CN110557923A - 冷板及具有其的制冷系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种冷板及一种制冷系统。冷板包括进口管、出口管和基于多层薄板的板间结合而构成的多层实体，多层实体从上到下依次包括至少1片上盖板片、至少1片上室板片、至少1片中间板片、至少1片下室板片和至少1片导热板片。其中上室板片形成中空的储流室，中间板片形成细长节流槽道，下室板片形成中空的蒸发室。制冷系统包括所述冷板、压缩机、冷凝器、冷凝风扇、连接管路、制冷剂、夹紧装置等。压缩机工作时，高压液态制冷剂由进口管进入储液室，经过节流槽道节流降压，在蒸发室中产生喷雾射流，冲击导热板片，带走与导热板片下表面相接触的发热元件的热量。本发明结构紧凑，热流密度大，并可将发热元件冷却到环境温度以下。

Description

冷板及具有其的制冷系统

技术领域

本发明提供一种冷板和基于该冷板的蒸气压缩式制冷系统，属于传热和制冷领域。

背景技术

冷板是指只有一种流体参与换热的换热器，通常用于电子设备散热领域。冷板通常由导热较好的金属制成，在其内部通以冷却介质，使用时冷板表面和发热元件表面直接接触，发热元件通过导热的方式将热量传递给冷板后，冷板再将热量以对流形式传递给其内部的冷却介质，吸热后的冷却介质温度升高并流出冷板，冷却介质在冷板外降温后再返回冷板循环使用，从而将发热元件产生的热量源源不断地带走，维持发热元件表面的温度在一定范围内。

现有的冷板通常是单相冷板，即冷板内部流通的是单相冷却介质，比如液态水等，此时冷板带走的热量等于单相流体显热的变化，也就是单相冷却介质温升过程中所吸收的热量。受单相流体比热小、温升范围有限等因素的制约，单相冷板的冷却能力有限，难以适应发热元件的热流密度很大的场合，因此亟待改进。

蒸发相变吸热是一种高效的传热方式，例如，水蒸发的吸热量是温升为10℃的液体水吸热量的58倍。因此如果将单相冷板内的冷却介质改为相变介质，将带走热量的方式由液体温升吸热改为两相流体的蒸发吸热，可以大幅提升冷板的换热能力。

射流技术是蒸发相变与冷却循环系统的结合，这种技术是通过高压泵将液态冷却介质加压，然后通过微喷嘴把冷却介质雾化后喷向冷却对象，冷却介质受热后汽化（蒸发相变）带走热量。射流冷却的吸热量远大于液体对流冷却，也大于常规的相变蒸发冷却。但现有的射流冷却技术通常只能把被冷却元件的温度维持在环境温度以上，在某些需要使被冷却元件的温度低于环境温度的场合就显得力不从心。另外，微喷嘴前的压力越高，则射流的雾化效果越好，现有的射流冷却方案都是使用泵来对冷却介质进行增压的，而泵的增压能力相比压缩机的增压能力来说非常有限，从而限制了射流冷却效果的进一步提高。

发明内容

本发明提供一种具有高热流密度，可在单一器件中完成制冷剂的节流、喷射和蒸发的冷板，所述冷板采用制冷剂进行两相蒸发换热，相比于采用单相流体进行换热的冷板效率更高，且结构极为紧凑，易于实现小型化和微型化，可广泛应用于大功率光电子元件散热领域。

本发明综合利用了分层实体制造技术（基于多层片状材料的板间结合技术）、射流冷却技术和制冷技术。

分层实体制造技术是相对于常规的实体减材制造技术来说的。在实体材料中通过减材加工，来制造内部为中空的流道是困难的，而采用分层实体制造技术可以制造出内部为空心的零件，且可以实现复杂的流道设计。分层实体制造技术是采用多层薄板或箔片材料，根据所需要的流体形状，在每块薄板上分别设计并加工（通常采用光刻、蚀刻或机械加工）成不同的镂空形状后，再将镂空的薄板按一定顺序叠在一起，然后利用某种板间结合方法将多层薄板紧密连接在一起，即构成内部型腔为所需要的几何流道的多层实体。

一种典型的板间结合方法是真空扩散焊。真空扩散焊是在真空的条件下，将要焊接的多层板片放在两个压板之间，在压板上施加高压压力，同时将板片加热到低于材料的融化温度，并保温一定时间，通过相互接触的工件表面上的分子或原子的扩散作用将工件焊合在一起。真空扩散焊的优点是不需要钎焊料或焊剂，两个板片经真空扩散焊接后完全成为一个实体，原来两个板片接触的地方没有明显的材料分界面，也没有任何氧化现象。真空扩散焊既可以实现同种材料板片之间的板间结合，也可以实现异种材料板片之间的板间结合，比如可以实现金属片和陶瓷片之间的板间结合。

本发明的具体实现步骤是：

首先通过光刻、蚀刻或机械加工等方法，构造出5种中间具有一定形状槽道的厚度很薄的板片。板片按形状可以分为上盖板片，上室板片，中间板片、下室板片以及导热板片等。其中上盖板片上加工有供制冷器进出的孔，上室板片和下室板片上加工有大面积的镂空区，中间板片上加工有多个直径很小的小孔，导热板片上则没有任何镂空。

然后将加工有不同形状槽道的板片，按顺序叠放在一起，相同形状的板片可以叠放多层，其中最上面是上盖板片，最下面是导热板片，从上盖板片到导热板片之间从上到下依次是上室板片、中间板片、下室板片。

再将上述叠好顺序的板片组进行板间结合。例如当板间结合方式采用真空扩散焊时，将叠好的板片置于真空扩散焊炉的上、下压板之间，抽去炉中的空气，升温到很高的温度，并在上、下压板之间施加很高的压力，于是在高温高压的作用下，各层板片相互接触的分子或原子便通过扩散作用而互相结合，从而使全部板片结合成为一个中空的多层换热器实体。此时多片上室板片上的大面积的镂空区形成为所述冷板的储液室，多片中间板片上的直径很小的小孔形成为细长的节流槽道，而多片下室板片中间的大面积的镂空区则形成为所述冷板的蒸发室。

最后在多层实体上焊接进、出口接头，从而最终构成所述的冷板。

更进一步，本发明还提供了一种包括所述冷板的蒸气压缩式制冷系统。所述蒸气压缩式制冷系统是在所述冷板的基础上，加上压缩机、冷凝器、连接管路、冷凝风扇等部件，并充注适当的制冷剂而构成的。当压缩机工作时，使制冷剂气体压缩，压力升高，高压的气态制冷剂在冷凝器中冷凝成高压液态制冷剂，由进口管进入所述冷板的储液室，随后通过中间板片上的节流槽道流进所述冷板的蒸发室，在高压液态制冷剂通过细长的节流槽道时，流速升高，而压力降低，从而使制冷剂在流出细长的节流槽道时产生雾化，并在蒸发室中形成速度很高的射流。此雾状射流冲击所述冷板底部的导热板片的上表面，在导热板片的上表面产生剧烈的蒸发相变换热，从而能大量吸收与导热板片的下表面相接触的发热元件的热量。由于射流换热具有很高的换热系数，因此可使具有高热流密度的发热元件得到有效冷却。吸收了热量后的制冷剂蒸发成气体，由所述冷板的出口管流出，并返回压缩机的吸气口，在压缩机中重新被压缩成高压的制冷剂气体。如此循环往复。

本发明的有益效果主要体现在：

一、在本发明中，由于冷板带走热量的方式不是依靠单相流体的温升，而是靠制冷剂的两相蒸发，由于两相流体的蒸发潜热远大于单相流体温度变化所产生的焓差，因此本发明所述的冷板比常规的单相冷板具有大得多的换热能力。

二、由于本所明所述冷板采用制冷剂而不是单相流体作为冷却介质，因此在喷射蒸发后的饱和温度可低于环境温度，可使被冷却元件的温度保持在环境温度以下，即所述冷板不仅具有散热能力，还具有制冷效应，这是常规的冷板所做不到的。

三、所述冷板的中间板片上的节流小孔不仅起到制冷剂节流的作用，还起到类似微喷嘴的作用，将两者的功能合二为一，结构更为紧凑，同时由于节流小孔的数量众多，因此制冷剂节流雾化后总的表面积很大，从而进一步增强了表面蒸发换热能力。

四、与常规喷射冷却技术和单相冷板技术中采用泵作为冷却介质的循环元件和增压元件不同，本发明中的增压元件为压缩机。由于压缩机的升压能力比泵要大得多，因而可在系统的节流小孔前后产生更大的压差，而压差越大，射流的初始动能也就越大，射流冲击的换热效果也就越好。

五、由于采用了分层实体制造技术，储液、节流（喷射）、蒸发、导热都在同一个实体部件中完成，冷板和制冷系统的结构都非常紧凑，易于实现小型化和微型化，特别适合于冷却微处理器、激光器等体积小、功率密度大的发热器件。

附图说明

图1是所述冷板的一个具体实施方式的外观示意图。

图2是组成所述冷板的多层实体的各层板片的装配关系或叠层顺序示意图（爆炸视图）。

图3是所述冷板的最上层的上盖板片的形状示意图。

图4是所述冷板中位于上盖板片之下、中间板片之上的上室板片的形状示意图。

图5是所述冷板中位于上室板片之下、下室板片之上的中间板片的形状示意图。

图6是所述冷板中位于中间板片之下、导热板片之上的下室板片的形状示意图。

图7是所述冷板中位于最底层的导热板片的形状示意图。

图8是所述冷板的内部结构示意图（剖面视图）。

图9是包含所述冷板的蒸气压缩式制冷系统的流程图。

具体实施方式

本发明的第一方面实施例，提供了一种冷板，如图1~图8所示。

如图1所示，是所述冷板100的外观。所述冷板100是由5种具有不同的镂空形状的板片(典型的为厚度小于1mm的金属薄片)按一定顺序和片数叠层后，再经某种板间结合方法而形成的一个多层实体101，然后在多层实体101上安装有进口管6和出口管7。

如图2所示，是所述冷板的5种板片及流体进、出口接头在未结合成一个整体之前，各个板片的叠层顺序和位置关系，以及和流体进、出口管的装配关系示意图（爆炸图）。

构成多层实体101的5种板片分别是：上盖板片1、上室板片2、中间板片3、下室板片4和导热板片5，分别如图3~图7所示。每种板片在多层实体101中均可重复排列，即每种板片的数量至少是1层，但某一类型的板片只能与相同类型的板片连续排列，某一类型的板片不能与其它类型的板片交错排列。

使多层板片构造成为一个多层实体101的板间结合方法包括但不限于真空热压、真空扩散焊、真空钎焊、电阻焊等。多层板片经过所述板间结合方法连接后，板片与板片之间在物理上变成不可分割的整体，板片与板片之间达到完全密封，可以承受一定的耐压压力而不泄漏。而进口管6、出口管7是用和多层实体101相同或相近的材料(典型地为不锈钢等金属材料)制成的管状零件，并通过电弧焊、激光焊、超声波焊、摩擦焊、钎焊等方法焊接在5种板片所构成的多层实体101上，其焊接位置在冷板的上盖板片1的相应开孔处。需要指出的是，多层板片在完成所述板间结合后是一个单一的实体，层与层之间并不存在明显的材料的界面，此处将其称为“多层实体”只是为了帮助理解本发明所述的技术方案。

如图3和图2所示，1片或若干片上盖板片1位于所述冷板100的最上方。在上盖板片1上加工有供制冷剂流入或流出的2个小孔：进口孔1a、出口孔1b。若干片上盖板片1重叠在一起，构成了进口管6和出口管7的安装孔，其中进口管6安装在进口孔1a中，出口管7安装在出口孔1b中。

如图4和图2所示，1片或若干片上室板片2位于上盖板片1的下方和中间板片3的上方。在上室板片2上加工有大面积的第一镂空区2a和较小面积的第一镂空孔2b，其中第一镂空区2a位于上盖板片1上的进口孔1a的下方，第一镂空区2a对于进口孔1a完全可见；第一镂空孔2b位于上盖板片1的出口孔1b的下方并与出口孔1b对齐，第一镂空孔2b的直径和出口孔1b的直径相同。若干片上室板片2重叠在一起时，每一片上室板片上的第一镂空区2a组合形成了中空的储液室2m，用于储存液态的高压制冷剂。

如图5和图2所示，1片或若干片中间板片3位于上室板片2的下方，下室板片4的上方。中间板片3起隔断储液室2m和蒸发室4m的作用，并起制冷剂节流和微喷嘴作用。在中间板片3上加工有很多呈均匀分布的直径很小的节流小孔3a，以及供气体制冷剂流出的第二镂空孔3b。第二镂空孔3b位于上室板片2上的第一镂空孔2b的下方并与第一镂空孔2b对齐，第二镂空孔3b的直径和第二镂空孔3b的直径相同。若干片中间板片3重叠在一起时，每一片中间板片3上的节流小孔3a叠加在一起，形成了细长的节流槽道3h（见图8）。中间板片3的数量越多，节流槽道3h的长度越长，则节流效应越明显。改变所述中间板片3的数量和节流小孔3a的直径，可以调节流经中间板片3的制冷剂的压差，从而调节射流的喷射长度和扩散角度；改变节流小孔3a的数量，可以调节每股射流所覆盖的面积。

如图6和图2所示，1片或若干片下室板片4位于中间板片3的下方，导热板片5的上方。在下室板片4上加工有大面积的第二镂空区4a，第二镂空区4a对于其上层的节流小孔3a和第二镂空孔3b完全可见。若干片下室板片4重叠在一起，构成了冷板100的蒸发室4m，蒸发室4m用于提供制冷剂在其中蒸发的空间。

如图7和图2所示，1片或若干片导热板片5位于冷板100的最下方。导热板片5是一块完整的薄板，在其上没有任何镂空部分。导热板片5起密封其上方的蒸发室4m的作用，并作为喷射冷却的换热面；导热板片5的下表面是平整的表面，作为和被冷却元件表面直接接触的面。优选地，导热板片5只有1层，以减小导热热阻。

由图8所示，是所述冷板的内部结构示意图（剖面视图），该图有助于理解本发明所述冷板的工作原理。高压制冷剂从进口管6进入由多层上室板片2构成的储液室2m，然后经过由多层中间板片3上的节流小孔3a构成的节流槽道3h流入蒸发室4m。高压制冷剂流过节流槽道3h时，由于细长流道的节流降压作用，使得制冷剂压力迅速减小，同时流速迅速增加，到流出节流槽道3h时，制冷剂的压力能转化为动能，制冷剂雾化并形成射流，此雾化射流向下喷射到导热板片5的上表面，在导热板5的上表面产生剧烈的对流和蒸发换热，具有极大的换热系数，可带走大量的经由导热板片5的下表面传导到导热板片5的上表面的热量。制冷剂吸热蒸发后变成低温低压的制冷剂气体，此制冷剂气体汇集到蒸发室4m的中部，最后经第二镂空孔3b、第一镂空孔2b、出口孔1b和出口管7流出冷板100。

本发明的第二方面实施例，提供了一种用于对大功率发热元件进行表面接触式降温的蒸气压缩式制冷系统1000，由图9所示。所述蒸气压缩式制冷系统1000包括所述冷板100、压缩机200、冷凝器300、冷凝风扇400、连接管路500，以及用于将冷板100固定到发热元件600的表面上去的夹紧装置700。发热元件600的表面和冷板100的下表面紧密接触，夹紧装置700将冷板100和发热元件600夹紧，以减小冷板100的和发热元件600上表面之间的接触热阻。在所述的蒸气压缩式制冷系统的管路中充有制冷剂。所述的发热元件600包括但不限于中央处理器（CPU）、微处理器（MPU）、图形处理器（GPU）、绝缘栅双极晶体管（IGBT）、半导体制冷片、激光器等。

根据第二方面的实施例，只需在所述冷板100的外部连接上压缩机200、冷凝器300，并充注合适的制冷剂后，即构成一台蒸气压缩式制冷系统。连接方法是：冷凝器300的出口和所述冷板100的进口管6相连，压缩机200的吸气口与所述冷板100的出口管7相连，压缩机200的排气口与冷凝器300的进口相连。由压缩机200排出的高压气态制冷剂进入冷凝器300，在冷凝器300中进行冷凝放热，放出的热量被由冷凝风扇400所强迫对流的空气带走。高压气态制冷剂在冷凝器300中冷凝后变成高压的液态制冷剂，经进口管6进入冷板100内部的储液室2m。储液室2m中的液态制冷剂在经由中间板片3上的微节流槽道3h进入蒸发室4m时压力降低、体积膨胀，变成低温低压的气液混合物，呈喷雾状向下射流，冲击位于冷板100最下层的导热板片5的上表面。射流在导热板片5的上表面上产生剧烈的热交换，吸收发热元件600产生的、经导热板片5的下表面传导到导热板片5的上表面的热量，从而维持发热元件600的温度在较低的温度范围。蒸发完成后的制冷剂则全部变成气态，经由第二镂空孔3b、第一镂空孔2b、出口孔1b和出口管7流出冷板100，并返回到压缩机200的吸气口。制冷剂气体在压缩机200中被压缩后，重新变成高压的制冷剂气体，从而形成了一个完整的蒸气压缩式制冷循环。制冷剂在蒸发室4m中蒸发时，饱和温度可低于环境温度，可使发热元件被冷却到环境温度以下，从而产生制冷效应。

在上述实施例中，出口管7被布置在位于板片中心的位置，而进口管6被布置在接近板片中心的位置，但外部接管的位置和安装方式不对本发明的实施方式构成任何限制。可选地，也可以将进口管6布置在位于板片中心的位置，而出口管7布置在接近板片中心的位置，只要冷板100内部的多层板片的镂空区和镂空孔的位置做相应改变即可。

根据本发明的一个简化实施例，所述冷板100也可以没有进口管6、出口管7，而是直接以多层实体101的形式出现。

根据本发明的一个可选实施例，所述冷板100也可以设置多个进口管6，以及多个出口管7。

本发明所述的实施例中，使板片镂空的加工方法包括但不限于蚀刻、光刻、机械加工，以及激光切割等。

在本发明所述的实施例中，上盖板片1、上室板片2、中间板片3、下室板片4和导热板片5通常具有相同的材料厚度和相同的外型轮廓线（在本实施例的图示中外型轮廓线为矩形），以尽可能达到产品生产过程中的标准化和降低成本，但本发明并不限制这一点，这五种板片也可以采用不完全相同的材料厚度和不完全一致的外型轮廓。

本发明所采用的使多层板片形成板间紧密结合的方法，包括但不限于真空热压、真空扩散焊、真空钎焊、电阻焊等方法，优选地采用真空扩散焊方法，这种焊接方法由于具有不需钎焊剂的优势，因此材料不限于不锈钢、钛合金、铝合金等金属板片或合金板片，也可以是陶瓷等非金属板片。只要是借助于真空扩散焊或真空钎焊等可以焊合的多层板片材料构成的类似冷板，均属于本发明的保护范围。

在本发明的描述中，“上”、“下”、“上方”、“下方”、“侧面”、“顶部”、“底部”等指示方位的用语或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，是相对的，仅是为了便于描述本发明所作的简化描述，而不是指示或暗示所指的结构或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，对本发明的保护范围不构成任何限制。

Claims (10)

1.一种冷板，可在单一实体内部完成制冷剂的节流、喷雾射流和相变蒸发换热，并通过导热方式对与之接触的发热元件进行冷却，可将被冷却元件的温度降至环境温度以下，其特征在于，包括进口管、出口管和基于多层薄板的板间结合而构造的多层实体，所述多层实体从上到下依次包括以下5种不同类型的板片：

1片或多片的上盖板片；

1片或多片的上室板片；

1片或多片的中间板片；

1片或多片的下室板片；

1片或多片的导热板片，

高压液态制冷剂由所述进口管进入所述多层实体，在所述多层实体内节流后产生喷雾射流，冲击多层实体最底层的导热板片的上表面，吸收与导热板片下表面相接触的发热元件传导到导热板片上表面的热量并蒸发，变成低温低压的气态制冷剂，最后由所述出口管流出所述多层实体。

2.根据权利要求1所述的上盖板片，其特征在于：所述上盖板片位于所述多层实体的最上方；在所述上盖板片上加工有进口孔和出口孔，所述进口管安装在所述进口孔中，所述出口管安装在所述出口孔中。

3.根据权利要求1所述的上室板片，其特征在于：所述上室板片在多层实体中位于上盖板片的下方、中间板片的上方；在所述上室板片上加工有第一镂空区和第一镂空孔，第一镂空区位于上盖板片上的进口孔的下方，第一镂空区对于其上层的进口孔完全可见，第一镂空孔位于上盖板片上的出口孔的下方并与出口孔对齐；多层上室板片上的第一镂空区重叠在一起构成了中空的储液室。

4.根据权利要求1所述的中间板片，其特征在于：所述中间板片在多层实体中位于上室板片的下方、下室板片的上方；在所述中间板片上加工有很多呈均匀分布的直径很小的节流小孔和第二镂空孔，第二镂空孔位于上室板片上的第一镂空孔的下方并与第一镂空孔对齐，第二镂空孔的直径和第一镂空孔的直径相同；多层中间板片上的节流小孔重叠在一起构成了细长的节流槽道。

5.根据权利要求1所述的下室板片，其特征在于：所述下室板片在多层实体中位于中间板片的下方、导热板片的上方；在所述下室板片上加工有第二镂空区，第二镂空区位于中间板片的节流小孔和第二镂空孔下方，且对节流小孔和第二镂空孔完全可见；多层下室板片重叠在一起构成了中空的的蒸发室。

6.根据权利要求1所述的导热板片，其特征在于：所述导热板片位于所述多层实体的最下方；所述导热板片是一块完整的薄板，在其上没有任何镂空部分，其上表面作为喷雾射流的喷射表面，下表面作为与被冷却元件直接接触的表面。

7.根据权利要求1~权利要求6所述的5种不同类型的板片，其特征在于：每种类型的板片在所述多层实体中均可重复出现，即每种板片的数量至少是1片；相同类型的板片多于1片时，它们必须连续排列，某种类型的板片不能与其它类型的板片交错排列。

8.根据权利要求1所述的多层薄板的板间结合方法，包括但不限于真空扩散焊、真空热压、真空钎焊、电阻焊等，多层薄板经过所述板间结合方法连接后，板片与板片之间在物理上变成不可分割的整体，面与面之间达到完全密封，可以承受一定的耐压压力而不泄漏。

9.一种蒸气压缩式制冷系统，包括权利要求1所述的冷板，此外还包括压缩机、冷凝器、冷凝风扇、连接管路、制冷剂，以及使所述冷板表面和发热元件表面进行紧密接触的夹紧装置。

10.根据权利要求9所述的蒸气压缩式制冷系统，其特征是：所述压缩机的吸气口通过连接管路与所述冷板的出口管相连，所述压缩机的排气口通过连接管路与所述冷凝器的进口相连，所述冷凝器的出口通过连接管路与所述冷板的进口管相连，所述冷凝风扇用于带走所述冷凝器释放的冷凝热，所述制冷剂充注在所述蒸气压缩式制冷系统内部，所述夹紧装置将所述蒸气压缩式制冷系统中的冷板固定在发热元件的表面上，当所述压缩机和所述冷凝风扇运转时，所述制冷剂在所述冷板的内部循环并产生节流、喷雾射流和蒸发制冷效应，带走与所述冷板接触的发热元件表面的热量，从而维持发热元件表面的温度在一定范围内。