CN105180567A - 一种基于压缩制冷的半封闭式电子设备微小型冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及散热器技术领域，本发明公开了一种基于压缩制冷的半封闭式电子设备微小型冷却系统，其具体包括压缩制冷系统和内围框，所述压缩制冷系统包括压缩机、冷凝器、毛细管和蒸发器，所述压缩机、冷凝器、毛细管和蒸发器通过连接管路依序连接，所述内围框内设置空气干燥剂筒、回流风机、蒸发器和待冷却的电子元器件，所述空气干燥剂筒中装有空气干燥剂，所述回流风机连接蒸发器，用于将流经待冷却的电子元器件的被加热后的空气再次送入蒸发器，所述内围框为封闭式的密闭空间，内围框内的密闭空气进行回字型循环流动。经过反复的循环流动并通过蒸发器本身具备的制冷及除湿功能，以及空气干燥筒的吸附，该密闭空间内电子设备杜绝冷凝水风险。

Description

一种基于压缩制冷的半封闭式电子设备微小型冷却系统

技术领域

本发明涉及电子设备散热技术，具体是一种基于压缩制冷的半封闭式电子设备微小型冷却系统，可保证在内部低温环境下不会因为水蒸气结露导致电子设备短路风险。

背景技术

现有的电子设备散热技术，如空气强制冷却和液体强制冷却，均以环境大气为最终热沉，在高原、戈壁、沙漠、海岛等恶劣高温环境应用时，环境大气温度高，电子元器件的散热成为难题。

压缩制冷，可以提供低于环境温度的冷却介质，能更好的冷却电子设备及元器件。现有技术如CN201010545934.5，将电子元器件布置在蒸发器的表面或临近结构件上，以就近冷却散热，成为一种较为优异的电子设备冷却技术。但是压缩制冷的原理，决定了在蒸发器工作在较低温度时，空气中含的水蒸气不可避免的冷凝凝结在蒸发器周围，极易引起电子元器件短路等风险。

发明内容

针对现有技术中的压缩制冷存在着蒸发器周围极易冷凝凝露，极易引起电子元器件短路等风险的技术问题，本发明公开了一种基于压缩制冷的半封闭式电子设备微小型冷却系统。

本发明的技术方案如下：

本发明公开了一种基于压缩制冷的半封闭式电子设备微小型冷却系统，其具体包括压缩制冷系统和内围框，所述压缩制冷系统包括压缩机、冷凝器、毛细管和蒸发器，所述压缩机、冷凝器、毛细管和蒸发器通过连接管路依序连接，所述内围框内设置空气干燥剂筒、回流风机、蒸发器和待冷却的电子元器件，所述空气干燥剂筒中装有空气干燥剂，所述回流风机连接蒸发器，用于将流经待冷却的电子元器件的被加热后的空气再次送入蒸发器，所述内围框为封闭式的密闭空间，内围框内的密闭空气进行回字型循环流动。密闭空间中有限的空气量中含水蒸气量极少，经过反复的循环流动并通过蒸发器本身具备的制冷及除湿功能，以及空气干燥筒9的吸附，可以保证该密闭空间内电子设备的常年工作也可杜绝冷凝水风险。

更进一步地，上述空气干燥筒为装有空气干燥剂的漏孔小瓶。

更进一步地，上述的内围框形成六面体盒式结构。

更进一步地，上述系统还包括主控板，所述主控板连接压缩制冷系统。通过主控板可以实现自动控制以及显示等功能。

更进一步地，上述系统还包括箱体和盖板，所述箱体内设置L型隔板，L型隔板的两个端面和底面分别连接箱体，所述L型隔板与箱体以盖板共同围成内围框。

更进一步地，上述冷凝器设置在箱体的L型区域内，在箱体上设置有两处筛孔结构，分别对应冷凝器的进风口和出风口。

更进一步地，上述系统还包括显控面板，所述显控面板使用数码管显示蒸发器出风温度以及回风机回风温度，并用按钮形式实现出风温度的设置，通过主控板的控制，调节对应的出风温度。

通过采用以上的技术方案，本发明的有益效果为：本发明提出的基于压缩制冷的半封闭式小型电子设备冷却系统，其中半封闭式结构，是指将蒸发器和电子元器件封闭在一个围框内，形成一个局部密闭空间。该密闭空间内部形成强迫空气冷却循环，并内置有空气干燥剂。压缩制冷，能够适应于高原、海岛、沙漠等特殊恶劣高温、高湿环境电子设备使用，能提供比环境温度更低的冷却空气。避免了内部冷空气与外部空气的串扰，杜绝冷凝水大量累积造成的电气短路隐患问题，并减少制冷量损耗。该小型电子设备冷却系统在结构上更易于与电子设备整体集成一体。可以解决小型电子设备在恶劣高温、高湿环境下的散热应用需求。尤其适用于恶劣环境下的雷达、通信等小型高功率电子设备的应用。

附图说明

图1为基于压缩制冷的半封闭式电子设备微小型冷却系统流程图。

图2为基于压缩制冷的半封闭式电子设备微小型冷却系统的结构示意图。

图3为基于压缩制冷的半封闭式电子设备微小型冷却系统的元器件布置示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图，详细说明本发明的具体实施方式。

本发明公开了一种基于压缩制冷的半封闭式电子设备微小型冷却系统，其具体包括1微型压缩机、2冷凝器、3过滤器、4毛细管、5蒸发器、6控制系统、连接管路(1-2、2-3、4-5、5-1)及填充在管路中的7制冷剂，8内围框、9空气干燥剂筒，10回流风机，11待冷却电子元器件等组成。其中，部件1～7及连接管路是一个压缩制冷循环的基本构成。

所述的1微型压缩机可为直流变频压缩机，由控制系统控制和驱动。

所述的2冷凝器，可为一个空液换热器，及配合工作的一个或一组轴流风机或离心风机。换热器一般为平行流型式或套片管型式。

所述的3过滤器，为一个能吸附水蒸气的小型过滤器。若系统调试时，对密闭的管道回路内抽真空达到很高的真空度时，本方案也可以省略此过滤器部件。此时连接管路2-3直接连接冷凝器出口和毛细管4。

所述的4毛细管，为一细铜管制成的螺旋节流装置。

所述的5蒸发器，为一个空液换热器，及配合工作的一个或一组轴流风机。空液换热器一般为平行流型式或套片管型式。风机驱动空气流经蒸发器，空气被冷却降温为低温冷却空气，送入待冷却的电子设备发热元器件表面或其散热风道中。

所述的连接管路(1-2、2-3、4-5、5-1)，为4根长度不同的铜管，其形状和折弯走向根据具体的各部件布置方位而定。包括：连接压缩机出口与冷凝器入口的管路1-2；连接冷凝器出口与过滤器入口的管路2-3；连接毛细管与蒸发器入口的管路4-5；连接蒸发器出口与压缩机入口的管路5-1；连接管路将上述微型压缩机、冷凝器、过滤器、毛细管和蒸发器，连接成为密闭封闭回路。

所述的6控制系统，为一个集成电路板或多个电路板，由温度传感器、控制板和压缩机驱动板等功能模块组成，必要时还可集成显示模块、插座或按钮。根据传感器采集的蒸发器处冷却空气的温度变化和控制需求，来控制压缩制冷系统的工作启停和压缩机转速。

所述的7制冷剂，为填充在密封封闭回路里的R134a或氟利昂系制冷剂，制冷剂在密闭的管道回路内以气体、液体、两相流体等多种状态存在，被压缩机驱动着流动和循环。

该压缩制冷循环的工作流程，可以简述为：1)微型压缩机入口流入的制冷剂气体，被压缩成为高温高压的制冷剂气体；2)冷凝器中的风机将环境空气吹过冷凝器散热器部分，制冷剂被冷凝变成高温高压的液体；3)制冷剂液体流经毛细管，由于毛细管的节流作用，变成低温低压的气液两相混合的制冷剂。4)该两相混合的制冷剂进入蒸发器的换热器，蒸发器中的风机吹过热空气，制冷剂吸热后被迅速蒸发成为制冷剂气体。该制冷剂气体再次进入压缩机，进入下一个工作循环。

上述1微型压缩机、2冷凝器、3过滤器、4毛细管和5蒸发器通过连接管路(1-2、2-3、4-5、5-1)分别依次连接，形成密封的封闭管道回路。管道回路内填充7制冷剂。6控制系统控制和驱动微型压缩机、2冷凝器、5蒸发器的工作。上述部件组成了基本的压缩制冷循环。

所述的8内围框，可为一个工程塑料或铝合金板制成的六面体盒式结构件。用于将待冷却的电子设备11、蒸发器5和回流风机10、空气干燥筒9放置其中，形成密闭结构。

所述的9空气干燥筒，为一个装有空气干燥剂的漏孔小瓶。布置在蒸发器的出风口附近，用于将内围框密闭结构内的空气中的初始水蒸气产生的冷凝水吸附。

所述的10回流风机，为布置在电子设备出风口的一个轴流风机，起空气导流作用，用于将流经发热电子元器件的被加热后的空气再次送入蒸发器5。

所述的11待冷却电子元器件，可以为电路板上的板载发热元器件或独立的电子模块，使用一个带翅片的金属散热器安装。

封闭式内围框结构中的空气流向图见图1中虚线箭头所示。从蒸发器5吹出的冷却空气，被送入待冷却电子元器件的散热器风道，将电子元器件导出的热量带走，冷却空气被加热，经过U型流动，由回流风机10，将加热后的空气再次送入蒸发器的换热器中冷却。封闭式内围框中间，主要冷却媒介是密闭空间内的有限空气，空气在该局部空间内进行回字型循环流动。有限的空气量中含水蒸气量极少，经过反复的循环流动并通过蒸发器本身具备的制冷及除湿功能，以及空气干燥筒9的吸附，可以保证该密闭空间内电子设备的常年工作也可杜绝冷凝水风险。

对某小型电子设备的200W的散热需求设计了半封闭式压缩制冷系统，其结构图如图2和图3所示。

本实施例中的系统，包括微型压缩机1、冷凝器2(由平行流换热器2-a，风机2-b、2-c、2-d组成)、干燥过滤器3、毛细管4、蒸发器5(由平行流换热器5-a，风机5-b、5-c组成)、主控板6、空气干燥筒9、回流风机10、连接管道(12、13、14、15)及其中充注的制冷剂7组成了压缩制冷循环。电子设备箱体16及盖板17，提供了制冷系统的安装基础。内围框8将蒸发器、空气干燥筒、回流风机和发热器件构成了一个封闭的内部空间，保证该内部空间的冷却空气干燥无结露可能。发热电子元器件11有印制电路板型式、有器件型式、有模块型式等。显控面板18提供出风和回风温度显示和设置，接口19为整个系统的对外输出温度信号和对内供电接口，器件20为系统内部不需要特殊冷却的器件。

电子设备箱体16被内围框8分成两个区域，左上部封闭结构区和左下部及右边部分组成的L型区域。压缩制冷循环中的降温部件蒸发器5、空气干燥筒9、回风机10、发热元器件11放置在封闭结构区，构成了密闭空间，避免外界水蒸气的进入和保证内部空气干燥不会结露，同时低温空气在其中不断循环，低温空气的流向同系统流程图一致。压缩制冷循环的其他部件、控制显示部件、供电接口以及不需要散热的其他部件放置在L型区域，该区域无大功率发热元器件需要散热，并且因为冷凝器的存在，需要对外排出热量，有对外进/出风口，为对外开放区域。二者通过内围框8隔开，保证各自的循环空气不会相互影响。

压缩机1，为一个24V直流变频压缩机，进出口分别连接管道15、12；

冷凝器2，主体为一个高效风冷平行流换热器2-a，及三个轴流风机2-b，2-c，2-d。上述轴流风机将电子设备箱体外的环境大气抽吸到箱体内部，然后吹过平行流换热器2-a吸收热量后排出箱体外，换热器内部通流制冷剂7，通过管道12、管道13与其它部件相连。

干燥过滤器3与毛细管4通过管道13和14与前后端相连。

蒸发器5，主体为一个高效风冷平行流换热器5-a，及两个轴流风机5-b，5-c。轴流风机将封闭空间内部被发热器件11加热的空气吹过平行流换热器5-a降温，平行流换热器5-a内部通流制冷剂7，通过管道14、管道15与其它部件相连。

压缩机1、冷凝器2、干燥过滤器3、毛细管4、蒸发器5采用铜管12、13、14、15依次连接，钎焊焊接。

内围框8，为一个工程塑料板制成的L型隔板。它将箱体16及盖板17组成的结构隔离出一个封闭区域，用于将待冷却的电子设备11、蒸发器5和回流风机10、空气干燥筒9放置其中，形成密闭结构，避免了外部水蒸气进入的可能。

空气干燥筒9，为一个装有空气干燥剂的漏孔小瓶。布置在蒸发器的出风口附近，用于将内围框密闭结构内的空气中的初始水蒸气产生的冷凝水吸附，实际运行几次后内部将无水蒸气，作用是保证密闭结构内部无结露可能。

回流风机10，为布置在电子设备出风口的一个轴流风机，起空气导流作用，用于将流经发热电子元器件的被加热后的空气再次送入蒸发器5。

发热电子元器件11，指电子设备内的印制电路板上发热器件或独立的发热模块，使用一个带翅片的金属散热器安装，扩展散热面积的同时对冷却空气起导流作用。

主控板6是压缩制冷系统的控制中枢，由控制模块和驱动模块组成，集成在一个定制电路板上。控制模块采集温度并输出控制信号，驱动模块根据控制信号调节压缩机的转速。主控板还为风机提供供电转换功能。

电子设备箱体16及盖板17，提供了制冷系统的安装基础，并在箱体上设置有两处筛孔结构，分别为冷凝器的进风口和出风口。

显控面板18使用数码管显示蒸发器出风温度以及回风机回风温度，并用按钮形式实现出风温度的设置，通过主控板的控制，调节对应的出风温度。

接口19为整个系统的对外输出温度信号和对内供电接口。

器件20为电子设备内部不需要特殊冷却的器件，不需放置在内围框包围的内部循环中。

实施效果：

本实施实例，将小型压缩制冷系统和电子设备集成一体，达到了冷却各发热器件的作用，并具有温度实时检测、调节的功能。在环境温度在25℃～45℃范围内，通过开启压缩制冷，半封闭式结构内实现了制冷循环的出风温度均低于环境温度15～20℃。保证了器件的正常散热和运行，扩展了环境适应能力。

	环境温度℃	出风温度℃	设备热耗W	某功放芯片表面温度℃
					工况一	25	6	230	<42
工况二	35	10	210	<50
					工况三	45	19	210	<63

实现了压缩制冷循环和电子设备的集成，体积紧凑，总尺寸500mm×350mm×60mm即实现了制冷系统和电子设备功能器件的整体集成，总体冷却能力达到200W。并通过内部封闭空间和空气干燥剂的设置，避免了与外界空气的串扰，在连续2个月的高湿度环境下调试试用，均未发生水蒸气结露现象。

上述的实施例中所给出的系数和参数，是提供给本领域的技术人员来实现或使用发明的，发明并不限定仅取前述公开的数值，在不脱离发明的思想的情况下，本领域的技术人员可以对上述实施例作出种种修改或调整，因而发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。

Claims (7)

1.一种基于压缩制冷的半封闭式电子设备微小型冷却系统，其特征在于具体包括压缩制冷系统和内围框，所述压缩制冷系统包括压缩机、冷凝器、毛细管和蒸发器，所述压缩机、冷凝器、毛细管和蒸发器通过连接管路依序连接，所述内围框内设置空气干燥剂筒、回流风机、蒸发器和待冷却的电子元器件，所述空气干燥剂筒中装有空气干燥剂，所述回流风机连接蒸发器，用于将流经待冷却的电子元器件的被加热后的空气再次送入蒸发器，所述内围框为封闭式的密闭空间，内围框内的密闭空气进行回字型循环流动。

2.如权利要求1所述的基于压缩制冷的半封闭式电子设备微小型冷却系统，其特征在于所述空气干燥筒为装有空气干燥剂的漏孔小瓶。

3.如权利要求1所述的基于压缩制冷的半封闭式电子设备微小型冷却系统，其特征在于所述内围框形成六面体盒式结构。

4.如权利要求1所述的基于压缩制冷的半封闭式电子设备微小型冷却系统，其特征在于所述系统还包括主控板，所述主控板连接压缩制冷系统。

5.如权利要求1所述的基于压缩制冷的半封闭式电子设备微小型冷却系统，其特征在于所述系统还包括箱体和盖板，所述压缩制冷系统设置在箱体内，所述箱体内还设置L型隔板，L型隔板与箱体以盖板共同围成内围框。

6.如权利要求5所述的基于压缩制冷的半封闭式电子设备微小型冷却系统，其特征在于所述冷凝器设置在箱体的L型区域内，在箱体上设置两处筛孔结构，分别对应冷凝器的进风口和出风口。

7.如权利要求6所述的基于压缩制冷的半封闭式电子设备微小型冷却系统，其特征在于所述系统还包括显控面板，所述显控面板使用数码管显示蒸发器出风温度以及回风机回风温度，并用按钮形式实现出风温度的设置，通过主控板的控制，调节对应的出风温度。