CN107024126B - 一种用于毛细泵环的可变容积冷凝器 - Google Patents

一种用于毛细泵环的可变容积冷凝器 Download PDF

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Abstract

一种用于毛细泵环的可变容积冷凝器，涉及一种用于电子芯片散热的毛细泵环。设有冷凝器、汽缸、储液室、水泵、电磁阀、直线电机、压力传感器、单片机和若干铜管；所述汽缸与冷凝器的顶部通过铜管密封连接；所述直线电机与汽缸的活塞连接；所述水泵两端通过铜管分别与汽缸和储液室连接；所述电磁阀安装在水泵的入口；所述压力传感器安装在冷凝器的入口；所述单片机采集压力传感器的压力信号，并且根据制定程序控制电磁阀、水泵和直线电机动作。

Description

一种用于毛细泵环的可变容积冷凝器
技术领域
本发明涉及一种用于电子芯片散热的毛细泵环，尤其是涉及一种用于毛细泵环的可变容积冷凝器。
背景技术
随着微电子技术的高速发展，处理器的主频和集成度越来越高，单位容积上的芯片功耗急剧增加，导致热流密度随之增加。比如，一颗1W的LED灯珠的热流密度已经达到100W/cm2；又如，计算机CPU的热流密度普遍在60～100W/cm2，有的甚至高达200W/cm2。当电子芯片的热流密度超过0.08W/cm2时，自然散热已经无法满足其散热方式；当热流密度超过0.3W/cm2时，强迫对流散热已经达到极限。高热流密度芯片的热控制问题已经成为当前制约高集成度芯片技术发展的瓶颈，电子元器件可靠性的改善、功率容量的增加、集成度的提高以及结构的微型化直接取决于芯片的热控制问题的解决。
为解决高热流密度电子芯片的散热问题，近年来相变散热得到了广泛的应用。毛细泵环是典型的相变散热装置，由蒸发器、冷凝器、汽液联管以及液体工质等组成。蒸发器与电子芯片直接接触，内部的液体吸收了芯片的热量汽化成蒸汽，相变压力迫使蒸汽沿着蒸汽联管到达冷凝器，液化后放出热量变成液体，经过液体联管回到蒸发器。由于毛细泵环采用相变传热机制，其散热能力比当前主要的散热方式高2个数量级以上。通过吸液芯的毛细力和蒸汽相变压力以及重力辅助运行，无需外部能源输入，具有节能减排的优势。同时，当工作时，振动小，无噪音。将蒸汽和液体分开，吸液芯只存在于蒸发器，避免了热管的携带极限，进一步提升了毛细泵环的散热能力。
但是目前的毛细泵环均为固定容积式，即完成设计以及加工安装之后，其内部容积无法调节，这就会给毛细泵环的使用范围带来挑战。若将内部容积设计过高，在低热负荷时毛细泵环无法顺利启动，且灵敏度不高；若内部容积设计过低，在高热负荷时内部压力过高，液体沸点上升，传热效率受影响。比如，当热负荷为200W时，毛细泵环的内部压力已经超过6个标准大气压，不但降低传热效率，且增大了使用的安全隐患。因此设计一款可变容积的冷凝器，实现毛细泵环内部容积随热负荷变化而变化具有重要的意义。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的不足，本发明提供一种用于毛细泵环的可变容积冷凝器。该冷凝器可以随热负荷的变化实时改变毛细泵环内部容积，扩大了毛细泵环的热负荷调节范围。
本发明设有冷凝器、汽缸、储液室、水泵、电磁阀、直线电机、压力传感器、单片机和若干铜管；所述汽缸与冷凝器的顶部通过铜管密封连接；所述直线电机与汽缸的活塞连接；所述水泵两端通过铜管分别与汽缸和储液室连接；所述电磁阀安装在水泵的入口；所述压力传感器安装在冷凝器的入口；所述单片机采集压力传感器的压力信号，并且根据制定程序控制电磁阀、水泵和直线电机动作。
所述汽缸的活塞可通过运动实现冷凝器容积的变化。
所述汽缸的活塞可采用GGr15高碳铬轴承钢通过精密研磨而成，具有良好的密封性和耐磨性。
所述汽缸的容积可采用毛细泵环基本容积的3～5倍。
所述直线电机可采用磁悬浮式电机，采用无旋转结构，其运动精度高。
所述水泵可采用正反转水泵，可实现泵水和抽水功能。
所述电磁阀与水泵的运转可同步开闭，保证汽缸的气密性。
所述单片机根据热负荷大小跟容积和压力的关系，发出相应的指令控制直线电机和水泵运转。
所述储液室可采用不锈钢且为密封容器，在其顶部设有注入口。
所述冷凝器可采用风冷散热，内部设有阵列微柱结构，外部设有翅片。
所述蒸发器内的吸液芯可采用多孔金属纤维烧结吸液芯。
所述直线电机可用恒定压力气压缸代替。
所述汽缸可用气囊代替。
本发明的工作原理为：当热负荷上升时，由于大量的液体被蒸发，导致毛细泵环内部的压力急剧上升。此时，压力传感器检测到压力的变化，并把相应的数据传输到单片机。根据大量的实验数据，得到了热负荷与压力的变化关系，并且编成相关代码输入到单片机。单片机接收到来自压力传感器的数据之后进行分析比较，并且发出指令，控制直线电机带动活塞往上运动，实现毛细泵环内部容积的增加。当容积增加时，毛细泵环内部压力降低，单片机控制直线电机停止运动，从而保证内部压力稳定在某一个小范围内。由于毛细泵环容积的变化，会导致充液率的改变，因此，需要往毛细泵环内部充液体。单片机在发送指令给直线电机的同时，也发送指令给水泵，将储液室里面的液体注入毛细泵环。水泵的转速和注水量可通过单片机根据热负荷的变化定量控制。为了保证汽缸和毛细泵环的气密性，电磁阀只有在水泵运转的时候才打开，并且实现和水泵的运转的同步开闭。当热负荷降低时，毛细泵环内部的压力降低，单片机根据压力的变化反方向控制直线电机和水泵的运行，实现容积的减小和充液率的稳定。
与现有技术相比，本发明有如下优点：通过汽缸内活塞的上下运动，实现毛细泵环内部容积的实时变化。由于容积可变，毛细泵环的基本容积可以设计成比较小，提高毛细泵环低热负荷的运行特性，毛细泵环能够在较小的热负荷下成功启动，且对热负荷变化灵敏度较高；可降低毛细泵环内部压力，提高传热效率；增加冷凝面积，强化冷凝效果；维持毛细泵环压力稳定，提高运行安全性和使用寿命。
附图说明
图1为本发明实施例的结构组成示意图。
图2为具有可变体积冷凝器的毛细泵环工作示意图。
图3为恒定压力式可变容积冷凝器示意图。
图4为气囊式可变容积冷凝器示意图。
具体实施方式
以下通过具体实施方式结合附图对本发明的技术方案做进一步说明和描述，但本发明不仅限于本实施例。
实施例1
如图1～4所示的一种应用于毛细泵环的可变容积冷凝器，包括毛细泵环系统1、水泵2、电磁阀3、储液室4、汽缸6、直线电机7、电缆8、压力传感器9、单片机10等部件。所述毛细泵环系统1包括冷凝器1-1、蒸发器1-2、蒸汽管1-3、液体管1-4。所述汽缸6包括汽缸壁6-1和活塞6-2。汽缸6的底部和冷凝器1-1的顶部各有一个开口并通过第2铜管5-2进行密封连接。所述电磁阀3安装在水泵2的入口，通过水泵2的水流控制电磁阀3的开闭，实现水泵2和电磁阀3的同步运行，保证毛细泵环系统1内部的气密性。所述水泵2的出入口通过第1铜管5-1连接储液室4和汽缸6。所述压力传感器9安装在冷凝器1-1的入口，采集的压力数据通过电缆8与单片机10进行通讯，并通过电缆8发出指令控制直线电机7和水泵2运转。
所述冷凝器1-1采用风冷翅片式散热方式，在其内部设有阵列微柱，强化扰流，外部设有翅片，增加散热面积。所述蒸发器1-2的吸液芯采用铜纤维烧结吸液芯，具有较大的毛细抽吸力和较低的流动阻力。所述蒸汽管1-3为直径8mm的紫铜管、液体管1-4为直径6mm的紫铜管。所述储液室4采用304不锈钢密封容器，并在顶部设有液体灌注口。所述第1铜管5-1为6mm直径的紫铜管。所述第2铜管5-2为8mm直径的紫铜管。所述汽缸壁6-1和活塞6-2为一套精密偶件，采用GGr15高碳铬轴承钢通过精密研磨而成，具有良好的气密性和耐磨性，较小的摩擦阻力。
图2为具有可变容积冷凝器的毛细泵环工作示意图。工作时，电子芯片的热量传递到蒸发器1-2，内部的液体吸收汽化潜热变成蒸汽，沿着蒸汽管1-3达到冷凝器1-1，在阵列微柱及翅片的作用下迅速液化放出热量，液体通过液体管1-4回到蒸发器1-2。当电子芯片的热负荷增加时，由于大量液体蒸发，毛细泵环系统1内部压力急剧上升，压力传感器9检测到压力变化，并通过电缆8将压力信号传输到单片机10。单片机10接收信号后进行对比分析，然后通过电缆8发出相应指令，一方面，控制直线电机7带动活塞6-2往上运行一定距离，实现冷凝器容积的扩大。当容积变大之后，有一部分蒸汽沿着第2铜管5-2到达汽缸6，毛细泵环系统1内部压力下降，压力传感器9检测到压力变化后反馈到单片机10，然后控制直线电机7停止运动，保证压力维持在某一范围内。另一方面，控制水泵2正转，当水流通过电磁阀3时，阀门打开，液体从储液室4被注入到汽缸6，从而保证毛细泵环系统1的充液率不变。当电子芯片的热负荷下降时，毛细泵环系统1内部压力降低，压力传感器9检测到信号后传输给单片机10，单片机10发送指令给直线电机7和水泵2往反方向运动，实现冷凝器容积的缩减，并且维持充液率不变。
实施例2
本实施例采用恒定压力气压缸11代替直线电机7。所述恒定压力气压缸包括恒压缸11-1和恒压管11-2。恒压管11-2外接恒压源，设定恒定压力为P0。恒压缸11-1与活塞6-2固定连接。当电子芯片的热负荷上升时，毛细泵环系统1内部压力上升，超过设定恒压P0，6-2活塞推动恒压缸11-1往上移动，毛细泵环系统1内部容积扩大；当电子芯片的热负荷下降时，毛细泵环系统1内部压力下降且低于设定恒压P0，恒压缸11-1推动活塞6-2往下移动，毛细泵环系统1内部容积缩小。通过恒定压力气压缸11，保证毛细泵环系统1内部压力始终维持在P0。其他动作与实施例1相同。
实施例3
本实施例采用气囊12代替汽缸6。所述气囊12底部通过第2铜管5-2与冷凝器1-1密封连接，气囊12左边通过第1铜管5-1与水泵2密封连接，气囊12顶部通过挺柱12-1与直线电机7刚性连接。当毛细泵环系统1压力变化时，单片机10发出指令控制直线电机7带动挺柱12-1上下运动，实现气囊的压缩或者扩张，从而改变毛细泵环系统1的内部容积。其他动作与实施例1相同。
本发明能够调节毛细泵环内部的容积，以适应不同热负荷工作条件，保证内部压力和充液率不变，提高了毛细泵环的传热效率和使用可靠性，在高热流密度电子芯片及航空航天飞行器的热控制等领域，具有较大的应用前景。

Claims (9)

1.一种用于毛细泵环的可变容积冷凝器，其特征在于设有冷凝器、汽缸、储液室、水泵、电磁阀、直线电机、压力传感器、单片机和若干铜管；所述汽缸与冷凝器的顶部通过铜管密封连接；所述直线电机与汽缸的活塞连接；所述水泵两端通过铜管分别与汽缸和储液室连接；所述电磁阀安装在水泵的入口；所述压力传感器安装在冷凝器的入口；所述单片机采集压力传感器的压力信号，并且根据制定程序控制电磁阀、水泵和直线电机动作。
2.如权利要求1所述一种用于毛细泵环的可变容积冷凝器，其特征在于所述汽缸的活塞采用GCr15高碳铬轴承钢。
3.如权利要求1所述一种用于毛细泵环的可变容积冷凝器，其特征在于所述汽缸的容积采用毛细泵环基本容积的3～5倍。
4.如权利要求1所述一种用于毛细泵环的可变容积冷凝器，其特征在于所述直线电机采用磁悬浮式电机。
5.如权利要求1所述一种用于毛细泵环的可变容积冷凝器，其特征在于所述水泵采用正反转水泵。
6.如权利要求1所述一种用于毛细泵环的可变容积冷凝器，其特征在于所述电磁阀与水泵的运转同步开闭，保证汽缸的气密性。
7.如权利要求1所述一种用于毛细泵环的可变容积冷凝器，其特征在于所述储液室采用不锈钢且为密封容器，在其顶部设有注入口。
8.如权利要求1所述一种用于毛细泵环的可变容积冷凝器，其特征在于所述冷凝器采用风冷散热，内部设有阵列微柱结构，外部设有翅片。
9.一种用于毛细泵环的可变容积冷凝器，其特征在于设有冷凝器、气囊、储液室、水泵、电磁阀、直线电机、压力传感器、单片机和若干铜管；所述气囊与冷凝器的顶部通过铜管密封连接；所述直线电机与气囊的活塞连接；所述水泵两端通过铜管分别与气囊和储液室连接；所述电磁阀安装在水泵的入口；所述压力传感器安装在冷凝器的入口；所述单片机采集压力传感器的压力信号，并且根据制定程序控制电磁阀、水泵和直线电机动作。
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