專利名稱：機箱冷卻的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及用于冷卻包含發(fā)熱的電子設(shè)備的機箱的方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在硬件設(shè)計中的一重要方面是對于其中使用的電子部件提供足夠的冷卻。當設(shè)計用于現(xiàn)代通訊設(shè)備和數(shù)據(jù)通訊設(shè)備時尤其如此。在該領(lǐng)域中，使得通常結(jié)合到機箱中的電子部件保持在正常的溫度是必需的要求。如果沒有作到這一點則將至少導(dǎo)致部件的操作和/或功能的損壞，甚至使得它們完全損壞。
此外，在電子產(chǎn)品的使用壽命中的能量消耗在環(huán)境和經(jīng)濟方面有最重要的影響。低能耗的有力的銷售策略并且在未來將越來越重要在10-15年中用于冷卻電子裝置的能量成本相當于產(chǎn)品本身的銷售價格。保持部件處于可允許程度的溫度的能力對于熱控制而言是主要原因。知道現(xiàn)在，通訊設(shè)備機箱借助于強迫通風冷卻來有效地進行冷卻，多年以來這種可靠且可行的方法可將部件保持在可接受的溫度下。然而，強迫通風冷卻方法也有其固有的限制。其中一個限制是現(xiàn)今的強迫通風冷卻設(shè)備在每個機箱大于大致3-5KW的最大能耗時不能正常的工作，這取決于機箱的尺寸和/或功率密度。在新一代的通訊設(shè)備和數(shù)據(jù)通訊設(shè)備中，程度更高的熱通量使得強迫通風方法不適合，并且這需要更有效的冷卻解決方案。下一代的系統(tǒng)將進一步小型化，這導(dǎo)致更高的功率密度。此外，將會有功率更高且容量/性能更高的高速系統(tǒng)。所有這些將需要控制以熱形式出現(xiàn)的增加的功率排散。特別是對于室外無線電信機站(RBS)，必須使用其它替代形式的冷卻系統(tǒng)，例如液體冷卻單元。
為了能夠排出每個機箱大于大致3-5KW的熱量，通過推薦使用其它傳統(tǒng)的冷卻方法，例如有相變或無相變的液體冷卻、熱虹吸、或壓縮機冷卻。由此，在現(xiàn)有技術(shù)中已知的是，使用傳統(tǒng)壓縮機冷卻系統(tǒng)以便冷卻空氣，再由空氣冷卻電子設(shè)備，例如室內(nèi)的通訊和數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)。這種電子裝置冷卻系統(tǒng)本質(zhì)上基于壓縮機空調(diào)系統(tǒng)，其非常昂貴并且需要大量的能量，這從環(huán)境方面考慮是不利的。另外，壓縮機冷卻系統(tǒng)具有總體上較低的性能系數(shù)。
在其它的經(jīng)常使用的冷卻包含散熱電子設(shè)備的機箱的方法中，上述的熱虹吸冷卻具有以下優(yōu)點，即其操作不需要額外的能量。然而，現(xiàn)今的熱虹吸系統(tǒng)非常昂貴，至少是對于較高熱負荷和/或較高環(huán)境溫度時其性能受到限制。用于冷卻包含散熱電子設(shè)備(例如激光器或磁照相機)的機箱的其它替代方案例如有液體金屬冷卻和低溫冷卻。
相關(guān)技術(shù)與傳統(tǒng)壓縮機制冷系統(tǒng)相關(guān)的系統(tǒng)是噴射器式制冷系統(tǒng)，其采用噴射器以代替壓縮機。這種系統(tǒng)可一直追溯到19世紀，當時其與蒸汽機組合使用，這是因為該系統(tǒng)通常利用廢熱作為驅(qū)動能量，以便降低成本。因此，其通常作為與太陽能設(shè)備組合使用的熱泵來使用并且可用于機動車的空調(diào)系統(tǒng)。所有的這種噴射器制冷系統(tǒng)的共有問題在于，噴射器熱泵的熱因數(shù)較差，這導(dǎo)致效率較差的性能。然而，最近許多研究針對設(shè)計更高效的噴射器以便用作建筑物空調(diào)系統(tǒng)的熱泵。目前沒有作出實質(zhì)上的突破，并且許多已知的噴射器系統(tǒng)設(shè)計用于由廢熱來運行，例如來自太陽能設(shè)備的余熱，并且以超音速工作。這些努力的一個示例由美國專利5647221已知，其涉及稱為壓力交換噴射器，這與常規(guī)穩(wěn)流噴射器不同，其聲稱提供了明顯改進的性能。該解決方案的主要缺陷在于具有可移動部件的噴射器的復(fù)雜性增加，該移動部件即用于實現(xiàn)實際的壓力交換的小型轉(zhuǎn)子。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明以有效且令人滿意的方式克服了上述的問題。
本發(fā)明的主要目的在于提供一種冷卻包含散熱電子部件的機箱的改進方法。本發(fā)明的目的特別是在于提供一種能夠非常高效地、相對低成本地、并且以最小的能耗實現(xiàn)控制高熱負荷的冷卻方法。
總之，通過在包含蒸發(fā)器、冷凝器、噴射器和控制閥的封閉系統(tǒng)中控制冷卻介質(zhì)的循環(huán)，可實現(xiàn)以上的目的。具體地說，本發(fā)明的目的通過以下方式實現(xiàn)，即，基于被檢測的熱負荷和/或被檢測的傳熱狀況來提供該系統(tǒng)的所述閥的控制，由此可連續(xù)地使得該系統(tǒng)在最適當?shù)哪Ｊ较逻\行。換言之，本發(fā)明基于當前實際的狀況提供了該系統(tǒng)的運行模式的自動適應(yīng)，以便相對于該系統(tǒng)的冷卻模式運行從而獲得特定的靈活性。這意味著，冷卻能力可恒定為最優(yōu)狀態(tài)，并且與具有相同的最大冷卻能力的已知系統(tǒng)相比，可降低涉及投資和系統(tǒng)運行的成本。
在中等的熱負荷狀況和正常的傳熱狀況中，自動地控制該系統(tǒng)以便在這些檢測狀況下最佳地運行。具體地說，在這種情況下，中斷該冷卻介質(zhì)的受迫循環(huán)，并且適當?shù)拈y分別設(shè)定為打開或關(guān)閉狀態(tài)，使得該系統(tǒng)處于“熱虹吸”冷卻模式。在該熱虹吸模式下，冷卻介質(zhì)從冷凝器流動到蒸發(fā)器，冷卻介質(zhì)在其中蒸發(fā)，并且蒸發(fā)后的冷卻介質(zhì)從蒸發(fā)器流到噴射器的輔助側(cè)，并且自由地返回到冷凝器。在這種冷卻模式中，沒有外界功率被消耗。
在被檢測的熱負荷狀況較高時，自動地啟動該冷卻系統(tǒng)的另一運行模式。在這種情況下，該系統(tǒng)切換到帶有相變的組合式液體冷卻，以便在該改變的狀況下保持最優(yōu)的運行。此刻冷卻介質(zhì)被允許從冷凝器流動到蒸發(fā)器，并且啟動受迫循環(huán)的冷卻介質(zhì)，以便從蒸發(fā)器泵送冷卻介質(zhì)到噴射器的主側(cè)并且返回冷凝器。在這種情況下，對于運行該受迫循環(huán)的功率消耗相對于總冷卻負荷是非常合理的。
當檢測到的熱負荷狀況接近或處于最大時，控制單元啟動另一運行模式。這種狀況使得噴射器冷卻模式自動啟動，其中包括借助噴射器進行真空壓縮。同樣，這使得在該改變的狀況下保持最優(yōu)的運行。該冷卻模式包括啟動冷卻介質(zhì)的受迫循環(huán)，以及使得冷卻介質(zhì)從冷凝器流向蒸發(fā)器時被節(jié)流，冷卻介質(zhì)在蒸發(fā)器中蒸發(fā)?；诒粰z測的狀況來控制該節(jié)流流動，這使得冷卻介質(zhì)的其余部分在低的正壓下從冷凝器循環(huán)到噴射器的主側(cè)。在噴射器的輔助側(cè)產(chǎn)生負壓，以便將蒸發(fā)后的冷卻介質(zhì)泵送出蒸發(fā)器以便進行冷凝。以這種方式，通過低能耗和系統(tǒng)運行的最優(yōu)化擴展，可實現(xiàn)非常低成本的冷卻系統(tǒng)的運行。
依據(jù)噴射器冷卻模式的另一實施例，基于被檢測的狀態(tài)來控制由受迫循環(huán)輸送的壓力，并且蒸發(fā)器和冷凝器之間的壓力差和溫度梯度通過控制節(jié)流閥來調(diào)節(jié)，以便使得節(jié)流流動從冷凝器到蒸發(fā)器連續(xù)地提供優(yōu)化的循環(huán)狀態(tài)。
通過采用特定的低壓噴射器，在返回冷凝器以便進一步冷凝之前可在噴射器中使得蒸發(fā)后的冷卻介質(zhì)被壓縮并且部分地冷凝。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種冷卻包含散熱電子部件的機箱的改進系統(tǒng)。依據(jù)本發(fā)明，該另一目的借助獨特的冷卻系統(tǒng)來實現(xiàn)，該冷卻系統(tǒng)包括封閉的流體系統(tǒng)，其通過一系列的控制閥連接了冷凝器、蒸發(fā)器、流體循環(huán)裝置、和低壓噴射器。該系統(tǒng)還包括用于根據(jù)由溫度傳感器檢測到的當前運行狀況來連續(xù)地控制所述閥的位置。
通過由后附的權(quán)利要求限定的本發(fā)明可實現(xiàn)本發(fā)明的這些目的和其它目的，以下詳細描述了本發(fā)明的不同方面的其它的優(yōu)選實施例。
通過提供一種冷卻方法和一種冷卻系統(tǒng)，本發(fā)明提供了以下優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的明顯優(yōu)點-可在對于不同的運行狀況優(yōu)化的不同冷卻模式之間連續(xù)的自動切換以實現(xiàn)非常的靈活性；-成本非常低，并且通過使得例如水或乙醇作為工作介質(zhì)從而可節(jié)能運行以便對環(huán)境更有利；-使用簡單的控制來進行完全的操縱；-可提供最佳適應(yīng)于電子裝置的冷卻；-對于超靜定性的幾率更高。
通過閱讀以下的詳細描述可更容易地理解本發(fā)明的其它的優(yōu)點。


以下參照附圖并結(jié)合詳細描述可更好地理解本發(fā)明的其它方面及其優(yōu)點，在附圖中圖1是本發(fā)明的冷卻系統(tǒng)的實施例的示意圖；圖2是圖1所示的冷卻系統(tǒng)在熱虹吸模式下運行的實施例示意圖；圖3是圖1所示的冷卻系統(tǒng)在液體冷卻模式下運行的實施例示意圖；圖4是圖1所示的冷卻系統(tǒng)在噴射器冷卻模式下運行的實施例示意圖；圖5A是在圖4所示的噴射器冷卻模式下本發(fā)明的冷卻系統(tǒng)的實際圖5B是在圖4所示的噴射器冷卻模式下本發(fā)明的冷卻系統(tǒng)的另一實際實施例示意圖；圖6示出了本發(fā)明的冷卻系統(tǒng)所使用的噴射器的實施例；和圖7是本發(fā)明的另一實施例在噴射器冷卻模式下展示出的理論傳熱和傳質(zhì)平衡的示意圖。
具體實施例方式
借助于冷卻系統(tǒng)10的實施例來描述本發(fā)明的基本原理，該冷卻系統(tǒng)用于實現(xiàn)上述的冷卻包含散熱電子部件的機箱50的冷卻方法。該電子部件的形式為印刷電路板組件PBA等，見圖5A和5B。在本說明書中，術(shù)語“印刷電路板組件”指的是帶有安裝在其上的模塊和/或部件的印刷電路板。該系統(tǒng)的大致布置在圖1中示意地示出。冷卻系統(tǒng)10是封閉或氣密的，并且充有還可稱為制冷劑的液體冷卻介質(zhì)。適當?shù)挠糜谠撓到y(tǒng)的冷卻介質(zhì)例如為水、乙醇、氨、苯或其它對環(huán)境無不利影響的介質(zhì)，在稍低于大氣壓或在大氣壓時該介質(zhì)的蒸發(fā)溫度為25-100℃。
該系統(tǒng)包括設(shè)置在機箱50外側(cè)的冷凝器/熱交換器單元14、設(shè)置在機箱50內(nèi)的蒸發(fā)器13、標準的流體泵12、和噴射器11，它們通過基本流體管路系統(tǒng)40相互連接。具體地說，流體管路系統(tǒng)40分別借助單獨的流體管路41和42、45并且分別通過第一和第二控制閥18和17將冷凝器14的外側(cè)與蒸發(fā)器13的內(nèi)側(cè)連接并且將冷凝器14的外側(cè)與流體泵12的入口或吸入側(cè)連接。蒸發(fā)器13的外側(cè)分別借助單獨的流體管路43和44、45并且分別通過第三和第四控制閥15和16連接到噴射器11的輔助或被動介質(zhì)側(cè)27并連接到流體泵12的入口側(cè)。流體泵12的出口或壓力側(cè)借助于流體管路46連接到噴射器11的主或主動介質(zhì)側(cè)22，并且噴射器11的出口29借助于流體管路47連接到冷凝器44的入口側(cè)。流體管路46與安全閥或膨脹罐9連接。
閥18、17、15、16均由控制單元19來控制，該控制單元基于分別從溫度傳感器30、31、32供應(yīng)給控制單元19的分別檢測蒸發(fā)器、冷凝器、環(huán)境的溫度的溫度讀數(shù)T1、T2、T3來控制這些閥。沒有詳細地描述控制單元19和在此使用的特定控制設(shè)備，這是因為用于實現(xiàn)本發(fā)明的目的的適當控制單元的設(shè)計均落在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)當理解的本發(fā)明的范圍內(nèi)。第二、第三、第四閥17、15、16是方向閥，它們通常在完全打開和完全關(guān)閉位置之間操作。第一閥18是單向節(jié)流器或節(jié)流閥，其用于控制使得可變流動的冷卻介質(zhì)從冷凝器14流向蒸發(fā)器13，而且阻止從蒸發(fā)器13流向冷凝器14的回流。
以下參照圖5A、5B、7來進一步描述蒸發(fā)器13或蒸發(fā)器腔的實施例，并且參照圖6來進一步描述在系統(tǒng)10中使用的噴射器11的優(yōu)選實施例。未示出的冷凝器13及其相關(guān)熱交換器優(yōu)選為基于常規(guī)技術(shù)并且在此沒有詳細描述它們的特定結(jié)構(gòu)。
以下將描述系統(tǒng)10的基本操作。冷卻介質(zhì)在氣密的流體管路系統(tǒng)40內(nèi)循環(huán)，以便在蒸發(fā)器13中吸收熱量并且將該從機箱吸收的熱量傳遞出去并且在冷凝器/熱交換器14中釋放該熱量，這是常規(guī)已知的。然而，本發(fā)明提供了新的電子裝置的冷卻，其效率提高、能耗降低、和具有更高程度的功能性。這一方面由在機箱50內(nèi)緊靠發(fā)熱部件特殊設(shè)置的蒸發(fā)器13來實現(xiàn)，并且另一方面借助所述的冷卻系統(tǒng)10依據(jù)不同模式的組合來運行來實現(xiàn)，不同的模式根據(jù)本身已知的原理基于獨立的冷卻方法來運行。具體地說，這通過以下方式來實現(xiàn)，即檢測在機箱50內(nèi)的蒸發(fā)器溫度T1以確定對于系統(tǒng)10的熱負荷，并且還檢測環(huán)境溫度T3以及冷凝器溫度T2以確定從冷卻介質(zhì)向周圍環(huán)境或經(jīng)未示出的熱交換器的傳熱的狀況?；谠摫粰z測的熱負荷和被檢測的環(huán)境溫度和傳熱狀況來控制冷卻介質(zhì)的循環(huán)。來自冷凝器14和返回在機箱50內(nèi)的蒸發(fā)器13的冷卻介質(zhì)流動、在從冷卻介質(zhì)傳出熱量之后、以及借助于噴射器11實現(xiàn)的蒸氣壓縮循環(huán)的啟動/停止以相似的方式基于基于該被檢測的熱負荷和被檢測的環(huán)境溫度和傳熱狀況來控制。該方法提供了用于在冷卻機箱的熱虹吸模式、液體冷卻模式、或噴射器冷卻或熱泵模式之間的受控的切換。
以下將以三種主要運行模式中的每一種模式來描述操作該系統(tǒng)的本發(fā)明所述方法。在圖2-4中描述了三種運行模式中，即熱虹吸模式(圖2)、液體冷卻模式(圖3)、或噴射器冷卻模式(圖4)，其中在不同模式中箭頭CMF表示冷卻介質(zhì)的流動。
在中等的機箱熱負荷狀況(圖2)和正常的傳熱狀況中，當蒸發(fā)器溫度傳感器30檢測到蒸發(fā)器溫度T1低于第一設(shè)定級并且環(huán)境溫度傳感器32檢測到環(huán)境溫度T3低于設(shè)定級(例如低于大約+30℃)，控制單元19自動地控制該系統(tǒng)，以便在該檢測到的狀況下最優(yōu)地運行。具體地說，在這種情況下，控制單元19將停止流體泵12，以便中斷該冷卻介質(zhì)的受迫循環(huán)。同時，閥16和17關(guān)閉，而閥15和18設(shè)定成處于打開狀態(tài)，使得該系統(tǒng)10處于“熱虹吸”運行模式。在該熱虹吸模式下，第一閥18打開，以便冷卻介質(zhì)從冷凝器14傳送到蒸發(fā)器13，但是閥18沿相反方向的關(guān)閉的。
來自冷凝器14出口側(cè)的冷卻介質(zhì)的全部流返回到蒸發(fā)器13，其中冷卻介質(zhì)在例如50℃下蒸發(fā)，并且蒸發(fā)后的冷卻介質(zhì)的全部流從蒸發(fā)器13引導(dǎo)到噴射器11的輔助側(cè)27，流經(jīng)噴射器并從噴射器散流器出口29返回到冷凝器14。因為冷卻介質(zhì)的受迫循環(huán)被中斷，因此沒有主冷卻介質(zhì)進入噴射器11，并且在其中沒有進行蒸氣壓縮。而是，來自蒸發(fā)器13的冷卻介質(zhì)蒸氣/氣體自由地排出流經(jīng)噴射器。在冷凝器14中，傳送的蒸氣在大致相同的溫度(50℃)下冷凝，并且熱量經(jīng)未示出的熱交換器傳遞到周圍環(huán)境(例如周圍空氣)中。在這種情況下，周圍/環(huán)境空氣與冷凝器14之間的溫度梯度大約為15-30℃。
在環(huán)境溫度大致相同的情況下當檢測到更高的熱負荷狀況時，控制單元19啟動運行的第二模式(圖3)。在這種情況下，蒸發(fā)器溫度傳感器30檢測到蒸發(fā)器溫度T1高于預(yù)定的第一設(shè)定級但低于預(yù)定的第二級并且環(huán)境溫度傳感器32檢測到環(huán)境溫度T3低于設(shè)定級，則自動地啟動帶有相變的組合式液體冷卻，以便在該改變的狀況下保持最優(yōu)的運行。此刻啟動受迫循環(huán)的流體泵12，以便泵送冷卻介質(zhì)到噴射器11主側(cè)22。在這種情況下，對于運行該泵12的功率消耗估計最多是總冷卻負荷的5％。
在該模式下，閥15和17關(guān)閉，而閥16和18設(shè)定成處于打開狀態(tài)，使得該系統(tǒng)10處于流體冷卻模式。在該模式下，來自冷凝器14出口側(cè)的冷卻介質(zhì)的全部流返回到蒸發(fā)器13，其中一部分制冷劑或冷卻介質(zhì)在例如50℃下蒸發(fā)。因為泵12啟動并且第四閥16完全打開，所以來自蒸發(fā)器13的冷卻介質(zhì)和蒸氣泵送到噴射器11的主側(cè)22，并且流經(jīng)噴射器且流向冷凝器14。
因為冷卻介質(zhì)的受迫循環(huán)啟動并且通向噴射器11的輔助側(cè)27的入口被關(guān)閉的第三閥15所阻擋，因此該冷卻介質(zhì)的全部流以液體和蒸氣相的形式被泵送經(jīng)過噴射器主側(cè)22進入冷凝器14，在冷凝器14中，傳送的蒸氣在大致相同的溫度(50℃)下冷凝，并且熱量經(jīng)熱交換器傳遞到周圍環(huán)境中。在這種情況下，周圍/環(huán)境空氣與冷凝器14之間的溫度梯度大約為15-30℃。
當檢測到最大的熱負荷狀況和/或高環(huán)境溫度大于設(shè)定限制例如35-50℃時，啟動第三運行模式(圖4)。在這種情況下，蒸發(fā)器溫度傳感器30檢測到蒸發(fā)器溫度T1高于預(yù)定的第二級并且/或者環(huán)境溫度傳感器32檢測到環(huán)境溫度T3超過設(shè)定級，則借助控制單元19自動地啟動噴射器或熱泵冷卻模式，在該模式中借助噴射器11實現(xiàn)真空壓縮。同樣，這使得在該改變的狀況下保持最優(yōu)的運行。啟動受迫循環(huán)的流體泵12，以便泵送冷卻介質(zhì)到噴射器11主側(cè)22。第四閥16關(guān)閉以便阻擋蒸發(fā)器出口側(cè)與泵之間的直接連接，而第二閥和第三閥17和15分別是完全打開的。
第一閥18用作單向節(jié)流器或節(jié)流閥，其提供冷卻介質(zhì)從冷凝器14出口側(cè)到蒸發(fā)器13入口側(cè)的節(jié)流，以便冷卻介質(zhì)在其中蒸發(fā)。借助控制單元19，可基于被檢測的蒸發(fā)器溫度T1和/或被檢測的環(huán)境溫度T3來控制流經(jīng)第一閥18的節(jié)流。
來自冷凝器14的冷卻介質(zhì)的流動的其余部分借助流體泵12在特定正壓下循環(huán)到噴射器11的主側(cè)22，由此在噴射器的輔助側(cè)27處形成負壓。因為第三閥15是打開的，其建立蒸發(fā)器與噴射器輔助側(cè)之間的連通，所以由此形成的負壓使得蒸發(fā)后的冷卻介質(zhì)從蒸發(fā)器13中泵送出并送到噴射器11的輔助側(cè)27。該冷卻介質(zhì)蒸氣通過以下將詳細描述的與主冷卻介質(zhì)流接觸從而在噴射器11內(nèi)被壓縮。被壓縮的蒸氣的一部分在噴射器11內(nèi)即在散流器29處冷凝，并且直接傳送到冷凝器14，在其中其余的蒸氣進行冷凝。
分別在蒸發(fā)器13與冷凝器14之間的壓力差P1-P2(見圖7)和溫度梯度T1-T2借助控制單向節(jié)流器18的節(jié)流程度來調(diào)節(jié)，由此相對于該被檢測的熱負荷和環(huán)境溫度T3提供最優(yōu)的循環(huán)狀況。冷卻介質(zhì)的少量部分流經(jīng)節(jié)流閥18，其等于蒸發(fā)的液體的量。冷卻介質(zhì)的主要部分從冷凝器14循環(huán)經(jīng)第二閥17、泵12、噴射器11，并且返回到冷凝器，以便形成與熱泵循環(huán)相似的蒸氣壓縮循環(huán)。
由流體泵12輸送的壓力還可基于被檢測的蒸發(fā)器溫度T1和/或被檢測的環(huán)境溫度T3來控制。通過增加泵的液壓力，可增加噴射器泵送均百分數(shù)。(此口香糖提供18.8毫克的CPP-ACP。本發(fā)明的口香糖含有20.6毫克，超量約10％)。
再礦質(zhì)化百分數(shù)試驗

對比

結(jié)果證實同無糖口香糖對照物作比較，CPP-ACP在有碳酸氫鈉存在下產(chǎn)生顯著的再礦質(zhì)化作用。試驗還顯示再礦質(zhì)化作用與口香糖中含有的CPP-ACP活性成份的情況相當。
2)＝冷卻介質(zhì)的最高溫度和環(huán)境溫度之間的差噴射器冷卻系統(tǒng)并不是新的，但是其主要使用的高壓噴射器由廢熱或其它能量源提供能量。這種系統(tǒng)特別地用于機動車的空調(diào)單元。在此所介紹的用于電子裝置的冷卻的低壓噴射器系統(tǒng)為冷卻系統(tǒng)提供了新的功能性，該冷卻系統(tǒng)可作為熱虹吸冷卻系統(tǒng)、液體冷卻系統(tǒng)、或熱泵冷卻系統(tǒng)來運行，這取決于冷卻的需要。對于不同的電子裝置應(yīng)用場合，例如用于室外的無線電信機站(RBS)以及室內(nèi)的通訊和數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)，可選擇最適于當前情況的運行模式。例如，可以選擇液體冷卻和噴射器冷卻系統(tǒng)的組合或者熱虹吸和噴射器冷卻系統(tǒng)的組合，或者僅選擇噴射器系統(tǒng)。最終的選擇標準應(yīng)該是冷卻系統(tǒng)的總成本。
該系統(tǒng)借助對流體泵和所有閥的自動控制從而提供了非常靈活的控制。而且，如圖6所示結(jié)構(gòu)的低壓噴射器真空泵11的使用提供了增加制冷量的可能性，這是通過獲得更高的熱泵熱因數(shù)而實現(xiàn)的。初步計算表明，與常規(guī)壓縮機驅(qū)動的制冷機相比，本發(fā)明的帶有低壓噴射器的系統(tǒng)還是更節(jié)省能量的方案，這是因為蒸發(fā)器與冷凝器之間的溫度梯度更小。由于在其中沒有使用旋轉(zhuǎn)部件，因此該系統(tǒng)還更便宜且更可靠。使用所述類型的噴射器的這種系統(tǒng)允許使用水或乙醇作為工作介質(zhì)，這從環(huán)境保護方面來看是非常重要的。如上所述，噴射器系統(tǒng)的如此使用可降低蒸發(fā)器與冷凝器腔之間的溫度梯度，并且還減小了整個冷卻系統(tǒng)的能量成本和投資成本。
依據(jù)本發(fā)明的一個方面，高效的低壓噴射器11實現(xiàn)了常規(guī)真空泵/壓縮機的功能。這種普通結(jié)構(gòu)的噴射器的示例從SU 1714216A1 [US1714216A1]中已知。所采用的噴射器11在主側(cè)低正壓下運行，并且在圖6中示意地示出了。噴射器11包括主分配腔6，其用于接收經(jīng)主冷卻介質(zhì)供應(yīng)套管22引入其中的主冷卻介質(zhì)或主動冷卻介質(zhì)。多通道的主介質(zhì)噴口23設(shè)置在該分配腔6中，其形式為具有徑向通道或噴口孔23A的球狀部段。這些噴口孔23A通向混合腔24，該混合腔經(jīng)頸部或喉部28連接到散流器29并與其連通?；旌锨?4由輔助或被動介質(zhì)供應(yīng)腔26包圍，該供應(yīng)腔26經(jīng)供應(yīng)套管27與蒸發(fā)器13連通。另一方面，輔助或被動介質(zhì)供應(yīng)腔26經(jīng)多個輔助介質(zhì)孔25與混合腔24連通，該輔助介質(zhì)孔25設(shè)置混合腔24的壁24A上，以便引入輔助或被動介質(zhì)。噴射器裝置11的主要特征是引導(dǎo)冷卻介質(zhì)進入散流器29的頸部28的截面面積大致等于噴口孔23A的總的截面面積。噴口23的球狀部段的幾何中心C位于混合腔中心軸線上在頸部或喉部28之后或換言之在頸部或喉部28緊接的下游。噴射器旨在使用液體的主或主動介質(zhì)和汽化的輔助或被動介質(zhì)。在所述實施例中，同一介質(zhì)例如水可在液態(tài)或蒸氣態(tài)中使用。
噴射器11以下方式工作水以一定的正壓經(jīng)主冷卻介質(zhì)供應(yīng)套管22供給到分配腔21。多通道的噴口23具有大致球狀的形狀并且設(shè)置有小的徑向噴口孔23A，當引入到分配腔21中的水經(jīng)過噴口23并進入混合腔24時，該噴口23形成錐形的收斂射流CMJ。水蒸氣經(jīng)輔助介質(zhì)供應(yīng)套管27、供應(yīng)腔26、和多個輔助介質(zhì)孔25吸入到混合腔24中。通過蒸氣分子與水射流CMJ的相互作用，蒸氣分子開始朝向出口喉部28與水射流CMJ平行移動。因為水射流CMJ收斂并且最終會聚，所以水蒸氣被壓縮并冷凝。這意味著消耗了水射流CMJ的一部分動能以便壓縮并冷凝該蒸氣。噴射器的主要特征在于其可以作為蒸氣壓縮機和冷凝器來使用。依據(jù)本發(fā)明，該特征優(yōu)選地使用在所述的電子裝置的冷卻系統(tǒng)中。通常，本發(fā)明的噴射器冷卻模式最佳地適應(yīng)于在蒸發(fā)器腔內(nèi)承受高溫(達到65℃)的電子裝置的冷卻。這提供了對于在冷凝器中高溫的可能性，(如果需要可達到110-130℃，但是當環(huán)境溫度為大約50℃時通常75-80℃是足夠的)。
現(xiàn)參照圖5A和5B，其中示意地示出了優(yōu)選為用于不同系統(tǒng)應(yīng)用場合的實際的蒸發(fā)器方案的兩個實施例。圖5A示出了被稱為“直接冷卻”式蒸發(fā)器13，其包括多個蒸發(fā)器吸熱片13A。吸熱片13A均與一個或多個電子部件PBA直接接觸，并且優(yōu)選為包括垂直定位的薄金屬板，例如鋁板，其帶有未示出的用于冷卻介質(zhì)的內(nèi)置溝道。在該實施例中，冷卻介質(zhì)在溝道中直接將熱量從電子部件PBA傳遞出去。
圖5B示出了“冷壁”式的蒸發(fā)器單元113。其中，蒸發(fā)器113包括冷壁114，其包含冷卻介質(zhì)并且與多個電子部件PBA的一個邊緣直接接觸。熱量從電子部件PBA傳遞給冷壁114，以便冷卻經(jīng)熱管、熱泵(未示出)、或鋁板115實現(xiàn)。在這種結(jié)構(gòu)中，蒸發(fā)在“冷壁”中進行。
最后，參照圖7，其非常示意地示出了本發(fā)明的系統(tǒng)的另一實際實施例。依據(jù)該實施例，蒸發(fā)器213具有蒸發(fā)器腔214，并且該系統(tǒng)的噴射器11集成到該蒸發(fā)器腔214中。在另一未示出的變型中，噴射器11的散流器29還可以實體地連接到冷凝器14上，以便噴射器、冷凝器和蒸發(fā)器腔成為一個集成的單元。
為了展示出由本發(fā)明的噴射器冷卻系統(tǒng)實現(xiàn)的傳熱和傳質(zhì)的理論平衡，參照圖7描述該系統(tǒng)的運行。當熱的電子部件被冷卻時，它們釋放出熱量Q1傳給蒸發(fā)器腔214。在所示的示例中，在70℃時沸騰，在80℃時冷凝。在蒸發(fā)器腔214中的70℃的溫度T1理論上確保在部件的管腳上的75-80℃的溫度限制，而80℃的溫度可在冷凝器14中形成用于冷卻該冷卻介質(zhì)的適合狀態(tài)，(其中在環(huán)境溫度為50℃時用空氣冷卻熱交換器)。如果可以在某一蓄熱單元(水加熱器、地下室)內(nèi)蓄熱，則可以將在冷凝器內(nèi)的溫度降低為70-72℃。整個系統(tǒng)充有水，并且具有P＝0,31bar的壓力。
在第一步驟中，在蒸發(fā)器腔214內(nèi)，水加熱并開始在90℃下以及在壓力P2＝0.21bar下沸騰。為了傳遞Q1＝2000W的熱功率，每秒大約0.9克的水量M1應(yīng)該在蒸發(fā)室214內(nèi)沸騰。在第二步驟中，為了從蒸發(fā)器腔214輸送蒸氣(M1＝0.9克/s)，水泵12經(jīng)由噴射器11泵送水。在第三步驟中，從蒸發(fā)室214產(chǎn)生的蒸氣被泵出并在擴散器29內(nèi)壓縮之后，在壓力P2＝0.47bar以及在80℃的溫度T2下在冷凝器14內(nèi)凝結(jié)。在第四步驟中，水經(jīng)由節(jié)流閥18從冷凝器14返回到蒸發(fā)器腔214(以M1＝0.9克/秒)，并該步驟完成一個噴射器冷卻循環(huán)。
一個最重要的參數(shù)是冷卻性能系數(shù)K＝Q1/Pe1，其中Pe1是消耗的電能。驅(qū)動水泵12所需的能量可預(yù)先估計，假設(shè)噴射器噴口23的球形部段在直徑上每1毫米具有350個徑向噴嘴孔。為了在球形部段之后達到2米/秒的水速度，水泵12必須實現(xiàn)大約0.5千克/秒或2立方米/小時。系統(tǒng)的壓力降按照Δptot＝(P2-P1)+ΔPhyd＝2-3bar計算，其中ΔPhyd是管道系統(tǒng)40和噴射器11內(nèi)的液壓阻力。為此，需要具有大約500W效果的水泵12。性能系數(shù)可以是K＝Q1/Pe1＝2000/500＝4。
盡管在以上的詳細描述中參照優(yōu)選實施例描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當理解，本發(fā)明不限于所示的實施例，并且在不脫離由后附的權(quán)利要求限定的本發(fā)明的范圍內(nèi)的情況下，可進行許多附加和變型。因此，本發(fā)明僅由后附的權(quán)利要求及其等效形式來限定。
權(quán)利要求
1.一種冷卻一包含散熱電子部件(PBA)的機箱(50)的方法，其包括以下步驟-使得冷卻介質(zhì)在封閉的流體系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)，以便在蒸發(fā)器(13；113；213)內(nèi)吸收在該機箱中的熱量并且將該被吸收的熱量從該機箱中傳遞出去并在冷凝器/熱交換器(14)中將該熱量釋放到該機箱的外側(cè)；-在該機箱中檢測該蒸發(fā)器溫度(T1)，以便確定對于該系統(tǒng)的熱負荷；-檢測周圍溫度(T3)并在冷凝器中檢測溫度(T2)，以便確定從該冷卻介質(zhì)將熱量傳遞出去的狀況；-基于該被檢測的熱負荷和傳熱狀況來控制該冷卻介質(zhì)的受迫循環(huán)；-基于該被檢測的熱負荷和傳熱狀況來控制該冷卻介質(zhì)返回在機箱內(nèi)的該蒸發(fā)器的流動；以及-基于該被檢測的熱負荷和傳熱狀況來控制蒸氣壓縮循環(huán)的啟動/停止；由此，可使得該機箱的冷卻在對于不同熱負荷和傳熱狀況優(yōu)化的不同冷卻模式之間受控切換。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，當在該機箱(50)內(nèi)的該被檢測的熱負荷低于預(yù)定的第一級和/或被檢測的環(huán)境溫度(T3)低于預(yù)定級時，-停止流體泵(12)，以便中斷該冷卻介質(zhì)的受迫循環(huán)；-來自冷凝器(14)的冷卻介質(zhì)的全部流返回到蒸發(fā)器(13；113；213)，冷卻介質(zhì)在其中蒸發(fā)；和-蒸發(fā)后的冷卻介質(zhì)的全部流從蒸發(fā)器(13；113；213)引導(dǎo)到噴射器(11)的輔助側(cè)(26，27)，且流經(jīng)噴射器并從噴射器由出口(28，29)返回到冷凝器；由此使得該機箱的冷卻在熱虹吸冷卻模式下運行。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，環(huán)境溫度(T3)的該預(yù)定級大約30℃，并且冷卻介質(zhì)在蒸發(fā)器(13；113；213)中在大約50℃下蒸發(fā)，并且冷卻介質(zhì)蒸氣在大致相同的溫度下在冷凝器(14)中冷凝并且釋放熱量，由此使得周圍環(huán)境與冷凝器之間的溫度梯度在15-30℃的范圍內(nèi)。
4.如權(quán)利要求2或3所述的方法，其特征在于，來自蒸發(fā)器(13；113；213)的冷卻介質(zhì)蒸氣自由地流經(jīng)噴射器(11)排出并且在冷凝器(14)中冷凝。
5.如權(quán)利要求1-4中任一項所述的方法，其特征在于，當在該機箱(50)內(nèi)的該被檢測的熱負荷高于預(yù)定的第一級但低于預(yù)定的第二級并且被檢測的環(huán)境溫度(T3)低于預(yù)定級時，-啟動流體泵(12)，以便進行該冷卻介質(zhì)的受迫循環(huán)；-來自冷凝器(14)的冷卻介質(zhì)的全部流返回到蒸發(fā)器(13)，冷卻介質(zhì)在其中蒸發(fā)；和-冷卻介質(zhì)從蒸發(fā)器(13；113；213)泵送到噴射器(11)的主側(cè)(21、22)，且流經(jīng)噴射器并流向冷凝器；由此使得該機箱的冷卻在液體冷卻模式下運行。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，環(huán)境溫度(T3)的該預(yù)定級大約30℃，并且冷卻介質(zhì)的一部分在蒸發(fā)器(13；113；213)中在大約50℃下蒸發(fā)，并且冷卻介質(zhì)蒸氣在大致相同的溫度下在冷凝器(14)中冷凝并且釋放熱量，由此使得周圍環(huán)境與冷凝器之間的溫度梯度在15-30℃的范圍內(nèi)。
7.如權(quán)利要求5或6所述的方法，其特征在于，通向噴射器(11)的輔助側(cè)(26，27)的入口被阻擋，并且該冷卻介質(zhì)的全部流以液體和蒸氣相的形式被泵送經(jīng)過噴射器主側(cè)(21，22)進入冷凝器(14)。
8.如權(quán)利要求1-7中任一項所述的方法，其特征在于，當在該機箱(50)內(nèi)的該被檢測的熱負荷超過預(yù)定的第二級并且被檢測的環(huán)境溫度(T3)高于預(yù)定級時，-啟動流體泵(12)，以便進行該冷卻介質(zhì)的受迫循環(huán)；-冷卻介質(zhì)的節(jié)流流動從冷凝器(14)被引導(dǎo)到蒸發(fā)器(13；113；213)，冷卻介質(zhì)在其中蒸發(fā)，基于該被檢測的蒸發(fā)器溫度(T1)和/或被檢測的環(huán)境溫度(T3)來控制該節(jié)流流動；-來自冷凝器的冷卻介質(zhì)的流動的其余部分借助流體泵循環(huán)到噴射器(11)的主側(cè)(21，22)，由此在噴射器的輔助側(cè)(26，27)處形成負壓；和-借助由此形成的負壓，使得蒸發(fā)后的冷卻介質(zhì)從蒸發(fā)器(13；113；213)中泵送出并送到噴射器的輔助側(cè)(26，27)，并返回到冷凝器；由此使得該機箱的冷卻在噴射器冷卻模式下運行。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，基于該被檢測的蒸發(fā)器溫度(T1)和/或被檢測的環(huán)境溫度(T3)來控制流體泵(12)。
10.如權(quán)利要求8或9所述的方法，其特征在于，蒸發(fā)后的冷卻介質(zhì)在噴射器(11)內(nèi)由泵送的主冷卻介質(zhì)來進行壓縮和部分冷凝，并且隨后引導(dǎo)到冷凝器(14)中進一步冷凝。
11.如權(quán)利要求8-10中任一項所述的方法，其特征在于，分別在蒸發(fā)器(13；113；213)與冷凝器(14)之間的壓力差(P1-P2)和溫度梯度(T1-T2)借助控制單向節(jié)流器(18)來調(diào)節(jié)，以下相對于該被檢測的熱負荷和環(huán)境溫度(T3)提供最優(yōu)的循環(huán)狀況。
12.一種冷卻一包含散熱電子部件(PBA)的機箱(50)的冷卻系統(tǒng)(10)，其包括-用于使得冷卻介質(zhì)在封閉的流體系統(tǒng)內(nèi)從冷凝器/熱交換器(14)循環(huán)到在該機箱中的蒸發(fā)器(13；113；213)并且返回到冷凝器/熱交換器(14)的裝置；-至少一個用于控制冷卻介質(zhì)在該冷凝器和蒸發(fā)器之間流動的閥(15-17)；-具有主側(cè)(21，22)和輔助側(cè)(26，27)的噴射器(11)‘-流體管路系統(tǒng)(40)，其分別通過第一和第二控制閥(18)和(17)分別將冷凝器(14)與蒸發(fā)器(13；113；213)連接并且將冷凝器(14)與流體泵(12)，并且分別通過第三和第四控制閥(15)和(16)將蒸發(fā)器連接到噴射器流體泵并將蒸發(fā)器連接到噴射器輔助側(cè)；溫度傳感器(30、31、32)，其用于分別檢測蒸發(fā)器溫度(T1)、冷凝器溫度(T2)、環(huán)境溫度(T3)；和-用于依據(jù)該被檢測的溫度來控制所述閥的位置的控制單元(19)。
13.如權(quán)利要求12所述的冷卻系統(tǒng)(10)，其特征在于，第一閥(18)是單向節(jié)流閥，其用于阻擋從蒸發(fā)器(13；113；213)到冷凝器(14)的回流，并且該單向節(jié)流閥可由控制單元(19)來控制以便調(diào)節(jié)從冷凝器流向蒸發(fā)器的冷卻介質(zhì)流動。
14.如權(quán)利要求12或13所述的冷卻系統(tǒng)(10)，其特征在于，噴射器(11)是以主側(cè)低正壓運行的低壓噴射器，并且該噴射器具有用于接收主冷卻介質(zhì)的主側(cè)分配腔(21)以及形式為球狀部段的多通道噴口(23)，該噴口設(shè)置有通向混合腔(24)的徑向噴口孔(23A)，該混合腔由輔助冷卻介質(zhì)供應(yīng)腔(26)包圍，該供應(yīng)腔多個供應(yīng)孔(25)與混合腔連通，該混合腔經(jīng)頸部(28)連接到散流器(29)上。
15.如權(quán)利要求14所述的冷卻系統(tǒng)(10)，其特征在于，頸部(28)的引導(dǎo)冷卻介質(zhì)的內(nèi)截面面積大致等于噴口孔(24)的總的截面面積，并且噴口(23)的球狀部段的幾何中心(C)位于混合腔中心軸線(CA)上位于緊接頸部(28)的下游。
16.如權(quán)利要求12-14中任一項所述的冷卻系統(tǒng)(10)，其特征在于，蒸發(fā)器(13)包括多個蒸發(fā)器吸熱片(13A)，每一吸熱片均與一個或多個電子部件(PBA)直接接觸。
17.如權(quán)利要求16所述的冷卻系統(tǒng)(10)，其特征在于，蒸發(fā)器(13)包括薄金屬板(13A)，其帶有的內(nèi)置水溝道從電子部件(PBA)直接將熱量傳遞出去。
18.如權(quán)利要求12-15中任一項所述的冷卻系統(tǒng)(10)，其特征在于，蒸發(fā)器(113)包括冷壁(114)，其包含冷卻介質(zhì)并且與多個電子部件(PBA)的一個邊緣直接接觸，并且熱量從電子部件(PBA)傳遞給冷壁冷卻介質(zhì)是經(jīng)熱管、熱管路、或鋁板(115)實現(xiàn)的。
19.如權(quán)利要求12-15中任一項所述的冷卻系統(tǒng)(10)，其特征在于，蒸發(fā)器(213)具有蒸發(fā)器腔(214)，并且該噴射器(11)與蒸發(fā)器腔(214)集成為一整體單元。
20.如權(quán)利要求19所述的冷卻系統(tǒng)(10)，其特征在于，該噴射器(11)的散流器(29)與冷凝器(14)實體連接。
21.如權(quán)利要求20所述的冷卻系統(tǒng)(10)，其特征在于，噴射器、冷凝器和蒸發(fā)器腔成為一個集成的單元。
全文摘要
本發(fā)明披露了一種新的電子裝置冷卻方法和裝置，其中通過在包含蒸發(fā)器(13)、冷凝器(14)、噴射器(11)和控制閥(15－18)的封閉系統(tǒng)(40)中控制冷卻介質(zhì)的循環(huán)，可實現(xiàn)冷卻系統(tǒng)(10)的靈活和有效的運行。具體地說，本發(fā)明的目的通過以下方式實現(xiàn)，即，基于被檢測的熱負荷和/或被檢測的傳熱狀況來提供該系統(tǒng)的所述閥的控制，由此可連續(xù)地使得該系統(tǒng)在最適當?shù)哪Ｊ较逻\行。換言之，本發(fā)明基于當前實際的狀況提供了該系統(tǒng)的運行模式的自動適應(yīng)，以便相對于該系統(tǒng)的冷卻模式運行從而獲得特定的靈活性。這意味著，冷卻能力可恒定為最優(yōu)狀態(tài)，并且與具有相同的最大冷卻能力的已知系統(tǒng)相比，可降低涉及投資和系統(tǒng)運行的成本。
文檔編號F25B23/00GK1618263SQ02827662
公開日2005年5月18日 申請日期2002年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2002年1月29日
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