CN104677158A - 一种基于潜热换热的强制冷却装置 - Google Patents

Abstract

一种基于潜热利用的强制换热装置。它包括高温蒸发器、低温冷凝器、节流器、输送泵、集液器、安全阀、截止阀、温度控制***以及工质充注器由高压软管连接而成，利用工质的相变潜热带走热量，主要用于解决大功率电子元器件的散热问题。输送泵将集液器中的液态工质送至蒸发器，液态工质吸收热量并气化，气态工质流动至在冷凝器中液化并将热量释放至环境中，液态工质在重力作用下汇集到输送泵前的集液器中。温度控制***通过冷端和热端的温度反馈控制输送泵的转速，进而通过改变工质流量控制装置的换热功率。采用安全无毒的R134a作为工质，即使发生泄漏对设备、环境无任何危害。

Description

一种基于潜热换热的强制冷却装置

技术领域

本发明涉及传热换热技术领域，具体为一种基于潜热利用的强制换热装置。

背景技术

随着集成电路技术、微电子技术的发展，各种小尺寸、高度集成的电子产品不断涌现，然而高度集成的电路***必然面临散热能力不足问题，当前散热问题已经成为限电子产品、集成电路发展的瓶颈技术之一。目前，市场上针对高性能工作站、服务器等大规模集成电路的散热问题主要采用风冷和水冷两种方案，其冷却功能主要依靠空气或水的温度升高带走热量。以工作站主机为例其主要发热源为CPU、显卡等部件，采用风冷方案效果有限，很难满足机器长时间、满负荷运行。采用水冷方案，可以实现机器满负荷运行，然而水冷设备安装不便、受使用环境限制，一旦冷却水泄漏，必然造成不可挽回的硬件损毁。一种安全、廉价、使用方便并且冷却效果好的换热***是非常受关注的。

发明专利201210135407.6中公开了一种“水冷散热***及散热方法”，其通过给各个功率单元通冷却水的方法带走热量实现集成电路的冷却，并且针对各功率模块的发热量精确调控各路冷却水的流量，在一定程度上可以实现集成电路或大功耗元件的散热问题。然而该***采用水作为换热工质具有以下缺点，首先显热换热强度有限需要工质流量大，并且液体管路沿程损失很大，因此***功耗大；再者用水作为集成电路的冷却工质，一旦发生泄漏必然造成无法挽回的硬件损毁。本发明提出一种基于潜热利用的强制换热装置，利用低温工质相变带走热量，所需工质流量小、装置能耗低、安全可靠，即便发生泄漏对设备和环境不存在任何威胁。

发明内容

为了解决现有大规模集成电路散热器功耗大、效果差、不安全、结构复杂等问题，本发明提出一种基于潜热换热原理的强制冷却装置。该装置为闭式***，不仅有工质流量小、能耗低、散热效果好、安全可靠等优点，而且结构简单、安装便捷。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括高温蒸发器、低温冷凝器、节流器、输送泵、集液器、安全阀、截止阀、温度控制***、工质充注器组成的闭式换热***，其特征在于所述***充注R134a低温工质，工质通过在蒸发器中气化吸热、在冷凝器中液化放热而利用潜热带走热量，主控单元根据温度反馈控制工质流量实现整个***的闭环控制，工质充注器兼具抽真空和工质充注功能可以最大限度除去管路残留的非凝态气体(理论残体积余量低于百万分之一)。

所述蒸发器由金属导热块、第二S形铜管组成，其中导热块上设计有与发热单元相接的通用卡扣便于安装，导热块上安装温度传感器；第二S形铜管采用铸造或焊接工艺与导热块成为一体，以减小热阻，增强导热效果。

所述冷凝器由散热翅片组、第一S形铜管、风扇组成，其中散热翅片采用铜或铝等易导热金属制成与第一S形铜管紧密配合，风扇为普通轴流风扇用于增强对流换热效果促进工质液化。

所述工质输送装置由集液器、隔膜泵、直流电机组成，其中集液器用于收集冷凝器流出的液态工质，保证泵前工质为纯液态，提高输送泵的效率；隔膜泵是一种容积式化工泵，具有自封闭、耐腐蚀、噪声低和密封性好等优点；直流电机选用24V永磁电机，控制简单，调速精准，电机额定功率所选隔膜泵匹配。

所述工质充注器由第二截止阀、第三截止阀、工质贮存罐、真空泵、真空表、管路等组成，充注工质前，反复三次对装置进行抽真空、少量充注，可最大限度除去管路中的不可凝气体(理论残体积余量小于百万分之一)，然后按照额定充注量给装置进行工质充注。

所述温控***由MCU、温度传感器、直流电机控制器、5V直流电源、12V直流电源、主控单元组成，其中所选MCU为常见的STC89C52单片机；温度传感器由Pt100热电偶和变送器组成，为微型无源传感器，具有体积小、精度高、信号不受干扰等诸多优点；主控***为集成AD芯片的单片机最小***板，尺寸小、成本低，直流电机控制器为PWM波控制器，通过I/O发出的占空比进行控制直流电机的工作电压进而调控工质流量。

有益效果

本发明提出一种基于潜热换热的强制冷却装置，充分利用工质的低温沸腾特点和潜热换热原理，解决集成电路大功耗元器件散热问题。采用潜热换热技术可以大幅度提高换热强度；采用安全环保的低温工质R134a常温下为气态，不存在任何安全隐患；本装置换热强度大，所需工质流量小，输送泵可采用间歇工作模式，能耗小、噪声低。

温度控制***实时监控金属导热块温度和环境温度，通过主控***调节电机转速实现装置换热功率的控制，保护被冷却器件不出现过热的情况，同时还可以节约能耗。

本发明不仅适用于集成电路上的大功耗元器件散热，通过改变高温蒸发器的接口形式，还可以用于发动机燃烧室、电磁炉、防暴电机等功率大且散热需求高的设备。

附图说明

图1：基于潜热换热的强制冷却装置原理图

图2：工质充注原理图

图3：蒸发器和冷凝器结构图

图中：1.冷凝器 2.压力表 3.安全阀 4.节流器 5.软管 6.翅片组 7.5V直流电源 8.温度传感器 9.发热单元 10.导热块 11.风扇 12.24V直流电源 13.导线 14.信号线 15.第一S形铜管 16.第一截止阀 17.集液器 18.MCU 19.主控单元 20.电机控制器 21.直流电机 22.隔膜泵 23.第二S形铜管 24.蒸发器 25.真空泵 26.真空表 27.第二截止阀 28.第三截止阀 29.工质贮藏罐

具体实施方式

本实施例是一种基于潜热换热的强制冷却装置。

参阅图1～3，本实施例一种基于潜热换热的强制冷却装置由冷凝器1、压力表2、安全阀3、节流器4、软管5、翅片组6、5V直流电源7、温度传感器8、发热单元9、导热块10、风扇11、24V直流电源12、导线13、信号线14、第一S形铜管15、第一截止阀16、集液器17、MCU18、主控单元19、电机控制器20、直流电机21、隔膜泵22、第二S形铜管23、蒸发器24、真空泵25、真空表26、第二截止阀27、第三截止阀28、工质贮藏罐29组成。软管5均为DN8mm的聚四氟乙烯高压软管，管路5接头适配件均采用快插接头；安全阀3开启压力1.0Mpa，压力表2量程1.2Mpa，集液器17容积0.75L，隔膜泵21额定流量3L/min、耐压2Mpa；***充注R134a作为换热工质，温度40℃时***工作压力约为0.7Mpa；直流电机21与隔膜泵配套、直流电机控制器20理论输出功率0～120W连续可调，***内充注R134a。

导热块10吸收元器件9散发的热量并传至其内部的第二S形铜管23，第二S形铜管23内的液态工质吸收大量热量后气化并膨胀，工质潜热增加压力升高但温度不明显升高；高压气体工质在流经节流器4之后压力降低，低压气态工质在冷凝器1中凝结液化并释放热量；冷凝器1由第一S形铜管15、翅片组6和多个散热风扇11组成结构，在风扇的作用下将热量迅速转移到环境中，风扇数目与换热功率和冷凝器尺寸有关，本实施例风扇数目为3个；集液器17用于收集冷凝器1中流出的液态工质，确保隔膜泵22进口工质为液态，提高泵的效率；隔膜泵22将液态工质输送至增发器24；温度控制***实时监控冷却部件的温度，通过调整泵的工作转速和工作时间调节工质流量，进而控制换热功率；当装置工作状态严重失常、管路压力过高时安全阀开启，保证***安全。

工质充注器由真空泵25、真空表26、第一截止阀16、第二截止阀27、第三截止阀28、工质贮存罐29以及管路附件组成，同时具有抽真空和工质注功能，能够最大限度除去非凝态气态。工质充注步骤如下，首先将工质充注器与装置集液器17通过快插接头连接，打开第一截止阀16和第二截止阀27，关闭第三截止阀28；然后打开真空泵抽真空至真空表示数小于100pa时真空泵关闭；最后关闭第二截止阀27，打开第一截止阀16，缓慢打开第三截止阀18，待真空表示数1bar时关闭第三截止阀重新抽真空；如此反复进行三次抽真空过程之后，关闭第二截止阀27，打开第一截止阀16和第三截止阀18进行工质充注，根据装置压力表示数配合装置自重增加量判断工质充注是否完成，采用该工质充注装置和工质充注方法可以保证***非凝态气体残余量少于百万分之一。

参照附图3，温控***主要由STC89C52为核心的主控单元19、直流电机控制器20、温度传感器8、5V直流电源7、24V直流电源12、导线13和信号线14组成。温度传感器8由Pt100热电偶和变送器构成，用于监控被冷却器件的温度，并输出1～5V模拟量；主控单元19的AD模块将温度传感器输出的模量转化为数字信号，送给MCU18；MCU根据控制算法通过I/O口给直流电机控制器20输出PWM波信号，直流电机控制器20根据输入的PWM波控制输出电压，进而通过控制直流电机21的转速控制隔膜泵22输送的工质流量；最终通过温度传感器8反馈的温度，改变工质流量实现对被冷却原件温度的闭环控制。

Claims (7)

1.一种基于潜热换热的强制冷却装置，包括高温蒸发器、低温冷凝器、节流器、输送泵、集液器、安全阀、截止阀、温度控制***、工质充注器通过高压软管连接而成，其特征是：液相工质高温蒸发器管内受热气化吸收大量热量，气相工质在冷凝器中液化放热，将热量传递至环境中。

2.根据权利要求1所述的基于潜热换热的强制冷却装置，其特征是：高温蒸发器由S形铜管和金属导热块组成，金属导热块与发热器件涂导热硅胶，通过通用卡扣紧密贴合，减小导热热阻；S形铜管采用铸造或焊接技术直接与金属导热块做成一体，增强换热效果。

3.根据权利要求1所述的基于潜热换热的强制冷却装置，其特征是：低温冷凝器由S形铜管、金属翅片和散热风扇组成，S形铜管周围安装密集的金属翅片(仿常规换热器结构)增大与空气之间的对流换热面积，金属翅片一侧布置散热风扇增强对流换热效果。

4.根据权利要求1所述的基于潜热换热的强制冷却装置，其特征是：输送泵采用化工隔膜泵，由直流电机拖动，将液态工质有集液器输送至高温增发器。化工隔膜泵具有自封闭、耐压、耐腐蚀、噪声低和密封性好等优点。

5.根据权利要求1所述的基于潜热换热的强制冷却装置，其特征是：采用R134a作为本装置的工质，该工质在0～40℃环境下相变压力约为0.3～0.9Mpa，装置工作过程不出现高压，确保安全；R134a分子式为CH2FCF3属于无氯类氟利昂无毒、不可燃、没有气味、不污染环境，安全环保且价格低廉。

6.根据权利要求1所述的基于潜热换热的强制冷却装置，其特征是：工质充注器由截止阀、R134a贮存罐适配接头、真空泵接口适配接头、真空表、压力表、管路构成，充注工质前，反复三次对装置进行抽真空、少量充注，可以最大限度除去管路中的不可凝气体(不可凝气体残余量少于百万分之一)。

7.根据权利要求1所述的基于潜热换热的强制冷却装置，其特征是：温度控制***由测温传感器、控制***、PWM波直流电机调速器组成。控制***根据测温传感器采集到的金属导热块温度，调整输入电机调速器的PWM波的占空比，通过改变电机的转速而改变工质流量进而实现对装置换热功率的控制。