CN1601204A - 冷却装置 - Google Patents

Abstract

使用了串联多冷凝室气态－液态相变循环的冷却装置，利用蒸发器内液态冷却媒质气化所产生的压强和冷凝室内液态冷却媒质的重力的共同作用，使气体在冷凝室之间单向流动，把不冷凝气体从主循环回路中分离出来，使装置内部允许的不冷凝气体的含量显著提高，从而降低冷却装置的制造成本，并且允许使用软管作为气体和液体的输送通道。

Description

冷却装置

技术领域

本发明涉及一种冷却装置，尤其是利用物质的气态和液态之间的相变循环交换和输送热量、利用冷凝器的串联多冷凝室分离不冷凝气体的冷却装置。

背景技术

利用物质的气态和液态之间的相变循环来交换和输送热量的装置，包括热管、毛细抽吸环路(CPL，Capillary Pumped Loop)、环路热管(LHP，Looped Heat Pipe)等，都需要严格限制装置内部不冷凝气体的含量，制造成本高；并且通常需要使用金属材料制造管壁以确保密封性能，在需要改变形状的时候坚硬的金属管显得不够方便。

发明内容

为了降低成本，并且允许使用软管，本发明使用了具有串联多冷凝室的冷凝器，能够在运行中把不冷凝气体从主循环回路中分离出来，使冷却装置内部能够允许较多的不冷凝气体存在而不会影响主循环回路。

本发明的技术方案是：蒸发器、气体输送通道、冷凝器、液体输送通道构成封闭空间；在该封闭空间内注入一定量的以液态和气态两相共存的冷却媒质；蒸发器和热源热耦合，冷凝器和散热装置热耦合；冷凝器为多个冷凝室串联，相邻的冷凝室以气体通道和液体通道连通，液体通道的位置低于气体通道；在重力的作用下，液态冷却媒质阻塞冷凝室之间的气体通道，使相邻冷凝室内的气体不会直接连通；在第一冷凝室和末尾冷凝室以外的每一个冷凝室，气体流入通道的位置低于气体流出通道。

工作原理：以一定功率产生热量的热源使蒸发器的温度升高，内部的液态冷却媒质气化，气体经气体输送通道进入第一冷凝室，部分气态冷却媒质将冷凝为液态，第一冷凝室的温度和内部压强升高，液态冷却媒质在较高压强的作用下部分流入后面的冷凝室，液面下降，其余的气体将通过第一冷凝室和第二冷凝室之间的气体通道进入第二冷凝室。在第二冷凝室，同样是部分气态冷却媒质冷凝为液态，温度和压强升高，液面下降，其余的气体继续向后面的冷凝室流动。由于连通第一冷凝室的气体通道位置较低，仍然在液面以下，气体不会逆向流动回到第一冷凝室，只能向后单向流动。在第一冷凝室和末尾冷凝室以外的所有冷凝室内，气体和液体的流动以及气态冷却媒质冷凝的情形都和第二冷凝室类似，单向的气流最终进入末尾冷凝室。从第一冷凝室到末尾冷凝室的单向气流，使渗漏进入冷却装置内部的不冷凝气体向后部冷凝室聚集，而前部冷凝室内部的不冷凝气体很少，气态冷却媒质的冷凝过程不会受到不冷凝气体的影响。

有益效果：由于允许的不冷凝气体的含量显著提高，对制造工艺的要求降低，成本低；允许使用软管作为气体和液体的输送通道，可以适用于需要改变形状的冷却装置。

附图说明

附图标记：1.冷凝器，2.液体输送通道，3.蒸发器，4.热源，5.气体输送通道，6.散热装置，7.第一冷凝室，8.第二冷凝室，9.第三冷凝室，10.第四冷凝室，11.冷凝器背板，12.主板，13.水管-显卡，14.水管-北桥集成电路，15.水管-CPU，16.蒸发器-显卡，17.蒸汽管-显卡，18.蒸发器-主板，19.蒸汽管-北桥集成电路，20.蒸汽管-CPU，21.蒸汽管接头-蒸发器，22.联管螺母-蒸汽管，23.联管环-蒸汽管，24.螺旋护管，25.蒸汽管，26.水管接头-蒸发器，27.联管螺母-水管，28.联管环-水管，29.水管，30.缸体，31.活塞，32.连接环，33.行程开关，34.传动螺杆，35.密封软管，36.传动螺母，37.行程开关触臂，38.支承板，39.护罩，40.支承筒，41.冷凝器腹板-第一冷凝室，42.滑环，43.挡圈，44.电动机，45.小齿轮，46.中间齿轮甲，47.中间齿轮乙，48.大齿轮，49.蒸汽管接头-冷凝器，50.水管接头-冷凝器，51.温度传感器-参考温度，52.温度传感器-CPU，53.冷凝器腹板-第二冷凝室，54.排气阀主膜片，55.水箱盖子，56.水箱壳体，57.垫圈-水箱盖子，58.排气阀辅膜片，59.控制器，60.姿态传感器，61.调整螺丝，62.悬索，63.振荡线圈，64.悬挂磁芯，65.检波线圈，66.印刷电路板-姿态传感器，67.固定磁芯，68.印刷电路板-控制器，69.销轴，70.层叠铝丝编织带，71.层叠铝丝编织带-显卡，72.蒸发器背板-显卡。

图1是本发明的工作原理示意图。

图2是本发明的实施例的总体结构图。

图3是图2的H-H剖视图，表示了蒸汽管和蒸发器的连接。

图4是图2的I-I剖视图，表示了水管和蒸发器的连接。

图5是图2的A-A剖视图。

图6是图5的A向视图。

图7是图6的B-B剖视图。

图8是图6的C-C剖视图，表示了支承板、支承筒和连接环的连接。

图9是图2的D-D剖视图，表示了蒸汽管和冷凝器的连接以及散热片的形状。

图10是图2的E-E剖视图，表示了水管和冷凝器的连接。

图11是图2的F-F剖视图。

图12是图2的J-J剖视图，表示了温度传感器-参考温度(51)和冷凝器背板(11)的连接。

图13是图2的M-M剖视图，表示了冷凝器的加强结构。

图14是图2的P-P剖视图，表示了姿态传感器(60)和冷凝器背板(11)的连接。

图15是图2的Q-Q剖视图，表示了控制器(59)和冷凝器背板(11)的连接。

图16是图2的G-G剖视图，表示了第二冷凝室、排气阀以及水箱的结构。

图17是水箱壳体(56)的零件图。

图18是图17的K-K剖视图。

图19是图18的B向视图。

图20是图17的L-L剖视图。

图21是排气阀主膜片(54)的零件图。

图22是排气阀辅膜片(58)的零件图。

图23是水箱盖子(55)的零件图。

图24是垫圈-水箱盖子(57)的零件图。

图25是行程开关(33)的零件图。

图26是姿态传感器(60)的结构图。

图27是图26的N-N剖视图。

图28是冷凝器背板(11)的零件图。

图29是图28的后视图。

图30是图28的V-V剖视图。

图31是图28的W-W剖视图。

图32是图29的1局部放大图。

图33是冷凝器腹板-第一冷凝室(41)的零件图。

图34是图33的R-R剖视图。

图35是图33的S-S剖视图。

图36是图33的T-T剖视图。

图37是图33的U-U剖视图。

图38是大齿轮(48)的零件图。

图39是传动螺杆(34)的零件图。

图40是行程开关触臂(37)的零件图。

图41是传动螺母(36)的零件图。

图42是缸体(30)的零件图。

图43是活塞(31)的零件图。

图44是连接环(32)的零件图。

图45是密封软管(35)的零件图。

图46是支承筒(40)的零件图。

图47是支承板(38)的零件图。

图48是蒸发器-主板(18)的构造图。

图49是图48的B-B剖视图。

图50是图48的C向视图，表示了安装温度传感器的螺纹孔。

图51是图48的A-A剖视图。

图52是蒸发器-显卡(16)的构造图。

图53是图52的A-A剖视图。

图54是图52的B-B剖视图。

图55是图52的C-C剖视图。

图56是蒸发器背板-显卡(72)的零件图。

图57是控制器的电原理图。图中J1是连接电源按钮的连接器，J2是连接主板的电源开关信号输入的连接器，J3是连接姿态传感器的连接器，J4是从主板的网络唤醒插座获取电源的连接器，J5是转接的网络唤醒功能连接器，J6是连接+5伏主电源的连接器，S1和S2分别是检测活塞的正向和反向运动的终点的行程开关，IC1是微控制器，IC2是电压比较器，IC3是2.5伏的电压基准，IC4是串行EEPROM存储器，M1是驱动活塞运动的电动机。IC1的PA0是控制活塞正向运动的输出端，PA1是检测活塞的正向运动终点的行程开关的输入端，PA2是控制活塞反向运动的输出端，PA3是检测活塞的反向运动终点的行程开关的输入端，PA4是控制积分电容的放电的输出端，PA5、PA6和PA7分别是控制基准电阻(R21)、温度传感器-CPU(RT2)和温度传感器-参考温度(RT1)的测量的输出端，PB1是读写EEPROM的输入/输出数据信号，PB2是读写EEPROM的时钟输出端，PB3是检测姿态传感器的信号的输入端，PB4是控制主板的主电源开/关的输出端，PB5是检测电源按钮动作的输入端，PB6是检测主电源状态的输入端，GATE是内部计时器的门控信号。RT1是温度传感器-参考温度(51)，RT2是温度传感器-CPU(52)。

图58是姿态传感器的电原理图，图中L1是振荡线圈，L2是检波线圈，J1是连接控制器的连接器。

图59是弹簧-CPU冷却器扣具的零件图。

图60是调节螺钉-CPU冷却器扣具的零件图。

图61是托板-CPU冷却器扣具的零件图。

图62是夹板-冷却器扣具的零件图。

图63是图62的A-A剖视图。

图64是图62的B-B剖视图。

具体实施方式

在图1所示的工作原理示意图中，蒸发器(3)、气体输送通道(5)、冷凝器(1)、液体输送通道(2)构成封闭空间；冷凝器(1)由第一冷凝室(7)、第二冷凝室(8)、第三冷凝室(9)、第四冷凝室(10)串联构成，第四冷凝室(10)是末尾冷凝室；冷凝室之间的气体通道和液体通道使用共用的通道；散热装置(6)和冷凝室热耦合，热源(4)和蒸发器(3)热耦合。以一定功率产生热量的热源(4)产生的热量使蒸发器(3)的温度升高，蒸发器(3)内部的液态冷却媒质气化，压强升高，气态冷却媒质从气体输送通道(5)进入第一冷凝室(7)，在气化产生的压强和液态冷却媒质的重力的共同作用下，气体从第一冷凝室(7)经过第二冷凝室(8)和第三冷凝室(9)向第四冷凝室(10)单向流动。气态冷却媒质在冷凝室内冷凝为液态释放出的热量从散热装置(6)散失。液态冷却媒质从冷凝室之间的液体通道流回第一冷凝室(7)，并从液体输送通道(2)流回蒸发器(3)。从第一冷凝室(7)到第四冷凝室(10)，液面的高度逐步升高。由于前部的冷凝室内的压强需要平衡液位差产生的压强差和推动气体向后部的冷凝室流动，因此冷凝室内气体的压强，从第一冷凝室(7)到第四冷凝室(10)逐步降低。单向气流使渗漏进入装置内部的不冷凝气体逐渐向后部的冷凝室聚集，前部冷凝室内不冷凝气体的分压总是低于后部冷凝室，前部冷凝室需要处于较高的温度才能够形成足够的压强。由于从散热装置散失热量总是需要温度差，不冷凝气体的含量在一定范围内不会影响冷却装置的冷却能力。

图2所示的实施例是一种用于台式个人电脑的多功能冷却装置，向CPU、显卡和北桥集成电路提供冷却。该实施例使用水作为冷却媒质，其冷凝器为两个冷凝室串联。冷凝器背板(11)和冷凝器腹板-第一冷凝室(41)构成了第一冷凝室，冷凝器背板(11)和冷凝器腹板-第二冷凝室(53)构成了第二冷凝室，在冷凝器背板上、第一冷凝室和第二冷凝室之间的两个孔成为冷凝室之间的水流和蒸汽流的通道。第二冷凝室的顶部有一个排气孔，排气阀主膜片(54)和排气孔构成一个单向阀，使冷却装置内部的流体可以排出到外部。两个蒸发器-主板(18)，一个用于CPU冷却，一个用于北桥集成电路冷却，分别通过蒸汽管-CPU(20)、水管-CPU(15)、蒸汽管-北桥集成电路(19)及水管-北桥集成电路(14)和冷凝器连接，蒸发器-显卡(16)通过蒸汽管-显卡(17)及水管-显卡(13)和冷凝器连接。由于外部的压强高于内部，所有的蒸汽管都和螺旋护管(24)配合，以保持受力稳定性，并防止产生大曲率的弯曲。姿态传感器(60)由调节螺丝(61)、悬索(62)、悬挂磁芯(64)、振荡线圈(63)、固定磁芯(67)、检波线圈(65)和印刷电路板-姿态传感器(66)等构成，振荡线圈(63)中有高频电流。如果冷却装置处于正确的直立姿态，则悬挂在柔软的悬索(62)下端的悬挂磁芯(64)将正对着固定磁芯(67)，检波线圈(65)和振荡线圈(63)的耦合最大，输出为高电平，指示姿态正常；如果冷却装置的姿态出现倾侧，重力将使悬挂磁芯(64)偏离固定磁芯(67)，检波线圈(65)和振荡线圈(63)的耦合减小，输出将变为低电平，指示异常姿态。如果控制器(59)检测到姿态异常，将阻止主电源的开启；如果检测到异常姿态时主电源已经是开启状态，则发出信号关闭主电源，确保安全运行。空气的渗漏进入达到一定的量之后将导致冷却装置的性能下降，控制器通过测量温度传感器-CPU(52)和温度传感器-参考温度(51)的温度并计算它们之间的温度差来确定是否需要排出渗漏进入的空气。控制器测量温度的原理是：基准电压通过一个固定电阻向热敏电阻提供偏置电流，热敏电阻的输出电压即对应着需要测量的温度；热敏电阻的输出电压和电压比较器的一个输入连接，电压比较器的另一个输入和一个积分电容连接；通过一个电流源开始向积分电容充电的同时，启动计时器开始计时，当积分电容的电压上升到超过热敏电阻的输出电压时，电压比较器的输出产生变化，此时停止计时器，计时器记录的时间即对应着需要测量的温度，通过预先存储的表格即可插值计算得到需要测量的温度；给积分电容放电后即可进行下一次测量。在控制器的电原理图(图57)中，电阻R13、R14、R15和三极管Q9构成电流源；温度传感器-CPU(RT2)、温度传感器-参考温度(RT1)和参考电阻R21分别通过电子开关(Q11、Q10、Q13)和基准电阻R23串联；分别测量得到温度传感器-CPU(RT2)、温度传感器-参考温度(RT1)和参考电阻R21的电压后，用温度传感器-CPU(RT2)的电压以及温度传感器-参考温度(RT1)的电压乘以参考电阻R21的电阻值，再除以参考电阻R21的电压，然后再插值计算温度传感器-CPU(RT2)和温度传感器-参考温度(RT1)的温度，可以抵消部分误差，改善测量精度。正常运行时，如果主电源处于开启状态，控制器(59)每秒测量一次温度，并计算温度传感器-CPU(52)和温度传感器-参考温度(51)的温度差，如果温度传感器-CPU(52)的温度超过允许的温度并且温度差超过允许的温度差，则设置标志指示需要排气。当主电源关闭后，如果需要排气，控制器(59)正向驱动电动机(44)，通过小齿轮(45)、中间齿轮甲(46)、中间齿轮乙(47)、大齿轮(48)、传动螺杆(34)和传动螺母(36)驱动活塞(31)运动，使冷却装置内部的容积减小并被水完全充满，把气体排出；当检测到正向行程开关的信号时，撤除电动机(44)的正向驱动信号，再反向驱动电动机(44)，直到检测到反向行程开关的信号，冷却装置恢复最大容积。排气阀主膜片(54)、排气阀辅膜片(58)和冷凝器背板(11)形成吸入滞后容量：排气时，在活塞(31)的正向行程，当冷却装置的容积减小达到内外压强相等时，排气阀主膜片(54)在自身的张力作用下离开冷凝器背板(11)，恢复平直状态，冷凝室通过排气阀辅膜片(58)和排气阀主膜片(54)之间的间隙和水箱连通，流体可以从冷凝室向水箱流动；当活塞(31)开始反向行程时，排气阀辅膜片(58)将和排气阀主膜片(54)贴合，阻止水从水箱向冷凝室流动，排气阀辅膜片(58)在两侧的压强差的作用下向内变形，推动排气阀主膜片(54)也向内变形，直到排气阀主膜片(54)和冷凝器背板(11)贴合；排气阀辅膜片(58)和冷凝器背板(11)之间的小室内的部分水流入冷凝室，流入的容量即为吸入滞后容量，吸入的容量将会在下次排气时全部排出，确保可靠排出空气。排气阀辅膜片(58)和排气阀主膜片(54)贴合的表面制作浅的波纹，在仅有排气阀辅膜片(58)的变形产生的张力作用时提供大阻力的水流通道，排气完成后，在排气阀辅膜片(58)的张力形成的压强的作用下，水将会缓慢地从水箱流入排气阀辅膜片(58)和冷凝器背板(11)之间的小室，使排气阀辅膜片(58)恢复平直状态；排气阀主膜片(54)在大气压强的作用下和冷凝器背板(11)紧密贴合，保持密封。垫圈-水箱盖子(57)中部制作十字形切口，如果两侧的压强相等，切口处于闭合状态，可以防止水箱内的水挥发；如果两侧压强不相等，切口将会分开，并且只对流体的流动形成很小的阻力。

冷凝器背板(11)、蒸发器-主板(18)、冷凝器腹板-第一冷凝室(41)、冷凝器腹板-第二冷凝室(53)、缸体(30)、活塞(31)和管接头均用铝制造，提供良好的导热性能并保持相等的电极电位；排气阀主膜片(54)、排气阀辅膜片(58)、密封软管(35)和所有水管及蒸汽管用橡胶制造，螺旋护管(24)用钢丝制造。

Claims (3)

1.一种冷却装置，蒸发器、气体输送通道、冷凝器、液体输送通道构成封闭空间，以气态、液态两相共存的冷却媒质充满该封闭空间，其特征是：冷凝器由至少两个冷凝室串联构成，利用蒸发器内液态冷却媒质的气化所产生的压强和冷凝室内液态冷却媒质的重力的共同作用，使气体在冷凝室之间单向流动。

2.根据权利要求1所述的冷却装置，其特征是：冷却装置内部的容积可以控制，并且含有可以向外部排出流体的单向阀。

3.根据权利要求2所述的冷却装置，其特征是：单向阀含有柔软的弹性膜片，主膜片和辅膜片配合形成吸入滞后容量。

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