与均热板结合的制冷泵驱动相变换热冷板散热系统与方法

摘要

本发明公开了一种与均热板结合的制冷泵驱动相变换热冷板散热系统与方法；包括均热板和与其紧密结合的相变冷板；所述相变冷板的出口具有两个支路，其中一路与风冷系统循环，另一路与水冷系统循环；本发明发热元件经均热板将其散热面积扩大数倍后，提供了一种具有更高散热能力的散热系统，使用自然冷源的自由度大大扩展。在热流密度高达至50×104W/m2时，仍可以使用自然冷源的散热系统，具有显著的节能效果。

说明书

技术领域

本发明涉及高热流密度电子、电器设备散热领域，尤其涉及与均热板结合的制冷泵驱动相变换热冷板散热系统与方法。

背景技术

近年来，随着对电子设备的更高集成度和更高性能要求，其热流密度增加，仅仅依靠风冷散热无法满足散热和能效的要求，液冷板因具有高效散热的特性被越来越多应用。

液冷板的液体冷却技术的优点：

1)使用液体作为传热介质来降低数据中心的温度。热容量大，散热效率高；

2)目前，多数地区可以使用自然冷源替代电力驱动的蒸气压缩式制冷，冷却效率大大提高，冷却系统初投资、能源消耗量和费用支出显著减少。也可降低冷却系统的噪声。

目前，可选用的液冷板液体冷却技术主要有两种技术路线：

1)含水介质非相变冷板冷却；

2)制冷剂泵驱动制冷剂相变换热冷板冷却。

尽管水具有极好的热工特性，导热系数大，为0.607W/(m℃)、比热大，为4.18kJ/(kg℃)，因此具有极好的换热性能。但其含有杂质时具有导电性，是最大缺陷。防泄漏措施成本高昂。实际应用过程中需要制取去离子水并维持系统恒压，系统复杂。尽管液冷板可采用高翅片扩展表面，但由于乙二醇与去离子水冷却液的流速仍然很低，呈现为层流，换热系数小，散热性能并不理想。

为克服含水介质冷板式冷却技术的缺陷，制冷剂泵驱动相变冷板冷却具有换热系数大、高达40000W/m

制冷剂相变潜热大、需循环的制冷剂质量流量小，吸热时是沸腾换热，不需要较高的流速，故在换热部分可设计阻力较小，尽管气化后体积流量增大，但已不在换热区域，可有更多的措施增大流通截面减小流动阻力和泵功耗。

制冷剂在常压下的相变温度均远低于环境温度，万一泄漏，也会立刻气化，且呈现电绝缘特性。但当数据中心服务器芯片功率提高、热流密度增大至50×10

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种与均热板结合的制冷泵驱动相变换热冷板散热系统与方法。

本发明采用将均热板与制冷剂泵驱动相变换热冷板复合，可将相变换热冷板的基底面积扩大约10倍及以上，由于均热板的热扩散效率要远高于铜金属等，故可在扩大的基底面积基础上应用相变换热冷板，可进一步提高其散热性能，可使其换热温差减小至约为仅采用相变冷板换热时的1/5，使得换热温差减小，提供一种具有更高散热能力的散热系统，使用自然冷源的使用的自由度大大扩展。在热流密度高达至50×10

本发明通过下述技术方案实现：

一种与均热板结合的制冷泵驱动相变换热冷板散热系统，包括：

均热板102；

紧密连接在均热板102上表面的相变冷板103；

所述相变冷板103的出口具有两个支路；其中，

第一支路通过管路依次连接第一截止阀104、风冷冷凝器105，储液罐106和制冷剂泵107，再由制冷剂泵107出口，接入相变冷板103的入口；

第二支路通过管路依次连接第二截止阀201、板式换热器202的通路A、储液罐106、制冷剂泵107，再由制冷剂泵107出口，接入相变冷板103的入口；

所述板式换热器202通路B中的其中一个端口，通过管路依次连接闭式冷水塔301和循环冷却水水泵302，再由循环冷却水水泵302出口，接入板式换热器202通路B的另一端口。

所述紧密连接是指，均热板102与相变冷板103的结合面，采用铋锡合金熔化焊接，以消除之间的接触热阻，均热板102与相变冷板103连接后，再充入介质并封口。

所述制冷剂泵107、风冷冷凝器105的风机、闭式冷水塔301的风扇和循环水泵、循环冷却水水泵302，均设有转速调节器。

所述铋锡合金为铋占58％、锡占42％的铋锡合金，熔点为140℃。

所述均热板102的底面与(高热流密度)发热元件101紧密结合；发热元件101的表面设有温度传感器。

与均热板结合的制冷泵驱动相变换热冷板散热系统的散热方法如下：

发热元件101的热量依次经均热板102传递至相变冷板103内的制冷剂，使其气化、吸收热量；均热板(102)的散热面积，大于发热元件101散热面积；

散热过程包括如下两种模式：

风冷模式：若采用风冷冷却方式能够满足冷却要求时，则由风冷冷凝器105将热量散发至环境中；此时，第一截止阀104接通、风冷冷凝器105风机启动；第二截止阀201关闭，闭式冷水塔301内部的风机和循环水泵停止，以及循环冷却水水泵302停止，制冷剂在制冷剂泵107驱动下，先在相变冷板103内吸收热量、气化，然后流出相变冷板103，经第一截止阀104、在风冷冷凝器105冷却至液态制冷剂，进入储液罐106，再由制冷剂泵107驱动再次循环；

水冷模式：若采用风冷冷却方式不能满足冷却要求时，则由闭式冷水塔301制取的冷却水对气化的制冷剂进行冷却，使其在低于风冷冷却模式的温度下冷凝放热，闭式冷水塔301将热量散发至环境中；此时，第一截止阀104关闭、风冷冷凝器105风机停止，第二截止阀201接通，闭式冷水塔301的风机和循环水泵启动，以及循环冷却水水泵302启动；制冷剂在制冷剂泵107驱动下，先在相变冷板103内吸收热量、气化，然后流出相变冷板103，经第二截止阀201、在板式换热器202内与来自闭式冷水塔301的循环冷却水换热冷凝至液态制冷剂，进入到储液罐106，再由制冷剂泵107驱动再次循环；来自闭式冷水塔301的循环冷却水，在板式换热器202将气态制冷剂冷凝为液态制冷剂，吸收其热量后温度升高，经循环冷却水水泵302驱动，在闭式冷水塔301对环境放出热量后温度降低再循环使用。

在风冷模式时，通过控制制冷剂泵107的转速和风冷冷凝器105风机的转速，即可调节发热元件101的温度，以满足散热和降低制冷剂泵107与风冷冷凝器105风机的能耗。

在水冷模式时，通过控制制冷剂泵107的转速、循环冷却水水泵302的转速、以及闭式冷水塔301风机和循环水泵的转速，即可调节发热元件101的温度，以满足散热和降低制冷剂泵107、循环冷却水水泵302、以及闭式冷水塔的风机和循环水泵能耗。

均热板102散热面积，大于发热元件(101)散热面积10倍以上，或者9～16倍。

本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：

本发明散热系统，发热元件101经均热板102将其散热面积扩大数倍后，由于均热板的热扩散效率要远高于铜金属，故可在扩大的基底面积基础上应用相变换热冷板，可进一步提高其散热性能，可使其换热温差减小至仅采用相变冷板换热时的约1/5，使得换热温差减小，提供一种具有更高散热能力的散热系统，使用自然冷源的使用的自由度大大扩展。在热流密度高达至50×104W/m2时，仍可以使用自然冷源的散热系统，具有显著的节能效果。

本发明两种散热模式：

风冷模式：当要求的冷却温度较高时，采用风冷冷凝器105，将热量散发至环境中，此时第一截止阀104接通、风冷冷凝器105风机启动；第二截止阀201关闭，闭式冷水塔301内部的风机和循环水泵停止，以及循环冷却水水泵302停止；制冷剂在制冷剂泵107驱动下，先在相变冷板103内吸收热量、气化，然后流出相变冷板103，经第一截止阀104、在风冷冷凝器105冷却至液态制冷剂，进入储液罐106，再由制冷剂泵107驱动再次循环；

在风冷模式时，通过控制制冷剂泵107的转速和风冷冷凝器105风机的转速，即可调节发热元件101的温度，以满足散热和降低制冷剂泵107与风冷冷凝器105风机的能耗。

水冷模式：当要求的冷却温度较低时，采用闭式冷水塔301制取的冷却水对气化的制冷剂进行冷却，使其在较低的温度下冷凝放热，闭式冷水塔301将热量散发至环境中，此时第一截止阀104关闭、风冷冷凝器105风机停止；第二截止阀201接通，闭式冷水塔301的风机和循环水泵启动，以及循环冷却水水泵302启动；制冷剂在制冷剂泵107驱动下，先在相变冷板103内吸收热量、气化，然后流出相变冷板103，经第二截止阀201、在板式换热器202内与来自闭式冷水塔301的循环冷却水换热冷凝至液态制冷剂，进入到储液罐106，再由制冷剂泵107驱动再次循环；来自闭式冷水塔301的循环冷却水，在板式换热器202将气态制冷剂冷凝为液态制冷剂，吸收其热量后温度升高，经循环冷却水水泵302驱动，在闭式冷水塔301对环境放出热量后温度降低再循环使用；

在水冷模式时，通过控制制冷剂泵107的转速、循环冷却水水泵302的转速、以及闭式冷水塔301风机和循环水泵的转速，即可调节发热元件101的温度，以满足散热和降低制冷剂泵107、循环冷却水水泵302、以及闭式冷水塔的风机和循环水泵能耗。

本发明技术手段简便易行，构思严谨巧妙，造价低廉，具有积极的推广应用价值。

附图说明

图1为本发明与均热板结合的制冷泵驱动相变换热冷板散热系统的结构布局示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。

如图1所示。本发明公开了一种与均热板结合的制冷泵驱动相变换热冷板(Liquidcooling plate)散热系统，包括：

均热板102(Vapor Chamber真空腔均热板)；

紧密连接在均热板102上表面的相变冷板103；

所述相变冷板103的出口具有两个支路；其中，

第一支路通过管路依次连接第一截止阀104、风冷冷凝器105，储液罐106和制冷剂泵107，再由制冷剂泵107出口，接入相变冷板103的入口；

第二支路通过管路依次连接第二截止阀201、板式换热器202的通路A、储液罐106、制冷剂泵107，再由制冷剂泵107出口，接入相变冷板103的入口；

所述板式换热器202通路B中的其中一个端口，通过管路依次连接闭式冷水塔301和循环冷却水水泵302，再由循环冷却水水泵302出口，接入板式换热器202通路B的另一端口。

所述紧密连接是指，均热板102与相变冷板103的结合面，采用铋锡合金熔化焊接，以消除之间的接触热阻，均热板102与相变冷板103连接后，再充入介质并封口。

所述制冷剂泵107、风冷冷凝器105的风机、闭式冷水塔301的风扇和循环水泵、循环冷却水水泵302，均设有转速调节器。

所述铋锡合金为铋占58％、锡占42％的铋锡合金，熔点为140℃。

所述均热板102的底面与(高热流密度)发热元件101紧密结合；发热元件101的表面设有温度传感器。

本领域技术人员熟知，均热板102是一个内壁具有微细结构的真空腔体，腔体充灌有纯水或其它相变换热介质、通常由铜制成，外观上为一平面板状物。当热由热源传导至蒸发区时，腔体里的冷却液在低真空度的环境中受热后开始产生冷却液的气化现象，此时吸收热能并且体积迅速膨胀，气相的冷却介质迅速充满整个腔体，当气相工质接触到一个比较冷的区域时便会产生凝结的现象。借由凝结的现象释放出在蒸发时累积的热，凝结后的冷却液会借由微结构的毛细管道再回到蒸发热源处，此运作将在腔体内周而复始进行。均热板内的微结构主要有两种型态：粉末烧结、多层铜网。

本领域技术人员熟知，相变冷板103(或称之为液冷板)，是在金属板材内通过机械加工形成流道，通常在流道内加工出扩展换热表面以提高换热效率，发热的电子元件安装于板的表面，冷却液从液冷板的进口进入，在液冷板内的流道内吸收热量，在出口处流出，把电子元件发出的热量带走。根据换热流体不同分为：1)含水介质非相变冷板冷却；2)制冷剂泵驱动制冷剂相变换热冷板冷却两类。液冷板流道形成的工艺常见的有：摩擦焊、真空钎焊、埋铜管、深孔钻等。

与均热板结合的制冷泵驱动相变换热冷板散热系统的散热方法如下：

发热元件101的热量依次经均热板102传递至相变冷板103内的制冷剂，使其气化、吸收热量；均热板(102)的散热面积，是发热元件101散热面积的10倍，或者9～16倍；散热过程包括如下两种模式：

风冷模式：当环境温度较低时，即若采用风冷冷却方式使循环制冷剂的温度维持在40℃以下，能够满足冷却要求时，可采用风冷冷却模式，由风冷冷凝器105，将热量散发至环境中；

此时，第一截止阀104接通、风冷冷凝器105风机启动；第二截止阀201关闭，闭式冷水塔301内部的风机和循环水泵停止，以及循环冷却水水泵302停止；制冷剂在制冷剂泵107驱动下，先在相变冷板103内吸收热量、气化，然后流出相变冷板103，经第一截止阀104、在风冷冷凝器105冷却至液态制冷剂，进入储液罐106，再由制冷剂泵107驱动再次循环；

在风冷模式时，通过控制制冷剂泵107的转速和风冷冷凝器105风机的转速，即可调节发热元件101的温度，以满足散热和降低制冷剂泵107与风冷冷凝器105风机的能耗。

水冷模式：当环境温度较高，即采用风冷冷却方式无法使循环制冷剂的温度维持在40℃以下，不能满足冷却要求时，可采用水冷冷却模式，由闭式冷水塔301制取的冷却水，对气化的制冷剂进行冷却，使其在低于风冷冷却模式的温度下冷凝放热，闭式冷水塔301将热量散发至环境中；

此时，第一截止阀104关闭、风冷冷凝器105风机停止；第二截止阀201接通，闭式冷水塔301的风机和循环水泵启动，以及循环冷却水水泵302启动，制冷剂在制冷剂泵107驱动下，先在相变冷板103内吸收热量、气化，然后流出相变冷板103，经第二截止阀201、在板式换热器202内与来自闭式冷水塔301的循环冷却水换热冷凝至液态制冷剂，进入到储液罐106，再由制冷剂泵107驱动再次循环；来自闭式冷水塔301的循环冷却水，在板式换热器202将气态制冷剂冷凝为液态制冷剂，吸收其热量后温度升高，经循环冷却水水泵302驱动，在闭式冷水塔301对环境放出热量后温度降低再循环使用。

在水冷模式时，通过控制制冷剂泵107的转速、循环冷却水水泵302的转速、以及闭式冷水塔301风机和循环水泵的转速，即可调节发热元件101的温度，以满足散热和降低制冷剂泵107、循环冷却水水泵302、以及闭式冷水塔的风机和循环水泵能耗。

本发明散热系统，通过巧妙及构思严谨的系统结构布局，可将相变换热冷板的基底面积扩大约数倍(10倍及以上)，由于均热板的热扩散效率要远高于铜金属，故可在扩大的基底面积基础上应用相变换热冷板，可进一步提高其散热性能，可使其换热温差减小至仅采用相变冷板换热时的约1/5，使得换热温差减小。

本发明提供了一种具有更高散热能力的散热系统，使用自然冷源的使用的自由度大大扩展。在热流密度高达至50×10

如上所述，便可较好地实现本发明。

本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。