CN112367804B - 一种主动控制微通道相变散热系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种主动控制微通道相变散热系统，其中，包括：双循环超亲水相变换热器；超疏水冷凝器；储液缸位于超疏水冷凝器下方，通过多点的工质出口与超疏水冷凝器联通；驱动泵通过液冷管路与双循环超亲水相变换热器和储液缸连接，双循环超亲水相变换热器的蒸气出口通过蒸气管路与超疏水冷凝器的冷凝腔连接，双循环超亲水相变换热器的液冷出口通过管路与超疏水冷凝器的液冷热交换器连接，控制器连接位于双循环超亲水相变换热器与储液缸(6)上的温度传感器，并控制驱动泵的流量。本发明可在较为严苛的环境中使用，具有广阔的应用前景。

Description

一种主动控制微通道相变散热系统
技术领域
本发明属于电子器件冷却技术领域，涉及一种主动控制气液双循环微通道相变散热系统。
背景技术
微通道换热器通常指水力直径在微米到亚毫米量级的通道，由于微通道的流通的水力直径较小，与常规的宏观尺度换热器相比，具有更大的比表面积，因而具有更高的热质传输速率，在相同的换热量条件下，微通道换热器具有更小的体积。作为典型的高效紧凑式换热器，微通道换热器在超临界流体传热、高热流电子器件冷却等领域具有广阔的应用前景。
微通道相变换热利用液态工质在微通道内蒸发吸热实现对热源的冷却，结合了微通道换热技术和相变高效换热模式，在高效紧凑换热领域更具应用潜力。然而，液态工质相变温度是工质本身的特性决定的。选用的工质相变温度高，当芯片热量不足以将工质加热到相变状态时，整个就处于一种不稳定的低效状态。选用的工质相变温度低，当环境温度升高到相变温度时，系统会失效。工业、军工等领域的电子设备的特点就是使用环境恶劣，不仅内部芯片功耗在不同时刻差异较大，外部环境也很恶劣，使用环境温度很多在-40℃～65℃，同时还有振动、冲击等力学应力。温度差异较大、芯片热功率随负载高低变化较大，这大大制约了微通道相变散热技术的应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种主动控制微通道相变散热系统，用于解决芯片变功耗问题。
本发明一种主动控制微通道相变散热系统，其中，包括：双循环超亲水相变换热器(1)、驱动泵(2)、控制器(3)、温度传感器(4)、液冷管路(5)、储液缸(6)、超疏水冷凝器(7)以及蒸气管路(8)；双循环超亲水相变换热器(1)设置液冷微通道换热器(11)、相变微通道换热器(12)、蒸气通道(13)、记忆合金阀(14)、工质进口(15)以及工质出口(16)；超疏水冷凝器(7)设置有超疏水冷凝腔(71)、液冷换热器(72)、散热翅片(73)、工质进口(74)、蒸气进口(75)以及工质出口(76)；储液缸(6)位于超疏水冷凝器(7)下方，通过多点的工质出口(76)与超疏水冷凝器(7)联通；驱动泵(2)通过液冷管路(5)与双循环超亲水相变换热器(1)和储液缸(6)连接，双循环超亲水相变换热器(1)的蒸气出口通过蒸气管路(8)与超疏水冷凝器(7)的冷凝腔(71)连接，双循环超亲水相变换热器(1)的液冷出口通过管路与超疏水冷凝器(7)的液冷热交换器连接，控制器(3)连接位于双循环超亲水相变换热器(1)与储液缸(6)上的温度传感器，并控制驱动泵(2)的流量。
根据本发明的主动控制微通道相变散热系统的一实施例，其中，相变微通道换热器(12)的相变蒸发腔内的微通道表面经过超亲水处理，表面与工质的接触角θ＞5°。
根据本发明的主动控制微通道相变散热系统的一实施例，其中，液冷微通道换热器(11)与相变微通道换热器(12)的通道上设置有记忆合金阀(14)，记忆合金阀(14)控制工质进入超亲水微通道相变蒸发腔。
根据本发明的主动控制微通道相变散热系统的一实施例，其中，记忆合金阀(14)的开启温度与工质相变温度相同。
根据本发明的主动控制微通道相变散热系统的一实施例，其中，超疏水冷凝腔(71)与散热翅片(73)连接的面具有倾角θ。
根据本发明的主动控制微通道相变散热系统的一实施例，其中，超疏水冷凝腔(71)与散热翅片(73)连接的腔体内表面经过超疏水处理，与工质的接触角θ＞150°。
根据本发明的主动控制微通道相变散热系统的一实施例，其中，超疏水冷凝腔(71)下方小孔多点的工质出口(76)均匀布置。
根据本发明的主动控制微通道相变散热系统的一实施例，其中，相变微通道换热器(12)的相变蒸发腔的内部微通道表面经过超亲水处理。
根据本发明的主动控制微通道相变散热系统的一实施例，其中，冷凝腔(71)内部经过超疏水处理，热交换面设置有倾角，以加速冷凝后的工质脱离热交换表面。
根据本发明的主动控制微通道相变散热系统的一实施例，其中，控制器(3)通过温度传感器(4)检测双循环超亲水相变换热器(1)和储液缸(6)工质的温度，当双循环超亲水相变换热器(1)处于工质相变临界温度时，控制器(3)会降低驱动泵(2)的转速。
本发明提出一种主动控制气液双循环微通道相变散热系统，利用气液双循环的方法来解决芯片变功耗问题，利用主动控制技术增加散热系统的稳定性、并且实现较长距离的热传输，利用超亲水、超疏水技术增加系统的效率、强化传热。本系统可在较为严苛的环境中使用，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为一种主动控制气液双循环微通道相变散热系统组成示意图；
图2为双循环超亲水相变换热器示意图；
图3为双循环超疏水冷凝器示意图
图4为双循环超疏水冷凝器另一示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
如图1至图4所示，本发明一种主动控制气液双循环微通道相变散热系统，其中，散热系统由双循环超亲水相变换热器(1)、驱动泵(2)、控制器(3)、温度传感器(4)、液冷管路(5)、储液缸(6)、超疏水冷凝器(7)、蒸气管路(8)组成。
双循环超亲水相变换热器(1)由液冷热交换单元(11)、超亲水蒸发腔(12)、蒸气通道(13)组成，超疏水冷凝器(7)由超疏水冷凝腔(71)、液冷换热器(72)、散热翅片(73)组成。所述超亲水蒸发腔(12)，其内部微通道表面经过超亲水处理，经过超亲水处理的微通道能够提高工质相变时气体的的逸出效率，增加系统热交换效率。所述的双循环超亲水相变换热器(12)，其在被散热器件变功耗运行时，能够综合工质显热传递和潜热传递的优点，所述超疏水冷凝器(7)，其超疏水冷凝腔(71)内部经过超疏水处理，同时腔体内部热交换面设置有倾角，可以加速冷凝后的工质脱离热交换表面，防止形成液膜，以提高热交换效率。所述的超疏水冷凝器(7)，其底部有若干均布的小孔，小孔与储液缸(6)连接。驱动泵(2)通过液冷管路(5)与双循环超亲水相变换热器(1)和储液缸(6)连接，双循环超亲水相变换热器(1)的蒸气出口通过蒸气管路(8)与超疏水冷凝器(7)的冷凝腔(71)连接，双循环超亲水相变换热器(1)的液冷出口通过管路与超疏水冷凝器(7)的液冷热交换器连接。控制器(3)连接位于双循环超亲水相变换热器(1)与储液缸(6)上的温度传感器，并控制驱动泵(2)的流量。
所述的储液缸(6)与超疏水冷凝器(7)，可以使系统在振动及摇摆的环境下，保证冷凝后工质能尽快回流至储液缸(6)，避免出现在一定倾角下工质在冷凝器中堆积，造成系统失效的情况。
所述的控制器(3)，通过温度传感器(4)采集双循环超亲水相变换热器(1)及冷凝后工质的温度，动态调节系统供液量，当被散热器件处于低功耗状态时，系统处于液冷散热循环为主的工况。当蒸发器处于工质相变温度附近时，可降低主动供液量，使系统温度上升，为工质提供过热度，使系统进入相变循环状态。
如图1所示，本发明主动控制微通道相变散热系统的另一实施例，由双循环超亲水相变换热器(1)、驱动泵(2)、控制器(3)、温度传感器(4)、液冷管路(5)、储液缸(6)、超疏水冷凝器(7)、蒸气管路(8)组成。驱动泵工质进口与储液缸工质出口、驱动泵工质出口与双循环超亲水相变换热器(1)的工质进口(15)通过液冷管路(5)连接；双循环超亲水相变换热器(1)工质出口(16)、蒸气通道(13)分别与超疏水冷凝器(7)工质进口(74)、蒸气进口(75)通过液冷管路(5)和蒸气管路(8)连接，温度传感器(4)安装在双循环超亲水相变换热器(1)和储液缸(6)上，并与控制器(3)连接。控制器(3)输出的调速信号线连接在驱动泵(2)上。储液缸(6)与超疏水冷凝器(7)的工质出口(76)连接。
如图2所示，双循环超亲水微通道相变换热器(1)内部液冷微通道换热器(11)、相变微通道换热器(12)并列布置，换热器的底部与被散热器件贴合。两个换热器之间有孔相通，记忆合金阀(14)安装在两个换热器的孔上。同时双循环超亲水微通道相变换热器(1)设置有工质进口(15)、工质出口(16)、蒸气通道(13)用来和系统其他部件连接。
如图3以及图4所示，超疏水冷凝器(7)设置有超疏水冷凝腔(71)，液冷换热器(72)、散热翅片(73)，液冷换热器(72)穿插在散热翅片(73)上，散热翅片布置在超疏水冷凝腔换热壁的背面。同时设置有蒸气进口(75)，工质进口(74)、工质出口(76)，与系统其他部件连接。
本发明双循环超亲水相变换热器(1)由液冷微通道换热器(11)、超亲水微通道相变蒸发腔、蒸气通道(13)、记忆合金阀(14)、工质进口(15)、工质出口(16)组成，超疏水冷凝器(7)由超疏水冷凝腔(71)、液冷换热器(72)、散热翅片(73)、工质进口(74)、蒸气进口(75)、工质出口(76)组成。系统运行时，工质从储液缸(6)通过驱动泵(2)运送至双循环超亲水相变换热器(1)、工质一部分进入液冷微通道换热器(11)，通过显热带走被散热器件的热量，另一部分进入相变微通道换热器(12)，通过相变潜热带走被散热器件热量。工质相变吸收热量后通过蒸气管路输送到超疏水冷凝器(7)，在超疏水冷凝腔(71)内释放热量后液化进入储液缸(6)、通过显热带走热量的工质通过散热翅片(73)与大气热沉交换热量后也汇入超疏水冷凝腔(71)，与液化工质一并进入储液缸(6)。整个系统运行时，控制器(3)通过温度传感器(4)检测系统运行状态，并通过控制驱动泵(2)的流量来调节系统工况。本发明提出的一种主动控制微通道相变散热系统在大功率电子芯片散热领域具有广阔的应用前景。
本发明的突出优点是热传输距离较远、有较强的环境适应能力、能够适应变功耗芯片的工况、效率高。具体体现在：1、驱动泵能够为工质提供驱动力，直接将工质注入双循环超亲水相变换热器，相比靠毛细作用系统，本系统可不受工质表面张力特性及固液接触角的限制，大大延长了热量在冷凝端与蒸发端的传输距离。2、冷凝端与储液缸的连接关系与位置，保证了系统在倾斜一定角度和振动的工况下，冷凝工质能及时被回收进储液缸，继续参与工作循环。同时双循环特性可以将工质的相变温度设定的比较高，高于环境温度、低于芯片允许温度，保证系统在高温环境也能持续发生相变，同时确保芯片正常运行。3、双循环结构在芯片热功耗不高时，系统通过液冷循环将热量带走，芯片热功耗较高时，系统通过相变循环提高效率，同时保证芯片在允许工作温度范围内。4、相变循环属于潜热传热，热容量非常高，因此系统仅需要很少的能量将少量工质送入双循环超亲水相变换热器，即可维持系统运行。同时，蒸发腔的超亲水表面及冷凝腔的超疏水表面都能提高热交换效率。因此系统整体效率远高于一般的微通道水冷散热系统。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种主动控制微通道相变散热系统，其特征在于，包括：双循环超亲水相变换热器（1）、驱动泵（2）、控制器（3）、温度传感器（4）、液冷管路（5）、储液缸（6）、超疏水冷凝器（7）以及蒸气管路（8）；
双循环超亲水相变换热器（1）设置液冷微通道换热器（11）、相变微通道换热器（12）、蒸气通道（13）、记忆合金阀（14）、换热器工质进口（15）以及换热器工质出口（16）；超疏水冷凝器（7）设置有超疏水冷凝腔（71）、液冷换热器（72）、散热翅片（73）、冷凝器工质进口（74）、蒸气进口（75）以及冷凝器工质出口（76）；储液缸（6）位于超疏水冷凝器（7）下方，通过多点的冷凝器工质出口（76）与超疏水冷凝器（7）联通；
驱动泵（2）通过液冷管路（5）与双循环超亲水相变换热器（1）和储液缸（6）连接，双循环超亲水相变换热器（1）的蒸气出口通过蒸气管路（8）与超疏水冷凝器（7）的超疏水冷凝腔（71）连接，双循环超亲水相变换热器（1）的液冷出口通过管路与超疏水冷凝器（7）的液冷热交换器连接，控制器（3）连接位于双循环超亲水相变换热器（1）与储液缸（6）上的温度传感器，并控制驱动泵（2）的流量；
其中，
双循环超亲水相变换热器（1）内部液冷微通道换热器（11）、相变微通道换热器（12）并列布置，换热器的底部与被散热器件贴合；两个换热器之间有孔相通，记忆合金阀（14）安装在两个换热器的孔上；同时双循环超亲水相变换热器（1）设置有换热器工质进口（15）、换热器工质出口（16）、蒸气通道（13）用来和系统其他部件连接。
2.根据权利要求1所述的主动控制微通道相变散热系统，其特征在于，相变微通道换热器（12）的相变蒸发腔内的微通道表面经过超亲水处理，表面与工质的接触角θ＞5°。
3.根据权利要求2所述的主动控制微通道相变散热系统，其特征在于，液冷微通道换热器（11）与相变微通道换热器（12）的通道上设置有记忆合金阀（14），记忆合金阀（14）控制工质进入超亲水微通道相变蒸发腔。
4.根据权利要求3所述的主动控制微通道相变散热系统，其特征在于，记忆合金阀（14）的开启温度与工质相变温度相同。
5.根据权利要求1所述的主动控制微通道相变散热系统，其特征在于，超疏水冷凝腔（71）与散热翅片（73）连接的面具有倾角θ。
6.根据权利要求1所述的主动控制微通道相变散热系统，其特征在于，超疏水冷凝腔（71）与散热翅片（73）连接的腔体内表面经过超疏水处理，与工质的接触角θ＞150°。
7.根据权利要求1所述的主动控制微通道相变散热系统，其特征在于，超疏水冷凝腔（71）下方小孔多点的冷凝器工质出口（76）均匀布置。
8.根据权利要求1所述的主动控制微通道相变散热系统，其特征在于，相变微通道换热器（12）的相变蒸发腔的内部微通道表面经过超亲水处理。
9.根据权利要求1所述的主动控制微通道相变散热系统，其特征在于，超疏水冷凝腔（71）内部经过超疏水处理，热交换面设置有倾角，以加速冷凝后的工质脱离热交换表面。
10.根据权利要求1所述的主动控制微通道相变散热系统，其特征在于，控制器（3）通过温度传感器（4）检测双循环超亲水相变换热器（1）和储液缸（6）工质的温度，当双循环超亲水相变换热器（1）处于工质相变临界温度时，控制器（3）会降低驱动泵（2）的转速。
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