專利名稱：風(fēng)冷式微槽群與熱電組合激光器熱控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及冷卻技術(shù)領(lǐng)域，是一種激光器器件、電子電氣元器件 和其它光電子器件的散熱與熱控制系統(tǒng)，特別是應(yīng)用于各種小尺寸的、大 功率的激光器器件、電子電氣元器件和其它光電子器件的終極熱沉采用強(qiáng)制風(fēng)冷散熱的毛細(xì)微槽群與熱電致冷器(TEC)組合熱控制系統(tǒng)。
技術(shù)背景大功率激光器是高精度機(jī)械加工必不可少的設(shè)備，是重要的武器裝備， 在激光加工、信息和軍事等領(lǐng)域中有著廣泛而重大的應(yīng)用價(jià)值。然而激光 器的激光輸出功率的提高受到激光器散熱性能與熱控制性能優(yōu)劣的嚴(yán)重 制約。 一般的閃光泵浦源激光器只有5%的輸入能量可轉(zhuǎn)變?yōu)榧す廨敵?，?者都要轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芎推渌问降哪芰?，如輸入lkw的電能，只有50w激光 輸出，而散熱要達(dá)到900w左右。目前許多高性能大功率激光器器件的發(fā) 熱熱流密度都大于10V/V以上，因此能否解決好散熱是大功率激光器發(fā) 展的關(guān)鍵技術(shù)之一。另外一方面，提高激光器的功率除了散熱問題外，還 必須實(shí)現(xiàn)對(duì)部件的溫度控制。避免激光工作介質(zhì)的熱效應(yīng)引起光束質(zhì)量及 效率下降。例如，由于激光器工作時(shí)激光晶體的溫度將升高，如果不進(jìn)行 控制，會(huì)引起工作物質(zhì)發(fā)光特性發(fā)生變化，激光波長(zhǎng)發(fā)生偏移，導(dǎo)致激光 器閾值升高，效率和激光質(zhì)量降低。另外，在激光器工作時(shí)，激光器器件
溫度分布的不均勻，將形成溫度梯度，溫度梯度的存在會(huì)使激光介質(zhì)內(nèi)部 形成折射率梯度和應(yīng)力分布，引起激光束產(chǎn)生聚焦P雙折射和退偏振等熱 效應(yīng)，從而降低激光器的光束質(zhì)量和功率水平。因而在保證散熱效果的基 礎(chǔ)上對(duì)激光器實(shí)施可靠的熱控制手段同樣至關(guān)重要。以上所述的激光器的 散熱和熱控制問題可以歸納為激光技術(shù)中的熱管理技術(shù)問題，是大功率激 光器發(fā)展的瓶頸，必須加以解決。目前常規(guī)的方法是對(duì)器件進(jìn)行空氣或者 液體冷卻，但這些常規(guī)冷卻技術(shù)根本無法解決上面提出的問題，必須采用 新的冷卻技術(shù)才能滿足要求。另外，隨著大規(guī)模集成電路(LSI)的發(fā)展，高集成度的電子電氣元器 件的體積發(fā)熱熱流密度的增大趨勢(shì)非常迅猛。熱量的累積將導(dǎo)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(gè)電子 設(shè)備崩潰。因此，配置強(qiáng)有力的散熱與熱控制系統(tǒng)對(duì)維持電子電氣元器件 的正常運(yùn)行也至關(guān)重要。目前，應(yīng)用于激光器器件、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(qiáng)制風(fēng)冷利用風(fēng)扇進(jìn)行直接強(qiáng)制氣冷是目前使用最廣泛的激光器器件、電子電 氣元器件和其它光電子器件的散熱方式。通常利用鋁或銅制散熱片增加對(duì) 流面積，再以風(fēng)扇進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)流氣冷而達(dá)到散熱的效果。散熱片的設(shè)計(jì)與 風(fēng)扇的配合決定了該方式散熱效果的好壞。特點(diǎn)裝置簡(jiǎn)單，成本較低。其換熱系數(shù)大致在20 100W/(m^C)之間。該種散熱方式效率低、噪音大、 功耗高、需占用較大的空間，熱控制性能差，單獨(dú)應(yīng)用到小尺寸的大功率 器件時(shí)該方式的散熱能力不足。如用于個(gè)人電腦CPU散熱的強(qiáng)制空氣冷卻 方式，目前最多能處理60W的CPU芯片熱量。其散熱片與風(fēng)扇的組合已接 近極限負(fù)荷的狀態(tài)。(2) 常規(guī)尺寸的液體單相直接強(qiáng)制對(duì)流冷卻 常規(guī)尺寸的液體單相強(qiáng)制對(duì)流冷卻，是一種被證明了的可靠的傳統(tǒng)冷卻技術(shù)。該冷卻方式利用冷卻液、導(dǎo)熱部件、泵、閥以及連通的循環(huán)管路， 通過液體的單相強(qiáng)制對(duì)流換熱方式將發(fā)熱器件產(chǎn)生的熱量，由流通于管路 中的液體，攜帶轉(zhuǎn)移到外部環(huán)境中去，以達(dá)到降低發(fā)熱器件溫度的效果。其對(duì)流換熱系數(shù)的大致范圍為100CTl5000W/(niVC)。冷卻較大功率的激光 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，裝置復(fù)雜，必須克服水循環(huán)時(shí)的壓降，管路易泄 漏，易造成電路絕緣等級(jí)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已應(yīng)用在一些激光器、電子電氣和其它光電子設(shè)備中的一 種較新的散熱技術(shù)。發(fā)熱元器件產(chǎn)生的熱量使熱管蒸發(fā)段的液體受熱蒸發(fā) 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(fēng)扇對(duì)熱管冷凝段進(jìn)行強(qiáng)制液冷或風(fēng)冷以帶走熱量。其主要優(yōu)點(diǎn)在于熱控制性能好、 傳熱能力強(qiáng)、等溫性高、具有熱流密度變換能力等。但是，普通熱管由于 蒸汽和液體處于同一空間，易產(chǎn)生挾帶現(xiàn)象，使凝結(jié)液回流減少，造成蒸發(fā)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 力低于6W/cm2，水熱管的散熱能力在25 100W/cn^之間。另外，由于熱管 管徑較小，熱管冷凝段冷凝面積有限，總凝結(jié)換熱量很小，因而，盡管熱 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(yīng)(Peltier效應(yīng))。即當(dāng)電流流經(jīng)兩個(gè)不同導(dǎo)體形成的接點(diǎn)時(shí)，接點(diǎn)處會(huì)產(chǎn)生放熱和吸熱現(xiàn)象?，F(xiàn)在應(yīng)用的熱電材 料多以摻雜Bi、 Te半導(dǎo)體合金材料為主。因而熱電冷卻技術(shù)也被稱為半
導(dǎo)體冷卻技術(shù)。熱電致冷器的優(yōu)點(diǎn)是沒有滑動(dòng)部件，應(yīng)用在一些空間受到 限制，可靠性要求高，無致冷劑污染的場(chǎng)合，可實(shí)現(xiàn)高精度的溫度控制， 熱慣性非常小，致冷時(shí)間快。但由于受材料的限制，目前常規(guī)半導(dǎo)體致冷器的尺寸仍不夠小，致冷效率不夠高，散熱熱流密度低于10W/cm2的數(shù)量級(jí)。如單獨(dú)使用，則無法滿足小尺寸、大功率的激光器器件、電子電氣元 器件和其它光電子器件的散熱與熱控制要求。實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于解決現(xiàn)有散熱技術(shù)存在的效率低、需占用較 大的激光器、電子電氣和其它光電子系統(tǒng)的有限功能空間、散熱能力不足、 熱控制性能差的技術(shù)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(shí)，滿足發(fā)熱元器件的低于環(huán)境溫度的工作溫度要求、 能對(duì)發(fā)熱元器件進(jìn)行高精度溫度控制和具有強(qiáng)散熱能力的終極熱沉采用強(qiáng)制風(fēng)冷散熱的毛細(xì)微槽群與熱電致冷器(TEC)組合熱控制系統(tǒng)。 本實(shí)用新型的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一種風(fēng)冷式微槽群與熱電組合激光器熱控制系統(tǒng)，包括微槽群蒸發(fā)器(3)、軟管、冷凝器(6)、熱電致冷器(7)、散熱板(8)、風(fēng)扇(9)、 導(dǎo)液微槽連接器(11);其中，蒸發(fā)器(3)為一抽真空的空腔，且其內(nèi)灌 注少量液體工質(zhì)，微槽群蒸發(fā)器(3)的一外表面與發(fā)熱元器件或其次熱 沉(1)外表面緊貼相連，在微槽群蒸發(fā)器(3)接受發(fā)熱元器件發(fā)熱量的 受熱內(nèi)表面上設(shè)有多數(shù)個(gè)開放式毛細(xì)微槽道，形成蒸發(fā)微槽群(2)，用以將液體工質(zhì)吸入到微槽中并使其發(fā)生高強(qiáng)度蒸發(fā)和沸騰變成蒸汽；其特征在于，還包括在微槽群蒸發(fā)器(3)的頂面上設(shè)有至少一個(gè)蒸汽出口 (15)， 蒸汽出口 (15)所在的微槽群蒸發(fā)器(3)的內(nèi)壁面上設(shè)置有縱橫交錯(cuò)的 微槽(4)，用來將蒸汽出口處的冷凝液迅速拉離蒸汽出口位置，避免冷凝液對(duì)蒸汽出口的堵塞，蒸發(fā)器(3)的下端與導(dǎo)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(fā)器(3)的蒸汽出口(15)相連，另一端與冷凝器(6)的蒸汽進(jìn)口相接，蒸汽從微槽群蒸發(fā) 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(jìn)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(gè)蒸汽進(jìn)口，該冷凝器(6)的空腔內(nèi)壁縱向分布多數(shù)個(gè)開放式 凝結(jié)微槽(14)，空腔內(nèi)底部設(shè)置有斜坡面(13)，斜坡面(13)上沿斜坡 長(zhǎng)度方向布置有多數(shù)個(gè)導(dǎo)流微槽(12)，用以迅速收集凝結(jié)液，斜坡面(13) 底端有至少一個(gè)凝結(jié)液出口；在冷凝器(6)的兩側(cè)外壁面上分別設(shè)置至 少一個(gè)熱電致冷器(7)，每個(gè)熱電致冷器(7)的冷面通過焊接或用導(dǎo)熱 性能好的粘合劑或?qū)峁柚c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(dǎo)熱性能好的粘合劑或?qū)峁柚c有肋片群 的散熱板(8)緊密接觸，在熱電致冷器(7)的作用下，蒸汽在冷凝器(6) 的開放式凝結(jié)微槽(14)中凝結(jié)成凝結(jié)液并放熱；熱電致冷器將蒸汽在冷 凝器(6)的開放式凝結(jié)微槽(14)中凝結(jié)所釋放的熱量以及自身產(chǎn)生的 熱量通過熱電致冷器(7)的熱面?zhèn)鲗?dǎo)到散熱板(8)上，在散熱板(8) 的頂部設(shè)有風(fēng)扇(9)，通過風(fēng)扇的風(fēng)冷，熱量最終被散失到外界中去，而 凝結(jié)液則經(jīng)冷凝器(6)底部的斜坡面(13)被迅速匯集到冷凝器(6)的 凝結(jié)液出口處；冷凝器(6)的凝結(jié)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(gè)進(jìn)液口的導(dǎo)液微槽連接 器(11)的進(jìn)液口相接，導(dǎo)液微槽連接器(11)為帶狀，其內(nèi)設(shè)有多數(shù)根 并行緊密排列的微管，微管上端與微槽群蒸發(fā)器(3)中的蒸發(fā)微槽群(2) 相連通，下端與回液軟管(10)相連通。冷凝器(6)的凝結(jié)液出口處的 凝結(jié)液通過回液軟管(10)和導(dǎo)液微槽連接器(11)最終流回到微槽群蒸發(fā)器(3)中，系統(tǒng)從而完成一個(gè)取熱和放熱的循環(huán)，達(dá)到使發(fā)熱的激光器器件冷卻和對(duì)其進(jìn)行熱控制的目的。所述的風(fēng)冷式微槽群與熱電組合激光器熱控制系統(tǒng)，其所述微槽群蒸發(fā)器(3)由導(dǎo)熱金屬材料制成，其內(nèi)部受熱壁面上設(shè)置的蒸發(fā)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—lrara范圍內(nèi)，微槽道之間的間距在0.01—lmm范圍內(nèi)，在微 槽群蒸發(fā)器(3)的蒸汽出口 (15)所在壁面上密布縱橫交錯(cuò)的微槽(4)， 其橫截面為矩形、三角形、梯形、U形幾何形狀，縱向和橫向微槽的寬度 和深度在0. 01—lmm范圍內(nèi)，微槽道之間的間距在0. Ol—lmm范圍內(nèi)。所述的風(fēng)冷式微槽群與熱電組合激光器熱控制系統(tǒng)，其所述冷凝器(6) 由導(dǎo)熱金屬材料制成；冷凝器(6)內(nèi)壁縱向密布有許多開放式凝結(jié)微槽 (14)，凝結(jié)微槽(14)的橫截面為梯形、三角形或波浪形，凝結(jié)微槽(14) 的寬度和深度在O.Ol — lOmm范圍內(nèi)，凝結(jié)微槽(14)之間的間距在 0.01-20腿范圍內(nèi)；冷凝器(6)的外表面為光滑平坦表面。所述的風(fēng)冷式微槽群與熱電組合激光器熱控制系統(tǒng)，其所述冷凝器(6) 空腔內(nèi)底部斜坡面上的矩形導(dǎo)流微槽道(12)的寬度和深度均在0.01—lmm 范圍內(nèi)，微槽道之間的間距在0. 01—l腿范圍內(nèi)。所述的風(fēng)冷式微槽群與熱電組合激光器熱控制系統(tǒng)，其所述導(dǎo)液微槽
連接器(11 )內(nèi)的多數(shù)根并行緊密排列的微管，其單根微管內(nèi)徑大小在0. 01一2mm的范圍內(nèi)，由塑料軟管或軟金屬或能任意彎曲的材料制成。所述的風(fēng)冷式微槽群與熱電組合激光器熱控制系統(tǒng)，其所述蒸汽保溫軟管(5)由能任意彎曲的材料制成，其內(nèi)徑在l一20mm的范圍內(nèi)。所述的風(fēng)冷式微槽群與熱電組合激光器熱控制系統(tǒng)，其所述回液軟管 (10)的內(nèi)徑在O. l—10mm的范圍內(nèi)，能形成毛細(xì)力驅(qū)動(dòng)作用，由能任意彎曲的材料制成。所述的風(fēng)冷式微槽群與熱電組合激光器熱控制系統(tǒng)，其所述回液軟管 (10)內(nèi)沿管軸方向設(shè)有毛細(xì)芯，該毛細(xì)芯為單層或多層目數(shù)在50 — 450 目之間的不銹鋼或銅絲網(wǎng)芯。所述的風(fēng)冷式微槽群與熱電組合激光器熱控制系統(tǒng)，其所述熱電致冷 器(7)為利用熱電效應(yīng)(即Peltier效應(yīng))的一種片狀半導(dǎo)體致冷裝置， 單個(gè)熱電致冷器(7)的長(zhǎng)度在l一500mm范圍內(nèi)，寬度在l一500腿范圍 內(nèi)，厚度在0.5—100mm范圍內(nèi)，單個(gè)熱電致冷器的最大致冷功率在0— 500W范圍內(nèi)。所述的風(fēng)冷式微槽群與熱電組合激光器熱控制系統(tǒng)，其所述的有肋片 群的散熱板(8)上的單個(gè)肋片的高度在O. 1-60mm的范圍內(nèi)，肋片厚度在 0. 1-10mm的范圍內(nèi)，肋片間距在O. l-10mm的范圍內(nèi)，所述的安裝在散熱 板(8)頂部的風(fēng)扇(9)的大小與散熱板的外形尺寸相匹配，風(fēng)扇功率在 0. 5—200W之間。本實(shí)用新型的技術(shù)效果
國(guó)內(nèi)外的研究表明，微通道內(nèi)的流動(dòng)及傳熱的總體特性與大尺度通道 內(nèi)的結(jié)果有很大不同，微槽道內(nèi)工質(zhì)的蒸發(fā)和沸騰有著極高的強(qiáng)度，屬于 微空間尺度下的傳熱傳質(zhì)的超常現(xiàn)象，其相變蒸發(fā)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(jì)算機(jī)芯片的最高發(fā)熱熱流密度 還要高出約兩個(gè)數(shù)量級(jí)，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(diǎn)，通過電流輸入回饋計(jì)算，其冷端溫度可以精確控制在士o. rc以內(nèi)。本實(shí)用新型中的本地取熱元件(微槽群蒸發(fā)器3)由于采用了微槽道內(nèi)工質(zhì)的蒸發(fā)和沸騰換熱原理，其尺寸可以小到與很小的激光器器件、電子電氣元器件和其它光電子器件的發(fā)熱面尺寸相匹配；本實(shí)用新型中的熱量及流體輸運(yùn)器件采用了毛 細(xì)泵兩相抽吸回路原理，可以將本地取熱元件所取的高熱流密度的熱量及 時(shí)輸運(yùn)至遠(yuǎn)地。同時(shí)，本實(shí)用新型中的冷凝器布置在遠(yuǎn)離激光器、電子電 氣和其它光電子設(shè)備的功能系統(tǒng)以外的空間里，并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，本實(shí)用新型通 過本地取熱元件(微槽群蒸發(fā)器)、熱量及流體輸運(yùn)器件、遠(yuǎn)程放熱元件 (冷凝器)、熱電致冷器、散熱板與風(fēng)扇的組合可以將狹窄空間里尺寸微 小的大功率激光器器件、電子電氣元器件和其它光電子器件所產(chǎn)生的高熱 流密度的發(fā)熱量及時(shí)地散失到異地的外界大環(huán)境空間里去，并且利用微槽 群蒸發(fā)器的高強(qiáng)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(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)熱的激光器器件、電子電氣元器件和其它光電 子器件的溫度控制。本實(shí)用新型無需像一些傳統(tǒng)散熱冷卻方式那樣，為強(qiáng) 化對(duì)流換熱冷卻而必須在發(fā)熱的激光器器件、電子電氣元器件和其它光電子器件所處的有限空間里布置體積較大的肋片、電扇及相關(guān)散熱與熱控制 部件，從而可以大幅度地節(jié)省激光器、電子電氣和其它光電子設(shè)備系統(tǒng)的 功能空間，實(shí)現(xiàn)整個(gè)散熱系統(tǒng)的無功耗取熱、遠(yuǎn)距離熱輸運(yùn)、靜音運(yùn)行、 高強(qiáng)度的散熱冷卻和對(duì)發(fā)熱的激光器、電子電氣和其它光電子設(shè)備進(jìn)行高 精度的遠(yuǎn)程熱控制的目的。


圖1是本實(shí)用新型中微槽群蒸發(fā)器中的蒸發(fā)微槽群的結(jié)構(gòu)示意圖；其中:圖l(a)蒸發(fā)微槽群表面；圖l(b)蒸發(fā)微槽群的微槽道剖面；圖2是本實(shí)用新型中微槽群蒸發(fā)器內(nèi)部蒸汽出口壁面上的縱橫交錯(cuò)的 微槽結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本實(shí)用新型中冷凝器及其內(nèi)壁上凝結(jié)微槽結(jié)構(gòu)示意圖；其中 圖3(a)冷凝器的內(nèi)部剖視圖； 圖3(b)豎直開放式梯形凝結(jié)微槽； 圖3(c)豎直開放式梯形凝結(jié)微槽道剖面； 圖4是本實(shí)用新型中導(dǎo)液微槽連接器結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5是本實(shí)用新型的風(fēng)冷式微槽群與熱電組合激光器熱控制系統(tǒng)的結(jié) 構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型提供的終極熱沉采用強(qiáng)制風(fēng)冷散熱的風(fēng)冷式微槽群與熱電 組合激光器熱控制系統(tǒng)，包括 一抽真空的空腔形成的蒸發(fā)器3，該蒸發(fā) 器3的開放式微槽道設(shè)置在蒸發(fā)器空腔里的接受發(fā)熱器件本身或發(fā)熱器件 的次熱沉l的熱量的受熱內(nèi)表面上，形成蒸發(fā)微槽群2;所述蒸發(fā)微槽群 2的大小以適合形成毛細(xì)力，可將所述微槽道邊的液體工質(zhì)吸入到蒸發(fā)微 槽群2內(nèi)，如圖1所示；其特征在于，還包括在蒸發(fā)器3的蒸汽出口 15所在壁面設(shè)置縱橫交錯(cuò)的微槽4，如圖2所示；蒸發(fā)器3的進(jìn)液口與導(dǎo)液微槽連接器11相連，如圖4所示；以及一由導(dǎo)熱金屬材料制成的冷凝器6，該冷凝器6的內(nèi)壁縱向分布開放式凝結(jié)微槽14，和內(nèi)腔布置有迅速收集凝 結(jié)液的斜坡面13，斜坡面13上沿斜坡長(zhǎng)度方向布置有許多導(dǎo)流微槽12，可利用重力和毛細(xì)力的作用加速凝結(jié)液的匯集，如圖3所示；在冷凝器6的兩外壁面上分別設(shè)置一個(gè)或多個(gè)熱電致冷器7，每個(gè)熱電致冷器的冷面 通過焊接或用導(dǎo)熱性能較好的粘合劑或?qū)峁柚c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(dǎo)熱性能較好的粘合劑或?qū)峁柚c 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(fēng)扇9，如圖5 所示。 一根或一根以上保溫軟管5的一端與微槽群蒸發(fā)器3的蒸汽出口 15 相連，另一端與冷凝器6的蒸汽進(jìn)口相接；另一根或一根以上回液軟管10 的一端與冷凝器6的凝結(jié)液出口處相連，另一端與導(dǎo)液微槽連接器11的 進(jìn)液口相接；回液軟管10內(nèi)可以加裝毛細(xì)芯用來增加使冷凝液迅速流回 到微槽群蒸發(fā)器3的毛細(xì)力。所述微槽群蒸發(fā)器3由導(dǎo)熱金屬材料制成，例如金屬銅，微槽群蒸發(fā) 器3內(nèi)部受熱壁面上設(shè)置的蒸發(fā)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范圍內(nèi)，微槽道之 間的間距在0.01—lmm范圍內(nèi)，如圖l所示；所述幵放式微槽道的大小適 合形成毛細(xì)力，以將所述微槽道邊的液體工質(zhì)吸入到微槽道內(nèi)。如圖2所 示，所述縱橫交錯(cuò)的微槽形成毛細(xì)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(duì)出汽口的阻塞。所述蒸 發(fā)器內(nèi)部的蒸汽出口所在壁面上密布縱橫交錯(cuò)的微槽，縱向和橫向微槽的 寬度和深度在0. Ol—lmm范圍內(nèi)，微槽道之間的間距在0. Ol—lmm范圍內(nèi)。 這樣的縱橫交錯(cuò)的微槽與蒸發(fā)微槽微槽群熱沉組成貫通槽道，能形成很好 的連續(xù)毛細(xì)引力作用，可以避免蒸汽管中沿程冷凝液對(duì)出汽口的阻塞。上述微槽群蒸發(fā)器3內(nèi)部受熱壁面上設(shè)置的蒸發(fā)微槽優(yōu)選為矩形槽 道，該微槽道縱向分布排列，槽道的寬度和深度均在O. l—0.8mm范圍內(nèi)， 微槽道之間的間距在0. l—O. 8,范圍內(nèi)，微槽群蒸發(fā)器3的取熱能力較 強(qiáng)。所述冷凝器6由導(dǎo)熱系數(shù)較高的金屬材料制成，例如金屬銅。冷凝器 內(nèi)壁縱向密布有許多開放式凝結(jié)微槽，凝結(jié)微槽的幾何形狀為梯形、三角 形或波浪形，凝結(jié)微槽的寬度和深度在0.01—10iran范圍內(nèi)，凝結(jié)微槽之 間的間距在0.01-20mm范圍內(nèi)。冷凝器6的外表面為光滑平坦表面。所述冷凝器內(nèi)部的斜坡面上的矩形導(dǎo)流微槽道12的寬度和深度均在 0. Ol—l誦范圍內(nèi)，微槽道之間的間距在0. Ol—l誦范圍內(nèi)。所述熱電致冷器7為利用熱電效應(yīng)即Peltier效應(yīng)的一種片狀半導(dǎo)體 致冷裝置，單個(gè)熱電致冷器7的長(zhǎng)度在1—500咖范圍內(nèi)，寬度在1—500mm 范圍內(nèi)，厚度在0.5—100mm范圍內(nèi)，單個(gè)熱電致冷器的最大致冷功率在0 —500W范圍內(nèi)。所述的有肋片群的散熱板8上的單個(gè)肋片的高度在0. l-60mm的范圍 內(nèi)，肋片厚度在O. 1-10mm的范圍內(nèi)，肋片間距在O. 1-lOmm的范圍內(nèi)，單 個(gè)肋片高度優(yōu)選在1-50mm的范圍內(nèi)，肋片厚度在0.5-2rani的范圍內(nèi)，肋 片間距在l-5mm的范圍內(nèi)。所述的安裝在散熱板8頂部的風(fēng)扇9的大小與 散熱板的外形尺寸相匹配，風(fēng)扇功率在0. 5—200W之間。所述的導(dǎo)液微槽連接器11為帶狀，由多根微管并行緊密排列組成。 單根微管內(nèi)徑大小在0. 01—2誦的范圍內(nèi)，由塑料軟管或軟金屬或其他能 任意彎曲的材料制成。單根微管內(nèi)徑大小在0.01—lmm的范圍內(nèi)時(shí)，所述 的導(dǎo)液微槽連接器將回液軟管中的凝結(jié)液穩(wěn)定地輸運(yùn)到蒸發(fā)器中蒸發(fā)微 槽中去的作用較強(qiáng)。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(nèi)徑在 1—20誦的范圍內(nèi)，直接由導(dǎo)熱系數(shù)較小的能任意彎曲的材料制成，或采 用較軟的金屬材料，并在管外加保溫套管制成。該保溫軟管起著將本地的 蒸發(fā)器中產(chǎn)生的蒸汽輸運(yùn)到遠(yuǎn)程的冷凝器中去的作用。所述回液軟管10的一端與冷凝器的凝結(jié)液出口處相連，另一端與導(dǎo) 液微槽連接器的進(jìn)液口相接?；匾很浌?0的內(nèi)徑在0. 1—lOmm的范圍內(nèi)， 由能任意彎曲的材料例如聚氨酯材料制成，能形成毛細(xì)力作用。回液軟 管可利用重力和毛細(xì)力的作用將遠(yuǎn)程的冷凝器中的凝結(jié)液輸運(yùn)至導(dǎo)液微 槽連接器中?；匾很浌軆?nèi)可以加裝毛細(xì)芯用來增加使凝結(jié)液迅速流回到蒸 發(fā)器的毛細(xì)力。毛細(xì)芯為多孔的固體材料，例如不銹鋼絲網(wǎng)。所述熱控制系統(tǒng)是具有一定真空度的密封系統(tǒng)。系統(tǒng)內(nèi)的絕對(duì)壓力處 于O. 1 50 kPa范圍內(nèi)時(shí)整個(gè)散熱系統(tǒng)的散熱冷卻能力較強(qiáng)。蒸汽保溫軟管5的內(nèi)徑在l一10mm的范圍內(nèi)，管外套有較好的保溫材 料時(shí)，整個(gè)散熱系統(tǒng)有較好的散熱效果。實(shí)施例1
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)地說明參見圖5，用導(dǎo)熱性好的金屬銅制成一長(zhǎng)方形密封腔體的微槽群蒸發(fā) 器3，也可以稱為取熱元件。其微槽群蒸發(fā)器3腔體受熱面的內(nèi)壁上開有 矩形微槽道，形成蒸發(fā)微槽群2，該微槽道2的間距為0.4mm、微槽道2 的寬度為0. 3腿和槽道深度為0. 8mm。所述矩形微槽道2的大小適合形成 較強(qiáng)的毛細(xì)力，以將微槽群蒸發(fā)器3內(nèi)的無水乙醇或蒸餾水等，具有較高 的汽化潛熱的液體工質(zhì)，通過微槽道2吸入到微槽道2內(nèi)受熱區(qū)域里形成 高強(qiáng)度的蒸發(fā)和沸騰，變成蒸汽以帶走發(fā)熱體產(chǎn)生的熱量。本實(shí)施例微槽 群蒸發(fā)器3腔體受熱面的外表面，通過導(dǎo)熱硅膠硅脂與發(fā)熱器件或其次熱 沉l外表面緊貼在一起。一根直徑為5mra的聚氨酯保溫軟管5的一端與微槽群蒸發(fā)器3的蒸汽 出口相連，另一端與冷凝器6的蒸汽進(jìn)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6的凝結(jié)液出口處相連，另一端與導(dǎo)液微 槽連接器11的進(jìn)液口相連通。蒸汽通過與微槽群蒸發(fā)器3相連的保溫軟 管5流入到冷凝器6中。本實(shí)施例的冷凝器6是一用導(dǎo)熱性好的金屬鋁制成的一長(zhǎng)方形密封腔
體。冷凝器6的內(nèi)壁布置有許多豎直開放式梯形凝結(jié)微槽14，凝結(jié)微槽14的寬度和深度均在1. 5mm，凝結(jié)微槽之間的間距在0. 5mm，如圖3所示。 在冷凝器內(nèi)的底部區(qū)域做斜坡面13，斜坡的角度為45。，其上開出矩形導(dǎo) 流微槽道12，導(dǎo)流微槽道12的寬度為1.5mm，深度為2mm，導(dǎo)流微槽道 12之間的間距為1. 5mm。在冷凝器6的兩外壁面上分別設(shè)置一個(gè)熱電致冷 器7，每個(gè)熱電致冷器7的冷面通過導(dǎo)熱硅脂與冷凝器外表面緊密接觸， 熱電致冷器7的熱面通過導(dǎo)熱硅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(fēng)扇9，散熱板8上的矩形肋片的高度為20mm， 肋片的厚度為lram，肋片間距為1.5mm，風(fēng)扇9的功率為30W。冷凝器6豎直放置在激光器、電子電氣或其它光電子設(shè)備的機(jī)箱或機(jī) 柜的外部，或者鑲嵌在機(jī)箱或機(jī)柜壁面中。蒸汽主要在冷凝器6內(nèi)壁開放 式梯形凝結(jié)微槽槽頂處凝結(jié)放熱，在表面張力的作用下，凝結(jié)液沿水平方 向流向微槽槽谷區(qū)域，使槽頂處的液膜減薄，槽谷區(qū)域的凝結(jié)液則沿著槽 谷自上而下地排泄到冷凝器6的底部，冷凝器6內(nèi)部的底部布置有用以迅 速收集凝結(jié)液的斜坡面13，斜坡面13上沿斜坡長(zhǎng)度方向布置有矩形導(dǎo)流 微槽12，可利用重力和毛細(xì)力的作用加速凝結(jié)液的匯集。蒸汽凝結(jié)所釋放 的熱量由冷凝器6內(nèi)壁傳導(dǎo)到冷凝器6外表面上，被熱電致冷器7的冷面 吸收，熱電致冷器7在進(jìn)行溫度控制的同時(shí)，將這些熱量以及熱電致冷器 自身產(chǎn)生的熱量由熱電致冷器的熱面?zhèn)鲗?dǎo)到散熱板8的肋片上，然后通過 風(fēng)扇9創(chuàng)造的空氣強(qiáng)制對(duì)流換熱條件與外界環(huán)境之間進(jìn)行熱量交換，最終 將熱量散失到外界環(huán)境中去。而冷凝器6底部的凝結(jié)液則通過回液軟管 10，借助于重力和由回液軟管10、導(dǎo)液微槽連接器ll以及蒸發(fā)微槽2所
形成的較強(qiáng)的連續(xù)毛細(xì)引力作用及時(shí)回流到微槽群蒸發(fā)器3中，從而完成一個(gè)取熱和放熱的循環(huán)，達(dá)到使發(fā)熱器件冷卻和對(duì)其進(jìn)行熱控制的目的。 實(shí)施例2:本實(shí)施例中，回液軟管10內(nèi)沿管軸方向加裝毛細(xì)芯用來增加使凝結(jié)液迅速流回到蒸發(fā)器的毛細(xì)力。毛細(xì)芯為2層250目的不銹鋼絲 網(wǎng)芯。本實(shí)施例的其他部分同實(shí)施例1。實(shí)施例3:本實(shí)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(fā)器3的蒸汽出口相連，另一端與冷凝器的蒸汽進(jìn)口相接；另 三根直徑為5mm的聚氨酯回液軟管10，其一端與冷凝器的凝結(jié)液出口處 相連，另一端與導(dǎo)液微槽連接器11的進(jìn)液口相連通。本實(shí)施例的其他部 分同實(shí)施例1。實(shí)施例4:本實(shí)施例取熱元件(微槽群蒸發(fā)器)中的受熱面為發(fā)熱器 件或其次熱沉的外表面。即直接將發(fā)熱器件或其次熱沉外表面與微槽群蒸 發(fā)器做成一體，作為微槽群蒸發(fā)器內(nèi)受熱面并在其表面刻布矩形微槽道， 形成微槽群。本實(shí)施例的其他部分同實(shí)施例1。
權(quán)利要求1.一種風(fēng)冷式微槽群與熱電組合激光器熱控制系統(tǒng)，包括微槽群蒸發(fā)器(3)、軟管、冷凝器(6)、熱電致冷器(7)、散熱板(8)、風(fēng)扇(9)、導(dǎo)液微槽連接器(11)；其中，蒸發(fā)器(3)為一抽真空的空腔，且其內(nèi)灌注液體工質(zhì)，微槽群蒸發(fā)器(3)的一外表面與發(fā)熱元器件或其次熱沉(1)外表面緊貼相連，在微槽群蒸發(fā)器(3)接受發(fā)熱元器件發(fā)熱量的受熱內(nèi)表面上設(shè)有多數(shù)個(gè)開放式毛細(xì)微槽道，形成蒸發(fā)微槽群(2)，用以將液體工質(zhì)吸入到微槽中并使其發(fā)生高強(qiáng)度蒸發(fā)和沸騰變成蒸汽；其特征在于，還包括在微槽群蒸發(fā)器(3)的頂面上設(shè)有至少一個(gè)蒸汽出口(15)，蒸汽出口(15)所在的微槽群蒸發(fā)器(3)的內(nèi)壁上設(shè)置有縱橫交錯(cuò)的微槽(4)，蒸發(fā)器(3)的下端與導(dǎo)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(fā)器(3)的蒸汽出口(15)相連，另一端與冷凝器(6)的蒸汽進(jìn)口相接，蒸汽從微槽群蒸發(fā)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(jìn)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(gè)蒸汽進(jìn)口，該冷凝器(6)的空腔內(nèi)壁縱向分布多數(shù)個(gè)開放式凝結(jié)微槽(14)，空腔內(nèi)底部設(shè)置有斜坡面(13)，斜坡面(13)上沿斜坡長(zhǎng)度方向布置有多數(shù)個(gè)導(dǎo)流微槽(12)，斜坡面(13)底端有至少一個(gè)凝結(jié)液出口；在冷凝器(6)的兩側(cè)外壁面上分別設(shè)置至少一個(gè)熱電致冷器(7)，每個(gè)熱電致冷器(7)的冷面通過焊接或用導(dǎo)熱性能好的粘合劑或?qū)峁柚c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(dǎo)熱性能好的粘合劑或?qū)峁柚c有肋片群的散熱板(8)緊密接觸，在散熱板(8)的頂部設(shè)有風(fēng)扇(9)；冷凝器(6)的凝結(jié)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(gè)進(jìn)液口的導(dǎo)液微槽連接器(11)的進(jìn)液口相接，導(dǎo)液微槽連接器(11)為帶狀，其內(nèi)設(shè)有多數(shù)根并行緊密排列的微管，微管上端與微槽群蒸發(fā)器(3)中的蒸發(fā)微槽群(2)相連通，下端與回液軟管(10)相連通；系統(tǒng)內(nèi)的絕對(duì)壓力處于0.1～50kPa范圍內(nèi)。
專利摘要本實(shí)用新型風(fēng)冷式微槽群與熱電組合激光器熱控制系統(tǒng)涉及一種激光器器件的散熱與熱控制裝置。它包括抽真空的微槽群蒸發(fā)器、蒸汽保溫軟管、冷凝器、熱電致冷器、散熱板、風(fēng)扇、回液軟管、導(dǎo)液微槽連接器。液體工質(zhì)被吸入到微槽群蒸發(fā)器的蒸發(fā)微槽群中受熱蒸發(fā)和沸騰，蒸汽通過蒸汽保溫軟管流入冷凝器中，并在冷凝器外壁上的熱電致冷器的作用下，在冷凝器的凝結(jié)微槽中凝結(jié)放熱。熱電致冷器在進(jìn)行溫度控制的同時(shí)，將熱量由其熱面?zhèn)鲗?dǎo)到散熱板上，通過風(fēng)扇的風(fēng)冷最終將熱量散失到外界中去；同時(shí)，冷凝器中的凝結(jié)液通過回液軟管和導(dǎo)液微槽連接器流回到微槽群蒸發(fā)器中，從而完成一個(gè)取熱和放熱循環(huán)，達(dá)到使激光器器件冷卻和進(jìn)行熱控制的目的。
文檔編號(hào)H05K7/20GK201044553SQ20072010351
公開日2008年4月2日 申請(qǐng)日期2007年2月7日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月7日
發(fā)明者唐大偉, 肖送連, 胡學(xué)功 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所