一种基于均温/蓄热一体化蒸发器的复合散热系统及其控制方法

本发明涉及一种基于均温/蓄热一体化蒸发器的复合散热系统及其控制方法，适用于电力电子器件等高热流密度设备散热，属于设备热管理及环控领域。

背景技术：

1、随着电力电子技术的发展，电力电子器件的功率等级不断提高，高热流密度的电力电子元器件已经广泛应用于新能源汽车、数据中心、航空航天等领域，越来越高的功率和集成度使其对散热和温控有更高的要求，如果无法高效散热导致电子元件超温，电子元件的性能、可靠性和使用寿命将大大降低。如何实现高效散热已经成为当前电子设备待解决的关键技术之一。

2、相变材料是一种能在温度不变的情况下通过改变自身的相态来吸收或释放大量潜热的物质，在融化过程中具有等温或近似等温、可吸收或释放大量潜热的优点，特别适用于周期性工作的仪器设备。因此，将固液相变技术应用于电子设备热管理，可以有效解决间歇性的热冲击以及尖峰负荷散热问题，能有效提高设备的使用寿命。但是相变材料的导热系数普遍较低，不利于热量的及时蓄存和提取，严重制约着相变蓄热换热器的发展。传统的解决办法是通过增加翅片的方式以扩大相变材料与热源的接触面积，但是由于翅片延纵向梯度具有较大温差，这种方法对相变材料储能换热速率的提升是有限的。

技术实现思路

1、本发明是为了解决上述现有技术存在的问题而提出一种基于基于均温/蓄热一体化蒸发器的复合散热系统及其控制方法。当冷却流体温度较高且发热设备负荷较大时，发热设备表面温度达到相变材料的熔点，相变材料熔化吸热，压缩机运转，节流装置工作，运行于蒸气压缩制冷模式，保障散热安全可靠；当冷却流体温度较低且发热设备负荷较小时，压缩机和节流装置被旁通，运行于热管循环模式，保障系统节能运行。

2、本发明采用如下技术方案：一种基于均温/蓄热一体化蒸发器的复合散热系统，包括压缩机、发热设备、均温/蓄热一体化蒸发器、第一旁通阀、第二旁通阀、节流装置、冷凝器、控制器以及制冷剂管路，所述均温/蓄热一体化蒸发器通过制冷剂管路依次与压缩机、冷凝器和节流装置连接，所述压缩机和第一旁通阀并联设置，所述节流装置和第二旁通阀并联设置，所述控制器采集发热设备表面温度后控制压缩机、节流装置、第一旁通阀和第二旁通阀。

3、所述的均温/蓄热一体化蒸发器设置下集流盒和上集流盒，所述的下集流盒和上集流盒为方形腔体；并联设置的多孔平行流扁管上下两端分别插入上集流盒、和下集流盒；多孔平行流扁管包括一体化成型平行设置的若干制冷剂流道，制冷剂流道与下集流盒和上集流盒腔体连通；下集流盒设有制冷剂入口接管，上集流盒设有制冷剂出口接管；多孔平行流扁管两侧设置翅片，所述翅片内部填充相变材料。

4、进一步地，所述圆管为微小管道，管径为0.5-3mm；圆管内流道与下集流盒和上集流盒腔体连通。

5、进一步地，所述压缩机为压比和转速可调的微型无油变频压缩机。

6、进一步地，所述相变材料为直接接触式相变材料。

7、进一步地，所述冷凝器的冷却流体为水、空气或者油。

8、进一步地，所述翅片为百叶窗翅片。

9、本发明还采用如下技术方案：一种基于均温/蓄热一体化蒸发器的复合散热系统的控制方法，控制器采集发热设备周边温度后控制压缩机、节流装置、第一旁通阀和第二旁通阀，在不同的冷却流体和发热设备负荷情况下，根据发热设备周边温度，该系统实现两种工作模式：

10、（a）当发热设备负荷较大或冷却流体温度较高，表面温度t>a时，其中a为相变材料的熔点，控制器控制压缩机运转，节流装置工作，第一旁通阀和第二旁通阀关闭，制冷剂在下集流盒中吸热气化，气态工质通过制冷剂流道进入上集流盒，然后通过制冷剂出口接管流出蒸发器。流出蒸发器的气态制冷剂为低温低压气体，低温低压气体经过压缩机压缩增压增温，随后进入冷凝器放热，然后经过节流装置降温降压，液态制冷剂通过制冷剂入口接管回到蒸发器中的下集流盒中完成循环，此过程中相变材料熔化吸热，发热设备表面温度相对稳定。蒸发器、压缩机、冷凝器和节流装置构成蒸气压缩制冷循环；

11、（b）当发热设备负荷较小且冷却流体温度较低，表面温度t<a时，其中为相变材料的熔点，控制器控制压缩机和节流装置关闭，第一旁通阀和第二旁通阀打开，制冷剂在下集流盒中吸热气化，气态工质通过制冷剂流道进入上集流盒，然后通过制冷剂出口接管流出蒸发器。流出蒸发器的气态制冷剂通过制冷剂管路进入冷凝器，在冷凝器中冷凝为液体，冷凝液在重力作用下通过制冷剂入口接管回流到蒸发器中的下集流盒中完成循环。蒸发器、冷凝器和第一旁通阀和第二旁通阀构成热管循环。本发明具有如下有益效果：

12、（1）当冷却流体温度较高或发热设备负荷较大时，发热设备表面温度达到相变材料的熔点，压缩机运转且节流装置工作，满足散热要求，保障散热安全；当冷却流体温度较低且发热设备负荷较小时，相变材料凝固，压缩机和节流装置关闭，第一旁通阀和第二旁通阀打开，构建重力热管循环，在节能基础上满足传热要求；热管模式和蒸气压缩模式共享蒸发器和冷凝器，管路设计简洁顺畅，使得系统重量轻、占地空间小、控制简便。

13、（2）遇到发热设备间歇工作或负荷波动大的情况，通过添加相变材料，可极大地削减发热设备工作时瞬间热负荷的冲击。

14、（3）当发热设备负荷逐渐增大或者冷却流体温度逐渐升高时，基于均温/蓄热一体化蒸发器的复合散热系统需要从热管模式切换到蒸汽压缩模式，压缩机启动时间需要10-15 s，通过添加相变材料，相变材料熔化吸热，即延长了热管模式的运行时间，同时也可以解决压缩机启动过程中复合散热系统散热性能变差的问题，保障系统安全可靠。

15、（4）相变材料填充在蒸发器制冷剂流道之间，制冷剂在蒸发器中延纵向流动，解决了传统翅片结构延纵向梯度具有较大温差的问题，相变材料均匀受热，提高了蓄热材料相变储热速率，相变材料“削峰填谷”的能力得到进一步提升。

16、（5）、当发热设备体积小，产生的热流密度较大时，制冷剂在下集流盒中吸热气化，热量可迅速扩散至整个蒸发器底板，极大提高了散热器的散热能力。

技术特征：

1.一种基于均温板/蓄热一体化蒸发器复合散热系统，其特征在于：包括均温蓄热一体化蒸发器（1）、第一旁通阀（2）、压缩机（3）、冷凝器（4）、节流装置（5）、第二旁通阀（6）、控制器（7）、发热设备（8）以及制冷剂管路；其中，均温蓄热一体化蒸发器（1）通过制冷剂管路依次与压缩机（3）、冷凝器（4）和节流装置（5）连接，所述压缩机（3）和第一旁通阀（2）并联设置，所述节流装置（5）与第二旁通阀（6）并联设置，所述控制器（7）采集发热设备（8）表面温度后控制压缩机（3）、节流装置（5）、第一旁通阀（2）和第二旁通阀（6）；

2.如权利要求1所述的基于均温板/蓄热一体化蒸发器复合散热系统，其特征在于：所述圆管（112）为微小管道，管径为0.5-3mm；圆管（112）内流道与下集流盒（11）和上集流盒（13）腔体连通。

3.如权利要求1所述的基于均温板/蓄热一体化蒸发器复合散热系统，其特征在于：所述压缩机（3）为压比和转速可调的微型无油变频压缩机。

4.如权利要求1所述的基于均温板/蓄热一体化蒸发器复合散热系统，其特征在于：所述相变材料（17）为直接接触式相变材料。

5.如权利要求1所述的基于均温板/蓄热一体化蒸发器复合散热系统，其特征在于：所述冷凝器（4）的冷却流体为水、空气或者油中的一种或多种。

6.如权利要求1所述的基于均温板/蓄热一体化蒸发器复合散热系统，其特征在于：所述翅片（12）为百叶窗翅片。

7.一种如权利要求1-6中任意一项基于均温板/蓄热一体化蒸发器复合散热系统的控制方法，其特征在于：控制器（7）采集发射设备（8）表面温度后控制压缩机（3）、节流装置（5）、第一旁通阀（2）和第二旁通阀（6）。在不同的冷却流体和发热设备（8）负荷情况下，根据发热设备（8）周边温度，该系统实现两种工作模式：

技术总结
本发明公开一种基于均温/蓄热一体化蒸发器的复合散热系统，均温/蓄热一体化蒸发器包括下集流盒、上集流盒、多孔平行流扁管和散热翅片，并联设置的多孔平行流扁管上下两端分别插入上集流盒和下集流盒。多孔平行流扁管包括一体化成型平行设置的若干制冷剂流道，制冷剂流道与下集流盒和上集流盒腔体连通，多孔平行流扁管两侧设置翅片，所述翅片内部填充相变材料翅片。通过以上设计，制冷剂在蒸发器下集流盒中吸热气化，发热设备产生的热量可迅速扩散至整个蒸发器底板，气态工质在蒸发器中延纵向流动，相变材料受热均匀，提高了相变材料的储能换热效率。蒸发器通过制冷剂管路依次与压缩机、冷凝器和节流装置连接，压缩机与第一旁通阀并联设置，节流装置和第二旁通阀并联设置。在不同的冷却流体和发热设备负荷情况下，根据发热设备表面温度，该系统可实现两种工作模式。

技术研发人员：张朋磊,刘书庭,李晓林,谢艳,杨晓睿
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17