基本信息
- 项目名称：
- 电子冷却用微型制冷系统
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 现代高热流器件表面热流密度已超过了106 W/m2的水平，采用被动式冷却方法无法满足散热要求，制冷技术可增大换热温差满足散热要求。许多场合受空间的限制，迫切需要轻量、小型的制冷系统。本设计利用滚动转子压缩机，结合采用强化传热技术的板式蒸发器、翅片管式冷凝器、热力膨胀阀等装置组成了重量轻、结构紧凑的微型制冷系统样机。同时验证了微冷样机的可靠性。本设计一定程度上满足了市场高热流电子器件的散热要求。
- 详细介绍：
- 1.作品研究意义 自2000年以来，国外对蒸汽压缩式电子系统冷却技术进行了大量的研究，同时也研发了一些样机。如IBM，Krotech，AMD和Sun等已将蒸汽压缩制冷技术应用到电子系统中，国外也有制造计算机显卡、CPU冷却的蒸汽压缩制冷冷却系统的生产厂商，但他们使用的还是传统的蒸汽压缩制冷设备，体积质量较大。无法解决有限空间或特殊条件下的电子冷却问题。国内应用蒸汽压缩式制冷的方向主要是空调、冷库、家用冰箱等，将蒸汽压缩制冷技术应用于电子冷却的研究及实践还很少。 由于各类电子产品和设备呈现出集成度高、体积小、功能强、耗功量大的发展趋势，虽然蒸汽压缩式制冷技术已经很成熟，但是若想将它应用于电子系统冷却中，制冷系统必须小型化、轻量化，同时要求其性能稳定，可靠性强。为弥补国内市场在电子冷却用微型制冷系统研究方面的不足，设计了微型制冷系统样机。 样机采用蒸汽压缩式制冷技术，由压缩机、冷凝器、蒸发器和膨胀阀等组成，其中换热器采用紧凑轻量化设计。由于国内在换热器的生产加工方面技术已比较成熟，因此微型制冷系统的关键在于压缩机，然而目前国内研制生产的符合小冷量系统的压缩机大多为活塞式压缩机，无论从体积还是重量上都难以满足有限空间条件或特殊条件下的冷却。本设计利用美国Aspen公司滚动转子压缩机，压缩机额定制冷量300 W，质量仅为0.59 kg，直径5 cm。本作品系电子冷却用微型制冷系统，不但散热能力达到电子冷却要求，而且实现了体积小型化。 2.样机设计参数 微型制冷系统样机主要应用于电子器件或电子系统冷却中，设计参数如下：制冷量：300 W，制冷剂：R134a，蒸发温度：5 ℃，冷凝温度：45 ℃，蒸发器过热度：5 ℃，冷凝器过冷度：5 ℃。 3.系统工作原理及工作流程 整个工作流程由两部分组成，分别是制冷剂循环系统和水循环系统。在制冷剂循环系统中，制冷剂首先经蒸发器进入压缩机，并将其压缩到冷凝压力状态，然后进入冷凝器，在冷凝压力下将工质冷却成液态，在冷凝过程中放出的热量传给冷却介质（空气）。冷却后的液体通过热力膨胀阀节流进入蒸发器。节流降压后的制冷剂在蒸发器内吸收冷却水中的热量，制冷剂变成饱和蒸汽状态再进行下一个循环。 水循环系统由蒸发器及换热器组及其它水循环辅助设备组成，换热器组中的换热器与芯片或其他电子器件通过贴片连接在一起。蒸发器中的液态制冷工质吸收被冷却液体（水）的热量，被冷却液体（水）的温度降低后进入各个换热器内，实现各电子器件（如芯片、CPU等）的散热。 制冷剂循环系统是整个循环的核心，该作品主要展示制冷剂循环部分。电子冷却用微型制冷系统样机的工作流程如图4所示。 图4 微型制冷系统样机工作流程图 4.设备选型及系统集成依据 微冷系统设备选择原则是：设备性能符合要求，质量轻，体积与微冷系统其它部件相匹配。设备选型依据为系统设计各参数。此系统由目前市场上技术先进的美国Aspen公司的滚动转子压缩机、翅片管式冷凝器、热力膨胀阀和板式蒸发器等装置组成，采用铜管连接。机箱使用不锈钢板压制而成。在压缩机出口、热力膨胀阀入口处使用快速接头分别与冷凝器进出口相连，为冷凝器的安装和更换，样机的改造都提供了便利条件。 滚动转子式压缩机类属回转式压缩机，它是整个系统的心脏部分。滚动转子式压缩机从结构及工作过程来看具有结构简单，体积小，重量轻，易损部件少，效率高等特点，因此适用于微型制冷系统。该压缩机制冷量大小可调，不但体积小、重量轻，而且性能稳定、可靠性强、噪音低。本样机中压缩机参数如下：制冷量300 W，机身直径：50 mm，重量：0.59 kg。冷凝器类型为翅片管式冷凝器，它传热能力强，结构紧凑，以空气作为冷却介质，因其质量轻，体积小受到微冷系统的青睐，所选择冷凝器的外形尺寸：150 mm×127mm×2.5mm。蒸发器选用板式蒸发器，板式蒸发器是一种新型高效、紧凑式的热交换器。板式换热器具有十分紧凑的传热面，单位体积的传热面积比管壳式热交换器大五倍以上，最大可达几十倍。板式换热器的传热系数一般为3000-5000 W/m2•K，是其他类型换热器的3-5倍。蒸发器外形尺寸：190 mm×70 mm×40 mm。 热力膨胀阀是通过蒸发器出口气态制冷剂的过热度控制膨胀阀开度的，在系统调试过程中，可考虑适时的旋转膨胀阀阀芯开度旋钮。 在系统集成时，将上述各组件通过铜管连接，尽量减少管路弯头和管路长度以减少流动阻力，同时考虑到各器件的工作特点，合理布置器件位置。外形尺寸为：270mm×200mm×240mm。 样机组装完成后，进行性能测试，在压缩机全速运转，冷冻水温度为32 ℃，冷却水温度为37℃，冷冻水质量流量为117.14 kg/h，冷却水质量流量109.5 kg/h的条件下，系统制冷量高达314.18 W。达到设计要求。 5.总结 微型制冷系统样机整套装置操作简单、工作效率高，而且此设计体积小、重量轻，适用于有限空间的电子器件冷却。微型蒸汽压缩式制冷系统应用于电子器件冷却，能够解决目前市场上有限空间内使用制冷系统体积大、重量重等问题。该技术在电子冷却行业范围内具有非常广阔的发展前景，可望成功开发出高技术含量的实用化产品，为教学、科研、以及公司的产品研发提供强有力的技术支持。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 对新一代的电子设备而言，热流通量高达106～107 W/m2，空气冷却、普通液冷和热管散热等传统的电子冷却能力大约为102～104 W/m2•K，一些采用微通道技术的液冷热沉散热能力可以达到105 W/m2•K的水平，都无法满足高热流散热要求。面对这样的矛盾，高热流电子器件迫切需要新的冷却方法。而根据牛顿冷却定律 ，可以利用制冷系统降低冷却介质的温度，增大换热温差Δt，从而提高换热强度。许多场合的电子系统冷却由于受空间的限制，迫切需要轻量化、小型化的微型制冷系统。然而目前国内市场上同样制冷量的制冷系统无论是紧凑程度，还是集成程度都不能满足要求。为解决上述矛盾设计了微型制冷系统样机，通过样机性能测试平台，验证了微冷样机的可靠性。 该作品创新点表现在以下三个方面：（1）微型制冷系统样机利用目前市场上技术先进、微型、轻量的美国Aspen滚动转子压缩机，该压缩机体积小、重量轻、噪音低、制冷量可调、性能稳定、可靠性强；（2）翅片管式冷凝器、板式蒸发器均采用强化传热技术，无论性能还是外形都能很好的满足微型制冷系统的要求；（3）本作品（微冷系统样机）体积小、结构紧凑、可靠性强、运行稳定，可有效的缓解电子领域高热流器件散热困难的问题。 样机主要技术指标如下：制冷量300W，蒸发温度：5℃，冷凝温度：45℃，过热度：5℃，过冷度：5℃
科学性、先进性
- 传统的被动式冷却方式冷却能力为102～105W/m2•K数量级范围，不能满足现代高热流电子设备的散热。为增大散热量，则将制冷技术应用于电子冷却领域中。在电子冷却用制冷技术中，热电制冷技术、溴化锂吸收式制冷等制冷技术由于普遍效率比较低，机构复杂，而且经济性稳定性都不理想，大多仍然处在研发阶段。 该作品采用蒸汽压缩式制冷技术，将蒸汽压缩式制冷系统应用于电子系统具有以下特点：（1）效率高。COP值一般是热电式冷却的10倍，甚至更高；（2）冷热段可以分离。通过制冷剂管道将冷板（蒸发器）与冷凝器分开，可以使整个电子冷却系统的布局更加灵活；（3）经济性合理。增加压缩机等部件比被动式系统昂贵，但是相对其他主动式冷却方式，其经济性有所提高。（4）稳定性较好。蒸汽压缩式制冷已是现在制冷行业的主流，技术成熟，可以满足电子系统的技术要求。因此该作品不但在散热能力上可以达到高热流散热要求，而且与同领域中其它蒸汽压缩式制冷系统相比具有体积小、重量轻的突出特点。
获奖情况及鉴定结果
- 发表论文一篇： 微型制冷系统性能实验研究.工程热物理学报.于2011年4月发表。
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 非专利技术转让
作品可展示的形式
- 实物、图片、录像
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 样机在冷冻水温度为32 ℃，冷却水温度为37℃，冷冻水质量流量为117.14 kg/h，冷却水质量流量109.5 kg/h的条件下，系统制冷量高达314.18 W，符合设计要求。需注意的是该样机工作的有效冷凝温度范围为27℃～71℃，有效蒸发温度范围为-18℃～24℃，运行工况不得超出上述温度范围。 样机使用蒸汽压缩式制冷技术，冷却能力高于空气冷却和液冷等被动式冷却方法。与其他制冷技术比较，蒸汽压缩式制冷技术具有效率高、结构简单、布局灵活、可靠性强、运行稳定等特点。较同类产品而言，本样机结构紧凑、重量轻巧，有效解决了有限空间内电子器件散热困难的问题。 降低电子器件工作温度，不但可以降低电子器件失效率，还可提高电子器件的性能，延长其工作寿命，济效益非常可观。微型制冷系统具有很大的市场应用前景和发展潜力：近几年来，国外一些企业和研究机构已通过实践证明了该技术的可行性，但是他们使用的还是传统的蒸汽压缩制冷设备，体积质量较大。国内对微型制冷系统方面的研究现处在发展阶段，所以市场前景很被看好。
同类课题研究水平概述
- 自2000年以来，国外对蒸气压缩式电子系统冷却技术进行了大量的研究，同时也研发了一些样机。（1）Schimdt和Notohardjono等人在IBM S/390 G4CMOS服务器系统中采用蒸气压缩制冷系统来冷却CPU处理器，是IBM第一个采用制冷技术的系统。处理器的温度被冷却到40 ℃，比传统空冷能够实现的冷却温度低35℃。（2）Peeples为高性能计算机安装了R134a制冷系统，开发了Krotech super G计算机。采用制冷系统将CMOS晶体管温度降低到环境温度以下，从而提高了晶体管的转换速率，增加了执行器的机动性，改善了子门电路的运行特性和门间传递特性，减少了节点泄漏。（3）Maveety等为2-U机架系统开发了130W R134a微型制冷系统，实现了将电子芯片温度控制在20℃，系统的COP在2.2～5.8之间。（4）Heydari建立了用于分析自由活塞式直线压缩机制冷系统的数学模型。该模型包括计算蒸发器、冷凝器压力降的经验关系式，能够计算制冷剂的质量流量和充注量，但其结果与试验相差很大。（5） Aspen Thermal已经研制出一种基于高效蒸汽压缩式制冷的个人冷却系统。该系统采用制冷剂R134a，在38℃的环境下可以产生300W制冷量，由蓄电池驱动，能够连续运行3小时。（8） Termaltake公司成功开发出利用微型制冷系统冷却CPU的机箱。该系统制冷剂R134a，蒸发温度7.2℃，冷凝温度54.4℃，制冷量94W，输入功率49W,压缩机超过 10,000 小时耐久寿命试验。 自2003年以来，国外电子系统生产厂商，如IBM，Krotech，AMD和Sun等已将蒸气压缩制冷技术应用到电子系统中，国外也有制造计算机显卡、CPU冷却的蒸气压缩制冷冷却系统的生产厂商，但它们使用的还是传统的蒸气压缩制冷设备，体积质量较大。因此发展轻量化紧凑的先进微型制冷系统是电子系统冷却的关键技术之一。 国内中国电子科技集团公司第十六研究所的杨海明等研制了一种微型空调器，其工作温度在-40～+50℃之间变化，制冷量为432W，加热功率为485W，体积为495×300×136mm3，重量为12.5kg，可应用于电子方舱、数控箱、电控柜等小体积空间的恒温恒湿调节，结构紧凑，但其体积和重量太大。
