CN104764245A - 一种超临界流体喷射冷却系统及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超临界流体喷射冷却系统及其使用方法，其中，冷却系统包括通过循环管道依次连接形成封闭循环回路的喷射冷却模块、散热模块、储液罐和循环泵，及充注于封闭循环回路内的超临界流体冷却工质，散热模块出口与储液罐入口之间的循环管道上设置有带充注阀的充注入口，用于向封闭循环回路内充注超临界流体冷却工质；喷射冷却模块包括一倒置的筒形壳体，壳体的敞口端与需冷却的热源表面固定密封连接形成喷射冷却腔室，壳体上设置有一喷射冷却腔室入口、一喷射冷却腔室出口和一用于检测喷射冷却腔室内压力的压力传感器，喷射冷却腔室入口正对热源表面且安装有一喷孔装置；散热模块包括一散热器，散热器入口和出口分别与喷射冷却模块的喷射冷却腔室出口和储液罐入口相连接。

Description

一种超临界流体喷射冷却系统及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种用于地面及宇宙空间环境下高热流器件的冷却系统及其使用方法，尤其涉及一种超临界流体喷射冷却系统及其使用方法。

背景技术

随着科学技术不断进步，电子信息工业快速发展，电子器件性能不断提高，电子器件的集成度和功率密度也不断增大，导致电子器件在工作过程中会产生更高的热流密度。例如半导体激光器阵列和大功率航空航天电子元件等，工作时产生的废热可高达200～1500W/cm²。电子器件工作产生的高热流如果不能得到有效管理，电子器件没有得到有效冷却，电子器件的温度会不断升高，影响电子器件的工作性能，降低电子器件的工作效率，还会对电子器件的材料带来极大考验，如果材料不能耐受高温产生的应力，电子器件将会产生形变甚至损毁，即发生所谓的“热致失效”。研究表明，电子元器件的温度上升10℃，其使用寿命就会缩短二分之一，超过55％的电子设备的失效形式是由温度过高引起的。此外，随着航天技术和航天工业的发展，卫星和空间站等宇宙空间环境下使用的设备也存在着越来越多的高热流密度电子器件，如果这些电子器件的散热问题不能得到稳定可靠的解决，后果将更不堪设想。

目前常见的电子器件冷却方式包括自然对流散热、强制风冷散热和液体冷却等。自然对流散热和强制风冷散热的冷却能力太低，而且无法在真空和失重的宇宙空间环境下使用。液体冷却通常指使用某种液体(或流体)作为换热工质，将热量从热源带走并扩散到周围空间的冷却方式，其包含沸腾冷却和射流冷却等多种形式。其中，射流冷却由于采用液体高速冲击，使得被冲击表面温度边界层变薄，温度梯度大，从而比没有采用强迫对流的沸腾冷却具有更好的冷却能力。但是，宇宙空间环境下电子器件的冷却有更严苛的要求，在地面上使用的液体冷却因为可以利用相变潜热而有良好的冷却能力，但在宇宙空间的失重(或微重力)环境下，液体工质相变后无法像在地面上由于气液密度不同而通过重力自行分离，这将会导致传热恶化和压力波动引起的振动等问题，严重影响冷却系统的稳定性，进而威胁电子器件和设备的正常工作。

纯净物质根据温度和压力的不同，呈现出液体、气体、固体等状态变化。在温度高于某一数值时，任何大的压力均不能使该纯物质由气相转化为液相，此时的温度即被称之为临界温度Tc；液体在临界温度Tc时的饱和蒸汽压则称为临界压力Pc。温度及压力均处于临界点以上的液体叫超临界流体，超临界流体的物性兼具液体性质与气体性质；对应一个超临界压力，超临界流体存在一个准临界温度，在准临界温度附近超临界流体具有极大的比热，因而具有极优的储热和换热能力。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种冷却能力高且同时适用于地面及空间环境中高热流密度电子器件冷却的超临界流体喷射冷却系统及其使用方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种超临界流体喷射冷却系统，其特征在于，该系统包括通过循环管道依次连接并形成封闭循环回路的喷射冷却模块、散热模块、储液罐和循环泵，以及充注于所述封闭循环回路内的超临界流体冷却工质，所述散热模块出口与所述储液罐入口之间的循环管道上设置有带充注阀的充注入口，以用于向所述封闭循环回路内充注所述超临界流体冷却工质；其中，所述喷射冷却模块包括一倒置的筒形壳体，所述壳体的敞口端与需被冷却的热源表面固定密封连接形成喷射冷却腔室，所述壳体上设置有一喷射冷却腔室入口、一喷射冷却腔室出口和一用于检测所述喷射冷却腔室内压力的压力传感器，所述喷射冷却腔室入口正对所述热源表面且安装有一喷孔装置；所述散热模块包括一散热器，所述散热器的入口和出口分别与所述喷射冷却模块的喷射冷却腔室出口和所述储液罐的入口相连接。

还包括一控制模块，所述控制模块包括一控制器和一温度传感器，所述温度传感器设置在所述喷射冷却腔室入口和所述循环泵出口之间的循环管道上；所述散热模块还包括一旁路管道，所述旁路管道的两端分别连接到所述散热器的入口和出口，电磁阀设置在所述旁路管道上；所述控制器分别与所述循环泵、电磁阀和温度传感器相连接，所述控制器接收所述温度传感器的信号并进行分析，然后对所述循环泵的转速和所述电磁阀的开度进行调节。

所述超临界流体冷却工质是超临界二氧化碳、超临界R134a或者超临界乙醇。

所述散热器为辐射散热器或者翅片式散热器。

所述热源表面与所述壳体之间通过密封槽配合O形垫圈密封，并采用螺栓紧固连接。

所述喷孔装置为单喷孔结构或者多喷孔阵列结构。

一种超临界流体喷射冷却系统的使用方法，包括以下步骤：

1)首先，将所述热源表面与所述壳体密封紧固连接，打开所述充注阀和所述旁路管道上的电磁阀，将所述超临界流体冷却工质由所述充注入口注入所述封闭循环回路，通过所述压力传感器监测所述喷射冷却模块内的压力，充注所述超临界流体冷却工质至所述喷射冷却模块内压力高于所述超临界流体冷却工质的临界压力，使所述超临界流体冷却工质达到超临界态；

2)关闭所述充注阀，将所述温度传感器的信号接入所述控制器，将所述控制器的输出信号接入所述电磁阀和循环泵；

3)根据热源的热流密度设定喷射冷却的循环流量，进而设定所述循环泵的转速；启动循环泵，所述控制器控制所述循环泵按设定的转速转动，将所述储液罐中的所述超临界流体冷却工质泵入所述喷射冷却模块中，所述超临界流体冷却工质经过所述喷孔装置形成高速喷射流，喷射到所述热源表面上吸热升温，对所述热源进行冷却；

4)对所述热源进行冷却后的所述超临界流体冷却工质从所述喷射冷却腔室出口流入所述散热器，对外界环境散热，重新达到低于准临界温度的状态进入所述储液罐，完成一个冷却循环；

5)所述温度传感器实时监测所述喷射冷却腔室入口前超临界流体冷却工质的温度，所述控制器根据所述温度传感器反馈的温度信号进行分析，实时调节所述循环泵的转速以及通过调节所述旁路管道上电磁阀的开度控制所述散热器的流量，以调节所述喷射冷却腔室入口前超临界流体冷却工质的温度，确保所述超临界流体冷却工质的温度低于系统工作压力对应的准临界温度；

6)重复步骤3)至步骤5)的动作，周而复始，稳定运行，对所述热源进行循环冷却。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明提出了一种超临界流体喷射冷却系统及其使用方法，使用超临界流体为冷却工质，超临界流体冷却工质在受热升温时不存在气液相变，因而不会出现液体工质冷却时蒸干产生的传热恶化以及压力波动，确保了冷却系统的稳定性和安全性，同时超临界流体冷却以低于准临界温度喷射到热源表面进行吸热，在热源附近的超临界流体冷却工质处于准临界温度附近，具有极大的比热容，因而具有极优的储热和换热能力，能够对各种高热流器件进行有效冷却；2、本发明是一种闭式循环系统，结构简单，安装方便，运行稳定，适用性强，可广泛应用于各种高热流密度器件的冷却散热，一次安装，永久使用，成本较低。

附图说明

图1是本发明超临界流体喷射冷却系统的结构示意图；

图2是本发明喷射冷却模块的剖视结构示意图；

图3是本发明单孔喷射冷却装置的主视结构示意图；

图4是本发明单孔喷射冷却装置的仰视结构示意图；

图5是本发明多孔喷射冷却装置的主视结构示意图；

图6是本发明多孔喷射冷却装置的仰视结构示意图；

图7是本发明中使用的超临界流体的比热-温度曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明提供的超临界流体喷射冷却系统包括通过循环管道6依次连接并形成封闭循环回路的喷射冷却模块1、散热模块2、储液罐3和循环泵4，以及充注于封闭循环回路内的超临界流体冷却工质(图中未示出)。散热模块2出口与储液罐3入口之间的循环管道6上设置有带充注阀8的充注入口7，以用于向封闭循环回路内充注超临界流体冷却工质。

如图2所示，喷射冷却模块1包括一倒置的筒形壳体11，壳体11的敞口端与需被冷却的热源表面9固定密封连接形成喷射冷却腔室12，壳体11上设置有一喷射冷却腔室入口13、一喷射冷却腔室出口14和一用于检测喷射冷却腔室12内压力的压力传感器15，喷射冷却腔室入口13正对热源表面9且安装有一喷孔装置16。

如图1所示，散热模块2包括一散热器21和一旁路管道22，散热器21的入口和出口分别与喷射冷却模块1的喷射冷却腔室出口14和储液罐3的入口相连接。旁路管道22的两端分别连接到散热器21的入口和出口，电磁阀23设置在旁路管道22上。

此外，本发明提供的超临界流体喷射冷却系统还包括一控制模块5，该控制模块5包括一控制器51和一温度传感器52，温度传感器52设置在喷射冷却腔室入口14和循环泵4出口之间的循环管道6上，控制器51分别与循环泵4、电磁阀23和温度传感器52相连接，控制器51接收温度传感器52的信号并进行分析，然后对循环泵4的转速和电磁阀23的开度进行调节。

上述实施例中，超临界流体冷却工质可以是超临界二氧化碳、超临界R134a(1,1,1,2-四氟乙烷)、超临界乙醇或者其他合适合理的超临界流体，需要注意的是，超临界流体的物性(如比热)与其所处的压力及温度紧密相关，因而对于超临界流体工质及其工作压力和温度的选择，要综合考虑被冷却器件的发热热流及工作温度。

上述实施例中，如图2所示，热源表面9与壳体11之间的接触面通过密封装置17密封，并通过固定装置18紧固连接。热源表面9与壳体11之间可以选择多种的密封方式和固定连接方式，但必须考虑超临界流体冷却工质的工作压力和热源结构的影响。例如热源表面9与壳体11之间可以通过密封槽配合O形垫圈密封，并采用螺栓紧固连接。

上述实施例中，根据热源表面9的面积大小，喷孔装置16可以是单喷孔结构(如图3、图4所示)，也可以是多喷孔阵列结构(如图5、图6所示)。当热源表面9的面积较小时，可以选用单喷孔结构，反之，可以选用多喷孔阵列结构。

上述实施例中，根据使用环境及实际工况，可以选择合适的散热器21。例如在宇宙空间环境使用本发明时，由于宇宙空间中的高真空、微重力环境，可以选择辐射散热器；而在地面环境使用本发明时可以选择翅片式散热器或者其他满足要求的散热器。

基于上述实施例中提供的超临界流体喷射冷却系统，本发明还提出了一种超临界流体喷射冷却系统的使用方法，其包括以下步骤：

1)如图1所示，首先将热源表面9与壳体11密封紧固连接，打开充注阀8和旁路管道22上的电磁阀23，将超临界流体冷却工质由充注入口7注入封闭循环回路，通过压力传感器15监测喷射冷却模块1内的压力，充注超临界流体冷却工质至喷射冷却模块1内压力高于超临界流体冷却工质的临界压力，使超临界流体冷却工质达到超临界态。超临界态的超临界流体冷却工质既非液态也非气态，不会存在气液相变的过程，能够避免常规冷却工质在冷却时自身发生气液相变而导致的传热恶化和压力波动，同时，超临界流体冷却工质在其准临界温度点附近具有极大的比热容，具有极优的储热和换热性能。

2)关闭充注阀8，将温度传感器52的信号接入控制器51，将控制器52的输出信号接入电磁阀23和循环泵4。

3)根据热源(图中未示出)的热流密度设定合适的喷射冷却的循环流量，进而设定循环泵4的转速，启动循环泵4，控制器51控制循环泵4按设定的转速转动，将储液罐3中的超临界流体冷却工质泵入喷射冷却模块1中，超临界流体冷却工质经过喷孔装置16形成高速喷射流，喷射到热源表面9上吸热升温，对热源进行冷却。

4)对热源进行冷却后的超临界流体冷却工质从喷射冷却腔室出口14流入散热器21，对外界环境散热，重新达到低于准临界温度的状态进入储液罐3，完成一个冷却循环。

5)温度传感器52实时监测喷射冷却腔室入口13前超临界流体冷却工质的温度，控制器51根据温度传感器52反馈的温度信号进行分析，实时调节循环泵4的转速以及通过调节旁路管道22上电磁阀23的开度控制散热器21的流量，以调节喷射冷却腔室入口13前超临界流体冷却工质的温度，确保超临界流体冷却工质的温度低于系统工作压力对应的准临界温度，以充分利用超临界流体冷却工质在其准临界温度点附近具有的极大比热容以及极优的储热和换热性能，优化冷却吸热效果，对热源有效冷却。

6)重复步骤3)至步骤5)的动作，周而复始，稳定运行，对热源进行循环冷却。

本发明可以广泛应用于地面及宇宙空间环境下使用的各种高热流密度器件的冷却散热。下面以应用于空间环境下使用的高热流密度电子器件为例，具体说明本发明的使用方法：

首先选择冷却工质和工作压力。二氧化碳作为一种常见的流体，具有无毒、不可燃的安全性，相比其他超临界态的流体具有大比热、高导热的优良的热传输特性。其临界压力为7.37Mpa，对应的临界温度为31.06℃，当选定工作压力为8Mpa时，其准临界温度为34.7℃，达到系统最优冷却效果时，热源表面温度将在此准临界温度附近，能保证电子器件的正常工作。如图7所示，准临界点附近的二氧化碳具有极大的比热(最高达35.224kj/kg*k)，因而具有非常好的换热能力。

选择密封装置17和连接装置18。根据工作压力为8MPa和热源结构，选定热源表面9与壳体11之间通过密封槽配合O形垫圈密封，并采用螺栓紧固连接。

由于所需冷却的电子器件体积较小，热源表面9的面积也较小，选择单喷孔结构的喷孔装置16即可满足使用要求。

由于热源是工作在宇宙空间环境下，选择辐射散热器21。

1)将热源表面9与壳体11密封紧固连接，打开充注阀8和旁路管道上的电磁阀23，将二氧化碳从充注入口7注入封闭循环回路，通过压力传感器15监测喷射冷却模块1内的压力，充注二氧化碳至喷射冷却模块1内压力达到设定的工作压力8MPa，使二氧化碳达到超临界态。

2)关闭充注阀8，将温度传感器52的信号接入控制器51，将控制器52的输出信号接入电磁阀23和循环泵4。

3)根据热源的热流密度，设定超临界二氧化碳的喷射速度为10m/s，据此设定循环泵4的转速。启动循环泵4，控制器51控制循环泵4按设定的转速转动，将储液罐3中的超临界二氧化碳泵入喷射冷却模块1中，超临界二氧化碳经过喷孔装置16形成高速喷射流，喷射到热源表面9上吸热升温，在准临界温度附近有极大的比热，具有极优的储热和换热能力，对热源进行有效冷却。

4)对热源进行冷却后的超临界二氧化碳从喷射冷却腔室出口14流入辐射散热器21，对外界环境散热，重新达到低于准临界温度的状态进入储液罐3，完成一个冷却循环。

5)温度传感器52实时监测喷射冷却腔室入口13前超临界二氧化碳的温度，控制器51根据温度传感器52反馈的温度信号进行分析，实时调节循环泵4的转速以及通过调节旁路管道22上电磁阀23的开度控制散热器21的流量，以调节喷射冷却腔室入口13前超临界二氧化碳的温度：当喷射冷却腔室入口13处超临界二氧化碳的温度过高时，控制器51输出信号控制电磁阀23的开度减小或循环泵4的转速增大，当温度过低时，则进行相反的操作，从而确保超临界二氧化碳的温度低于准临界温度34.7℃，以充分利用超临界二氧化碳在其准临界温度点附近具有的极大比热容以及极优的储热和换热性能，优化冷却吸热效果，对热源有效冷却。

6)重复步骤3)至步骤5)的动作，周而复始，稳定运行，对热源进行循环冷却。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、设置位置、及其连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种超临界流体喷射冷却系统，其特征在于，该系统包括通过循环管道依次连接并形成封闭循环回路的喷射冷却模块、散热模块、储液罐和循环泵，以及充注于所述封闭循环回路内的超临界流体冷却工质，所述散热模块出口与所述储液罐入口之间的循环管道上设置有带充注阀的充注入口，以用于向所述封闭循环回路内充注所述超临界流体冷却工质；其中，

所述喷射冷却模块包括一倒置的筒形壳体，所述壳体的敞口端与需被冷却的热源表面固定密封连接形成喷射冷却腔室，所述壳体上设置有一喷射冷却腔室入口、一喷射冷却腔室出口和一用于检测所述喷射冷却腔室内压力的压力传感器，所述喷射冷却腔室入口正对所述热源表面且安装有一喷孔装置；

所述散热模块包括一散热器，所述散热器的入口和出口分别与所述喷射冷却模块的喷射冷却腔室出口和所述储液罐的入口相连接。

2.如权利要求1所述的一种超临界流体喷射冷却系统，其特征在于，还包括一控制模块，所述控制模块包括一控制器和一温度传感器，所述温度传感器设置在所述喷射冷却腔室入口和所述循环泵出口之间的循环管道上；所述散热模块还包括一旁路管道，所述旁路管道的两端分别连接到所述散热器的入口和出口，电磁阀设置在所述旁路管道上；所述控制器分别与所述循环泵、电磁阀和温度传感器相连接，所述控制器接收所述温度传感器的信号并进行分析，然后对所述循环泵的转速和所述电磁阀的开度进行调节。

3.如权利要求2所述的一种超临界流体喷射冷却系统，其特征在于，所述超临界流体冷却工质是超临界二氧化碳、超临界R134a或者超临界乙醇。

4.如权利要求2或3所述的一种超临界流体喷射冷却系统，其特征在于，所述散热器为辐射散热器或者翅片式散热器。

5.如权利要求2或3所述的一种超临界流体喷射冷却系统，其特征在于，所述热源表面与所述壳体之间通过密封槽配合O形垫圈密封，并采用螺栓紧固连接。

6.如权利要求4所述的一种超临界流体喷射冷却系统，其特征在于，所述热源表面与所述壳体之间通过密封槽配合O形垫圈密封，并采用螺栓紧固连接。

7.如权利要求2或3或6所述的一种超临界流体喷射冷却系统，其特征在于，所述喷孔装置为单喷孔结构或者多喷孔阵列结构。

8.如权利要求4所述的一种超临界流体喷射冷却系统，其特征在于，所述喷孔装置为单喷孔结构或者多喷孔阵列结构。

9.如权利要求5所述的一种超临界流体喷射冷却系统，其特征在于，所述喷孔装置为单喷孔结构或者多喷孔阵列结构。

10.一种如权利要求2至9中任一项所述的超临界流体喷射冷却系统的使用方法，包括以下步骤：

1)首先，将所述热源表面与所述壳体密封紧固连接，打开所述充注阀和所述旁路管道上的电磁阀，将所述超临界流体冷却工质由所述充注入口注入所述封闭循环回路，通过所述压力传感器监测所述喷射冷却模块内的压力，充注所述超临界流体冷却工质至所述喷射冷却模块内压力高于所述超临界流体冷却工质的临界压力，使所述超临界流体冷却工质达到超临界态；

2)关闭所述充注阀，将所述温度传感器的信号接入所述控制器，将所述控制器的输出信号接入所述电磁阀和循环泵；

3)根据热源的热流密度设定喷射冷却的循环流量，进而设定所述循环泵的转速；启动循环泵，所述控制器控制所述循环泵按设定的转速转动，将所述储液罐中的所述超临界流体冷却工质泵入所述喷射冷却模块中，所述超临界流体冷却工质经过所述喷孔装置形成高速喷射流，喷射到所述热源表面上吸热升温，对所述热源进行冷却；

4)对所述热源进行冷却后的所述超临界流体冷却工质从所述喷射冷却腔室出口流入所述散热器，对外界环境散热，重新达到低于准临界温度的状态进入所述储液罐，完成一个冷却循环；

5)所述温度传感器实时监测所述喷射冷却腔室入口前超临界流体冷却工质的温度，所述控制器根据所述温度传感器反馈的温度信号进行分析，实时调节所述循环泵的转速以及通过调节所述旁路管道上电磁阀的开度控制所述散热器的流量，以调节所述喷射冷却腔室入口前超临界流体冷却工质的温度，确保所述超临界流体冷却工质的温度低于系统工作压力对应的准临界温度；

6)重复步骤3)至步骤5)的动作，周而复始，稳定运行，对所述热源进行循环冷却。