CN105702647B - 一种实现高负荷cpu强化散热功能的纳米喷雾装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于内燃机研究领域的一种实现高负荷CPU强化散热功能的纳米喷雾装置及其方法，包括PCB电路板、CPU、薄铜片、冷凝管、喷雾腔、冷却液罐、滤清器、冷却液、效应机构和控制器，当PCB电路板上的CPU热敏电阻监测CPU的温度超过限定值时，开启喷嘴，冷却液雾粒被喷射到CPU表面的薄铜片上，通过膜态沸腾换热和强迫对流换热带走CPU表面热量，蒸汽在冷凝管上凝结后沿壁面流下，经冷却液回收孔进入散热器，回流到冷却液罐；这为大功率设备提供了一种更加高效节能的散热方式，通过在冷却液中添加纳米颗粒，以增大冷却液导热系数，进一步提高装置的散热效率；采用元器件均为微型设备，功耗低，但散热效率高，因此将节省大量的电能，在节能环保上有着重要的意义。
Description
技术领域
本发明属于通信设备技术领域，具体涉及一种实现高负荷CPU强化散热功能的纳米喷雾装置及其方法。
背景技术
当今电子产业发展迅猛，电子设备高度微型化和集成化，功率密度越来越高，局部热流密度不断增加，芯片散热已经成为制约其发展的瓶颈。从电子管到晶体管，在技术飞速发展的这六十几年间，芯片行业发生了翻天覆地的变化。英特尔公司负责芯片内部设计的首席技术官盖尔欣格曾经说过：“如果芯片耗能和散热问题得不到解决，到2005年芯片上集成了2亿个晶体管时，就会热的像核反应堆。2010年就会达到火箭发射时喷嘴处的温度，而2015年就会与太阳表面一样热。”电子元件的温度每升高10°，其寿命将缩短50％。当电子元器件的温度达到80℃以上时，其工作性能迅速下降。据统计，超过55％的电子设备的失效形式是由温度过高引起。
随着电子技术的飞跃，传统的散热冷却技术也在发展，主要有：(1)自然冷却，主要采用板翅式和针翅式两种，其散热效果与散热片的大小成正比，且稳定可靠。但因为是自然冷却，其散热效率低。(2)风冷，即使用风扇带走散热器所吸收的热量。该方法结构简单、成本低，但散热效率不高，无法满足高热流密度热源的散热。且风扇带动周围的磁场因漏磁或电火花干扰周围电子元件的正常工作。(3)热管冷却，其导热性能好、结构简单，体积小适合狭小空间高热量器件的冷却，但其对材料机器制造工艺有较高要求。(4)半导体制冷，该方法无需制冷剂、无噪音、可以实现温度的高精度控制。专利申请号为201510693497.4的专利提出了一种CPU散热装置，采用半导体制冷片与散热片结合的方式，提高了CPU散热装置的散热能力，但单个元件的功率很小，对于大功率器件的冷却，需要大量热电元件组成电堆，使得系统体积庞大，能耗高，使用成本高。(5)微通道冷却，该技术已经成熟，专利申请号为CN201520082782.8的专利提出了一种微通道冷却器，采用两块盖板和一块双面具有微通道的换热板将冷热流体隔开，有效避免了冷却液在冷却器内的积聚，提高了冷却器的散热效率。但由于微通道尺寸较小，容易结垢或堵塞，压力损失较大，对泵的要求高。为了满足更高热流密度的散热要求，以及响应国家节能减排的号召。寻找一种更加高效、节能、环保的冷却方式已经迫在眉睫。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题提供一种实现高负荷CPU强化散热功能的纳米喷雾装置及其方法，能够以更加高效、环保、节能的方式实现高负荷CPU的散热。
本发明的技术方案是：一种实现高负荷CPU强化散热功能的纳米喷雾装置，包括PCB电路板、CPU、薄铜片、喷雾腔、冷却液罐、效应机构和控制器；
所述效应机构包括喷嘴、微泵组和散热器；
所述CPU位于PCB电路板上，所述CPU上表面通过高温绝缘导热胶与薄铜片连接；所述喷雾腔通过螺纹固定罩在所述CPU上，所述喷雾腔正对CPU一侧的壁面A设有喷嘴安装孔，所述喷嘴安装孔内安装有喷嘴，喷嘴的喷雾端正对CPU的中心位置，喷嘴的另一端通过管道与微泵组的第一出口连接；微泵组的入口端通过管路与冷却液罐连接；在微泵组与冷却液罐间连接的管道上安装有温度传感器和流量计，冷却液罐中装有冷却液，冷却液中添加纳米颗粒；冷却液罐的入口端与散热器的一端相连，散热器的另一端通过保温管道与喷雾腔底部壁面C上设有的冷却液回收孔相连；
所述控制器包括输入模块、运算模块、控制模块和输出模块；输入模块分别与温度传感器、CPU热敏电阻和体积流量计电连接，用于接收温度传感器的冷却液温度信号、体积流量计的流量信号和CPU热敏电阻的温度信号，并传给运算模块，所述运算模块进行计算分析后，传递给相应的控制模块，所述控制模块包括喷嘴控制模块、微泵组控制模块、半导体制冷器控制模块、散热器控制模块；所述控制模块对信号进行处理后，传送给输出模块，所述输出模块分别与效应机构电连接，对效应机构进行控制。
上述方案中，所述喷雾腔顶部壁面B上还设有冷凝管，冷凝管沿管轴向倾斜，冷凝管的入口端通过管道与微泵组的第一出口连接。
上述方案中，所述效应机构还包括半导体制冷器，半导体制冷器安装在冷却液罐的一侧，半导体制冷器的一端与控制器电连接。
上述方案中，所述薄铜片的表面设有纵横交错的浅槽。
上述方案中，所述喷雾腔为3D打印的玻璃纤维结构制成。
进一步的，喷雾腔与CPU的连接间隙处采用高温绝缘密封胶密封，喷雾腔内外表面均匀涂抹一层绝缘密封胶。
进一步的，所述喷雾腔的壁面C呈漏斗状。
上述方案中，所述喷嘴为微细雾化喷嘴。
上述方案中，还包括滤清器；滤清器置于冷却液罐的内底部；所述微泵组的入口端通过管路与滤清器连接。
一种根据所述实现高负荷CPU强化散热功能的纳米喷雾装置的方法，所述方法包括以下步骤：
S1、先将装置的部件和管道安装完毕，控制器控制微泵组将冷却液输送至喷嘴前端，形成并保持一定的喷射压力；
S2、当PCB电路板上的CPU热敏电阻监测CPU的温度超过限定值时，开启喷嘴，冷却液雾粒被喷射到CPU表面的薄铜片上，蒸汽在冷凝管上凝结后沿壁面流下，经冷却液回收孔进入散热器，回流到冷却液罐；
S3、温度传感器监测冷却液罐出口处冷却液温度，流量计监测管路中冷却液流量，若CPU温度超过限定值，控制器增大微泵组转速，提高冷却液流量，进一步提高散热效率；若冷却液温度超过限定值，则控制器将自动开启半导体制冷器对冷却液罐中的冷却液进行降温；
S4、冷却液温度降至正常范围时，控制器停止半导体制冷器的工作，以及降低微泵组的转速。
本发明的优点是：
1、本发明设计的一种实现高负荷CPU强化散热功能的纳米喷雾装置，通过微细雾化喷嘴将冷却液雾化并喷射到经过处理的CPU表面，经相变和强迫对流换热将CPU表面热量带走，使芯片冷却，这为大功率设备提供了一种更加高效节能的散热方式。
2、本发明设计的一种实现高负荷CPU强化散热功能的纳米喷雾装置，采用冷却液的闭路循环模式，在保证电气设备安全性的同时，减少了冷却液的需求量，降低了成本，同时最大限度地降低了冷却液排放对环境的污染。
3、本发明设计的一种实现高负荷CPU强化散热功能的纳米喷雾装置，通过在冷却液中添加纳米颗粒，以增大冷却液导热系数，进一步提高装置的散热效率。
4、本发明设计的一种实现高负荷CPU强化散热功能的纳米喷雾装置，通过在喷雾腔内设置冷凝管以及在管内加入冷却液，可将腔内的热量带至远离CPU的散热器中进行散热，使CPU以较低的温度运行。
5、本发明设计的一种实现高负荷CPU强化散热功能的纳米喷雾装置，通过在冷却液罐上加装半导体制冷器，在必要情况下可对冷却液进行进一步的降温，使得该散热设备不仅适用于室内等普通环境，也适用于户外高温等恶劣环境。
6、本发明设计的一种实现高负荷CPU强化散热功能的纳米喷雾装置，采用元器件均为微型设备，功耗低，但散热效率高，因此将节省大量的电能，在节能环保上有着重要的意义。
附图说明
图1为本发明一实施方式的结构示意图；
图2为本发明一实施方式的控制器框架图；
图3为本发明一实施方式的喷雾腔结构示意图；
图4为本发明一实施方式中冷凝管的安装示意图；
图5为本发明一实施方式的薄铜片结构示意图；
图6为图5中I处的放大图；
图7为本发明一实施方式的方法流程图。
图中：1、PCB电路板；2、绝缘密封胶；3、CPU；4、薄铜片；5、冷凝管；6、喷雾腔；7、喷嘴；8、管路；9、微泵组；10、温度传感器；11、流量计；12、冷却液罐；13、滤清器；14、冷却液；15、半导体制冷器；16、散热器；17、保温管路；18、壁面A；19、喷嘴安装孔；20、喷雾腔安装孔；21冷却液回收孔；22、壁面B；23、壁面C；24、控制器；25、输入模块；26、运算模块；27、喷嘴控制模块；28、微泵组控制模块；29、半导体制冷器控制模块；30、散热器控制模块；31、输出模块；32、CPU热敏电阻；33风扇A；34、风扇B；35、浅槽。
具体实施方式
下面结合附图具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于此。
图1和图2所示为本发明所述实现高负荷CPU强化散热功能的纳米喷雾装置的一种实施方式，所述实现高负荷CPU强化散热功能的纳米喷雾装置，包括PCB电路板1、CPU3、薄铜片4、冷凝管5、喷雾腔6、冷却液罐12、滤清器13、冷却液14、效应机构和控制器24。通过将冷却液雾粒喷射到CPU3表面，形成膜态沸腾换热和强迫对流换热，实现CPU3的高效散热。
所述效应机构包括喷嘴7、微泵组9、散热器16和半导体制冷器15；
所述CPU3位于PCB电路板1上，所述CPU3上表面通过一层极薄且厚度均匀的高温绝缘导热胶与薄铜片4贴紧，薄铜片4边缘与CPU3间的间隙用高温绝缘密封胶填补；所述喷雾腔6的四边设有喷雾腔安装孔20，通过螺纹固定罩在所述CPU3上；所述喷雾腔6正对CPU3一侧的壁面A18设有喷嘴安装孔19，所述喷嘴安装孔19内安装有喷嘴7，喷嘴7的喷雾端正对CPU3的中心位置，喷嘴7的另一端通过管道与微泵组9的第一出口连接；微泵组9的入口端通过管路与滤清器13连接，滤清器13置于冷却液罐12的内底部；在微泵组9与冷却液罐12间连接的管道上安装有温度传感器10和流量计11，冷却液罐12中装有冷却液14，冷却液14中添加纳米颗粒，以提高冷却液14的导热系数，进一步增强装置的散热效率；冷却液罐12的入口端与散热器16的一端相连，散热器16的另一端通过保温管道17与喷雾腔6底部壁面C23上设有的冷却液回收孔21相连，壁面C23呈漏斗状有利于冷却液14的流出。
所述冷凝管5安装在喷雾腔6顶部壁面B22上，冷凝管5的入口端通过管道与微泵组9的第一出口连接，冷凝管5沿管轴向倾斜，以使凝结液沿管运动至侧壁面流下，避免干扰喷雾射流。
在外界环境温度超过限定值，散热器16无法对冷却液14进行有效降温的情况下，所述冷却液罐12的一侧可选择性的安装半导体制冷器15，一般室内环境无需安装。半导体制冷器15的一端与控制器24电连接。当冷却液14温度超过限定值时，控制器24自动判定散热器已无法满足冷却液的散热，将开启半导体制冷器15对冷却液罐12中的冷却液14进行降温，待温度达到允许范围内时，即停止半导体制冷器15的制冷。
所述薄铜片4的表面设有纵横交错的浅槽35，以增大铜片表面的散热面积。
所述喷雾腔6为3D打印的玻璃纤维结构制成，具有绝缘性好、耐热性强、抗腐蚀性好、机械强度高等优点。
CPU3与喷雾腔6的连接间隙处采用高温绝缘密封胶2密封，喷雾腔6内外表面均匀涂抹一层绝缘密封胶，在进一步增强密封性的同时，提高喷雾腔体的绝热性能。
所述喷雾腔6的壁面C23呈漏斗状。
所述喷嘴7为微细雾化喷嘴，其平均喷雾液滴直径为50微米，通过强制对流混合、表面蒸发、液膜内核化沸腾等机理来强化传热。
所述控制器24包括输入模块25、运算模块26、控制模块和输出模块31；输入模块25分别与温度传感器10、CPU热敏电阻32和体积流量计11电连接，用于接收温度传感器10的冷却液温度信号、体积流量计11的流量信号和CPU热敏电阻32的温度信号，并传给运算模块26，所述运算模块26进行计算分析后，传递给相应的控制模块，所述控制模块包括喷嘴控制模块27、微泵组控制模块28、半导体制冷器控制模块29、散热器控制模块30；所述控制模块对信号进行处理后，传送给输出模块31，所述输出模块31分别与效应机构喷嘴7、微泵组9、散热器16和半导体制冷器15电连接，对喷嘴7、微泵组9、散热器16和半导体制冷器15进行控制。
一种根据所述实现高负荷CPU强化散热功能的纳米喷雾装置的方法，所述方法包括以下步骤：
S1、先将装置的部件和管道安装完毕，控制器24控制微泵组9将冷却液14输送至喷嘴7前端，形成并保持一定的喷射压力；
S2、当PCB电路板1上的CPU热敏电阻32监测CPU3的温度超过限定值时，开启喷嘴7，冷却液雾粒被喷射到CPU3表面的薄铜片4上，通过膜态沸腾换热和强迫对流换热带走CPU3表面热量，蒸汽在冷凝管5上凝结后沿壁面流下，经冷却液回收孔21进入散热器16，回流到冷却液罐12；
S3、温度传感器10监测冷却液罐12出口处冷却液温度，流量计11监测管路中冷却液流量，若CPU3温度超过限定值，控制器24增大微泵组9转速，提高冷却液流量，进一步提高散热效率；若冷却液温度超过限定值，则控制器24判定散热器16已无法满足冷却液的散热，将自动开启半导体制冷器15对冷却液罐12中的冷却液14进行降温；
S4、冷却液温度降至正常范围时，控制器24停止半导体制冷器15的工作，以及降低微泵组9的转速。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种实现高负荷CPU强化散热功能的纳米喷雾装置，其特征在于，包括PCB电路板(1)、CPU(3)、薄铜片(4)、喷雾腔(6)、冷却液罐(12)、效应机构和控制器(24)；
所述效应机构包括喷嘴(7)、微泵组(9)和散热器(16)；
所述CPU(3)位于PCB电路板(1)上，所述CPU(3)上表面通过高温绝缘导热胶与薄铜片(4)连接；所述喷雾腔(6)通过螺纹固定罩在所述CPU(3)上，所述喷雾腔(6)正对CPU(3)一侧的壁面A(18)设有喷嘴安装孔(19)，所述喷嘴安装孔(19)内安装有喷嘴(7)，喷嘴(7)的喷雾端正对CPU(3)的中心位置，喷嘴(7)的另一端通过管道与微泵组(9)的第一出口连接；微泵组(9)的入口端通过管路与冷却液罐(12)连接；在微泵组(9)与冷却液罐(12)间连接的管道上安装有温度传感器(10)和流量计(11)，冷却液罐(12)中装有冷却液(14)，冷却液(14)中添加纳米颗粒；冷却液罐(12)的入口端与散热器(16)的一端相连，散热器(16)的另一端通过保温管道(17)与喷雾腔(6)底部壁面C(23)上设有的冷却液回收孔(21)相连；
所述控制器(24)包括输入模块(25)、运算模块(26)、控制模块和输出模块(31)；输入模块(25)分别与温度传感器(10)、CPU热敏电阻(32)和体积流量计(11)电连接，用于接收温度传感器(10)的冷却液温度信号、体积流量计(11)的流量信号和CPU热敏电阻(32)的温度信号，并传给运算模块(26)，所述运算模块(26)进行计算分析后，传递给相应的控制模块，所述控制模块包括喷嘴控制模块(27)、微泵组控制模块(28)、半导体制冷器控制模块(29)、散热器控制模块(30)；所述控制模块对信号进行处理后，传送给输出模块(31)，所述输出模块(31)分别与效应机构电连接，对效应机构进行控制。
2.根据权利要求1所述的实现高负荷CPU强化散热功能的纳米喷雾装置，其特征在于，所述喷雾腔(6)顶部壁面B(22)上还设有冷凝管(5)，冷凝管(5)沿管轴向倾斜，冷凝管(5)的入口端通过管道与微泵组(9)的第一出口连接。
3.根据权利要求1所述的实现高负荷CPU强化散热功能的纳米喷雾装置，其特征在于，所述效应机构还包括半导体制冷器(15)，半导体制冷器(15)安装在冷却液罐(12)的一侧，半导体制冷器(15)的一端与控制器(24)电连接。
4.根据权利要求1所述的实现高负荷CPU强化散热功能的纳米喷雾装置，其特征在于，所述薄铜片(4)的表面设有纵横交错的浅槽(35)。
5.根据权利要求1或2所述的实现高负荷CPU强化散热功能的纳米喷雾装置，其特征在于，所述喷雾腔(6)为3D打印的玻璃纤维结构制成。
6.根据权利要求5所述的实现高负荷CPU强化散热功能的纳米喷雾装置，其特征在于，喷雾腔(6)与CPU(3)的连接间隙处采用高温绝缘密封胶(2)密封，喷雾腔(6)内外表面均匀涂抹一层绝缘密封胶(2)。
7.根据权利要求6所述的实现高负荷CPU强化散热功能的纳米喷雾装置，其特征在于，所述喷雾腔(6)的壁面C(23)呈漏斗状。
8.根据权利要求1所述的实现高负荷CPU强化散热功能的纳米喷雾装置，其特征在于，所述喷嘴(7)为微细雾化喷嘴。
9.根据权利要求1所述的实现高负荷CPU强化散热功能的纳米喷雾装置，其特征在于，还包括滤清器(13)；滤清器(13)置于冷却液罐(12)的内底部；所述微泵组(9)的入口端通过管路与滤清器(13)连接。
10.一种根据权利要求1所述实现高负荷CPU强化散热功能的纳米喷雾装置的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1、先将装置的部件和管道安装完毕，控制器(24)控制微泵组(9)将冷却液(14)输送至喷嘴(7)前端，形成并保持一定的喷射压力；
S2、当PCB电路板(1)上的CPU热敏电阻(32)监测CPU(3)的温度超过限定值时，开启喷嘴(7)，冷却液雾粒被喷射到CPU(3)表面的薄铜片(4)上，蒸汽在冷凝管(5)上凝结后沿壁面流下，经冷却液回收孔(21)进入散热器(16)，回流到冷却液罐(12)；
S3、温度传感器(10)监测冷却液罐(12)出口处冷却液温度，流量计(11)监测管路中冷却液流量，若CPU(3)温度超过限定值，控制器(24)增大微泵组(9)转速，提高冷却液流量，进一步提高散热效率；若冷却液温度超过限定值，则控制器(24)将自动开启半导体制冷器(15)对冷却液罐(12)中的冷却液(14)进行降温；
S4、冷却液温度降至正常范围时，控制器(24)停止半导体制冷器(15)的工作，以及降低微泵组(9)的转速。
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| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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