CN204388003U - 一种新型封闭式喷雾冷却蒸发冷凝循环回路系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于一种新型封闭式喷雾冷却蒸发冷凝循环回路系统，包括强化冷却工质制备装置和相变喷雾冷却装置,从冷却工质和冷却方法两方面入手，将纳米流体和相变喷雾两者的优势巧妙结合，相对于传统风冷、直接水冷，冷却效率大幅提升，有较高推广价值；设计了循环回路与智能反馈调节，冷却工质可重复利用，且按需工作，避免了浪费，一定程度上节约了能量和资源；工质的回收充分利用了自然重力和毛细力的作用，实现了被动式循环，降低了散热系统的成本；整个系统没有运动部件，不会产生由于相对滑动而引起的摩擦损耗及震荡损伤，故在一定程度上提高了冷却系统的可靠性和实用性。

Description

一种新型封闭式喷雾冷却蒸发冷凝循环回路系统

技术领域

本实用新型属于一种新型封闭式喷雾冷却蒸发冷凝循环回路系统，可利用该系统对LED芯片等高热流密度的电子元器件进行高效的冷却散热，纳米流体与相变喷雾技术的结合以及循环回路与反馈调节的系统设计也使得冷却效果更加突出，可应用范围更为广泛。

背景技术

现代电子设备的微型化和高度集成化使其功率密度越来越高，局部热流密度不断增加，LED芯片散热已经成为制约其发展的瓶颈。20世纪90年代以来,科学家开始探索将纳米材料技术应用于强化传热领域，研究新一代高效传热冷却技术。

纳米流体最早由美国Argonne 国家实验室的Choi等人提出，其具有传统换热介质无法比拟的优势，如更高的导热系数、比表面积及耐磨损、抗堵塞等性能。纳米流体的使用非常符合换热设备小型化、轻量化的发展趋势。近年来，世界各国相继把发展纳米科技作为增强未来竞争力的科技战略，美国、日本、德国以及欧盟都将纳米技术作为战略技术。在我国，科技部、国家纪委、教育部、中科院、国家自然科学基金委员会于2001年联合发布了《国家纳米科技发展纲要》。另一方面，喷雾技术最初作为轧后控制冷却方式，之后发展为相变技术，不再是简单的物理换热，而在液膜内核化沸腾以及二次成核方面的研究下有了长足的进步，并且也逐渐被用于电子系统的冷却。

为解决大功率LED的散热问题，打破制约其被普及应用的瓶颈，已有一些国内外学者和厂商对LED散热进行了研究。在国内，已有正在申请的相关专利主要有申请号为201210004980.3，201280051970.3的专利。该专利所涉及的“LED冷却系统”主要内容为利用风扇冷却，该种方法属于传统的风冷，冷却效果不明显，而且持续使用风扇会耗费大量电能，不符合节能的设计理念。另外所涉及的“大功率LED散热用覆铜线路铝碳化硅陶瓷基板”，其本质是一种热沉，只是将LED散发的热量转移出来，而未能彻底将热量转化散失，同时，由于其增加了额外的热沉，一定程度上阻碍了LED的热量向外传导，进而阻碍了散热。此外，上述两者都没有设计循环回路，均是一次性利用，这也极大地限制了使用效果，增加了后期的使用成本。因此，有必要设计一种新的喷雾冷却蒸发冷凝循环回路系统来解决上述问题。

实用新型内容

为了克服传统电子器件冷却装置冷却效果不明显，不能循环工作，后期使用成本大等问题，本实用新型提供一种新型封闭式喷雾冷却蒸发冷凝循环回路系统。

本实用新型提供一种新型封闭式喷雾冷却蒸发冷凝循环回路系统，包括强化冷却工质制备装置和相变喷雾冷却装置；所述强化冷却工质制备装置包括第一储存罐、高压微射流分散仪和第二储存罐；所述第一储存罐内盛放有传热工质，所述第二储存罐内盛放有金属或非金属粉末；所述相变喷雾冷却装置包括第三储存罐、中央控制单元、温度传感器、微型喷射泵、冷却室、喷嘴、冷凝器；所述高压微射流分散仪进口端连通有所述第一储存罐和第二储存罐，所述高压微射流分散仪出口端连通所述第三储存罐，所述第三储存罐连通所述微型喷射泵，所述微型喷射泵连通所述冷却室的进口端，所述冷却室内安装有所述喷嘴，通过喷嘴喷射强化后的流体冷却工质对被冷却器件进行冷却散热，所述冷却室的出口端连通所述冷凝器，所述冷凝器连通所述第三储存罐；被冷却器件安装在所述冷却室的安装面上，并与所述温度传感器连接，所述温度传感器、所述微型喷射泵、所述高压微射流分散仪均与所述中央控制单元连接。

上述方案中，所述第一储存罐内盛放的传热工质为水或者醇或者油中的一种。

上述方案中，所述第二储存罐内盛放的粉末为纳米粉末。

上述方案中，所述被冷却器件为LED器件。

上述方案中，所述中央控制单元为PLC控制器。

本实用新型的有益效果：从冷却工质和冷却方法两方面入手，将纳米流体和相变喷雾两者的优势巧妙结合，相对于传统风冷、直接水冷，冷却效率大幅提升，有较高推广价值；设计了循环回路与智能反馈调节，冷却工质可重复利用，且按需工作，避免了浪费，一定程度上节约了能量和资源；工质的回收充分利用了自然重力和毛细力的作用，实现了被动式循环，降低了散热系统的成本；整个系统没有运动部件，不会产生由于相对滑动而引起的摩擦损耗及震荡损伤，故在一定程度上提高了冷却系统的可靠性和实用性。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图中：1、第一储存罐  2、高压微射流分散仪  3、第二储存罐  4、第三储存罐  5、中央控制单元 6、温度传感器  7、微型喷射泵  8、冷却室  9、喷嘴  10、冷凝器   11、安装面

具体实施方式：

下面结合附图以及具体实施例对本实用新型作进一步的说明，但本实用新型的保护范围并不限于此。

如图1所示，一种新型封闭式喷雾冷却蒸发冷凝循环回路系统，包括强化冷却工质制备装置和相变喷雾冷却装置；所述强化冷却工质制备装置包括第一储存罐1、高压微射流分散仪2和第二储存罐3；所述第一储存罐1内盛放有传热工质，所述第二储存罐3内盛放有金属或非金属粉末；所述相变喷雾冷却装置包括第三储存罐4、中央控制单元5、温度传感器6、微型喷射泵7、冷却室8、喷嘴9、冷凝器10；所述高压微射流分散仪2进口端连通有所述第一储存罐1和第二储存罐3，所述高压微射流分散仪2出口端连通所述第三储存罐4，所述第三储存罐4连通所述微型喷射泵7，所述微型喷射泵7连通所述冷却室8的进口端，所述冷却室8内安装有所述喷嘴9，通过喷嘴9喷射强化后的流体冷却工质对被冷却器件进行冷却散热，所述冷却室8的出口端连通所述冷凝器10，所述冷凝器10连通所述第三储存罐4；被冷却器件安装在所述冷却室8的安装面11上，并与所述温度传感器6连接，所述温度传感器6、所述微型喷射泵7、所述高压微射流分散仪2均与所述中央控制单元5连接，所述温度传感器6在对被冷却的器件进行实时温度监测的同时，还可以对中央控制单元5起到反馈调节的作用，所述第一储存罐1内盛放的传热工质为水或者醇或者油中的一种，所述第二储存罐3内盛放的粉末为纳米粉末，所述被冷却器件为LED器件，所述中央控制器5为PLC控制器。

本实用新型采用两步法制备纳米流体，即通过中央控制单元5控制高压微射流分散仪2将第二储存罐3内的金属或非金属纳米粉末扩散到第一储存罐1的换热工质水或者醇或者油中，制备出传热效率更高的冷却工质，并将其通过导管输送到第三储存罐4中，在微型喷射泵7的作用下冷却工质被输送到冷却室8内，通过喷嘴9喷射强化后的纳米流体冷却工质对LED器件进行冷却散热，冷却工质吸收大量热量后蒸发为热蒸汽，再从冷却室8上安装的导管排出，经冷凝器10的冷凝作用重新液化为液态，然后被收集回第三储存罐4中用于下一次的冷却。其中，冷凝器10采取加装翅片等辅助散热措施，加强冷凝效果。至此，形成了一个新型封闭式喷雾冷却蒸发冷凝循环回路系统。

本实用新型被冷却的LED器件与中央控制单元5之间安装的温度传感器6实时监控LED芯片的温度，当温度达到事先设定的临界温度时，它便对中央控制单元5实施反馈调节，使其触发微型喷射泵7喷射；而当温度远低于临界温度时则会控制微型喷射泵7停止喷雾，智能调节，有效避免浪费冷却工质。另外，考虑到伴随着该装置的频繁使用，冷却工质或多或少会有所消耗，此时可通过连接着高压微射流分散仪的中央控制单元5控制其制备冷却工质，及时补充到第三储存罐4中。

本实用新型采用了纳米流体与相变喷雾冷却两种技术相结合的方式，从冷却工质和冷却方法两方面入手，将两者的优势巧妙结合，其中所添加的纳米流体不仅提高了冷却工质的对流换热性能，同时，由于其自身强烈的布朗运动，使其能够保持稳定悬浮而不发生沉淀，从而避免了传统微米级添加剂沉降造成的管路磨损、阻塞、腐蚀等不良后果。此外，在伴随工质流动的同时，工质中所含有的纳米粒子还能起到润滑的作用。而与之搭配使用的相变喷雾冷却技术充分利用了工质的相变潜热，喷嘴9喷出的雾滴在LED热源表面形成一层冷却液薄膜，雾滴对液膜的扰动使液膜内产生比池内沸腾更多的气泡，依靠液膜的蒸发、对流、雾滴的撞击和液膜内气泡的生长、运动、破裂等相变过程带走LED热源的热量，产生蒸汽或流出液体，相比与传统的水冷，具有更高的换热效率，更少的冷却剂需求量以及较低的喷雾速率，并且可以使LED热源表面温度分布更加均匀，温度梯度也最小。

本实用新型设计了蒸发冷凝循环回路和智能反馈调节。其中，蒸发冷凝循环回路的主要过程为冷却工质在LED热沉位置吸热蒸发为汽相，蒸汽流动到冷凝位置后放热重新变为液态，被重新收集回储液罐。由于在冷却室上安装有回收导管，且导管内径很小，从冷却室顶部流走的蒸汽经冷凝器10冷凝为液态后会在自然重力作用下流回储液罐，而从冷却室四壁和底部流走的液体会在导管的毛细力作用下被重新收集起来，整个回收过程充分利用了自然重力和毛细力的作用，实现工质的被动式循环，不但降低了散热系统的成本，还由于没有运动部件，大大提高了设备的可靠性和实用性。同时，该系统的智能反馈调节可实时监控LED芯片的温度，当温度达到临界值则启动冷却，低于临界温度值则停止工作，避免了不必要的浪费，即不需要冷却时还在工作耗能。这一反馈调节设计符合节能降耗的理念，而且节约了后期的人力操作成本，进一步提高了系统的实用性和便捷性。

所述实施例为本实用新型优选的实施方式，但本实用新型并不限于上述实施方式，在不背离本实用新型的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本实用新型的保护范围。

Claims (5)

1.一种新型封闭式喷雾冷却蒸发冷凝循环回路系统,其特征在于，包括强化冷却工质制备装置和相变喷雾冷却装置；

所述强化冷却工质制备装置包括第一储存罐（1）、高压微射流分散仪（2）和第二储存罐（3）；所述第一储存罐（1）内盛放有传热工质，所述第二储存罐（3）内盛放有金属或非金属粉末；

所述相变喷雾冷却装置包括第三储存罐（4）、中央控制单元（5）、温度传感器（6）、微型喷射泵（7）、冷却室（8）、喷嘴（9）、冷凝器（10）；

所述高压微射流分散仪（2）进口端连通有所述第一储存罐（1）和第二储存罐（3），所述高压微射流分散仪（2）出口端连通所述第三储存罐（4），所述第三储存罐（4）连通所述微型喷射泵（7），所述微型喷射泵（7）连通所述冷却室（8）的进口端，所述冷却室（8）内安装有所述喷嘴（9），通过喷嘴（9）喷射强化后的流体冷却工质对被冷却器件进行冷却散热，所述冷却室（8）的出口端连通所述冷凝器（10），所述冷凝器（10）连通所述第三储存罐（4）；

被冷却器件安装在所述冷却室（8）的安装面（11）上，并与所述温度传感器（6）连接，所述温度传感器（6）、所述微型喷射泵（7）、所述高压微射流分散仪（2）均与所述中央控制单元（5）连接。

2.根据权利要求1所述的一种新型封闭式喷雾冷却蒸发冷凝循环回路系统，其特征在于，所述第一储存罐（1）内盛放的传热工质为水或者醇或者油中的一种。

3.根据权利要求1所述的一种新型封闭式喷雾冷却蒸发冷凝循环回路系统，其特征在于，所述第二储存罐（3）内盛放的粉末为纳米粉末。

4.根据权利要求1所述的一种新型封闭式喷雾冷却蒸发冷凝循环回路系统，其特征在于，所述被冷却器件为LED器件。

5.根据权利要求1所述的一种新型封闭式喷雾冷却蒸发冷凝循环回路系统，其特征在于，所述中央控制单元（5）为PLC控制器。