CN105611790B - 封闭式喷雾冷却装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种封闭式喷雾冷却装置，包括：换热部，与发热面进行换热，包含：封闭舱、换热板、喷头；供液部，用于向喷头提供制冷液；以及压力调节控制部，用于对封闭舱内的仓内压力进行调节，包含:第一流量泵、第二流量泵、排风机、设在第一流量泵和封闭舱之间分别用于采集制冷液的液体压力和液体温度的第一压力传感器和第一温度传感器、设在封闭舱内分别用于采集换热板的板侧温度和仓内压力的第二温度传感器和第二压力传感器、对第一流量泵、第二流量泵以及排风机进行控制的控制单元。

Description

封闭式喷雾冷却装置

技术领域

本发明涉及散热装置，具体涉及一种对发热面进行高效换热的封闭式喷雾冷却装置。

背景技术

随着电子领域中电子元器件的小型化、微型化和集成化的快速发展，散热问题也越来越突出。喷雾冷却方法是将高压冷却剂通过喷头雾化后变为小液滴，然后对发热面进行换热，具有节能、冷却均匀以及可调节等优点。这种换热过程分为单相区和两相区，在单相区主要通过强制对流进行传热；在两相区包括强制对流、液膜蒸发和液膜内沸腾进行换热，与单相区换热相比两相换热效率更高且冷却介质流量更低，因此特别适合用于高功率用电器中。

目前，在对高功率用电器进行散热时，也采用喷雾冷却法进行散热，然而，由于高功率用电器的发热面并不能直接与液态制冷液相接触。因此，采用封闭式喷雾冷却装置来对发热面进行热交换。

在现有的封闭式喷雾冷却装置中，通过喷头将制冷液喷向换热表面，利用单相和两相进行换热，但是，喷雾冷却的单相区换热效率不高，并且由于制冷液蒸发不完全，使得封闭舱的热量不能完全排出，影响换热效果。另外，残存的制冷液附着于换热板上，这会影响后面的换热并且造成换热板上热量不均匀的问题。另外，换热板是采用平滑表面的换热板，但是，平滑表面的换热效率太低，影响换热效果。

发明内容

本发明是为了解决上述课题而进行的，目的在于提供一种根据发热面的温度对发热面进行高效换热的的封闭式喷雾冷却装置。

本发明提供了一种封闭式喷雾冷却装置，与发热面相接触，用于对发热面进行换热，其特征在于，包括：换热部，与发热面进行换热，包含：侧壁的外表面与发热面相接触的封闭舱、设在侧壁的内表面上并且设有多个微槽道的换热板、与供液部相连接用于将制冷液喷入封闭舱并且与换热板进行热交换的喷头；供液部，用于向喷头提供制冷液；以及压力调节控制部，用于对封闭舱内的仓内压力进行调节，包含:设在供液部和喷头之间用于对制冷液进行加压的第一流量泵、设在封闭舱和供液部之间用于将热交换后的液态的制冷液抽出并回流至供液部的第二流量泵、设在封闭舱和供液部之间用于将热交换后形成蒸汽的制冷液抽出并回流至供液部的排风机、设在第一流量泵和封闭舱之间分别用于采集制冷液的液体压力和液体温度的第一压力传感器和第一温度传感器、设在封闭舱内分别用于采集换热板的板侧温度和仓内压力的第二温度传感器和第二压力传感器、对第一流量泵、第二流量泵以及排风机进行控制的控制单元，其中，当板侧稳定大于预定温度时，控制单元根据液体压力、液体温度和仓内压力，控制排风机的转速增加、并且控制第一流量泵的流量和第二流量泵的流量，使得仓内压力降低，当板侧稳定不大于预定温度时，控制单元控制排风机关闭、并且控制第一流量泵的流量和第二流量泵的流量，使得仓内压力增加。

在本发明所提供的封闭式喷雾冷却装置，还可以具有这样的特征：其中，控制单元控制仓内压力在40KPa至60KPa的范围内。

在本发明所提供的封闭式喷雾冷却装置，还具有这样的特征：其中，换热板倾斜地沿侧壁铺设，使得制冷液能够沿换热板流入第二流量泵，换热板的坡度为0.01。

在本发明所提供的封闭式喷雾冷却装置及，还具有这样的特征：其中，换热板由多个金字塔状的肋片形成，微槽道的槽宽为0.2mm、槽深0.2mm，肋片的倾角为45°。

在本发明所提供的封闭式喷雾冷却装置及，还具有这样的特征：其中，制冷液采用体积分数为0.5％的AL₂0₃纳米粒子蒸馏水。

在本发明所提供的封闭式喷雾冷却装置及，还具有这样的特征：其中，换热器采用管壳式换热器。

在本发明所提供的封闭式喷雾冷却装置及，还具有这样的特征：其中，供液部包含：与排风机和第二流量泵的出口相连接的换热器、以及设在换热器和第一流量泵之间用于储存制冷液的储液罐，换热器将排风机抽出的蒸汽进行换热后得到制冷液。

在本发明所提供的封闭式喷雾冷却装置及，也具有这样的特征，还包括：警报发生部，与控制单元相连接，其中，压力调节控制部还包含：用于设定预定温度和预定阈值的设定单元、以及用于将板侧温度与预定阈值进行比较的比较单元，当板侧温度大于预定阈值时，控制单元控制警报发生部发出警报信号。

发明的作用和效果

根据本发明所涉及的封闭式喷雾冷却装置，因为喷头将制冷液喷入封闭舱，换热板设有多个微槽道使制冷液流动，并且通过第一采集单元采集的从第一流量泵流出的制冷液的液体压力和液体温度，以及第二采集单元采集的板侧温度和仓内压力，控制单元根据液体压力、液体温度、板侧温度和仓内压力对应控制第一流量泵和第二流量泵的流量以及排风机的转速，制冷液经过第一流量泵加压后经过喷头喷入封闭舱，制冷液与换热板接触后进行热交换，部分制冷液被蒸发形成蒸汽，换热后的蒸汽被经由排风机抽出后流回供液部，另外部分制冷液随微槽道流入第二流量泵，然后回流至供液部，所以本发明的封闭式喷雾冷却装置使得封闭舱处于低压环境，使得制冷液的蒸发温度变低，制冷液在较低温度即可蒸发，从而能够对发热面进行高效换热。

附图说明

图1是本发明的实施例中封闭式喷雾冷却装置的结构示意图；

图2是本发明的实施例中封闭式喷雾冷却装置的部分结构示意图；以及

图3是本发明的实施例中封闭式喷雾冷却装置的工作流程图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明封闭式喷雾冷却装置作具体阐述。

图1是本发明的实施例中封闭式喷雾冷却装置的结构示意图。

如图1所示，封闭式喷雾冷却装置100与电子设备的发热面相接触，用于在低压环境下对电子设备进行高效换热，封闭式喷雾冷却装置100包含：供液部10、换热部20、压力调节控制部30、过滤器50和警报发生部60。

供液部10，用于向换热部20提供制冷液，供液部10包含：换热器11和储液罐12。

换热器11的入口与换热部20的出口相连接，并且换热器11的出口与储液罐12的入口相连接。

储液罐12用于储存制冷液，并且向换热部20提供制冷液。在本实施例中，制冷液采用体积分数为0.5％的AL₂0₃纳米粒子蒸馏水，纳米粒子蒸馏水具有更高的导热系数和比热容，并且因为尺寸小从而对设备的磨损小且不易引起堵塞。

图2是本发明的实施例中封闭式喷雾冷却装置的部分结构示意图。

如图2所示，换热部20用于与发热面进行换热，换热部20包含：封闭舱21、喷头22和换热板23。

封闭舱21的一侧壁的外表面与发热面相接触，用于密封喷头22和换热板23，从而形成一个不与外界空气相通的封闭区域，即仓腔。

喷头22与储液罐12的出液口相连接，用于将制冷液喷入封闭舱21中。

换热板23设在封闭舱21与发热面相对应的侧壁的内表面上。在换热板23上设有多个微槽道。微槽道的槽宽为0.2mm、槽深0.2mm。换热板23倾斜地铺设在封闭舱21的侧壁上，并且换热板23的坡度为0.01，使得制冷液能够沿换热板23流出。在本实施例中，换热板23由多个金字塔状的肋片形成，肋片的高度为0.2mm，肋片的倾角为45°。

压力调节控制部30用于对封闭舱21内的仓内压力进行调节，包含:第一流量泵31、第二流量泵32、排风机33和控制部分40。

第一流量泵31设在储液罐12和喷头22之间，用于调节进入喷头22的制冷液的压力。

第二流量泵32设在封闭舱21的出口和换热器11的入口之间，将蒸发换热残留的制冷液流回换热器11。

排风机33设在封闭舱21的出口和换热器11的入口之间。通过排风机33、第一流量泵31和第二流量泵32的调节，使得喷头22形成的喷雾区的压力低于大气压力。

过滤器50设在第一流量泵32和喷头22之间，用于对制冷液进行过滤。

控制部分40用于控制封闭舱21的仓内压力，包含：第一压力传感器41、第一温度传感器42、第二压力传感器43、第二温度传感器44、控制单元45、设定单元和比较单元。

第一压力传感器41和第一温度传感器42设在第一流量泵31与喷头22之间的管道上，分别采集制冷液的液体压力和液体温度。

第二压力传感器43设在封闭舱21的出口所在的侧壁上，用于采集仓腔的仓内压力。

第二温度传感器44设在换热板23上，用于采集换热面的板侧温度。

设定单元设定预定温度和预定阈值。比较单元用于将板侧温度与预定阈值进行比较。

警报发生部60用于发出警报信号。

控制单元45与第一压力传感器41、第一温度传感器42、第二压力传感器43、第二温度传感器44、警报发生部60、第一流量泵31、第二流量泵32、排风机33和喷头22相连接，根据液体压力、液体温度、换热板温度和仓内压力来控制喷头22的开口以及警报发生部60的开闭，并且控制单元45控制第一流量泵31的流量、第二流量泵32的流量、排风机33的转速使得仓腔内的仓内压力在40KPa至60KPa的范围内。在本实施例中，采用流量泵与排风机联用的方式，可以减小封闭舱喷雾系统的压力，制冷剂蒸发温度随着系统压力降低而降低,当系统压力在40kPa至60kPa时，制冷剂蒸发温度在75至85℃，当壁面温度高于蒸馏水饱和温度时,壁面上的蒸馏水提前进入两相换热区,制冷剂的汽化潜热使喷雾冷却散热性能大幅提升

图3是本发明的实施例中封闭式喷雾冷却装置的工作流程图。

如图3所示，封闭式喷雾冷却装置100的具体工作流程包含以下步骤：

步骤S1，第一流量泵31对从储液罐12流出的制冷液进行加压，然后经过过滤器50进行过滤，然后进入步骤S2。

步骤S2，第一压力传感器41和第一温度传感器42采集制冷液的液体压力和液体温度，然后进入步骤S3。

步骤S3，喷头22将制冷液进行雾化后喷入封闭舱21中，制冷液与换热板23接触后进行蒸发换热，然后进入步骤S4。

步骤S4，第二温度传感器44采集换热板23的板侧温度，第二压力传感器43采集仓内压力，然后进入步骤步骤S5。

步骤S5，比较单元比较判断板侧温度是否大于预定阈值，如果板侧温度大于预定阈值，进入步骤S6-1；如果板侧温度不大于预定阈值，进入步骤S6-2。

步骤S6-1，控制单元45控制警报发生部60开启，从而发出警报；然后进入步骤S7-1。

步骤S6-2，比较单元比较判断板侧温度是否大于预定温度，如果大于预定温度，说明电子设备的发热面的温度过高，进入步骤S7-1；如果不大于预定温度，说明电子设备的发热面的温度不至于过高，进入步骤S7-2。

步骤S7-1，控制单元45控制第一流量泵31的流量、第二流量泵32的流量、增加排风机33转速并且减小喷头22的开度，从而减小仓内压力，进而降低制冷液的蒸发温度，提前蒸发，增大换热量，然后进入S8。

步骤S7-2，控制单元45控制排风机33关闭并且将喷头22完全打开，从而进行强制对流换热，然后进入步骤S8。

步骤S8，制冷液吸收换热板23的热量一部分被蒸发形成蒸汽，排风机33将蒸汽抽出后输入换热器11中进行换热，并且得到液态的制冷液，另一部分未被蒸发的制冷液随微槽道流入第二流量泵32中，然后输入至换热器11进行换热，然后进入步骤S9。

步骤S9，储液罐12存储换热器11流出的液态制冷液，然后进入结束状态。

实施例的作用与效果

根据本实施例所涉及的封闭式喷雾冷却装置，因为喷头将制冷液喷入封闭舱，换热板设有多个微槽道使制冷液流动，并且通过第一采集单元采集的从第一流量泵流出的制冷液的液体压力和液体温度，以及第二采集单元采集的板侧温度和仓内压力，控制单元根据液体压力、液体温度、板侧温度和仓内压力对应控制第一流量泵和第二流量泵的流量以及排风机的转速，制冷液经过第一流量泵加压后经过喷头喷入封闭舱，制冷液与换热板接触后进行热交换，部分制冷液被蒸发形成蒸汽，蒸汽被经由排风机抽出后流回供液部，另外部分制冷液随微槽道流入第二流量泵，然后回流至供液部，所以本实施例的封闭式喷雾冷却装置能够对发热面进行高效换热。

在本实施例的封闭式喷雾冷却装置中，由于换热板由多个金字塔状的肋片形成，从而增加了换热面积，同时微槽道自身有毛细力，可以驱使微槽中液体流动，强化了换热，也使得加热面液膜分布更加均匀。

在本实施例的封闭式喷雾冷却装置中，由于采用体积分数为0.5％的AL203纳米粒子蒸馏水，水基Al2O3纳米流体的传热系数大，从而提高传热系数。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种封闭式喷雾冷却装置，与发热面相接触，用于对所述发热面进行换热，其特征在于，包括：

换热部，与所述发热面进行换热，包含：封闭舱，其侧壁外表面与所述发热面相接触；换热板，设置在所述封闭舱的侧壁内表面上,且其上设有多个微槽道；喷头,用于将制冷液喷入所述封闭舱并且与所述换热板进行热交换；

供液部，与所述喷头相连接，用于向所述喷头提供所述制冷液；以及

压力调节控制部，用于对所述封闭舱内的仓内压力进行调节，包含:设在所述供液部和所述喷头之间用于对所述制冷液进行加压的第一流量泵、设在所述封闭舱和所述供液部之间用于将热交换后的液态的所述制冷液抽出并回流至所述供液部的第二流量泵、设在所述封闭舱和所述供液部之间用于将热交换后形成蒸汽的所述制冷液抽出并回流至所述供液部的排风机、设在所述第一流量泵和所述封闭舱之间分别用于采集所述制冷液的液体压力和液体温度的第一压力传感器和第一温度传感器、设在所述封闭舱内分别用于采集所述换热板的板侧温度和所述仓内压力的第二温度传感器和第二压力传感器、对所述第一流量泵、所述第二流量泵以及所述排风机进行控制的控制单元，

其中，当所述板侧稳定大于预定温度时，所述控制单元根据所述液体压力、所述液体温度和所述仓内压力，控制所述排风机的转速增加、并且控制所述第一流量泵的流量和所述第二流量泵的流量，使得所述仓内压力降低，

当所述板侧稳定不大于预定温度时，所述控制单元控制所述排风机关闭、并且控制所述第一流量泵的流量和所述第二流量泵的流量，使得所述仓内压力增加。

2.根据权利要求1所述的封闭式喷雾冷却装置，其特征在于：

其中，所述控制单元控制所述仓内压力在40KPa至60KPa的范围内。

3.根据权利要求1所述的封闭式喷雾冷却装置，其特征在于：

其中，所述换热板倾斜地沿所述侧壁铺设，使得所述制冷液能够沿所述换热板流入所述第二流量泵，所述换热板的坡度为0.01。

4.根据权利要求3所述的封闭式喷雾冷却装置，其特征在于：

其中，所述换热板由多个金字塔状的肋片形成，

所述微槽道的槽宽为0.2mm、槽深0.2mm，

所述肋片的倾角为45°。

5.根据权利要求1所述的封闭式喷雾冷却装置，其特征在于：

其中，所述制冷剂采用体积分数为0.5％的AL₂0₃纳米粒子蒸馏水。

6.根据权利要求1所述的封闭式喷雾冷却装置，其特征在于：

其中，所述供液部包含：与所述排风机和所述第二流量泵的出口相连接的换热器、以及设在所述换热器和所述第一流量泵之间用于储存所述制冷液的储液罐，

所述换热器将所述排风机抽出的所述蒸汽进行换热后得到所述制冷液。

7.根据权利要求1所述的封闭式喷雾冷却装置，其特征在于，还包括：

警报发生部，与所述控制单元相连接，

其中，所述压力调节控制部还包含：用于设定所述预定温度和预定阈值的设定单元、以及用于将所述板侧温度与所述预定阈值进行比较的比较单元，

当所述板侧温度大于预定阈值时，所述控制单元控制所述警报发生部发出警报信号。