CN114599196A - 一种封闭式自循环传热装置及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种封闭式自循环传热装置及其应用，所述传热装置的工作流体选自HFO‑1234ze(Z)、HFO‑1336mzz(Z)、HFO‑1336mzz(E)、HFO‑1224yd(Z)、HFO‑1233zd(E)或HFO‑1233zd(Z)中的一种或至少两种的混合物。本发明的封闭式自循环传热装置可用于电子元器件的冷却，尤其适用于电子设备、计算机、服务器、数据中心或通信基站的冷却，在‑40～60℃环境温度下，所述传热装置可维持发热的电子元器件的温度低于90℃。
Description
技术领域
本发明涉及一种散热装置，特别涉及一种采用选自HFO-1234ze(Z)、HFO-1336mzz(Z)、HFO-1336mzz(E)、HFO-1224yd(Z)、HFO-1233zd(E)或HFO-1233zd(Z)中的一种或至少两种的混合物作为工作流体的封闭式自循环传热装置。
背景技术
近年来，随着互联网产业的快速发展，户外基站和数据中心的数量急剧增长。目前我国正在大规模建设以宏基站为主的5G基站，主要包括铁塔、BBU(基带处理单元)、AAU(有源天线单元)、光纤、基站柜机、电源、蓄电池、空调、监控设备等。越加密集的基站意味着更高的能耗，5G基站功耗是4G基站的2.5～4倍，主要由AAU和BBU执行信号转换、处理和传输过程中产生，基站功耗的上升带来发热量增加，如果不能及时将热量传导到环境并予以散热，会导致基站内部工作温度升高。一旦超过额定温度，将严重影响通讯的稳定性，加速元器件老化，更甚者造成设备故障和瘫痪，甚至因局部高热引起火灾等安全事故。
一般地，采用房间空调器对整体机房进行传热散热降温的方式，由于其能耗高、噪音大、换热效率低，已经无法满足较原先增大数倍功耗的5G设备的散热降温需求，已被逐渐淘汰。
近年来出现的热管传热散热方式，正在逐步应用于通讯基站、数据中心等电子设备的散热，但目前热管散热设备的工质为R245fa，其全球变暖潜能值(GWP)为1050，即将面临削减。
因此，急需开发一种采用低GWP值环保型工作流体，且能满足基站、数据中心等高发热量的电子设备的散热需求的传热装置。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种换热效率高、散热均温性好的封闭式自循环传热装置。
本发明涉及工作流体的物理性质如下：
1)HFO-1234ze(Z)，分子式为CHF＝CHCF3，分子量为114.04，标准沸点为9.728℃，临界温度为150.12℃，临界压力为3.5036MPa；
2)HFO-1336mzz(Z)，分子式CF3CH＝CHCF3，分子量为164.06，标准沸点为33.453℃，临界温度为171.35℃，临界压力为2.903MPa；
3)HFO-1336mzz(E)，分子式CF3CH＝CHCF3，分子量为164.06，标准沸点为7.43℃，临界温度为130.22℃，临界压力为2.7664MPa；
4)HFO-1224yd(Z)，分子式CF3CF＝CHCl，分子量为148.49，标准沸点为14.617℃，临界温度为155.54℃，临界压力为3.337MPa；
5)HFO-1233zd(E)，分子式CF3CH＝CHCl，分子量为130.5，标准沸点为18.263℃，临界温度为166.45℃，临界压力为3.6237MPa；
6)HFO-1233zd(Z)，分子式CF3CH＝CHCl，分子量为130.5，标准沸点为39℃，临界温度为NA，临界压力为NA。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种封闭式自循环传热装置，所述传热装置的工作流体选自HFO-1234ze(Z)、HFO-1336mzz(Z)、HFO-1336mzz(E)、HFO-1224yd(Z)、HFO-1233zd(E)或HFO-1233zd(Z)中的一种或至少两种的混合物。
所述工作流体可以是单工质。优选地，所述工作流体为HFO-1234ze(Z)、HFO-1336mzz(E)或HFO-1233zd(E)。更为优选地，所述工作流体为HFO-1234ze(Z)或HFO-1336mzz(E)。最为优选地，所述工作流体为HFO-1234ze(Z)。
所述工作流体可以是混合工质。优选地，所述混合工质包括HFO-1234ze(Z)、HFO-1233zd(E)或HFO-1336mzz(E)中的至少一种。
本发明传热装置的工作流体环境性能良好，臭氧层消耗潜能值ODP和全球变暖潜能值GWP极低，优选地，GWP值≤2；更为优选地，所述工作流体的ODP为0，GWP值为1。所述ODP值以CFC-11作为基准值1.0，GWP值以CO2作为基准值1.0(100年)。
本发明传热装置的工作流体稳定性好、安全性高，燃烧等级为1类或2L类。
本发明传热装置的工作流体导热性能好，蒸发潜热大。在0～110℃的温度范围内，所述工作流体的单位容积蒸发焓大于310KJ/m3，气相导热系数大于7.2W/(m·K)，液相导热系数大于40W/(m·K)。
本发明传热装置内设有流体通道，用于所述工作流体的流通。所述流体通道呈线型、V型、蜂窝状或线型蜂窝结合状排布。
本发明传热装置的工作原理如下：传热装置吸收热源的热量，装置内的工作流体受热汽化，在所述流体通道内从高温端向低温端流动，并在低温端与外界环境换热冷凝，工作流体冷凝后依靠重力和/或高低温端压力差回到高温端完成一次循环。返回高温端的工作流体继续吸收热源的热量，受热汽化后再次循环，如此反复，最终达到降低热源区域温度的目的。
本发明传热装置在-40～60℃环境温度下工作时，可维持热源区域温度低于90℃。当所述热源持续发热时，所述传热装置持续工作；当所述热源停止发热或热源温度未达到一定工作流体的汽化温度时，所述传热装置停止工作。
本发明传热装置的散热均温性能好，传热装置不同位置的温差＜3℃。所述散热均温性能可通过以下方式测试获得：设置热源温度为90～150℃，所述传热装置靠近所述热源，测量传热装置上不同位置的温度，最高温度与最低温度的温差＜3℃。
本发明传热装置的使用寿命长，抗老化性能好。所述抗老化性能可通过以下方式测试获得：将传热装置置于90～120℃的高温环境下，经80～120小时后冷却至室温，再进行散热均温性测试，测试结果显示传热装置不同位置的温差仍然＜3℃。
本发明还提出上述任一所述封闭式自循环传热装置的应用。具体地，所述传热装置用于冷却发热的电子元器件，所述电子元器件为电子设备、计算机、服务器、数据中心或通信基站。
本发明的传热装置通过直接接触或间接接触所述电子元器件的方式，来达到冷却所述发热的电子元器件的目的。所述直接接触方式可采用将所述传热装置整个贴附于电子元器件表面，或将所述传热装置的部分与所述电子元器件直接接触，其余部分与电子元器件不发生直接接触。所述间接接触方式可采用将所述传热装置置于发热的电子元器件附近，用于吸收热量。
在-40～60℃环境温度下，本发明的传热装置可维持发热的电子元器件的温度低于90℃。
本发明的传热装置尤其适于用作户外基站的散热设备，尤其是5G户外基站。为了提高散热效率，可采用多个传热装置共同进行散热，以满足散热需求。
在一种具体的实施方式中，采用多个传热装置对户外基站进行并行散热，每个传热装置的部分与户外基站的电子元器件进行直接接触，如将传热装置的部分插入电子元器件之间，其余部分裸露在电子元器件之外。
本发明还提供一种冷却方法，所述冷却方法为：采用上述任一所述的封闭式自循环传热装置与发热的电子元器件进行直接接触或间接接触。经过所述传热装置的散热，在-40～60℃环境温度下，可维持发热的电子元器件的温度低于90℃。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优势：
1.本发明的工作流体环境性能优异，可燃性弱，热稳定性好，饱和蒸气压适中(100℃下饱和蒸汽压小于1.5Mpa)，充注于封闭式自循环传热装置中，传热装置不会发生形变，安全性高。
2.本发明的工作流体导热性能好，蒸发潜热大，用于封闭式自循环传热装置，提高了传热装置的传热效率和传热效果。
3.本发明的传热装置散热均温性能好，在-40～60℃环境温度下，可维持发热的电子元器件的温度低于90℃。
4.本发明的传热装置抗老化性能好，使用寿命长。
附图说明
图1为封闭式自循环传热装置的工作流体在0～110℃温度范围内的单位容积蒸发焓；
图2为封闭式自循环传热装置的工作流体在0～110℃温度范围内的液相导热系数；
图3为封闭式自循环传热装置的工作流体在0～110℃温度范围内的气相导热系数。
具体实施方式
下面结合具体实施例来对本发明进行进一步说明，但并不将本发明局限于这些具体实施方式。本领域技术人员应该认识到，本发明涵盖了权利要求书范围内所可能包括的所有备选方案、改进方案和等效方案。
本发明的实施例涉及用于封闭式自循环传热装置的工作流体，所述传热装置用于冷却如电子设备、计算机、服务器、数据中心或通信基站等电子元器件，特别适合用于室外通信基站，尤其是5G户外基站的冷却。
一、工作流体的性质
本发明涉及的工作流体，其基础物性如下表1所示：
表1工作流体基础物性
本发明工作流体的ODP接近于0，且GWP≤2，环境性能明显优于现有技术中用于热管的HFC-245fa工质。采用国家标准GB/T 12474-2008对各工作流体进行可燃性测试，测试结果显示工作流体的燃烧等级均为2L或1类，安全性高。
在25℃下，除HFO-1336mzz(Z)和HFO-1233zd(Z)外，其他工作流体的饱和蒸汽压均大于大气压，故，在将工作流体充注入传热装置时，不容易混入不凝性气体，有利于封闭式自循环传热装置的充注及工作流体流动循环的建立。
除了工作流体的基础物性，将所述工作流体充注于封闭式自循环传热装置中时，更多地需要考虑其给传热装置带来的传热效率和传热效果，以满足电子元器件的散热需求。传热装置的传热效率和传热效果，不仅需要考虑合适的饱和蒸气压，更重要的是，需要综合考虑工作流体的单位容积蒸发焓、液相导热系数和气相导热系数等多方面因素。
图1给出了封闭式自循环传热装置的工作流体在0～110℃温度范围内的单位容积蒸发焓，由图1所示，在0～110℃范围内，各工作流体的单位容积蒸发焓从大到小依次为：HFO-1336mzz(E)、HFO-1234ze(Z)、HFO-1224yd(Z)、HFO-1233zd(E)、HFO-1233zd(Z)和HFO-1336mzz(Z)。与现有工质HFC-245fa相比，HFO-1336mzz(E)、HFO-1234ze(Z)和HFO-1224yd(Z)具有更大的单位容积蒸发焓，其他工质的单位容积蒸发焓略低。
图2给出了封闭式自循环传热装置的工作流体在0～110℃温度范围内的液相导热系数，图3为封闭式自循环传热装置的工作流体在0～110℃温度范围内的气相导热系数，由图2、图3所示，在0～110℃范围内，HFO-1234ze(Z)的液相导热系数和气相导热系数与HFC-245fa的接近，优于其他工作流体。
综合考虑蒸发焓及导热系数，HFO-1234ze(Z)或含HFO-1234ze(Z)的混合工质换热效果最佳，为封闭式自循环传热装置的优选工作流体。
实施例1
本实施考察封闭式自循环传热装置充注所述工作流体后的变形情况。
在0～110℃温度范围内，将工作流体充注于封闭式自循环传热装置中，传热装置的变形情况如下表2所示：
表2传热装置变形情况
由表2可知，温度不高于110℃时，封闭式自循环传热装置充注各工作流体后均未发生形变，保证各工况下传热装置的稳定运行。各工作流体中，HFO-1234ze(Z)的充注量最小，可以降低使用成本。
实施例2
本实施考察封闭式自循环传热装置的散热均温性能与抗老化性能。
均温性能测试方法如下：设置热源温度为110℃，将充注各工作流体的封闭式自循环传热装置靠近所述热源，测量传热装置不同位置点的温度(测试多个不同位置，包括靠近热源的高温点和远离热源的低温点)。
抗老化性能测试方法如下：将充注各工作流体的封闭式自循环传热装置置于100℃的高温环境下老化100小时，冷却至室温后，按前述方法再次进行均温性能测试。
均温性能测试结果与抗老化性能测试结果如下表3所示：
表3传热装置均温性能与抗老化性能测试结果
由上表3可知，充注各工作流体的封闭式自循环传热装置的散热均温性和抗老化性能均良好，传热装置在老化前后不同位置的最大温差均小于3℃，表明各传热流体均符合封闭式自循环传热装置的工质要求。其中，充注HFO-1234ze(Z)的封闭式自循环传热装置的不同位置的温差最小，且老化100小时前后温差变化也最小，表明其使用效果最佳。
Claims (15)
1.一种封闭式自循环传热装置，其特征在于：所述传热装置的工作流体选自HFO-1234ze(Z)、HFO-1336mzz(Z)、HFO-1336mzz(E)、HFO-1224yd(Z)、HFO-1233zd(E)或HFO-1233zd(Z)中的一种或至少两种的混合物。
2.根据权利要求1所述的封闭式自循环传热装置，其特征在于：所述工作流体为混合物时，HFO-1234ze(Z)、HFO-1233zd(E)或HFO-1336mzz(E)为其中一种组分。
3.根据权利要求1所述的封闭式自循环传热装置，其特征在于：所述工作流体为HFO-1234ze(Z)或HFO-1336mzz(E)。
4.根据权利要求1所述的封闭式自循环传热装置，其特征在于：在0～110℃的温度范围内，所述工作流体的单位容积蒸发焓大于310KJ/m3，气相导热系数大于7.2W/(m·K)，液相导热系数大于40W/(m·K)。
5.根据权利要求1-4任一所述的封闭式自循环传热装置，其特征在于：所述工作流体的GWP值≤2。
6.根据权利要求1-4任一所述的封闭式自循环传热装置，其特征在于：所述工作流体的燃烧等级为1类或2L类。
7.根据权利要求1所述的封闭式自循环传热装置，其特征在于：所述传热装置内设有流体通道，用于所述工作流体的流动。
8.根据权利要求7所述的封闭式自循环传热装置，其特征在于：所述流体通道呈线型、V型、蜂窝状或线型蜂窝结合状排布。
9.根据权利要求7或8所述的封闭式自循环传热装置，其特征在于：所述传热装置吸收热源的热量，装置内的工作流体受热汽化，在所述流体通道内从高温端向低温端流动，并在低温端与外界环境换热冷凝，工作流体冷凝后依靠重力和/或高低温端压力差回到高温端完成一次循环。
10.权利要求1-9任一所述的封闭式自循环传热装置的应用，其特征在于：所述传热装置用于冷却发热的电子元器件。
11.根据权利要求10所述的封闭式自循环传热装置的应用，其特征在于：所述电子元器件为电子设备、计算机、服务器、数据中心或通信基站。
12.根据权利要求10所述的封闭式自循环传热装置的应用，其特征在于：所述传热装置直接接触或间接接触所述电子元器件。
13.根据权利要求12所述的封闭式自循环传热装置的应用，其特征在于：部分传热装置直接接触所述电子元器件。
14.根据权利要求10-13任一所述的封闭式自循环传热装置的应用，其特征在于：在-40～60℃环境温度下，所述传热装置维持发热的电子元器件的温度低于90℃。
15.一种冷却方法，其特征在于：采用权利要求1-9任一所述的封闭式自循环传热装置与发热的电子元器件进行直接接触或间接接触。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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