用于电子设备多散热源定点冷却的多联变频式制冷系统及其运行方法
【专利摘要】本申请涉及用于电子设备多散热源定点冷却的多联变频式制冷系统及其运行方法。针对有多个散热芯片或器件的电子设备散热问题，提出了一种面向多芯片散热、带有金属固液相变功能的多蒸发器多联式蒸汽压缩循环冷却装置，应用压缩机变频控制、多电子膨胀阀控制、金属相变蓄能等技术，以芯片表面温度作为控制信号，达到设定温度时启动制冷循环，控制流向每个蒸发器的制冷剂流量，实现了电子设备的定点热控制，显著降低了高散热热流电子设备冷却所需的功耗。该散热系统的每个蒸发器组件均存储了少量低熔点金属，能在70℃以下发生相变，从而迅速带走大量热量，以应对芯片功率突然升高的情况，同时避免了蒸发温度过低造成的电子器件表面温度过低，避免了因此结露引起的电子设备安全问题。
【专利说明】用于电子设备多散热源定点冷却的多联变频式制冷系统及其运行方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种电子设备冷却装置和运行方法，具体涉及一种面向多散热芯片定点冷却的金属相变和蒸汽压缩式制冷循环相结合的制冷设备和运行方法。
【背景技术】
[0002]随着电子、信息产业的发展，各种电子设备，如通讯、计算、金融等行业服务器处理能力的加强，处理数据量的增多，服务器的功耗也明显增加，装载服务器的机柜作为热源，其散热量已经从几千瓦达到了数十千瓦的级别，并呈持续快速增长趋势，传统的空调机房加风冷的冷却形式已经不能够很好的解决这样的散热问题或散热空调能耗巨大。为此，需要新的电子设备高效冷却装置。然而，芯片散热功率经常会发生突变，通常在毫秒级，如果散热装置或方法无法对此做出迅速的响应，将会导致芯片温度迅速上升，而温度骤然变化对于芯片的工作性能同样也是不利的。
[0003]如上所述，大功率电子设备冷却面临两个难题:1.如何大幅降低为冷却电子设备而产生的巨大能耗？ 2.如何解决芯片温度随时可能迅速上升所带来的快速散热难题，且3.芯片表面温度还不能过低以免产生冷凝水、危害电子设备的安全。
【发明内容】
[0004]针对现有技术的上述问题，本发明人认识到，一个可行的途径，是借助其他辅助的冷却方法起一个缓冲作用，这种辅助的冷却方法必须能够在较短时间内将大量热量散去，从而使蒸汽压缩式制冷循环能够利用这段缓冲时间增加流向该芯片的支路的制冷剂流量，而当支路制冷剂流量稳定时，这个辅助方法必须还能起到很好的热传导作用，而使制冷循环优异的散热能力不至受到限制；能达到这些要求的，最佳莫过于低熔点金属相变，其大的潜热值和高的导热系数可以满足温度骤升时的散热要求，而当制冷循环平稳运行时，其良好的导热性能又能很好地将热量从芯片表面传至制冷循环中的蒸发器。当芯片温度随后降至设定值以下温度时，相变金属完全凝固，制冷系统将减少或停止流向该芯片支路的制冷剂流量，避免了制冷系统的蒸发温度过低可能产生冷凝水，从而保证电子设备的安全工作；芯片少量的产热由空气通过金属封装盒四周的翅片带走。如上所述，本发明提出的多散热芯片定点冷却的多联式蒸汽压缩式制冷装置，具有优异的定点散热能力、且无需专门的空调机房，受环境温度限制最小。
[0005]综上所述，蒸汽压缩式制冷循环能够满足高热流密度散热要求，对于功率骤升的情况，只需少量的相变金属即可起到制冷系统启动缓冲的作用、而且可以避免低温过冷可能产生冷凝水的问题。因此，两者结合的方案对于当下发展迅速的大功率电子设备散热，例如中央机房的机柜散热问题有着重大的实用价值。
[0006]在上述构思的基础上，本发明提供了一种高效的多联式蒸汽压缩式制冷装置，用于中央机房的电子设备或机柜的散热，其结合了金属相变和蒸汽压缩式制冷循环，解决了芯片在平稳工作、功率突变时温度保持在合适范围和无冷凝水产生等多种要求下的高热流密度散热问题。
[0007]根据本发明的一个方面，提供了一种金属固液相变和蒸汽压缩式制冷循环相结合的多联变频蒸汽压缩循环冷却装置，其特征在于包括:
[0008]多个相变金属封装盒，其中封装有低温固液相变金属，
[0009]蒸汽压缩式制冷系统，电子膨胀阀
[0010]其中，
[0011]所述相变金属封装盒与待冷却的芯片热接触。
[0012]根据本发明的进一步的方面，提供了上述多联变频蒸汽压缩循环冷却装置的运行方法。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1为根据本发明的一个实施例的金属相变和多联式蒸汽压缩式制冷循环相结合的蒸汽压缩循环冷却装置原理示意图。
[0014]图2为根据本发明的一个实施例的金属相变和多联式蒸汽压缩式制冷循环相结合的蒸汽压缩循环冷却装置的相变金属封装盒正视剖图。
[0015]图3为根据本发明的一个实施例的金属相变和多联式蒸汽压缩式制冷循环相结合的蒸汽压缩循环冷却装置的相变金属封装盒俯视剖图。
【具体实施方式】
[0016]下面结合附图和【具体实施方式】具体说明本发明的技术方案。
[0017]如图1所示，本发明的金属相变和蒸汽压缩式制冷循环相结合的蒸汽压缩循环冷却装置包括两部分，即包括相变金属封装盒I和蒸汽压缩式制冷系统2。
[0018]如图2所示，所述相变金属封装盒I包括相变金属1-1和翅片1-2。其中，相变金属1-1封装在相变金属封装盒I内，翅片1-2布置在相变金属封装盒I外壁上。
[0019]如图1 一 3所示，所述制冷系统2包括多个相变金属封装盒1、一个冷凝机组2-2、多个电子膨胀阀2-3(分别与所述多个相变金属封装盒I相对应)、一个压缩机2-4和一个可选的备份压缩机2-4a、一个储液罐2-5、一个集气罐2-6。其中，每个相变金属封装盒I中设置至少一个蒸发器2-1 ;蒸发器2-1浸泡在相变金属1-1中并封装在相变金属封装盒I内。相变金属封装盒I与芯片3热接触，该接触一般通过导热胶，也可为其它软性导热材料，如图2所示。
[0020]当芯片3以低功率工作时，其散发的热量以导热的形式经固态的相变金属1-1和相变金属封装盒I壁面传至布置在相变金属封装盒I外壁上的翅片1-2，再以自然对流或强迫对流的形式经翅片1-2散到环境中。
[0021]当芯片3的功率升高，芯片3的表面温度达到或接近相变金属1-1熔点(如60°C )时，制冷系统2启动。随着芯片温度的持续升高(如达到62°C或更高)，相变金属1-1熔化，熔化过程吸收大量的热量，此时制冷系统2进入稳定运行状态；待相变金属1-1熔化完毕后，热量主要靠已进入稳定运行状态的制冷系统2散去。
[0022]当芯片3的功率下降，芯片3的表面温度降至相变金属1-1的熔点以下(如58°C)时，相变金属1-1开始凝固，并释放热量，而制冷系统2减小流向该芯片的支路的制冷剂流量，从而恢复到芯片3低功率运行时的散热模式。
[0023]根据本发明的一个实施例，制冷系统(2)的控制信号由贴在芯片表面的温度传感器4提供。
[0024]根据本发明的一个实施例，每个温度传感器(4)提供的温度信号均被输入到运行中的变频压缩机(2-4)和备份压缩机2 - 4a的变频器，这些温度信号所表示的温度中的最高温度被作为运行中的压缩机转速调节的依据；即，根据该最高温度值的高低控制运行中的压缩机停止、低速运转和高速运转；；
[0025]同样，各支路的温度传感器4提供的温度信号被输入到对应的电子膨胀阀2-3的控制电路(未显示)中，并根据该温度信号所表示的温度值的高低控制该电子膨胀阀2-3的开度大小，从而达到调节制冷剂流量的目的。
[0026]当制冷系统(2)的压缩机(2-4)工作出现异常时，可导致所有芯片温度均异常升高，备份压缩机(2-4a)可以据此自动启动运行，而原来运行中的压缩机(2-4)同时停止运行，避免整个散热系统出现无法制冷的故障，并便于对压缩机(2-4)进行检修。检修完成后的压缩机(2-4 )成为备份压缩机。
[0027]根据本发明的一个实施例，相变金属(1-1)连同浸泡在其中的蒸发器(2-2)—起封装在相变金属封装盒(I)中，相变金属封装盒(I)外壁布置有翅片(1-2 )。
[0028]根据本发明的一个实施例，制冷系统(2)的控制是由芯片表面的温度传感器发出的温度信号控制的，控制温度均略低于相变金属(1-1)的熔点。
[0029]在根据本发明的一个实施例中，相变金属1-1可以采用伍德合金，但本发明不限于采用该材料的实施例。
[0030]以上仅是对本发明的具体实施例的描述，这些描述对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。
【权利要求】
1.一种金属固液相变和蒸汽压缩式制冷循环相结合的多联变频蒸汽压缩循环冷却装置，其特征在于包括: 多个相变金属封装盒(I )，其中封装有低温固液相变金属(1-1 )， 蒸汽压缩式制冷系统(2)， 电子膨胀阀， 其中， 所述相变金属封装盒(I)与待冷却的芯片热接触。
2.根据权利要求1的多联变频蒸汽压缩循环冷却装置蒸，其特征在于所述蒸汽压缩式制冷系统(2)包括: 分别设置在所述多个相变金属封装盒(I)中的多个蒸发器(2-1 )， 一个冷凝机组(2-2)， 分别与所述多个相变金属封装盒(I)相对应地设置的多个电子膨胀阀(2-3)， 一个压缩机(2-4)， 一个备份压缩机(2_4a)， 一个储液罐(2-5)，和 一个集气罐(2-6), 其中，所述蒸发器(2-1)被封装在相应的相变金属封装盒(I)内并浸在所述相变金属(1-1)中。
3.根据权利要求2所述的多联变频蒸汽压缩循环冷却装置，其特征在于: 相变金属封装盒(I)四周外壁及顶部可布置有翅片(1-2)，盒体、翅片均为高导热系数的材料。
4.根据权利要求3所述的多联变频蒸汽压缩循环冷却装置，其特征在于: 电子膨胀阀所述多个多个相变金属封装盒(I)中的蒸发器(2-1)分别与对应的一个所述电子膨胀阀(2-3)行成一条制冷支路。
5.根据权利要求4所述的的多联变频蒸汽压缩循环冷却装置，其特征在于: 当机柜中某个芯片功率突升，散热温度和散热量迅速增加，相变金属(1-1)因此熔化成液态，在较短时间内带走大量的热量，为制冷系统(2)启动争取足够的缓冲时间；若芯片温度继续升高，则制冷系统(2)通过控制电子膨胀阀(2-3)增加流向该芯片的支路的制冷剂流量； 待制冷系统(2)进入稳定工作状态时，储液罐(2-5)中的液态制冷剂经节流减压后进入蒸发器(2-1)蒸发，带走芯片的产生的热量，同时带走金属液固相变产生的热量，液态金属冷凝成固态，蒸发后的制冷剂以气态形式回到压缩机(2-4)、经冷凝机组(2-2)冷凝后进入储液罐(2-5)，完成一个蒸汽压缩式制冷循环； 当芯片表面温度降低到某设定温度后，电子膨胀阀(2-3)关闭，当所有电子膨胀阀(2-3 )关闭后，压缩机停止工作。
6.根据权利要求4所述的多联变频蒸汽压缩循环冷却装置，其特征在于: 制冷系统(2)的工作信号来自于贴在芯片表面的温度传感器(4), 当所述温度传感器(4)所检测到的芯片温度达到或接近相变金属(I)熔点的一个温度设定值时，制冷系统(2)启动， 当芯片温度随后降至所述设定值以下时，相变金属(1-1)凝固，制冷系统(2)关闭该支路电子膨胀阀，避免制冷温度过低可能产生冷凝水，保证电子设备的安全工作，芯片少量的产热由空气通过金属封装盒四周的翅片带走； 当制冷系统(2)的压缩机(2-4)工作出现异常时，备份压缩机(2-4a)可以自动启动运行，而压缩机(2-4)同时停止运行，避免整个散热系统出现无法制冷的故障，并便于对压缩机(2-4 )的检修，检修完成后的压缩机(2-4 )成为备份压缩机。
7.根据权利要求6所述的多联变频蒸汽压缩循环冷却装置，其特征在于: 每个温度传感器(4)提供的温度信号均被输入到运行中的变频压缩机(2-4)和备份压缩机(2 - 4a)的变频器，这些温度信号所表示的温度中的最高温度被作为运行中的压缩机的转速调节的依据；即，根据该最高温度值的高低控制运行中的压缩机停止、低速运转和高速运转； 各支路的温度传感器(4)提供的温度信号被输入到对应的电子膨胀阀(2-3)的控制电路中，并根据该温度信号所表示的温度值的高低控制该电子膨胀阀(2-3)的开度大小，从而达到调节制冷剂流量的目的。
8.根据权利要求1一 4之一的多联变频蒸汽压缩循环冷却装置的运行方法，其特征在于包括: 当机柜中某个芯片功率突升，散热温度和散热量迅速增加时，相变金属(1-1)因此熔化成液态，在较短时间内带走大量的热量，为制冷系统(2)启动争取足够的缓冲时间；若芯片温度继续升高，则通过控制电子膨胀阀(2-3)增加流向该芯片的支路的制冷剂流量； 当制冷系统(2)进入稳定工作状态时，使储液罐(2-5)中的液态制冷剂经节流减压后进入蒸发器(2-1)蒸发，带走芯片的产生的热量，同时带走金属液固相变产生的热量，液态金属冷凝成固态，蒸发后的制冷剂以气态形式回到压缩机(2-4)、经冷凝机组(2-2)冷凝后进入储液罐(2-5)，完成一个蒸汽压缩式制冷循环； 当芯片表面温度降低到某设定温度后，电子膨胀阀(2-3)关闭，当所有电子膨胀阀(2-3)关闭后，压缩机停止工作。
9.根据权利要求1一 4之一的多联变频蒸汽压缩循环冷却装置的运行方法，其特征在于包括: 借助贴在芯片表面的温度传感器(4)获得制冷系统(2)的工作信号， 当所述温度传感器(4)所检测到的芯片温度达到或接近相变金属(I)熔点的一个温度设定值时，启动制冷系统(2)， 当芯片温度随后降至所述设定值以下时，相变金属(1-1)凝固，通过制冷系统(2)关闭该支路电子膨胀阀，避免制冷温度过低可能产生冷凝水，保证电子设备的安全工作，芯片少量的产热由空气通过金属封装盒四周的翅片带走； 当制冷系统(2)的压缩机(2-4)工作出现异常时，自动启动备份压缩机(2-4a)，同时停止压缩机(2-4)的运行，以避免整个散热系统出现无法制冷的故障，并便于对压缩机(2-4)的检修，检修完成后的压缩机(2-4)成为备份压缩机。
10.根据权利要求9的运行方法，其特征在于包括: 把每个温度传感器(4)提供的温度信号输入到运行中的变频压缩机(2-4)和备份压缩机(2 - 4a)的变频器，这些温度信号所表示的温度中的最高温度被作为运行中的压缩机的转速调节的依据；即，根据该最高温度值的高低控制运行中的压缩机停止、低速运转和高速运转； 把各支路的温度传感器(4)提供的温度信号输入到对应的电子膨胀阀(2-3)的控制电路中，并根据该温度信号所表示的温度值的高低控制该电子膨胀阀(2-3)的开度大小，从而达到调节制冷剂流量的目的。
【文档编号】H05K7/20GK104427825SQ201310381943
【公开日】2015年3月18日 申请日期:2013年8月28日 优先权日:2013年8月28日
【发明者】袁卫星, 任柯先, 杨波, 何潇寒, 杨宇飞 申请人:北京航空航天大学