CN102012182A - 一种具备汽泡注入功能的自适应储液器 - Google Patents

Abstract

本发明是关于一种应用于汽-液两相流体循环散热回路、具备汽泡注入功能的自适应储液器，所述储液器为一压力容器，容器内部至少有两根管道穿过，其中一根管道较粗，一端接蒸发器的出口，另一端接冷凝器的热侧入口；另一根较细的管道在所述容器内部至少开有一个小口，所述小口应距容器底部有一定的高度，或通过另一小管道把开口延伸至容器内部的一定高度，储液器内部的管道一端接泵的出口，另一端接蒸发器的入口；在所述管道内流过的为饱和液体的条件下，所述储液器可通过穿过其内部管道的开口向管道注入汽泡。本发明的储液器能有效消除两相回路散热系统在热启动过程中常见的过热现象，并使回路系统稳定启动；而当回路系统工作时，还可根据热量排放的大小自适应调节工作点，从而达到更节能的目的。

Description

一种具备汽泡注入功能的自适应储液器

技术领域

本发明涉及一种储液装置，特别是涉及一种应用于两相回路散热系统的、具备汽泡注入功能的自适应储液器。

背景技术

机械泵驱动(后面简称泵驱)两相回路散热系统由于其散热效率高、温度均匀性好、稳定性高，并且特别适用于分散热源散热和长距离散热等优点，在载人航天、深空探测、数据中心散热等热管理领域有着巨大的应用和市场潜力。

例如中国专利申请号为200810198088公开了一种利用废热驱动的两相回路散热系统，适合机房、飞行器、船舰等密闭设备舱内的大热流密度电子设备散热。在这种两相回路散热系统中，所述储液器不但起到储存工质的作用，而且还起到缓冲系统压力变化、和决定系统工作温度和压力(工作点)的作用；然而，两相回路散热系统中的储液器的结构与功能在上述专利中没有陈述或没有充分陈述。

如图1所示，现有技术的泵驱两相回路散热系统包括：负责驱动工质循环的机械泵1、负责收集废热的蒸发器2、负责向系统外排热的冷凝换热器3、用于降低系统温度波动又可以节能的回热器5，以及储液器4，该储液器4与含压缩机的制冷系统的储液器有所不同，除储液外，它还具备以下两个基本功能：

1)压力缓冲，即接收回路中由于工质蒸发和冷凝不平衡时因体积膨胀或收缩所排出或吸收的液体，因而，它还起到缓冲系统压力变化的作用；

2)控制系统的工作点，即系统的工作温度和压力，对工作温度要求严格的应用来说，系统的工作温度是通过电子控制器控制储液器4的温度来实现的。

为使系统性能提高，通常还会在蒸发器2出口后的两相通道与蒸发器2入口前的过冷液体通道之间加装回热器5，一方面把过冷液体在进入蒸发器2前加热至饱和温度，另一方面可以把蒸发器2出口通道内的两相流体含汽率降低，从而降低该通道的流动阻力；而该回热器5通常是单独安装在储液器4之外的。

对两相回路散热系统在电子设备散热的应用而言，还有一个挑战就是热启动时常常出现的过热问题，即在开启电子设备的热载荷时，工质需经历从液相到汽-液两相的转变，由于液-汽相变属一级相变，因此往往会出现温度高于饱和温度(其差值称为过热度)后才发生相变，过热度有时会超过20℃，再加上液体的换热系数远低于两相流动沸腾换热系数，因此，发热的电子设备在启动时，可能会出现温度过高的现象；过热现象不仅对散热设备造成短时间过热，而且会引起压力脉冲，对系统及其器件会造成负面的影响，过热现象是系统设计人员不希望看到的、或需要排除的现象；再者过热液体的“爆沸”产生对系统的压力冲击甚至会导致系统的不稳定和损害。要开发出成熟的、能让市场接受的两相回路散热系统，抑制过热是必不可少的；同时，散热系统配件安装的方便程度也影响着该系统的使用规模和应用程度。

发明内容

本发明的目的在于为泵驱两相回路散热系统提供一种综合使用空间小、安装方便，并同时具有储液、回热和自适应调节工作点功能的储液器，该储液器还因可向散热系统中的蒸发器注入汽泡而避免两相回路散热系统在热启动时的过热现象，从而更有效地为大热流密度电子设备散热以及更有效地保护这些电子设备和散热系统本身。对某些特殊的应用，还可以通过对所述储液器加热、或调节散热回路系统中各部件的连接方式，使所述系统可持续地向蒸发器注入汽泡。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种具备汽泡注入功能的储液器，其为一压力容器，容器内部至少有一根管道穿过，且该管道在所述容器内部至少开有一个小口，所述小口开在距容器底部一定距离的高度，或通过另一小管道把开口延伸至容器内部的一定高度处，所述管道一端接泵的出口，另一端接蒸发器的入口；

所述储液器可通过穿过其内部管道的开口向连接蒸发器入口的管道注入汽泡。

根据本发明实施例的具备汽泡注入功能的储液器，在所述容器内的所述管道的上游开有另一个口径极小的口，并通过另一小管道延伸至所述储液器内部液体处。

根据本发明实施例的具备汽泡注入功能的、能自适应调整工作点的储液器，另有一条较粗的管道也穿过该压力容器；来自蒸发器的汽-液两相流体工质从该管道内流过，与所述压力容器内工质换热，从而达到调节系统工作点的目的。

根据本发明实施例的具备汽泡注入功能的自适应储液器，在所述压力容器内部，所述细管与所述粗管之间安装有可提供过冷液体、汽-液两相流体和储液器内部工质三方换热的回热器；其回热器为套管式换热器或逆流板式换热器。

根据本发明实施例的具备汽泡注入功能的自适应储液器，在容器内部流向蒸发器入口的液体管道出口处连接一个单向阀。

另外，本发明还公开了一种两相回路散热系统，包括：用于驱动工质循环的机械泵；用于收集废热的蒸发器；用于向系统外排热的冷凝换热器以及储液器；该储液器可为上述实施例中的任何一种储液器，储液器内部的细管的一端接泵的出口，另一端接蒸发器的入口；所述储液器可通过穿过其内部管道的开口向管道注入汽泡。

借由上述技术方案，本发明具备汽泡注入功能的自适应储液器至少具有下列优点：

1)储液器在系统热启动时通过向蒸发器注入汽泡，可以为蒸发器吸热沸腾提供汽-液两相界面，从而可以有效地抑制启动时的过热现象；

2)通过在储液器内部引入回热器，使泵出口液体具有一定过冷度的情况下，仍可通过所述回热器被加热至饱和点，从而不但可以在保证储液器具备汽泡注入功能的同时，不需要承受大的内部工作压力，在液体过冷度变化大时仍可以稳定系统工作温度，而且通过回热器与储液器换热使所述系统在热载荷变化时具有自适应地调节工作点、从而在为发热器件提供均匀、稳定的温度环境的同时，具有节能的效果；

3)本发明的储液器还具有综合使用空间小、安装方便的使用价值。

附图说明

图1为现有技术的储液器所应用的两相回路散热系统的整体示意图；

图2为本发明的储液器所应用的两相回路散热系统的整体示意图；

图3为本发明的热启动时可间歇地向两相回路注入汽泡的储液器的剖面示意图；

图4为本发明的热启动时可连续地向两相回路注入汽泡的储液器的剖面示意图；

图5为本发明实施例的储液器的剖面示意图；

图6为本发明带板式回热换热器的、热启动时可连续向回路注入汽泡的储液器的剖面示意图；

图7为本发明带板式回热换热器的、热启动时可连续向回路注入汽泡的、并在液体出口安装了单向阀的的储液器的剖面示意图。

1、1’：机械泵            2、2’：蒸发器

3、3’：冷凝换热器        4、4’：储液器

5：回热器：               10：储液器

11：液体管(细管)          12：液体出口

13：第一开口延伸小管      20：储液器

21：液体管(细管)          22：液体出口

23：第一开口延伸小管    24：两相管(粗管)入口

30：储液器

31：液体管(细管)        32：套管(粗管)

40：储液器              41：板式回热换热器

42：液体管(细管)        43：第二开口延伸小管

44：两相管(粗管)        50：储液器

51：板式回热换热器      52：单向阀(止回阀)

具体实施方式

本发明的储液器主要应用于泵驱两相回路散热系统中，如图2所示，该散热系统包括：负责驱动工质循环的机械泵1’、负责收集废热的蒸发器2’、负责向系统外排热的冷凝换热器3’以及储液器4’；该储液器4’内部的液体管其液体入口端接机械泵1’的出口，其靠近管道开口的另一端出口接蒸发器2’的入口。

为了使两相回路散热系统更便于产业化，本发明提供一种集成式的、具备汽泡注入功能的自适应储液器，它把回热器集成于储液器的压力容器内，除实现过冷液体与两相流体的换热外，还实现两相流体与所述压力容器内工质的换热，从而达到按散热量自动调节工作点的目的，因而具备储液、压力缓冲、冷/热流体换热、以及自适应调节工作点等多种功能，并使系统组件综合体积更小，更易于安装使用。具备向回路注入汽泡功能的储液器，是利用储液器内部存放的饱和流体和蒸汽在重力或毛细力的作用下，产生汽液两相分离的这一特征，把储液器内的蒸汽注入到两相回路中去。

依应用场合、对象的不同，可注入汽泡的自适应储液器有各种形式，但至少包括以下共同特点：(1)可承受高的工作压力；(2)储液并缓冲系统压力，其特点是所述储液器内至少有一管道与回路连通，使所述储液器与回路可以进行工质交换；(3)与来自蒸发器的(汽-液两相或汽相)工质有热交换，但没有工质交换。

以下结合附图和较佳实施例，来进一步说明本发明的储液器，但本发明并不局限于这些实施例。

实施例1

如图3所示，本发明其中一实施例的储液器10是将液体管(小管)11穿过储液器压力容器，然后在容器内部靠近液体出口12的液体管11上开一小口(第一开口)，同时用第一开口延伸小管13将该第一开口延伸至容器内部汽相区域处(通常是容器的上部，其高度依设计需要而定)，储液器10内部的液体管11其液体入口端接泵的出口，其另一端液体出口12(靠近管道开口端)接蒸发器的入口；当入口的液体达到饱和温度时，由于液体管11内液体的流动所产生的低压以及两相回路自身的压力振荡效应，汽体(汽泡)会间歇地从储液器10注入到回路蒸发器中去。

实施例2

如图4所示，本发明另一实施例的储液器20是将液体管(小管)21穿过储液器压力容器，用第一开口延伸小管23将该第一开口延伸至容器内部汽相区域处(通常是容器的上部，其高度依设计需要而定)，增加一根穿过储液器20的较粗的管道，优选地，所述管道外壁焊接有散热翅片，所述管道与容器只有换热、没有工质交换通道(开口)，所述两相管(粗管)入口24接蒸发器的出入，而液体出口22接冷凝器热侧的入口。通过所述粗管道，与来自蒸发器的汽-液两相流体与储液器有良好的换热，从而达到根据热载荷的变化，自适应地调节系统工作点的目的。

实施例3

在实际应用时，为防止机械泵的气蚀，吸入机械泵的流体要有一定的过冷度；而当过冷液体被泵入穿过压力容器的液体细管时，过冷液体与容器内的工质换热，降低容器内工质的温度，从而降低储液器的工作温度，并非所有的工况都能接受这个影响的。解决方案之一是在容器外部或内部加装加热器，以维持储液器温度，即系统的工作温度的稳定，但这样能耗较高，而且增加了控温系统这一复杂性。

如图5所示，为进一步减少过冷液体与储液器30内部工质的换热，我们将系统中的回热器引入压力容器内部，并通过该回热器把过冷工质加热至饱和温度，同时维持储液器内部工质工作温度稳定。仅有过冷液体细管31从进入容器至回热器这一段与容器内工质有热交换，从而限制其换热量，其余与容器内工质有接触的管道温度与系统工作温度一致，在具备注入汽泡功能的同时，可保持系统稳定而不对机械泵1’造成汽蚀。即来自蒸发器2’的两相流体不仅与容器内的工质流体换热，而且与来自冷凝换热器3’的过冷液体换热，但所述过冷液体与容器内所述工质只有少量换热，从而达到分别加过冷工质流体和维持储液器温度稳定的目的。

该储液器30的外部结构特征是：至少有四条管道接入压力容器，其中两条较细，细管(液体管31)内流动冷液工质，与容器相通的开口设在流出液体的细管上；而另外两条明显较粗，粗管(套管32)内流动两相工质；如果容器上还接有其他的管，它们都是非功能性的，如用于连接象爆破阀这样的安全保护器件或压力传感器等。

实施例4

如图6所示，本发明又一实施例的储液器40，对于应用在过冷度大或流量大的两相回路散热系统中，上述实施例3中的套管式换热器的换热量不够或压力损失太大，可将其替换为板式换热器41，而本实施例的储液器40的其他结构组成与上述实施例3中的储液器30相同。此外，从回热器出来的细管42上开有另一微孔(第二开口延伸小管)43，所述微孔处于汽泡注入小孔的上游。优选地，从回热出来的两相管(粗管)44外壁焊接散热翅片。

实施例5

如图7所示，本发明又一实施例的储液器50，压力容器内部具有板式回热换热器51，其在两相回路散热系统中，由于储液器50处于泵的下游，储液器50的出口直接与蒸发器的入口相连，容易造成储液器50与回路的强耦合，因此，在储液器50与蒸发器之间安装一单向阀(止回阀)52可有效地削弱两者之间的耦合；可选地，这个单向阀52可集成在储液器50的内部；而本实施例的储液器50的其他结构组成与上述实施例4中的储液器40相同。视其他应用要求，还可以在储液器壁面、细管道的进口或出口处安加热器。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，故凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种应用于汽-液两相流体循环散热回路的、具备汽泡注入功能的储液器，其特征在于：所述储液器为一压力容器，容器内部至少有一根管道穿过，且该管道在所述容器内部至少开有一个小口，所述小口开在离容器底部有一定距离的高度，或通过另一小管道把开口延伸至容器内部的一定高度，储液器内部的管道一端接泵的出口，另一端接蒸发器的入口；在所述管道内流过的为饱和液体的条件下，所述储液器可通过穿过其内部管道的开口向管道注入汽泡。

2.根据权利要求1所述的储液器，其特征在于：在所述容器内的所述管道靠近液体入口处开有另一个口径极小的口，并通过另一小管道延伸至所述储液器内部液体处。

3.根据权利要求2所述的储液器，其特征在于：有另一条较粗的管道通过所述压力容器内部，所述粗管入口接蒸发器出口，所述粗管出口接冷凝器热侧入口。

4.根据权利要求3所述的储液器，其特征在于：所述容器内的粗细两管道之间安装有可提供过冷液体、汽-液两相流体和储液器工质三方换热的回热器。

5.根据权利要求4所述的储液器，其特征在于：安装在压力容器内部的回热器为套管式换热器或逆流板式换热器；来自蒸发器的汽-液两相流体工质从该套管内或板式换热器中流过，与所述来自泵的过冷液体以及压力容器内工质换热。

6.根据权利要求4所述的储液器，其特征在于：所述压力容器内细管道的两个开口均开在回热器出口之后，其中一个开口位于离所述储液器底部有一定距离高度处，或通过小管延伸至离底部有一定距离之高处。

7.根据权利要求6所述的储液器，其特征在于：在容器内部流向蒸发器入口的液体细管道出口处连接一个单向阀。

8.根据权利要求1-7中任一权利要求所述的储液器，其特征在于：对于在微重力下的应用，以上所有储液器的汽泡注入口(所述细管开口)应开在储液器的汽相区域，或通过另一小管把所述开口引伸到汽相区域处。

9.一种两相回路散热系统，其特征在于其包括：用于驱动工质循环的机械泵；用于收集废热的蒸发器；用于向系统外排热的冷凝换热器以及储液器；该储液器为上述权利要求1-7中任一权利要求所述的储液器，在一定条件下，其可通过穿过其内部管道的开口向蒸发器注入汽泡；并通过汽-液两相流体管道与所述的储液器换热而自适应地调节系统的工作点。

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