CN113873849B - 一种自适应调节半浸没式液冷散热腔体、循环系统及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明一种自适应调节半浸没式液冷散热腔体、循环系统及应用，属于微通道强化散热技术领域；散热腔体底部凹槽与基底配合将发热元件密封，使发热元件位于散热腔体的散热微通道底部；散热微通道的外侧壁面与散热腔体的内侧壁面之间形成环形腔体，通过活塞片分隔；环形腔体内冷却工质受热膨胀，推动所塞片向上压缩散热腔体流体储备域，使得冷却工质经冷却工质通道排入散热腔体流体冷却域内，进而散热腔体流体冷却域内液位随即上升，增加了换热效应，实现发热元件的温度调控，达到动态平衡。液冷循环系统为包括散热腔体的液冷半浸没式微通道冷却闭路循环系统，能够对发热元件高负荷工作时所产生的高发热量进行温度调控。本发明能够实现精准控温效果。
Description
技术领域
本发明属于微通道强化散热技术领域，具体涉及一种自适应调节半浸没式液冷散热腔体、循环系统及应用。
背景技术
高功率激光、电子元器件高度集成与微型化等高新技术迅速发展并逐渐成功应用到MEMS、航空航天等诸多科学技术领域。在复杂且高度集成化的工况下，大功率航空航天电子元器件等微型设备在工作中产生的高达200-1500W/cm2的巨大热流密度，直接影响到元器件的工作性能与寿命。如若不能有效降低器件表面温度，维持器件表面温度分布均匀性，将会导致器件工作性能及稳定性迅速下降，甚至烧毁器件。伴随电子系统的发展，各种高效散热技术应运而生。其中，微通道散热技术具有散热潜力大，方式简单、可靠等优点，被业界寄予厚望，已成为国内外研究热点。
高热流密度微型元器件散热问题已广泛受到国内外传热传质学者的高度重视，且应用前景非常广泛。目前国内外微尺度散热领域学者的关注点集中在微通道热沉、微热管均热片、整合式微冷却器、微射流阵列热沉以及微冷冻机等相关散热系统。其中，微通道热沉系统因其体积小、自重轻、比表面积大、单位面积换热强度高等优势成为国内外学者关注的热点。自1981年首次提出“微通道热沉(Microchannel heat sinks, MHS)”概念以来，以液体为系统工质的微通道热沉系统便广泛被认为是解决高热流密度微型元器件散热问题的有效方式。然而，针对更高散热要求的高热流密度微型元器件，简单结构下的微通道热沉系统已经无法满足需求。
泵功循环式微通道内部冷却是微通道冷却的主要方式。微通道内构形设计利用内部通道的拓扑结构，改变流动方向破坏流动与传热边界层，降低对流换热热阻，增强换热性能。经过对现有技术文献的检索发现，中国专利申请号202011212273.4，专利公开日期2021年02月23日，专利名称：一种梯形与波形结合的混合微通道散热器。该专利基于传统微通道热沉，过改变微型通道的结构形状，采用梯形和波形结合的混合微通道，结合了微通道流动和射流冲击的优点，提供了非常高的散热能力的同时大大增强对流换热，使冷却表面上保持了高度的温度均匀性。然而，其冲击射流结构单一，流动工质由中心向边缘发散，导致热沉基底边缘与中心处存在较大温度梯度。且冷却剂在该结构热沉内行程较长，增加了通道内压降损失。致使系统稳定性能下降。且散热器所吸收的热量没有进行有效利用，导致能量浪费。
发明内容
要解决的技术问题：
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种自适应调节半浸没式液冷散热腔体、循环系统及应用，发热元件处于低发热量时，通过散热腔体内的冷却工质和活塞片的配合实现对发热元件温度的调控；发热元件处于高发热量时，通过压力/温度信号将高温信息传输至信号分析器，由信号分析器控制控流器的通断和流速，从而高效冷却发热元件并实现精准控温效果。
本发明的技术方案是：一种自适应调节半浸没式液冷散热腔体，其特征在于：所述散热腔体的外底面中心处开有凹槽结构，将基底放置于凹槽内；散热腔体内部包括散热微通道和活塞片，散热微通道设置于散热腔体内底面、并位于基底正上方，发热元件封装于基底与散热微通道之间；
所述散热微通道为空腔结构，其内底面设置有若干凸起的长条形翅片，顶部设置有冷却工质通道；散热微通道内部空腔分为散热腔体微通道空间域和散热腔体流体冷却域，冷却工质充入位于下方的散热腔体流体冷却域，散热腔体微通道空间域是位于冷却工质上方的空腔；
所述散热微通道的外侧壁面与散热腔体的内侧壁面之间形成环形腔体，环形腔体内通过活塞片分隔为散热腔体流体储备域和散热腔体吸热做功域，散热腔体吸热做功域位于活塞片的下方，散热腔体流体储备域位于活塞片的上方；环形腔体内充入冷却工质；
发热元件低负荷工作时，所述散热腔体吸热做功域内冷却工质受热膨胀，同时推动所述活塞片向上压缩散热腔体流体储备域，使得散热腔体流体储备域内的冷却工质经冷却工质通道排入散热腔体流体冷却域内，进而散热腔体流体冷却域内液位随即上升，增加了换热效应，实现发热元件的温度调控，达到动态平衡。
本发明的进一步技术方案是：所述散热微通道内若干凸起的长条形翅片成等间距排列。
本发明的进一步技术方案是：所述散热微通道的材质为金属。
本发明的进一步技术方案是：所述冷却工质通道从散热微通道顶部延伸至散热微通道内的冷却工质液位之下，用于将所述环形腔体内的冷却工质通入到散热微通道内。
本发明的进一步技术方案是：所述基底处设有多个温度传感器，实时监控发热元件的温度。
本发明的进一步技术方案是：所述冷却工质为油液。
一种自适应调节半浸没式液冷循环系统，其特征在于：包括散热腔体、分流器、汇流器、止流阀、集液器、控流器、回热器、微型温差发电片、动力泵和信号分析器，所述散热腔体的进油口与分流器连通，出油口与汇流器连通；汇流器通过油管道依次与回热器、止流阀、集液器、控流器、分流器连通，形成液冷半浸没式微通道冷却闭路循环；
所述散热腔体的基底处设有多个温度传感器；散热腔体的内顶面与侧壁相交处设置有阶梯结构，与所述活塞片相对的阶梯面上设置有压力传感器，压力传感器的高度与散热微通道内顶面高度平齐；所述压力传感器和温度传感器均通过外接信号分析器与控流器连接；
发热元件高负荷工作时，所述散热腔体吸热做功域内冷却工质受热膨胀，同时推动所述活塞片向上压缩散热腔体流体储备域，使得散热腔体流体储备域内的冷却工质经冷却工质通道排入散热腔体流体冷却域内，进而散热腔体流体冷却域内液位随即上升，直至所述活塞片被推动到与压力传感器接触时，所述散热微通道内充满冷却工质；当所述活塞片对压力传感器传感器施加额外压力，或多个温度传感器监控温度超出许可范围时，压力传感器或温度传感器将信号传输至所述信号分析器，由信号分析器控制所述控流器的流速状态，调控外部冷却工质从所述分离器流经散热腔体后从出油口流出，实现冷却工质自动化流动换热效果。
本发明的进一步技术方案是：所述散热腔体的进油口、出油口处分别设置有腔体入口端接口和腔体出口端接口。
本发明的进一步技术方案是：所述散热腔体两侧分别开有4个进油口与4个出油口。
一种自适应调节半浸没式液冷循环系统的应用，其特征在于：所述回热器通过微型温差发电片与负载连接，回热器将冷却工质吸收的热量转移至微型温差发电片，微型温差发电片通过冷热差效应产生部分电能，并收集到电容或者蓄电池中，形成微型发电结构为负载供电。
有益效果
本发明的有益效果在于：
1、以油液、去离子水为代表的冷却工质比热容远高于空气，冷却效果显著强于风冷；其次，冷却工质全方位接触散热微通道内外侧，显著增大接触面积，强化传热特性；
2、散热微通道与基座将发热元件密封，热阻极大下降；
3、最关键的是，该自适应调节半浸没式高效液冷循环系统可根据发热元件发热量高低自调控散热域内冷却工质量，并在高发热量时自动利用外部冷却工质实现高效散热效果。其具体实现原理表现为：热源基底正上方紧密贴合散热翅片，散热翅片在散热量较小的工况下设计为冷却工质部分浸没，由于热源基底发热量小，部分浸没的散热翅片即可满足散热要求。进一步地，散热腔体吸热做功域上方设计有可移动的活塞片，伴随热源散热量增大，距离热源基底最近的散热腔体内冷却工质迅速响应并吸收热量，腔体内体积随之增加，推动活塞片向上做功，并将活塞片上方腔体压缩，其内部冷却工质被压缩进热源基底正上方的散热翅片中，逐渐覆盖翅片，使得其散热能力更高；
4、该设计通过回热器与微型温差发电片构建一个将冷却工质收集的余热进行发电的热资源回收系统，利用微型温差发电片自身所具有的冷热差效应产生电能供LED灯使用。使得系统余热可以充分再利用，达到热资源的回收环保效果。
附图说明
图1是本发明所述的一种自适应调节半浸没式高效液冷循环系统总图。
图2是本发明实施例散热腔体主视图。
图3是本发明实施例散热腔体侧视图。
附图标记说明：1、散热腔体，2、分流器，3、汇流器，4、止流阀，5、集液器， 6、控流器，7、信号分析器，8、回热器，9、动力泵，10、微型温差发电片，11、LED 灯，12、腔体入口端接口，13、腔体出口端接口，14、散热微通道，15、发热元件， 16、基底，17、活塞片，18、压力传感器，19、温度传感器。
具体实施方式
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，本发明提供一种自适应调节半浸没式高效液冷循环系统，该系统包括散热腔体1、分流器2汇流器3、止流阀4、集液器5、控流器6、信号分析器7、回热器8、动力泵9、微型温差发电片10、LED灯11、腔体入口端接口12、腔体出口端接口13、散热微通道14、发热元件15、基底16、活塞片17、压力传感器18、温度传感器19。散热腔体1的进油口与分流器2连通，出油口与汇流器3连通；汇流器3通过油管道依次与回热器8、止流阀4、集液器5、控流器6、分流器2连通，形成液冷半浸没式微通道冷却闭路循环；
参照图2、3所示，散热腔体1的外底面中心处开有凹槽结构，将基底16放置于凹槽内；散热腔体1内部包括散热微通道14和活塞片17，散热微通道14设置于散热腔体1内底面、并位于基底16正上方，发热元件15封装于基底16与散热微通道14之间；散热微通道14为空腔结构，其内底面设置有若干凸起的长条形翅片，顶部设置有冷却工质通道。散热微通道内部空腔分为散热腔体微通道空间域102和散热腔体流体冷却域104，冷却工质充入位于下方的散热腔体流体冷却域104，散热腔体微通道空间域102是位于冷却工质上方的空腔；
所述散热微通道14的外侧壁面与散热腔体1的内侧壁面之间形成环形腔体，环形腔体内通过活塞片17分隔为散热腔体流体储备域103和散热腔体吸热做功域105，散热腔体吸热做功域105位于活塞片17的下方，散热腔体流体储备域103位于活塞片 17的上方；环形腔体内充入油液作为冷却工质。散热微通道14的材质为金属。
图2所示散热微通道为凸起长条形翅片，等间距排列，以增加与油液之间接触面积。本实例中散热腔体1两侧分别设有腔体入口端接口12与腔体出口端接口13，冷却工质在散热腔体1内单向流动。冷却工质填充散热腔体1并浸没基底16、发热元件 15、散热微通道14以及腔体入口端接口12和出口端接口13。冷却工质并不完全充满整个散热腔体1，以减少冷却工质用量并降低半浸没式液冷循环系统重量。
图3所示散热腔体1为一个密闭型腔体，基底16作为发热源完全固定于散热腔体 1的凹槽下方，基底16与发热元件15紧密贴合，发热元件15上紧密贴合散热微通道 14，使得基底16与散热微通道14将发热元件密封。散热腔体内的空间区域分为：散热腔体微通道空间域102、散热腔体流体储备域103、散热腔体流体冷却域104、散热腔体吸热做功域105。
所述基底16处设有多个温度传感器19；散热腔体1的内顶面与侧壁相交处设置有阶梯结构，与活塞片17相对的阶梯面上设置有压力传感器18，压力传感器18的高度与散热微通道14内顶面高度平齐；压力传感器18和温度传感器19均通过外接信号分析器7与控流器6连接，如图1所示。
结合图3内所示不同区域详细说明本实例冷却工作原理：该系统可解决的发热元器件分别在高发热量与低发热量两种工况下的高效散热问题。当发热元件处于非工作状态下，发热元件无需散热，冷却工质在散热腔体流体冷却域104内处于最低液位，此时最低液位仍高于散热腔体流体储备域103的最低出口；当发热元件低负荷工作时，即处于低发热量时，基底16处设有多个温度传感器19实时监控温度，散热腔体吸热做功域105内热力工质受发热元件温度升高影响而受热膨胀并对散热腔体吸热做功域 105顶部活塞片17做功，压缩散热腔体流体储备域103，使得该储备域内冷却工质流体被排入进散热腔体流体冷却域104，该域内液位随即上升，从而增加了散热腔体流体冷却域104内的换热效应。对应导致散热腔体微通道空间域102减小。伴随散热腔体流体冷却域104内的换热效应的增强，发热元件温度受到调控，达到动态平衡，实现低发热量下散热系统的动态自适应效果。
当发热元件高负荷工作时，即发热元件处于高发热量时，基底16处设有多个温度传感器19实时监控温度，散热腔体吸热做功域105内冷却工质受发热元件温度急剧升高的影响而迅速受热膨胀并对散热腔体吸热做功域105顶部活塞片17做功，迅速压缩散热腔体流体储备域103，使得该储备域内冷却工质流体被排入进散热腔体流体冷却域104，该域内液位随即上升，当活塞片做功移动至图3所示压力传感器18处时，散热腔体流体冷却域104液位已全浸没散热微通道。如此时发热元件温度仍继续上升，则活塞片17便对压力传感器18传感器施加额外压力，或多个温度传感器19监控温度超出许可范围，任意条件满足，则该压力/温度信号被迅速传导至信号分析器7，信号分析器7控制控流器6开关从关闭状态至低速状态，调控外部冷却工质流经分流器 2 流经散热腔体1，并从出口端接口13流出，实现冷却工质自动化高效流动换热效果。若控流器6内低速状态冷却工质无法满足散热效果，散热腔体1内发热元件温度仍继续上升，则活塞片17便对压力传感器18继续施加更大压力。该压力信号被迅速传导至信号分析器7，信号分析器7控制控流器6开关从低速状态至高速状态，增加外部冷却工质流量，从而高效冷却发热元件并实现精准控温效果。
而冷却工质所吸收的热量经回热器8转移至微型温差发电片10，微型温差发电片10 一端对应于冷却工质所吸收的热量，另一端连接压力泵9，压力泵9用于提供温差发电回路内冷却工质流动动力,利用自身所具有的冷热差效应产生部分电能并收集到电容或者蓄电池中，形成一个微型发电结构，为LED灯提供电源，达到能源再次利用的目的。在对发热元件高效散热的同时充分对吸收的热能进行二次利用，实现热资源回收的环保效果。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种自适应调节半浸没式液冷散热腔体，其特征在于：所述散热腔体的外底面中心处开有凹槽结构，将基底放置于凹槽内；散热腔体内部包括散热微通道和活塞片，散热微通道设置于散热腔体内底面、并位于基底正上方，发热元件封装于基底与散热微通道之间；
所述散热微通道为空腔结构，其内底面设置有若干凸起的长条形翅片，顶部设置有冷却工质通道；散热微通道内部空腔分为散热腔体微通道空间域和散热腔体流体冷却域，冷却工质充入位于下方的散热腔体流体冷却域，散热腔体微通道空间域是位于冷却工质上方的空腔；
所述散热微通道的外侧壁面与散热腔体的内侧壁面之间形成环形腔体，环形腔体内通过活塞片分隔为散热腔体流体储备域和散热腔体吸热做功域，散热腔体吸热做功域位于活塞片的下方，散热腔体流体储备域位于活塞片的上方；环形腔体内充入冷却工质；
发热元件低负荷工作时，所述散热腔体吸热做功域内冷却工质受热膨胀，同时推动所述活塞片向上压缩散热腔体流体储备域，使得散热腔体流体储备域内的冷却工质经冷却工质通道排入散热腔体流体冷却域内，进而散热腔体流体冷却域内液位随即上升，增加了换热效应，实现发热元件的温度调控，达到动态平衡。
2.根据权利要求1所述自适应调节半浸没式液冷散热腔体，其特征在于：所述散热微通道内若干凸起的长条形翅片成等间距排列。
3.根据权利要求1所述自适应调节半浸没式液冷散热腔体，其特征在于：所述散热微通道的材质为金属。
4.根据权利要求1所述自适应调节半浸没式液冷散热腔体，其特征在于：所述冷却工质通道从散热微通道顶部延伸至散热微通道内的冷却工质液位之下，用于将所述环形腔体内的冷却工质通入到散热微通道内。
5.根据权利要求1所述自适应调节半浸没式液冷散热腔体，其特征在于：所述基底处设有多个温度传感器，实时监控发热元件的温度。
6.根据权利要求1所述自适应调节半浸没式液冷散热腔体，其特征在于：所述冷却工质为油液。
7.一种采用权利要求1所述散热腔体的自适应调节半浸没式液冷循环系统，其特征在于：包括散热腔体、分流器、汇流器、止流阀、集液器、控流器、回热器、微型温差发电片、动力泵和信号分析器，所述散热腔体的进油口与分流器连通，出油口与汇流器连通；汇流器通过油管道依次与回热器、止流阀、集液器、控流器、分流器连通，形成液冷半浸没式微通道冷却闭路循环；
所述散热腔体的基底处设有多个温度传感器；散热腔体的内顶面与侧壁相交处设置有阶梯结构，与所述活塞片相对的阶梯面上设置有压力传感器，压力传感器的高度与散热微通道内顶面高度平齐；所述压力传感器和温度传感器均通过外接信号分析器与控流器连接；
发热元件高负荷工作时，所述散热腔体吸热做功域内冷却工质受热膨胀，同时推动所述活塞片向上压缩散热腔体流体储备域，使得散热腔体流体储备域内的冷却工质经冷却工质通道排入散热腔体流体冷却域内，进而散热腔体流体冷却域内液位随即上升，直至所述活塞片被推动到与压力传感器接触时，所述散热微通道内充满冷却工质；当所述活塞片对压力传感器施加额外压力，或多个温度传感器监控温度超出许可范围时，压力传感器或温度传感器将信号传输至所述信号分析器，由信号分析器控制所述控流器的流速状态，调控外部冷却工质从所述分流器 流经散热腔体后从出油口流出，实现冷却工质自动化流动换热效果。
8.根据权利要求7所述自适应调节半浸没式液冷循环系统，其特征在于：所述散热腔体的进油口、出油口处分别设置有腔体入口端接口和腔体出口端接口。
9.根据权利要求7所述自适应调节半浸没式液冷循环系统，其特征在于：所述散热腔体两侧分别开有4个进油口与4个出油口。
10.一种权利要求7所述自适应调节半浸没式液冷循环系统的应用，其特征在于：所述回热器通过微型温差发电片与负载连接，回热器将冷却工质吸收的热量转移至微型温差发电片，微型温差发电片通过冷热差效应产生部分电能，并收集到电容或者蓄电池中，形成微型发电结构为负载供电。
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