CN208523114U - 冷板及具有其的制冷系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种冷板及一种制冷系统。冷板包括上盖板、第一密封元件、本体、第二密封元件、导热板、进口管和出口管。其中冷板包括中空的上腔体和下腔体，上腔体和下腔体由中隔板分隔开来，在中隔板上构造有均匀分布的细长节流槽道。制冷系统包括所述冷板、压缩机、冷凝器、冷凝风扇、连接管路、制冷剂、夹紧装置等。压缩机工作时，高压液态制冷剂由进口管进入冷板的上腔体，经过节流槽道节流降压，在下腔体中产生喷雾射流，冲击导热板的上表面，带走与导热板下表面相接触的发热元件的热量。本实用新型结构紧凑，热流密度大，并可将发热元件冷却到环境温度以下。

Description

冷板及具有其的制冷系统

技术领域

本实用新型提供一种冷板和基于该冷板的制冷系统，属于传热和制冷领域。

背景技术

冷板是指只有一种流体参与换热的换热器，通常用于电子设备散热领域。冷板通常由导热较好的金属制成，在其内部通以冷却介质，使用时冷板表面和发热元件表面直接接触，发热元件通过导热的方式将热量传递给冷板后，冷板再将热量以对流形式传递给其内部的冷却介质，吸热后的冷却介质温度升高并流出冷板，冷却介质在冷板外降温后再返回冷板循环使用，从而将发热元件产生的热量源源不断地带走，维持发热元件表面的温度在一定范围内。

现有的冷板通常是单相冷板，即冷板内部流通的是单相冷却介质，比如液态水等，此时冷板带走的热量等于单相流体显热的变化，也就是单相冷却介质温升过程中所吸收的热量。受单相流体比热小、温升范围有限等因素的制约，单相冷板的冷却能力有限，难以适应发热元件的热流密度很大的场合，因此亟待改进。

蒸发相变吸热是一种高效的传热方式，例如，水蒸发的吸热量是温升为10℃的液体水吸热量的58倍。因此如果将单相冷板内的冷却介质改为相变介质，将带走热量的方式由液体温升吸热改为两相流体的蒸发吸热，可以大幅提升冷板的换热能力。

射流技术是蒸发相变与冷却循环系统的结合，这种技术是通过高压泵将液态冷却介质加压，然后通过微喷嘴把冷却介质雾化后喷向冷却对象，冷却介质受热后汽化(蒸发相变) 带走热量。射流冷却的吸热量远大于液体对流冷却，也大于常规的相变蒸发冷却。但现有的射流冷却技术通常只能把被冷却元件的温度维持在环境温度以上，在某些需要使被冷却元件的温度低于环境温度的场合就显得力不从心。另外，微喷嘴前的压力越高，则射流的雾化效果越好，现有的射流冷却方案都是使用泵来对冷却介质进行增压的，而泵的增压能力相比压缩机的增压能力来说非常有限，从而限制了射流冷却效果的进一步提高。

发明内容

本实用新型提供一种具有高热流密度，可在单一器件中完成制冷剂的节流、喷射和蒸发的冷板，所述冷板采用制冷剂进行两相蒸发换热，相比于采用单相流体进行换热的冷板效率更高，且结构紧凑，易于实现小型化和微型化，可广泛应用于大功率光电子元件散热领域。

本实用新型综合利用了射流冷却技术和制冷技术。

本实用新型是通过以下技术路径实现的：

首先在一块完整的本体材料上构造一个上部和下部均为半开放的中空腔体的结构，分别称为上腔体和下腔体。上腔体和下腔体之间由中隔板分隔开来，其中上腔体作为储存制冷剂的储液室，下腔体作为容纳制冷剂蒸发的蒸发室。

然后在本体的中隔板上构造很多直径很小的、在平面上均匀分布的细长小孔，作为制冷剂的节流槽道，节流槽道连通上腔体和下腔体。

在上腔体的上端面和下腔体的下端面的四周构造有环形的密封槽，密封槽分别包围所述上腔体和下腔体，在密封槽中分别放置第一密封元件和第二密封元件。

作为制冷剂进出冷板的通道，在上腔体的侧面构造进口孔，并在下腔体的侧面构造出口孔。

再在本体的上面设置上盖板，上盖板盖住上腔体的上端面，以及放置在上端面的密封槽中的第一密封元件，使得上腔体密封。

再在本体的下面设置下盖板，下盖板盖住下腔体的下端面，以及放置在下端面的密封槽中的第二密封元件，使得下腔体密封。

最后在进口孔中安装进口管，在出口孔中安装出口管，从而构成所述的具有制冷剂节流、喷射和蒸发冷却功能的冷板。

更进一步，本实用新型还提供了一种具有冷板的制冷系统。所述具有冷板的制冷系统是在所述冷板的基础上，加上压缩机、冷凝器、连接管路、冷凝风扇等部件，并充注适当的制冷剂而构成的。当压缩机工作时，使制冷剂气体压缩，压力升高，高压的气态制冷剂进入冷凝器并放热，放出的热量被由冷凝风扇强迫对流的空气带走，放热后的高压气态制冷剂冷凝成高压液态制冷剂，由进口管进入所述冷板的上腔体，随后通过中隔板上的节流槽道流进所述冷板的下腔体，在高压液态制冷剂通过细长的节流槽道时，流速升高，而压力降低，从而使制冷剂在流出细长的节流槽道时产生雾化，并在下腔体中形成速度很高的射流。此雾状射流冲击所述冷板底部的导热板的上表面，在导热板的上表面产生剧烈的蒸发相变换热，从而大量吸收与导热板的下表面相接触的发热元件的热量。由于射流换热具有很高的换热系数，因此可使具有高热流密度的发热元件得到有效冷却。吸收了热量后的制冷剂蒸发成气体，由所述冷板的出口管流出，并返回压缩机的吸气口，在压缩机中重新被压缩成高压的制冷剂气体。如此循环往复。

本实用新型的有益效果主要体现在：

一、在本实用新型中，由于冷板带走热量的方式不是依靠单相流体的温升，而是靠制冷剂的两相蒸发，由于两相流体的蒸发潜热远大于单相流体温度变化所产生的焓差，因此本实用新型所述的冷板比常规的单相冷板具有大得多的换热能力。

二、由于本实用新型所述冷板采用制冷剂而不是单相流体作为冷却介质，因此在喷射蒸发后的饱和温度可低于环境温度，可使被冷却元件的温度保持在环境温度以下，即所述冷板不仅具有散热能力，还具有制冷效应，这是常规的冷板所做不到的。

三、所述冷板的中隔板上的节流槽道不仅起到制冷剂节流的作用，还起到类似微喷嘴的作用，将两者的功能合二为一，结构更为紧凑，同时由于节流槽道的数量众多，因此制冷剂节流雾化后总的表面积很大，从而进一步增强了表面蒸发换热能力。

四、与常规喷射冷却技术和单相冷板技术中采用泵作为冷却介质的循环元件和增压元件不同，本实用新型中的增压元件为压缩机。由于压缩机的升压能力比泵要大得多，因而可在系统的节流槽道前后产生更大的压差，而压差越大，射流的初始动能也就越大，射流冲击的换热效果也就越好。

五、由于储液、节流(喷射)、蒸发、导热都在同一个部件中完成，冷板和制冷系统的结构都非常紧凑，易于实现小型化和微型化，特别适合于冷却微处理器、激光器等体积小、功率密度大的发热器件。

附图说明

图1是所述冷板的一个具体实施方式的外观示意图。

图2是所述冷板的组成结构示意图(爆炸视图)。

图3是所述本体的形状示意图。

图4是所述本体的内部结构示意图(剖面视图)。

图5是所述冷板的内部剖面视图。

图6是所述具有冷板的制冷系统的流程图。

具体实施方式

本实用新型的第一方面实施例，提供了一种冷板，如图1～图5所示。

图1是所述冷板的一个具体实施方式的外观示意图，图2是所述冷板的组成结构示意图(爆炸视图)。如图1和图2所示，所述冷板100从上到下依次包括上盖板1、第一密封元件2、本体3、第二密封元件4和导热板5，此外还包括进口管6和出口管7。

图3是所述本体3的形状示意图(顶视图)，图4是所述本体3的内部结构示意图(剖面视图)。如图4所示，本体3的上部为半开放的、中空的上腔体3f，在上腔体的侧面开有进口孔3a；本体3的下部为半开放的、中空的下腔体3g，在下腔体的侧面开有出口孔3b；在所述上腔体3f和下腔体3g之间为中隔板3h，在中隔板上加工有很多呈均匀分布的直径很小的细长节流槽道3e，节流槽道3e垂直于中隔板3h和导热板5，节流槽道3e的两端分别连通上腔体3f和下腔体3g。改变中隔板3h的厚度和节流槽道3e的直径，可以调节流经中隔板3h的制冷剂的压差，从而调节射流的喷射长度和扩散角度；改变节流槽道3e的数量，即改变微喷嘴的密度，可以改变每股射流所覆盖的面积。

如图3和图4所示，在本体3的上端面还加工有环形的第一密封槽3c，第一密封槽3c的开口与上腔体3f的开口均朝向本体3的上方，第一密封槽3c位于所述上腔体3f的外围。在第一密封槽3c中安装有第一密封元件2。

如图3和图4所示，在本体3的下端面还加工有环形的第二密封槽3d，第二密封槽3d的开口与下腔体3g的开口均朝向本体3的下方，第二密封槽3d位于所述下腔体3g的外围。在第二密封槽3d中安装有第二密封元件4。

如图1、图2和图5所示，上盖板1位于所述冷板100的最上方。上盖板1是一块完整的薄板，上盖板1起密封其下方的本体1的上腔体3f的作用。上盖板1和其下的本体3的上腔体3f组合，形成了中空的储液室，用于储存液态的高压制冷剂。

如图1、图2和图5所示，导热板5位于冷板100的最下方。导热板5是一块完整的薄板，导热板5起密封其上方的下腔体3g的作用，并作为喷射冷却的换热面；导热板5的下表面是平整的表面，作为和被冷却元件表面直接接触的面。优选地，导热板5的厚度尽量薄，以减小导热热阻。导热板5和其上的本体3的下腔体3g组合，形成了中空的蒸发室，用于提供制冷剂在其中蒸发的空间。

进口管6安装在本体3上的进口孔3a中，出口管7安装在本体3上的出口孔3b中。

由图5所示，是所述冷板100的内部结构示意图(剖面视图)，该图有助于理解本实用新型所述冷板的工作原理。高压液态制冷剂经进口管6、本体3的进口孔3a进入本体3的上腔体3f，并储存在上腔体3f中，然后液态制冷剂经过中隔板3h上的多个节流槽道3e流入下腔体3g。高压制冷剂流过节流槽道3e时，由于细长流道的节流降压作用，使得制冷剂压力迅速减小，同时流速迅速增加，到流出节流槽道3e时，制冷剂的压力能转化为动能，制冷剂雾化并形成射流，此雾化射流向下喷射到导热板5的上表面，在导热板5的上表面产生剧烈的对流和蒸发换热，具有极大的换热系数，可带走大量的经由导热板5的下表面传导到导热板5的上表面的热量。制冷剂吸热蒸发后变成低温低压的制冷剂气体，此制冷剂气体最后经出口管7流出冷板100。

本实用新型的第二方面实施例，提供了一种用于对大功率发热元件进行表面接触式降温的具有冷板的制冷系统1000，如图6所示。所述具有冷板的制冷系统1000包括所述冷板100、压缩机200、冷凝器300、冷凝风扇400、连接管路500，以及用于将冷板100固定到发热元件600的表面上去的夹紧装置700。发热元件600的上表面和冷板100的下表面紧密接触，夹紧装置700将冷板100和发热元件600夹紧，以减小冷板100的下表面和发热元件600的上表面之间的接触热阻。夹紧装置700同时压紧所述冷板100的上盖板1、第一密封元件2、本体3、第二密封元件4和导热板5，以实现整个冷板的密封。在所述的具有冷板的制冷系统1000的内部充有制冷剂。所述的发热元件600包括但不限于中央处理器(CPU)、微处理器(MPU)、图形处理器(GPU)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、半导体制冷片、激光器等。

根据本实用新型第二方面的实施例，只需在所述冷板100的外部连接上压缩机200、冷凝器300，并充注合适的制冷剂后，即构成一个完整的制冷系统。连接方法是：冷凝器300的出口和所述冷板100的进口管6相连，压缩机200的吸气口与所述冷板100的出口管 7相连，压缩机200的排气口与冷凝器300的进口相连。由压缩机200排出的高压气态制冷剂进入冷凝器300，在冷凝器300中进行冷凝放热，放出的热量被由冷凝风扇400所强迫对流的空气带走。高压气态制冷剂在冷凝器300中冷凝后变成高压的液态制冷剂，经进口管6 进入冷板100内部的上腔体3f。上腔体3f中的液态制冷剂在经由中隔板3h上的节流槽道3e 进入下腔体3g时压力降低、体积膨胀，变成低温低压的气液混合物，呈喷雾状向下射流，冲击位于冷板100最下层的导热板5的上表面。射流在导热板5的上表面上产生剧烈的热交换，吸收发热元件600产生的、经导热板5的下表面传导到导热板5的上表面的热量，从而维持发热元件600的温度在较低的温度范围。蒸发完成后的制冷剂则全部变成气态，经由出口管7流出冷板100，并返回到压缩机200的吸气口。制冷剂气体在压缩机200中被压缩后，重新变成高压的制冷剂气体，从而形成了一个完整的制冷循环。制冷剂在下腔体3g中蒸发时，饱和温度可低于环境温度，可使发热元件被冷却到环境温度以下。

根据本实用新型的一个可选实施例，所述冷板100也可以设置多个进口管6，以及多个出口管7，从而使制冷剂的流入和流出分配更均匀。

本实用新型所采用的使上盖板1和本体3之间，以及使导热板5和本体3之间密封的方法是采用密封元件，但本实用新型不限于使用密封元件。在一个可选实施例中，可以借助摩擦焊、钎焊、真空扩散焊等焊接方法来实现上盖板1和本体3之间，以及导热板5和本体 3之间的表面连接，从而实现上腔体3f和下腔体3g的密封。只要是借助于本实用新型所述的由中间多孔微节流槽道分隔的上、下腔体而构成的类似结构，可以实现制冷剂的储液、节流、喷射、蒸发等功能于一体的类似冷板，均属于本实用新型的保护范围。

在本实用新型的描述中，“上”、“下”、“上方”、“下方”、“侧面”、“顶部”、“底部”等指示方位的用语或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，是相对的，仅是为了便于描述本实用新型所作的简化描述，而不是指示或暗示所指的结构或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，对本实用新型的保护范围不构成任何限制。

Claims (8)

1.一种冷板，可在内部完成制冷剂的节流、喷雾射流和相变蒸发换热，并通过导热方式对与之接触的发热元件进行冷却，可将被冷却元件的温度降至环境温度以下，其特征在于：

所述冷板包括本体、上盖板、导热板、第一密封元件、第二密封元件、进口管和出口管；

所述本体的上部为半开放的、中空的上腔体，在上腔体的侧面开有进口孔；

所述本体的下部为半开放的、中空的下腔体，在下腔体的侧面开有出口孔；

所述上腔体和下腔体之间为中隔板，在中隔板上加工有很多呈均匀分布的、直径很小的细长节流槽道，节流槽道连通上腔体和下腔体，且节流槽道垂直于导热板；

高压液态制冷剂由所述进口管进入所述本体的上腔体，在流经所述本体的中隔板上的节流槽道时产生节流效应，在所述本体的下腔体中产生喷雾射流，冲击所述本体下方的导热板的上表面，吸收与导热板下表面相接触的发热元件传导到导热板上表面的热量并蒸发，变成低温低压的气态制冷剂，最后由所述出口管流出所述本体。

2.根据权利要求1所述的冷板，其特征在于：所述上盖板位于所述本体的上方，所述上盖板是一块完整的薄板。

3.根据权利要求1所述的冷板，其特征在于：所述导热板位于所述本体的下方；所述导热板是一块完整的薄板，其上表面作为喷雾射流的喷射表面，下表面作为与被冷却元件直接接触的表面。

4.根据权利要求1所述的冷板，其特征是：在所述本体的上端面还加工有环形的第一密封槽，第一密封槽的开口与上腔体的开口均朝向所述本体的上方，第一密封槽位于所述上腔体的外围，所述第一密封元件安装在所述第一密封槽中。

5.根据权利要求1所述的冷板，其特征是：在所述本体的下端面还加工有环形的第二密封槽，第二密封槽的开口与下腔体的开口均朝向所述本体的下方，第二密封槽位于所述下腔体的外围，所述第二密封元件安装在所述第二密封槽中。

6.根据权利要求1所述的冷板，其特征是：所述进口管安装在所述本体的进口孔中，并和所述本体的上腔体连通；所述出口管安装在所述本体的出口孔中，并和所述本体的下腔体连通。

7.一种具有冷板的制冷系统，其特征是：其包括权利要求1所述的冷板，此外还包括压缩机、冷凝器、冷凝风扇、连接管路、制冷剂，以及夹紧装置。

8.根据权利要求7所述的具有冷板的制冷系统，其特征是：所述压缩机的吸气口通过连接管路与所述冷板的出口管相连，所述压缩机的排气口通过连接管路与所述冷凝器的进口相连，所述冷凝器的出口通过连接管路与所述冷板的进口管相连，所述冷凝风扇用于带走所述冷凝器释放的冷凝热，所述制冷剂充注在所述具有冷板的制冷系统内部，所述夹紧装置将所述具有冷板的制冷系统中的冷板固定在发热元件的表面上，并压紧所述冷板中的第一密封元件和第二密封元件以实现冷板的密封，当所述压缩机和所述冷凝风扇运转时，所述制冷剂在所述冷板的内部循环并产生节流、喷雾射流和蒸发制冷效应，带走与所述冷板接触的发热元件表面的热量，从而维持发热元件表面的温度在一定范围内，特别地，可使发热元件表面的温度维持在环境温度以下。