CN114679901A - 冷却装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种冷却装置，包括箱体、发泡装置以及循环装置，箱体的内部具有冷却腔，冷却腔内盛有冷却液体以对发热物体进行冷却；发泡装置的部分结构浸没于冷却液体内，且能够生成气泡，气泡能够在冷却液体内部上升至贴合发热物体需要冷却的表面；循环装置与箱体连接，用于将汽化后的冷却液体收集冷凝后重新输送至冷却腔内。通过设置发泡装置，产生气泡群冲刷发热元件表面，使得气泡能够替代汽化核心，加速发热元件附近液体的蒸发，可以降低发热元件表面过热度，而且气泡群可以辅助汽化核心在发热元件表面的脱离，提升换热能力上限，阻止或延缓膜态沸腾发生，提高临界热流密度，进而提升设备相变换热冷却能力，满足高强度散热需求。

Description

冷却装置

技术领域

本发明涉及强化传热技术领域，尤其涉及一种冷却装置。

背景技术

在芯片冷却、通信设备散热、电池热管理、数据中心散热等领域，由于其电子器件的高频、高速以及集成电路技术的迅速发展，狭小的物理尺寸与越来越大的总功率密度的问题愈发明显，随之而来的电子器件热流密度也相继增加，高热流密度导致的高温不仅会影响电子器件的性能，严重时还会烧毁整个器件。

相关技术中，利用浸没式液体蒸发相变冷却技术对电子器件内部的发热元件进行冷却，液体蒸发相变过程中会吸收大量的潜热，冷却能力较高，对小空间内高热流密度的热量传递更有利。但是相关技术中，利用浸没式液体蒸发相变冷却技术冷却能力还有待于提高，针对高强度散热的能力略显不足。

发明内容

基于此，有必要针对上述问题，提出了一种提升冷却换热能力的冷却装置。

一种冷却装置，所述冷却装置包括：

箱体，所述箱体的内部具有可密闭的用于盛装冷却液体的冷却腔，所述发热物体能够放置于具有冷却液体的所述冷却腔内进行冷却；

发泡装置，所述发泡装置的部分结构浸没于所述冷却液体内，且能够在冷却液体内部生成气泡，气泡能够在冷却液体内部上升至贴合发热物体需要冷却的表面；以及

循环装置，与所述箱体连接，用于将汽化后的冷却液体收集冷凝后重新输送至所述冷却腔内。

在冷却装置的一些实施例中，所述发泡装置包括用于提供不可凝气体的气泵以及和所述气泵连接的气泡发生器，所述气泡发生器设置在所述冷却腔内，且位于发热物体冷却时所处位置的下方，以使得所述气泵产生的气体经由所述气泡发生器排出后，能够上升冲击在发热物体上。

在冷却装置的一些实施例中，所述气泡发生器包括烧结的金属或陶瓷基气泡石，或者是具有若干孔的喷头，且所述气泡发生器能够每立方毫米产生五个气泡以上。

在冷却装置的一些实施例中，所述冷却装置还包括检测反馈装置，所述检测反馈装置包括用于检测发热物体表面温度的温度检测器以及与所述温度检测器信号连接的反馈控制器，所述反馈控制器与所述发泡装置信号连接，能够根据所述温度检测器检测到的温度控制所述发泡装置的发泡数量。

在冷却装置的一些实施例中，所述循环装置包括一端通入所述冷却腔的蒸汽出口、气液分离器以及一端通入所述冷却腔的回流入口，所述蒸汽出口以及所述回流入口均通过管路与所述气液分离器连通，所述回流入口位于所述冷却腔内的冷却液体液面上或者液面下，且所述气液分离器和所述回流入口之间设置有第一单向阀。

在冷却装置的一些实施例中，所述蒸汽出口用于和所述气液分离器连通的管路上还设置有内通有冷却水的冷凝件，用于对汽化后的冷却液体进行冷却液化。

在冷却装置的一些实施例中，所述气液分离器上还设置有用于调节其内部压力的调压装置。

在冷却装置的一些实施例中，所述调压装置包括与所述气液分离器连接的第二单向阀以及与所述第二单向阀连接的调压器。

在冷却装置的一些实施例中，所述冷却液体根据发热物体的工作温度选用水、有机溶剂或者混合液体。

在冷却装置的一些实施例中，所述箱体的侧壁上设置有用于观察到所述箱体内部情况的观察板，所述观察板采用透明的石英、亚克力或者PC材料制成。

采用本发明实施例，具有如下有益效果：

由上可知，通过设置能够在冷却液体内产生气泡群的发泡装置，利用气泡群冲刷发热元件表面，使得气泡能够替代汽化核心，加速发热元件附近液体的蒸发，可以降低发热元件表面过热度，使得在低热流密度工况下，发热元件可以呈现表面过热度小于零的拟沸腾现象，在高热流密度工况下，气泡群可以辅助汽化核心在发热元件表面的脱离，提升换热能力上限，阻止或延缓膜态沸腾发生，提高临界热流密度，进而提升设备相变换热冷却能力，满足高强度散热需求。而且本发明实施例提供的的冷却装置的结构简单，体积更加紧凑，减少工作液体的填充，降低了成本。

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，下面将对实施例或现有技术描述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。

其中：

图1示出了根据本发明实施例提供的一种冷却装置的结构示意图；

图2示出了根据本发明实施例提供的一种冷却装置的箱体的结构示意图。

主要元件符号说明：

1、箱体；11、冷却腔；12、观察板；2、发泡装置；21、气泵；22、气泡发生器；3、循环装置；31、蒸汽出口；32、气液分离器；33、回流入口；34、冷凝件；4、检测反馈装置；41、温度检测器；42、反馈控制器；5、调压装置；51、第二单向阀；52、调压器；53、第一单向阀。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以容许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本发明实施例提供一种冷却装置，用于冷却发热物体，尤其是能够用于电子器件的发热元件的冷却，在一种实施例中，请参照图1，冷却装置包括箱体1、发泡装置2以及循环装置3，其中，箱体1的内部具有可密闭的用于盛装冷却液体的冷却腔11，图中虚线所示即为冷却液体的液面。冷却腔11需要设置的足够密闭，以防漏液和漏压，发热元件能够放置于具有冷却液体的冷却腔11内利用冷却液体的蒸发吸热进行冷却。需要说明的是，冷却液体可以选用水、有机溶剂或者混合液体，实际应用中可以根据发热元件的工作温度选择具有合适沸点以及不可燃的液体，比如FC-72氟化液等。

值得一提的是，制造箱体1的材料可以根据具体应用对象进行选择，一般选用金属材料或者多聚物板制造箱体1。请结合图2，为了可以清楚地观察到箱体1内部的情况，还可以在箱体1的侧壁上合适的位置设置用于观察到箱体1内部情况的观察板12，观察板12嵌设在箱体1的侧壁上，或者粘接在箱体1的侧壁上，观察板12可以采用透明的石英、亚克力或者PC材料等制成。

发泡装置2具有发泡部，发泡部能够放置于具有冷却液体的冷却腔11内，且发泡部能够在冷却液体内部生成用于冲击发热元件的待冷却面(下文简称“冷却面”)的气泡。这就要求发泡部在冷却腔11中的位置处于发热元件的下方，这样发泡部生成的气泡能够在冷却液体中上升的过程中贴合在冷却面上。值得一提的是，发热元件冷却时需要浸没在冷却液体中，且为了发泡部生成的气泡在贴合至冷却面时能够方便脱离冷却面以带走冷却面的温度，本发明实施例中，需要将发热元件的冷却面(气泡贴合的一面)与气泡上升的方向垂直的平面之间倾斜一定的角度，该角度不低于15°。一般情况下，箱体1放置于水平面上，气泡在冷却液体中上升的方向垂直于水平面，因此也可以说，需要将冷却面与水平面之间倾斜不低于15°的角度。将冷却面倾斜一定角度便于冷却面上的气泡沿冷却面滚动脱离，进而使得散热能够正常进行。

循环装置3设置在箱体1上，循环装置3的作用是回收利用冷却液体，能够将汽化后的冷却液体收集冷凝后重新输送至冷却腔11内。

本发明实施例提供的冷却装置能够应用于多种领域的器件的冷却，如芯片冷却、通信设备散热、电池热管理、数据中心散热等领域，本发明实施例中以对电子设备的发热元件的冷却为例进行说明。相关技术中利用浸没式液体蒸发相变冷却技术对发热元件进行冷却处理，即是将发热元件浸没在冷却液体中，通过冷却液体的蒸发吸热将发热元件上的热量带走。由于蒸发相变过程中会吸收大量的潜热，远比传统技术中液冷板或浸没式单相液冷的冷却能力要高，对小空间内高热流密度的热量传递更有利。同时，发热元件直接与冷却液体接触，降低了间接冷却系统中因添加导热材料(如导热膏、导热片)而带来的热阻。在蒸发相变系统中，冷却液体通过发生池沸腾实现冷却换热，避免了浸没式单相液冷系统中冷却液体为循环流动而需利用泵等装置产生的额外功，从而降低系统能耗。

蒸发相变系统中影响冷却液体蒸发效率的主要影响因素在于：(1)发热元件表面过热度(即表面温度高于冷却液体沸点的值)：发热元件表面需要达到一定的过热度才能在表面激发形成汽化核心，此处的汽化核心指的是发热元件附近的冷却液体因发热元件上的热量加热而产生的气泡，理想的发热元件表面过热度越低越好，这样可以保护发热元件产生过高温度；(2)汽化核心脱离频率和脱离气泡平均粒径：发热元件表面从开始生成汽化核心和汽化核心脱离发热元件的表面是利用冷却液体的沸腾进行冷却(简称“沸腾相变冷却”)的主要方式，汽化核心脱离频率越高，脱离气泡平均粒径越小，形成的有效汽化核心量和相界面密度(即汽化核心与发热元件表面的接触面积)越高，蒸发相变的换热效率越高，从发热元件带走的热量越多，冷却效果越好；(3)临界热流密度：发热元件表面温度过高，超过临界热流密度，沸腾模式会发生转化，在发热元件表面形成连续气膜而导致膜态沸腾，妨碍发热元件表面与液体之间的热交换，导致发热元件温度急剧增加，临界热流密度越高越有利于沸腾相变冷却。如何快速地在发热元件表面低过热度下产生汽化核心触发沸腾、提高汽化核心脱离频率和降低脱离气泡平均粒径，以增加有效汽化核心和相界面密度、提高临界热流密度和阻止膜态沸腾发生是开发新一代沸腾相变冷却技术关键。已有的促进汽化核心产生、增加相界面密度和阻止膜态沸腾的方法为电解法、表面改性等等，其不足之处在于增强效果和持续性差、结构复杂、造价昂贵，因此难以大规模商用。

本发明实施例提供的冷却装置在传统相变液冷的基础上，通过设置能够产生气泡群的发泡装置2，利用气泡群冲刷发热元件表面，气泡群能够代替汽化核心，进而大幅增加了冷却面的有效汽化核心和相界面工作密度，使得冷却液体汽化速率大大加快，换热效率增加。具体地，当发热元件以小功率运行且表面温度低于冷却液体的沸点时，发泡装置2产生的气泡群撞击发热元件的待冷却表面后，替代冷却液体沸腾时产生的汽化核心，使得发热元件表面附近工作液体呈现拟沸腾状态。气泡在贴合发热元件表面后，其附近的液体汽化吸收发热元件上的大量热量，汽化后产生的蒸汽储存于气泡中，加速发热元件附近的冷却液体的蒸发，提升相变换热冷却能力，气泡能够沿着发热元件的表面脱离发热元件，带走发热元件的热量，降低起始沸腾所需表面过热度。

当发热元件以大功率运行且表面温度高于冷却液体的沸点时，冷却液体在由于发热元件的高温而在发热元件的表面生成汽化核心，发泡装置2产生的气泡群冲刷发热元件表面，与冷却液体在发热元件表面因温度高于沸点而生成的汽化核心进行合并后脱离冷却表面，进而能够辅助汽化核心脱离发热元件的表面，提高汽化核心的脱离频率。因为气泡群的辅助，还使得汽化核心脱离发热元件的时间提前，因此减小了脱离时的平均粒径，增加有效汽化核心和相界面密度，从而阻止或延缓膜态沸腾发生，提高临界热流密度，加速发热元件附近液体蒸发，汽化潜热吸收大量热量降低发热元件表面温度，满足高强度散热需求。

由上可知，通过设置能够在冷却液体内产生气泡群的发泡装置2，利用气泡群冲刷发热元件表面，使得气泡能够替代汽化核心，加速发热元件附近液体的蒸发，可以降低发热元件表面过热度，使得在低热流密度工况下，发热元件可以呈现表面过热度小于零的拟沸腾现象，在高热流密度工况下，气泡群可以辅助汽化核心在发热元件表面的脱离，提升换热能力上限，阻止或延缓膜态沸腾发生，提高临界热流密度，进而提升设备相变换热冷却能力，满足高强度散热需求。而且本发明实施例提供的的冷却装置的结构简单，体积更加紧凑，减少工作液体的填充，降低了成本。

在一种具体的实施例中，请参照图1，发泡装置2包括气泵21以及和气泵21连接的气泡发生器22，气泵21通过输气管与气泡发生器22连接，以给气泡发生器22提供气体，气泡发生器22即为发泡装置2的发泡部，其能够将气体排出。气泵21提供的气体为不凝性气体，比如说气泵21可以提供空气、氮气或者氩气等不可凝气体，气体的流量可以通过气泵21内部的气阀控制，或者是通过在输气管上加流量调节阀进行控制。气泡发生器22设置在冷却腔11内，且位于发热物体冷却时所处位置的下方，可以位于正下方，也可以成一定角度，只要生成的气泡能够到达发热物体表面即可，以使得气泵21产生的气体经由气泡发生器22排出后，能够上升冲击在发热物体上。

需要说明的是，气泡发生器22为烧结的金属或陶瓷基气泡石，或者是具有若干孔的喷头，不管是气泡石还是喷头，其用于排出空气的孔均为微孔结构，这些微孔结构的孔径为1-50μm。通过控制气泵21的出气流量，可以控制气泡的孔径，使其接触发热元件的冷却面时粒径为0.1-200μm，且能够控制气泡的密度为每立方毫米产生五个气泡以上。通过设置微孔的孔径，可以在冷却液体内产生大量的微气泡群，以提高汽化核心的脱离频率并降低脱离气泡的平均粒径，增加有效相界面密度，提高临界热流密度，从而阻止或延缓膜态沸腾发生。

在一种实施例中，请参照图1，冷却装置还包括检测反馈装置4，检测反馈装置4包括用于检测发热物体表面温度的温度检测器41以及与温度检测器41信号连接的反馈控制器42，温度检测器41的探测端能够伸入至冷却腔11中连接至发热元件，以对发热元件表面的温度进行检测。反馈控制器42还与发泡装置2信号连接，具体可以与气泵21进行连接，能够根据温度检测器41检测到的温度范围，对气泵21的功率或气体的流量进行调节，实现气泡数量与发热元件表面温度的最优匹配，而且还可以减少不必要的消耗。

在一种实施例中，请参照图1，循环装置3包括一端通入冷却腔11的蒸汽出口31、气液分离器32以及一端通入冷却腔11的回流入口33，蒸汽出口31以及回流入口33均通过管路与气液分离器32连通。在冷却腔11内受热汽化的冷却液体能够从蒸汽出口31输出，沿管路进入气液分离器32中，汽化的冷却液体在输送过程中能够重新液化储存在气液分离器32中，再通过回流入口33重新进入冷却腔11内，进而实现冷却液体的循环利用，降低成本。值得一提的是，回流入口33可以位于冷却腔11内的冷却液体液面上，也可以位于冷却液体液面下，且气液分离器32和回流入口33之间设置有第一单向阀53，第一单向阀53可以防止冷却腔11内的液态的冷却液体或者汽化的冷却液体从回流入口33流动至气液分离器32中。

需要说明的是，蒸汽出口31用于和气液分离器32连通的管路外壁上沿着管路的路径还设置有内通有冷却水的冷凝件34。汽化的冷却液体在管路中流通时，通过冷凝件34中冷却水能够更加充分液化。

值得一提的是，气液分离器32上还设置有用于调节其内部压力的调压装置5，调压装置5包括与气液分离器32连接的第二单向阀51以及与第二单向阀51连接的调压器52，第二单向阀51可以防止气液分离器32中的气压外泄，调压器52用于调节气液分离器32中的压力。冷却腔11中的压力也可以通过第二单向阀51和调压器52控制，一般情况下可以将冷却腔11内的压力设置为略高于外界环境压力，或根据工作需要灵活调节。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种冷却装置，用于冷却发热物体，其特征在于，包括：

箱体，所述箱体的内部具有可密闭的用于盛装冷却液体的冷却腔，所述发热物体能够放置于具有冷却液体的所述冷却腔内进行冷却；

发泡装置，所述发泡装置的部分结构浸没于所述冷却液体内，且能够在冷却液体内部生成气泡，气泡能够在冷却液体内部上升至贴合发热物体需要冷却的表面；以及

循环装置，与所述箱体连接，用于将汽化后的冷却液体收集冷凝后重新输送至所述冷却腔内。

2.根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述发泡装置包括用于提供不可凝气体的气泵以及和所述气泵连接的气泡发生器，所述气泡发生器设置在所述冷却腔内，且位于发热物体冷却时所处位置的下方，以使得所述气泵产生的气体经由所述气泡发生器排出后，能够上升冲击在发热物体上。

3.根据权利要求2所述的冷却装置，其特征在于，所述气泡发生器包括烧结的金属或陶瓷基气泡石，或者是具有若干孔的喷头，且所述气泡发生器能够每立方毫米产生五个气泡以上。

4.根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述冷却装置还包括检测反馈装置，所述检测反馈装置包括用于检测发热物体表面温度的温度检测器以及与所述温度检测器信号连接的反馈控制器，所述反馈控制器与所述发泡装置信号连接，能够根据所述温度检测器检测到的温度控制所述发泡装置的发泡数量。

5.根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述循环装置包括一端通入所述冷却腔的蒸汽出口、气液分离器以及一端通入所述冷却腔的回流入口，所述蒸汽出口以及所述回流入口均通过管路与所述气液分离器连通，所述回流入口位于所述冷却腔内的冷却液体液面上或者液面下，且所述气液分离器和所述回流入口之间设置有第一单向阀。

6.根据权利要求5所述的冷却装置，其特征在于，所述蒸汽出口用于和所述气液分离器连通的管路上还设置有内通有冷却水的冷凝件，用于对汽化后的冷却液体进行冷却液化。

7.根据权利要求5所述的冷却装置，其特征在于，所述气液分离器上还设置有用于调节其内部压力的调压装置。

8.根据权利要求7所述的冷却装置，其特征在于，所述调压装置包括与所述气液分离器连接的第二单向阀以及与所述第二单向阀连接的调压器。

9.根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述冷却液体根据发热物体的工作温度选用水、有机溶剂或者混合液体。

10.根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述箱体的侧壁上设置有用于观察到所述箱体内部情况的观察板，所述观察板采用透明的石英、亚克力或者PC材料制成。

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