CN117042402A - 基于回收热源驱动超音速喷射的电子元件冷却方法与系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于回收热源驱动超音速喷射的电子元件冷却方法与系统。本发明将中央处理器产生的热量与蒸汽发生器中制冷剂换热，实现中央处理器制冷；过热蒸汽在超音速微型喷射器的喷嘴中降压增速，不使用压缩机就驱动循环泵，喷嘴处产生超音速射流，从蒸发器夹带蒸汽；超音速微型喷射器的扩散室出口压缩蒸汽进入冷凝器冷凝后，一部分供给循环泵，另一部分通过节流阀供给蒸发器；节流阀中制冷剂形成湿蒸汽，湿蒸汽在蒸发器中从电子元件吸收热量。本发明冷却系统包括冷凝器、分流器、节流阀、蒸发器、超音速微型喷射器、蒸汽发生器和循环泵。本发明可用于热源不超过70℃甚至低于50℃的系统中，适用于电子器件较小的空间，冷却能力可达6W。
Description
技术领域
本发明涉及到一种超低温热源驱动的制冷系统，以及利用超音速微型喷射器冷却电子器件的新方法，本发明的微型制冷系统非常适用于电子元件冷却系统，能够很好的满足它们的散热需求。
背景技术
电子设备被广泛应用于各种技术。电力的消耗导致温室气体的增加和热量的产生，这对电子设备的效率产生负面影响。小型化电子器件在芯片级的热流密度为100W/cm2，而在散热器级的热流密度超过30W/cm2。考虑到电子设备的日益小型化，我们正面临单位面积表面热通量不断增加的问题。更大的热量产生和小型化趋势需要越来越复杂的制冷系统。目前，微通道或微通道热管被认为是满足各种类型电子器件散热需求的最佳实用解决方案之一，但是该方案的制冷系数、能耗等仍不能理想。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的步骤，提出一种基于回收热源驱动超音速喷射的电子元件冷却方法与系统。
为解决以上提出的问题，本发明的具体技术方案如下：
本发明基于回收热源驱动超音速喷射的电子元件冷却方法，具体如下：
蒸汽发生器中的液态制冷剂吸收中央处理器产生的热量实现加热，加热过程的第一阶段产生饱和蒸汽，进一步加热后，蒸汽在过热状态下离开蒸汽发生器，进入超音速微型喷射器的喷嘴，过热后的蒸汽在喷嘴中经历从蒸汽发生器压力到较低的蒸发压力的降压增速过程，从而驱动循环泵，循环泵进一步提供动力，使喷嘴喷出的蒸汽从蒸发器夹带蒸汽，两股蒸汽在混合室内混合获得混合蒸汽，混合室内发生正激波，混合蒸汽的流动由超音速转变为亚音速，然后压力增加，并在超音速微型喷射器的扩散室出口达到最大压力，等于冷凝压力；从超音速微型喷射器的扩散室流出的压缩蒸汽进入冷凝器冷凝；冷凝后的液态制冷剂被分成两部分，一部分供给循环泵，另一部分通过节流阀供给蒸发器；在节流阀中，制冷剂压力降低到蒸发压力，形成湿蒸汽；湿蒸汽在蒸发器中从电子元件吸收热量沸腾，实现电子元件冷却。
优选地，所述的制冷剂为异丁烷。
本发明基于回收热源驱动超音速喷射的电子元件冷却系统，包括冷凝器、分流器、节流阀、蒸发器、超音速微型喷射器、蒸汽发生器和循环泵。所述循环泵的出口与蒸汽发生器入口相连。蒸汽发生器出口与超音速微型喷射器的喷嘴相连，超音速微型喷射器的接受室引射口与蒸发器出口相连，超音速微型喷射器的扩散室与冷凝器入口相连。冷凝器出口与分流器入口相连，分流器的两个出口分别与循环泵入口和节流阀入口相连；节流阀出口与蒸发器入口相连。
优选地，所述的超音速微型喷射器由工作流体流通管、喷嘴、接受室、引射流体流通管、混合室和扩散室组成。所述的喷嘴设有一体成型的收敛段和发散段；收敛段的收敛角呈60°，发散段的发散角呈5°；喷嘴整体置于接受室内，喷嘴的收敛段通过工作流体流通管与蒸汽发生器出口相连；接受室的引射口通过引射流体流通管与蒸发器出口相连；接受室出口经混合室与扩散室相连。
更优选地，所述喷嘴的出口直径为0.20mm，与喉部直径比为1.17。
更优选地，所述喷嘴的发散段长度与喉部直径之比等于1。
更优选地，所述的超音速微型喷射器全长7.9mm，混合室直径0.26mm，混合室长度2.6mm，扩散室出口压力为0.289Mpa。
本发明的有益效果是：
(1)本发明将中央处理器产生的热量作为动力热源吸收，中央处理器产生的热量与蒸汽发生器中的制冷剂换热，从而实现中央处理器制冷；使用超音速微型喷射器，过热后的蒸汽在喷嘴经历从蒸汽发生器压力到较低的蒸发压力的降压增速过程，很好地完成压缩任务，不使用压缩机，就能驱动循环泵，循环泵进一步提供动力，在喷嘴处产生超音速射流，使喷嘴喷出的蒸汽从蒸发器夹带蒸汽；而超音速微型喷射器的扩散室出口的压缩蒸汽达到冷凝压力并进入冷凝器冷凝，冷凝后的液态制冷剂一部分供给循环泵，另一部分通过节流阀供给蒸发器；在节流阀中，制冷剂形成湿蒸汽，湿蒸汽在蒸发器中从电子元件吸收热量。本发明可用于热源温度不超过70℃甚至低于50℃的系统中，冷却能力可达6W。
(2)本发明采用的超音速微型喷射器，可基于等压混合理论与CFD流体力学计算，并对于多个工况进行尝试，寻找出不同的流动和几何参数的最优组合，实现喷射器夹带比高达0.25，能够很好地满足系统的夹带需求和压缩需求。
(3)本发明无需压缩机，大大节省了空间，运行和维护成本很低，整体系统尺寸能够很好地适用于电子器件较小的空间，适应目前小型化的发展。本发明设计的冷却系统制冷系数高达0.25，优于普通的强制散热、自然散热等电子元件散热方法，而且选用异丁烷作为制冷剂符合对环境保护的要求。
附图说明
图1是本发明冷却系统示意图。
图2是本发明中超音速微型喷射器的剖视图。
图3是本发明冷却系统的压焓图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步描述。
如图1所示，基于回收热源驱动超音速喷射的电子元件冷却系统，包括冷凝器9、分流器10、节流阀11、蒸发器12、超音速微型喷射器13、蒸汽发生器14和循环泵15。循环泵15的出口与蒸汽发生器14入口相连，蒸汽发生器主要吸收中央处理器(CPU)中产生的热量。蒸汽发生器14出口与超音速微型喷射器13的喷嘴相连，超音速微型喷射器13的接受室17引射口与蒸发器12出口相连，超音速微型喷射器13的扩散室与冷凝器9入口相连。冷凝器出口与分流器10入口相连，分流器10的两个出口分别与循环泵入口和节流阀11入口相连；节流阀出口与蒸发器入口相连。蒸发器主要吸收芯片组、图形处理器(GPU)产生的热量。
作为优选，如图2所示，超音速微型喷射器13由工作流体流通管16、喷嘴18、接受室17、引射流体流通管21、混合室19和扩散室20组成。喷嘴18设有一体成型的收敛段和发散段；收敛段的收敛角呈60°，发散段的发散角呈5°；喷嘴18整体置于接受室17内，喷嘴18的收敛段通过工作流体流通管16与蒸汽发生器14出口相连；接受室17的引射口通过引射流体流通管21与蒸发器出口相连；接受室17出口经混合室19与扩散室20相连。优选地，设计喷嘴出口直径与喉部(收敛段和发散段的交界处)直径比为1.17，保证一定夹带比的同时能够很好的满足压缩需求。优选地，喷嘴发散段长度与喉部直径之比等于1，区别于其他喷射器较长的发散段，节省空间的同时，满足了出口工质达到超音速流，以留足空间给扩散室，让混合流充分膨胀减速，达到亚音速，产生正激波达到压缩效果。优选地，超音速微型喷射器全长7.9mm，扩散室长度5.0mm，占总长的60％以上，具有充足的压缩空间，且设计扩散室20出口压力为0.289Mpa。
该基于回收热源驱动超音速喷射的电子元件冷却系统的压力-焓图如图3所示，该基于回收热源驱动超音速喷射的电子元件冷却系统的冷却方法，具体如下：
蒸汽发生器(第8点)中的液态制冷剂吸收中央处理器产生的热量实现加热，加热过程的第一阶段产生饱和蒸汽，进一步加热后，蒸汽在过热状态下离开蒸汽发生器，进入超音速微型喷射器13的喷嘴(点1)，中央处理器温度作为动力热源，使进入喷嘴的蒸汽达到设计温度时，过热后的蒸汽经历从蒸汽发生器压力pg到较低的蒸发压力pe(点2)的降压增速过程，从而驱动循环泵，循环泵进一步提供动力，使喷嘴喷出的蒸汽从蒸发器(点7)夹带蒸汽，两股蒸汽混合获得混合蒸汽(点3)。最初，由于从喷嘴喷出的高速蒸汽与从蒸发器吸入的低速蒸汽之间的动量传递，两股蒸汽混合时压力略有升高，在大多数情况下，可以假定在恒压下进行混合。根据气体喷射器的理论，混合室内发生正激波，流动由超音速转变为亚音速，然后压力增加；在超音速微型喷射器13的扩散室20出口，工作流体达到最大压力，等于冷凝压力pc(点4)。从超音速微型喷射器13的扩散室20流出的压缩蒸汽进入冷凝器冷凝。冷凝后的液态制冷剂(点5)被分成两部分，一部分供给循环泵，另一部分通过节流阀供给蒸发器。在节流阀中，制冷剂压力降低到蒸发压力pe，形成湿蒸汽(点6)；湿蒸汽在蒸发器中从电子元件(主要是芯片组和图形处理器)吸收热量沸腾，以此达到冷却电子元件的目的。优选地，制冷剂优选异丁烷。
Claims (7)
1.基于回收热源驱动超音速喷射的电子元件冷却方法，其特征在于：蒸汽发生器中的液态制冷剂吸收中央处理器产生的热量实现加热，加热过程的第一阶段产生饱和蒸汽，进一步加热后，蒸汽在过热状态下离开蒸汽发生器，进入超音速微型喷射器的喷嘴，过热后的蒸汽在喷嘴中经历从蒸汽发生器压力到较低的蒸发压力的降压增速过程，从而驱动循环泵，循环泵进一步提供动力，使喷嘴喷出的蒸汽从蒸发器夹带蒸汽，两股蒸汽在混合室内混合获得混合蒸汽，混合室内发生正激波，混合蒸汽的流动由超音速转变为亚音速，然后压力增加，并在超音速微型喷射器的扩散室出口达到最大压力，等于冷凝压力；从超音速微型喷射器的扩散室流出的压缩蒸汽进入冷凝器冷凝；冷凝后的液态制冷剂被分成两部分，一部分供给循环泵，另一部分通过节流阀供给蒸发器；在节流阀中，制冷剂压力降低到蒸发压力，形成湿蒸汽；湿蒸汽在蒸发器中从电子元件吸收热量沸腾，实现电子元件冷却。
2.根据权利要求1所述基于回收热源驱动超音速喷射的电子元件冷却方法，其特征在于：所述的制冷剂为异丁烷。
3.基于回收热源驱动超音速喷射的电子元件冷却系统，包括冷凝器和蒸发器，其特征在于：还包括分流器、节流阀、超音速微型喷射器、蒸汽发生器和循环泵；所述循环泵的出口与蒸汽发生器入口相连；蒸汽发生器出口与超音速微型喷射器的喷嘴相连，超音速微型喷射器的接受室引射口与蒸发器出口相连，超音速微型喷射器的扩散室与冷凝器入口相连；冷凝器出口与分流器入口相连，分流器的两个出口分别与循环泵入口和节流阀入口相连；节流阀出口与蒸发器入口相连。
4.根据权利要求3所述基于回收热源驱动超音速喷射的电子元件冷却系统，其特征在于：所述的超音速微型喷射器由工作流体流通管、喷嘴、接受室、引射流体流通管、混合室和扩散室组成；所述的喷嘴设有一体成型的收敛段和发散段；收敛段的收敛角呈60°，发散段的发散角呈5°；喷嘴整体置于接受室内，喷嘴的收敛段通过工作流体流通管与蒸汽发生器出口相连；接受室的引射口通过引射流体流通管与蒸发器出口相连；接受室出口经混合室与扩散室相连。
5.根据权利要求4所述基于回收热源驱动超音速喷射的电子元件冷却系统，其特征在于：所述喷嘴的出口直径为0.20mm，与喉部直径比为1.17。
6.根据权利要求5所述基于回收热源驱动超音速喷射的电子元件冷却系统，其特征在于：所述喷嘴的发散段长度与喉部直径之比等于1。
7.根据权利要求5或6所述基于回收热源驱动超音速喷射的电子元件冷却系统，其特征在于：所述的超音速微型喷射器全长7.9mm，混合室直径0.26mm，混合室长度2.6mm，扩散室出口压力为0.289Mpa。
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