CN103824823B - 内源流体换热系统 - Google Patents

Abstract

一种利用来自半导体集成模块内部结点工作热量为源动力的推动工质循环相变换热构成的内源流体换热系统，其特征是具有流体工质蒸发管、蒸发道、蒸发室的由节流阀连通循环的换热底板，通过功率结构工质配方剂量的相互匹配，进行两种方式的工质相变循环换热，一种是工质直接蒸发相变换热的方式，称直换式系统，另一种是工质先产气再蒸发的相变换热方式，称换式系统，即时产生工作热量即时通过相变循环进行换热与散热，根据各种类型大功率半导体集成模块的需要，达到定量管控其工作温升的目的，可以广泛地应用在各种计算机、电源、LED、功放、激光、雷达、红外等设备中。

Description

内源流体换热系统

技术领域

本发明涉及一种交换大功率半导体集成模块工作热量的装置，尤其是利用来自半导体集成模块内部结点工作热量为源动力的推动工质循环相变换热构成的内源流体换热系统。

背景技术

目前，半导体集成模块集成度越来越高，功率越来越大，伴随其工作产生的热量也越来越大，如果没有得力的散热降温方案，将成为“发热核心”而无法工作，例如：高集成300瓦LED在室温环境下，无论采用何种良导体制造的散热器，由于固体材料传导速度慢，几分钟内LED基板温度均会超过80℃以上而进入断电保护，在专用网络服务器、超级计算机机房特殊领域沿用普通良导体传导散热器，不针对半导体模块个体解决发热问题，由大型中央空调输送干燥低温空气通过封闭机箱形成的风道，一并有序换热，因消耗太多的水电，成本很高，不可能推广，然而不采用风道冷却，针对各种半导体模块个体专业解决发热问题，在开放环境中散热，当温度高于24℃时，被动的传导散热方式已经无法使其降到所适宜的工作温度，只有能动的低温换热方式才能管控这类热源的工作温升，现所有商品化降低工作温升的换热系统均未能以大功率半导体集成模块工作热量为源动力推动工质循环进行相变换热，也未能实现自体化、微型化，当涉及大功率能量形式转换时，一般采用压缩机制冷或制冷剂缓释介入，由管路将冷量输入半导体集成模块热端进行单一外源式换热，因其结构难以独立，耗能大，笨重，应激差，成本仍高，只能应用在个别允许拖带附件的大型设备上，虽然由良导体传导散热进步到流体换热散热，但仅是初级阶段，不能普遍地应用在各种大功率半导体集成模块上。

发明内容

为了克服现有换热系统的弊端，本发明提供一种适用于高温环境下换热的内源流体换热系统，该系统由工质循环相变换热装置通过换热底板换热面与半导体集成模块导热面紧密结合，首先利用的源动力是来自后者内部的工作热量，形成一体化无机械运动之热泵，简称为内源流体换热系统，通过功率结构工质配方及剂量的相互匹配，即时产生工作热量即时推动工质循环，即时发生工质相变即时加快循环，即时通过循环进行换热与散热，即时利用半导体集成模块工作热量进行传输转换而不积累自身的温升，形成内源工质循环相变换热系统，根据各种类型大功率半导体集成模块的需要，达到定量管控其工作温升的目的。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种具有流体工质蒸发管、蒸发道或蒸发室的由节流阀连通循环的换热底板，其底板的换热面与半导体集成模块导热面紧密结合，相对换热面的为散热面，当在底板的散热面上时，具有蒸发管或蒸发室，当在底板中时，具有蒸发道，换热底板的蒸发管、蒸发道或蒸发室与穿行在底板散热面上的散热翅片中的管路通过节流阀连接构成密封循环的内源流体换热系统，利用半导体集成模块的工作热量为內源动力，驱动换热底板的蒸发管、蒸发道或蒸发室内进行两种方式的工质循环相变换热，一种是工质直接蒸发相变换热的方式，称内源循环流体直接换热，简称直换式系统，第二种是工质先产气再蒸发的相变换热方式，称内源循环流体制冷换热，简称冷换式系统，这两种方式在循环管路结构与工质配方上是不同的，直换式换热底板具备蒸发管、蒸发道、蒸发室，冷换式换热底板具备产气道与蒸发道，工质配方均采用两种以上按一定比例配制的正压或负压下不同沸点的混合制冷剂，直换式采用的混合配方工质，达到工作温度时发生共沸，冷换式采用的混合配方工质，达到工作温度时不发生共沸，工质剂量与换热功率结构相互匹配，换热后的散热处理由循环系统中的冷凝管、散热翅片与外壳来进行，通过换热底板温度反馈调控工质循环相变换热的强度，实现定量管控自身的工作温升，根据各种类型的大功率半导体集成模块工作热量特性，由此构成内源流体换热系统。

本发明的有益效果是：当今半导体集成技术在不断提高速度、频率、功率中，虽然在减少电子紊流取得显著进步，但由于半导体材料性质伴随产生的工作热量是不能避免的，尤其是高集成度大功率且在高于28℃环境开放换热的半导体集成模块，内源流体换热系统始终是管控其工作热量所必需的技术方案，其中对管控能量形式转换而产生的热量，是不可或缺的保障性措施，制造成本比较低，可以广泛地应用在各种计算机、电源、LED、功放、激光、雷达、红外等设备中，保证其中的大功率半导体集成模块能够提高工作效率，减少热排量，甚至不用风扇散热，避免机械噪音与磨损，使各种半导体集成设备便于实现微型化、自体化、移动化，节能节水，实现网络绿色机房，均具有不可低估的效益。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1为本发明第一个实施例示意——内源循环流体直接换热系统。

图2为本发明第二个实施例示意——内源循环流体制冷换热系统。

图3为本发明第三个实施例示意——内源循环蒸发室流体直接换热系统。

图中：1.蒸发管 2.底板 3.散热面 4.换热面 5.半导体集成模块 6.节流阀 7.冷凝管 8.回流管 9.弦片 10.震荡器 11.产气道 12.蒸发道 13.气泡管 14.分馏口 15.分馏管 16.稀溶液管 17.汇流管 18.合成射流装置 19.吸收溶解管 20.浓溶液管 21.蒸发室 23.上端口 24.下端口

具体实施方式

图1为本发明第一个实施例示意，为显示清楚起见进行了拆分，将上部腾空并在底部做了局部剖视，其特征是蒸发管1附着在底板2的散热面3上，底板的换热面4与半导体集成模块5导热面紧密结合，流体工质通过节流阀6进入到蒸发管中由此构成换热底板，在底板散热面上还有散热翅片，穿插在散热翅片中的管路为冷凝管7，由蒸发管出发与冷凝管连接，冷凝管与回流管8连接，回流管通过在底板上的节流阀与蒸发管连接构成密封的直换式循环管路，其管路内工质采用两种以上按一定比例配制不同沸点的混合制冷剂，配方分为启动、易沸、共沸三个批次，这是针对启动时热量小而后跳跃性增大的热源，在直换式换热底板中，液态配方工质流经节流阀进入蒸发管起始处，该处就是换热底板换热面与半导体集成模块导热面紧密结合的区域，也是即时被蒸发管内工质所利用进行换热的区域，对热量十分敏感，启动组份份额最少为液气混相，只要稍有工作热量就能按结构方向启动循环，具备初始速度，当工作热量增大时，最大份额的易沸组份沸腾蒸发发生相变，由液态变为气态，气化压增大，按循环初速度方向提高速度，当工作热量达到额定温度时，连同中间份额所有不同沸点的工质发生共沸，共沸蒸发的气体顺势沿原速度方向进入循环，在不同步的沸腾蒸发中，大功率热量来临时不发生大的涡流，热量大小与循环速度呈正相关变化，形成良性的循环过程，工质按配方剂量利用了来自半导体集成模块的工作热量，由液态变成气态，发生相变，并按照结构循环方向促进循环快速带走热量，如此进行工质循环相变换热过程，即时实现对换热底板温升的管控，各种气化制冷剂经自体化散热翅片的散热在冷凝管中冷凝，到回流管，经汇流管溶合后再进入下一循环，在换热底板蒸发管内起始处安装一端固定的弦片9与两端固定的弦丝，并在其管路外相应位置安装震荡器10，利用震荡器产生的震荡施加在弦片上增加振幅，震荡施加在弦丝上增加震频，弦片与弦丝的震荡能有效地破坏液体张力，如此作为工质循环启动装置，造成气体便于提高腾出液体的几率，工质剂量也可以适度过盈，大幅度缩短从受热到沸腾的过程，相当于在通电的2秒钟内，不同沸点的工质中启动组分，几乎能够直接进入到沸腾，通过测试，安装启动装置后，可以提高一倍以上的蒸发初速度，非常有利于提高内源循环速度与换热效率，同时有效避开工质剂量精度高的工艺局限，由此构成内源循环流体直接换热系统。

图2为本发明第二个实施例示意，为清楚起见在两侧做了局部剖视，散热翅片未画全，其特征是在底板2中贯通的孔道构成产气道11与蒸发道12，底板的换热面4与半导体集成模块5导热面结合，流体工质通过节流阀进入到产气道和蒸发道中由此构成换热底板，产气道和蒸发道与底板的散热面3上穿行在散热翅片中的各种管路连接构成密封的冷换式循环管道，其管道内工质由两种以上高低不同沸点的混合制冷剂按一定比例配制而成，这是针对启动时热量来势凶猛而后功率不减、跳跃性不大的热源，形成低沸点制冷剂溶解于高沸点制冷剂的溶质与溶剂的溶液关系，并形成饱和浓度，在未接受半导体集成模块工作热量时，在冷换式换热底板的蒸发道中只含有一种以上溶质制冷剂的饱和气体，当开始接受工作热量时，首先由冷换式换热底板中流经节流阀6进入产气道中的浓溶液接受热量，产气道内的浓溶液中溶质迅速沸腾，大部分溶质以气泡方式从溶液中产生出来进入气泡管13，进行第一次产气换热，并以此推动气泡顺气泡管上升到分馏口14经锥形筛网破泡，气液分流，气体溶质与液体溶液分别进入各自的循环，气体溶质经分馏管15上行，进入冷凝管7经自体化的散热翅片散热冷凝后变成液气混合态的制冷剂，再流经节流阀6进入蒸发道起始处，由于换热底板集合产气与蒸发两种孔道，同时接受半导体集成模块工作热量，因而低沸点液气态制冷剂能够快速的沸腾蒸发，发生较为彻底的相变，进行第二次气化换热，其气化吸收潜热推动循环带走热量的能力达到制冷换热程度，高沸点溶剂不发生沸腾，产生出低沸点气体溶质后由浓溶液成为稀溶液，利用产生气泡时被推高的势能，漫出分馏口后顺气泡管外壁下行进入到稀溶液管16中，利用连通管效应经自体化翅片散热被压升至汇流管17处，在蒸发道末端进入汇流管前处安装合成射流装置18，通过其管内膜片的震荡吸入蒸发道末端气体溶质喷射到吸收溶解管19中，促进气体溶质快速溶解到流经汇流管侧口的稀溶液中，溶质在吸收溶解管中溶解吸收得越快，制冷循环的速度就越快，冷换式能力就越强，吸收气体溶质的稀溶液变成浓溶液进入浓溶液管20，浓溶液管通过节流阀与底板产气道相通，进行再循环，如此，利用半导体集成模块的工作热量，在换热底板内分气体与液体两个循环完成工质相变换热过程，即时实现对换热底板温升的管控，在换热底板产气道与蒸发道内起始处安装弦片或弦丝，并在其道外相应位置安装震荡源，能够引起弦片或弦丝在液态工质中震荡，提高产生气体溶质与蒸发气化的效率，由此构成内源循环流体制冷换热系统。

图3为本发明第三个实施例示意，为清楚起见做了中剖面视图，其特征是将底板2的散热面3封闭形成蒸发室21，在底板的换热面4与半导体集成模块5导热面紧密结合，流体工质通过节流阀6进入到蒸发室中由此构成换热底板，根据换热功率，围绕蒸发室引出一定数量的分流冷凝管7，分流冷凝管上端口23与蒸发室顶部密封，下端口24经汇流管17集合后经节流阀引入底板上蒸发室中，构成密封的蒸发室直换式循环管路，蒸发室及管路内工质采用两种以上水基配制不同沸点的混合制冷剂，工质利用了来自半导体集成模块的工作热量，在蒸发室内分别沸腾直到共沸，部分发生相变换热，由液态变成汽气态，上升到顶部进入分流管，由上而下进行循环散热，即时实现对换热底板温升的管控，由此构成内源循环蒸发室流体直接换热系统。

Claims (4)

1.一种利用来自半导体集成模块内部结点工作热量为源动力的推动工质循环相变换热构成的内源流体换热系统，其特征是具有流体工质蒸发管、蒸发道或蒸发室的由节流阀连通循环的换热底板，其底板的换热面与半导体集成模块导热面紧密结合，相对换热面的为散热面，当在底板的散热面上时，具有蒸发管或蒸发室，在底板中时，具有蒸发道，换热底板的蒸发管、蒸发道或蒸发室与穿行在底板散热面上的散热翅片中的管路通过节流阀连接构成密封循环的内源流体换热系统，利用半导体集成模块的工作热量为内源动力，驱动换热底板的蒸发管、蒸发道或蒸发室内进行两种方式的工质循环相变换热，一种是工质直接蒸发相变换热的方式，称内源循环流体直接换热，简称直换式系统，第二种是工质先产气再蒸发的相变换热方式，称内源循环流体制冷换热，简称冷换式系统，这两种方式在循环管路结构与工质配方上是不同的，直换式换热底板具备蒸发管、蒸发道、蒸发室，冷换式换热底板具备产气道与蒸发道，工质配方均采用两种以上按一定比例配制的正压或负压下不同沸点的混合制冷剂，直换式采用的混合配方工质，达到工作温度时发生共沸，冷换式采用的混合配方工质，达到工作温度时不发生共沸，工质剂量与换热功率结构相互匹配，换热后的散热处理由循环系统中的冷凝管、散热翅片与外壳来进行，通过换热底板温度反馈调控工质循环相变换热的强度，实现定量管控自身的工作温升，由此构成内源流体换热系统。

2.根据权利要求1所述的内源流体换热系统，其特征是：蒸发管(1)附着在底板(2)的散热面(3)上，底板的换热面(4)与半导体集成模块(5)导热面紧密结合，流体工质通过节流阀(6)进入到蒸发管中由此构成换热底板，在底板散热面上还有散热翅片，穿插在散热翅片中的管路为冷凝管(7)，由蒸发管出发与冷凝管连接，冷凝管与回流管(8)连接，回流管通过在底板上的节流阀与蒸发管连接构成密封的直换式循环管路，其管路内工质采用两种以上按一定比例配制的不同沸点的混合制冷剂，配方分为启动、易沸、共沸三个批次，在直换式换热底板中，液态配方工质流经节流阀(6)进入蒸发管起始处，该处就是换热底板换热面与半导体集成模块导热面紧密结合的区域，也是即时被蒸发管内工质所利用进行换热的区域，启动组份份额最少为液气混相，只要稍有工作热量就能按结构方向启动循环，具备初始速度，当工作热量增大时，最大份额的易沸组份沸腾蒸发发生相变，由液态变为气态，气化压增大，按循环初速度方向提高速度，当工作热量达到额定温度时，连同中间份额所有不同沸点的工质发生共沸，共沸蒸发的气体顺势沿原速度方向进入循环，工质按配方剂量利用了来自半导体集成模块的工作热量，由液态变成气态，发生相变，并按照结构循环方向促进循环快速带走热量，如此进行工质循环相变换热过程，即时实现对换热底板温升的管控，各种气化制冷剂经自体化散热翅片散热在冷凝管(7)中冷凝，到回流管经节流阀后再进入下一循环，在换热底板蒸发管内起始处安装一端固定的弦片(9)与两端固定的弦丝，并在其管路外相应位置安装震荡器(10)，利用震荡器产生的震荡施加在弦片上增加振幅，震荡施加在弦丝上增加震频，由此构成内源循环流体直接换热系统。

3.根据权利要求1所述的内源流体换热系统，其特征是：在底板(2)中贯通的孔道构成产气道(11)与蒸发道(12)，底板的换热面(4)与半导体集成模块(5)导热面结合，流体工质通过节流阀进入到产气道和蒸发道中由此构成换热底板，产气道和蒸发道与底板的散热面(3)上穿行在散热翅片中的各种管路连接构成密封的冷换式循环管道，其管道内工质由两种以上高低不同沸点的混合制冷剂按一定比例配制而成，形成低沸点制冷剂溶解于高沸点制冷剂的溶质与溶剂的溶液关系，并形成饱和浓度，当开始接受工作热量时，首先由冷换式换热底板中流经节流阀(6)进入产气道中的浓溶液接受热量，产气道内的浓溶液中溶质迅速沸腾，大部分溶质以气泡方式从溶液中产生出来进入气泡管(13)，进行第一次产气换热，并以此推动气泡顺气泡管上升到分馏口(14)经锥形筛网破泡，气液分流，气体溶质与液体溶液分别进入各自的循环，气体溶质经分馏管(15)上行，进入冷凝管(7)经自体化的散热翅片冷凝后变成液气混合态的制冷剂，再流经节流阀(6)进入蒸发道起始处，由于换热底板集合产气与蒸发两种孔道，同时接受半导体集成模块工作热量，因而低沸点液气态制冷剂能够快速的沸腾蒸发，发生较为彻底的相变，进行第二次气化换热，其气化吸收潜热推动循环带走热量的能力达到制冷换热程度，高沸点溶剂不发生沸腾，产生出低沸点气体溶质后由浓溶液成为稀溶液，利用产生气泡时被推高的势能，漫出分馏口后顺气泡管外壁下行进入到稀溶液管(16)中，利用连通管效应经自体化的散热翅片散热后，被压升至汇流管(17)处，在蒸发道末端进入汇流管前处安装合成射流装置(18)，通过其管内膜片的震荡吸入蒸发道末端气体溶质喷射到吸收溶解管(19)中，促进气体溶质快速溶解到流经汇流管侧口的稀溶液中，稀溶液变成浓溶液进入浓溶液管(20)，浓溶液管通过节流阀与换热底板产气道相通，进行再循环，如此，利用半导体集成模块的工作热量，在换热底板内分气体与液体两个循环完成工质相变换热过程，即时实现对换热底板温升的管控，由此构成内源循环流体制冷换热系统。

4.根据权利要求1所述的内源流体换热系统，其特征是：将底板(2)的散热面(3)封闭形成蒸发室(21)，在底板的换热面(4)与半导体集成模块(5)导热面紧密结合，流体工质通过节流阀(6)进入到蒸发室中由此构成换热底板，根据换热功率，围绕蒸发室引出一定数量的分流冷凝管(7)，分流冷凝管上端口(23)与蒸发室顶部密封，下端口(24)经汇流管(17)集合后经节流阀引入蒸发室底部构成密封的直换式循环管路，蒸发室及管路内工质采用两种以上水基配制不同沸点的混合制冷剂，工质利用了来自半导体集成模块的工作热量，在蒸发室内分别沸腾直到共沸，由液态变成汽气态，上升到顶部进入分流管，由上而下进行循环散热，即时实现对换热底板温升的管控，由此构成内源循环蒸发室流体直接换热系统。