CN105299938A - 一种基于微通道换热器的小型压缩制冷系统 - 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微通道换热器的小型压缩制冷系统，其具体包括压缩制冷循环系统、微通道换热器和待冷却的发热电子元器件，所述待冷却的发热电子元器件安装在微通道换热器的流道上，所述压缩制冷循环系统和微通道换热器通过连接管路连接，通过连接管路形成密封封闭的管道回路，所述管道回路中充注制冷剂。将小型压缩制冷系统和电子设备集成一体，达到了冷却各发热电子元器件的作用，并具有温度实时检测、调节的功能。

Description

一种基于微通道换热器的小型压缩制冷系统

技术领域

本发明涉及电子设备散热技术，具体是一种基于微通道换热器和压缩制冷循环的系统级电子设备冷却装置，可对电子设备发热元部件和高热流密度发热器件进行冷却降温。

背景技术

常规的电子设备散热方式，主要有空气强制冷却、液体强制冷却、微通道冷却、半导体制冷等方式。其中，空气强迫冷却、液体强迫冷却原理基本一致，均采用动力部件如风机或液体泵，驱动冷却空气或冷却液体的流动，通过在换热器中对流换热来带走由电子元器件传导到换热器的热量。微通道冷却，也是基于液体强制冷却，不同之处在于微尺度通道内打薄了液体热流边界层获得充分换热，获取极大的对流换热系数和体积高紧凑度，成为激光、LED、雷达等高热流密度电子器件散热领域的热门解决方案。以上冷却技术，均以环境大气为最终热沉，主要冷却介质(冷却空气或冷却水)的温度都无法低于环境大气温度，因此都无法将电子元器件的温度冷却至低于环境温度。通常这类技术方案中，电子元器件的温度与环境温度保持了相当的温度差(高于环境约20℃～50℃)，才能达到充分换热冷却。半导体制冷，基于珀尔帖效应可产生真正的“制冷”作用，可以使发热电子元器件温度低于环境温度，但效率过低一直难以大面积推广。随着小型电子设备功能集成度提高、散热功耗提升，空气强制冷却和液体强制冷却方式，都越来越难以满足电子元器件散热需求。

而另一方面，伴随着高原、戈壁、沙漠、海岛等高温环境应用，又大大抬高了电子元器件的工作温度。提供一种低温冷却介质成为电子设备散热的瓶颈，寻求与之相适应的制冷技术成为现实紧迫的需求。

压缩制冷，是一种广泛应用于民用暖通制冷领域的制冷方式，具有成熟性高、制冷温度可控等特点。但由于体积大、耗电高的问题，一直未能使用在小型电子设备冷却系统中。

CN201420656238.5、CN201010545934.5公开了一种电子设备用微型制冷器,但蒸发器、电子设备风冷散热器等部件体积庞大、实际上难以小型化使用。

发明内容

针对现有技术中的换热器存在的体积大，效率低以及无法将电子元器件的温度冷却至低于环境温度的技术问题，本发明公开了一种基于微通道换热器的小型压缩制冷系统。

本发明的技术方案如下：

本发明公开了一种基于微通道换热器的小型压缩制冷系统，其具体包括压缩制冷循环系统、微通道换热器和待冷却的发热电子元器件，所述待冷却的发热电子元器件安装在微通道换热器的流道上方，所述压缩制冷循环系统和微通道换热器通过连接管路连接，通过连接管路形成密封封闭的管道回路，所述管道回路中充注制冷剂。

更进一步地，上述压缩制冷循环系统包括压缩机、冷凝器、干燥过滤器和毛细管，所述压缩机、冷凝器、干燥过滤器和毛细管依序通过连接管路连接，所述毛细管的出口连接微通道换热器的进口，所述微通道换热器的出口连接压缩机的进口。

更进一步地，上述冷凝器包括风机和平行流换热器。

更进一步地，上述微通道换热器包括基板和盖板，所述基板内设置有蛇形流道，所述待冷却的发热电子元器件安放在设置有蛇形流道区域的微通道换热器表面，所述基板内还设置微通道，基板和盖板封焊一体，设置有进口和出口。

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循环系统和微通道换热器。主控板是压缩制冷系统的控制中枢，由控制模块、显示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。显示模块使用数码管显示微通道换热器的表面温度。主控板还为风机提供供电转换功能。通过主控板控制压缩机实现智能控制温度。

更进一步地，上述待冷却的发热电子元器件采用涂抹导热脂的方式，紧贴在微通道换热器上。

更进一步地，上述待冷却的发热电子元器件布置在微通道换热器的两面和制冷循环中间的空隙空间，极大的提高了体积紧凑度。

更进一步地，上述基于微通道换热器的小型压缩制冷系统设置在电子设备箱体中，所述电子设备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。

通过采用以上的技术方案，本发明的有益效果为：体积紧凑；对流换热效率高，能处理极高热流密度的电子元器件发热情况；提供比环境温度更低的冷却资源；为高原、海岛、沙漠等特殊恶劣高温环境电子设备提供成套散热解决方案。本发明基于微通道换热器和压缩制冷循环，在蒸发端采用薄板型的微通道换热器，直接贴装待冷却的发热电子元器件，比起传统压缩制冷循环系统，散热更直接、效率更高，体积更紧凑。本发明解决了压缩制冷循环小型化问题，更易于应对高热流密度的器件工作于恶劣高温环境的需求。以极小的体积代价，实现了在电子设备内部集成制冷系统；温度还能可调可控。能提供较低温的冷却介质，比如在55℃大气环境下仍能提供15℃～25℃的低温制冷剂，大幅度降低了电子元器件的工作温度。压缩制冷循环系统中蒸发器必不可少，本发明摒弃了“风机+空液换热器”的传统蒸发器设计型式，使用微通道换热器，一体集成了传统蒸发器功能和电子元器件安装冷板两种功能，省去了风机和减少了体积，可冷却极高热流密度的发热电子元器件。

附图说明

图1为基于微通道换热器的小型压缩制冷系统原理图。

图2为基于微通道换热器的小型压缩制冷系统的结构示意图。

图3为揭开盖板之后的微通道换热器的小型压缩制冷系统的结构示意图

图4为电子设备与制冷系统集成组装整体示意图。

图5为微通道换热器的结构示意图。

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微通道换热器的小型压缩制冷系统，其原理图如图1所示，压缩制冷循环由：1.压缩机、2.冷凝器、3.干燥过滤器、4.毛细管、5.微通道换热器、6.主控板、7.连接管路(由7-1，7-2，7-3，7-4四根管路组成)组成，其详细连接关系见图1，形成密封封闭的管道回路，内部充注一定质量的制冷工质8，对电子设备中的发热电子元器件9进行散热。

主要工作原理是：制冷工质8(制冷剂)在压缩机1的驱动下，在上述管道回路内流动，进行着逆卡诺循环的热力过程，依次如下：在压缩机1内制冷工质8被压缩成为高温高压的气体；进入冷凝器2，与冷凝器风机驱动的环境空气进行热交换，被冷凝成高温高压的液体；然后流经干燥过滤器3和毛细管4，经过节流作用，变成低温低压的气液两相共存的形态；最后进入微通道换热器5，制冷工质吸热后，迅速蒸发成气体。再次流入压缩机，完成一个流动循环。实现了从微通道换热器(即蒸发器)吸热，到冷凝器放热给空气，如此反复循环工作。

其中：

1.压缩机，为一微型变频压缩机，可采用与电子设备相同的直流供电或交流供电，并可被主控板6控制，通过检测微通道换热器表面温度实现压缩机的变频控制，调节压缩机的转速。

2.冷凝器，冷凝器由一个由铝合金或铜制作而成的空液换热器和风机组成。其中空液换热器通常为平行流形型式或套片管型式；风机为一个或一组小型轴流风机或离心风机。

3.干燥过滤器，为一个能吸附水蒸气的小型过滤器。若系统调试时，对密闭的管道回路抽真空达到很高的真空度时，本方案也可以省略此干燥过滤器部件，此时，连接管路7-3直接连接冷凝器2出口与毛细管4。

4.毛细管，为一个毛细铜管制成的螺旋节流装置。将制冷工质从高温高压状态节流调整到低温低压状态。

5.微通道换热器，本方案中为一个薄板型的微通道换热器，有蒸发器功能，同时作为电子元器件直接安装板和冷却板。由铝合金或铜制成。微通道换热器内部有多个联通的微型流道，通常为50微米～1毫米的特征尺寸，用于制冷工质8流通并扩展对流换热面积，同时制冷工质8在微通道中蒸发吸热，并随流动而带走大量热量。电子设备的各类发热电子元器件9，可以通过导热脂或导热绝缘垫，贴装在微通道换热器的表面。

6.主控板，主控板是压缩制冷系统的控制系统，主要由温度传感器、控制模块、压缩机驱动模块等组成，可以为多个电路板，也可以为一个集成控制电路板。温度传感器采集环境大气温度、微通道换热器表面温度等关键温度指标。控制模块，根据温度传感器采集到的环境空气温度、微通道换热器上局部温度的高低和散热需求，给出控制信号到驱动模块，由驱动模块来调节压缩机的转速、工作工况和风机的转速，以此来调整压缩制冷循环系统的工况，获得一定的制冷量，从而达到热平衡。

7.连接管道，连接管道为一组长度不同的铜管，用以连接各个部件，形成密封的封闭回路。管道和各部件的内部流通制冷工质8。管道的形状和折弯走向，根据具体的部件布置方位而定，包括：连接微通道换热器出口到压缩机入口的管道7-1；连接压缩机出口到冷凝器入口的管道7-2；连接冷凝器出口到过滤器入口的管道7-3；连接毛细管出口到微通道换热器入口的管道7-4。通常管道7-4为较细的铜管，其它管道为较粗的管道，各连接管道一般应包裹保温隔热材料。

8.制冷工质。可用于本方案小型压缩制冷循环的工质有R134a，R22等氟利昂系列制冷剂。

9.发热电子元器件。可以是电子设备中的电路板上的各类发热电子芯片，和/或独立功能模块，和/或电路板等。表贴安装在微通道换热器的两面。发热电子元器件工作中产生的废热量，通过热传导给微通道换热器，由微通道换热器中通流的制冷工质对流换热和蒸发吸热带走热量。

图2为基于微通道换热器的小型压缩制冷系统的结构示意图。其包括微型压缩机1、冷凝器2(由平行流换热器2-1，风机2-2和风机2-3组成)、干燥过滤器3、毛细管4、微通道换热器5、主控板6及制冷剂8组成了压缩制冷循环。电子设备箱体12、盖板11，提供了制冷系统的安装基础，发热电子元器件9有印制电路板型式、有芯片和器件型式、有独立模块型式等。

压缩机1，为一个24V直流变频压缩机，进出口分别连接管道7-1、7-2；

冷凝器2，由一个高效的风冷平行流换热器2-1，和两个离心风机2-2、2-3，将设备外的环境大气吹过平行流换热器，平行流换热器内部通流制冷剂8，通过管道7-2、管道7-3与其它部件相连。

干燥过滤器3与毛细管4，通过管道7-3和管道7-4与前后端相连。

微通道换热器5为一个铜制微通道换热器板，并提供设备安装螺钉孔。详细视图见图5。在3mm铜基板5-4内设置有蛇形流道5-1，对应于局部有发热电子元器件安放处5-2，设置宽度0.3mm高度2.2mm的系列微通道5-3，由0.8mm盖板5-5封焊一体，设置有进口5-6和出口5-7。

压缩机、冷凝器、干燥过滤器、毛细管、微通道换热器采用铜管7-1、7-2、7-3、7-4连接，钎焊焊接形成一个闭式回路，内部充填制冷工质8。

主控板6是压缩制冷系统的控制中枢，由控制模块、显示模块和驱动模块组成，集成在一个定制的电路板上。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。显示模块使用数码管显示微通道换热器5表面温度。主控板还为风机提供供电转换功能。

电子设备箱体12，设置有两处筛孔结构，分别为冷凝器的进风口和出风口。

盖板11，与电子设备箱体12配合，将本方案小型压缩制冷系统和待冷却电子设备部分封装一体，形成一套紧凑的整体集成结构方案。

发热电子元器件9，指电子设备内的印制电路板上发热器件以及独立的发热模块，均采用涂抹导热脂的方式，紧贴在微通道换热器5上。电子元器件可以布置在微通道换热器的两面和制冷循环中间的空隙空间，极大的提高了体积紧凑度。

将小型压缩制冷系统和电子设备集成一体，达到了冷却各发热电子元器件的作用，并具有温度实时检测、调节的功能。

在环境温度在20℃～50℃范围内，通过开启压缩制冷，实现了微通道换热器中用于电子设备冷却的制冷剂流体温度，均低于环境温度5℃～25℃。保证了电子器件的正常运行散热。

微通道换热器，一体化集成了蒸发器功能与电子设备安装冷板功能，省却了传统压缩制冷方案中的风机和电子设备风冷散热器，体积紧凑，总尺寸440mm×350mm×50mm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250W，并且顺利冷却了极个别的高热流密度的电子模块。

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 (8)

1.一种基于微通道换热器的小型压缩制冷系统，其特征在于具体包括压缩制冷循环系统、微通道换热器和待冷却的发热电子元器件，所述待冷却的发热电子元器件安装在微通道换热器的流道上，所述压缩制冷循环系统和微通道换热器通过连接管路连接，通过连接管路形成密封封闭的管道回路，所述管道回路中充注制冷剂。

2.如权利要求1所述的基于微通道换热器的小型压缩制冷系统，其特征在于所述压缩制冷循环系统包括压缩机、冷凝器和毛细管，所述压缩机、冷凝器和毛细管依序通过连接管路连接，所述毛细管的出口连接微通道换热器的进口，所述微通道换热器的出口连接压缩机的进口。

3.如权利要求2所述的基于微通道换热器的小型压缩制冷系统，其特征在于所述冷凝器包括风机和平行流换热器。

4.如权利要求3所述的基于微通道换热器的小型压缩制冷系统，其特征在于所述微通道换热器包括基板和盖板，所述基板内设置蛇形流道，所述的蛇形流道中对应于发热电子元器件布置区域设置有微通道，基板和盖板封焊一体，设置有进口和出口。

5.如权利要4所述的基于微通道换热器的小型压缩制冷系统，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循环系统和微通道换热器。

6.如权利要5所述的基于微通道换热器的小型压缩制冷系统，其特征在于所述待冷却的发热电子元器件采用涂抹导热脂的方式，紧贴在微通道换热器上。

7.如权利要5所述的基于微通道换热器的小型压缩制冷系统，其特征在于所述待冷却的发热电子元器件布置在微通道换热器的两面和制冷循环中间的空隙空间。

8.如权利要7所述的基于微通道换热器的小型压缩制冷系统，其特征在于所述基于微通道换热器的小型压缩制冷系统设置在电子设备箱体中，所述电子设备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。