CN112162616A - 一种基于液-液相分离工质的水冷散热器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于液‑液相分离工质的水冷散热器，包括通过塑料管道顺次连接的风扇散热器、微型水泵、混合管和热交换器，水冷散热器采用具有下临界分离温度(LCST)的液‑液相分离溶液作为工质，将配置好的溶液填充至水冷散热器的管路后进行密封处理。通过更换主动式CPU水冷散热器的工作介质从而达到显著提高有限空间内等泵功条件下散热性能，并降低处于携带热量状态下工质的粘度，减少流动阻力，实现换热强化与流动减阻的兼顾。满足上至集群小至台式计算机的散热条件，使CPU的温度始终维持在较低水平，以解决设备小型化趋势下芯片发热量过高而散热不足的问题。
Description
技术领域
本发明涉及水冷散热器技术领域，特别是涉及一种基于液-液相分离工质的水冷散热器。
背景技术
随着微电子机械系统、大规模集成电路和大功率发光二极管的不断发展，微电子技术、能源动力、航天航空、生物化工、核能技术等先进工程领域越来越注重设备的微型化和集成化，同时电子器件的热负荷也随之骤增，其热点区域(热流密度可达周围区域的6倍)的散热问题愈发突出。以CPU或GPU为例，其在高温下会自动降频，不仅威胁主板其他部件的安全也影响自身性能的发挥。为保证CPU等的安全、高效工作，已发展出风冷、水冷、热管制冷、半导体制冷、压缩机制冷、液氮制冷等冷却方式，但现有方法均难以实现换热强化与流动减阻的兼顾。
受使用环境及成本的影响，当前市面上的CPU散热器主要有风冷和水冷两大类，风冷散热是利用空气为冷却工质，通常由风扇和散热肋片组成，虽然可靠性高，但散热能力差；相比之下，水冷散热器的效果是其5倍以上。目前水冷散热器可以分为主动式和被动式两大类，核心部件均为热交换器、循环系统、水泵和冷却工质(多为去离子水)，其中主动式水冷系统中的散热风扇是其与被动式系统的唯一区别。水冷散热器的工作流程如下：水经过泵的加压后快速通过与CPU接触的热交换器，材料大多使用高导热系数的紫铜，冷却水以层流流动方式带走热量，携带热量的工质通过风扇散热器进行散热后进入下一个循环。由于冷却水在层流流动换热过程中为单相，且温升对粘度等物性参数的影响较小，通道结构优化和在壁面引入微肋等结构(破坏边界层、增强近壁处扰动、增大换热面积)是常用的散热强化手段，然而这些方法容易造成压降升高，限制了有限空间内的强化换热效果，导致现有的水冷散热器性能难以进一步提升。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于液-液相分离工质的水冷散热器，以解决上述现有技术存在的问题，通过更换主动式CPU水冷散热器的工作介质，大幅提升有限空间内等泵功条件下的散热性能，并降低处于携带热量状态下工质的粘度，减少流动阻力，实现换热强化与流动减阻的兼顾。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种基于液-液相分离工质的水冷散热器，包括通过塑料管道顺次连接的风扇散热器、微型水泵、混合管和热交换器，水冷散热器采用具有液-液相分离的溶液作为工质，将配置好的溶液填充至水冷散热器的管路后进行密封处理。
优选地，该水冷散热器用于CPU或GPU散热；启动微型水泵，水冷散热器管路中具有液-液相分离的溶液从所述热交换器的入口流入，此时的溶液为单相稳定状态，通过与热交换器内部的扩展表面进行对流换热，经过热交换器壁面的加热后具有液-液相分离的溶液温度会迅速升高至下临界分离温度进而触发相分离，相分离的过程吸收热量。
优选地，已吸收热量且已发生液-液相分离的溶液从所述热交换器的出口端流出，通过可承压的所述塑料管道后进入风扇散热器。
优选地，具有液-液相分离的溶液从风扇散热器出口端流出后经过所述微型水泵的加压，流进一段长度为1.5cm的混合管，在所述混合管处溶液再次充分的混溶，达到相分离前的状态。
优选地，单相的具有液-液相分离的溶液从所述混合管流出后经由塑料管道再次导入所述热交换器中进行下一轮循环。
优选地，循环过程中流入CPU热交换器的溶液温度必须低于溶液的下临界分离温度。
优选地，所述热交换器和风扇散热器内部壁面采用纳米级别氮化硅进行喷涂镀层。
优选地，所述微型水泵和可承压的所述塑料管道的内壁采用聚四氟乙烯进行喷涂镀层。
本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：
本发明中的基于液-液相分离工质的水冷散热器，为降低成本提高目前现有设计基础上的散热器散热效果，将新型工质即具有液-液相分离的溶液引入水冷散热器成为解决问题的关键，使用该溶液产生的对流换热系数最高可达水的2.5倍。通过更换主动式CPU水冷散热器的工作介质从而达到显著提高有限空间内等泵功条件下散热性能，并降低处于携带热量状态下工质的粘度，减少流动阻力，既满足强化换热又满足流动减阻。满足上至集群小至台式计算机的散热条件，使CPU的温度始终维持在较低水平，以解决设备小型化趋势下芯片发热量过高而散热不足的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为水冷散热器的结构布置图；
其中，1风扇散热器；2微型水泵；3混合管；4塑料管道；5热交换器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种基于液-液相分离工质的水冷散热器，以解决上述现有技术存在的问题，通过更换主动式CPU水冷散热器的工作介质，大幅提升有限空间内等泵功条件下的散热性能，并降低处于携带热量状态下工质的粘度，减少流动阻力，实现换热强化与流动减阻的兼顾。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本实施例提供一种基于液-液相分离工质的水冷散热器，主要改变CPU水冷散热器的工作介质，并在微型水泵2的出口位置处安装1.5cm长的混合管3，改变后的水冷散热器工作流程图如图1所示。采用具有下临界分离温度(LCST)的液-液相分离溶液作为工质，溶质质量分数可根据具体使用条件人为的配置，将配置好的溶液填充满整个装置后进行密封处理。本发明的水冷散热器包括风扇散热器1、微型水泵2、混合管3、塑料管道4、热交换器5。
本发明中的基于液-液相分离工质的水冷散热器的工作原理如下：
1.启动水泵，液-液相分离溶液从与CPU接触的热交换器5入口流入，此时的溶液为单相稳定状态，通过与热交换器5内部的扩展表面进行对流换热，经过壁面的加热溶液温度会迅速升高至下临界分离温度进而触发相分离，具体分离方式为Spinodal分离，分离无需克服能量壁垒，分离过程会导致单相溶液中氢键断裂与重组从而形成不混溶溶液，这一过程吸收热量；
2.已吸收热量且已发生液-液相分离的溶液从热交换器5的出口端流出，通过可承压的塑料管道4进入风扇散热器1，此阶段的散热方式与现有水冷散热器风扇端的方式一样；
3.经过冷却后的液-液相分离溶液并非完全混溶，溶液从风扇散热器1出口端流出后经过微型水泵2的加压，流经一段长度为1.5cm的混合管3，使溶液再次充分的混溶，达到相分离前的状态，即统一稳定的单相；
4.稳定的单相液-液相分离溶液出混合管后经由塑料管道4再次导入热交换器5进行新一轮的循环。
循环过程中流入CPU热交换器的溶液温度必须低于其下临界分离温度，若温度高于下临界分离温度，溶液本身就为分离的液相状态，更不会在流过热交换器5时发生相分离。
其中凡是发生热交换的地方均使用紫铜制作，液-液相分离溶液流经的换热区域采用纳米级别氮化硅进行喷涂镀层，例如CPU热交换器、风扇散热器1内部壁面，固定件采用不锈钢制作，可承压的塑料管道4及微型水泵2的内壁采用聚四氟乙烯进行喷涂镀层。
由于以水为工质的CPU水冷式散热器在工作过程中水无法发生相的转变，因此并非为最佳的工质，散热器的对流换热系数可以进一步的提高，流动阻力也可以进一步的降低。为了在现有基础上继续提高水冷式散热器的性能和降低泵功，满足设备小型化的需要，为此引入液-液相分离溶液作为工质，典型的液-液相分离溶液为质量分数32.1％的三乙胺水溶液。无论何种液-液相分离溶液只要溶液温度高于下临界分离温度即可发生相分离，低于下临界分离温度可再次混溶，而分离的过程吸收热量，存在一定的潜热，研究发现采用三乙胺水溶液作为换热工质的换热器对流换热系数最高提高2.5倍，发生相分离后粘度相对于水也可降低。在设备小型化的趋势下，使用液-液相分离溶液的CPU水冷散热器在等泵功条件下可以驱散更多的热量，驱散相同的热量也只需更小的换热器尺寸，为此本发明有广阔的应用前景，巨大的发展潜力。
本发明中的基于液-液相分离工质的水冷散热器，采用基于液-液相分离的溶液作为换热工质，代替传统的去离子水，根据不同的使用环境使用不同种类的液-液相分离溶液，例如三乙胺水溶液，可改变溶质的质量分数达到最理想的相分离起始温度以适应不同的使用环境；为保证水冷散热器安全可靠的运行，与工质接触的热交换器内壁全部采用纳米级别氮化硅进行喷涂镀层，可承压塑料管道和泵的内壁采用聚四氟乙烯进行喷涂镀层，以达到流动减阻的目的；为保证冷却过后的液-液相分离溶液进行充分混合，泵安装在风扇散热器1冷却液出口的位置，并在泵口与塑料管道4间串连1.5cm长的混合管3。
需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种基于液-液相分离工质的水冷散热器，其特征在于：包括通过塑料管道顺次连接的风扇散热器、微型水泵、混合管和热交换器，水冷散热器采用具有下临界分离温度的液-液相分离溶液作为工质，将配置好的溶液填充至水冷散热器的管路后进行密封处理。
2.根据权利要求1所述的基于液-液相分离工质的水冷散热器，其特征在于：该水冷散热器用于CPU或GPU散热；启动微型水泵，水冷散热器管路中的液-液相分离溶液从所述热交换器的入口流入，此时的溶液为单相稳定状态，通过与热交换器内部的扩展表面进行对流换热，经过热交换器壁面加热后液-液相分离溶液的温度会迅速升高至下临界分离温度进而触发相分离，相分离的过程吸收热量。
3.根据权利要求2所述的基于液-液相分离工质的水冷散热器，其特征在于：已吸收热量且已发生液-液相分离的溶液从所述热交换器的出口端流出，通过可承压的所述塑料管道后进入风扇散热器。
4.根据权利要求3所述的基于液-液相分离工质的水冷散热器，其特征在于：具有液-液相分离的溶液从风扇散热器出口端流出后经过所述微型水泵的加压，流进一段长度为1.5cm的混合管，在所述混合管处溶液再次充分的混溶，达到相分离前的状态。
5.根据权利要求4所述的基于液-液相分离工质的水冷散热器，其特征在于：单相的具有液-液相分离的溶液从所述混合管流出后经由塑料管道再次导入所述热交换器中进行下一轮循环。
6.根据权利要求5所述的基于液-液相分离工质的水冷散热器，其特征在于：循环过程中流入CPU热交换器的溶液温度必须低于溶液的下临界分离温度。
7.根据权利要求1所述的基于液-液相分离工质的水冷散热器，其特征在于：所述热交换器和风扇散热器内部壁面采用纳米级别氮化硅进行喷涂镀层。
8.根据权利要求1所述的基于液-液相分离工质的水冷散热器，其特征在于：所述微型水泵和可承压的所述塑料管道的内壁采用聚四氟乙烯进行喷涂镀层。
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