一种双循环主动式高热流密度自平衡压力控温系统及自平衡压力控温方法

本发明涉及一种双循环主动式高热流密度自平衡压力控温系统及自平衡压力控温方法，属于散热器。

背景技术：

1、大规模集成电路的应用和升级极大地提高了电子设备的性能，同时也不断刷新着设备所承受的热流密度上限，给电子设备的散热带来了严峻的挑战。为了保证电子设备在高热流密度的冲击下仍然具有较高的安全性、稳定性、工作效率以及寿命，充分发挥设备性能，各种散热技术应运而生。其中较为常见的有空冷或液冷技术，但是由于上述方式散热量不足，显然不适用于现代高热流密度的场景。相变散热技术利用相变工质汽液状态的转变能携带大量热量，并通过双相流(多相流)循环系统实现与其它系统或者环境进行热交换。相变散热技术理论上具有200w/cm2以上的换热能力。

2、与传统蒸发器不同，对于特殊的需要精确控温的场合，需要保证进出口的工质蒸汽或液体的温度在相同的饱和温度附近。因此，有必要提出新的蒸发器结构，可以精确控制容器内的压力，让冷热工质之间的热量传递以潜热为主。

技术实现思路

1、针对热源温度不稳定容易导致沸腾换热不稳定，使系统内的气体压力波动等问题，本发明提出了一种双循环主动式高热流密度自平衡压力控温系统，该系统包括压力平衡构件、一级冷却系统和二级控温系统，一级冷却系统和二级控温系统分别通过压力平衡构件连通，压力平衡构件作为中间换热装置，使两个系统相互独立运行，工作时互不干扰；并利用压力平衡构件内设置的压力平衡阀a和压力平衡阀a’使压力平衡构件的储液腔的压力稳定在预设范围，从而稳定制冷剂的饱和温度；蒸发器使制冷剂冷凝具有过冷度，利用制冷剂的潜热快速吸收热源所产生的热量，使热源温度稳定在饱和温度范围。

2、一种双循环主动式高热流密度自平衡压力控温系统，包括压力平衡构件、一级冷却系统和二级控温系统，

3、所述压力平衡构件包括压力平衡罐1，压力平衡罐1的顶部水平设置有隔板1-6，隔板1-6将压力平衡罐1的腔体分为储液腔1-1和平衡腔1-7，平衡腔1-7内填充有制冷剂蒸汽，储液腔1-1内填充有制冷剂液体，储液腔1-1顶部填充有制冷剂蒸汽，隔板1-6上设置有连通储液腔1-1和平衡腔1-7的压力平衡阀a1-5和压力平衡阀a’，压力平衡阀a1-5和压力平衡阀a’的结构相同，压力平衡阀a1-5的位于储液腔1-1内，压力平衡阀a’位于平衡腔1-7内；

4、所述一级冷却系统包括压缩机4、冷凝器3和蒸发器1-2，蒸发器1-2固定设置在压力平衡罐1的储液腔1-1内，蒸发器进口端1-15通过管道ⅰ与冷凝器3的出口连通，冷凝器3的进口端与压缩机4的出口端连通，压缩机4的进口端通过管道ⅱ与蒸发器出口端1-14连通；所述管道ⅰ上设置有节流阀2；

5、所述二级控温系统包括变频泵5、流量阀6、流量计7、控制器8、温度传感器9、热源10、微流道散热器11，压力平衡罐1的制冷剂液体出口1-13依次与变频泵5、流量阀6和微流道散热器11连通，微流道散热器11与热源10贴合换热，微流道散热器11的气体出口通过气体输送管与压力平衡罐1的平衡腔1-7连通，流量阀6和微流道散热器11之间设置流量计7，流量计7与控制器8电连接，热源10内设置有若干个温度传感器9，温度传感器9与控制器8电连接。

6、所述压力平衡罐1的储液腔1-1顶部侧壁上设置有与大气连通的安全阀1-3和制冷剂蒸汽进口1-12。

7、所述压力平衡罐1的平衡腔1-7的顶端设置有与大气连通的气阀1-8，平衡腔1-7的壁上设置有压力表1-9。

8、优选的，所述压力平衡阀a1-5包括壳体、弹簧1-5-3和活塞1-5-4，壳体包括封闭端和开口端，壳体的侧壁上开设有若干个排气孔1-5-2，弹簧1-5-3的第一端固定设置在壳体的封闭端，弹簧1-5-3的第二端固定设置在活塞1-5-4的中心，活塞1-5-4的底端固定设置有密封圈1-5-1，壳体的开口端内壁固定设置有环形限位器1-5-5。

9、所述蒸发器1-2表面阵列布置有圆形翅片，所述圆形翅片呈45℃角向下排列。

10、所述压力平衡罐1的储液腔1-1和平衡腔1-7通过法兰1-11和螺栓1-10固定连接，法兰1-11和螺栓1-10的连接处设置有密封垫1-4。

11、基于所述双循环主动式高热流密度自平衡压力控温系统的自平衡压力控温方法，具体步骤如下：

12、1)压力平衡罐的储液腔内填充制冷剂液体且使储液腔的制冷剂液体液面高于二级控温系统微流道散热器的顶面，储液腔顶部和平衡腔内填充制冷剂蒸汽至储液腔和平衡腔的压力位于制冷剂饱和蒸汽压，储液腔和平衡腔的压力平衡，压力平衡阀a和压力平衡阀a’处于关闭状态；

13、2)二级控温系统中制冷剂液体在微流道散热器中吸收热源的热量而发生相变形成制冷剂热蒸汽，在重力作用下，制冷剂液体脱离制冷剂液体和制冷剂热蒸汽的混合物，制冷剂热蒸汽从微流道散热器的气体出口溢出；制冷剂热蒸汽通过气体输送管输送至压力平衡罐的平衡腔内；

14、3)一级冷却系统冷凝器中的液态工质在节流阀的控制下定流量通过管道ⅰ输送至蒸发器中，压力平衡罐的平衡腔内制冷剂热蒸汽与蒸发器内的液态工质热交换，制冷剂热蒸汽放热相变形成制冷剂液体，在重力作用下，相变的制冷剂液体汇入平衡腔内存储的制冷剂液体中；同时，蒸发器内的液态工质吸收热量蒸发形成气态工质，气态工质经管道ⅱ输送至压缩机内，再经压缩机压缩后输送至冷凝器内冷凝得到液态工质；

15、4)相变系统内的流动沸腾现象导致内部压力波动大，从而使制冷剂的流量和热流不稳定，当相变系统内部压力稳定时，压力平衡罐的储液腔和平衡腔内的压强相同，压力平衡阀a和压力平衡阀a’处于关闭状态；

16、当相变系统压力变化时，压力平衡罐的储液腔内制冷剂气体发生膨胀或压缩，当储液腔内制冷剂气体发生膨胀时，压力平衡阀a打开，储液腔内制冷剂气体通过压力平衡阀a输送至压力平衡罐的平衡腔内使储液腔和平衡腔内的压强相同而维持相变系统压力平衡；当储液腔内制冷剂气体发生压缩时，压力平衡阀a’打开，压力平衡罐的平衡腔内制冷剂气体通过压力平衡阀a’输送至储液腔内使储液腔和平衡腔内的压强相同而维持相变系统压力平衡。

17、优选的，制冷剂可选具有过冷度的制冷剂r134a，以在二级控温系统中依靠制冷剂的自身潜热使发热器件稳定在设定的饱和温度范围内。

18、本发明的有益效果是：

19、(1)本发明系统包括压力平衡构件、一级冷却系统和二级控温系统，一级循环为蒸汽压缩式制冷循环，二级循环为带热沉的相变冷却回路；一级循环目的是带走冷却对象的热量；二级循环的主要目的是精确调控冷却对象温度，依靠制冷剂的潜热，让热源温度维持在制冷剂饱和温度附近；压力平衡罐的目的是调控制冷剂的饱和蒸汽压，使制冷剂相变温度保持在饱和温度附近；

20、(2)本发明双循环主动式高热流密度自平衡压力控温系统，在现有的散热器基础上，结合了压力平衡罐和压力平衡阀调压的方法，可以实现系统内的压力稳定在制冷剂饱和压力范围内波动，进而控制微流道散热器内部始终处于制冷剂饱和温度上下，使制冷剂达到最高换热效率，并且还能对热源散热面的温度进行精确控制，稳定的压力波动还降低系统内的循环功耗，强化了热源的散热效果；

21、(3)本发明通过压力平衡构件可以实现系统内的压力稳定在制冷剂饱和压力范围内波动，进而控制微流道散热器内部始终处于制冷剂饱和温度上下，使制冷剂达到最高换热效率，并且还能对热源散热面的温度进行精确控制，稳定的压力波动还降低系统内的循环功耗，强化热源的散热效果；

22、(4)本发明双循环主动式高热流密度自平衡压力控温系统将一级冷却系统和二级控温系统独立开来，使两个系统中的压力互不干扰，增加了系统运行的稳定性；

23、(5)本发明系统具有散热效率高、系统响应快、控制范围广、系统功耗低等特点，能够对高热流条件下变功率的、多个离散的发热电子元件进行精确控温，从而有效提高功率电子元件的性能和使用寿命；

24、(6)本发明系统可以用于解决包括但不限于基站芯片、数据中心机柜、雷达激光、动力电池电芯等的散热问题。