一种用于两相浸没冷却的动态热管理装置及控制方法

技术领域

本发明涉及电子产品浸没式冷却技术领域，更具体地讲，涉及一种用于两相浸没冷却的动态热管理装置及控制方法。

背景技术

近年来，随着产品集成度的提升，电子产品朝着大功率、高密度方向转变，电子元器件的热流密度显著增大，传统的风冷散热方式无法满足电子产品的散热需求。因液体比热容大、传热系数高等特点，液冷技术作为高效冷却方式广泛应用在服务器、动力电池、逆变器等设备中；

根据液体冷媒和发热源的接触方式，液冷技术可分为冷板式(间接接触)、喷淋式(直接接触)、浸没式(直接接触)3种主要形式；其中，冷板式液冷因换热面积有限、存在接触热阻、导热热阻、对流传热热阻等局限性，不适用于热流密度大的电子产品中。

因此，对于两相的浸没式液冷方式，冷却液体直接接触发热元器件并在其表面沸腾，对流换热系数较高，以较低的温差带走大量的热。

两相浸没式液冷的关键技术之一是内部冷却介质的温度控制，装置在启动、关闭和内部热源负荷的变化会导致内部温度波动；如果温度控制不当，会导致腔体内压力剧烈变化，冷却介质容易泄露甚至腔体发生变形；其次内部温度变化剧烈影响电子器件的正常工作；另外浸没式液冷方式也会带来冗余换热设备增多、空间占有率高等问题。

因此，在空间有限的条件下，如何控制设备内部温度在合适范围、如何通过调整结构形式获取最大换热效率以及如何平衡沸腾和冷凝速率的问题亟待解决。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种用于两相浸没冷却的动态热管理装置及控制方法；

本发明解决技术问题所采用的解决方案是：

一种用于两相浸没冷却的动态热管理装置，包括冷却液腔体、安装在冷却液腔体顶部的冷凝组件、安装在冷却液腔体内且与冷却液腔体连通的机架、以及安装机架顶部且用于控制机架开合的分流组件；

所述分流组件位于机架的顶部，在所述机架的集液腔中存储有冷却液，冷却液的水平面与分流组件之间形成气体区，分流组件与冷凝组件之间形成气-液两相区。

在一些可能的实施方式中，

所述分流组件包括与机架的顶部铰接且用于集液腔开合的分流挡板、用于连接分流挡板与机架的电动铰链、以及多组安装在分流挡板内侧面上的温度传感器。

在一些可能的实施方式中，

所述分流组件还包括与温度传感器、电动铰链分别连接的控制模块。

在一些可能的实施方式中，

所述分流组件为两组且对称设置。

在一些可能的实施方式中，

所述冷凝组件包括安装在冷却液腔体上的冷板、若干组安装在冷板上且位于冷却液腔体内的底部散热翅片、以及安装在冷板上的冷凝件。

在一些可能的实施方式中，

所述冷凝件包括设置在冷板内的风侧流道、与风侧流道配合使用安装在冷板上的空气驱动装置；在所述冷板上设置有与风侧流道连通且用于空气驱动装置安装的腔室。

在一些可能的实施方式中，

所述风侧流道为两组且呈对称设置，腔室设置在两组风侧流道之间且与两组风侧流道连通。

在一些可能的实施方式中，

所述机架包括设置有多组通孔的分流板、安装在分流板上且与分流板配合形成集液腔的侧板；所述机架安装在冷却液腔体内且与冷却液腔体的内侧面之间形成间隙通道。

另一方面：

一种基于以上所述的用于两相浸没冷却的动态热管理装置的控制方法，通过检测冷却液腔体的蒸汽温度，驱动分流组件调整角度，降低集液腔内的温度波动并保证集液腔内部温度达到最低。

在一些可能的实施方式中，具体包括以下步骤：

步骤S1：装置开始启动时，分流组件初始角度为0°；

分流组件按照设定的时间间隔进行角度变换，记录每个时间间隔中蒸汽的温度；

步骤S2：比较时刻n与时刻n+1气体区内蒸汽的温度；

若n+1时刻的温度T

步骤S3:重复步骤S2，当N+1时刻的蒸汽温度T

每次分流组件减小的角度相同；其中，每次减小打开角度为1-5°；

步骤S4：重复步骤S3，当T

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明的装置集成度高，蒸发器和冷凝器集成在一起，冗余设备少，装置稳定性高；

本发明两相的浸没式液冷方式，冷却液体因为直接接触发热元器件并在其表面沸腾，对流换热系数较高，以较低的温差带走大量的热；本发明适用于热流密度较大的发热元器件，保证电子器件的正常工作；

本发明所设置的分流挡板将上升的蒸汽和下降的冷凝液滴的流动路径形成闭环回路，避免沸腾蒸汽和冷凝液滴的流动路径相互交叉，减小气液之间的摩擦阻力，提升装置整体的散热效率；

本发明通过温度传感器检测气-液两相区内的蒸汽温度，并将数据传递给控制模块，通过控制模块驱动分流挡板快速调节到合适角度，降低集液腔内的温度波动并保证内部温度达到最低。

附图说明

图1为本发明的内部结构示意图；

图2为本发明中机架、分流板的结构示意图；

图3为本发明中机架的仰视图；

图4为本发明中机架与分流板的侧视图；

图5为本发明中冷凝组件的结构示意图；

图6为本发明中冷凝组件的仰视图；

图7为本发明中冷凝组件、分流板、机架、冷凝液腔体的结构意图；

图8为本发明中外部结构示意图；

其中：10、冷却液腔体；20、机架；30、分流组件；40、冷凝组件；101、液体区；102、气体区；103、气-液两相区；201、机架主体；202、分流板；203、通孔；301、电动铰链；302、挡板；303、温度传感器；304、控制模块；401、风侧流道；402、空气驱动装置；403、铰链；404、底部散热翅片。

具体实施方式

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。本申请所提及的"第一"、"第二"以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，"一个"或者"一"等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。在本申请实施中，“和/或”描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。在本申请实施例的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指两个或两个以上。例如，多个定位柱是指两个或两个以上的定位柱。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面对本发明进行详细说明。

如图1-图8所示：

一种用于两相浸没冷却的动态热管理装置，包括冷却液腔体10、安装在冷却液腔体10顶部的冷凝组件40、安装在冷却液腔体10内且用于发热源安装的机架20、以及安装机架20上且用于控制机架20开合的分流组件30；机架20内设置有与冷却液腔体10连通且用于发热源安装的集液腔；

所述分流组件30位于机架20的顶部，在所述机架20的集液腔中存储有冷却液，冷却液的水平面与分流组件30之间形成气体区102，分流组件30与冷凝组件40之间形成气-液两相区103。

集液腔内储存有冷却液，冷却液所在区域为液体区，发热源位于集液腔内，被冷却液浸没，冷却液的水平面上方与分流组件30之间形成气体区102，分流板202与冷凝组件40之间形成气-液两相区103；

工作原理为：冷却液被机架20内的发热源加热至沸腾状态，其产生的蒸汽进入到气体区102，气体区102和气-液两相区103产生一定的压差，由于分流组件30的打开一定的角度，蒸汽由气体区102进入到气-液两相区103；之后蒸汽在冷凝组件40的冷却作用下并在冷凝组件40的凝结成液滴形成液柱滴落在冷却液腔体10的两侧与机架20所形成间隙通道内，最后从机架20底部进入液体区；避免沸腾蒸汽和冷凝液滴的流动路径相互交叉，减小气液之间的摩擦阻力，提升装置整体的散热效率；

在使用期间，分流组件30将实时监测气体区102内蒸汽的温度，并调整分流组件30的开合角度，以调整流体的流动阻力及流场分布，动态调整本装置的散热能力。

在一些可能的实施方式中，为了有效的实现分流组件30与支架的可开合，并实现对于气体区102所形成蒸汽的问题监测，从而使得能够根据温度调至开合角度，降低集液腔内的温度波动并保证集液腔内部温度达到最低；

所述分流组件30包括与机架20的顶部铰接且用于控制集液腔开合的分流挡板302、用于连接分流挡板302与机架20的电动铰链301、以及多组安装在分流挡板302内侧面上的温度传感器303。

所述分流组件30还包括与温度传感器303、电动铰链301分别连接的控制模块304。

使用时，温度传感器303监测气体区内蒸汽的温度，并将该信息传递给控制模块304，控制模块304对比前后两个时刻的温度信息，若前一时刻的温度低于后一时刻的温度，则控制模块304通过电动铰链301实现增大分流挡板302的开合角度，加快蒸汽进入气体区102被冷凝组件40冷凝后再进入集液腔，降低集液腔内的温度；

进一步的，温度传感器303为多组且呈阵列设置，通过设置多组温度传感器303，从而能够有效的实现集液腔气体区102内温度的平均值。

在一些可能的实施方式中，所述分流组件30为两组且对称设置。

在一些可能的实施方式中，为了有效的实现对于进入气-液两相区103内的蒸汽进行冷凝形成液滴并滴落到冷却液腔体10与机架20之间的间隙内，随后从机架20的底部进入集液腔内；

所述冷凝组件40包括安装在冷却液腔体10上的冷板、若干组安装在冷板上且位于冷却液腔体10内的底部散热翅片404、以及安装在冷板上的冷凝件。

冷板对于冷却液腔体10的顶部进行封闭，可采用铰链403实现两者的连接；在冷板的底部设置多组底部散热翅片404，底部散热翅片404为针翅型结构或水滴形结构，加大蒸汽与冷板底部的接触面积，进而有效的提高冷凝效率，并减薄液膜厚度，加速冷凝组件40上的液体加速滴落；

在一些可能的实施方式中，为了有效的通过冷凝件将气-液两相区103内的蒸汽冷凝呈液滴；

所述冷凝件包括设置在冷板内的风侧流道401、与风侧流道401配合使用安装在冷板上的空气驱动装置402；在所述冷板上设置有与风侧流道401连通且用于空气驱动装置402安装的腔室。

使用时，风从风侧流道401水平进入，再被空气驱动装置402在中间位置垂直抽出，从而实现与蒸汽换热；

进一步的，在所述风侧流道401内设置有平直型翅片或锯齿形翅片，从而强化风侧流道401的换热；

进一步的，空气驱动装置402为离心风机或轴流风机；

在一些可能的实施方式中，

所述风侧流道401为两组且呈对称设置，腔室设置在两组风侧流道401之间且与两组风侧流道401连通。

空气驱动装置402安装在腔室内并设置在两组风侧流道401之间，风侧流道401与空气驱动装置402配合对蒸汽实现换热，进而实现气-液两相区103内的蒸汽凝结成液滴；

在使用时，两侧风侧流道401同时进风，与气-液两相区103左右两侧的部分均匀地充分换热，避免一侧气体温度升高导致压力增高，进而流体的流动路径变窄，换热效率降低；

在一些可能的实施方式中，

所述机架20包括设置有多组通孔203的分流板202、安装在分流板202上且与分流板202配合形成集液腔的侧板；所述机架20安装在冷却液腔体10内且与冷却液腔体10的内侧面之间形成间隙通道。

多组通孔203呈阵列设置，可以提高液体区温度的均匀性，防止液体区出现局部热点，降低换热效果。

另一方面：

一种如以上所述的用于两相浸没冷却的动态热管理装置的控制方法，通过检测冷却液腔体10的蒸汽温度，驱动分流组件30调整角度，降低集液腔内的温度波动并保证集液腔内部温度达到最低。

在一些可能的实施方式中，具体包括以下步骤：

步骤S1：开始启动时，分流组件30初始角度为0°，此时集液腔被封闭；

分流组件30按照设定的间隔时间段进行角度变换，记录每个间隔时间段内蒸汽的温度；

这里所描述的间隔时间端为60-90s；

优选的，时间间隔为60s；

步骤S2：比较时刻n与时刻n+1气体区102内蒸汽的温度；

若n+1时刻的温度T

优选的，每次增加打开角度为10°；

步骤S3:重复步骤S2，当N+1时刻的蒸汽温度T

每次分流组件30减小的角度相同；其中，每次减小打开角度为1-5°；

优选的，每次减小打开角度为2°；

步骤S4：重复步骤S3，当N+n+1时刻的蒸汽温度T

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。