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基本信息

項(xiàng)目名稱：
電子冷卻用微型制冷系統(tǒng)
小類：
能源化工
簡(jiǎn)介：
現(xiàn)代高熱流器件表面熱流密度已超過了106 W/m2的水平，采用被動(dòng)式冷卻方法無法滿足散熱要求，制冷技術(shù)可增大換熱溫差滿足散熱要求。許多場(chǎng)合受空間的限制，迫切需要輕量、小型的制冷系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)利用滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)，結(jié)合采用強(qiáng)化傳熱技術(shù)的板式蒸發(fā)器、翅片管式冷凝器、熱力膨脹閥等裝置組成了重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊的微型制冷系統(tǒng)樣機(jī)。同時(shí)驗(yàn)證了微冷樣機(jī)的可靠性。本設(shè)計(jì)一定程度上滿足了市場(chǎng)高熱流電子器件的散熱要求。
詳細(xì)介紹：
1.作品研究意義 自2000年以來，國(guó)外對(duì)蒸汽壓縮式電子系統(tǒng)冷卻技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，同時(shí)也研發(fā)了一些樣機(jī)。如IBM，Krotech，AMD和Sun等已將蒸汽壓縮制冷技術(shù)應(yīng)用到電子系統(tǒng)中，國(guó)外也有制造計(jì)算機(jī)顯卡、CPU冷卻的蒸汽壓縮制冷冷卻系統(tǒng)的生產(chǎn)廠商，但他們使用的還是傳統(tǒng)的蒸汽壓縮制冷設(shè)備，體積質(zhì)量較大。無法解決有限空間或特殊條件下的電子冷卻問題。國(guó)內(nèi)應(yīng)用蒸汽壓縮式制冷的方向主要是空調(diào)、冷庫(kù)、家用冰箱等，將蒸汽壓縮制冷技術(shù)應(yīng)用于電子冷卻的研究及實(shí)踐還很少。 由于各類電子產(chǎn)品和設(shè)備呈現(xiàn)出集成度高、體積小、功能強(qiáng)、耗功量大的發(fā)展趨勢(shì)，雖然蒸汽壓縮式制冷技術(shù)已經(jīng)很成熟，但是若想將它應(yīng)用于電子系統(tǒng)冷卻中，制冷系統(tǒng)必須小型化、輕量化，同時(shí)要求其性能穩(wěn)定，可靠性強(qiáng)。為彌補(bǔ)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)在電子冷卻用微型制冷系統(tǒng)研究方面的不足，設(shè)計(jì)了微型制冷系統(tǒng)樣機(jī)。 樣機(jī)采用蒸汽壓縮式制冷技術(shù)，由壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器和膨脹閥等組成，其中換熱器采用緊湊輕量化設(shè)計(jì)。由于國(guó)內(nèi)在換熱器的生產(chǎn)加工方面技術(shù)已比較成熟，因此微型制冷系統(tǒng)的關(guān)鍵在于壓縮機(jī)，然而目前國(guó)內(nèi)研制生產(chǎn)的符合小冷量系統(tǒng)的壓縮機(jī)大多為活塞式壓縮機(jī)，無論從體積還是重量上都難以滿足有限空間條件或特殊條件下的冷卻。本設(shè)計(jì)利用美國(guó)Aspen公司滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)，壓縮機(jī)額定制冷量300 W，質(zhì)量?jī)H為0.59 kg，直徑5 cm。本作品系電子冷卻用微型制冷系統(tǒng)，不但散熱能力達(dá)到電子冷卻要求，而且實(shí)現(xiàn)了體積小型化。 2.樣機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù) 微型制冷系統(tǒng)樣機(jī)主要應(yīng)用于電子器件或電子系統(tǒng)冷卻中，設(shè)計(jì)參數(shù)如下：制冷量：300 W，制冷劑：R134a，蒸發(fā)溫度：5 ℃，冷凝溫度：45 ℃，蒸發(fā)器過熱度：5 ℃，冷凝器過冷度：5 ℃。 3.系統(tǒng)工作原理及工作流程 整個(gè)工作流程由兩部分組成，分別是制冷劑循環(huán)系統(tǒng)和水循環(huán)系統(tǒng)。在制冷劑循環(huán)系統(tǒng)中，制冷劑首先經(jīng)蒸發(fā)器進(jìn)入壓縮機(jī)，并將其壓縮到冷凝壓力狀態(tài)，然后進(jìn)入冷凝器，在冷凝壓力下將工質(zhì)冷卻成液態(tài)，在冷凝過程中放出的熱量傳給冷卻介質(zhì)（空氣）。冷卻后的液體通過熱力膨脹閥節(jié)流進(jìn)入蒸發(fā)器。節(jié)流降壓后的制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)吸收冷卻水中的熱量，制冷劑變成飽和蒸汽狀態(tài)再進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)。 水循環(huán)系統(tǒng)由蒸發(fā)器及換熱器組及其它水循環(huán)輔助設(shè)備組成，換熱器組中的換熱器與芯片或其他電子器件通過貼片連接在一起。蒸發(fā)器中的液態(tài)制冷工質(zhì)吸收被冷卻液體（水）的熱量，被冷卻液體（水）的溫度降低后進(jìn)入各個(gè)換熱器內(nèi)，實(shí)現(xiàn)各電子器件（如芯片、CPU等）的散熱。 制冷劑循環(huán)系統(tǒng)是整個(gè)循環(huán)的核心，該作品主要展示制冷劑循環(huán)部分。電子冷卻用微型制冷系統(tǒng)樣機(jī)的工作流程如圖4所示。 圖4 微型制冷系統(tǒng)樣機(jī)工作流程圖 4.設(shè)備選型及系統(tǒng)集成依據(jù) 微冷系統(tǒng)設(shè)備選擇原則是：設(shè)備性能符合要求，質(zhì)量輕，體積與微冷系統(tǒng)其它部件相匹配。設(shè)備選型依據(jù)為系統(tǒng)設(shè)計(jì)各參數(shù)。此系統(tǒng)由目前市場(chǎng)上技術(shù)先進(jìn)的美國(guó)Aspen公司的滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)、翅片管式冷凝器、熱力膨脹閥和板式蒸發(fā)器等裝置組成，采用銅管連接。機(jī)箱使用不銹鋼板壓制而成。在壓縮機(jī)出口、熱力膨脹閥入口處使用快速接頭分別與冷凝器進(jìn)出口相連，為冷凝器的安裝和更換，樣機(jī)的改造都提供了便利條件。 滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)類屬回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)，它是整個(gè)系統(tǒng)的心臟部分。滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)從結(jié)構(gòu)及工作過程來看具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，重量輕，易損部件少，效率高等特點(diǎn)，因此適用于微型制冷系統(tǒng)。該壓縮機(jī)制冷量大小可調(diào)，不但體積小、重量輕，而且性能穩(wěn)定、可靠性強(qiáng)、噪音低。本樣機(jī)中壓縮機(jī)參數(shù)如下：制冷量300 W，機(jī)身直徑：50 mm，重量：0.59 kg。冷凝器類型為翅片管式冷凝器，它傳熱能力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)緊湊，以空氣作為冷卻介質(zhì)，因其質(zhì)量輕，體積小受到微冷系統(tǒng)的青睞，所選擇冷凝器的外形尺寸：150 mm×127mm×2.5mm。蒸發(fā)器選用板式蒸發(fā)器，板式蒸發(fā)器是一種新型高效、緊湊式的熱交換器。板式換熱器具有十分緊湊的傳熱面，單位體積的傳熱面積比管殼式熱交換器大五倍以上，最大可達(dá)幾十倍。板式換熱器的傳熱系數(shù)一般為3000-5000 W/m2?K，是其他類型換熱器的3-5倍。蒸發(fā)器外形尺寸：190 mm×70 mm×40 mm。 熱力膨脹閥是通過蒸發(fā)器出口氣態(tài)制冷劑的過熱度控制膨脹閥開度的，在系統(tǒng)調(diào)試過程中，可考慮適時(shí)的旋轉(zhuǎn)膨脹閥閥芯開度旋鈕。 在系統(tǒng)集成時(shí)，將上述各組件通過銅管連接，盡量減少管路彎頭和管路長(zhǎng)度以減少流動(dòng)阻力，同時(shí)考慮到各器件的工作特點(diǎn)，合理布置器件位置。外形尺寸為：270mm×200mm×240mm。 樣機(jī)組裝完成后，進(jìn)行性能測(cè)試，在壓縮機(jī)全速運(yùn)轉(zhuǎn)，冷凍水溫度為32 ℃，冷卻水溫度為37℃，冷凍水質(zhì)量流量為117.14 kg/h，冷卻水質(zhì)量流量109.5 kg/h的條件下，系統(tǒng)制冷量高達(dá)314.18 W。達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 5.總結(jié) 微型制冷系統(tǒng)樣機(jī)整套裝置操作簡(jiǎn)單、工作效率高，而且此設(shè)計(jì)體積小、重量輕，適用于有限空間的電子器件冷卻。微型蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)應(yīng)用于電子器件冷卻，能夠解決目前市場(chǎng)上有限空間內(nèi)使用制冷系統(tǒng)體積大、重量重等問題。該技術(shù)在電子冷卻行業(yè)范圍內(nèi)具有非常廣闊的發(fā)展前景，可望成功開發(fā)出高技術(shù)含量的實(shí)用化產(chǎn)品，為教學(xué)、科研、以及公司的產(chǎn)品研發(fā)提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

作品圖片

  • 電子冷卻用微型制冷系統(tǒng)
  • 電子冷卻用微型制冷系統(tǒng)

作品專業(yè)信息

設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)

對(duì)新一代的電子設(shè)備而言，熱流通量高達(dá)106～107 W/m2，空氣冷卻、普通液冷和熱管散熱等傳統(tǒng)的電子冷卻能力大約為102～104 W/m2?K，一些采用微通道技術(shù)的液冷熱沉散熱能力可以達(dá)到105 W/m2?K的水平，都無法滿足高熱流散熱要求。面對(duì)這樣的矛盾，高熱流電子器件迫切需要新的冷卻方法。而根據(jù)牛頓冷卻定律 ，可以利用制冷系統(tǒng)降低冷卻介質(zhì)的溫度，增大換熱溫差Δt，從而提高換熱強(qiáng)度。許多場(chǎng)合的電子系統(tǒng)冷卻由于受空間的限制，迫切需要輕量化、小型化的微型制冷系統(tǒng)。然而目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上同樣制冷量的制冷系統(tǒng)無論是緊湊程度，還是集成程度都不能滿足要求。為解決上述矛盾設(shè)計(jì)了微型制冷系統(tǒng)樣機(jī)，通過樣機(jī)性能測(cè)試平臺(tái)，驗(yàn)證了微冷樣機(jī)的可靠性。 該作品創(chuàng)新點(diǎn)表現(xiàn)在以下三個(gè)方面：（1）微型制冷系統(tǒng)樣機(jī)利用目前市場(chǎng)上技術(shù)先進(jìn)、微型、輕量的美國(guó)Aspen滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)，該壓縮機(jī)體積小、重量輕、噪音低、制冷量可調(diào)、性能穩(wěn)定、可靠性強(qiáng)；（2）翅片管式冷凝器、板式蒸發(fā)器均采用強(qiáng)化傳熱技術(shù)，無論性能還是外形都能很好的滿足微型制冷系統(tǒng)的要求；（3）本作品（微冷系統(tǒng)樣機(jī)）體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定，可有效的緩解電子領(lǐng)域高熱流器件散熱困難的問題。 樣機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)如下：制冷量300W，蒸發(fā)溫度：5℃，冷凝溫度：45℃，過熱度：5℃，過冷度：5℃

科學(xué)性、先進(jìn)性

傳統(tǒng)的被動(dòng)式冷卻方式冷卻能力為102～105W/m2?K數(shù)量級(jí)范圍，不能滿足現(xiàn)代高熱流電子設(shè)備的散熱。為增大散熱量，則將制冷技術(shù)應(yīng)用于電子冷卻領(lǐng)域中。在電子冷卻用制冷技術(shù)中，熱電制冷技術(shù)、溴化鋰吸收式制冷等制冷技術(shù)由于普遍效率比較低，機(jī)構(gòu)復(fù)雜，而且經(jīng)濟(jì)性穩(wěn)定性都不理想，大多仍然處在研發(fā)階段。 該作品采用蒸汽壓縮式制冷技術(shù)，將蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)應(yīng)用于電子系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：（1）效率高。COP值一般是熱電式冷卻的10倍，甚至更高；（2）冷熱段可以分離。通過制冷劑管道將冷板（蒸發(fā)器）與冷凝器分開，可以使整個(gè)電子冷卻系統(tǒng)的布局更加靈活；（3）經(jīng)濟(jì)性合理。增加壓縮機(jī)等部件比被動(dòng)式系統(tǒng)昂貴，但是相對(duì)其他主動(dòng)式冷卻方式，其經(jīng)濟(jì)性有所提高。（4）穩(wěn)定性較好。蒸汽壓縮式制冷已是現(xiàn)在制冷行業(yè)的主流，技術(shù)成熟，可以滿足電子系統(tǒng)的技術(shù)要求。因此該作品不但在散熱能力上可以達(dá)到高熱流散熱要求，而且與同領(lǐng)域中其它蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)相比具有體積小、重量輕的突出特點(diǎn)。

獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果

發(fā)表論文一篇： 微型制冷系統(tǒng)性能實(shí)驗(yàn)研究.工程熱物理學(xué)報(bào).于2011年4月發(fā)表。

作品所處階段

實(shí)驗(yàn)室階段

技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式

非專利技術(shù)轉(zhuǎn)讓

作品可展示的形式

實(shí)物、圖片、錄像

使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)

樣機(jī)在冷凍水溫度為32 ℃，冷卻水溫度為37℃，冷凍水質(zhì)量流量為117.14 kg/h，冷卻水質(zhì)量流量109.5 kg/h的條件下，系統(tǒng)制冷量高達(dá)314.18 W，符合設(shè)計(jì)要求。需注意的是該樣機(jī)工作的有效冷凝溫度范圍為27℃～71℃，有效蒸發(fā)溫度范圍為-18℃～24℃，運(yùn)行工況不得超出上述溫度范圍。 樣機(jī)使用蒸汽壓縮式制冷技術(shù)，冷卻能力高于空氣冷卻和液冷等被動(dòng)式冷卻方法。與其他制冷技術(shù)比較，蒸汽壓縮式制冷技術(shù)具有效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、布局靈活、可靠性強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn)。較同類產(chǎn)品而言，本樣機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕巧，有效解決了有限空間內(nèi)電子器件散熱困難的問題。 降低電子器件工作溫度，不但可以降低電子器件失效率，還可提高電子器件的性能，延長(zhǎng)其工作壽命，濟(jì)效益非?？捎^。微型制冷系統(tǒng)具有很大的市場(chǎng)應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿Γ航鼛啄陙?，?guó)外一些企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)已通過實(shí)踐證明了該技術(shù)的可行性，但是他們使用的還是傳統(tǒng)的蒸汽壓縮制冷設(shè)備，體積質(zhì)量較大。國(guó)內(nèi)對(duì)微型制冷系統(tǒng)方面的研究現(xiàn)處在發(fā)展階段，所以市場(chǎng)前景很被看好。

同類課題研究水平概述

自2000年以來，國(guó)外對(duì)蒸氣壓縮式電子系統(tǒng)冷卻技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，同時(shí)也研發(fā)了一些樣機(jī)。（1）Schimdt和Notohardjono等人在IBM S/390 G4CMOS服務(wù)器系統(tǒng)中采用蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)來冷卻CPU處理器，是IBM第一個(gè)采用制冷技術(shù)的系統(tǒng)。處理器的溫度被冷卻到40 ℃，比傳統(tǒng)空冷能夠?qū)崿F(xiàn)的冷卻溫度低35℃。（2）Peeples為高性能計(jì)算機(jī)安裝了R134a制冷系統(tǒng)，開發(fā)了Krotech super G計(jì)算機(jī)。采用制冷系統(tǒng)將CMOS晶體管溫度降低到環(huán)境溫度以下，從而提高了晶體管的轉(zhuǎn)換速率，增加了執(zhí)行器的機(jī)動(dòng)性，改善了子門電路的運(yùn)行特性和門間傳遞特性，減少了節(jié)點(diǎn)泄漏。（3）Maveety等為2-U機(jī)架系統(tǒng)開發(fā)了130W R134a微型制冷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了將電子芯片溫度控制在20℃，系統(tǒng)的COP在2.2～5.8之間。（4）Heydari建立了用于分析自由活塞式直線壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。該模型包括計(jì)算蒸發(fā)器、冷凝器壓力降的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，能夠計(jì)算制冷劑的質(zhì)量流量和充注量，但其結(jié)果與試驗(yàn)相差很大。（5） Aspen Thermal已經(jīng)研制出一種基于高效蒸汽壓縮式制冷的個(gè)人冷卻系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用制冷劑R134a，在38℃的環(huán)境下可以產(chǎn)生300W制冷量，由蓄電池驅(qū)動(dòng)，能夠連續(xù)運(yùn)行3小時(shí)。（8） Termaltake公司成功開發(fā)出利用微型制冷系統(tǒng)冷卻CPU的機(jī)箱。該系統(tǒng)制冷劑R134a，蒸發(fā)溫度7.2℃，冷凝溫度54.4℃，制冷量94W，輸入功率49W,壓縮機(jī)超過 10,000 小時(shí)耐久壽命試驗(yàn)。 自2003年以來，國(guó)外電子系統(tǒng)生產(chǎn)廠商，如IBM，Krotech，AMD和Sun等已將蒸氣壓縮制冷技術(shù)應(yīng)用到電子系統(tǒng)中，國(guó)外也有制造計(jì)算機(jī)顯卡、CPU冷卻的蒸氣壓縮制冷冷卻系統(tǒng)的生產(chǎn)廠商，但它們使用的還是傳統(tǒng)的蒸氣壓縮制冷設(shè)備，體積質(zhì)量較大。因此發(fā)展輕量化緊湊的先進(jìn)微型制冷系統(tǒng)是電子系統(tǒng)冷卻的關(guān)鍵技術(shù)之一。 國(guó)內(nèi)中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十六研究所的楊海明等研制了一種微型空調(diào)器，其工作溫度在-40～+50℃之間變化，制冷量為432W，加熱功率為485W，體積為495×300×136mm3，重量為12.5kg，可應(yīng)用于電子方艙、數(shù)控箱、電控柜等小體積空間的恒溫恒濕調(diào)節(jié)，結(jié)構(gòu)緊湊，但其體積和重量太大。
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