基于相变微胶囊悬浮液的有机朗肯循环冷却系统

1.本发明属于相变冷却设备技术领域，具体涉及基于相变微胶囊悬浮液的有机朗肯循环冷却系统。

背景技术：

2.随着微电子机械系统的迅速发展，各类大容量、高性能的服务器成为大数据时代不可或缺的单元，作为服务器的中枢大脑，cpu对温度的依赖性也很大。有研究表明，cpu温度每升高1℃，其可靠性就下降约25％。目前，在微电子行业中，风冷是主要采用的冷却方式。不论是小型家用电脑，还是涉及巨量计算的大型服务器，所采用的冷却方式大多还是风冷，这是由于相比较于水冷或其他冷却方式，风冷在结构上更加简单、能源消耗较小且冷却面积大，另一个更重要的原因是电子元器件对于导电液体的敏感性导致水冷等方式在实际应用中难以实现。水在常温常压下的比热为4.2kj/kg，远远小于其潜热2260kj/kg，因此在作为循环冷却工质时，水在低于其相变温度范围内工作的换热能力远远小于其工作在相变温度的换热能力。而电子元器件的极限工作温度一般不超过90℃，工质水难以达到其相变温度。电子元器件在结构尺寸上比较小，为增加接触面积，所采用的冷却管道尺寸也比较小，往往采用毫米级变截面微通道进行换热，因此带来的压降损失使微通道前后端压力差大，微通道内部压力变化剧烈，对冷凝系统材料耐压性能的要求也有所提高，这使得微通道水冷在实际应用中面临着巨大的困难。事实上，现存的芯片水冷冷却模式的冷却效果与风冷冷却效果相差不大，但其成本较风冷高；且风冷的散热能力较低，很难应用到未来高热流密度微电子系统的散热，微通道水冷的技术结构较为复杂。

技术实现要素：

3.本发明的目的是提供基于相变微胶囊悬浮液的有机朗肯循环冷却系统，通过固液相变对微电子系统进行相变冷却，提高微电子系统的散热性。
4.本发明所采用的技术方案是，基于相变微胶囊悬浮液的有机朗肯循环冷却系统，由循环泵a输出端依次通过管路连接换热管路、冷凝器、循环泵b、回热器、循环泵a输入端，形成闭合循环回路，回热器输入端还连接单向阀输出端，单向阀输入端连接冷凝器入口处的管路，所有管路中填充相变微胶囊悬浮液。
5.本发明的特点还在于：
6.相变微胶囊悬浮液包括水和相变微胶囊，相变微胶囊的质量分数为20-30％。
7.相变微胶囊形态为球状，粒径为310-320nm。
8.相变微胶囊包括芯材和包覆在芯材外的壁材，壁材为密胺树脂，壁材厚度为35-42nm，芯材为正十八烷。
9.相变微胶囊的熔点为24.56～30.72℃。
10.换热管路内部工质通道采用“回”字型或“之”字型。
11.本发明有益效果是：
12.本发明基于相变微胶囊悬浮液的有机朗肯循环冷却系统，利用相变微胶囊悬浮液具有低于电子元器件临界工作温度的相变温度，通过有机朗肯循环与相变微胶囊悬浮液的结合实现了对微电子系统的冷却，与传统的冷却方式相比冷却效果更好，具有较高的操作安全性。
附图说明
13.图1是本发明基于相变微胶囊悬浮液的有机朗肯循环冷却系统结构示意图；
14.图2是本发明中相变微胶囊结构示意图。
15.图中，1.壁材，2.芯材，3.换热管路，4.冷凝器，5.回热器，6.单向阀，7.循环泵a，8.循环泵b。
具体实施方式
16.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
17.本发明基于相变微胶囊悬浮液的有机朗肯循环冷却系统，用于对微电子系统中电子元器件降温，如图1所示，由循环泵a7输出端依次通过管路连接换热管路3、冷凝器4、循环泵b8、回热器5、循环泵a7输入端(上述各组件均是一个组件的输出端与另一个组件的输入端连接)，形成闭合循环回路，回热器5输入端还连接单向阀6输出端，单向阀6输入端连接冷凝器4入口处的管路，所有管路中填充相变微胶囊悬浮液，其中换热管路3是属于微电子系统的换热管路，换热管路采用“回”字型或“之”字型通道增加换热时间和换热量，使悬浮液中的相变微胶囊在换热管中达到相变温度并部分产生相变至全部相变，对换热管路进行相变冷却，冷凝器4用于对其中的相变微胶囊悬浮液降温，冷凝成过冷溶液；单向阀6将进入冷凝器4前的高温溶液流入至回热器5，回热器5接收两个管路中的流动溶液，一个是冷凝器4经循环泵b8后得到的过冷溶液，另一个是经单向阀6的高温溶液，高温溶液与过冷溶液在回热器5中混合后能够得到过冷度为5-10℃的过冷溶液，即芯材为固态的相变微胶囊悬浮液，随后通过回热器5输出端进入循环泵a7输入端，进行下一次循环冷却。
18.相变微胶囊悬浮液包括水和相变微胶囊，相变微胶囊的质量分数为20-30％，该质量分数范围内的相变微胶囊悬浮液的对流换热系数较高，蓄热性能更高。
19.相变微胶囊形态为球状，粒径为310-320nm。
20.如图2所示，相变微胶囊包括芯材1和包覆在芯材1外的壁材2，壁材2为密胺树脂，壁材2厚度为35-42nm，芯材1为正十八烷；该相变微胶囊会和主流产生速度差，在主流中来回运动，增加主流的紊流度，从而增强壁面的对流换热系数，此外，由于有机工质熔点较低，容易发生相变，进一步增强与主流的换热，提高冷却效果。
21.相变微胶囊的熔点为24.56～30.72℃，该熔点是正十八烷的熔点，正十八烷熔化的温度低于微电子系统中微电子元器件的极限工作温度，使得正十八烷熔化，以达到相变冷却的效果；另外，密胺树脂的耐水能力好，热稳定性高，低温固化能力较强，耐磨性好。
22.换热管路3内部工质通道采用“回”字型或“之”字型，能够增加微电子系统和流动工质的换热时间和换热量。
23.本发明基于相变微胶囊悬浮液的有机朗肯循环冷却系统的工作过程为：
24.使用时，开启循环泵a7、循环泵b8，微电子系统的换热管路与经过其中的相变微胶
囊悬浮液相变换热，对微电子系统进行冷却后得到高温溶液，高温溶液一部分进入冷凝器4进行降温得到过冷溶液，经过循环泵b8进入回热器5，另一部分通过单向阀6进入回热器5，过冷溶液与另一部分高温溶液混合，得到过冷度为5-10℃的过冷溶液，随后通过回热器5输出端进入循环泵a7输入端，进行下一次循环冷却。
25.本发明相变微胶囊悬浮液中相变微胶囊的芯材采用正十八烷，在换热管路3中进行热交换后能够将芯材融化，进行相变换热，正十八烷从固相变成液相后，会以液相的方式继续升温，直到相变微胶囊悬浮液流出换热管路3。经过回热器5后的相变微胶囊悬浮液中的正十八烷是处于固相的状态。本发明中所有管路中均为相变微胶囊悬浮液，只是经过不同组件后正十八烷所处的状态发生变化。
26.通过上述方式，基于相变微胶囊悬浮液的有机朗肯循环冷却系统，利用相变微胶囊悬浮液具有低于电子元器件临界工作温度的相变温度，通过有机朗肯循环与相变微胶囊悬浮液的结合实现了对微电子系统的冷却，与传统的冷却方式相比冷却效果更好，具有较高的操作安全性。

技术特征：

1.基于相变微胶囊悬浮液的有机朗肯循环冷却系统，其特征在于，由循环泵a(7)输出端依次通过管路连接换热管路(3)、冷凝器(4)、循环泵b(8)、回热器(5)、循环泵a(7)输入端，形成闭合循环回路，所述回热器(5)输入端还连接单向阀(6)输出端，所述单向阀(6)输入端连接冷凝器(4)入口处的管路，所有管路中填充相变微胶囊悬浮液。2.根据权利要求1所述基于相变微胶囊悬浮液的有机朗肯循环冷却系统，其特征在于，所述相变微胶囊悬浮液包括水和相变微胶囊，所述相变微胶囊的质量分数为20-30％。3.根据权利要求2所述基于相变微胶囊悬浮液的有机朗肯循环冷却系统，其特征在于，所述相变微胶囊形态为球状，粒径为310-320nm。4.根据权利要求3所述基于相变微胶囊悬浮液的有机朗肯循环冷却系统，其特征在于，所述相变微胶囊包括芯材(1)和包覆在芯材(1)外的壁材(2)，所述壁材(2)为密胺树脂，所述壁材(2)厚度为35-42nm，所述芯材(1)为正十八烷。5.根据权利要求2所述基于相变微胶囊悬浮液的有机朗肯循环冷却系统，其特征在于，所述相变微胶囊的熔点为24.56～30.72℃。6.根据权利要求1所述基于相变微胶囊悬浮液的有机朗肯循环冷却系统，其特征在于，所述换热管路(3)内部工质通道采用“回”字型或“之”字型。

技术总结

本发明公开了基于相变微胶囊悬浮液的有机朗肯循环冷却系统，由循环泵a输出端依次通过管路连接换热管路、冷凝器、循环泵b、回热器、循环泵a输入端，形成闭合循环回路，回热器输入端还连接单向阀输出端，单向阀输入端连接冷凝器入口处的管路，所有管路中填充相变微胶囊悬浮液；利用相变微胶囊悬浮液具有低于电子元器件临界工作温度的相变温度，通过有机朗肯循环与相变微胶囊悬浮液的结合实现了对微电子系统的冷却，与传统的冷却方式相比冷却效果更好，具有较高的操作安全性。具有较高的操作安全性。具有较高的操作安全性。