CN110430715B - 控制电子设备冷却液出口温度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种控制电子设备冷却液出口温度的方法，利用本发明可以解决电子设备瞬态工作时冷却液出口温度突破上限的问题。本发明通过下述技术方案予以实现：选择介于工作最高环境温度和电子设备中关键元器件许用温度之间相变点的相变材料，将上述选择的相变材料封装于一面为柔性导热材料的相变膨胀阀中；将选择的相变材料封装于金属板中形成相变储能装置；搭建包含A冷板、B冷板、相变储能装置、相变膨胀阀和分汇流管路的液冷系统；相变膨胀阀置于A冷板流道下游；利用相变装置的阀门效应和储放能效应的协同作用，控制电子设备瞬态工作时冷却液出口温度的上限，若传热热沉A冷板流道被切断，相变储能装置替代传热，将热量补充至热沉B冷板。

Description

控制电子设备冷却液出口温度的方法

技术领域

本发明涉及电子设备热控领域，控制电子设备冷却液出口温度的方法。

背景技术

电子设备的热控是为保证电子设备及其元件、器件在规定温度范围内正常工作所采取的冷却、加热或恒温等措施，利用热传导、对流换热或辐射换热，把元件、器件耗散的热量散发至周围环境。现代电子设备常用的冷却方法有：自然冷却、强迫通风冷却、液体冷却、蒸发冷却、汽水双相流冷却、半导体致冷、热管散热等。冷却方法的选择主要取决于元件、器件或设备的表面发热功率密度及其所允许的温升。当电子设备的热流密度较大，靠强迫风冷无法控制温升时，强迫风冷冷却用散热器必须很大，在结构上难以实现时或高空平台电子设备因空气密度小，难以使用强迫风冷时，通常采用液体冷却。液体冷却的冷却系统通常都比较复杂，体积、重量较大，设备费用较高，维修较困难。按冷却方式来分，液体冷却可分为直接液冷和间接液冷两种。直接冷却是冷却液体与发热元器件直接接触而进行的热交换。热源将热量传给冷却液体，再由冷却液体将热量传递出去。间接液冷是指发热元器件及组件不与冷却剂接触，电子设备元器件装在一个由液体冷却的冷板上，所产生的热量靠热传导传给冷板，然后再由冷却剂把热量带走。间接液冷冷板表面与元器件及组件要紧密接触，以形成低热阻通路。冷板可以是带有冷却管道的底板，也可以由两块金属板在相应的位置上冲压成凹槽，再把两块板焊成一个整体，形成扁管式冷板。

随着科学技术的飞速发展，各种行业对温度精度的要求越来越高，对温控系统稳定性要求越来越严格，，而温度控制系统是变参数、有时滞和具有随机干扰的动态系统，往往很难得到满意的控制效果，传统的控制方法很难一次全部实现。常见的液冷系统是由冷却液、泵、冷却液机组、阀门、管道、冷板(换热器)等组成，冷却液经泵驱动，经过冷却液机组冷却，流经过滤器，流经各冷板，冷板内冷却液吸收发热器件产生的热量，然后汇入管道，再由泵吸回，形成闭路循环冷却回路。由于管道过高的回液温度可对液冷系统造成不利影响，部分电子系统对瞬态工况下液冷电子设备的出口温度提出了最高限值。因此，对于这一类电子设备，需要控制其管道液冷出口温度的上限。根据冷却液流量计算公式可知，管道冷却液温升＝设备热耗/(冷却液比热容×冷却液质量流量)。因此，在冷却液比热容为物性常数的前提下，要降低冷却液的温升，只能采取两种技术途径：a)降低设备热耗；b)增加冷却液质量流量。但是，通常情况下冷却液的质量流量由系统直接给定，无法增加，因此能够实现的技术路径只能是降低设备热耗。对于采取瞬态工况的电子设备，设备的热耗并非固定在一个恒定值。当其热耗较高时，可能会导致冷却液出口温度过高；当其热耗较低时，冷却液出口温度较低，与系统给定的上限之间存在一定温差。很多设备温度控制系统很复杂，这类设备有多达几十到上千个数量不等的加热板控制，为了控制每块加热板温度，一般采用不同的控温算法最终通过脉宽宽度调功法实现对每块加热板的温度控制。传统的控温方法是通过可编程序控制器PID控制实现的。PID控制是一种基于电子设备、程序设定和机械装置来开闭阀门的控制方法，涉及到多个系统、多个部件。而且传统的PID控制方法只能对电子设备液冷出口温度进行控制，一旦温度过高切断冷板流道，热源就失去了所有的传热热沉，且无替代热沉进行补充传热。由于温度控制系统在各个时段温度的改变中存在过渡过程，在稳温段也存在增温或降温不断调节的过程，若使用PID控制方法，P每个升温过程都得保持10℃/min的升温过程；每个降温过程也得用PID控制。加热设置参数在不停地调整，很难找出规律，温度很难调，所以此方法控温精度低，稳定性差，难以控制。

对于根据温度变化主要使用其体积变化功能以实现流体通路开关的相变装置，一般称为相变膨胀阀。其工作原理是：相变材料受热达到相变点后，其液态与固态的密度会发生较大的变化，从而带动体积发生变化。由此产生阀门效应，即：在流道中的相变装置可通过温度的变化来对流道进行开关。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足之处，提供一种能够降低液冷控制系统复杂程度、实现成本较低、可靠性较高、控制电子设备冷却液出口温度的方法，以解决电子设备瞬态工作时冷却液出口温度突破上限的热控问题。

本发明实现上述目的方法步骤：选择介于工作最高环境温度和电子设备中关键元器件许用温度之间相变点的相变材料，将上述选择的相变材料封装于五面为铝合金、一面为柔性导热材料的装置中，形成相变膨胀阀；将上述选择相变点的相变材料封装于金属板中，形成相变储能装置；搭建包含A冷板、B冷板、相变储能装置、相变膨胀阀和分汇流管路的液冷系统，其中，A冷板一面通过热界面材料与热源相连接，另一面与相变储能装置相连接；相变膨胀阀安装于A冷板的流道下游处；通过相变装置的阀门效应和储放能效应的共同作用，控制电子设备瞬态工作时冷却液出口温度的上限，一旦传热热沉A冷板流道被切断，相变储能装置立即进行替代传热，并将热量传至补充热沉B冷板。

本发明相比于现有技术，具有如下有益效果：

降低了系统的复杂程度。本发明采用A冷板一面通过热界面材料与热源相连接，另一面与相变储能装置相连接，相变膨胀阀安装于A冷板的流道下游处；只涉及到机械装置的纯粹机械控制方法，通过相变装置的阀门效应和储放能效应的共同作用，控制电子设备瞬态工作时冷却液出口温度的上限，大大降低了液冷控制系统的复杂程度。避免了传统通过可编程序控制器PID，基于电子设备、程序设定和机械装置来开闭阀门的控温控制方法，涉及多个系统、多个部件进行控温，需要一支专门的开发团队来实现该控制，复杂度高的缺陷。

降低了系统成本。本发明由于只涉及到相变膨胀阀和相变储能装置这两种核心机械装置，不需要单独开发配套程序，液冷控制系统的实现成本较低。相比于传统的PID控制方法需要电路板、电子元器件、温度传感器、电子阀门和控制程序来进行实现，整套系统成本较高，实现成本较低。

可靠性较高。本发明采用相变材料的相变潜热为单位温度内比热容的数十、甚至上百倍，在相变点温度附近相变装置，通过增加自身焓值的方式吸收大量的热量。利用相变装置在发生相变时有体积会发生变化，吸收大量的热量的两个特征，使用其储热放热功能来控制其液冷出口温度，实现对流道的阀门式开关控制，可起到对变化热耗的削峰填谷作用。在高热耗的条件下，相变储能装置可以吸收热量，并将自身温度维持在相变点附近，相变储能装置在相变点温度附近成为设备热沉，并控制热源温度；在低热耗的条件下，相变储能装置可以释放热量，由此产生储放能效应。相变膨胀阀和相变储能装置在控制出口温度的同时，对热源进行温控，以设计范围内任意热耗工况加载热源，整个液冷系统正常工作，冷却液出口温度低于允许值，从而提高了液冷系统的可靠性，并且解决电子设备瞬态工作时冷却液出口温度突破上限的热控问题。由于本方法依靠机械装置来实现，不涉及到控制程序、电子器件等易失效软硬件，可靠性较传统的PID控制方法要高。

本发明采用相变膨胀阀，根据温度变化使用其体积变化功能实现流体通路开关，相变材料受热达到相变点后，其液态与固态的密度会发生较大的变化，从而带动体积发生变化，产生阀门效应，在流道中的相变装置可通过温度的变化来对流道进行开关，一旦原有的传热热沉A冷板流道被切断，相变储能装置能够立即进行替代传热，并将热量传至补充热沉B冷板。通过替代热沉的补充传热，可以使瞬态工作的高热耗电子设备冷却液出口温度得到有效的控制。在高热耗工况下，热源的温度也能被有效控制，不会出现控制冷却液的出口温度而导致热源超温的现象。克服了传统的PID控制方法，只能对电子设备液冷出口温度进行控制，一旦温度过高切断冷板流道，热源就失去了所有的传热热沉，且无替代热沉进行补充传热的缺陷。

应用本发明后，可同时控制电子设备内部关键发热器件的温度和冷却液出口温度。

附图说明

图1是本发明低热耗工况下液冷系统示意图。

图2是本发明高热耗工况下液冷系统示意图。

图3是图1、图2中相变膨胀阀结构示意图。

具体实施方式

参阅图1-图3。根据本发明，选择介于工作最高环境温度和电子设备中关键元器件许用温度之间相变点的相变材料，将上述选择的相变材料封装于五面为铝合金、一面为柔性导热材料的装置中，形成相变膨胀阀，将上述选择相变点的相变材料封装于金属板中，形成相变储能装置；搭建包含A冷板、B冷板、相变储能装置、相变膨胀阀和分汇流管路的液冷系统，其中，A冷板一面通过热界面材料与热源相连接，另一面与相变储能装置相连接，相变膨胀阀安装于A冷板的流道下游处；通过相变装置的阀门效应和储放能效应的共同作用，控制电子设备瞬态工作时冷却液出口温度的上限，一旦传热热沉A冷板流道被切断，相变储能装置立即进行替代传热，并将热量传至补充热沉B冷板。

在低热耗工况加载热源时，A冷板与B冷板同时接通，相变储能装置和相变膨胀阀均不工作，冷却液从入口进入液冷系统后，流经冷板并被热源加热升温，由出口排出；在高热耗工况加载热源时，位于A冷板流道下游位置的相变膨胀阀受热发生相变，体积发生明显膨胀，阻断A冷板的流道，对A冷板的流道实施关断，冷却液全部从B冷板流道通过；A冷板流道断液后，传热路径变为：热源-A冷板结构件-相变储能装置-B冷板，即热量首先通过相变储能装置之后，到达作为最终热沉的B冷板，相变储能装置吸收热量，相变材料在其相变点发生相变，成为液态，并在与B冷板的接触面释放出低于热源总热耗的热耗，流经B冷板流道的冷却液在单位时间内吸收较低的热量，将冷却液的出口温度控制在允许值以内。

相变储能装置、相变膨胀阀中其相变材料相变点介于工作最高环境温度和电子设备中关键元器件的许用温度之间。相变膨胀阀相变材料相变点的选择，按照如下公式选择相变点T_pc,e：T_pc,e＝T_out,max-ΔT_e，其中，T_out,max是液冷出口允许最高温度，ΔT_e是一个根据不同情况在1℃～10℃的范围内取用的数值。

选择合适相变点的相变材料，将其封装于金属板中，形成相变储能装置。相变储能装置中的相变材料的最少用量应按照以下式进行计算：相变材料最少用量m_pc,h＝Q_tp·t_tp/h_p，其中，Q_tp和t_tp分别是典型高热耗工况下的热耗和工作时间，h_p表示相变材料的相变潜热。

参照以下实施例。

A冷板与B冷板在流道结构上是并联的关系。

实施例1，

以典型的低热耗工况加载热源时，A冷板与B冷板流道同时接通，相变储能装置和相变膨胀阀均不工作，冷却液从入口进入液冷系统后，流经冷板流道并被热源加热升温，由流道出口排出。此时由于是低热耗工况，出口温度未超过允许值。

实施例2，

以典型的高热耗工况加载热源。位于A冷板流道下游位置的相变膨胀阀受热发生相变，体积发生明显膨胀而阻断A冷板的流道，对A冷板的流道实施关断，冷却液全部从B冷板流道通过。热量首先通过相变储能装置之后，才能到达作为最终热沉的B冷板，在此过程中，相变储能装置吸收热量，在其相变点发生相变，其中的相变材料成为液态，并在与B冷板的接触面释放出低于热源总热耗的热耗。因此，流经B冷板流道的冷却液在单位时间内只需要吸收较低的热量，从而将冷却液的出口温度控制在允许值以内。

实施例3，

再次以典型的低热耗工况加载热源。此时，相变储能装置的放热速率大于其吸热速率，其中的相变材料再次发生相变回到固态；与此同时，相变膨胀阀也再次发生相变，体积收缩，从而打开A冷板的流道，使得液冷系统回到最初状态。

在可选的实施例中，将相变材料装入除顶面以外均为铝合金6材料的盒体中，盒体顶面使用柔性材料7，将盒体封装完毕，形成相变膨胀阀1。将相变材料封装进金属腔体，形成相变储能装置2。

将相变储能装置2与A冷板3和B冷板4相连接，将相变膨胀阀1安装在A冷板3上，将热源5与A冷板3相连接。

向液冷系统供液，使热源5以低热耗工况运行，此时，冷却液同时流经A冷板3和B冷板4流道，并且在流经A冷板3流道时对热源5进行冷却，相变材料受热达到相变点后，其液态与固态的密度会发生较大的变化，从而带动体积发生变化，产生阀门效应，在流道中通过温度的变化来对流道进行开关。由于热源5以低热耗工况运行，根据液冷系统的设计，此时冷却液出口温度未超过允许值。

在热源5以高热耗工况运行中，相变膨胀阀1相变材料发生膨胀，阻断A冷板3的流道，迫使冷却液仅通过B冷板流道流动，此时的传热路径为：热源5-A冷板3结构件-相变储能装置2-B冷板4。相变储能装置2吸热发生相变，其中的相变材料成为液态，与B冷板4的接触面传热热耗低于热源5发出的热耗。冷却液流经B冷板4流道后，温度未超过允许值。

在热源5以低热耗工况运行中，相变膨胀阀1相变材料发生收缩，重新打开A冷板3的流道，冷却液再次同时流经A冷板3和B冷板4流道，并在流经A冷板3流道时对热源5进行冷却。此时相变储能装置2中的相变材料放热，相变材料重新成为固态，冷却液对低热耗工况下的热源5进行冷却，出口温度未超过允许值。

以上所述为本发明较佳实施例，应该注意的是上述实施例对本发明进行说明，然而本发明并不局限于此，并且本领域技术人员在脱离所附权利要求的范围情况下可设计出替换实施例。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种控制电子设备冷却液出口温度的方法，具有如下技术特征：选择介于工作最高环境温度和电子设备中关键元器件许用温度之间相变点的相变材料，将上述选择的相变材料封装于五面为铝合金、一面为柔性导热材料的装置中，形成相变膨胀阀；将上述选择相变点的相变材料封装于金属板中，形成相变储能装置；搭建包含A冷板、B冷板、相变储能装置、相变膨胀阀和分汇流管路的液冷系统，A冷板与B冷板通过入口流道并联于出口，其中，B冷板的一面与相变储能装置相连，A冷板一面通过热界面材料与热源相连接，另一面与相变储能装置相连接；相变膨胀阀安装于A冷板的流道下游处；通过相变装置的阀门效应和储放能效应的共同作用，控制电子设备瞬态工作时冷却液出口温度的上限，一旦传热热沉A冷板流道被切断，相变储能装置立即进行替代传热，并将热量传至补充热沉B冷板。

2.如权利要求1所述的控制电子设备冷却液出口温度的方法，其特征在于：在低热耗工况加载热源时，A冷板与B冷板同时接通，相变储能装置和相变膨胀阀均不工作，冷却液从入口进入液冷系统后，流经冷板并被热源加热升温，由出口排出。

3.如权利要求1所述的控制电子设备冷却液出口温度的方法，其特征在于：在高热耗工况加载热源时，位于A冷板流道下游位置的相变膨胀阀受热发生相变，体积发生明显膨胀而阻断A冷板的流道，对A冷板的流道实施关断，冷却液全部从B冷板流道通过。

4.如权利要求3所述的控制电子设备冷却液出口温度的方法，其特征在于：A冷板流道断液后，传热路径变为：热源-A冷板的结构件-相变储能装置-B冷板，热量通过相变储能装置之后，到达作为最终热沉的B冷板，相变储能装置吸收热量，相变材料在其相变点发生相变成为液态，并在与B冷板的接触面释放出低于热源总热耗的热耗，流经B冷板流道的冷却液在单位时间内吸收较低的热量，将冷却液的出口温度控制在允许值以内。

5.如权利要求1所述的控制电子设备冷却液出口温度的方法，其特征在于：相变储能装置、相变膨胀阀中的相变材料相变点，介于液冷出口工作允许的最高环境温度T_out，max和电子设备中关键元器件的许用温度之间。

6.如权利要求1所述的控制电子设备冷却液出口温度的方法，其特征在于：相变膨胀阀相变材料相变点的选择，按照如下公式选择相变点T_pc，e＝T_out，max-ΔT_e，其中，T_out，max是液冷出口允许最高温度，ΔT_e是一个根据不同情况在1℃～10℃的范围内取用的数值。

7.如权利要求1所述的控制电子设备冷却液出口温度的方法，其特征在于：相变储能装置和相变膨胀阀中的相变材料的最少用量，按照以下式进行计算：相变材料最少用量m_pc，h＝Q_tp·t_tp/h_p，其中，Q_tp是典型高热耗工况下的热耗，t_tp是典型高热耗工况下的工作时间，h_p表示相变材料的相变潜热。

8.如权利要求1所述的控制电子设备冷却液出口温度的方法，其特征在于：A冷板与B冷板在流道结构上是并联的关系。

9.如权利要求1所述的控制电子设备冷却液出口温度的方法，其特征在于：在再次低热耗工况加载热源环境下，相变储能装置的放热速率大于其吸热速率，其中的相变材料再次发生相变回到固态，与此同时，相变膨胀阀也再次发生相变，体积收缩，从而打开A冷板的流道，使得液冷系统回到最初状态。

10.如权利要求1所述的控制电子设备冷却液出口温度的方法，其特征在于：将相变材料装入除顶面以外均为铝合金材料的盒体中，盒体顶面使用柔性材料，将盒体封装完毕，形成相变膨胀阀；将相变材料封装进金属腔体，形成相变储能装置；向液冷系统供液，使热源以低热耗工况运行，此时，冷却液同时流经A冷板和B冷板流道，并且在流经A冷板流道时对热源进行冷却，相变材料受热达到相变点后，其液态与固态的密度会发生较大的变化，从而带动体积发生变化，产生阀门效应，在流道中通过温度的变化来对流道进行开关。

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