CN1331793A - 温度控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明解决了控制发热物体(15)温度的问题,使得当周围环境(18)的温度在一定范围内变化时,物体(15)的温度不超过预定的最大值或低于预定的最小值。装置(1)包括将热量散到周围环境(18)的热交换器(17)和含有介质(11)的容器(2)。容器(2)与物体(15)以及热交换器(17)热连接。当周围环境(18)的温度超过第一值时介质(11)有低的粘度,由物体(15)产生的热量通过介质(11)中的自然对流,在容器(2)中以有效的方式从物体(15)传给热交换器(17)。这样选择介质(11)使得当周围环境(18)的温度降到低于第二值时基本阻止自然对流。从而使物体(15)产生的热量主要通过介质(11)中的热传导,在容器(2)中以效率较差的方式从物体(15)传给热交换器(17)。

Description

温度控制装置
本发明涉及温度控制装置领域；特别是涉及这个领域的这些区域，即关于当周围环境温度在预先确定的范围内变化时发热体的温度控制。
在电子线路中常产生不可忽视的发热。如果不以适当的方式处理发热，线路就有过热的危险。为了控制电子线路的温度，因此常常安装不同形式的冷却系统与线路相连。
某些这样的冷却系统在这个意义上是有源的，即必须供给额外的能量来进行冷却。例如风扇是有源冷却系统的一个例子，还有和冰箱，冰柜的使用相同的物理原理的冷却系统也是有源的。当然有源冷却系统的缺点是它们需要能量供给以便工作。如果由于某种原因中断了电量供应，线路就会有过热的危险。有源冷却系统常常比较复杂，因而需要大量的维修保养。有源冷却系统的这些特点造成它们不适用于室外工作设备中的线路，如移动电话系统中的无线电基地站。
其他这样的冷却系统是无源的，不需要供给额外的功率使其工作。常构造无源的冷却系统使其能以有效的方式将线路中产生的热量传导给周围的空气。因此常使用不同的物理方法来做到这一点，如自然对流，热辐射和蒸发。为了获得与周围空气有效的热连接，无源冷却系统常包括带有散热片，如冷却突缘形式的热交换器。
在美国专利5,529,115中给出无源冷却系统的一个例子。在这个专利说明书中，说明了冷却电子线路的装置。有一个部分充填液体的室，电子线路中产生的热量使该液体汽化。汽化的液体又在该室的顶部冷凝，冷凝液滴落回到液体中。装设特别的机构用于引导冷凝液以合适的方式返回，从而避免滞流。
美国专利US5390077号给出无源冷却系统的另一个例子。在这个专利说明书中，表示了冷却电子线路的装置。该装置包括有上部(冷板)和下部的容器。容器中充满了液体。上部与带有许多冷却突缘的热交换器热连接。电子线路安装在下部上并完全浸没在液体中，以便使传热效果最大。容器的尺寸是这样，得到的Raleigh数至少为1700，由于在容器中建立起良好的自然对流，从而获得上部和下部之间有效的传热。
大量的现代电子仪器拟定的工作条件不能低于0℃。但是即使当周围空气的温度降到-35℃，在室外设备中的电子仪器仍然必须工作。在这种情况下无源冷却系统的缺点是，这些冷却系统很好地冷却电子线路，即使在低的空气温度下，从而使电子线路中的温度有变得低于0℃的危险。避免这个缺点的一种方法是安装加热器，它在低的空气温度下加热电子仪器，从而使电子仪器中的温度不会低于0℃。但是这种解决办法有几个缺点，如成本高(加热器，控制设备，机械设备，导线等等)，需要空间(加热器和相关的设备)和高的电能消耗(加热器常比设备本身通常消耗更多的电能并不罕见)。
本发明解决了这个问题，获得控制发热体如电子仪器的温度的装置，从而使该物体的温度在周围环境的温度在预定的范围内变化时不会超过预定的最大值或低于预定的最小值。
简单地说，按照下面的叙述解决了上述的问题。按照本发明的装置包括安装的热交换器用于向周围环境放热。该装置还包括设置装有温度依赖特性介质的容器。该容器和物体以及热交换器有热连接。当周围环境的温度超过第一值时，介质有低的粘度，通过介质中的自然对流以比较有效的方式在容器中将物体产生的热量从该物体传给热交换器。由于通过自然对流传热比较有效，使物体的温度保持较低，从而不会超过最大值。选择具有这样的温度依赖特性的介质，当周围环境的温度降到低于第二值时，阻止介质中主要的自然对流。从而在容器中由物体产生的热量主要通过介质中的热传导从物体传热给热交换器。但是，通过热传导的传热效率大大低于通过自然对流，由于这个原因物体的温度将不会降到低于最小值。这样，容器的可传热性相当大地依赖于周围环境的温度而变化。在周围环境温度较高时可传热性良好，而在周围环境温度较低时可传热性相对较差，因此容器将物体与热交换器隔离。
所以，本发明的目的是当周围环境的温度在预定范围内变化时控制该物体的温度，本发明还包括达到这个目的的装置。
本发明的主要优点是，除了解决上述问题之外，该物体的温度控制完全是无源的。
现在将参考附图藉助优选的实施方案更详尽的描述本发明。
图1表示作为按照本发明的例子的控制电子仪器温度的一个装置的剖面图。
图2在图中表示电子仪器和周围环境之间的温度差(垂直轴)如何依赖于周围温度(水平轴)而变化的曲线。
在图1中作为按照本发明的例子以剖面图表示控制电子仪器温度的装置1。这里术语“电子仪器”包括所有形式的电气设备，如分立的电气组件，电路，无线电设备，微波设备等等。当然，也可应用图1中的装置1来控制除电子仪器外的其他物体的温度。
在图1中装置1包括容器2，它有第一主平壁3和与第一壁3相对的第二主平壁5。在图1表示的例子中，第一和第二壁3和5主体是垂直安装。容器2还包括上部7和下部9。容器2另外还包括别的壁(没有表示)，它们与第一和第二壁3和5以及上下部7和9一起闭合了装有介质11的空间。在图1表示的例子中，介质11是具有依赖温度的粘度的液体。带有电路15的印刷电路板13形式的电子仪器安装在第一壁3的外侧，从而使电路15与第一壁3有良好的热连接。装置1包括有底板19的热交换器17，在底板上安装冷却突缘21形式的散热片。用底板19压靠在第二壁5的外侧安装热交换器17，从而使热交换器17与第二壁5有良好的热接触。安装的热交换器17来向温度为Ts的周围环境18散热。在图1中周围环境18由周围大气构成，但是也可以是某种其他形式的热吸收器或者是热交换器17可以向其散热的其他东西。本发明并不局限于图1中表示的热交换器17的特定设计，另外热交换器17也可以是可向周围环境18散热的某些其他装置。例如热交换器17替代地由一个壁构成，其表面和导热性足够将热量有效地散给周围环境18。
当周围环境18的温度Ts变化在上、下温度Ts1和Ts2之间的预先确定的范围[Ts1，Ts2]内时，安装图1中的装置1以便控制电路15的温度Tc。在这种情况下控制电路15的温度Tc，从而使它不会超过预定的最大值Tc max，也不会低于预定的最小值Tc min。在图1表示的例子中，Ts1＝-33℃，Ts2＝55℃，Tc min＝0℃和Tc max＝75℃，在技术说明书中常提到这些值，对先有技术熟悉的人来说是众所周知的。
当然，本发明并不局限于上面提到的温度值，而对先有技术熟悉的人来说按照环境可以用另一种方式选择这些数据，并据此适当调整装置1。例如，Ts1选择在-40℃和-25℃之间，Tc min在-10℃和20℃之间，Ts2在40℃和55℃之间，和Tc max在60℃和75℃之间。
在图1中表示的装置1是在周围环境18的温度Ts超过预定的第一值T1，但低于Ts2。因此在容器2内的介质11有低的粘度(很有流动性)。由电路15产生的热量加热第一壁3，它依次加热与第一壁3接触的介质11。在第一壁3处加热介质11造成如图1中向上箭头所示的向上的自然对流流动。向上的自然对流流动在容器2的上部7转向，因此被加热的介质11流到第二壁5。从而被加热的介质通过第二壁5向热交换器17散热。热交换器17又将热量散到周围环境18。热的介质11在第二壁5处被冷却，造成如图1中向下箭头所示的向下方向的自然对流流动。向下的自然对流流动在容器2的下部9转向，从而冷却了的介质11流到第一壁3。这样在容器2内存在循环的自然对流流动，该流动比较有效地将电路15产生的热量通过容器2传给热交换器17，在那里热量再被散发到周围环境18。在容器2内第一和第二壁3和5之间安装板23。但是板23并没有向上一直通到容器2的上部7，也没有一直向下通到容器2的下部9。板23使在第一壁3处的向上的自然对流流动与在第二壁5处向下的自然对流流动保持分离，因此加强在容器2内的循环流动。
安装的上部7和下部9是与第一和第二壁3和5互相热隔离的。例如上部7和下部9很薄或者由绝热材料制成，或者即很薄并由绝热材料制成。
图2在图中表示曲线25，该曲线示意地描述电路15的温度Tc和周围环境18的温度Ts之间的温差ΔT(垂直轴)如何依赖于周围环境18的温度Ts(水平轴)而变化。当周围环境18的温度Ts超过第一值T1时，如上述介质11很有流动性，由电路15产生的热量主要通过在容器2中的自然对流传给热交换器17。因此当周围环境18的温度Ts超过第一值T1时温差ΔT较小。另外，当周围环境18的温度Ts超过第一值T1时温差ΔT基本恒定，近似于固定的第一差值ΔT1。第一差值ΔT1取决于介质11的特性，如粘度，密度，导热性，比热容，容器2的形状，第一和第二壁3和5的主面积，第一和第二壁3和5之间的距离以及热交换器17的大小。在这种情况下，设计容器2和热交换器17要考虑到介质11的特性，使得第一差值ΔT1符合下列公式ΔT1＜Tc max-Ts2，这样使电路15的温度Tc不会超过最大值Tc max。
为了使电路15的温度Tc不低于最小值Tc min，选择介质11使其依赖温度的粘度是这样的，当周围环境18的温度Ts低于预定的第二值T2(它低于T1但高于Ts1)时粘度变得足够高，基本阻止在容器2内的自然对流流动。在就此而论，表述“基本阻止”意味着自然对流被完全被阻止或者达到通过在容器2内自然对流的传热可以忽略不计的程度。这样当周围环境18的温度Ts低于第二值T2时，由电路15产生的热量主要通过经由容器2的热传导传给热交换器17。但是通过热传导的传热，其效率大大低于通过自然对流的传热。因此容器2仅造成电路15和热交换器17之间的隔离效果，使温差ΔT大大高于建立良好的自然对流的情况。当周围环境18的温度Ts低于第二值T2时温差ΔT基本恒定，所以近似于固定的第二差值ΔT2。第二差值ΔT2取决于介质11的导热性，容器2的形状，第一和第二壁3和5的主面积，和第一和第二壁3和5之间的距离，以及热交换器17的大小。容器2和热交换器17的设计要考虑到介质11的导热性，从而使第二差值ΔT2符合下列公式ΔT2＞Tc min-Ts1，即使电路的温度Tc不会低于最小值Tc min。
第二值T2适合于，在周围环境18的温度Ts下降相当早之前基本阻止了自然对流，使电路15的温度Tc不会下降到最小值Tc min之下，但对其他方面第二值T2的选择不是关键。以相对应的方式，第一值T1适合于在周围环境18的温度Ts上升足够早之前在容器2中得到良好的自然对流流动，使电路的温度Tc不会超过最大值Tcmax，除此之外第二值T2的选择也不是关键。图2表示，当周围环境18的温度Ts在第二和第一值T2和T1之间的范围内变化时，从容器2内主要由热传导传热到容器2内主要由自然对流传热有逐渐的过渡。当然这是因为当周围环境18的温度Ts增加时介质11的粘度逐渐变小。
在图1和2表示的例子中介质11是粘度依赖温度的流体。例如流体是适当选择的油。另一种替代品是流体是水和乙二醇的混合物。作为一个建议，在混合物中包含的乙二醇的重量百分比是5到60，它具有随温度相当显著变化的粘度。特别是在混合物中包含的乙二醇的重量百分比近似为60时。
另一种替代品的介质11是流动性物质并当周围环境18的温度超过第一值T1时它有低的粘度，所以由电路15产生的热量主要通过经由容器2的自然对流传给热交换器17，与图1中的方式相对应。但是物质的依赖温度特性适合于，当周围环境18的温度Ts下降到第二值T2之下时由于物质固化使容器2自然对流基本被阻止。例如该物质包括有适合各种环境的熔点的不同形式的盐类，如三水(合)乙酸钠(C2H3NaO2H6O3)或钙芒硝(Na2Ca(SO4)2)。另一种代替品是石蜡或类似制品。
还有另一种代替方法是介质11含有低粘度的液体。在此低粘度的液体中有添加剂，它依赖周围环境18的温度Ts在液体中形成沉淀物，从而当周围环境18的温度Ts下降到低于第二值T2时由沉淀物基本阻止容器2内的自然对流。
在图1表示的例子中容器2是这样定向，使第一和第二壁3和5大致垂直。但是本发明并不局限于容器2只有这种定向，相反容器2可以替代用另一种方式定向。例如，容器2是这样定向，使第一和第二壁3和5基本水平放置，从而使板23可适当省略。
本发明也不只局限于图1中表示的容器2的形状，相反容器2可以替代地有某些其他的形状。例如，使第一壁3有这样的形状，它的外形与温度要控制的物体的形状相适应，从而使装置1占有较小的空间，改善物体和容器2之间的热连接。

Claims (18)

1.装置(1)用于当周围环境(18)的温度在限定的范围内变化时，控制发热物体(15)的温度，它包括：
将热散到周围环境(18)的热交换器(17)；和装有介质(11)并与物体(15)以及热交换器(17)热连接的容器(2)，其特征在于容器(2)中的介质(11)具有温度依赖特性和低的粘度，当周围环境(18)的温度超过预定的第一值时，容器(2)和热交换器(17)这样装配，使物体(15)产生的热效应通过介质(11)中的自然对流，从物体(15)传给热交换器(17)，而不会使物体(15)的温度超过预定的最大值；和
介质(11)的温度依赖特性适合于，当周围环境(18)的温度低于预定的小于第一值的第二值时，介质(11)中的自然对流基本上被阻止，容器(2)和热交换器(17)是这样安装使热效应主要通过介质(11)中的热传导从物体(15)传给热交换器(17)，而不会使物体(15)的温度低于预定的最小值。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于介质(11)的温度依赖特性是这样，当周围环境(18)的温度降到低于第二值时由于介质(11)的固化，使介质中的自然对流基本上被阻止。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于介质(11)包括石蜡。
4.如权利要求2所述的装置，其特征在于介质(11)包括有合适熔点的盐。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于该盐是三水(合)乙酸钠。
6.如权利要求4所述的装置，其特征在于该盐是钙芒硝。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于介质(11)是其粘度依赖温度的液体，从而当周围环境(18)的温度低于第二值时因为介质变粘，使介质(11)中的自然对流基本上被阻止。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于介质(11)是油。
9.如权利要求7所述的装置，其特征在于介质(11)是水和乙二醇组成的混合物。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于该混合物包括重量百分比为5到60之间的乙二醇。
11.如权利要求1所述的装置，其特征在于介质(11)包括带添加剂的液体，添加剂依赖于周围环境的温度在液体中形成沉淀物，从而当周围环境(18)的温度降到低于第二值时由沉淀物基本阻止介质中的自然对流。
12.如权利要求1-11中任何一项所述的装置，其特征在于容器(2)包括第一壁(3)，它与物体(15)有良好的热接触；以及容器(2)包括第二壁(5)，它基本与第一壁(3)相对并与热交换器有良好的热接触。
13.如权利要求12所述的装置，其特征在于第一和第二壁(3，5)基本垂直安装。
14.如权利要求13所述的装置，其特征在于容器(2)包括机构(23)，用于分离沿着第一壁(3)的自然对流流动和沿着第二壁(5)的自然对流流动。
15.如权利要求14所述的装置，其特征在于用于分离自然对流流动的机构是板(23)，它安装在第一和第二壁(3，5)之间。
16.如权利要求12所述的装置，其特征在于第一和第二壁基本水平安装。
17.如权利要求12-16中任何一项所述的装置，其特征在于这样安装容器(2)，使第一和第二壁(3，5)互相之间绝热隔离。
18.如权利要求1-17中任何一项所述的装置，其特征在于物体(15)包括电子仪器(15)。
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