[发明专利]一种化学与相变复合散热装置与方法

说明书

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，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；工质灌由保温、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灌中，混合工质通过与工质灌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，反应为吸收反应，该吸热反应使功率元件的二次散热；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。