一个凹腔结构；光电池冷却系统采用环路热管系统；蒸发器分割为沸腾腔和吸液腔；冷凝器腔体内部设计有菱形交错的柱状结构，并在蒸发器和冷凝器内壁面采用多尺度的表面热功能结构，提高了系统热力性能。与常规热管对比，本发明结构上具有汽液管道分离，蒸发器和冷凝器一体化等优势。

Description

一种基于环路热管原理冷却的微热光电系统

技术领域

本发明属于微动力机电系统领域，具体涉及一种使用新型冷却装置的微热光电系统。

背景技术

近年来，随着电子元器件高频、高速、高度集成化及封装技术的迅猛发展，体积小、重量轻、能量密度高，适应节能减排要求的新型微热光电新能源系统得到了广泛应用。微热光电系统由微燃烧器、光电转化系统以及光电池冷却系统组成。氢气和氧气在微燃烧器内燃烧释放出化学能，使燃烧器壁面处于高温状态，通过微燃烧器外表面选择性涂层材料，发射一定波长的光谱，由半导体光伏材料吸收并进行光电转换和存储，实现电能对外输出。冷却系统对光电池表面进行冷却，维持系统持续稳定运行。整个系统清洁无污染，不需外置驱动部件，结构简单，成本低廉，输出电压稳定，能量密度能够达到普通锂电池的10倍以上。

燃烧器是系统的核心部件，提供经燃烧产生的持续、稳定的高温热源。然而燃烧室微小型化后，其表面积与体积的比值(面体比)增加了2个数量级，使得通过壁面的能量损失和自由基销毁几率大大增加，火焰稳定性变差，易发生不完全燃烧，导致辐射器表面温度降低，能量转化效率不高。此外，燃烧室特征尺寸太小，燃料与氧化剂在燃烧室停留时间太短，混合不均匀，导致燃烧效率降低，吹熄极限和稳燃范围减小。

微冷却系统无论采用常规自然对流冷却或强迫对流冷却，由于尺寸的微型化，使得传热功率偏低。微型普通热管受到毛细极限、沸腾极限以及蒸汽连续流动极限的制约，亦不能适应系统能量密度越来越高的趋势，成为限制系统性能提高的一个瓶颈。因此，如何设计体积小、布置简单、传热功率大的高效微冷却通道，进而提高系统性能、是微热光电系统急需解决的一个关键问题。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足而提供一种能量转化效率高、冷却效果佳、系统性能稳定的新型微热光电系统。

本发明采用的技术方案是：具有微燃烧器，微燃烧器包括玻璃遮罩和设置在玻璃遮罩内腔中的微燃烧室，玻璃遮罩和微燃烧室的两侧竖壁及顶部之间均留有空隙，玻璃遮罩底板和微燃烧室外壳底板相平。微燃烧室由微燃烧室外壳和多孔介质面板组成，微燃烧室外壳的顶板是多孔介质面板，在微燃烧室外壳的多孔介质顶板与玻璃遮罩顶板内壁之间的顶部间隙布置泡沫铜；在距离多孔介质顶板一定距离，微燃烧室外壳的竖直内壁厚度减薄，一定距离后逐渐恢复到原厚度，形成一个凹腔结构；在微燃烧室外壳的外侧壁上有选择性涂层（光电池材料有不同选择，各种不同材料的光电池对光能的吸收范围不同，针对光电池材料的不同选取对应的涂层，故称为选择性涂层）；玻璃遮罩外壁面固定贴合一层玻璃隔热层，玻璃隔热层与光电池一侧紧密相连，光电池的另一侧与蒸发器无缝连接；玻璃遮罩底板上布置均与玻璃遮罩和微燃烧室之间的间隙相通的氢气入口和氧气入口，微燃烧室外壳的底板上布置有排气出口。采用环路热管系统对光电池进行冷却，该系统由微蒸发器、蒸汽管道、微冷凝器和液体管道组成。微蒸发器由封闭的外壳组成，在距离外壳底板一定高度两侧布置有两块上端倾斜的隔热板，隔热板倾斜面与蒸发器外壳竖壁内壁相连,将蒸发器分为沸腾腔和2个吸液腔；沸腾腔内垂直于蒸发室加热内壁面平行的焊接多片强化沸腾板，强化沸腾板下端与隔热板底端同一高度，强化沸腾板顶端与蒸发器外壳顶板内壁面的距离为强化沸腾板底端与蒸发器外壳底板内壁面距离的3倍；蒸发器外壳顶板上布置有蒸汽出口；吸液腔内布置有上端倾斜的多孔毛细芯，回流液体入口设置在蒸发器外壳的竖壁下部；吸液腔、隔热板和强化沸腾板底部留有矩形流道；蒸汽管道位于蒸发器的顶端，蒸汽经蒸汽管道流入微冷凝器；微冷凝器由冷凝腔体和布置在外壳外侧壁面的散热翅片组成。铝制冷凝器外壳通过密封圈与蒸发器、光电池、玻璃隔热层、玻璃遮罩的侧壁面相连，组成冷凝腔体，冷凝器腔体内部设计有菱形交错的柱状结构。冷凝器外壳的上端面开有蒸汽入口孔，冷凝器外壳的下端面布置有液体出口孔，此孔与蒸发器外壳竖壁下部的回流液体入口孔对应。

本发明采用上述技术方案后具有如下有益效果：

1.        系统清洁无污染；结构简单，无外置驱动部件，被动散热，非能动性优越；能量密度高且输出电压稳定；成本低廉；

2.        增设燃料气体的预热通道，利用燃烧器壁面的散热加热预热气体，提高反应物焓值, 同时预热气体流经布置在微燃烧室外壳的多孔介质顶板与玻璃遮罩顶板内壁之间的泡沫铜，充分混合，后经多孔介质的进气面板均匀进入燃烧室, 提高燃烧反应速度和燃烧效率。采用凹腔结构的微燃烧器产生回流区实现稳定的微尺度燃烧，获得相对均匀的温度场分布和燃烧器壁面温度, 降低燃料熄火间距，扩展微燃烧室的稳定燃烧界限，同时减小燃烧器的热量损失,提高能量利用效率；

3.         采用环路热管系统对光电池进行冷却,通过工作流体的汽液相变实现小温差下高热流密度的能量传递。将蒸发器结构(蒸发器分割为沸腾腔和吸液腔)和冷凝器结构(冷凝器腔体内部设计有菱形交错的柱状结构)优化，并在蒸发器和冷凝器内壁面采用多尺度的表面热功能结构，提高了系统热力性能。冷凝器和液体管道一体化设计，简化了系统。与常规热管对比，结构上具有汽液管道分离，蒸发器和冷凝器一体化等优势，使其具有传热功率大、热传导高、不易干涸、易于控制、布置方便等优点。

附图说明

图 1 为本发明的立体图；

图 2 为本发明的主视图、俯视图和侧视图；

图 3 为微燃烧器1，玻璃隔热层2，光电池3，微蒸发器4的平面结构图；

图 4 为微蒸发器4的平面结构图；

图 5 为微冷凝器6的结构图。

其中：1. 微燃烧器；2. 玻璃隔热层；3.光电池；4.微蒸发器；5.蒸汽管道；6.微冷凝器；7.密封圈；8.泡沫铜；9. 微蒸发器外壳；10. 多孔介质面板；11.微蒸发器腔室；12.凹腔结构；13.玻璃遮罩；14.氢气预热通道；15.选择性涂层；16.微燃烧室外壳；17.微燃烧室；18.氧气预热通道；19.氧气入口；20.排气出口；21.氢气入口；22.蒸汽出口；23.沸腾腔；24.强化沸腾板；25.隔热板；26.液体入口；27.吸液腔；28.毛细芯；29.矩形通道；30.蒸汽入口；31.冷凝腔体；32.微冷凝器外壳；33.冷凝柱；34. 液体出口；35.散热翅片。

具体实施方式

图1、图2所示分别为本发明的立体图和三视图。本发明由微燃烧器1、光电转化系统和光电池冷却系统组成，光电转化系统位于微燃烧器1的两侧，由光电池3组成，光电池冷却系统位于光电转化系统的外侧，由微蒸发器4、蒸汽管道5、微冷凝器6和液体管道组成。

图2为微燃烧器1，玻璃隔热层2，光电池3，微蒸发器4的平面结构图。微燃烧器1由玻璃遮罩13密封包裹微燃烧室17构成。微燃烧室17由微燃烧室外壳16和顶板多孔介质面板10组成。玻璃遮罩13底板与微燃烧室外壳16底板相平。在微燃烧室外壳16底板上开有排气出口20，微燃烧室外壳16竖壁外侧面涂有选择性涂层15。玻璃遮罩13底板上面布置有氢气入口21和氧气入口19。玻璃遮罩13竖壁内侧与微燃烧室外壳16竖壁外侧间构成氢气预热通道14和氧气预热通道18。燃气由氢气入口21和氧气入口19进入氢气预热通道14和氧气预热通道18，预热后的气体流经布置在玻璃遮罩13顶板内壁与多孔介质面板10外壁气体混合区的泡沫铜8充分混合，由多孔介质面板10进入微燃烧室17燃烧，尾气从排气出口20排出装置。在距离多孔介质面板10下壁面一定距离，微燃烧室外壳16竖壁内侧减薄，形成一个凹腔结构12。微燃烧室外壳16采用SiC陶瓷，玻璃遮罩13采用有机石英玻璃。玻璃遮罩13 竖壁外侧经耐热玻璃隔热层2与光电池3紧密相连，光电池3另一侧与微蒸发器4无缝连接。

图3为微蒸发器4平面结构图。微蒸发器4由微蒸发器外壳9密封构成，微蒸发器外壳9顶板开有蒸汽出口22，微蒸发器外壳9竖壁开有两个流体入口26。两块上端倾斜的隔热板25与微蒸发器竖壁内壁相连，将微蒸发器4内腔室分为沸腾腔23和两个吸液腔27。吸液腔内布置有毛细芯28。沸腾腔23内垂直于蒸发室加热内壁面平行焊接多片强化沸腾板24，强化沸腾板24下端与隔热板25底端同一高度，强化沸腾板24顶端与微蒸发器外壳9顶板内壁面的距离为强化沸腾板24底端与微蒸发器外壳9底板内壁面距离的3倍。强化沸腾板24，隔热板25和毛细芯28下端为流体流动的矩形通道29。微蒸发器4的蒸发内表面和强化沸腾板24表面采用纵横刨削挤压成形工艺制造纵横交错的沟槽结构，利于核态沸腾和强化沸腾。

图4为微冷凝器6结构图。冷凝腔体31由微冷凝器外壳32经密封圈7与微燃烧器1，玻璃隔热层2，光电池3，微蒸发器4侧竖壁面相连组成。微冷凝器外壳32顶板开有两个蒸汽入口30，底板布置有2个液体出口34。冷凝腔体31内壁面加工有纵横交错的沟槽并焊接有菱形交错的冷凝柱33，外壁面焊接散热翅片35。

在常温常压下，氢气和氧气以一定比例通过氢气入口21和氧气入口19进入氢气预热通道14和氧气预热通道18，吸收微燃烧室外壳16竖壁外侧辐射和对流热量，温度升高,焓值增加，流经布置在玻璃遮罩13顶板内壁与多孔介质面板10外壁形成的气体混合区的泡沫铜8，确保燃料气体充分混合，混合气体经多孔介质面板10均匀进入微燃烧室17进行燃烧。微燃烧室17进口布置的凹腔结构12，使高温燃气产生回流，增加高温气体在微燃烧室17的停留和燃烧时间，提高燃烧效率，降低燃料熄火间距，扩展微燃烧室的稳定燃烧界限并获得相对均匀的燃烧器壁面温度。经辐射和对流吸收高温燃气的热量后，微燃烧室外壳16竖壁外侧处于高温状态，通过选择性涂层15，发射特定波长光谱，由光电池3吸收并进行光电转换对外输出，燃烧尾气最后由排气出口20排出装置。

环路热管系统对光电池进行冷却。在系统密封良好的条件下，为降低微蒸发器表面温度，有效提高冷却系统功率，对环路热管系统进行抽真空后，再进行工质的充灌。

光电池3吸收热量后，温度升高，其热负荷通过微蒸发器外壳9壁面传入蒸发器沸腾腔23，液体在微蒸发器外壳9内壁面和强化沸腾板24壁面吸收热量后，蒸发气化，工质通过蒸汽管道5进入微冷凝器6的蒸汽入口30。在冷凝器腔体31的强化冷凝作用下，气化的工质凝结为液体，液体经流体出口34回流到微蒸发器4的吸液腔27，不断给沸腾腔23补充液体工质。微冷凝器6释放的热量由微冷凝器外壳32和散热翅片35释放到周围环境中。工质不断吸收光电池3的热量，蒸发，冷凝，释放，完成循环，保证了新型微光电系统的稳定运行。

采用氢气预热通道14，氧气预热通道18和凹腔结构12的新型微燃烧系统，不仅减小微燃烧室外壳16竖壁的能量损失，提高燃气的进口焓，并使高温燃气产生回流，增加高温气体在微燃烧室17停留和燃烧时间，提高燃烧效率，扩展微燃烧室的稳定燃烧界限，提高能量利用率。

微蒸发器4和微冷凝器6内壁面微观结构增加了有效传热面积，扩大了沸腾腔23和冷凝腔体31内表面成核点密度，增强了沸腾和冷凝。冷凝器腔体31内壁面的菱形柱状结构33，可使蒸汽在冷凝腔体31内流场分布更均匀，有效增加冷凝腔体31内部蒸汽换热面积，强化蒸汽工质在冷凝腔体31内部的冷凝效率，提高微冷凝器6内部热量传递至微冷凝器外壳32的速度。微冷凝器6外壁设计翅片结构35，增加了微冷凝器外壳32有效外表散热面积，使热量能够快速散失到周围空气。

Claims (3)

1.一种基于环路热管原理冷却的微热光电系统，由微燃烧器（1）、光电转化系统和光电池冷却系统组成，光电转化系统位于微燃烧器（1）的两侧，光电池冷却系统位于光电转化系统的外侧，其特征在于：所述微燃烧器（1）包括玻璃遮罩（13）和设置在玻璃遮罩（13）内腔中的微燃烧室（17），微燃烧室（17）由微燃烧室外壳（16）和位于微燃烧室（17）顶部的多孔介质顶板（10）组成，玻璃遮罩（13）底板与微燃烧室外壳（16）底板相平，玻璃遮罩（13）和微燃烧室（17）的两侧及顶部之间均留有空隙，形成氢气预热通道（14）、氧气预热通道（18）和气体混合区，玻璃遮罩（13）的底板上分别布置有与氢气预热通道（14）和氧气预热通道（18）相通的氢气入口（21）和氧气入口（19），在距离多孔介质面板（10）下壁面一定距离，微燃烧室外壳（16）竖壁内侧减薄，形成一个凹腔结构（12），微燃烧室外壳（16）底板设有排气出口（20），在微燃烧室外壳（16）的外侧壁上有选择性涂层（15），玻璃遮罩（13）外侧壁贴合一层玻璃隔热层（2）；

所述光电转化系统包括位于微燃烧器（1）两侧的光电池（3），光电池（3）的一侧与玻璃隔热层（2）紧密相连，另一侧与微蒸发器（4）无缝连接；

所述光电池冷却系统由微蒸发器（4）、蒸汽管道（5）、微冷凝器（6）和液体管道组成，微蒸发器（4）两侧竖壁内壁面各设有一块上端倾斜的隔热板（25），将蒸发器分为沸腾腔（23）和2个吸液腔（27），沸腾腔（23）内垂直于蒸发室内壁面平行焊接多片强化沸腾板（24），吸液腔（27）内布置有上端倾斜的多孔毛细芯（28），蒸汽出口（22）位于微蒸发器外壳（9）的顶板中心，回流液体入口（26）设置在微蒸发器外壳（9）的两侧竖壁下部，蒸汽管道（5）位于微蒸发器（4）的顶端，微蒸发器（4）内的蒸汽由蒸汽出口（22）进入蒸汽管道（5），微冷凝器（6）由冷凝腔体（31）和布置在微冷凝器外壳（32）外侧壁面的散热翅片（35）组成，微冷凝器外壳（32）通过密封圈（7）与微蒸发器（4）、光电池（3）、玻璃隔热层（2）、玻璃遮罩（13）的侧壁面相连，组成冷凝腔体（31），冷凝腔体（31）内壁面焊接有菱形交错的冷凝柱（33），微冷凝器外壳（32）的上端面开有蒸汽入口（30），蒸汽管道（5）内的蒸汽由蒸汽入口（30）进入微冷凝器（6），微冷凝器外壳（32）的下端面布置有液体出口（34），液体出口（34）与微蒸发器外壳（9）两侧竖壁下部的回流液体入口（26）相通。

2.根据权利要求1所述的一种基于环路热管原理冷却的微热光电系统，其特征在于：所述玻璃遮罩（13）的顶板内壁与多孔介质面板（10）的外壁之间的气体混合区布置有泡沫铜（8）。

3.根据权利要求1所述的一种基于环路热管原理冷却的微热光电系统，其特征在于：所述微蒸发器（4）的蒸发室内壁面、冷凝腔体（31）内壁面和强化沸腾板（24）表面采用纵横刨削挤压成形工艺制造纵横交错的沟槽结构。

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