CN107246678A - 针对半导体的小型相变式水冷系统 - Google Patents

针对半导体的小型相变式水冷系统 Download PDF

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Abstract

针对半导体的小型相变式水冷系统，属于能量处理领域。是一种水冷系统与相变原理相结合的一种系统，属于能量处理领域。主要由半导体片、水冷壁、导管、水泵、水箱、利用相变原理的水降温装置组成。其中水冷壁中有水排，用来运送半导体片热端产生的多余热量。利用相变原理的水降温装置中，装有排列整齐的相变材料，以利用相变的原理，实现对热能的消耗，实现冷却带有温度的水的目的。对于应用半导体制冷的人来说，此系统能够实现对半导体的热端产热的消耗，而应用对半导体通电实现制冷。

Description

针对半导体的小型相变式水冷系统
技术领域
本发明对半导体的小型相变式水冷系统，涉及一种水冷系统与相变原理相结合的一种系统，属于能量处理领域。
背景技术
在电子科技如此发达的今天，用电器件以及布及到了人们生活的方方面面，用电器件的使用总是离不开热量的产生，对于热量的处理，随着科技的不断发展也在不断改善。目前，市面上出现的小型散热系统主要有风冷系统和水冷系统。对于散热性能来说，水冷是在一个相对密闭的空间里更加快速、有效地利用水的比热容大和其流动性质，把系统多余的热量带走，所以水冷系统的散热能力较于风冷系统有着十分明显的优势。在应用方面，部分电脑的显卡、CPU、电源的散热系统都是基于水冷系统，在半导体制冷方面，一般的扇热风扇也根本无法为制冷片提供足够的散热能力，水冷系统为半导体制冷散热提供了新的思路。
通过相变实现散热的基础是通过分子之间关系的变化来实现对热能的吸收。相变化材料(PCM-Phase Change Material)是指随温度变化而改变形态并能提供潜热的物质。相变化材料的相变过程即物质的固态与液态的相互转变，这时相变材料将吸收或释放大量的潜热。
导热相变化材料(PC)是热量增强聚合物，可以用于使半导体热端器件和与之相连的散热片之间的热阻力降低到最小,在水冷系统中加以导热相变化材料，可以在吸收热量和降低系统自身产热两个方面控制热量，进而实现更有效的散热。
针对半导体的小型相变式水冷系统配用于模块化便携式空调，由此实现半导体热端的热量处理，能够在有限的空间里高效地对半导体热端温度进行控制。其特征在于在半导体的热端在与水冷壁的接触中实现热交换，水冷壁与水箱相连从而形成水循环回路，在水的不断流动中带走半导体热端的热量，进而控制半导体的冷热端不会温差过于巨大而造成半导体损坏。
半导体的应用目前已经十分广泛，对于半导体的散热问题非常值得关注，针对半导体的小型相变式水冷系统能够对器件的温度实现高效控制，有效提升半导体元件的使用性能。
发明内容
本发明的目的在于：能够将水冷的设计思路，应用了针对半导体的小型相变式水冷系统，应用于半导体制冷空调的技术之中，有效解决了困扰了人们许久的，无法处理半导体热端温度和空调系统产热降低的问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：设计一种水冷为基础技术的，针对半导体的小型相变式水冷系统，包括半导体(1)、水冷壁(2)、导管、水箱(6)、水泵(4)和利用相变原理的水降温装置(9)；水冷壁与半导体热端相贴，水泵与水冷壁通过导管相连接，水冷壁和水箱通过导管相连接，水箱再与水泵通过导管连接，水泵、水箱和水冷壁构成一个水路循环；水泵能够把水冷壁吸收热量之后的水送入水箱当中，进而把水箱里温度较低的水送入水冷壁中，继续吸收热端产生的热量。同时，水箱还设有另一循环管路，另一循环管路嵌套在利用相变原理的水降温装置(9)中，实现对另一循环管路中水的降温。另一循环管路中已经有了一定温度的水箱里的水进入利用相变原理的水降温装置进行水热量的释放，将水的热量传递给利用相变原理的水降温装置里的相变储能材料，利用相变储能材料的相变消耗掉水中的热能，再将释放热能之后的水送回水箱之中，继续新一轮的循环；
利用相变原理的水降温装置还装有高温检测装置，当利用相变原理的水降温装置相变材料温度过高时，采取紧急关闭半导体(1)的措施，保证系统安全；从而使得系统之中的水能够安全地长时间循环，消耗热端的产热。
所述水泵，采用12伏特直流圆柱式水泵。
所述水箱，采用pvc材质方形水箱。
所述导管，采用硅胶材质的专业导水管。
所述水冷壁，由采用性能优良的不锈钢的水排组成。
所述高温监测装置，为单片机控温器。
所述利用相变原理的水降温装置，其中设有平行并排的槽，槽内填充有相变蓄热材料，水箱的另一循环管路的导管嵌套在相变蓄热材料中，相变蓄热材料选自石蜡和月桂酸的一种或两种；采用两种材料时，优选月桂酸和石蜡在槽内交替间隔填充。采用本发明特制的相变容器，水由导管在相变蓄热材料的缝隙内流动，从而利用相变原理消耗水的热能。
使用方法：
水冷壁与半导体热端相贴，水冷壁吸取半导体热端产生的多余的热量，水泵(4)把水冷壁(2)吸收热量之后的水送入水箱(6)当中，进而把水箱(6)里温度较低的水送入水冷壁(2)中，继续吸收通电半导体片(1)热端产生的热量；同时，水箱(6)的另一循环管路将已经有了一定温度的水箱里的水进入利用相变原理的水降温装置(9)进行水热量的释放，将水的热量通过相变的原理传递给利用相变原理的水降温装置(9)里的相变蓄热材料，利用相变蓄热材料的相变消耗掉水中的热能，再将释放热能之后的水送回水箱(6)之中，继续新一轮的循环。
在利用相变原理的水降温装置外，还装有高温检测装置(10)，当其中温度达到一定(认为比较高的温度)时，采取紧急关闭措施，保证系统安全。从而使得系统之中的水能够安全地长时间循环，消耗热端的产热。
本发明的有益效果：本系统，以水作为热能的承载体，利用相变的原理，消耗掉半导体热端产生的多余的热能，实现了利用半导体制冷的用途。解决了半导体制冷过程中，热端产生的热能无法消耗的问题，实现了半导体的制冷。
附图说明
图1为本发明针对半导体的小型相变式水冷系统结构示意图；
1-半导体，2-水冷壁，3、5、8-导管，4-水泵，6-水箱，7-另一循环管路的导管，9-利用相变原理的水降温装置，10-高温检测装置。
图2为水冷壁外部结构原理图；
图3为水冷壁内部结构原理图；
图4为利用相变原理的水降温装置示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1
当半导体片(1)的电路联通以后，半导体片(1)的冷热两端会产生温度差异，热端的热量确是制冷空调不需要而且干扰制冷效果的一个因素。而这个针对半导体的小型相变式水冷系统，则解决了这个问题。半导体片(1)的热端与水冷壁(2)相连。如附图(1)、附图(2)所示。水流经水冷壁(2)中的水排，带走半导体片(1)热端产生的热量，实现能量的转化。水泵(4)与水冷壁(2)由导管(3)相连接，使得该系统的水能够循环起来，构成一个循环往复的系统。水泵(4)将水通过导管(5)送入储存系统所需用水的水箱(6)中，同时，将吸收的热量送入水箱(6)中。同时，水箱再将温度较低的水通过导管(8)送入水冷壁(2)的水排当中，继续吸收通电的半导体片(1)热端产生的无用热量。水冷壁(2)、导管(3)、水泵(4)、导管(5)、水箱(6)、导管(8)建立起一个以水为吸收半导体热端热量的循环系统，源源不断的带走半导体热端的热量。
同时，水箱(6)的另一端连接的是一个利用相变原理的水降温装置(9)。如附图(3)所示。利用相变原理的水降温装置(9)中，有整齐排列的月硅酸和石蜡。月硅酸和石蜡的缝隙之中，铺设了水的导管(7)，使水能够流经月硅酸和石蜡缝隙，利用相变原理，使得水的热能得以利用，使月硅酸和石蜡产生相变现象，使得水的热能散发出去。水通过导管(7)，不仅从水箱中携带热能进入利用相变原理的水降温装置(9)，还能通过这次水通过导管(7)，在利用相变原理的水降温装置(9)中释放吸收的通电后的半导体片(1)的热端产生的无用热量。在通过导管(7)将释放热量之后的水通过导管(7)送回水箱之中，继续新一轮的循环。
在利用相变原理的水降温装置(9)外，还装有高温检测装置(10)，当利用相变原理的水降温装置(9)中温度过高时，高温监测系统即会采取紧急关闭措施，将系统断电，以保证系统安全。从而使得系统之中的水能够安全地长时间循环于水冷壁(2)、导管(3)、水泵(4)、导管(5)、水箱(6)、导管(8)和导管(7)、利用相变原理的水降温装置(9)，之中，起到为通电的半导体片(1)消耗热端的无用产热。使得半导体制冷技术能够应用于制冷方向，而不用担心热端的产热影响制冷效果。
针对半导体的小型相变式水冷系统与传统的风扇系统相比具有许多突出的优点：
1.切实实现了对热能的消耗而不是简单地排出系统，对热能进行有效的消耗。
2.系统原理简单，实施起来较为方便，能够快速应用于各类商品。
3.制冷效果更好，快速降低温度，从本质上达到制冷效果。
4.安全实用，避免了传统的风扇系统存在的安全问题，真正的贴近了人们的生活。
该系统采用了水冷和相变相结合的设计思路，解决了通电半导体制冷热端产生的多余的热量。能够应用于利用了半导体制冷技术的多种领域。

Claims (9)

1.一种针对半导体的小型相变式水冷系统，其特征在于，包括半导体(1)、水冷壁(2)、导管、水箱(6)、水泵(4)和利用相变原理的水降温装置(9)；水冷壁与半导体热端相贴，水泵与水冷壁通过导管相连接，水冷壁和水箱通过导管相连接，水箱再与水泵通过导管连接，水泵、水箱和水冷壁构成一个水路循环；水泵能够把水冷壁吸收热量之后的水送入水箱当中，进而把水箱里温度较低的水送入水冷壁中，继续吸收热端产生的热量。同时，水箱还设有另一循环管路，另一循环管路嵌套在利用相变原理的水降温装置(9)中，实现对另一循环管路中水的降温。
2.按照权利要求1所述的一种针对半导体的小型相变式水冷系统，其特征在于，利用相变原理的水降温装置还装有高温检测装置。
3.按照权利要求2所述的一种针对半导体的小型相变式水冷系统，其特征在于，高温监测装置为单片机控温器。
4.按照权利要求1所述的一种针对半导体的小型相变式水冷系统，其特征在于，利用相变原理的水降温装置，其中设有平行并排的槽，槽内填充有相变蓄热材料，水箱的另一循环管路的导管嵌套在相变蓄热材料中，相变蓄热材料选自石蜡和月桂酸的一种或两种；采用两种材料时，月桂酸和石蜡在槽内交替间隔填充。
5.按照权利要求1所述的一种针对半导体的小型相变式水冷系统，其特征在于，水泵采用12伏特直流圆柱式水泵。
6.按照权利要求1所述的一种针对半导体的小型相变式水冷系统，其特征在于，水箱采用pvc材质方形水箱。
7.按照权利要求1所述的一种针对半导体的小型相变式水冷系统，其特征在于，所有导管采用硅胶材质的专业导水管。
8.按照权利要求1所述的一种针对半导体的小型相变式水冷系统，其特征在于，水冷壁由不锈钢的水排组成。
9.权利要求1的针对半导体的小型相变式水冷系统的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：水冷壁与半导体热端相贴，水冷壁吸取半导体热端产生的多余的热量，水泵(4)把水冷壁(2)吸收热量之后的水送入水箱(6)当中，进而把水箱(6)里温度较低的水送入水冷壁(2)中，继续吸收通电半导体片(1)热端产生的热量；同时，水箱(6)的另一循环管路将已经有了一定温度的水箱里的水进入利用相变原理的水降温装置(9)进行水热量的释放，将水的热量通过相变的原理传递给利用相变原理的水降温装置(9)里的相变蓄热材料，利用相变蓄热材料的相变消耗掉水中的热能，再将释放热能之后的水送回水箱(6)之中，继续新一轮的循环。
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