CN208242072U - 基于相变热能转换的散热系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于相变热能转换的散热系统，属一种散热系统，系统包括相变腔体，相变腔体的内部填充有相变介质，且相变腔体的任意一侧嵌入有热模块容置腔；相变腔体还通过第一管路与能量转变腔体相连通；能量转变腔体的内部活动安装有转轴，转轴上安装有动力叶片，动力叶片上设有压差调节孔；转轴延伸至能量转变腔体的外部；且能量转变腔体还通过第二管路与冷却腔相连通；冷却腔还通过第三管路与相变腔体相连通；相变介质在系统中进行冷凝液化前，首先将气态相变介质的势能转变为动能，且在第三管路上两个U型部的作用下，可防止液态的相变介质回流至冷却腔中，使其始终保持单向流动，有效提升了散热系统使用时的运行效率。

Description

基于相变热能转换的散热系统

技术领域

本实用新型涉及一种散热系统，更具体的说，本实用新型主要涉及一种基于相变热能转换的散热系统。

背景技术

随着电子技术的不断发展，高性能的芯片、高功率的发光二极管等电子器件不断涌现，这些电子器件在工作工程中会产生极高的热流，使电子器件温度迅速升高(尤其是电脑CPU、显卡等技术行业)，在高温下，电子器件会失效甚至烧毁，因此电子散热技术成为保证电子器件正常工作的关键。一般而言，大功率电子器件在运行过程中，约有70％以上能量将转化为热能，通过散热器散发出去，这些热能无法被利用，造成一定的资源浪费，同时大量的热量造成电子器件的温度升高，影响使用寿命，因此随着电子器件性能的不断提高，其对散热要求也会越来越高，而受制于安全运行和成本考虑，很多电子器件无法采用强制换热，因此，改善电子器件的散热结构成了提高散热效果的主要方案。目前，传统的风冷散热已经无法满足高热流密度的电子元件的散热需求。而另一种散热方式是水冷散热，水冷散热相对于风冷散热有巨大的优势，水的比热容大，对环境温度依赖小，散热效率高，但是水冷散热存在的液体泄漏风险，使得水冷在电子元件的散热领域受到一定的限制，同时一些大型水冷散热需要配置相对比较复杂的外循环管道，成本较高，且施工复杂；不适于在体积较小，且对成本要求较高的电子器件上安装使用，因而有必要针对电子器件上使用的散热系统的结构做进一步的研究和改进。

实用新型内容

本实用新型的目的之一在于针对上述不足，提供一种基于相变热能转换的散热系统，以期望解决现有技术中风冷及水冷散热的方式不适宜在对散热性能要求较高的电子器件上使用，且无法对热能进行回收利用等技术问题。

为解决上述的技术问题，本实用新型采用以下技术方案：

本实用新型一方面提供了一种基于相变热能转换的散热系统，所述的系统包括相变腔体，所述相变腔体的内部填充有相变介质，且相变腔体的任意一侧嵌入有热模块容置腔；所述相变腔体还通过第一管路与能量转换腔体相连通；所述能量转换腔体的内部活动安装有转轴，所述转轴上安装有动力叶片，所述动力叶片上设有压差调节孔；所述转轴延伸至所述能量转换腔体的外部；且所述能量转换腔体还通过第二管路与冷却腔相连通；所述冷却腔的任意一端上设有翅片组件，且所述冷却腔还通过第三管路与所述相变腔体相连通；所述第三管路呈S形弯曲并形成第一U型部与第二U型部，所述第一U型部与第二U型部的U型开口方向相反，且所述第一U型部弯曲的底部到冷却腔之间的直线距离，大于第一U型部弯曲的底部到第二U型部弯曲的底部之间的直线距离。

作为优选，进一步的技术方案是：所述热模块容置腔的其中一侧与外部相连通，且热模块容置腔的外壁上设有蒸发肋片，蒸发肋片置于所述相变腔体的内壁。

更进一步的技术方案是：所述能量转换腔体由动力叶片分隔为第一腔体与第二腔体，所述动力叶片的上下两端均与能量转换腔体的内壁之间保持间隙；且所述动力叶片的远端也与能量转换腔体的内壁之间保持间隙，所述动力叶片的远端呈圆弧形；所述第一腔体通过第一管路与所述热模块容置腔相连通，所述第二腔体通过第二管路与所述冷却腔相连通。

更进一步的技术方案是：所述动力叶片上的每一叶片上均设有压差调节孔，且每一叶片上的压差调节孔的数量不等；所述转轴延伸至所述能量转换腔体外部的一端上安装有风扇；所述风扇的出风位置与所述翅片组件的位置相对应。

更进一步的技术方案是：所述转轴延伸至能量转换腔体外部部分的外缘，与所述能量转换腔体之间设有旋转密封件。

更进一步的技术方案是：所述翅片组件包括吸热翅片与散热翅片，所述吸热翅片置于所述冷却腔的内壁，所述散热翅片置于所述冷却腔的外壁，且所述吸热翅片与散热翅片置于所述冷却腔的同一端上。

更进一步的技术方案是：吸热翅片、散热翅片与风扇置于同一侧。

更进一步的技术方案是：所述第一U型部与第二U型部的形状相同。

本实用新型另一方面还提供了一种基于热能转换的相变散热方法，所述的方法包括如下步骤：

步骤A、呈液态的相变介质在相变腔体中受热蒸发而吸热汽化，并经由第一管路进入能量转换腔体；

步骤B、呈气态的相变介质进入能量转换腔体的第一腔体中，使第一腔体的压力升高，在第一腔体与第二腔体形成的压力差作用下带动动力叶片转动，从而带动转轴上的风扇转动，风扇转动产生气流并流向翅片组件，然后呈气态的相变介质继续经由第二管路进入冷却腔；

步骤C、呈气态的相变介质在冷却腔中通过与翅片组件接触冷凝而放热液化，并经由第三管道回流至相变腔体中，且呈液态的相变介质在第三管道上的第一U型部与第二U型部两端液面一致的作用下，形成从冷却腔到相变腔体的单向流动。

作为优选，进一步的技术方案是：所述的方法采用上述的散热系统；所述方法中的步骤A至步骤C往复循环；所述相变介质为乙醇或氟利昂。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果之一是：在相变腔体的热传导作用下，使得其内部的相变介质在发热器件的热量作用下吸热而被蒸发汽化，然后首先进入能量转换腔体带动动力叶片转动，再然后进入冷却腔中放热而冷凝液化，即在相变介质在系统中进行冷凝液化前，首先将气态相变介质的势能转变为动能，从而可对发热器件的热能进行回收利用；且在第三管路上两个U型部的作用下，可防止液态的相变介质回流至冷却腔中，使其始终保持单向流动，有效提升了散热系统使用时的运行效率，同时本实用新型所提供的一种基于相变热能转换的散热系统结构简单，安装方便，相变介质在各个腔体及管路中密封流动，适于对各类电子器件进行散热，应用范围广阔。

附图说明

图1为用于说明本实用新型一个实施例的结构示意图；

图2为图1的局部放大图；

图3为用于说明本实用新型另一个实施例中的相变腔体结构示意图；

图4为用于说明本实用新型另一个实施例中的能量转换腔体结构示意图；

图中，1为相变腔体、2为热模块容置腔、3为第一管路、4为能量转换腔体、41为第一腔体、42为第二腔体、5为转轴、6为动力叶片、61为压差调节孔、7为第二管路、8为冷却腔、81为上顶盖、9为翅片组件、91为吸热翅片、92为散热翅片、10为第三管路、101为第一U型部、102为第二U型部、11为蒸发肋片、12为风扇、13为旋转密封件。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步阐述。

参考图1所示，本实用新型的一个实施例是一种基于相变热能转换的散热系统，该系统包括相变腔体1，该相变腔体1的内部需填充相变介质，相变介质即图中a处所示的区域，再在相变腔体1的任意一侧嵌入一个热模块容置腔2，该热模块容置腔2即为用于电子器件散热的区域；然后将相变腔体1通过第一管路3与能量转换腔体4相连通；前述能量转换腔体4的内部活动安装有一根转轴5及轴承，该转轴5上安装有动力叶片6，当转轴5转动时，可带动动力叶片转动，反之亦然，当有外力推动动力叶片6转动时，转轴5也会跟着一同转动，即本实用新型中进行热能回收的关键；具体为在前述动力叶片6上设有压差调节孔61，该压差调节孔61的作用是对能量转换腔体4中不同腔体中的压力进行调节；为便于动力输出，需将前述转轴5延伸至能量转换腔体4的外部，进而当动力叶片6带动转轴5转动时，置于外部的转轴5部分的旋转力即可作为动力输出，可安装风扇12使其产生气流；此外，前述能量转换腔体4还需通过第二管路7与冷却腔8相连通；冷却腔8中需要安装散热部件，以快速冷却相变介质，本实施例采用的方式为在冷却腔8的任意一端上安装翅片组件9，通过相变介质与翅片组件9相接触，通过热传导的原理带走相变介质中的热量，实现快速冷却，相变介质在冷却腔8中放热后冷凝液化，同时冷却腔8还通过第三管路10与所述相变腔体1相连通；更为重要的是，前述第三管路10需设置为呈S形弯曲的形态，通过前述的S形弯曲形成图中所示的第一U型部101与第二U型部102，并且第一U型部101与第二U型部102的U型开口方向相反，且两个U型部的形状及大小最好均设置为相同；为避免液态的相变介质发生回流再次进入冷却腔8，需将第一U型部101弯曲的底部到冷却腔8之间的直线距离，设置为大于第一U型部101弯曲的底部到第二U型部102弯曲的底部之间的直线距离；即如图2所示，所示f段的距离，应大于g段的距离，从而利用U型管液面一致的原理避免液态相变介质上升回流入冷却腔8。而前述的相变介质可采用乙醇或氟利昂等利于蒸发和液化的介质。

在本实施例中，正如上述所提到的，在相变腔体的热传导作用下，使得其内部的相变介质在发热器件的热量作用下吸热而被蒸发汽化，然后首先进入能量转换腔体4带动动力叶片6转动，再然后进入冷却腔8中放热而冷凝液化，即在相变介质在系统中进行冷凝液化前，首先将气态相变介质的势能转变为动能，从而可对发热器件的热能进行回收利用；且在第三管路10上两个U型部的作用下，可防止液态的相变介质回流至冷却腔8中，使其始终保持单向流动，有效提升了散热系统使用时的运行效率。

正如图1所示出的，为便于在上述热模块容置腔中放置或取出发热器件，可将热模块容置腔2的其中一侧与外部相连通，同时为提升发热器件的热传导效率以及相变介质的吸热速度，亦可如图3所示的，在热模块容置腔2的外壁上设置多个蒸发肋片11，该蒸发肋片11需置于相变腔体1的内壁上，并与相变介质相接触。

进一步的，结合图4所示，上述能量转换腔体4中需要形成不同区域的压差，才能使动力叶片6持续的转动，因而能量转换腔体4需由动力叶片6分隔为第一腔体41与第二腔体42，为不影响动力叶片6在能量转换腔体4中转动，动力叶片6的上下两端均与能量转换腔体4的内壁保持间隙，并且动力叶片6的远端也均需与能量转换腔体4的内壁之间保持间隙，该间隙维持在1-2mm为宜，并且最好将动力叶片6的远端设置为圆弧形，以避免摩擦；如前述所描述的，第一腔体41通过第一管路3与热模块容置腔2相连通，第二腔体42通过第二管路7与冷却腔8相连通。

参考图1所示，在本实用新型的另一实施例中，可再在动力叶片6上的每一叶片上均设置压差调节孔61，并且每一叶片上的压差调节孔61的数量不等，以便于根据压力的大小调节两个腔体的压力差值；然后在转轴5延伸至能量转换腔体4外部的一端上安装风扇12，并使风扇12的出风位置与所述翅片组件9的位置相对应，如图中所示出的，风扇与翅片组件9的高度差值范围可保持在5-10mm，即该风扇12由动力叶片6的通过转轴5带动转动，产生的气流用于翅片组件9散热，以加速相变介质在冷却腔8中冷凝的速度，即将气态相变介质的热能回收用于加速其放热液化。进一步的，为提升能量转换腔体4的密封性，可在转轴5延伸至能量转换腔体4外部部分的外缘，与所述能量转换腔体4之间设有旋转密封件13。

仍然参考图1所示，在本实用新型的又一个实施例中，为提升上述冷却腔8的散热效率，发明人还对上述翅片组件9做了进一步改进，具体为将其设置为吸热翅片91与散热翅片92组合的结构，并将吸热翅片91置于所述冷却腔8的内壁，散热翅片92置于冷却腔8的外壁，同时为保证两者的热传导效率，本实施例中需将吸热翅片91与散热翅片92置于冷却腔8的同一端上，并且吸热翅片91与散热翅片92需与上述风扇12置于同一侧，且两者的方向也需一直，相互之间的距离也不能太远，从而使风扇12产生的气流能帮助散热翅片92散热。

仍然参考图1所示，本实用新型的另一实施例是一种基于热能转换的相变散热方法，该方法优选使用上述实施例所描述的基于相变热能转换的散热系统来实现，该方法可按照下述步骤执行：

步骤S1、呈液态的相变介质在相变腔体1中受热蒸发而吸热汽化，并经由第一管路进入能量转换腔体4；

步骤S2、呈气态的相变介质进入能量转换腔体4的第一腔体41中，使第一腔体41的压力升高，在第一腔体41与第二腔体42形成的压力差作用下带动动力叶片6转动，从而带动转轴5上的风扇12转动，风扇12转动产生气流并流向翅片组件9，然后呈气态的相变介质a继续经由第二管路7进入冷却腔8；

步骤S3、呈气态的相变介质a在冷却腔8中通过翅片组件9冷凝而放热液化，并经由第三管道回流至相变腔体1中，且呈液态的相变介质在第三管道上的第一U型部101与第二U型部102两端液面一致的作用下，形成从冷却腔8到相变腔体1的单向流动。

在上述基于相变热能转换的散热系统使用中，上述步骤S1至步骤S2不断的往复循环。

正如上述实施例所描述的，本实用新型请求保护的基于相变热能转换的散热系统中，正如图中所示出的，热模块容置腔2呈矩形体，通过其五个面吸收发热器件产生的热量，避免热量散发到机箱内其它区域，使机箱内部的温度升高而影响其它电子元件的工作。对于发热量较高或体积较小的器件，亦可在热模块容置腔2中发热器件与相变腔体1之间增设传热效率更好的材料进行导热，从而避免发热器件与相变腔体外侧由于存在间隙产生接触热阻。

而后，利用在管路中流动相变介质，带走置于热模块容置腔2中发热器件的热量，于此同时，相变介质受热蒸发为气态，在进行冷凝放热前，先经过能量转换腔体4将热能转化为动能，动能转化的原理为：进入能量转换腔体4第一腔体41的为蒸发后的热蒸汽，由于温度升高其压力也会增大，而第二腔体702与冷却腔8连通，温度相对较低，压力也较小，因此动力叶片6的两端存在压力差，由此推动叶片6转动，即将气体的势能转化为功能，进而通过转轴5带动其端部的风扇12转动，产生流动的气流吹向散热翅片92。进行动力转换后的液态相变介质(蒸汽)再进入冷却腔8中液化，此时冷却腔8中吸热翅片91吸收的则是相变介质的余热，一定程度上也提升了冷却腔8对于相变介质冷凝的速度，冷凝液化后的相变介质首先进入第三管路10上的第一U型部，然后再进入第二U型部，由于图中所示的f大于g，U型管具有两端液面一致性的特性，即当第一U型部中的液面高度高于g时，液态相变介质则会自动进入第二U型部，然后回流至相变腔体1中重新吸热蒸发，即第一U型部中的液面高度最高不会超过g的高度，从而避免液态相变介质回流至冷却腔8，保证系统运行安全稳定，从而提升散热及热能回收的作业效率；并且，前述第三管路10上的两个U型部还可防止相变介质在第三管路10内受热后呈气态进入冷却腔8中。

除上述以外，还需要说明的是在本说明书中所谈到的“一个实施例”、“另一个实施例”、“实施例”等，指的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者特点包括在本申请概括性描述的至少一个实施例中。在说明书中多个地方出现同种表述不是一定指的是同一个实施例。进一步来说，结合任一实施例描述一个具体特征、结构或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点也落在本实用新型的范围内。

尽管这里参照本实用新型的多个解释性实施例对本实用新型进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开、附图和权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变型和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。

Claims (8)

1.一种基于相变热能转换的散热系统，其特征在于：所述的系统包括相变腔 体（1），所述相变腔体（1）的内部填充有相变介质（a），且相变腔体（1）的任意一侧嵌入有热模块容置腔（2）；所述相变腔体（1）还通过第一管路（3）与能量转换腔体（4）相连通；

所述能量转换腔体（4）的内部活动安装有转轴（5），所述转轴（5）上安装有动力叶片（6），所述动力叶片（6）上设有压差调节孔（61）；所述转轴（5）延伸至所述能量转换腔体（4）的外部；且所述能量转换腔体（4）还通过第二管路（7）与冷却腔（8）相连通；

所述冷却腔（8）的任意一端上设有翅片组件（9），且所述冷却腔（8）还通过第三管路（10）与所述相变腔体（1）相连通；

所述第三管路（10）呈 S 形弯曲并形成第一 U 型部（101）与第二 U 型部（102），所述第一 U 型部（101）与第二 U 型部（102）的 U 型开口方向相反，且所述第一 U 型部（101）弯曲的底部到冷却腔（8）之间的直线距离，大于第一 U 型部（101）弯曲的底部到第二 U 型部（102）弯曲的底部之间的直线距离。

2.根据权利要求 1 所述的基于相变热能转换的散热系统，其特征在于：所述热模块容置腔（2）的其中一侧与外部相连通，且所述热模块容置腔（2）的外壁上设有蒸发肋片（11），所述蒸发肋片（11）置于所述相变腔体（1）的内壁上。

3.根据权利要求 1 所述的基于相变热能转换的散热系统，其特征在于：所述能量转换腔体（4）由动力叶片（6）分隔为第一腔体（41）与第二腔体（42），所述动力叶片（6）的上下两端均与能量转换腔体（4）的内壁之间保持间隙；且所述动力叶片（6）的远端也与能量转换腔体（4）的内壁之间保持间隙，所述动力叶片（6）的远端呈圆弧形；所述第一腔体（41）通过第一管路（3）与所述热模块容置腔（2）相连通，所述第二腔体（42）通过第二管路（7）与所述冷却腔（8）相连通。

4.根据权利要求 1 或 3 所述的基于相变热能转换的散热系统，其特征在于：所述动力叶片（6）上的每一叶片上均设有压差调节孔（61），且每一叶片上的压差调节孔（61）的数量不等；所述转轴（5）延伸至所述能量转换腔体（4）外部的一端上安装有风扇（12）；所述风扇（12）的出风位置与所述翅片组件（9）的位置相对应。

5.根据权利要求 4 所述的基于相变热能转换的散热系统，其特征在于：所述转轴（5）延伸至能量转换腔体（4）外部部分的外缘，与所述能量转换腔体（4）之间设有旋转密封件（13）。

6.根据权利要求 1 所述的基于相变热能转换的散热系统，其特征在于：所述翅片组件（9）包括吸热翅片（91）与散热翅片（92），所述吸热翅片（91）置于所述冷却腔（8）的内壁，所述散热翅片（92）置于所述冷却腔（8）的外壁，且所述吸热翅片（91）与散热翅片（92）置于所述冷却腔（8）的同一端上。

7. 根据权利要求6 所述的基于相变热能转换的散热系统，其特征在于：所述吸热翅片（91）、散热翅片（92）与风扇（12）置于同一侧。

8.根据权利要求 1 所述的基于相变热能转换的散热系统，其特征在于：所述第一 U型部（101）与第二 U 型部（102）的形状相同。