CN113253819A - 一种余热回收型浸没式相变冷却系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种与热管相结合的余热回收型浸没式相变冷却系统。一种余热回收型浸没式相变冷却系统，包括第一冷却装置，还包括第二冷却装置，能量回收装置以及第三冷却装置；所述第一冷却装置用于对发热件进行热交换；所述第二冷却装置用于加强第一冷却装置的散热，所述能量回收装置回收第一冷却装置吸收的热量后为第三冷却装置提供动力源，所述第三冷却装置用于加强对第一冷却装置和第二冷却装置散热。本发明提供了一种余热回收型浸没式相变冷却系统，其具有体积小、均温性良好、高效散热、分级冷却、余热回收、能耗低等优点，适用于冷却电子器件，尤其是小型电子设备，如计算机系统里的发热零部件。
Description
技术领域
本发明涉及一种与热管相结合的余热回收型浸没式相变冷却系统。
背景技术
近年来，随着电子技术的快速发展，高性能芯片和集成电路的使用越来越广泛，电子芯片的功率越来越大，体积却逐渐减小。这种情况下，电子芯片单位面积功耗和发热量剧增，目前芯片热流密度已达300W/cm2。如此大的热量如果不能及时散去，造成电子器件不断升温，将会严重影响到电子器件运行的稳定性和寿命。据统计，有超55％的电子器件失效形式都是温度过高引起的，而传统风冷、水冷无法满足更高发热功率散热需求，且难以解决芯片局部热点的问题，因此找到更加合适的冷却技术，对电子设备运行温度进行有效控制至关重要。
浸没式相变制冷作为一种高效冷却技术，通过实验分析对比，冷却效率明显优于风冷、水冷等传统冷却方式，且具有良好均温性。传统浸没式相变冷却技术通常采用池沸腾与水冷相结合的方式，将发热零部件浸泡在电绝缘冷却液中，使电绝缘冷却液在发热零部件处受热蒸发，受热蒸汽在腔体上方有水通过的冷凝盘管处放热，热量由冷却水循环排放至环境，同时电绝缘冷却液蒸汽液化，重新回到腔体中完成循环。
然而这种浸没式相变冷却方式需要额外泵功驱动水循环，且冷却装置体积庞大，需要占用空间、提高投资成本，电绝缘冷却液相变产生的大量热能被浪费，因此还需要顺应电子器件小型化、集成化的发展趋势、响应“碳中和”、“碳达峰”号召，进一步改善浸没式相变冷却系统。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种余热回收型浸没式相变冷却系统，其具有体积小、均温性良好、高效散热、分级冷却、余热回收、能耗低等优点，适用于冷却电子器件，尤其是小型电子设备，如计算机系统里的发热零部件。
本发明所采用的技术方案是：
一种余热回收型浸没式相变冷却系统，其特殊之处在于：
包括第一冷却装置，
还包括第二冷却装置，能量回收装置以及第三冷却装置；
所述第一冷却装置用于对发热件进行热交换；
所述第二冷却装置用于加强第一冷却装置的散热，所述能量回收装置回收第一冷却装置吸收的热量后为第三冷却装置提供动力源，所述第三冷却装置用于加强对第一冷却装置和第二冷却装置散热。
优选地，上述第一冷却装置包括腔体，所述腔体内设有冷却液。
发热件放置在腔体内，部分或全部浸入冷却液中，冷却液吸收发热件产生的热量，蒸发，发生相变，大量气泡从发热零部件处冒出，产生热量被冷却液蒸汽带走。相变后蒸汽聚集在腔体上部空间。
优选地，上述第二冷却装置为热管，所述热管设置在腔体上部。
优选地，所述热管的蒸发段伸入腔体内，热管的冷凝段暴露在空气中。
为加强第二冷却装置的散热能力，所述热管优选导热铜管热管，数量为多个。
为加强第二冷却装置的散热能力，所述热管垂直设置。
为加强第二冷却装置的散热能力，多个热管阵列分布，例如，热管按多排分布，每排的热管等间距设置，相邻两排的热管错位设置。
优选地，上述能量回收装置包括集热装置、能量转换装置和散热件。
在本发明中的一些实施例中，所述集热装置为鳞片平板散热器，鳞片平板散热器包括一平板以及设置在平板上的多个肋板，所述肋板位于腔体内进行集热，平板部分暴漏于空气中；所述能量转换装置为半导体温差发电片，半导体温差发电片设置在鳞片平板散热器的平板上；所述散热件为热管散热器，热管散热器设置在半导体温差发电片上。所述温差发电片冷面紧贴所述热管散热器，热面紧贴所述鳞片平板散热器，通过导热硅脂连接，在其两端形成稳定温差。
在本发明中的一些实施例中，所述热管散热器由热管及翅片组成。
优选地，上述第三冷却装置包括风扇。
在本发明中的一些实施例中，风扇由一个电动机、风扇扇叶、金属支架组成，用于冷却热管散热器和导热铜管热管冷凝段。
优选地，上述腔体，为顶部开口的箱体，顶部开口有边沿，顶部被金属盖板覆盖密封。
优选地，上述金属盖板由上下两块盖板组成。
所述上盖板上设有大圆孔、数个小圆孔以及若干矩形孔，所述下盖板被加工成“回”字型，下盖板内侧尺寸与所述腔体外侧尺寸相同。
优选地，上述大圆孔用于所述腔体内中发热件的电源线接出，所述数个小圆孔用于安装所述导热铜管热管，所述矩形孔用于安装所述鳞片平板散热器。
优选地，上述大圆孔用航空插头密封，所述电子器件发热零部件电源线通过航空插头转接，对所述导热铜管热管、所述鳞片平板散热器与所述小圆孔、矩形孔采用焊接连接保证腔体密封性良好。
优选地，上述风扇安装在热管散热器前方，正对所述热管散热器。
优选地，上述金属支架固定在热管散热器前方，所述电动机与所述半导体温差发电片相连，所述半导体温差发电片为所述电动机提供电能。
与现有技术相比，
1)针对市面上浸没式相变冷却系统体积较大的问题。本发明采用池沸腾与热管相结合的方法，放弃了水循环冷却系统，大大减小了浸没式冷却系统体积、降低安装成本、节省空间；
2)针对传统浸没式相变冷却系统相变释放的大量热能被浪费的问题。本发明结合温差发电技术，将热能转化为电能，为风扇供电，使风扇工作冷却热管散热器及导热铜管热管冷凝段，强制对流换热将热量散出，本发明能够实现余热回收利用；
3)本发明可以实现分级冷却功能。小热流密度时，温差发电片输出电压不足以维持风扇运转，风扇停止工作，此时热管冷凝段自然对流便可满足散热需求，大热流密度下，温差发电片两端形成足够的稳定温差为风扇供电，风扇工作冷却热管散热器及导热铜管热管冷凝段，强制对流换热将热量散出；
4)本发明将池沸腾、热管两种高效冷却方式相结合，均温性良好，热阻是传统风冷的1/10，冷却效率较高；
5)本发明使用热管代替传统浸没式相变冷却的循环水系统，节省了水泵泵功，并结合温差发电技术回收余热，若推广使用能够大大降低浸没式相变冷却系统能耗.
附图说明
图1为本发明的立体结构图(未带电子发热零部件，仅由模拟热源替代)；
图2为图1的正视图；
图3为图1的左视图；
图4为图1的右视图；
图5为腔体结构示意图；
图6为半导体温差发电片结构图；
图7为热管散热器结构图；
图8为鳞片平板散热器结构图
图9为上、下盖板加工示意图；
图10为腔体与金属盖板连接图；
图11为模拟热源表面加工结构示意图；
图12为模拟热源组成结构图；
图13为半导体温差发电片、鳞片平板散热器和热管散热器组装示意图。
其中1-腔体；2-模拟热源；3-电绝缘冷却液；4-金属盖板；5-下盖板；6-上盖板；7-热管散热器；8-鳞片平板散热器；9-电动机；10-金属支架；11-风扇叶片；12-半导体温差发电片；13-导热铜管热管；14-风扇；15-木制容器；16-电加热膜；17-紫铜片。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要明确的是，术语“垂直”、“横向”、“纵向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“水平”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅仅是为了便于描述本发明，而不是意味着所指的装置或元件必须具有特有的方位或位置，因此不能理解为对本发明的限制。
一种余热回收型浸没式相变冷却系统，包括第一冷却装置、第二冷却装置，能量回收装置以及第三冷却装置。
所述第一冷却装置用于对发热件进行热交换；所述第二冷却装置用于加强第一冷却装置的散热，所述能量回收装置回收第一冷却装置吸收的热量后为第三冷却装置提供动力源，所述第三冷却装置用于加强对第一冷却装置和/或第二冷却装置散热。
所述发热件包括电脑主板、数据中心服务器及其他小型电子设备。所述发热件可以是主板上的处理器、存储器中的任意一个。
作为本发明的一个优选实施例，上述第一冷却装置包括腔体1，所述腔体1内设有冷却液。所述冷却液不完全充满腔体1。发热件放置在腔体1内，部分或全部浸入冷却液中，冷却液吸收发热件产生的热量，蒸发，发生相变，大量气泡从发热零部件处冒出，产生热量被冷却液蒸汽带走。相变后蒸汽聚集在腔体1上部空间。
作为本发明的一个优选实施例，上述第二冷却装置为热管，所述热管设置在腔体1上部。
作为本发明的一个优选实施例，所述热管的蒸发段伸入腔体1内，热管的冷凝段暴露在空气中。
为加强第二冷却装置的散热能力，所述热管优选导热铜管热管13，数量为多个。
为加强第二冷却装置的散热能力，所述热管采用垂直方式进行设置。
为加强第二冷却装置的散热能力，多个热管阵列分布，例如，热管按多排分布，每排的热管等间距设置，相邻两排的热管错位设置。
作为本发明的一个优选实施例，上述能量回收装置包括集热装置、能量转换装置和散热件。
在本发明中的一些实施例中，所述集热装置为鳞片平板散热器8，鳞片平板散热器8包括一平板以及设置在平板上的多个肋板，所述肋板位于腔体1内进行集热，平板部分暴漏于空气中；所述能量转换装置为半导体温差发电片12，半导体温差发电片12设置在鳞片平板散热器8的平板上；所述散热件为热管散热器7，热管散热器7设置在半导体温差发电片12上。所述温差发电片冷面紧贴所述热管散热器7，热面紧贴所述鳞片平板散热器8，通过导热硅脂连接，在其两端形成稳定温差。
在本发明中的一些实施例中，所述热管散热器7由热管及翅片组成。
作为本发明的一个优选实施例，上述第三冷却装置包括风扇14。
风扇14可以由一个电动机9、风扇14扇叶、金属支架10组成，用于冷却热管散热器7和导热铜管热管13冷凝段。
在本发明中的一些实施例中，上述腔体1，为顶部开口的箱体，顶部开口有边沿，顶部被金属盖板4覆盖密封。
优选地，上述金属盖板4由上下两块盖板组成。所述上盖板6被加工出一个直径8mm的大圆孔、数个直径为6mm的小圆孔以及若干矩形孔，所述下盖板5被加工成“回”字型，下盖板5内侧尺寸与所述腔体1外侧尺寸相同。
优选地，上述大圆孔用于所述腔体1内中发热件的电源线接出，所述数个小圆孔用于安装所述导热铜管热管13，所述矩形孔用于安装所述鳞片平板散热器8。
优选地，上述大圆孔用航空插头密封，所述电子器件发热零部件电源线通过航空插头转接，对所述导热铜管热管13、所述鳞片平板散热器8与所述小圆孔、矩形孔采用焊接连接保证腔体1密封性良好。
优选地，上述风扇14安装在热管散热器7前方，正对所述热管散热器7，便于更好第散热。
优选地，上述金属支架10固定在热管散热器7前方，所述电动机9与所述半导体温差发电片12相连，所述半导体温差发电片12为所述电动机9提供电能。
实施例
参见图1至图4，一种余热回收型浸没式相变冷却系统，包括腔体1、模拟热源2、电绝缘冷却液3、金属盖板4、热管散热器7、鳞片平板散热器8、电动机9、金属支架10、风扇扇叶11和半导体温差发电片12。
其中，模拟热源2为发热件，模拟热源2安置于腔体1内部并完全浸没在电绝缘冷却液3中。金属盖板4覆盖在腔体1上，连接处四周严格密封。鳞片平板散热器8固定安装在金属盖板4上，且肋片部分位于腔体1内部集热，平板部分位于腔体1外部。热管散热器7放置于鳞片平板散热器8上方。半导体温差发电片12放置于热管散热器7与鳞片平板散热器8之间，热面紧贴鳞片平板散热器8，冷面紧贴热管散热器，三者采用导热硅脂粘结固定。数根导热铜管热管13竖直安装在金属盖板4上。风扇14固定安装在热管散热器前冷却热管散热器和导热铜管热管冷端。
参见图5，图中腔体1为开口形式，腔体开口处留有3cm左右宽的边沿。
参见图1至图4，图示中模拟热源2放置在腔体1内部。本系统使用电绝缘冷却液体3完全浸没模拟热源2，与之直接接触。能用于该系统的电绝缘冷却液包括但不限于以下液体：
1、类似于3MTM公司的NovecTM型的工程液体；2、矿物油；3、天然酯油；4、硅油。
从热物性，物化特性，环保安全性等角度综合分析，所示实施方式电绝缘冷却液3采用3MTM Novec7100工程液体，把计算机零部件浸没在电绝缘冷却液中能够降低零部件发生故障产生火灾的风险。
参见图11和图12，图中所示模拟热源2包括电加热膜16、紫铜片17以及木制容器15，其中，电加热膜16与紫铜片17相贴放置在木制容器15中，木制容器上方打孔，使电加热膜的导线从孔中伸出。图10示为模拟热源2表面结构示意图，通过电化学腐蚀法或机械加工的方法，在模拟热源2中的紫铜片17表面加工出蜂窝状多孔或凸台结构，有利于形成大量汽化核心，强化传热。
参见图9，所述金属盖板4由下盖板5和上盖板6组成，下盖板5被加工成回字结构，其内侧尺寸与腔体1外侧尺寸相同，上盖板6上方加工有若干矩形孔、若干小圆孔和一个大圆孔，所述矩形孔尺寸与鳞片平板散热器肋片尺寸相匹配，将图8所示鳞片平板散热器通过矩形孔安装在所述金属盖板4上，鳞片平板散热器材质采用导热率更高的紫铜，大圆孔用于腔体中热源导线伸出，一个小圆孔连接进液管，管上安装阀门，当需要冲注电绝缘冷却液时，打开阀门，将液体充入，其余小圆孔交叉排列，用于安装导热铜管热管13。导热铜管热管、鳞片平板散热器与金属盖板可通过焊接的方式安装固定，保证密封性良好，大圆孔使用航空插头密封，导线通过航空插头接出，避免相变后蒸汽泄漏。
参见图10，金属盖板4与腔体1连接方法，上下两板边缘都加工有对称的螺孔，下板套在腔体上，上板盖在腔体开口处，腔体开口处边沿被两板夹在中间，通过螺钉固定连接上下两板，使金属盖板4与腔体1固定配合，接触连接处可加硅胶垫严格密封，防止相变后气体泄漏。
参见图1，所示风扇14由金属支架10、风扇扇叶11和电动机9组成。将风扇扇叶11连接固定在电动机9的转子上，电动机9为风扇14提供动力，将连接好的电动机9和风扇扇叶11固定安装在金属支架10上。再将组装好的风扇14固定在热管散热器7的前端，使风扇正对散热器翅片组成的送风通道。
参见图1和图13，将半导体温差发电片12安装在鳞片平板散热器8与热管散热器7中间，半导体温差发电片12冷面紧贴热管散热器7，热面紧贴鳞片平板散热器8，三者通过导热硅脂粘结。半导体温差发电片12两面形成足够温差，从而利用温差发电。将半导体温差发电片12与电动机9相连，利用半导体温差发电片12输出电压为电动机9供电。
上述具体实施方式是为了描述清楚本发明工作方式，使用模拟热源代替电子发热零部件的简化方式，另一种实施例为使用本发明冷却数据中心服务器，下面将对该实施例进行简略的描述。
服务器竖直放置在腔体1中，被电绝缘冷却液3完全浸没，与其直接接触，金属盖板4上的大圆孔被航空插头严格密封，服务器的线路通过航空插头从腔体中接出。芯片表面放置加工后的微通道热沉结构，强化换热。
其余部分实施方式与用模拟热源代替的实施方式相同
本发明工作原理：
在余热回收型浸没式相变冷却系统中，电绝缘冷却液3在电子设备发热零部件处受热蒸发，发生相变，大量气泡从发热零部件处冒出，产生热量被冷却液蒸汽带走。相变后蒸汽聚集在腔体1上部空间。鳞片平板散热器8起到集热作用，在半导体温差发电片12两端产生温差，当模拟热源发热功率较小时，半导体温差发电片12输出电压不足以驱动风扇14工作，仅通过导热铜管热管13冷凝段通过自然对流便可将热量散入环境中，使发热零部件温度维持到安全范围。当发热零部件发热功率较大时，半导体温差发电片12两端产生足够的温差，利用塞贝克效应输出电压为风扇14供电，风扇14工作冷却热管散热器7，使半导体温差发电片12两侧始终存在稳定温差，同时强制对流冷却导热铜管热管13冷凝段带走蒸汽热量，将热量散入环境中，从而使发热零部件维持在一个合适的工作温度，以此实现不同热流密度下分级冷却功能，并回收余热、节省水循环系统泵功，更加节能。
当电子发热零部件温度降到一定程度，达到安全范围后，产生温差将不足以使半导体温差发电片12输出足够电压维持风扇14运转，风扇14会停止工作，而当电子发热零部件再次升温达到一定温差后，风扇14重新工作散热，使电子发热零部件温度维持到合适温度。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种余热回收型浸没式相变冷却系统，其特征在于：
包括第一冷却装置，
还包括第二冷却装置，能量回收装置以及第三冷却装置；
所述第一冷却装置用于对发热件进行热交换；
所述第二冷却装置用于加强第一冷却装置的散热，所述能量回收装置回收第一冷却装置吸收的热量后为第三冷却装置提供动力源，所述第三冷却装置用于加强对第一冷却装置和第二冷却装置散热。
2.一种余热回收型浸没式相变冷却系统，其特征在于：
第一冷却装置包括腔体，所述腔体内设有冷却液。
3.根据权利要求2所述的一种余热回收型浸没式相变冷却系统，其特征在于：
所述第二冷却装置为热管，所述热管设置在腔体上部，所述热管的蒸发段伸入腔体内。
4.根据权利要求3所述的一种余热回收型浸没式相变冷却系统，其特征在于：
所述热管为导热铜管热管，数量为多个。
5.根据权利要求4所述的一种余热回收型浸没式相变冷却系统，其特征在于：
所述热管垂直设置，所述热管阵列分布。
6.根据权利要求2所述的一种余热回收型浸没式相变冷却系统，其特征在于：
所述能量回收装置包括集热装置、能量转换装置和散热件。
7.根据权利要求6所述的一种余热回收型浸没式相变冷却系统，其特征在于：
所述集热装置为鳞片平板散热器，鳞片平板散热器包括一平板以及设置在平板上的多个肋板，所述肋板位于腔体内进行集热，平板部分暴漏于空气中；所述能量转换装置为半导体温差发电片，半导体温差发电片设置在鳞片平板散热器的平板上；所述散热件为热管散热器，热管散热器设置在半导体温差发电片上。
8.根据权利要求7所述的一种余热回收型浸没式相变冷却系统，其特征在于：
所述热管散热器由热管及翅片组成。
9.根据权利要求1-8任一所述的一种余热回收型浸没式相变冷却系统，其特征在于：
所述第三冷却装置包括风扇。
10.根据权利要求1-8任一所述的一种余热回收型浸没式相变冷却系统，其特征在于：
所述腔体，为顶部开口的箱体，箱体顶部被金属盖板覆盖密封；金属盖板由上下两块盖板组成。
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