CN108155163B - 带有温控给水单元的散热装置 - Google Patents

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Abstract

一种带有温控给水单元的散热装置，由散热器(7)、器件固定平台(18)、温控给水单元和呼吸单元组成。所述温控给水单元中的水箱(9)安装位置高于散热器(7)，器件固定平台(18)位于散热器(7)的上部，呼吸单元嵌入散热器(7)中，与散热器(7)紧配合；需要散热的功率器件固定于器件固定平台(18)上。水箱(9)通过导水管(12)、温控调节阀(10)与呼吸单元连接，向呼吸单元提供蒸发散热用水。当对球缺形跳跃膜片(5)施加大于跳跃失稳点压力时，球缺形跳跃膜片(5)下凹，莲瓣曲面阀门关闭，压缩膨胀室(4)内的气体；球缺形跳跃膜片(5)上凸，莲瓣曲面阀门打开，吸进空气或水，排出膨胀室(4)内的气体。

Description

带有温控给水单元的散热装置
技术领域
本发明涉及一种散热装置。
背景技术
散热无处不到的应用，被人们认识和接受。以电力电子器件为例，由于功率器件的自身损耗，产生大量的热，而且功率损耗与功率增加成正比。目前散热方法主要有：自然冷却、强制排风冷、水循环冷却。其冷却效果、成本、复杂性、能量损耗依次由低到高，可靠性依次由高到低，尤其在高达225℃结温的宽禁带半导体器件，水循环冷却的温度限制则无法发挥宽禁带半导体器件耐高温特性。因此，散热是影响功率电子器件性能、质量的关键要素之一。功率器件的功率密度即单位体积的输出功率，单位体积的输出功率越大，器件的性能越好。器件的自然冷却是首选，自然冷却在无自然风情况下是利用散热器热源对周边空气加热，产生冷暖对流自然循环散热，自然冷却简单、可靠、成本低等优点。但是当散热器结构、体积、环境条件不变，而器件功率增加，散热器发热量增大，使散热器在水平和垂直方向温度分布的热空气对流发生方向及速度改变，形成乱流直接影响散热性能，此时自然冷却的热对流空气换热，不能满足散热要求，必须采取主动排风锁定热气流动方向和加快空气热对流速度，才能降低散热器温度。
随着宽禁带半导体器件快速的发展，宽禁带半导体器件突出优点之一是耐高温特性，使传统硅半导体的环境55℃温度要求提升到100℃以上，由于气体蒸发可达到100℃以上的高温气体，蒸发散热是宽禁带半导体器件非常好的散热方法。
发明内容
本发明的目的是克服现有自然冷却功率器件散热方法的不足，提出一种带有温控给水单元的散热装置。
本发明依据自然冷却、强迫风冷和水冷的优点，基于理想气体状态方程，在容积不变时，压强与热力学温度成正比原理，充分利用功率器件自身热源升高容器内气体温度，使容器内部压强增大，当容器内的大气压强大于空气压力时，利用跳跃膜片的失稳特性，控制阀门，在容器出口瞬间排出高压气流，使散热器周边气流加速方向被锁定，达到在自然冷却条件下提高散热器效率目的。
本发明散热装置由散热器、器件固定平台、温控给水单元和呼吸单元组成。温控给水单元中的水箱与所述散热器分离，置于高于散热器的位置，器件固定平台位于散热器上部，呼吸单元嵌入散热器中。
所述的温控给水单元中的导水管的一端安装在水箱底部，与水箱连通，导水管的另一端与温控调节阀连通，温控调节阀安装在散热器一侧与呼吸单元连接，向呼吸单元提供部分蒸发用水。所述的器件固定平台固定功率器件。
所述的呼吸单元与散热器紧配合。
所述的呼吸单元由膨胀室、具有毛细管功能的导热材料、进气孔、进气端密封盖、逆止阀、球缺形跳跃膜片和莲瓣式曲面阀门组成。
所述的膨胀室为管状,用导热良好的材料制作。所述的球缺形跳跃膜片覆盖于膨胀室的一端，与膨胀室连接处密封。球缺形跳跃膜片面向膨胀室内的一面为内表面，背向膨胀室的另一面为外表面。球缺形跳跃膜片的中心有排气孔，排气孔上安装有莲瓣式曲面阀门，莲瓣式曲面阀门贴于球缺形跳跃膜片的外表面。进气端密封盖覆盖在膨胀室的另一端，与膨胀室密封连接。进气端密封盖为绝热材料，进气端密封盖上安装有逆止阀，开有进气孔，进气孔与逆止阀的进口端连接。对球缺形跳跃膜片施加大于跳跃失稳点的压力，当压力加载或卸载到一定程度时球缺形跳跃膜片能够发生位移突变，当球缺形跳跃膜片向膨胀室内跳跃时，莲瓣式曲面阀门和逆止阀关闭，压缩膨胀室内的气体，球缺形跳跃膜片向膨胀室外跳跃时，曲面阀门和逆止阀开启，产生气流，吸进空气或水，排出膨胀室内的气体。进气孔和逆止阀配合，将混合水气吸入膨胀室内，进入膨胀室内的水气在高温的作用下瞬间膨胀，膨胀室内的压力大于膨胀室外的压力，逆止阀关闭，使膨胀气体不能回流。而通过用绝热材料制作的进气端密封盖，隔离膨胀室与外界环境，有利于膨胀室快速升温使气体蒸发。蒸发气体的分子吸收散热器热量，使气体快速膨胀，驱动球缺形跳跃膜片弹跳，同时带走散热器热量。
所述的具有毛细管功能的导热材料为中空圆柱形状，安装在膨胀室内，导热材料中空圆柱外缘与膨胀室内壁接触，导热材料中空圆柱体的一端连接于进气端密封盖的内侧，逆止阀置于导热材料中空圆柱体的中心位置，当水和空气经逆止阀进入到膨胀室内，水经具有毛细管功能的导热材料快速散开成小的微粒，使得水快速蒸发。
所述的球缺形跳跃膜片中心排气孔上安装有莲瓣式曲面阀门，莲瓣式曲面阀门贴于球缺形跳跃膜片的外表面。由于球缺形跳跃膜片球缺形结构的特点，当对球缺形跳跃膜片施加大于跳跃失稳点压力时，球缺形跳跃膜片失去稳定性，突然改变形状，在球缺形跳跃膜片中心产生较大的挠度，使球缺形跳跃膜片上凸或下凹，莲瓣式曲面阀门由于曲面凹凸的作用打开或关闭。
所述的进气端密封盖上安装有逆止阀，控制混合水气单向流入膨胀室内。
所述的莲瓣式曲面阀门是由3～6个三角形橡胶阀瓣组成，三角形橡胶阀瓣以球缺形跳跃膜片上的排气孔为中心，沿排气孔圆周粘贴在球缺形跳跃膜片的外表面。在球缺形跳跃膜片外表面向下凹时，在曲面下凹的作用下，使三角形橡胶阀瓣与球缺形跳跃膜片轴向夹角θ的角度变小，三角形橡胶阀瓣向中心合拢，当夹角θ＝0时，三角形橡胶阀瓣紧密贴合在一起，将球缺形跳跃膜片排气孔封闭。在球缺形跳跃膜片外表面向上凸起时，在曲面上凸的作用下，三角形橡胶阀瓣与球缺形跳跃膜片轴向夹角θ的角度变大，如同莲花瓣式打开，将球缺形跳跃膜片排气孔打开。
所述的温控给水单元由水箱、导水管、温控调节阀和注水逆止阀组成。导水管位于水箱的下部，一端与水箱连通，另一端与温控调节阀进水端连通。温控调节阀的出水端与进气端密封盖上的逆止阀及进气孔连通，温控调节阀上感温器与散热器连接。位于水箱上部的注水逆止阀为水箱注水和空气进入口；温控调节阀上感温器安装在散热器靠近进气孔一侧。
所述的温控给水单元提供膨胀室供水，满足水吸热蒸发带走热量。所述的温控调节阀通过感知散热器温度升高或降低，控制进入膨胀室内水的用量，从而满足散热的条件时保证最少供水。所述的温控给水单元中的水箱远离散热器热源，可提供环境温度或更低温度的水，提高与散热器温差，有利于吸收更多的热量。
本发明可提供多种水补给方式。
其中温控给水单元中的水箱上的注水逆止阀提供注水和空气进入口，同时防止水蒸发损失。
本发明散热装置工作原理和工作过程如下：
当功率器件工作时，散热器吸收功率器件发散的大量热量。散热器中的多组呼吸单元将温度快速传导到膨胀室和具有毛细管功能的导热材料中。水箱排出的液体水及携带的气体，经逆止阀在具有毛细管功能的导热材料中快速扩散并吸收热量，水和气由于吸收膨胀室热量而蒸发膨胀，使膨胀室内压力增大，由于PV＝Rt在等容条件下压力增加温度增加，加速气体快速膨胀，其中P为压力，V为体积，R导热系数，t为温度。当压强大于球缺形跳跃膜片跳跃失稳点时，球缺形跳跃膜片由凹形向凸形翻转跳跃，同时球缺形跳跃膜片中心的莲瓣式曲面阀打开，球缺形跳跃膜片跳跃时产生的气流携带膨胀室的热气流向同一方向快速排出，热气流又使散热器局部气体膨胀，气体密度和气压降低，使散热器及周边气体定向流动，形成“冷热空气对流”，由于空气在静止时是非常好的绝热体，只有空气流动时才能实现散热，空气流动速度与散热量成正比，流速越快散热越好。
由于球缺形跳跃膜片由凹形向凸形跳跃翻转时，球缺形跳跃膜片外表面作用于空气，产生一定流速的气体，使膨胀室排气孔处大气压力进一步降低，由此加速膨胀室内的气流快速排出，也使膨胀室内的压力快速降低，造成膨胀室内压强小于外面压强，此时逆止阀打开，气体和少量的水吸入膨胀室内。
由球缺形跳跃膜片结构决定，当球缺形跳跃膜片由凹形向凸形翻转变化到极限程度时，球缺形跳跃膜片自动由凸形向凹形回跳翻转。当球缺形跳跃膜片由凸形向凹形跳跃翻转过程中，球缺形跳跃膜片内表面作用于膨胀室内气体反向压缩，逆止阀关闭。当球缺形跳跃膜片达到凹形稳态时，凹形曲面使莲瓣式曲面阀门关闭，膨胀室内气体压强大于膨胀室外大气压强，上述过程也称为呼吸单元吸气过程。此时膨胀室内压强为：环境大气压+球缺形跳跃膜片回跳对膨胀室气体压缩压强＝膨胀室压强。
当吸进到膨胀室内的水和气吸收热量蒸发膨胀，使膨胀室内压强增大。此时膨胀室内压强为：环境大气压+水蒸发膨胀压力+球缺形跳跃膜片回跳对膨胀室气体压缩压力＝膨胀室内压力。
当球缺形跳跃膜片达到跳跃失稳点压力时，膨胀室内的水蒸发膨胀压力为：水蒸发膨胀压力＝球缺形跳跃膜片跳跃失稳点压力-环境大气压-球缺形跳跃膜片回跳对膨胀室气体压缩压力。球缺形跳跃膜片跳跃失稳点压力＝膨胀室内压力。温控给水单元中的水箱通过导水管、温控流量调节阀对膨胀室供水，供水量与散热器温度成正比。由于温控流量调节阀感温器置于散热器之上，散热器的温度决定温控流量调节阀供水量的多少，散热器的温度越高，通过温控流量调节阀向膨胀室提供的水量越多，膨胀室内的蒸汽密度越高，吸收散热器温度越多，排出的气体流量越大，散热效果越好，反之散热器温度越低，温控给水单元中的水箱通过温控流量调节阀向膨胀室输出水量同步减少，当散热器温度降低满足自然散热条件时，温控流量调节阀关闭供水停止，进入膨胀室内只有空气。由此大大的减少散热用水。
为了保证散热装置效率减少用水量，本发明散热装置通过四个过程散热：
1.散热器低温时，本发明散热装置进入自然冷却过程；
2.散热器温度升高但低于温控流量调节阀供水温度时，膨胀室只吸入空气，散热器通过热膨胀室对空气加热膨胀散热；
3.散热器温度逐步升高，高于或等于温控流量调节阀供水温度，膨胀室吸入空气和水，散热器通过热膨胀室对水和空气加热，水和气体吸热蒸发膨胀，当膨胀室内部压力达到球缺形跳跃膜片跳跃失稳点压力时，膨胀室内吸热气体排出散热。由于温控流量调节阀通过感受散热器温度控制水等流量，所以温控给水单元向膨胀室的给水量与散热器温度成正比，散热器温度越高温控给水单元向膨胀室给水量越多，反之散热器温度越低温控给水单元向膨胀室给水量越少；
4.散热器温度降低低于温控流量调节阀给水温度，温控流量调节阀控制水箱停止给水，散热器对吸进膨胀室内的空气加热，空气膨胀散热，逐步到散热器自然冷却过程；
由于散热量与用水量、散热温度、膨胀室容量、排风量和风速有关，而气体流速u与膨胀室的压力pm和曲面阀门排气孔面积s有关，膨胀室体积Vg大小与气体流速u无关，与流量有关，体积越大排气流量越大，用时越长。膨胀室容量越小排气流量越小，加热用时越短，呼吸单元完成一次呼和吸过程的频率越高；
本发明散热装置是一种集机械运动、空气动力及热动力相结合的设备，体现出水冷、强制风冷、自然冷却的各自优点。
散热量WR与膨胀室排气频率F、散热器温度Tc、时间长度ts、水量Lw、膨胀室体积Vg及球缺形跳跃膜片失稳点压力pm有关,所以有散热量WR：
WR＝f(ts，Vg，Tc，Lw，p1，F)；
由于膨胀室的压力p1在球缺形跳跃膜片失稳点释放，所以膨胀室的压力等于球缺形跳跃膜片失稳点压力。
本发明具有以下特点：
●集水、强制风、自然散热：当膨胀室吸入水时，进行的是水蒸发冷却，此过程同水冷散热、当膨胀室蒸发排出气体过程时，同强制风冷散热、散热器置于自然环境散热同自然冷却，集各自优点散热；
●在自然冷却时，散热器温度低于控温临界点，本发明散热装置采用空气加热膨胀散热，只有散热器温度高于控温临界点时，才启动水蒸发散热，因此用水量少；
●与同体积自然风冷比较，不消耗额外功率，提高散热能力，可提高功率输出密度；
●增加散热面积；
●采用简单机械结构，可靠性高，成本低；
附图说明
图1本发明散热装置结构图；
图2球缺形跳跃膜片结构示意图；
图3球缺形跳跃膜片莲瓣式曲面阀门开关结构原理示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示，本发明散热装置是由散热器7、器件固定平台18、温控给水单元和呼吸单元组成。
所述的温控给水单元中的水箱9与散热器7分离，安装在高于散热器7的位置。器件固定平台18位于散热器7的上部，呼吸单元嵌入散热器7中。需要散热的功率器件固定于器件固定平台18上。
温控给水单元中的水箱9通过导水管12、温控调节阀10与呼吸单元连接，向呼吸单元提供蒸发散热用水；
所述的器件固定平台18位于散热器7上部，功率器件固定在器件固定平台18上。
所述的呼吸单元嵌入散热器7内，与散热器7紧配合。
所述的呼吸单元由膨胀室4、具有毛细管功能的导热材料17、进气端密封盖1、逆止阀2、碟形金属跳跃膜片5、莲瓣式曲面阀门6及进气孔13组成。
如图2所示，所述的膨胀室4为管状，用导热良好的材料制作。球缺形跳跃膜片5覆盖在膨胀室4的一端，与膨胀室4的连接处密封。球缺形跳跃膜片5面向膨胀室4内侧的一面为内表面，背向膨胀室4内侧的另一面为外表面。进气端密封盖1上安装有逆止阀2，开有进气孔13，进气孔13与逆止阀2进口端连接。对球缺形跳跃膜片施加大于跳跃失稳点压力，当压力加载或卸载到一定程度时球缺形跳跃膜片5能够发生位移突变。当球缺形跳跃膜片5向膨胀室4内跳跃时，压缩膨胀室4内的气体；当球缺形跳跃膜片5向膨胀室4外跳跃时，产生气流，吸进空气或水，排出膨胀室4内的气体。进气端密封盖1覆盖于膨胀室4的另一端，与膨胀室4密封连接。进气端密封盖1为绝热材料制作。进气端密封盖1上安装有逆止阀2和进气孔13。进气孔13与逆止阀2进口端连接。进气孔13和逆止阀2将混合水气吸入膨胀室4内，进入膨胀室4内的水气在高温的作用下瞬间膨胀，膨胀室4内的压力大于膨胀室4外的压力，逆止阀2关闭，使膨胀气体不能回流。而进气端密封盖1的绝热材料可将膨胀室4的温度与外界环境温度隔离，有利于膨胀室4快速升温气体蒸发。蒸发气体分子吸收散热器7的热量，使气体快速膨胀，驱动球缺形跳跃膜片5弹跳，同时带走散热器7的热量。所述的具有毛细管功能的导热材料17为中空圆柱形状，安装在膨胀室4内，导热材料17的中空圆柱外缘与膨胀室4内壁接触，中空圆柱体一端与进气端密封盖1内侧连接，逆止阀置2于导热材料17中空圆柱体的中心位置，当水和空气经逆止阀2进入到膨胀室4内，水经具有毛细管功能的导热材料17快速散开成小的微粒，使水快速蒸发。
所述的球缺形跳跃膜片5中心有一个排气孔15，排气孔15上安装有莲瓣式曲面阀门6，莲瓣式曲面阀门6贴于球缺形跳跃膜片5的外表面。由于球缺形跳跃膜片5球缺形的结构，当对球缺形跳跃膜片5施加大于跳跃失稳点压力时，球缺形跳跃膜片5便失去稳定性，突然改变形状，在球缺跳跃形膜片5中心产生较大的挠度，使球缺形跳跃膜片5上凸或下凹，莲瓣式曲面阀门6由于曲面凹凸的作用打开或关闭。球缺形跳跃膜片5向膨胀室4内跳跃时，球缺形跳跃膜片5下凹，莲瓣式曲面阀门6和逆止阀2关闭，压缩膨胀室4内的气体；球缺形跳跃膜片5向膨胀室4外跳跃时，球缺形跳跃膜片5上凸，莲瓣式曲面阀门6和逆止阀2开启，产生气流，吸进空气或水，排出膨胀室4内的气体。
所述的进气端密封盖1上安装有逆止阀2，控制混合水气单向流入膨胀室4内。
如图3所示，所述的莲瓣式曲面阀门6由3～6个三角形橡胶阀瓣组成。三角形橡胶阀瓣16以球缺形跳跃膜片5上的的排气孔15为中心，沿排气孔15圆周粘贴在球缺形跳跃膜片5的外表面。球缺形跳跃膜片5外表面向下凹时，在曲面下凹的作用下，三角形橡胶阀瓣16与球缺形跳跃膜片5轴向夹角θ的角度变小，三角形橡胶阀瓣16向中心合拢；当夹角θ＝0°时，三角形橡胶阀瓣16紧密贴合在一起，将球缺形跳跃膜片5排气孔15封闭。在球缺形跳跃膜片5外表面向上凸起时，在曲面上凸的作用下，三角形橡胶阀瓣16与球缺形跳跃膜片5轴向夹角θ的角度变大，如同莲花瓣式打开，将球缺形跳跃膜片5排气孔15打开。
所述的温控给水单元由水箱9、导水管12、温控调节阀10和注水逆止阀11组成。导水管12位于水箱9的下部，一端与水箱9连通，另一端与温控调节阀10进水端连通。温控调节阀10的出水端与进气端密封盖1上的逆止阀2及进气孔13连通，温控调节阀10上感温器与散热器7连接。水箱9上部的注水逆止阀11为水箱注水和空气进入口，同时防止水蒸发损失。

Claims (3)

1.一种带有温控给水单元的散热装置，其特征在于：所述的带有温控给水单元的散热装置由散热器(7)、器件固定平台(18)、温控给水单元和呼吸单元组成；所述的温控给水单元中的水箱(9)安装位置高于散热器(7)；器件固定平台(18)位于散热器(7)的上部；呼吸单元嵌入散热器(7)中，与散热器(7)紧配合；需要散热的功率器件固定于器件固定平台(18)上；
所述的的水箱(9)通过导水管(12)、温控调节阀(10)与呼吸单元连接，向呼吸单元提供蒸发散热用水；
所述的呼吸单元嵌入散热器(7)内，与散热器(7)紧配合；
所述的呼吸单元由膨胀室(4)、具有毛细管功能的导热材料(17)、进气端密封盖(1)、逆止阀(2)、球缺形金属跳跃膜片(5)、莲瓣式曲面阀门(6)和进气孔(13)组成；所述的膨胀室(4)为管状，球缺形跳跃膜片(5)覆盖在膨胀室(4)的一端，与膨胀室(4)的连接处密封；进气端密封盖(1)在覆盖在膨胀室(4)的另一端，与膨胀室(4)密封连接；进气端密封盖(1)上安装有逆止阀(2)，开有进气孔(13)，进气孔(13)与逆止阀(2)的进口端连接；所述的球缺形金属跳跃膜片(5)面向膨胀室(4)内侧的一面为内表面，背向膨胀室(4)内侧的另一面为外表面；球缺形金属跳跃膜片(5)的中心有排气孔(15)，排气孔(15)上安装有莲瓣式曲面阀门(6)，莲瓣式曲面阀门(6)贴于球缺形金属跳跃膜片(5)的外表面；具有毛细管功能的导热材料(17)为中空圆柱形，放置在膨胀室(4)内，导热材料(17)的中空圆柱外缘与膨胀室内壁接触，导热材料(17)的一端与进气端密封盖(1)的内侧连接，逆止阀(2)置于导热材料(17)的中心位置；
当对所述的球缺形金属跳跃膜片(5)施加大于跳跃失稳点的压力，在压力加载或卸载到一定程度时球缺形金属跳跃膜片(5)发生位移突变，上凸或下凹，莲瓣式曲面阀门(6)由于曲面凹凸的作用打开或关闭；球缺形金属跳跃膜片(5)向膨胀室(4)内跳跃时，莲瓣式曲面阀门(6)和逆止阀(2)关闭，压缩膨胀室(4)内的气体；球缺形金属跳跃膜片(5)向膨胀室(4)外跳跃时，莲瓣式曲面阀门(6)和逆止阀(2)开启，产生气流，吸进空气或水，排出膨胀室(4)内的气体；
所述的温控给水单元由水箱(9)、导水管(12)、温控调节阀(10)和注水逆止阀(11)组成；导水管(12)的一端与水箱(9)连通，另一端与温控调节阀(10)进水端连通；温控调节阀(10)的出水端与进气端密封盖(1)上的逆止阀(2)及进气孔(13)连接，温控调节阀(10)上的感温器与散热器(7)连接，注水逆止阀(11)位于水箱上部。
2.按照权利要求1所述的带有温控给水单元的散热装置，其特征在于：所述的莲瓣式曲面阀门(6)由3～6个三角形橡胶阀瓣(16)组成，所述的三角形橡胶阀瓣(16)以球缺形金属跳跃膜片(5)上的排气孔(15)为中心，沿排气孔(15)圆周方向粘附在球缺形金属跳跃膜片(5)的外表面；在球缺形金属跳跃膜片(5)外表面向下凹时，在曲面下凹的作用下，三角形橡胶阀瓣(16)与球缺形金属跳跃膜片(5)轴向夹角θ角度变小，向中心合拢；当θ＝0°时，三角形橡胶阀瓣紧密贴合在一起，将球缺形金属跳跃膜片(5)排气孔(15)封闭；在球缺形金属跳跃膜片(5)外表面向上凸起时，在曲面上凸的作用下，三角形橡胶阀瓣(16)与球缺形金属跳跃膜片(5)的轴向角θ角度变大，将球缺形金属跳跃膜片(5)排气孔(15)打开。
3.按照权利要求1所述的带有温控给水单元的散热装置，其特征在于：所述的进气端密封盖(1)为绝热材料制作，所述的膨胀室(4)用导热材料制作。
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