CN109216302B - 具有导流功能的强化浸没式冷却装置 - Google Patents

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Abstract

一种具有导流功能的强化浸没式冷却装置，包括：密封的壳体及设置于其内部的导流板和绝缘工质，其中：导流板竖直设置于壳体内，导流板内为绝缘工质的上升通道且相邻导流板之间构成绝缘工质的回流通道，冷源和热源分别位于壳体的上方和下方，绝缘工质在壳体内流经上升通道和回流通道形成封闭空间的定向循环。本发明定向循环能增强热源的供液流量，强化换热，同时延迟临界热流密度的出现。上行的气柱或液柱和下行的液体分别在不同的通道中，能有效避免气液逆行，即不会发生剧烈沸腾过程中上升气泡裹挟下行液体的现象，减少了大部分的流动阻力，也有利于装置传热。

Description

具有导流功能的强化浸没式冷却装置
技术领域
本发明涉及的是一种电子芯片领域的技术，具体是一种具有导流功能的强化浸没式冷却装置。
背景技术
近年来，处理器的效率逐代提高，单位面积的电子芯片所产生的热流也随之增加。如果这部分热量不能持续高效地逸散到环境中，轻则处理器的效率变低，重则整机烧毁。所以电子产品的散热功能是整个产品流畅运行的基本保障，也是提高产品性能的有力推手。一般而言，散热方式可以分成空冷和液冷，浸没式冷却是液冷的一种重要形式。现有技术中，浸没式冷却装置并没有专门遏制或延迟膜态沸腾出现的措施，若形成膜态沸腾，将大大恶化传热，热源的温度飙升，往往会烧毁芯片，造成设备损失。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种具有导流功能的强化浸没式冷却装置，在现有浸没式冷却的基本架构上，根据两相流型的原理，通过在芯片上方布置导流板实现冷却装置内的气、液通道的分离，有效解决气、液逆行的问题，增加液体回流冲击速度，进而提高装置的冷却效果和最大冷却能力。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明包括：密封的壳体及设置于其内部的导流板和绝缘工质，其中：导流板竖直设置于壳体内，导流板内为绝缘工质的上升通道且相邻导流板之间构成绝缘工质的回流通道，冷源和热源分别位于壳体的上方和下方，绝缘工质在壳体内流经上升通道和回流通道形成封闭空间的定向循环。
所述的热源，即待冷却组件，其设置于壳体内并浸没于绝缘工质中或设置于壳体外并与壳体相接触。
所述的冷源，即冷凝装置设置于壳体内或设置于壳体外并通过热传导或热对流方式降低绝缘工质的温度。
所述的壳体的形状满足：近热源处的壳体横截面面积小于近冷源处的壳体横截面面积；对应绝缘工质，优选其液位浸没密封外壳的最大截面积。
所述的绝缘工质的初始液位的高度低于导流板的上边沿高度10-30mm。
所述的冷凝装置采用但不限于：冷凝管、微通道和/或翅片以凝结绝缘工质并降低温度。
所述的导流板为柱状结构，其截面形状采用但不限于：六边形、矩形或圆形并构成相应形状的上升通道，该上升通道的水力直径大于回流通道的水力直径。
所述的导流板之间设有用于加固的支撑板。
所述的导流板优选为疏水材料制成。
当导流板采用圆柱形结构时，上升通道的直径小于两倍的拉普拉斯常数，该常数为
Figure BDA0001692901500000021
其中：σ为表面张力，ρL为液相密度，ρV为气相密度，该拉普拉斯常数的单位为m(米)。
技术效果
与现有技术相比，本发明定向循环能增强热源的供液流量，强化换热，同时延迟临界热流密度的出现。上行的气柱或液柱和下行的液体分别在不同的通道中，能有效避免气液逆行，即不会发生剧烈沸腾过程中上升气泡裹挟下行液体的现象，减少了大部分的流动阻力，也有利于装置传热。
附图说明
图1为实施例1初始状态的结构示意图；
图2为实施例1运行时的结构示意图；
图3为导流板的截面俯视图；
图中：A为矩形导流板；B为六边形导流板；C为圆形导流板；
图4为实施例2运行时的结构示意图；
图中：壳体1、绝缘工质2、冷凝盘管301、散热翅片302、导流板4、待冷却组件6、上升通道7、回流通道8、支撑板9、气柱10、液柱11。
具体实施方式
如图1和图2所示，本实施例包括：壳体1、绝缘工质2、冷凝装置、导流板4和待冷却组件6，其中：作为热源的待冷却组件6以及作为冷源的冷凝装置分别与壳体1相连，导流板4竖直设置于壳体1内且与热源和冷源不相接触，相邻导流板4之间构成绝缘工质的上升通道7和回流通道8，绝缘工质2在壳体1内流经上升通道7和回流通道8，形成封闭空间的定向循环。
所述的壳体1采用导热系数较高的铝合金制成。
所述的绝缘工质2采用但不限于氢氟醚，优选为氢氟醚HFE7000。
如图1和图2所示，所述的冷凝机构采用设置于壳体1内部的冷凝盘管301或采用如图4所示的设置于壳体1外部的散热翅片302。
如图1和图2所示，所述的待冷却组件6设置于壳体1内部并浸没于绝缘工质2内或如图4所示设置于壳体1的外部并通过导热硅脂与壳体1的底面紧密连接，藉由外壳传导的方式为待冷却组件6降温。
所述的导流板4为导热系数较低的塑料经3D打印一体成型制成。
如图3A～C所示，本实施例中的导流板4的截面采用矩形、六边形或圆形且彼此之间不相接触。
所述的壳体1内部为不规则内壁结构以实现绝缘工质从冷源到热源的回流，该壳体1近热源处的壳体横截面面积小于近冷源处的壳体横截面面积，进一步优选为冷源起始点部分的壳体设有倾角为15°的内凹结构，以进一步加强绝缘工质的回流。
所述的绝缘工质2在1atm压力下对应的饱和温度为35℃，液相密度为ρL＝1386.2kg/m3，气相密度为ρV＝8.22kg/m3,表面张力为σ＝0.0106N/m，计算得到HFE7000的拉普拉斯常数为0.89mm，则上升通道的水力直径为1.7mm<2λc。
所述的回流通道的最短间隙为0.1mm。
上述装置是通过以下方式完成定向循环的：以待冷却组件的上表面为水平零位，导流板4的下端面高度为5mm,导流板4的上端面高度为105mm，加入绝缘工质2的高度为90mm，待冷却组件6功率高到一定程度时，热源形成气泡并慢慢长大，脱离热源，气泡触及导流板4下端，会因上升通道的阻力小于回流通道而选择进入上升通道，持续加热，热源的气泡脱离直径和频率稳定，在上升通道内形成稳定的柱塞流。由于导流板4内的部分液体空间被气相填充，导致上升通道的液位超过导流板4的最高点，形成溢出或喷出现象；由于液体储存空间大，液体回流通道的液位变化不明显。因此，在稳定运行时，上升通道和液体回流通道保持明显的液位差，上升通道泵送的液体和冷凝形成的液体经回流通道回流至热源，对热源形成射流冲击，完成封闭空间的定向循环。
本实施例装置的加热区在下部，冷却区域在上部。
1)如果不加入导流板，那么装置内的绝缘工质就会无序沸腾，上升的气泡会携带周围的部分液体一起向上。在高热流密度状态下，气泡的上升速度超过临界值后，回流的液体贴近壁面的液膜不再平整光滑，液膜在上升气流的剪切力的作用下呈现出波浪状，回流阻力极大。如果液体不能顺利回流，那么热源的液体不断蒸发就会出现烧干现象，此时超过临界热流密度，热源(即电子芯片表面)的温度飙升，造成设备损毁。
2)本实施例中导流板将本装置的液位以下的空间分成上升通道和回流通道。导流板的加入能够规范、限制气泡的运动轨迹，使得所有的气泡从设计的上升通道上行，避免与回流通道的液体相接触。这样就解决了气、液逆行带来的问题，使得冷凝的液体能及时地、源源不断地补充至热源。
3)更具体地，气泡在上升通道中拥有不同的流型。在研究领域，竖直管内气液两相流型一般有泡状流、柱塞流和环状流。热流密度从低到高，则流型会遍历这三种形态。
对于本实施例而言，希望上升通道的质量流量能够尽量大，这样整个内部循环的效率才会更高。由于气相的密度远小于液相密度，所以上升通道内气柱和液柱相间分布的柱塞流是最为理想的流型。值得注意的是，气柱的截面积和上升通道的截面积相近，在贴近导流板的位置，存在一层薄液膜。所以所谓的气柱并不是气相直接和导流板接触。绝缘工质吸热后会相变成气体，气体在浮力的作用下具有向上的动能，本实施例利用这部分气柱的动能一起推动上升通道内的液柱向上运动，即为研究领域所谓的气泡泵原理。如果气泡泵送能力较弱，那么在导流板的上端，液体是缓慢溢出上升通道，自然下落到回流通道；如果气泡的泵送能力很强，那么可以观察到，上升通道的液体是喷涌而出，甚至可以直接冲击冷凝盘管或其他冷源，强化冷却效率。
4)为了维持系统的稳定运行，液位的选择也非常关键。为了让气泡选择既定轨道运动，设计的上升通道的截面积一定是大于回流通道的截面积的。这样带来的一个问题就是回流通道对液位的变化就相当敏感。为了让回流通道的液位维持相对的稳定，本装置的密封外壳是上宽下窄的，绝缘工质的液位淹没密封外壳的最大截面处，这样就在导流板的外圈预留了更大的液体储存空间，能稳定维持上升通道的液位高于回流通道的液位。
5)本装置的导流板与电子芯片不直接接触，设计的气、液通道的分离不是人为将电子芯片割裂成不同的区域。电子芯片的所有发热区域都可以及时散热。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (7)

1.一种具有导流功能的强化浸没式冷却装置，其特征在于，包括：密封的壳体及设置于其内部的导流板和绝缘工质，其中：导流板竖直设置于壳体内，导流板内为绝缘工质的上升通道且相邻导流板之间构成绝缘工质的回流通道，冷源和热源分别位于壳体的上方和下方，绝缘工质在壳体内流经上升通道和回流通道形成封闭空间的定向循环；
所述的导流板采用圆柱形结构并构成相应形状的上升通道，该上升通道的水力直径大于回流通道的水力直径，上升通道的直径小于两倍的拉普拉斯常数，该常数为
Figure FDA0002262218550000011
其中：σ为表面张力，ρL为液相密度，ρV为气相密度，该拉普拉斯常数的单位为m(米)。
2.根据权利要求1所述的具有导流功能的强化浸没式冷却装置，其特征是，所述的热源，即待冷却组件，其设置于壳体内并浸没于绝缘工质中或设置于壳体外并与壳体相接触；
所述的冷源，即冷凝装置设置于壳体内或设置于壳体外并通过热传导或热对流方式降低绝缘工质的温度。
3.根据权利要求1所述的具有导流功能的强化浸没式冷却装置，其特征是，所述的壳体的形状满足：近热源处的壳体横截面面积小于近冷源处的壳体横截面面积，对应所述绝缘工质的液位浸没密封外壳的最大截面积。
4.根据权利要求2所述的具有导流功能的强化浸没式冷却装置，其特征是，所述的冷凝装置采用冷凝管、微通道和/或翅片以凝结绝缘工质并降低温度。
5.根据权利要求1所述的具有导流功能的强化浸没式冷却装置，其特征是，所述的导流板之间设有用于加固的支撑板。
6.根据权利要求1所述的具有导流功能的强化浸没式冷却装置，其特征是，所述的回流通道的最短间隙为0.1mm。
7.根据权利要求3所述的具有导流功能的强化浸没式冷却装置，其特征是，所述的壳体内冷源起始点部分的壳体设有倾角为15°的内凹结构，以进一步加强绝缘工质的回流。
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