CN207604122U - 一种非相变超导内循环散热系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种非相变超导内循环散热系统，包括非相变传热管路、热收集器和换热单元，热收集器和换热单元通过非相变传热管路连通并形成一循环回路，该循环回路内有非相变超导传热工质，热收集器收集发热元件的热量，同时加热非相变超导传热工质，非相变超导传热工质沿着非相变传热管路流动，将热量传至换热单元，由换热单元将热量传导出去，换热后的非相变超导传热工质沿着非相变传热管路流回热收集器，进行下一次循环过程。本实用新型可及时快速地将大热流、大热量散发出去，热流密度大，传热效率高，可为发热元件提供适宜的工作温度，并且因非相变超导传热工质内循环优良的均温性使得发热元件均温，工作状态均衡，延长其使用寿命。

Description

一种非相变超导内循环散热系统

技术领域

本实用新型涉及一种散热系统，尤其涉及一种非相变超导内循环散热系统。

背景技术

当今，随着军用及民用电子通讯技术的迅速发展，高性能芯片、集成电路以及半导体电路的应用越来越广泛。发热元件的功率不断增大，发热元件散热就愈发显得重要。发热元件散热是对发热元件的运行温度进行控制(或称热控制)，以保证其工作的稳定性和可靠性。散热技术越来越成为电子设备开发、研制中非常关键的技术。

目前，现有的三大散热技术—风冷技术、相变热管技术和水冷技术，虽然都能够在一定程度上解决发热元件的散热问题，但是，这些散热技术也均各有其缺点：

⑴风冷技术要求室温环境低，因此，其对适用场合具有较大的局限性。

⑵相变热管在长期使用后会产生不凝汽，导致传热效率降低，而且由于不凝汽造成管内压力升高，使得相变热管存在安全隐患。

⑶在水冷技术中，一旦水泄露，会引起设备短路，导致设备损坏，更甚者，会引发重大安全事故。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种结构简单、制造成本低、传热效率高、适用广泛的非相变超导内循环散热系统。

本实用新型的目的通过以下的技术措施来实现：一种非相变超导内循环散热系统，其特征在于：它包括非相变传热管路、热收集器和换热单元，所述热收集器和换热单元通过非相变传热管路连通并形成一循环回路，该循环回路内有非相变超导传热工质，所述热收集器收集发热元件的热量，同时加热非相变超导传热工质，非相变超导传热工质沿着非相变传热管路流动，将热量传至换热单元，由换热单元将热量传导出去，换热后的非相变超导传热工质沿着非相变传热管路流回热收集器，进行下一次循环过程。

本实用新型可及时快速地将大热流、大热量散发出去，热流密度大，传热效率高，可达30～2000W/㎡，为发热元件提供适宜的工作温度，并且因非相变超导传热工质内循环优良的均温性使得发热元件均温，工作状态均衡，延长使用寿命，本实用新型非相变超导传热工质快速循环，快速均温，远距离传热温差小，最小可达±0.5℃；而且，本实用新型使用时无方向、空间要求，可以实现反重力传导。本实用新型传热方向可控，工质循环方向可控，功率可控，响应速度可控；本实用新型可广泛适用于各种结构形式的散热系统，各种工作环境，满足各种散热要求。本实用新型适用于激光、武器核心部件冷却、超级计算机核心部件冷却、推进器冷却(航空、航天、导弹推进设备冷却)、专用设备军事隐身以及熔体急冷的非晶金属制备等领域，适用领域十分广泛。

为了实现传热方向可控和增强系统适应性，作为本实用新型的一种改进，所述非相变超导内循环散热系统还包括用于驱动非相变超导传热工质流动的循环泵，所述循环泵设置在所述非相变传热管路的内部。本实用新型采用主动+被动式启动，响应速度快，启动温差小，无重力影响。循环泵可在其所处环境压力相对大气压力较高时做功。循环泵应该满足与非相变超导传热工质相容性要求，通过其循环作用使非相变传热方式呈主动+被动式。增强环境适应性，结构适应性，空间适应性，控制并调节启动温差、传热方向和传热性能。同时，循环泵壳体的设计应使其具有较强的承压性，并且壳体内工质满腔运行使循环泵内部压力相同，运行时几乎没有压阻，减小电功率消耗，从而提高循环泵效率。

本实用新型所述换热单元的换热形式是液冷或气冷或压缩机制冷。例如，当本实用新型系统应用于发热元件工作区时，循环回路内可充装泄露后为气态的工质，例如R134a、R22等，避免使用水为工质时由于泄露引起的短路问题，安全可靠，进一步的，可将换热单元引出到非发热元件工作区，这时换热单元便可以采用水冷；当应用在周围环境温度高的工作区时，换热单元可引出到环境低温处，直接采用自然风冷或风机风冷，极大的降低系统功耗；当自然环境较差或发热元件需要低温工作时，换热单元的换热形式是压缩机制冷。因此，换热单元可以采用任何换热形式。

本实用新型所述非相变超导传热工质按使用温度区分，可满足不同工作环境：

所述非相变超导内循环散热系统在温度为0～200K的环境中运行，所述非相变超导传热工质采用单元素形式的纯化学物质和化合物。所述纯化学物质是氦、氩、氪、氮或氧，所述化合物是乙烷或氟利昂。

所述非相变超导内循环散热系统在温度为200～550K的环境中运行，所述非相变超导传热工质采用氟利昂、氨、酒精、丙酮、水或某些有机化合物。

所述非相变超导内循环散热系统在温度为500～750K的环境中运行，所述非相变超导传热工质采用硫磺、水银、碱金属或者某些化合物，如导热姆换热剂。

所述非相变超导内循环散热系统在温度大于750K的环境中运行，所述非相变超导传热工质采用钾、钠、锂、铅、银、铟或其它高熔点的金属，可达到极高的轴向传热密度。

本实用新型所述非相变超导内循环散热系统是在环境温度下将非相变超导传热工质充装满整个循环回路，然后加温至设计温度，有部分非相变超导传热工质从循环回路中溢出再封装并冷却至环境温度后制成。本实用新型工质的充装方法简单快捷，真空度好，可避免不同工质因膨胀系数不同而引起的繁琐操作，并保证系统的充装量。

与现有技术相比，本实用新型具有如下显著的效果：

⑴本实用新型可及时快速地将大热流、大热量散发出去，热流密度大，传热效率高，可达30～2000W/㎡，为发热元件提供适宜的工作温度，并且因非相变超导传热工质内循环优良的均温性使得发热元件均温，工作状态均衡，延长使用寿命。

⑵本实用新型的非相变超导传热工质快速循环，快速均温，远距离传热温差小，最小可达±0.5℃。

⑶本实用新型使用时无方向、空间要求，可以实现反重力传导。

⑷本实用新型的传热方向可控，工质循环方向可控，功率可控，响应速度可控。

⑸本实用新型可广泛适用于各种结构形式的散热系统，各种工作环境，满足各种散热要求。

⑹本实用新型采用溢出法进行充装，简单快捷，真空度好，可避免不同工质因膨胀系数不同而引起的繁琐操作，并保证系统的充装量。

⑺本实用新型适用于激光、武器核心部件冷却、超级计算机核心部件冷却、推进器冷却(航空、航天、导弹推进设备冷却)、专用设备军事隐身以及熔体急冷的非晶金属制备等领域，适用领域十分广泛。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的详细说明。

图1是本实用新型实施例1的结构示意图；

图2是本实用新型实施例1的工作原理示意图(未工作时)；

图3是本实用新型实施例1的工作原理示意图(工作时)；

图4是本实用新型实施例2的结构示意图；

图5是本实用新型实施例2循环泵的结构示意图；

图6是本实用新型实施例2的工作原理示意图(未工作时)；

图7是本实用新型实施例2的工作原理示意图(工作时)。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，是本实用新型一种非相变超导内循环散热系统，它包括非相变传热管路1、热收集器2和换热单元3，热收集器2和换热单元3通过非相变传热管路1连通并形成一循环回路，该循环回路内有非相变超导传热工质4，热收集器2收集发热元件的热量，同时加热非相变超导传热工质4，非相变超导传热工质4沿着非相变传热管路1流动，将热量传至换热单元3，由换热单元3将热量传导出去，换热后的非相变超导传热工质4沿着非相变传热管路1流回热收集器2，进行下一次循环过程。

非相变传热管路1一般采用高强度的金属管(如铜、铝、不锈钢、合金钢)并保证满足与非相变超导传热工质相容性的要求，非相变传热管路的横截面可以是标准圆形，也可以是异型，管径与管长及管路结构无要求。

热收集器的具体结构根据发热元件的结构进行设计，其没有固定结构形式，但应当尽量做到热收集器与发热元件的接触面积大，以便实现最大程度的热量收集。在本实施例中，热收集器主要由并列排布的若干纵向支路和一对横向管路组成，支管的两端分别连接在横向管路上。若干条纵向支路可以实现对发热元件热量的有效收集。

换热单元与流动在非相变传热管路内的非相变超导传热工质换热。即通过非相变传热管路将热量引出与换热单元进行热交换，换热单元可以采用任何换热形式，可为液冷或气冷及压缩机制冷。例如，当本系统应用于发热元件工作区时，循环回路内可充装泄露后为气态的工质，例如R134a、R22等，避免使用水为工质时由于泄露引起的短路问题，安全可靠，换热单元的换热形式可以是液冷或气冷或压缩机制冷。例如，可将换热单元引出到非发热元件工作区，这时换热单元便可以采用水冷；当应用在周围环境温度高的工作区时，换热单元可引出到环境低温处，直接采用自然风冷或风机风冷，极大的降低系统功耗；当自然环境较差或器件需要低温工作时，可以采用压缩机制冷。

非相变超导传热工质按使用温度区分，可满足不同工作环境：非相变超导内循环散热系统在温度为0～200K的环境中运行，非相变超导传热工质采用单元素形式的纯化学物质和化合物。纯化学物质是氦、氩、氪、氮或氧，化合物是乙烷或氟利昂；非相变超导内循环散热系统在温度为200～550K的环境中运行，非相变超导传热工质采用氟利昂、氨、酒精、丙酮、水或某些有机化合物；非相变超导内循环散热系统在温度为500～750K的环境中运行，非相变超导传热工质采用硫磺、水银、碱金属或者某些化合物，如导热姆换热剂；非相变超导内循环散热系统在温度大于750K的环境中运行，非相变超导传热工质采用钾、钠、锂、铅、银、铟或其它高熔点的金属，可达到极高的轴向传热密度。

本实用新型的工作原理如下：

对本实用新型非相变超导内循环散热系统进行防泄露检验，确保系统无泄露后进行工质充装，在本系统静置，即不启动工作也不加温时进行非相变超导传热工质充装。以使用水为非相变超导传热工质为例，在环境温度下对管路进行充装，使水充满整个管腔，然后对装置进行加温至使用温度(或称设计温度)管腔内水由于受热膨胀少量溢出，此时管腔内的水充满整个管路，充装量远大于相变热管充装量，在此状态下对管路进行封装，充装完毕，冷却到环境温度后管路上方存在稀少真空区10，如图2所示，这种溢出充装的方式简单快捷，可保证良好的真空度。可避免不同工质因膨胀系数不同而引起的繁琐操作，并保证系统的充装量。

如图3所示，本系统工作时，通过持续加热、升温，稀少真空区附近的水产生低温蒸汽，真空逐渐消失，继续加热，非相变传热启动，管腔内的水产生液相扩张同时压缩气相工质，直至水充满整个管腔，只在上方极小部分留有少量饱和蒸汽空间，当这一膨胀做功的过程趋于稳定后，热管达到其使用环境(或称为设计环境)。这时管腔内的水呈气液混合态，水分子间隙大于大气压下的液体水分子间隙并且小于气体水分子间隙，传热依靠微观水分子或水分子团的相互作用，此时传热效果最优，由于受热处与非受热处的温差提供了自然驱动力，管腔内的水开始快速地自然流动(图示箭头方向)，而由于受热处持续加热，较低温的水与受热处的水持续产生温差，如此，管腔内的水快速循环流动，具有高导热性和均温性，并且任意点受热均可实现传热，可实现反重力性。

热收集器收集需散热发热元件的热量，同时对系统内非相变超导传热工质加热，通过持续加热系统启动，系统内工质自然循环将热量快速传导至换热单元，换出热量，换热后的低温的非相变超导传热工质在系统中继续循环，构成整个散热系统，从而为器件提供适宜的工作温度，并且因超导内循环优良的均温性使得器件均温，工作状态均衡，延长使用寿命。热收集器与需要散热的发热元件接触换热，进行热收集，并且热收集器中设置有与非相变传热管路相连通的通道，因为超导内循环机理可实现任一点受热均可运行，所以热收集器可设置在系统的任何位置。

同理，当依据具体使用环境而使用其他类非相变超导传热工质时同样使用溢出法进行工质充装，依靠微观分子传热实现高导热性、均温性和可反重力性。

实施例2

如图4所示，本实施例与实施例1的不同之处在于：非相变超导内循环散热系统还包括用于驱动非相变超导传热工质流动的循环泵5，循环泵5设置在非相变传热管路1的内部。

循环泵5可在其所处环境压力相对大气压力较高时做功，如图5所示，循环泵5由叶轮6、叶窗式固定架7、电动机8和壳体9组成，循环泵5满足与非相变超导传热工质的相容性要求。循环泵具有以下特点：

⑴循环泵的壳体起到承受压力的作用；

⑵循环泵壳体进出口经过设计保证运行时壳体内工质满腔使壳体内部各处压力相同(即内部承压相同)，故循环泵即使在所处环境压力相对大气压力较高时依然可以安全做功。例如，在循环泵壳体设置进口将工质吸入，而依靠电动机带动叶轮旋转运作使工质进入并充满壳体之后再将工质推出壳体(即工质的推出是依靠工质充满壳体内腔后的溢出)，如此保证运行时壳体内工质满腔，壳体内部各处压力相同，使得循环泵运行不受环境压力影响。壳体具体设计方法根据不同使用位置，以保证循环泵壳体内部满液运行为原则，可设置不同的进出口位置和角度。

⑶在循环泵的工作过程中，所消耗的能量主要用于抵抗工质的流动摩擦力及流动阻力，因循环泵壳体内部各处压力相同，故叶轮旋转时所受阻力较小，消耗能量就小。

⑷循环泵的设置使管路在原有自然循环基础上进一步推动液体工质沿循环泵驱动方向(图5中A方向)高速循环运动，提升了换热效率、均温速度和热流密度，且可以实现反重力传导。

本实用新型的工作原理如下：

对系统进行防泄露检验，确保系统无泄露后进行工质充装，充装方式同上述实施例1的充装方法，仍采用溢出法，在装置静置时充装至非相变超导传热工质充满整个系统，然后对系统进行加温至使用温度(或称设计温度)系统内工质由于受热膨胀少量溢出，此时系统内的充装量远大于相变热管充装量，对系统进行封装，充装完毕，冷却到环境温度后管路上方存在稀少真空区10，如图6所示，这种溢出充装的方式可保证良好的真空度。

如图7所示，系统工作时，热收集器收集需散热发热元件的热量，通过循环泵加速非相变超导传热工质内循环(图示箭头方向)，将热量快速传导至换热单元，换出热量，换热后的低温非相变超导传热工质在系统中继续循环，构成整个散热系统，从而为器件提供适宜的工作温度，并且因超导内循环优良的均温性使得器件均温，工作状态均衡，延长使用寿命。

与实施例1的工作原理同理，如图6所示，在工作前的状态，有一部分为稀少真空区，其它部分为满液状态，当对非相变传热管路加热启动后，为图7的工作状态，稀少真空区立刻消失，工质状态为气液混合态，但因循环泵带动加热液体循环运动，传热效果更加明显，对超快速换热有大幅度提升。采用自动+被动式传热方式，具有更强的环境适应性，结构适应性，空间适应性，不论将其做成不同的结构形状，还是用于重力场与非重力场均能实现较小温差即可启动，并且传热方向可控，工质循环方向可控，功率可控。

本实用新型的实施方式不限于此，根据本实用新型的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本实用新型上述基本技术思想前提下，本实用新型的非相变超导传热工质、热收集器的结构、换热单元的换热形式等还有其它的实施方式。因此，本实用新型还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更，均落在本实用新型权利保护范围之内。

Claims (10)

1.一种非相变超导内循环散热系统，其特征在于：它包括非相变传热管路、热收集器和换热单元，所述热收集器和换热单元通过非相变传热管路连通并形成一循环回路，该循环回路内有非相变超导传热工质，所述热收集器收集发热元件的热量，同时加热非相变超导传热工质，非相变超导传热工质沿着非相变传热管路流动，将热量传至换热单元，由换热单元将热量传导出去，换热后的非相变超导传热工质沿着非相变传热管路流回热收集器，进行下一次循环过程。

2.根据权利要求1所述的非相变超导内循环散热系统，其特征在于：所述非相变超导内循环散热系统还包括用于驱动非相变超导传热工质流动的循环泵，所述循环泵设置在所述非相变传热管路的内部。

3.根据权利要求1或2所述的非相变超导内循环散热系统，其特征在于：所述非相变超导内循环散热系统是在环境温度下将非相变超导传热工质充装满整个循环回路，然后加温至设计温度，有部分非相变超导传热工质从循环回路中溢出再封装并冷却至环境温度后制成。

4.根据权利要求3所述的非相变超导内循环散热系统，其特征在于：所述换热单元引出至非发热元件工作区，所述换热单元的换热形式为液冷；或者所述换热单元引出至低温环境中，所述换热单元的换热形式为风冷；或者所述换热单元的换热形式为压缩机制冷。

5.根据权利要求4所述的非相变超导内循环散热系统，其特征在于：所述非相变超导内循环散热系统应用于发热元件工作区，所述非相变超导传热工质采用泄露后为气态的工质。

6.根据权利要求3所述的非相变超导内循环散热系统，其特征在于：所述非相变超导内循环散热系统在温度为0～200K的环境中运行，所述非相变超导传热工质采用单元素形式的纯化学物质和化合物。

7.根据权利要求6所述的非相变超导内循环散热系统，其特征在于：所述纯化学物质是氦、氩、氪、氮或氧，所述化合物是乙烷或氟利昂。

8.根据权利要求3所述的非相变超导内循环散热系统，其特征在于：所述非相变超导内循环散热系统在温度为200～550K的环境中运行，所述非相变超导传热工质采用氟利昂、氨、酒精、丙酮或水。

9.根据权利要求3所述的非相变超导内循环散热系统，其特征在于：所述非相变超导内循环散热系统在温度为500～750K的环境中运行，所述非相变超导传热工质采用硫磺、水银或者碱金属。

10.根据权利要求3所述的非相变超导内循环散热系统，其特征在于：所述非相变超导内循环散热系统在温度大于750K的环境中运行，所述非相变超导传热工质采用钾、钠、锂、铅、银或铟。