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節(jié)能環(huán)保
微槽群復合相變換熱冷卻與節(jié)能技術(國家863技術)
   
    微槽群復合相變換熱冷卻與節(jié)能技術是國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)項目(項目編號:2006AA05Z225)所最新研制出的具有完全自主知識產(chǎn)權并處于國際領先水平的用于高熱流密度和大功率的電力設備,、微電子與光電子器件的冷卻以及工業(yè)余熱利用,、新能源利用等節(jié)能降耗場合的先進技術,。


一,、應用領域

1.電力設備冷卻


    整流柜中晶閘管的冷卻、變頻柜中IGBT與整流模塊的冷卻,、SVC(電網(wǎng)高壓靜止無功補償裝置)晶閘管閥的冷卻,、大型變壓器中鐵心與繞組的冷卻、直流輸電站換流閥的冷卻,、大功率電阻的冷卻等等,。

2.激光器冷卻

    泵浦源的冷卻、激光二極管陣列的冷卻,、激光晶體的冷卻等等,。

3.計算機、通信設備以及其他各種電子設備冷卻

    CPU芯片的冷卻,、電子器件的冷卻,、移動基站與機房的散熱、機箱與機柜的冷卻等等,。

4.照明設備冷卻

    LED燈芯片的冷卻等,。

5.余熱利用

    電廠煙氣余熱利用、鋁廠電解槽煙氣余熱利用等等,。

6.太陽能利用

    光熱轉(zhuǎn)化利用(供暖,、供熱等等)。

7.地熱能利用

    地熱供暖,、地熱發(fā)電等等,。

8.其他


二、原理

    利用微細尺度槽群結(jié)構熱沉的高強度復合相變強化換熱機理進行換熱,。

    微槽群復合相變?nèi)崞鞯娜岜砻婕庸び袕秃舷嘧兾⒉廴航Y(jié)構,,其原理性結(jié)構如圖1所示。具有汽化潛熱的液體工質(zhì)在微槽群自身結(jié)構所形成的毛細壓力梯度下沿微槽流動,,同時在槽中形成擴展彎月面薄液膜蒸發(fā)和厚液膜核態(tài)沸騰的高強度微細尺度復合相變強化換熱過程,,帶走巨大熱量,其理論最大取熱熱流密度可達到W/的數(shù)量級,。

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圖1 微槽群復合相變熱沉原理性結(jié)構及其彎月面形狀

三,、系統(tǒng)組成與工作過程

    微槽群復合相變換熱系統(tǒng)的基本單元由取熱元件(微槽群復合相變?nèi)崞鳎崃考傲黧w輸運管路,、遠程放熱元件(遠程微結(jié)構凝結(jié)器)三部分構成,,如圖2-3 所示。熱量及流體輸運管路包括蒸汽回路和凝結(jié)液回路兩部分,,分別將微槽群復合相變?nèi)崞骱瓦h程微結(jié)構凝結(jié)器連接起來,,形成一個對外封閉的循環(huán)系統(tǒng)。

     系統(tǒng)中的熱量和質(zhì)量的輸運按照由微槽群復合相變?nèi)崞?、蒸汽回路,、遠程微結(jié)構凝結(jié)器,、凝結(jié)液回路再回到微槽群復合相變?nèi)崞鞯捻樞蜻M行,形成一個具有工質(zhì)單向流動,、液-汽-液相變?nèi)岷头艧崮J降臒o功耗循環(huán)(被動式循環(huán)),,達到使發(fā)熱器件冷卻或余熱利用的目的。



圖2 微槽群復合相變換熱系統(tǒng) 圖3 微槽群復合相變換熱系統(tǒng)
(自冷/空冷冷端模式)原理性結(jié)構示意圖 (水冷冷端模式)原理性結(jié)構示意圖

四,、 與熱管的區(qū)別

    形式上與熱管相似,,但在換熱機理、結(jié)構和性能等方面有本質(zhì)不同:

    1.采用強大的微細尺度復合相變強化換熱機理,;熱管僅為普通的液膜蒸發(fā),;
    2.無熱管固有的沸騰、挾帶,、毛細管力等諸多傳熱極限,;
    3.無熱管大功率散熱時的高接觸熱阻與導熱熱阻以及裝置笨重復雜問題;
    4.無熱管啟動與工作穩(wěn)定性方面的問題,;
    5.同等溫度下的單位面積取熱能力比熱管高出約100倍,,且系統(tǒng)簡潔、輕巧和緊湊,。


五,、 技術優(yōu)勢與特點

1.取熱能力強

    目前,系統(tǒng)最大取熱熱流密度達到400W/,,相變換熱系數(shù)高達W/(℃)數(shù)量級,,比強制水冷高3個數(shù)量級,單位面積取熱能力比水冷高出1000倍,,比熱管高出約100倍,。

2.溫度控制能力出色

    可按用戶要求控制器件溫度至任意所需范圍;實現(xiàn)小于1℃的溫度波動,。

3.集中熱處理模式

    可建立集成式散熱系統(tǒng)從分散的各個熱源取熱,,并集中進行熱處理或余熱利用。

4.遠距離的熱輸運和散熱

    系統(tǒng)在無動力的情況下,,可實現(xiàn)距離100米以外的大功率熱量輸運和散熱。

5.無功耗冷卻,、高效節(jié)能,、節(jié)材

    無需水泵等外來動力,極大降低冷卻所需能耗,。尤其對于大功率電力設備冷卻,,有如下顯著經(jīng)濟和節(jié)能效果:

    可省去冷卻水處理裝置及所耗電能;
    可省去大功率水泵及所耗電能,;
    可省去大功率風扇及所耗電能,;
    可省去取熱用體積笨重鋁錠,;
    可大幅度節(jié)省冷卻水流量;
    可大幅度提高電力電子器件的節(jié)能效果,。


6.高效率余熱利用

    取熱與放熱熱阻極小,,等溫性高,相變模式熱輸運功率大且距離長,,是一種新型高效的余熱利用方法,。

7.可靠性高

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    可選擇正壓或負壓工作,壓力條件不苛刻,,極易確保系統(tǒng)的密封性,;
    可選取絕緣性相變冷卻工質(zhì),管路可用非金屬材質(zhì)以保證用戶電絕緣要求,。


8.加工成本低

    加工成本小于水冷,、風冷以及熱管等散熱系統(tǒng),加工工藝適于大批量生產(chǎn),;
    所用相變冷卻工質(zhì)量極少,,循環(huán)使用,無消耗,、對環(huán)境友好,、成本低廉。


六,、 技術成熟度與相關產(chǎn)品樣機

    目前已獲14項國家專利,,技術進入成熟期??舍槍τ脩舻木唧w需求進行冷卻系統(tǒng)及產(chǎn)品的設計,,并與企業(yè)合作進行新產(chǎn)品開發(fā)和市場推廣應用。

    目前已有的主要產(chǎn)品樣機包括:

    (1) 微槽群復合相變集成冷卻整流柜
    (2) MGCP微槽群復合相變SVC集成冷卻系統(tǒng)
    (3) 大功率微槽群復合相變LED工礦燈
    (4) 大功率微槽群復合相變LED路燈
    (5) 臺式計算機微槽群復合相變被動式冷卻器
    (6) 自冷式被動循環(huán)微槽群復合相變電子/光電子器件散熱器
    (7) 光纖耦合模塊泵浦MG-TEC組合熱控制器
    (8) 微通道-微槽群(MC-MG)中間換熱器


七,、 應用展示

(晶閘管表面工作溫度低于50℃)
微槽群復合相變集成冷卻整流柜

a) MGCP微槽群復合相變?nèi)崞?b) MGCP大功率遠程風冷式微結(jié)構冷凝器

c) MGCP 大功率遠程被動式微結(jié)構冷凝器
(SVC晶閘管閥表面工作溫度低于50℃)
MGCP微槽群復合相變SVC集成冷卻系統(tǒng)

(100W,,芯片溫度≤50℃)
大功率微槽群復合相變LED工礦燈

(120W, 芯片溫度≤50℃)
大功率微槽群復合相變LED路燈

與市場上現(xiàn)有LED路燈(40W)體積的比較
(CPU占有率為95%時,芯片溫度低于50℃) (取熱熱流密度:168W/,,散熱功率:132W)
臺式計算機微槽群復合相變被動式冷卻器 自冷式被動循環(huán)微槽群復合相變
電子/光電子器件散熱器

(泵頭表面溫度:25±1℃) (傳熱系數(shù):1.6×104W/(K))
光纖耦合模塊泵浦MG-TEC組合熱控制器 微通道-微槽群(MC-MG)中間換熱器