CN110536592A - 一种相变冷却系统 - Google Patents

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蔡艳召
黄胜利
高长松
冯亚利
魏鹏
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    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H05K7/2029—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating using a liquid coolant with phase change in electronic enclosures

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Abstract

本发明公开了一种相变冷却系统，该系统包括液体泵、流量计、蒸发器、冷凝器、预热器、汽液分离器、储液罐、气体泵、连接管路。本发明的主要优点是：在系统中设置汽液分离器和储液罐，减小系统启动过程中的压力脉冲，提高系统运行稳定性，系统内设置的气体泵装置可以快速的将从蒸发器流出的汽液两相工质经汽液分离器汽液分离后，抽吸进入冷凝器冷凝放热，可提高冷凝换热效率，缓解系统内由于沸腾换热所引起的压力升高及波动，确保系统稳定运行。

Description

一种相变冷却系统
技术领域
本发明属于电子领域的设备冷却技术，具体涉及一种相变冷却系统。
背景技术
随着技术的发展，虽然电子设备在材料和性能方面不断改进，但是对于大功率、高通量的电子设备的散热、温度控制还是变得越来越困难。常规风冷、液冷冷却方式的冷却极限也只有100W/cm2，而电子元件发热时常超过100W/cm2，甚至达到200W/cm2。
传统风冷、液冷散热方式无法解决高热流密度电子器件散热问题，并且传统液冷散热方案采用冷却介质多具有导电性，若泄漏会造成设备损坏，存在安全隐患；特别是对于长距离分布式、不均匀的热源进行散热和控温具有很大难度，现有的泵驱两相冷却系统会出现较大压力和温度波动，特别是当系统的规模比较大时，系统高低温变化时引起的储液罐内工质体积变化比较大，液位不断波动，给系统温度的准确控制带来困难。
发明内容
本发明的目的是：为解决传统风冷、液冷散热方式的散热性能低、存在安全隐患以及提高泵驱两相冷却系统冷凝效率、系统压力稳定性能，设计了一种新型泵驱两相冷却系统。
为了实现所述发明目的，本发明采用如下技术方案：一种相变冷却系统，包括液体泵、流量计、蒸发器、冷凝器、预热器、汽液分离器、储液罐、气体泵、连接管路；液体泵出口通过连接管路依次与流量计和预热器与蒸发器进口相连接，蒸发器出口通过连接管路与汽液分离器进口相连接；汽液分离器出口分两路：一路依次经过气体泵和冷凝器与储液罐进口相连接，另一路通过连接管路与液体泵进口相连接；储液罐出口通过连接管路与液体泵进口相连接。
进一步的，液体泵、蒸发器和冷凝器的进口和出口处设置温度传感器和压力传感器。
进一步的，使用氟利昂、液氨和氟化液作为系统循环工质。
进一步的，液体泵为支持汽液两相运行的齿轮泵。
进一步的，气体泵为真空泵。
进一步的，冷凝器采用过冷管设计，通过风机或冷却水将热量传递到外界环境中。
进一步的，连接管路采用橡胶软管组件或金属硬管组件。
本发明的有益效果是：通过在系统中设置汽液分离器和储液罐，减小系统启动过程中的压力脉冲，提高系统运行稳定性，系统内设置的气体泵装置可以快速的将从蒸发器流出的汽液两相工质经汽液分离器汽液分离后，抽吸进入冷凝器冷凝放热，可提高冷凝换热效率，缓解系统内由于沸腾换热所引起的压力升高及波动，确保系统稳定运行。
附图说明
图1是相变冷却系统的原理图。
其中1-液体泵、2-流量计、3-预热器、4-蒸发器、5-汽液分离器、6-气体泵、7-冷凝器、8-储液罐。
具体实施方式
通过下面的实施例可以详细的解释本发明，公开本发明的目的旨在保护本发明范围内的一切技术改进。
泵驱动两相冷却系统主要由液体泵1、蒸发器4、冷凝器7、预热器3、汽液分离器5、储液罐8、气体泵6、连接管路等组成，为保证系统汽液相变换热、准确温控以及安全稳定运行的实现，在蒸发器4、冷凝器7、液体泵1进出口设置温度和压力传感器，监控系统运行压力和温度，其原理示意图如图1所示。
液体工质在泵的驱动下进入预热器3预热到接近饱和状态，然后进入蒸发器4流道内被加热，吸热后在流道壁面上开始产生气泡，此时液体主流尚未达到饱和温度，处于过冷状态，继续吸热而使液体达到饱和温度时，即进入饱和核态沸腾区，出现沸腾蒸发，含气量增加，最终加热功率与吸热功率达到平衡，以汽液两相流的状态流出蒸发器4，进入汽液分离器5内。携带大量潜热的蒸汽与处于饱和的液体在汽液分离器5中分离，蒸汽从汽液分离器5上部经气体泵6升压后流至冷凝器7，冷凝器7的温度低于沸点温度，蒸汽流在冷凝器7进行热交换释放大量潜热，蒸汽凝结为液态进入储液罐8，与前面汽液分离器5中处于饱和的液体汇流，经泵升压后进入下一循环，如此往复。
在蒸发器4出口处设置汽液分离器5，以便实现相变工质的汽液分离，并可减少系统启动时的压力脉冲，冷凝器7出口设置储液罐8，储存经冷凝器7冷凝后液体工质；
汽液分离器5和储液罐8内都设置有一定的气体容积，对系统启动时的压力脉冲有一定缓冲作用，并且汽液分离器5和储液罐8内的静液柱高度可防止工质泵汽蚀。
在汽液分离器5出口设置气体泵6，以便汽液分离器5内的气体工质被抽吸进入冷凝器7放热带走热量，加快气体流动速度，提高换热效率。
为实现相变换热，系统所用介质应具有电绝缘性，较高的化学稳定性、安全性，合适的饱和蒸汽压，大的汽化潜热和导热系数以及较好的材料兼容性，常用介质有氟利昂、液氨和氟化液等。
液体泵1为泵驱两相冷却系统工质的循环提供动力，是影响换热性能的重要因素，结合两相流冷却系统的特点及能力，液体泵1需要满足流量小，扬程大等特点，同时要求泵体严格密封，否则容易导致系统内工质泄露，最终造成泵驱两相冷却系统能力衰减甚至失效。为此，系统可以选取支持汽液两相运行的齿轮泵。
在液体泵1出口设置预热器3，预热器3为电加热，将过冷液体加热到接近饱和状态。
工质在蒸发器4中实现沸腾换热，可实现热量的收集，将热量由发热器件传递到工质。根据散热要求和工作温度，为充分利用相变换热热流密度较大的优点，可以采用小通道结构以提高换热效率。
在蒸发器4出口设置汽液分离器5，实现汽液两相工质的汽液分离，上部为饱和气体工质，下部为饱和液体工质，汽液分离器5储存汽液分离后的气相与液体饱和工质。
在汽液分离器5出口设置气体泵6，为汽液分离器5内的气相工质提供抽吸力，进入冷凝器7冷凝，气体泵6可选择真空泵，且密封性要求较高。
工质在冷凝器7内冷凝，通过风机或冷却水将热量传递到环境中。冷凝器7的换热能力要与蒸发器4匹配，冷凝器7可采取过冷管设计，以保证出口工质完全凝结并有一定的过冷度。
储液罐8用于储存系统循环过程中多余的工质，其内部静液柱高度可防止工质泵汽蚀，并具有减少系统启动时的压力脉冲，提高系统运行稳定性。
根据系统排布及性能要求，可选用与介质兼容的橡胶软管组件或金属硬管组件。
本发明未详述部分为现有技术。

Claims (7)

1.一种相变冷却系统，其特征在于：包括液体泵(1)、流量计(2)、蒸发器(4)、冷凝器(7)、预热器(3)、汽液分离器(5)、储液罐(8)、气体泵(6)、连接管路；所述液体泵(1)出口通过连接管路依次与流量计(2)和预热器(3)与蒸发器(4)进口相连接，蒸发器(4)出口通过连接管路与汽液分离器(5)进口相连接；汽液分离器(5)出口分两路：一路依次经过气体泵(6)和冷凝器(7)与储液罐(8)进口相连接，另一路通过连接管路与液体泵(1)进口相连接；储液罐(8)出口通过连接管路与液体泵(1)进口相连接。
2.根据权利要求1所述的冷却系统，其特征在于：所述液体泵(1)、蒸发器(4)和冷凝器(7)的进口和出口处设置温度传感器和压力传感器。
3.根据权利要求1所述的冷却系统，其特征在于：使用氟利昂、液氨或氟化液作为系统循环工质。
4.根据权利要求1所述的冷却系统，其特征在于：所述液体泵(1)为支持汽液两相运行的齿轮泵。
5.根据权利要求1所述的冷却系统，其特征在于：所述气体泵(6)为真空泵。
6.根据权利要求1所述的冷却系统，其特征在于：所述冷凝器(7)采用过冷管设计，通过风机或冷却水将热量传递到外界环境中。
7.根据权利要求1所述的冷却系统，其特征在于：所述连接管路采用橡胶软管组件或金属硬管组件。
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