1 去离子水冷却电子装置
随着芯片集成化程度的不断提高, 电子装置工作时所产生的高密度热流必须及时带走, 以避免损坏灵敏装置;但在冷却时为规避短路风险, 必须去除回路水中的带电离子, 以防流经时造成电子装置短路, 而付出高昴代价。通常采用非铜中间换热器, 例如激光焊接或镍纤焊的不锈钢板式换热器, 安装在各式电子装置的冷却回路中, 并由去离子水担当载冷剂, 以应用在激光器、电视发射站以及变压器等场合。
2 激光器的冷却
激光器的冷却是去离子水冷却电子装置的回路中, 最典型的应用之一。激光器现已广泛用于工业加工, 如精确切割工具;以及医学, 如癌症治疗等过程中;其中所含的点火灯和激光发生器, 就需冷却以防部件过热。
(1) 激光发生器的冷却回路。
如图1所示, (1) 为激光器, (2) 为其中的激光发生器, 由于激光发生器的冷却对载冷剂的电阻率要求甚高, 因此必须采用去离子水作载冷剂, 并采用非铜中间换热器 (5) 。去离子水流经激光发生器 (2) 时, 吸收其中散热而升温, 再流经非铜中间换热器 (5) , 以向另侧的载冷剂放热而降温, 然后与新产生的去离处理水相混合, 并流经膨胀器 (9) 后, 再由水泵 (6) 驱动, 一路流经过滤器 (8) , 然后再次去冷却激光发生器 (2) ;另一路流经去离子设备 (7) , 以重新完成去离子过程。
(2) 点火灯的冷却回路。
如图1所示, 由于点火灯 (3) 的冷却对载冷剂的电阻率不作要求, 因此采用普通中间换热器 (4) , 并无需由去离子水作载冷剂。冷却水分两路流经点火灯 (3) , 吸收其中散热而升温, 再流经中间换热器 (4) , 以向另侧的载冷剂放热而降温, 然后重新去冷却两只点火灯 (3) 。
3 多功能循环回路驱动电子装置冷却系统
(1) 电子装置冷却系统。
电子装置冷却系统如图2中左侧所示:去离子水流经非铜中间换热器 (1) , 以向另侧的载冷剂放热而降温后, 一部分流入电子装置冷却盘管 (2) 中, 吸收其中散热而升温;另一部分则与补充水 (8) 混合后进入净水回路 (3) 中, 先后流经除氧器 (4) 和离子交换器 (5) , 再流经膨胀器 (6) 和过滤器 (7) , 最后与电子装置冷却盘管 (2) 中流出的高温水相混合, 并由水泵 (9) 重新打入非铜中间换热器 (1) 中, 以完成电子装置冷却系统的循环。
电子装置冷却系统的现有二级驱动回路如图2中右侧所示:载冷剂在水泵 (11) 的驱动下流经非铜中间换热器 (1) , 吸收其中散热而升温, 然后或者流经干式空冷器, 以把电子装置散热直接排放环境;或者流经冷水机组, 以把电子装置散热间接排放环境;从而一方面极大浪费了电子装置的散热, 另一方面电子装置操作间的夏季空调负荷、春/秋季新风负荷、冬季采暖负荷, 却要由单独的热泵机组来负担, 既增加一套热泵机组的初投资, 也增加其运行费用。
(2) 多功能循环回路。
鉴于电子装置冷却系统的现有二级驱动回路, 在初投资和运行费用上的缺陷, 本文提出一种新型二级驱动回路, 多功能循环回路如图3所示;循环泵驱动温度Tp的载冷剂流经:止回阀、制冷量Qp的热泵换热器、温度Tf的储热水箱、换热量Qf且出口载冷剂温度Te的风机盘管、吸收热量Qe的非铜中间换热器;其中室外环境温度Tout, 电子装置操作间的室内温度Tin;以实现一年四季的多功能回路循环。
4 多功能回路循环
(1) 制冷-冷却循环。
如图4所示:循环泵驱动温度Tp为30℃的载冷剂流经:止回阀、制冷量Qp为10kW的热泵换热器、温度Tf为20℃的储热水箱、不散热因此出口载冷剂温度Te也为20℃的风机盘管、吸收热量Qe为10kW的非铜中间换热器;其中室外环境温度Tout为35℃～42℃, 电子装置操作间的室内温度Tin不作要求;以实现夏季空调最大负荷时的制冷-冷却循环。
(2) 制冷-冷却+空调循环。
如图5所示:循环泵驱动温度Tp为30℃的载冷剂流经:止回阀、制冷量Q p为12kW的热泵换热器、温度Tf为18℃的储热水箱、散冷量Qf恰好满足5kW空调名义负荷Qac且出口载冷剂温度Te为23℃的风机盘管、吸收热量Qe为7kW的非铜中间换热器;其中室外环境温度Tout为28℃～35℃, 电子装置操作间的室内温度Ti n为2 6℃;以实现夏季空调名义负荷时的制冷-冷却+空调循环。
(3) 电装-新风循环。
如图6所示:循环泵驱动温度Tp为30℃的载冷剂流经:止回阀、不制热的热泵换热器、温度Tf也为30℃的储热水箱、散热量Qf恰好满足5k W新风负荷Qn且出口载冷剂温度Te为25℃的风机盘管、吸收热量Qe为5k W的非铜中间换热器;其中室外环境温度T ou t为14℃～28℃, 电子装置操作间的室内温度T in为2 1℃;以实现春、秋季新风负荷时的电装-新风循环。
(4) 电装-采暖循环。
如图7所示:循环泵驱动温度Tp为30℃的载冷剂流经:止回阀、不制热的热泵换热器、温度Tf也为30℃的储热水箱、散热量Qf恰好满足3k W采暖名义负荷Qh且出口载冷剂温度Te为27℃的风机盘管、吸收热量Qe为3k W的非铜中间换热器;其中室外环境温度Tout为0～14℃, 电子装置操作间的室内温度Tin为20℃;以实现冬季采暖名义负荷时的电装-采暖循环。
(5) 电装+制热-采暖循环。
如图8所示:循环泵驱动温度Tp为30℃的载冷剂流经:止回阀、制热量Qp为5kW的热泵换热器、温度Tf为35℃的储热水箱、散热量Qf恰好满足6kW采暖最大负荷Qh且出口载冷剂温度Te为29℃的风机盘管、吸收热量Qe为1kW的非铜中间换热器;其中室外环境温度Tout为-14℃～0, 电子装置操作间的室内温度Tin为20℃;以实现冬季采暖最大负荷时的电装+制热-采暖循环。
5 技术优势
多功能循环回路的技术优势分述如下。
(1) 回路中循环水温的均衡分布。
由表1可见:载冷剂先后流经热泵换热器-风机盘管-中间换热器, 这种循环流经次序使得无论热泵在夏季制冷还是冬季制热, 其换热器的出水温度Tf无论是较低的18℃还是较高的35℃, 经风机盘管的散冷或散热之后, 使中间换热器的进水温度Te均又恢复到最佳的20℃～29℃范围, 且出水温度Tp更是恒定在30℃;回路中循环水温的均衡分布既确保了电子装置的冷却需要, 又兼顾了电子装置操作间的空调、采暖、新风等多功能需求, 是实现多功能的技术前提。
(2) 电子装置的冷却负荷与其操作间的房间负荷保持平衡。
由表1可见:假设电子装置的冷却负荷按照室外温度成线性分布, 则通过控制热泵和风机盘管的启/停, 以及制冷/制热, 或高速/低速的切换, 可使一年四季中电子装置的冷却负荷与其操作间的房间负荷保持平衡;从而既确保了电子装置的冷却需要, 又兼顾了电子装置操作间的空调、采暖、新风等多功能需求。
(3) 多功能。
由图4～图8可见:充分回收和利用电子装置的冷却负荷, 可就地满足电子装置操作间的夏季空调名义负荷、春/秋季新风负荷、冬季采暖名义负荷、冬季采暖最大负荷, 从而实现多功能。
(4) 低流阻循环。
由表1可见:对于热泵换热器、风机盘管和中间换热器的优化选型, 可使载冷剂流经多功能循环回路的总流动阻力∑P控制在46kPa, 故而属低流阻循环, 从而极大降低串联回路的运行成本!
(5) 节省热泵机组初投资及其运行费用。
由表1可见:在电子装置操作间中其春、秋季的新风负荷和冬季的采暖名义负荷是由回收的电子装置冷却负荷所独立承担, 而其冬季的采暖最大负荷则由回收的电子装置冷却负荷共同分担;并且其夏季的空调名义负荷和冬季的采暖最大负荷均是由电子装置冷却用热泵机组所承担, 从而既节省一套电子装置操作间用热泵机组的初投资, 也节省其运行费用。
6 结语
载冷剂的循环流经次序, 确保了回路中循环水温的均衡分布, 是实现多功能的技术前提;通过控制热泵和风机盘管的运行切换, 可使一年四季中电子装置的冷却负荷与其操作间的房间负荷保持平衡;充分回收和利用电子装置的冷却负荷, 可就地满足电子装置操作间在四季中的各种负荷, 以实现多功能;优化各设备选型, 可形成低流阻循环, 从而降低运行成本;既节省一套电子装置操作间用热泵机组的初投资, 也节省其运行费用。
摘要：本文分析现有电子装置的冷却负荷, 无论直接或间接排放环境, 均造成极大浪费;为此提出多功能循环回路驱动电子装置冷却系统这个技术集成的新概念, 可就地充分回收和利用电子装置的冷却负荷, 满足电子装置操作间在四季中的各种负荷, 以实现5种功能;载冷剂的循环流经次序, 确保了回路中循环水温的均衡分布, 是实现多功能的技术前提;此外, 通过控制热泵和风机盘管的运行切换, 可使一年四季中电子装置的冷却负荷与其操作间的房间负荷保持平衡;优化各设备选型, 可形成低流阻循环, 从而降低运行成本;既节省一套电子装置操作间用热泵机组的初投资, 也节省其运行费用。
关键词：多功能,循环回路,电子装置,冷却系统,去离子水
参考文献
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