CN107894114A - 一种具有自优化特性的电子器件闪蒸喷雾循环冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有自优化特性的电子器件闪蒸喷雾循环冷却系统，包括压缩机、冷凝器、回热器、储液罐、喷雾腔和气液分离器；压缩机的出口通过管道与冷凝器的入口连接，冷凝器通过管道与回热器第一通道入口连接，回热器的第一通道出口通过管路与储液罐的入口连接，储液罐的下部出口通过管道与喷雾腔的入口连接，喷雾腔的下部液体出口通过管路与回热器第二通道的入口连接；喷雾腔的上部气体出口通过管路与气液分离器的入口连接，回热器第二通道出口通过管路与气液分离器的入口连接，气液分离器通过管路与压缩机的入口连接。系统通过调节旁路阀门开度、压缩机频率、喷雾高度和倾角等参数，实现对换热强弱的优化控制，并保证系统的快速稳定。

Description

一种具有自优化特性的电子器件闪蒸喷雾循环冷却系统

技术领域

本发明属于制冷技术领域，具体涉及一种电子器件/芯片闪蒸喷雾循环冷却系统。

背景技术

芯片技术如CPU芯片、激光半导体芯片、LED芯片，以及激光武器、有源相控阵雷达等电子器件，近年来向高集成化、大功率化发展。以LED芯片为例，其在工作时仅有20％-30％的电能转换为光能，剩余70％-80％的电能被转换为热能，散热不佳将导致芯片结温升高，造成光谱偏移、寿命降低等问题。同样，对于CPU芯片，其超过60℃，芯片烧毁可能性大大增加，据调查60％-70％的CPU芯片损坏与温度过高有关。对于大功率芯片，其热流密度已达到或超过100W/cm²，散热已成为整个芯片行业发展急需解决的问题。

目前针对各种大功率芯片的散热方式主要有空冷散热、风冷散热(主动式散热法)、水冷散热等，但是由于散热效率的问题，基本上都体积庞大、性价比低，且仍无法有效地解决问题。而目前研究的较多的水冲击射流冷却，虽然可达到的热流密度高，但其无法维持表面低温，且具有换热表面温度不均匀，易造成芯片震动的缺点。总体来说，对于小面积上大功率散热要求(100W/cm²以上)，市场上目前还没有可行的产品。

而带有相变的闪蒸喷雾冷却方式可以实现在较小面积、较小过热度的情况下移走大量热量，且保持表面低温，到达低温高效换热的目的。闪蒸喷雾技术是使具有一定压力的制冷剂液体经由喷嘴喷出瞬间进入低压环境，液体变为过热非平衡态，发生爆炸性破碎雾化，并伴随强烈相变闪蒸，产生大量蒸气与低温的细小液滴；进一步，雾化的低温小液滴冲击在发热表面，发生相变沸腾、强制对流、蒸发等复合换热。这种复合换热方式能快速带走芯片表面大量的热量，并保持表面均匀低温，符合大功率芯片散热要求。

但目前的闪蒸喷雾冷却装置，多为开式设计，造成了制冷剂的浪费和对环境的污染；少有的闭式循环系统并没有有效解决系统运行稳定性、散热能力有限，以及压缩机与喷嘴流量不匹配、喷雾距离及喷雾腔倾斜角度对冷却效果影响显著的问题。

发明内容

本发明目的在于提供一种具有自优化特性的电子器件闪蒸喷雾循环冷却系统，以解决上述技术问题。本发明能高效得对大功率芯片进行散热，并维持芯片散热表面的均匀低温，具有冷却效果显著、运行稳定、体积小、成本低、节能环保的特点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种具有自优化特性的电子器件闪蒸喷雾循环冷却系统，包括压缩机、冷凝器、回热器、储液罐、喷雾腔和气液分离器；压缩机的出口通过第一管道与冷凝器的入口连接，冷凝器通过第二管道与回热器第一通道入口连接，回热器的第一通道出口通过第二管路与储液罐的入口连接，储液罐的下部出口通过第三管道与喷雾腔的入口连接，喷雾腔的下部液体出口通过第四管路与回热器第二通道的入口连接；喷雾腔的上部气体出口通过第五管路与气液分离器的入口连接，回热器第二通道出口通过第六管路与气液分离器的入口连接，气液分离器通过第七管路与压缩机的入口连接；所述一种具有自优化特性的电子器件闪蒸喷雾循环冷却系统，通过调节压缩机频率、流量调节旁路阀门、喷雾腔内喷射距离与倾斜角度、喷雾表面结构改性达到优化系统的冷却能力。

进一步的，还包括流量调节旁路；所述流量调节旁路两端分别与储液罐的上部出口和气液分离器的入口连接；流量调节旁路上设有可控制开度的阀门。

进一步的，还包括控制系统；所述控制系统包括若干传感器、运算器和控制模块；所述若干传感器包括流量传感器、温度传感器和三个压力传感器；流量传感器连接第三管道；温度传感器设置在喷雾腔的底部；三个压力传感器设置在喷雾腔与回热器之间，以及压缩机出口与喷雾腔(5)入口；若干传感器收集流量、温度、压力信号，并将信号传给所述运算器，运算器根据预设的目标值与若干传感器采集的过程信号值的差值，进行PID运算后，将控制信号传输给控制模块用以调整压缩机的频率与流量调节旁路阀门的开度，以控制系统运行优化工况。

进一步的，喷雾腔包括喷雾腔壳体、喷雾腔底板、全锥形喷嘴、喷雾高度调节装置和腔体倾角调节装置；喷雾腔底板安装于喷雾腔壳体底部，喷雾腔底板的上表面形成喷雾表面；全锥形喷嘴固定在喷雾高度调节装置上，喷雾高度调节装置安装于喷雾腔壳体上部，用于调节全锥形喷嘴距离喷雾表面的高度；喷雾腔壳体的底部设有液体出口，通过第四管路与回热器第二通道的入口连接；喷雾腔壳体的上部设有气体出口，通过第五管路与气液分离器的入口连接。

进一步的，喷雾腔壳体上安装有一个或若干个全锥形喷嘴，形成喷嘴阵列。

进一步的，喷雾腔底板与电子器件待冷却面紧密接触，接触界面上有导热涂层。

进一步的，所述具有自优化特性的电子器件闪蒸喷雾循环冷却系统中循环介质为R410a或R32制冷剂。

进一步的，喷雾表面设有表面覆盖多孔纳米涂层的肋结构；所述表面肋结构为金字塔型或直肋型，多孔纳米涂层为亲水型，厚度为1-8微米，孔直径为10-50纳米。

进一步的，所述具有自优化特性的电子器件闪蒸喷雾循环冷却系统工作时，全锥形喷嘴前后压差大于OMPa。

进一步的，所述具有自优化特性的电子器件闪蒸喷雾循环冷却系统采用R410a作为循环工质，全锥形喷嘴进口压力为4MPa，背压为0.9Mpa，喷嘴前后压差为3.1MPa。

相对于现有技术，本发明据有以下有益效果：

1.本发明设计的一种具有自优化特性的电子器件闪蒸喷雾循环冷却系统，其核心技术特征是闪蒸喷雾：具有一定压力的制冷剂液体经由喷嘴喷出瞬间进入低压环境，液体变为过热非平衡态，发生爆炸性破碎雾化，并伴随强烈相变闪蒸，产生大量蒸气与低温的细小液滴；进一步，雾化的低温小液滴冲击在发热表面，发生包括核态沸腾、强制对流、蒸发在内的闪蒸喷雾复合换热过程。这种剧烈的换热过程极大地提高了换热效率，能在较低过热度下，能快速带走芯片表面大量热量并维持其表面低温，符合大功率高热流密度芯片散热的要求。

2.本发明设计的控制系统，利用收集喷雾腔内的温度压力参数，来调节压缩机频率和流量调节旁路的阀门开度，有效的解决了市面上流行的某些制冷剂现有的压缩机与喷嘴流量不匹配的问题，并且使其能与不同散热要求的芯片相配合，扩大了本发明设计的使用范围。

3.本发明设计的回热器，有效回收了从喷雾腔流出的制冷剂的剩余冷量，用于进一步冷却冷凝器出口的制冷剂，且充分利用了冷凝器出口高温制冷剂的余热，用于喷雾腔出口液态制冷剂的汽化，从而省略了系统中的加热装置，提高了系统的经济型，符合节能减排的理念。

4.本发明中发热原件通过导热涂层与喷雾腔底部紧密接触，避免了制冷剂与芯片的直接接触，实现了系统的闭式循环冷却。

5.考虑到喷雾腔倾角、喷雾距离对闪蒸喷雾效果有显著的影响，本发明通过调节旁路阀门、喷雾高度和倾角参数，实现对换热的强弱的控制，保证系统的快速稳定。并在喷雾冷却表面设计宏观肋结构，增加换热表面，以及在肋表面增加微结构(改变表面的粗糙度)或者多孔纳米涂层，以增加汽化核心数并推迟了过渡沸腾的发生，临界热流密度可达普通光滑表面的三倍以上，极大强化了换热效果。

6.本发明设计的储液罐，实现将经过冷凝器、回热器后未完全液化的制冷剂进行气液分离，喷嘴入口管道与储液罐下部相连，保证仅有液态制冷剂进入喷嘴，防止了气态制冷剂对闪蒸喷雾效果的不利影响。另外，本发明在压缩机进口处设计了气液分离器，防止制冷剂液体进入压缩机，造成损害。

7.本发明在所用循环介质中添加纳米颗粒，以增加相变换热强度，进一步增强换热能力，并能在一定程度上提高循环介质与压缩机冷冻油的相容性。

8.本发明冷却效果显著、冷却速度快、长期运行稳定可靠、体积小、便携性好、成本低、节能环保，适用于高热流密度芯片散热场合。

附图说明

图1为本发明一种具有自优化特性的电子器件闪蒸喷雾循环冷却系统的结构示意图；

图2为喷雾腔的结构示意图；

图3为直肋型表面肋结构截面图；

图4为金字塔型表面肋结构截面图。

具体实施方式

结合下列附图，通过实例对本发明进一步进行说明。

请参阅图1所示，本发明一种具有自优化特性的电子器件闪蒸喷雾循环冷却系统，包括压缩机1、强制空冷冷凝器2、回热器3、储液罐4、喷雾腔5、气液分离器6、流量调节旁路c和控制系统。

压缩机1为变频转子压缩机；压缩机1的出口通过管道h与冷凝器2的入口连接，冷凝器2的出口通过管道a与回热器3第一通道入口连接，回热器3的第一通道出口通过管路b与储液罐4的入口连接，储液罐4的下部出口通过管道d与喷雾腔5的入口连接，喷雾腔5的下部液体出口通过管路e与回热器3第二通道的入口连接，上部气体出口通过管路i、阀门与气液分离器6的入口连接，回热器3的第二通道出口通过管路f与气液分离器6的入口连接；气液分离器6的气体出口通过管路g与压缩机1的入口连接；流量调节旁路c两端分别与储液罐4的上部出口和气液分离器6的入口连接；流量调节旁路c上设有可控制开度的阀门17。以上构成一个闭式循环系统。喷雾腔进出口均设置有压力传感器和电磁阀门，流量调节旁路上也设置有可以实现自动控制的节流阀17。

本发明的控制系统包括传感器、运算器8、控制模块7；传感器包括温度传感器10、压力传感器11、流量传感器9；控制系统7包括压缩机控制模块、旁路控制模块、喷雾距离控制模块、喷雾高度控制模块；流量传感器9连接管道d，用于监测喷雾流量；温度传感器10设置在喷雾腔底板12；压力传感器11设置在喷雾腔5与回热器3之间，以及喷雾腔5入口与压缩机1出口；传感器收集温度、压力信号，并将信号传给运算器8，运算器根据预设的目标值与若干传感器采集的过程信号值的差值，进行PID运算后，将控制信号传输给控制模块用以调整压缩机的频率与流量调节旁路阀门的开度，以此实现对系统稳定运行状态的控制，并结合喷雾距离与喷雾腔角度的调控，实现对换热的优化。

请参阅图2所示，喷雾腔5包括喷雾腔壳体51、喷雾腔底板12、全锥形喷嘴15、喷雾高度调节装置14和腔体倾角调节装置16。喷雾腔底板12安装于喷雾腔壳体51底部，喷雾腔底板12的上表面形成喷雾表面13；全锥形喷嘴15固定在喷雾高度调节装置14上，喷雾高度调节装置14安装于喷雾腔壳体51上部，用于调节全锥形喷嘴15距离喷雾表面13的高度。喷雾腔壳体51的底部设有液体出口，通过管路e与回热器3第二通道的入口连接；喷雾腔壳体51的上部设有气体出口，通过管路i、阀门与气液分离器6的入口连接。

喷雾腔壳体51固定在腔体倾角调节装置16上；喷雾腔5与水平面间的倾角可通过腔体倾角调节装置16调节。

铜制喷雾腔底板12与电子器件待冷却面相接触，接触界面上涂有导热性良好的导热胶，防止了制冷剂与芯片的直接接触。

请参阅图3和图4所示，喷雾表面13设计有表面肋结构，分别为金字塔型、直肋型。肋表面可以设置微结构或多孔纳米涂层，多孔纳米涂层为亲水型，厚度为1-8微米，孔直径为10-50纳米。

当装置使用R410a作为工质，喷雾距离17mm，喷雾腔与水平面间夹角为90度，喷雾表面13设有直肋型微结构(图4)时，测得临界热流密度高达300W/cm²，且表面温度维持在60℃以下，换热系数高达60.5W·m^-2·K^-1，满足大部分大功率芯片的散热要求。且系统体积为50*30*30cm，体积小、重量轻，方便移动。

弥散在制冷剂中的纳米颗粒，可以是CuO、TiO₂，通常呈球状，颗粒直径小于50nm，浓度小于0.5g/L，相比无添加纳米颗粒，换热能力可继续提高50％以上。

本系统采用R410a作为循环工质时，喷嘴进口压力为4±0.5MPa，背压为0.9±0.3Mpa。

Claims (9)

1.一种具有自优化特性的电子器件闪蒸喷雾循环冷却系统，其特征在于，包括压缩机(1)、冷凝器(2)、回热器(3)、储液罐(4)、喷雾腔(5)和气液分离器(6)；

压缩机(1)的出口通过第一管道(h)与冷凝器(2)的入口连接，冷凝器(2)通过第二管道(a)与回热器(3)第一通道入口连接，回热器(3)的第一通道出口通过第二管路(b)与储液罐(4)的入口连接，储液罐(4)的下部出口通过第三管道(d)与喷雾腔(5)的入口连接，喷雾腔(5)的下部液体出口通过第四管路(e)与回热器(3)第二通道的入口连接；喷雾腔(5)的上部气体出口通过第五管路(i)与气液分离器(6)的入口连接，回热器(3)第二通道出口通过第六管路(f)与气液分离器(6)的入口连接，气液分离器(6)通过第七管路(g)与压缩机(1)的入口连接。

2.根据权利要求1所述的一种具有自优化特性的电子器件闪蒸喷雾循环冷却系统，其特征在于，还包括流量调节旁路(c)；所述流量调节旁路(c)两端分别与储液罐(4)的上部出口和气液分离器(6)的入口连接；流量调节旁路(c)上设有可控制开度的阀门(17)。

3.根据权利要求1所述的一种具有自优化特性的电子器件闪蒸喷雾循环冷却系统，其特征在于，还包括控制系统；所述控制系统包括若干传感器、运算器(8)和控制模块(7)；所述若干传感器包括流量传感器(9)、温度传感器(10)和三个压力传感器(11)；流量传感器(9)连接第三管道(d)；温度传感器(10)设置在喷雾腔(5)的底部；三个压力传感器(11)设置在喷雾腔(5)与回热器(3)之间，以及压缩机(1)出口与喷雾腔(5)入口；若干传感器采集流量、温度、压力信号，并将信号传给所述运算器(8)，运算器(8)根据预设的目标值与若干传感器采集的过程信号值的差值，进行PID运算后，将控制信号传输给控制模块(7)用以调整压缩机(1)的频率与流量调节旁路(c)阀门的开度，以控制系统运行优化工况。

4.根据权利要求1所述的一种具有自优化特性的电子器件闪蒸喷雾循环冷却系统，其特征在于，喷雾腔(5)包括喷雾腔壳体(51)、喷雾腔底板(12)、全锥形喷嘴(15)、喷雾高度调节装置(14)和腔体倾角调节装置(16)；喷雾腔底板(12)安装于喷雾腔壳体(51)底部，喷雾腔底板(12)的上表面形成喷雾表面(13)；全锥形喷嘴(15)固定在喷雾高度调节装置(14)上，喷雾高度调节装置(14)安装于喷雾腔壳体(51)上部，用于调节全锥形喷嘴(15)距离喷雾表面(13)的高度；喷雾腔壳体(51)的底部设有液体出口，通过第四管路(e)与回热器(3)第二通道的入口连接；喷雾腔壳体(51)的上部设有气体出口，通过第五管路(i)与气液分离器(6)的入口连接。

5.根据权利要求4所述的一种具有自优化特性的电子器件闪蒸喷雾循环冷却系统，其特征在于，喷雾腔壳体(51)上安装有一个或若干全锥形喷嘴(15)，形成喷嘴阵列。

6.根据权利要求4所述的一种具有自优化特性的电子器件闪蒸喷雾循环冷却系统，其特征在于，喷雾腔底板(12)与电子器件待冷却面紧密接触，接触界面上有导热涂层。

7.根据权利要求2所述的一种具有自优化特性的电子器件闪蒸喷雾循环冷却系统，其特征在于，所述具有自优化特性的电子器件闪蒸喷雾循环冷却系统中循环介质为R410a或R32制冷剂；

或者，所述具有自优化特性的电子器件闪蒸喷雾循环冷却系统中循环介质为添加纳米颗粒的R410a或R32制冷剂，所述纳米颗粒用于增加气化核心从而增大换热能力，纳米颗粒直径小于50nm，浓度小于0.5g/L。

8.根据权利要求4所述的一种具有自优化特性的电子器件闪蒸喷雾循环冷却系统，其特征在于，喷雾表面(13)设有表面覆盖多孔纳米涂层的肋结构；所述表面肋结构为金字塔型或直肋型，多孔纳米涂层为亲水型，厚度为1-8微米，孔直径为10-50纳米。

9.根据权利要求4所述的一种具有自优化特性的电子器件闪蒸喷雾循环冷却系统，其特征在于，所述具有自优化特性的电子器件闪蒸喷雾循环冷却系统采用R410a作为循环工质，全锥形喷嘴(15)进口压力为4±0.5MPa，背压为0.9±0.3Mpa。