CN1624911A - 使用相变制冷剂的泵送液体冷却*** - Google Patents

使用相变制冷剂的泵送液体冷却*** Download PDF

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Abstract

一种改进的冷却***，其以很低的附加功率消耗和很高的热传输率对电气和电子元件表面进行冷却。待冷却的元件与冷却台蒸发器装置热接触。制冷剂通过液体制冷剂泵循环到冷却台蒸发器装置，且该液体制冷剂至少部分地通过由该元件产生的热量蒸发。该蒸汽通过传统的冷凝器盘管冷凝，且冷凝的液体以及任何未蒸发的液体返回到该泵中。该***在蒸发和冷凝中近似等温地工作。

Description

使用相变制冷剂的泵送液体冷却***
相关申请
本申请是2002年11月12日提交的序号为No.10/292,071的待决申请的部分延续。
技术领域
本发明涉及电气和电子元件的冷却，更具体地，涉及一种液体制冷剂泵，其使得制冷剂循环到与待冷却的电气或电子元件热接触的多个冷却台/蒸发器。
背景技术
电气和电子元件(例如：微处理器、IGBT’s(绝缘栅双极晶体管元件)、功率半导体器件等)通常由具有延伸表面的气冷散热器来冷却，这些散热器直接装在待冷却表面上。风扇或鼓风机使空气移动通过散热器翅片，将元件产生的热量带走。随着功率密度的增加、元件的小型化、以及封装的收缩，有时不能通过散热器和强制空气流动来充分冷却电气和电子元件。在这种情况下，就必须使用其它方法从元件带走热量。
一种用于在不能直接气冷时从元件带走热量的方法是使用单相流体，该流体被泵送到冷却台。通常，该冷却台具有一安装到平的金属板上的蛇形管。待冷却元件被热安装到该平板上，且流过该管子的被泵送的单相流体带走了由元件产生的热量。
已有多种类型的冷却台设计，其中一些含有机加工槽来代替管道运送流体。但所有冷却台的设计都类似地通过使用流体的显热(sensibleheating)带走热量来工作。而后，被加热的流体流向在远处设置的气冷盘管，在该处在流体返回泵并开始再次循环之前该流体被周围空气冷却。这种使用流体的显热从电气和电子元件带走热量的方法，受到单相流动的流体的热容量的限制。对于要带走更多热量的特定流体，要么其温度必须升高，要么必须泵送更多的流体。对于冷却高功率微电子装置这会导致产生高温和/或大流率。高温可能会损害电气或电子装置，同时大流率需要具有较大马达的泵，该较大马达消耗额外的电力并限制了该冷却***的应用。大流率还可能会由于高的流体速度而导致冷却台中金属的腐蚀。
另一种用于当不能使用气冷时从元件带走热量的方法使用热管将热量从热源传送到能够更容易散热的位置。热管是密封装置，其使用可冷凝流体将热量从一个位置移动到另一个位置。通过使用芯绳结构的液相的毛细泵作用来完成流体传输。热管的一端(蒸发器)设在元件中产生热量处，而另一端(冷凝器)设在热量待消散处；冷凝器端经常与诸如翅片的延伸表面接触以有助于将热量带到周围空气中。这种带走热量的方法受到将流体传输到蒸发器的芯绳结构的能力的限制。在高热通量时，会发生通常所说的“干涸(dry out)”的情况，其中芯绳结构不能向蒸发器传输足够的流体且该装置的温度将升高，可能对该装置造成损害。热管还对相对于重力的朝向敏感。即，朝向上方的蒸发器比朝向下方的蒸发器具有更小的带走热量的能力，在朝向下方的情况中，除了芯绳结构的毛细作用之外，重力还辅助了流体的传输。最后，再次由于毛细泵作用的限制，热管不能将热量传输很长的距离到达远处的耗散器。
当不能直接气冷时所采用的又一种方法使用公知的蒸汽压缩冷却循环。在这种情况下，冷却台是该循环的蒸发器。压缩器提高了蒸汽的温度和压力，使其离开蒸发器时到达这样的程度，即，气冷冷凝器可用于将蒸汽冷凝到其液态并将其返回到冷却台以进一步蒸发和冷却。该方法具有较高的等温热量传输率和能够将热量移动相当远距离的优点。但是，该方法具有一些主要缺点，即，限制了其在冷却电气和电子装置中的实际应用。首先是压缩器的功率消耗。在高热负荷应用中，压缩器所需的电功率可能会很大且超过该应用可用的功率。另一个问题涉及在低于环境温度下蒸发器(冷却台)的操作。在这种情况下，不良绝缘的表面可能会在周围空气的露点以下，导致液态水的冷凝并产生短路的可能性从而对人产生危害。蒸汽压缩冷却循环设计为不将任何液体制冷剂返回到压缩器，这种返回可能会由于稀释了其润滑油导致对压缩器的物理损害且缩短其寿命。在冷却电气和电子元件中，热负荷可能是高度变化的，导致未蒸发的制冷剂排出冷却台并进入压缩器。这会导致损害压缩器和缩短压缩器的寿命。这是元件的蒸汽压缩冷却的另一个缺点。
可以看出，存在着对于当不能应用气冷时从元件带走热量的改进方法的持续需求。
发明内容
通过本发明的泵送液体冷却***来满足该需求，其中以很低的附加功率消耗以及很高的从元件表面的热量传输率对电气和电子元件进行冷却。本发明还降低了将热量从元件移动到周围散热器所需的温度降。
根据本发明的一个方面，一种液体制冷剂泵将制冷剂循环到与待冷却的电气或电子元件热接触的冷却台/蒸发器。该液体制冷剂而后通过由元件产生的热量部分或全部蒸发。蒸汽通过传统的冷凝器盘管被冷凝，且冷凝的液体以及其它未蒸发的液体返回到泵。本发明的***在蒸发和冷凝中接近等温地工作。
因此，本发明的一个目的是对电气和电子元件进行冷却。本发明的另一个目的是在很低的附加功率消耗以及很高的从元件表面的热量传输率的情况下对元件进行这种冷却。本发明的又一目的是降低将热量从元件移动到周围散热器所需的温度降。
本发明的其它目的和优点将从以下的描述、附图和所附权利要求中变得明了。
附图说明
图1A是示意性方框图，示出了根据本发明的泵送液体冷却***的并联结构；
图1B是示意性方框图，示出了根据本发明的泵送液体冷却***的串联结构；以及
图2示出了多个冷却台蒸发器装置，其中的每一个都与待冷却的元件热接触。
具体实施方式
现在参考图1A和图1B，示出了冷却***10，其使得作为工作流体的制冷剂循环。该制冷剂可以是任何适合的可蒸发制冷剂，例如R-134a。该冷却循环可以在显示为密封液体泵的液体泵12处开始。泵12将液态制冷剂泵送到液体岐管14，在该处液体制冷剂被分配到一个或多个支路或线路16。每条支路或线路16从岐管14将液体制冷剂供给到冷却台18。将制冷剂的冷凝温度优选地控制为高于设置冷却台蒸发器装置处周围的露点。
如图2所示，每一冷却台18都与待冷却的电气或电子元件20热接触，使得液体制冷剂在***压力下蒸发。根据由元件20产生热量的多少，没有、一些、或全部液体制冷剂可以在冷却台18处蒸发。在大多数情况下，一些制冷剂已经蒸发，且液体和蒸汽制冷剂的两相混合物都将离开各个冷却台18，如图1A和图1B中箭头22所示。
在本发明的优选实施例中，在***工作的该点处，每个冷却台18都将其两相制冷剂的混合物排出到导管24，如图1A和图1B所示。对于多数应用，导管24是一根管子，而不是分离器。导管24安装到包括冷凝器盘管30和风扇32的冷凝器28上。安装到导管24上的冷凝器盘管30将蒸汽相冷凝回到液体，并将由电子元件20产生的热量带走，如图2所示。在导管24中的任何未蒸发的液体仅仅通过冷凝器28。在图1A和图1B中，示出了使用风扇32进行周围空气冷却的冷凝器28，但是对于本领域技术人员来讲，可以使用不脱离本发明范围的任何合适的排热形式，例如气冷冷凝器、水冷或液冷冷凝器、或蒸发冷凝器。
冷凝器28在与略高于周围空气露点温度的温度相对应的压力下工作。在这种方式下，由于***温度不会低于周围露点温度，因此不会形成水的冷凝。该冷凝器工作点通过进入的制冷剂温度及其从冷凝器带走热量的能力来设定整个***的压力，因此固定该冷凝温度和压力。同样，由于蒸发的制冷剂被冷凝到液相，因此冷凝器28建立蒸发的制冷剂从导管24进入冷凝器28的流动，而对于任何压缩机不必将蒸汽从冷却台-蒸发器18移动到冷凝器28。该液体制冷剂从冷凝器28中排出，如箭头35所示通过导管34，并移向保持有一定量液体制冷剂的附加容积36。泵12将液体制冷剂从该附加容积36泵入到冷却台中，在该处制冷剂蒸发变为两相混合物，所有这些过程都不需要任何的汽/液分离。该两相混合物离开冷却台并进入到冷凝器中，该冷凝器将蒸汽冷凝为液体，从而仅液体离开冷凝器。
附加容积36的出口连接到液体制冷剂泵12的入口。在泵12处，制冷剂的压力升高到足以克服在***中的摩擦损失，并且再次开始冷却循环。泵12选择为其压力升高到等于或超过在设计流率时在***中的摩擦损失。
与泵送液体单相***不同，本发明以等温方式工作，这是因为其使用相变来带走热量，而不是利用液体制冷剂的显热容量带走热量。这允许与单相液体***相比较在蒸发器中温度更低并且元件冷却更好。通过工作流体的蒸发以带走热量获得了较低的液体流率，从而将流体速度保持得较低且将用于排热的泵送功率保持得非常低。对于泵送单相液体***和蒸汽压缩制冷剂***附加电功率都有所降低。本发明的冷却***包括至少一个产生热量并需要冷却的元件，以及至少一个与该至少一个元件热接触的冷却台蒸发器装置。可蒸发的制冷剂通过液体制冷剂泵循环到至少一个冷却台蒸发器装置，从而该制冷剂至少部分地通过由至少一个元件产生的热量蒸发，从而产生蒸汽。冷凝器将该部分蒸发的制冷剂蒸汽冷凝，生成了单一的液相。来自泵的可蒸发制冷剂由连接到(一个或多个)冷却台蒸发器装置上的第一液体导管接收。来自冷却台蒸发器装置的第二导管连接到冷凝器上。液体返回线路设为从冷凝器到制冷剂泵的入口。
本发明的***10获得了相对于热管***的优点，这是因为液体流率不象在热管中那样依赖于毛细作用，而可以通过设定液体泵的流率而独立地设定。因此可避免干涸。本发明的冷却台/蒸发器***对于相对于重力的朝向不敏感。与热管***不同，本发明蒸发器18的热容量在某些朝向中不会减少。
本发明相对于热管和基于蒸汽压缩***的另一个优点是在较大的距离上将蒸发器和冷凝器分开。这允许在封装***和设计布置中具有更大的灵活性。本发明可容易地处理待冷却元件20的热负荷变化。由于任何未蒸发的液体制冷剂都返回到泵中，因此可容易地适配在不同负荷下的多个冷却台，而不必担心损坏压缩器。由于本发明在***10的任何点处都没有在低于周围露点温度的温度下工作，因此不会使得水蒸气冷凝而形成液态水。
已经参考本发明的优选实施例详细描述了本发明，显然在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，可作其它修改和变化。

Claims (16)

1、一种冷却***，包括：
至少一个产生热量并需要冷却的元件；
至少一个冷却台蒸发器装置，其与所述至少一个元件热接触；
液体制冷剂泵，其具有至少一个入口；
可蒸发制冷剂，其通过该液体制冷剂泵循环到该至少一个冷却台蒸发器装置，从而该制冷剂至少部分地通过由该至少一个元件所产生的热量蒸发，以产生蒸汽；
冷凝器，用于冷凝该部分蒸发的制冷剂蒸汽，以生成单一的液相；
第一液体导管，用于接收来自液体制冷剂泵的可蒸发的制冷剂，所述第一液体导管连接到该至少一个冷却台蒸发器装置上；
第二导管，其来自于该至少一个冷却台蒸发器装置，所述第二导管连接到该冷凝器上；以及
从冷凝器到制冷剂泵入口的液体返回线路。
2、如权利要求1所述的冷却***，其特征在于，一附加容积包含在冷却***中，以当液体制冷剂在冷却工作过程中在冷却台蒸发器装置和冷凝器中通过蒸汽移动时，用于存储液体制冷剂。
3、如权利要求2所述的冷却***，其特征在于，该附加容积设在所述制冷剂泵和冷却台蒸发器装置之间。
4、如权利要求2所述的冷却***，其特征在于，该附加容积设在所述冷却台蒸发器装置和冷凝器之间。
5、如权利要求2所述的冷却***，其特征在于，该附加容积设在所述冷凝器和制冷剂泵之间。
6、如权利要求1所述的冷却***，其特征在于，所述至少一个冷却台蒸发器装置包括至少两个冷却台蒸发器装置。
7、如权利要求6所述的冷却***，其特征在于，所述至少两个冷却台蒸发器装置为串联。
8、如权利要求6所述的冷却***，其特征在于，所述至少两个冷却台蒸发器装置为并联。
9、如权利要求1所述的冷却***，其特征在于，该冷凝器包括气冷冷凝器。
10、如权利要求1所述的冷却***，其特征在于，该冷凝器包括水冷冷凝器。
11、如权利要求1所述的冷却***，其特征在于，该冷凝器包括液冷冷凝器。
12、如权利要求1所述的冷却***，其特征在于，该冷凝器包括蒸发冷凝器。
13、如权利要求1所述的冷却***，其特征在于，该液体制冷剂泵包括密封液体泵。
14、如权利要求1所述的冷却***，其特征在于，该制冷剂包括R-134a制冷剂。
15、如权利要求1所述的冷却***，其特征在于，该制冷剂包括可蒸发制冷剂。
16、如权利要求1所述的冷却***，其特征在于，该制冷剂的冷凝温度控制为高于设置冷却台蒸发器装置处周围的露点。
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