CN106954373A - 一种主动式两相环路与相变蓄热复合的热控系统 - Google Patents

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Abstract

一种主动式两相环路与相变蓄热复合的热控系统，属于散热冷却技术领域。该系统主要包括吸热器、储液器、冷凝器、蒸气管路、驱动装置、液体管路和风机。所说吸热器是由导热壳体、蒸发腔、蓄热材料和翅片封装成的一体结构；蒸发腔出口通过蒸气管路与冷凝器入口相连通，冷凝器出口通过液体管路依次连接储液器和驱动装置，最后接入蒸发腔入口，形成一个封闭环路。发热量较小时，可通过蓄热材料吸收热量，通过翅片进行散热，限制或延缓温升；发热量较大时，启动驱动装置，运行主动式两相环路。特别是发热量动态或脉冲式变化时，本发明可保持电子芯片及设备良好的温度控制，并且具有散热能力强、结构紧凑、安全温度控制、适用性强、应用范围广等特点。

Description

一种主动式两相环路与相变蓄热复合的热控系统
技术领域
本发明涉及一种主动式两相环路与相变蓄热复合的热控系统，属于散热冷却技术领域。
背景技术
电子技术的迅速发展，给人类生活带来革命性变化的同时，激光器件、LED设备、电子芯片及设备等电子器件的热耗急剧增长，其冷却散热问题也日益突出。温度过高会导致电子器件产生机械失效、腐蚀失效、电气失效等一系列不可逆损伤，此外，对于该类电子设备，其耗热量随着客户端的应用情况而动态变化，而过高的温度变化不仅对其性能产生巨大的影响，而且造成电子器件可靠性的降低。
传统的风冷散热器虽然结构简单，但越来越难以胜任高热流密度电子器件的散热要求，同时与电子器件实际运行热耗动态匹配性能较差。在现有技术中，液体冷却的性能远大于风冷散热，但显热换热的液体冷却不能够实现电子器件的等温性，同时以水为介质的液体泄漏对电子器件的危害将会是致命的；利用潜热换热的热管冷却可以实现电子器件的等温性，但其性能受重力和毛细力的严重影响，且启动困难，因此，高热流密度条件下的供液不足、安全温度控制、以及热耗量低时启动困难等问题依然存在。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中存在的问题，提供一种适用于激光器件、LED设备、电子芯片及设备等高热流密度电子器件用的主动式两相环路与相变蓄热复合热控系统，使其具有散热能力强、结构紧凑、温度控制安全、适用性强、应用范围广等优势。
本发明的技术方案如下：
一种主动式两相环路与相变蓄热复合的热控系统，该系统包括吸热器、冷凝器、储液器、蒸气管路、液体管路和风机，所述吸热器是由导热壳体、蒸发腔、蓄热材料和位于导热壳体上的翅片封装成的一体结构；其特征在于，所述系统还包括驱动装置，该驱动装置置于所述的液体管路上；所述蒸发腔出口通过蒸气管路与冷凝器入口相连通，冷凝器出口通过液体管路依次连接储液器和驱动装置，最后通过驱动装置出口与蒸发腔入口连接，形成一个封闭的循环回路，内部充注低沸点流体工质。
本发明的技术特征还在于：在储液器和吸热器之间设有毛细管路，毛细管路的一端与储液器的出口相连，另一端与蒸发腔入口连接，在毛细管路和蒸发腔底部分别设有毛细芯。
上述技术方案中，其特征在于：所述的吸热器由两台或两台以上并联而成。
优选地，本发明所述蓄热材料采用月桂酸、镓或铋铅锡镉铟类低熔点合金的一种。
优选地，本发明所述低沸点流体工质为二氧化碳、二氟甲烷和五氟乙烷中的任一种，或为二氧化碳、二氟甲烷或五氟乙烷与碳纳米管的混合物。
本发明所述驱动装置采用机械泵或压电泵。
优选地，所述导热壳体由铜或铝金属材料制作而成。
本发明的技术特征还在于：所述蒸发腔位于蓄热材料的底部、内部或顶部，蒸发腔结构采用平板式、微通道式或翅片式换热器的一种。
本发明与现有技术相比，具有如下优点及突出性的技术效果：
①本发明结构紧凑、易于加工，并且具有散热能力强、结构紧凑、温度控制安全、适用性强、应用范围广等特点，特别是电子器件出现脉冲式或动态式负荷变化时，本发明可保持电子芯片及设备良好的温度控制特性；②相比风冷散热器，本发明适用范围更加广泛，且十分适合高热流密度散热；相比以水为代表的液体冷却，本发明不仅可以杜绝因泄露带来的致命危险，而且以相变换热为机理的主动式两相环路工质循环流量少、驱动装置功耗低、换热能力更强；相比热管冷却装置，本发明系统启动迅速，工质循环流动特性好，换热能力强，避免了蒸发腔内出现蒸干现象，驱动装置的可控性实现了散热过程的主动性，增强了系统的动态匹配性能。
附图说明
图1是本发明提供的一种主动式两相环路与相变蓄热复合的热控系统第一种实施例的结构原理示意图。
图2是在图1的基础上采用多热源的热控系统实施例的结构原理示意图。
图3是本发明的另一种实施例的结构原理示意图，即采用主/被动式两相环路与相变蓄热复合的热控系统的实施例的结构原理示意图。
图4是在图3技术方案的基础上采用多热源的热控系统结构示意图。
图中：1-电子器件，2-吸热器，3-蓄热材料，4-毛细管路，5-毛细芯，6-储液器，7-冷凝器，8-蒸气管路，9-驱动装置，10-液体管路，11-蒸发腔，12-翅片，13-风机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构、原理和和具体实施方式做进一步说明：
如图1所示，本发明提供的一种主动式两相环路与相变蓄热复合的热控系统，主要包括吸热器2、蓄热材料3、储液器6、冷凝器7、蒸气管路8、驱动装置9、液体管路10、蒸发腔11、翅片12和风机13；所述吸热器2由导热壳体、蒸发腔11、蓄热材料3和位于导热壳体上的翅片12封装成的一体结构；蒸发腔11出口通过蒸气管路8与冷凝器7入口相连通，冷凝器7出口通过液体管路10依次连接储液器6和驱动装置9，最后通过动力装置9出口与蒸发腔11入口连接，形成一个封闭的循环环路，内部充注低沸点流体工质。所述蓄热材料采用月桂酸、镓或铋铅锡镉铟类低熔点合金的一种。所述低沸点流体工质一般为二氧化碳、二氟甲烷和五氟乙烷中的任一种，或为二氧化碳、二氟甲烷或五氟乙烷与碳纳米管的混合物。所述驱动装置采用机械泵或压电泵。所述导热壳体可由导热金属材料制作，优选采用铜或铝金属材料。
所述蒸发腔11可位于蓄热材料的底部、内部或顶部，蒸发腔结构可以是平板式、微通道式或翅片式换热器的一种。
电子器件1运行耗热量较小时，电子器件1的发热量被蓄热材料3以相变潜热的形式吸收，并通过吸热器2的外表面和设置在吸热器顶部的翅片12将热量散发到周围的空气中；当电子器件1的发热量较大时，在上述运行的基础上，启动驱动装置9，储液器6内的低沸点液态工质在驱动装置9的输运作用下经过液体管路10进入蒸发腔11，液态工质吸热蒸发为气态或两相态工质，在蒸发腔11出口经过蒸气管道8到达冷凝器7，并在冷凝器7内将热量散发到周围空气中；此外，当电子器件1出现脉冲式或动态式负荷变化时，电子器件1的发热量被蓄热材料3以相变潜热的形式储存起来，可避免电子器件1剧烈的温度起伏变化，保持电子芯片及设备的温度稳定在合适的温度范围内，防止过热现象发生。
如图2所示，该技术方案是一种采用多热源用主/被动式两相环路蓄能型复合恒温散热方法及其装置结构示意图，对于数据中心、服务器、激光阵列或者多LED灯组，其电子芯片、激光或LED热源较多，吸热器2可以由两台或多台并联连接而成，由驱动装置9统一供液，经液体管路10分配液体工质至蒸发腔11，其余部分的结构和工作过程与图1所示的实施例相同。
图3为采用一种主/被动式两相环路与相变蓄热复合的热控系统实施例的结构原理示意图，其主要包括吸热器2、蓄热材料3、毛细管路4、毛细芯5、储液器6、冷凝器7、蒸气管路8、驱动装置9、液体管路10、蒸发腔11、翅片12和风机13；毛细管路4置在储液器6和吸热器2之间，毛细管路的一端与储液器6的出口相连，另一端与蒸发腔11入口连接，在毛细管路和蒸发腔底部分别填充有毛细芯5。吸热器2由蒸发腔11、蓄热材料3和位于吸热器顶部的翅片12封装成一体结构；蒸发腔11出口通过蒸气管路8与冷凝器7入口相连通，冷凝器7出口通过液体管路10与储液器6连接，储液器6出口分为两路，一路通过液体管路10连接驱动装置9后接入蒸发腔11入口，另一路通过毛细管路4直接接入蒸发腔11入口，形成一个封闭环路，内部充注低沸点流体工质。
电子器件1运行耗热量较小时，电子器件1的发热量被蓄热材料3以相变潜热的形式吸收，并通过顶部的翅片12和吸热器2的外表面将热量散发到周围的空气中；当电子器件1的发热量进一步增大，且达到环路热管启动条件时，电子器件1的发热量被吸热器2内的蓄热材料和蒸发腔11吸收，蒸发腔11内的液态低沸点介质蒸发为气态或两相态工质，并通过蒸气管道8到达冷凝器7，在冷凝器7内将热量散发到周围空气中，并且冷凝为液态工质，进入储液器6，再经过毛细管道4内毛细芯5的抽吸作用回到蒸发腔11，同时吸热器2吸收的部分热量仍可以通过吸热器顶部的翅片12和吸热器2的外表面散发到周围的空气中；当电子器件的发热量较大，传统环路热管不能够提供足够的循环工质时，在上述运行的基础上，启动驱动装置9，储液器6内的低沸点液态工质在驱动装置9的输运作用下经过液体管路10进入蒸发腔11，液态工质吸热蒸发为气态或两相态工质，在蒸发腔11出口经过蒸气管道8到达冷凝器7，并在冷凝器7内将热量散发到周围空气中。这样，无论电子器件的热负荷如何变化，通过本发明所述的运行传统的被动式两相环路或者驱动装置驱动的主动式两相环路，都可以达到良好的散热效果；针对高热流密度应用范围广，特别是蓄热材料可以将热量以相变潜热的形式储存起来，可避免电子器件剧烈的温度起伏变化，保持电子芯片及设备的温度稳定在合适的范围内，防止过热现象发生。
图4是在图3的技术方案的基础上采用多热源的热控系统结构示意图。对于数据中心、服务器、激光阵列或者多LED灯组，其电子芯片、激光或LED热源较多，吸热器2可以由两台或两台以上并联连接而成，由毛细芯5或驱动装置9统一供液，经毛细管路4或液体管路10分配液体工质至蒸发腔11，其余部分的结构和工作过程与图3所述实施例相同。
本发明的工作过程和原理如下：电子器件运行耗热量较小时，电子器件的发热量被蓄热材料以相变潜热的形式吸收，并通过顶部的翅片和吸热器的外表面将热量散发到周围的空气中；当电子器件的发热量较大时，在上述运行的基础上，启动驱动装置9，储液器6内的低沸点液态工质在驱动装置的输运作用下经过液体管路10进入蒸发腔11，液态工质吸热蒸发为气态或两相态流体工质，在蒸发腔出口经过蒸气管道8到达冷凝器7，并在冷凝器内将热量散发到周围空气中；此外，当电子器件出现脉冲式或动态式负荷变化时，电子器件的发热量被蓄热材料以相变潜热的形式储存起来，可避免电子器件剧烈的温度起伏变化，保持电子芯片及设备的温度稳定在合适的温度范围内，防止过热现象发生。

Claims (8)

1.一种主动式两相环路与相变蓄热复合的热控系统，该系统包括吸热器(2)、冷凝器(7)、储液器(6)、蒸气管路(8)、液体管路(10)和风机(13)，所述吸热器(2)是由导热壳体、蒸发腔(11)、蓄热材料(3)和位于导热壳体顶部的翅片(12)封装成的一体结构；其特征在于，所述系统还包括驱动装置(9)，该驱动装置(9)置于所述的液体管路(10)上；所述蒸发腔(11)出口通过蒸气管路(8)与冷凝器(7)入口相连通，冷凝器(7)出口通过液体管路(10)依次连接储液器(6)和驱动装置(9)，最后通过驱动装置(9)出口与蒸发腔(11)入口连接，形成一个封闭的循环环路，内部充注低沸点流体工质。
2.按照权利要求1所述的一种主动式两相环路与相变蓄热复合的热控系统，其特征在于：在储液器(6)和吸热器(2)之间设有毛细管路(4)，毛细管路的一端与储液器(6)的出口相连，另一端与蒸发腔(11)入口连接，在毛细管路和蒸发腔底部分别设有毛细芯(5)。
3.按照权利要求1或2所述的一种主动式两相环路与相变蓄热复合的热控系统，其特征在于：所述的吸热器由两台或两台以上并联而成。
4.按照权利要求3所述的一种主动式两相环路与相变蓄热复合的热控系统，其特征在于：所述蓄热材料采用月桂酸、镓或铋铅锡镉铟类低熔点合金的一种。
5.按照权利要求3所述的一种主动式两相环路与相变蓄热复合的热控系统，其特征在于：所述低沸点流体工质为二氧化碳、二氟甲烷和五氟乙烷中的任一种，或为二氧化碳、二氟甲烷或五氟乙烷与碳纳米管的混合物。
6.按照权利要求3所述的一种主动式两相环路与相变蓄热复合的热控系统，其特征在于：所述驱动装置采用机械泵或压电泵。
7.根据权利要求1或2所述的一种主动式两相环路与相变蓄热复合的热控系统，其特征是：所述导热壳体由铜或铝金属材料制作而成。
8.根据权利要求1或2所述的一种主动式两相环路与相变蓄热复合的热控系统，其特征在于：所述蒸发腔位于蓄热材料的底部、内部或顶部，蒸发腔结构采用平板式、微通道式或翅片式换热器的一种。
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