CN103562666A - 热传递系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种热传递系统(34)，包括毛细管泵送的二相主流体环路(40)和毛细管泵送的二相次流体环路(50)，其适于冷却至少一个热源(6)，该主流体环路(40)和该次流体环路(50)包括蒸发器(404，504)、蒸发管(412，512)，其可以将处于气态的冷却流体从蒸发器(404，504)传输到冷凝器(408，508)，冷凝器(408，508)和液体管(418，518)，其可以将处于液态的冷却流体从该冷凝器(408，508)传输到该蒸发器(404，505)；其特征在于，该主流体环路(40)的冷却流体处于与该次流体环路(50)的冷却流体进行的热交换中。

Description

热传递系统
技术领域
本发明涉及一种热传递系统，其包括至少两个毛细管泵送的二相流体环路，该二相流体环路用于冷却至少一个热源。
背景技术
毛细管泵送的二相流体环路(通常因语言误用而被简单地称为“流体环路”)是一种系统，其通过使用毛细管来驱动压力，从热源向冷源传递热能量，并且(液-气)相变被用作传递能量的手段。
这种流体环路通常包括用于从热源提取热量的蒸发器以及将该热量返还到冷源的冷凝器。蒸发器和冷凝器通过被称为液体管的管子和被称为蒸汽管的管子相连接，在该液体管中，多半为液态的冷却流体在流体环路的冷部分中循环，并且在该蒸汽管中，多半为气态的同一冷却流体在其热部分中循环。各种管子为管元件的形式，通常由具有几毫米直径的金属制成(例如，由不锈钢或铝制成)。蒸发器包括含有毛细管结构的外壳，该毛细管结构提供通过毛细管作用泵送处于液态的冷却流体。
使用由至少两个用于冷却热源的流体环路构成的系统是公知的。两个流体环路的蒸发器都被定位在与热源的热交换中，相互隔开一定距离，该距离可以从几厘米到通常的一米之间变化。这种系统还可以包括多于两个的流体环路，尤其是两组流体环路。在一变体中，这种系统适于冷却一个或多个安置在不同位置的热源。
在该系统操作的第一模式中，要求将称为主流体环路的单个流体环路用于从热源移除热量，另一个流体环路被闲置，并且仅在该主流体环路发生故障时开启。该运行模式通常被称为流体环路的“冷冗余”。
然而，关于开启两个流体环路系统，当热源温度升高并且传递其热能时，有时两个流体环路都开启，即每一个接收一部分的热能。
在该系统操作的第二模式中，要求两个流体环路在同时操作，以便于从热源移除热量。该运行模式通常被称为流体环路的“热冗余”。
在许多情况下，关于开启两个流体环路系统，两个流体环路中仅有一个开启，另一个液体环路保持长期被闲置。这种操作方式限制了热能传递系统一半的热力性能。
为了解决二环路系统的这些控制难题，尤其从文献EP 2032440中可了解到，通过加热位于其外壳内的冷却流体，例如，通过加热器或使用热能力的被动系统，来降低或停止一个流体环路的传递能力和因此的热力性能。在这种情况下，流体环路的大约百分之几的热能的外壳的加热能就足以停止流体环路。
冷却液环路的外壳促进后者的启动，这也是公知的。这种冷却能够根据本领域技术状态通过使用基于佩尔蒂埃效应(Peltier effect)的冷却元件而获得。
但是，实施这些方案很复杂，因为要使用加热器和／或冷却器、温度传感器以及逻辑控制单元。而且，这些方案需要一定的加热能，其通常为几瓦特到几十瓦特，用于10到1000瓦特能量的流体环路。
发明内容
本发明的目的特别在于克服这些缺陷。
为此目的，本发明的主题是一种热传递系统，其包括至少一个由毛细管泵送的主二相流体环路以及由毛细管泵送的次二相流体环路；该主流体环路和该次流体环路适于冷却至少一个热源，该主流体环路和该次流体环路至少各包括：
-蒸发器，其适于在从所述热源恢复热量的同时蒸发冷却流体；
-蒸汽管，其能够将处于气态的冷却液从该蒸发器传输到冷凝器；
-冷凝器，其适于通过将热能传递到冷源来冷凝该冷却流体；以及
-液体管，其能够将处于液态的该冷却流体从该冷凝器传递到该蒸发器；
其特征在于，该主流体环路的冷却流体处于与该次流体环路的液态的冷却流体进行的热交换中。
有利的是，本发明被动地促进停止处于冷冗余的流体环路，或者同时启动和平衡处于热冗余的几个流体环路的操作。因此，本发明有利地提出了通过由其他流体环路提供的干扰来更改流体环路的操作。
根据具体实施例，该热传递系统包括一个或多个如下特征：
-该主流体环路的处于气态的冷却流体处于与该次流体环路的处于液态的冷却流体进行的热交换中，
-被包含在该主流体环路的蒸汽管中的冷却流体处于与包含在该次流体环路的蒸发器中的冷却流体进行的热交换中，
-次流体环路的蒸发器包括储液器，包含在主流体环路的蒸汽管中的冷却流体处于与包含在次流体环路的所述储液器中的冷却流体进行的热交换中，
-包含在主流体环路的蒸汽管中的冷却流体处于与包含在次流体环路的液体管中的冷却流体进行的热交换中，
-包含在主流体环路的蒸汽管中的冷却流体处于与包含在次流体环路的冷凝器中的冷却流体进行的热交换中，
-主流体环路的处于液态的冷却流体处于与次流体环路的处于液态的冷却流体进行的热交换中，
-次流体环路的蒸发器包括储液器，包含在主流体环路的液体管中的冷却流体处于与包含在次流体环路的储液器中的冷却流体进行的热交换中，
-包含在主流体环路的液体管中的冷却流体处于与包含在次流体环路的液体管中的冷却流体进行的热交换中，
-包含在主流体环路的液体管中的冷却流体处于与包含在次流体环路的冷凝器中的冷却流体进行的热交换中，
-所述热交换通过主流体环路的一部分和次流体环路的一部分之间的直接或间接的接触来实现，
-主流体环路和次流体环路适于冷却同一热源。
附图说明
参见如下附图，阅读借助于实例非限制性给出的以下描述，将会更好地理解本发明，附图中：
-图1是根据本发明的热传递系统的毛细管泵送的二相流体环路的横截面的部分俯视图；
-图2是根据本发明第一实施例的热传递系统的横截面的部分俯视图，其操作处于称为“冷冗余”运行模式中；以及
-图3是根据本发明第二实施例的热传递系统的横截面的部分俯视图，其操作在称为“热冗余”运行模式中。
具体实施方式
本说明书中的术语“下游”和“上游”是相对于环路中流体流动的大致方向确定的。
参见图1，根据本发明热传递系统的毛细管泵送的二相流体环路2包括蒸发器4和冷凝器8，蒸发器4从将被冷却的热源6中提取热量，冷凝器8将该热量返还到冷源10中。例如，该热源是置于机器上的散热电子设备中的物项。例如，该冷源是放置在该机器外表面上的散热器。
流体环路2还包括将蒸发器4的出口14连接到冷凝器8的入口16的蒸汽管12，以及将冷凝器8的出口20连接到蒸发器4的入口22的液体管18。
蒸汽管12可以包括一个或多个旁路分支(未在图中示出)。同样地，液体管18可以包括一个或多个旁路分支和／或填充管17，流体环路一般地借助于该填充管17填充。
流体环路2包含例如由分子式为NH3的氨构成的冷却流体。
蒸发器4包括含有毛细管结构26的外壳24，该毛细管结构通过毛细管作用执行泵送处于液态的冷却流体。外壳28的第一部分(下文中称为储液器28)保存有处于液态的冷却流体，并且外壳30的第二部分含有处于气态的冷却流体，该毛细管结构26被安置在外壳24中以便于分离后者。储液器28通过蒸发器的入口22与液体管18相连。储液器30的第二部分通过蒸发器的出口14与蒸汽管12相连。
储液器28包含通过流体环路的液体管18到达的处于液态的冷却流体，该冷却流体有利地吸收至少一部分的毛细管结构26。根据本领域现有技术状态(参见专利FR2919923)，存在有实施例：毛细管结构被延伸进入液态管，使得将外壳和液体管的功能整合成为可能。
蒸发器4能够通过蒸发在流体环路2中循环的冷却流体来吸收从热源6提取的热量。尤其是，在热通量的效应下，该热通量有利地通过促进热交换的中间结构32被传递到所述毛细管结构26，处于液态的冷却流体在所述毛细管结构26中蒸发。因此，毛细管结构26允许毛细管泵送包含在外壳28内的冷却流体。离开蒸发器4的处于气态的冷却流体通过蒸汽管12被传递到冷凝器8(沿着箭头F1循环)。冷凝器8能够通过对冷却流体的冷凝来返还和移除热量至冷源10。然后，通过液体管18并沿着冷凝器8的下游，处于液态的冷却流体返回到蒸发器4中以便于因此形成热传递流体环路2。
在本申请中，流体环路2的“冷部分”将表示一组元件，在该组元件中冷却流体主要以液体状态循环，即，当流体环路2在运转时，其温度低于位于蒸汽管12内的冷却流体的温度。尤其是，该冷部分包括冷凝器8、储液器28、液体管18以及诸如填充管17的该管的任一分支。
在本申请中，流体环路2的“热部分”表示一组管元件，在该组管元件中冷却流体主要以气体状态循环，当流体环路2在运转时，其温度高于位于冷部分的流体的温度。尤其是，该热部分包括蒸发管12以及该管的任一旁路分支。
参见图2，根据本发明第一实施例的热传递系统34包括主流体环路40以及适于冷却如图2的矩形所示的同一热源6的次流体环路50，其通过将热量传递到一个或多个如图2标为10的矩形所示的冷源。在图2所示的实施例中，热传递系统34根据称为“冷冗余”的运行模式来运行。
主流体环路40和次流体环路50包括与如图1所示的流体环路2相似的技术元件。这些技术元件将不再被描述第二次。当它们属于主流体环路40时，以如在图1中相同的参考号之前加上数字4来表示，当它们属于次流体环路50时，以如图1中相同的参考号之前加上数字5来表示。
当热传递系统34根据称为“冷冗余”的运行模式而运行时，主流体环路40的处于气态的冷却流体处于与次流体环路50的处于液态的冷却液进行的热交换中。
例如，在图2所示的热传递系统34中，包含在主流体环路40的蒸汽管412中的冷却流体处于与包含在次流体环路50的储液器528中的冷却流体进行的热交换中，其中次流体环路50包含处于液态的冷却流体。
该热交换有利地通过由围绕储液器528的蒸汽管412的盘管413的直接热接触来形成，如图2所示。
该实施例的优点在于，两个流体环路40和60之间的热交换可以被很简单地实施，不需要附加元件，并且与两个流体环路的蒸发器404、504之间的距离无关。通常该距离能达到最大一米。
在一变体中，该热交换通过间接热接触形成，例如，通过附连热传导板，其将蒸汽管412连接到储液器528。
在一变体中，热交换也能被间接地执行，通过例如连接所述蒸汽管412到储液器528的热编织物或热量管的中间设备，或者通过辐射或者本领域技术人员所知的任何其他设备，以便促进两部分之间的热交换。
在一变体中，包含在主流体环路40的蒸汽管412中的冷却流体处于与包含在次流体环路50的冷部分的至少一个元件中的冷却流体进行的热交换中，这些元件例如包括任一旁路支路的液体管518，蒸发器504和冷凝器508。在储液器较小的情形中或当储液器功能与液体管相整合时，该变体尤其有利。
在一变体中，热交换在包含在蒸汽管412的旁路支路以及次流体环路50的冷部分的元件之间被执行，如前文所述。
在一变体中，主流体环路40的蒸汽管412与靠近储液器528的液体管518的一部分进行热交换。例如，液体管的该部分延伸一米的距离。
一旦主流体环路40开启，主流体环路40的蒸汽管412中处于气态的冷却流体的循环加热次流体环路50的储液器528，并且因此停止其启动。
当主流体环路40发生故障时，由热源6所产生的热量将不再由气态的后者传输，只以传导的形式，通过蒸汽管412本身传输。然而，该蒸汽管412的热传导率非常低，通常为20.10-6W／K／m。主流体环路40的蒸汽管412的温度将降低，这将具有释放次流体环路50的开启的效果，尤其是后者将接收由于停止来自于主流体环路40的热传递而来源于热源6的越来越增加的大量热通量。
参见图3，根据本发明第二实施例的热传递系统36包括主流体环路60和次流体环路70，通过将热量传递到图3中以10表示的矩形所示的一个或多个冷源，其适于冷却如图3的虚线所示的相同热源6。在如图3所示的实施例中，该热传递系统36根据称为“热冗余”的运行模式而运行。
主流体环路60和次流体环路70包括如图1所示的与流体环路2相同的技术元件。它们将不会被再次描述。当这些技术元件属于主流体环路60时，它们将被标注为图1同样的序号之前加上数字6，并且当它们属于次流体环路70时，它们将被标注为图1同样的序号之前加上7。
在根据称为“热冗余”的运行模式运行的第二实施例中，主流体环路60的冷却流体处于与次流体环路70的处于液态的冷却流体进行的热交换中。
例如在图3中，通过盘管619，包含在主流体环路60的液体管618中的冷却流体处于与包含在次流体环路70的储液器728中的冷却流体进行的热交换中。此外，通过盘管719，包含在次流体环路70的储液器728中的冷却流体处于与包含在主流体环路60的储液器628中的冷却流体进行的热交换中。
热交换可以通过例如前面所提到的任何装置直接地或间接地执行。
在一变体中，优选地来自于包括该管的任一分支、储液器628以及冷凝器608的液体管618并且包含在主流体环路60的冷部分的至少一个元件中的冷却流体处于，与优选地来自于包括该管的任一旁支分支、储液器728以及冷凝器708并且包含在次流体环路70的冷部分的至少一个元件中的冷却流体进行的热交换中。
在一变体中，主流体环路60的蒸汽管612处于与靠近储液器728的液体管的一部分进行的热交换中。例如，液体管的这部分延伸到一米。
液体管618和718带来处于液态的冷却液，其来自于温度显著低于靠近蒸发器604、704的流体环路的温度的冷凝器608和708。因此，由在每个储液器上的液体管618、718所形成的冷点促进了两个流体环路运行的开启与平衡，其每个通过其运行简单地促进了另一个。
在一变体中，热传递系统36包括多个、并且尤其是大于两个的二相流体环路。因此，可以想到在热冗余中运行三个流体环路，其中，三个流体环路中一个的液体管处于与另两个流体环路的冷部分的至少一个元件进行的热交换中，因而三个流体环路在热冗余中以平衡方式运行。
在一变体中，这种热传热传递系统36适于冷却放置在不同位置的多个热源，两个流体环路能够冷却两个不同的热源。

Claims (12)

1.热传递系统(34；36)，包括至少一个毛细管泵送的二相主流体环路(40；60)以及毛细管泵送的二相次流体环路(50；70)；该主流体环路(40；60)和该次流体管(50；70)适于冷却至少一个热源(6)，该主流体环路(40；60)和该次流体环路(50；70)各至少包括：
-蒸发器(404，504；604，704)，其适于通过从所述热源(6)恢复的热量来蒸发冷却流体；
-蒸汽管(412，512；612，712)，其能够将处于气态的该冷却流体从该蒸发器(404，504；604，704)传递到冷凝器(408，508；608，708)；
-冷凝器(408，508；608，708)，其适于通过将热能传递到冷源(10)来冷凝该冷却流体；以及
-液体管(418，518；618，718)，其能够将处于液态的该冷却流体从该冷凝器(408，508；608，708)传递到该蒸发器(404，504；604，704)；
其特征在于，该主流体环路(40；60)的该冷却流体处于与该次流体环路(50；70)的处于液态的该冷却流体进行的热交换中。
2.根据权利要求1所述的热传递系统(34)，其特征在于，该主流体环路(40)的处于气态的该冷却流体处于与该次流体环路(50)的处于液态的该冷却流体进行的热交换中。
3.根据权利要求1和2中任一项所述的热传递系统(34)，其特征在于，包含在该主流体环路(40)的该蒸汽管(412)中的该冷却流体处于与包含在该次流体环路(50)的该蒸发器(504)中的该冷却流体进行的热交换中。
4.根据权利要求1和2中任一项所述的热传递系统(34)，其特征在于，该次流体环路(50)的该蒸发器(504)包括储液器(528)，并且包含在该主流体环路(40)的该蒸汽管(412)中的该冷却流体处于与包含在该次流体环路(50)的所述储液器(528)中的该冷却流体进行的热交换中。
5.根据权利要求1和2中任一项所述的热传递系统(34)，其特征在于，包含在该主流体环路(40)的该蒸汽管(412)中的该冷却流体处于与包含在该次流体环路(50)的该液体管(518)中的该冷却流体进行的热交换中。
6.根据权利要求1和2中任一项所述的热传递系统(34)，其特征在于，包含在主流体环路(40)的该蒸发管(412)中的该冷却流体处于与包含在该次流体环路(50)的该冷凝器(508)中的该冷却流体进行的热交换中。
7.根据权利要求1所述的热传递系统(36)，其特征在于，该主流体环路(60)的处于液态的该冷却流体处于与该第二流体环路(70)的处于液态的该冷却流体进行的热交换中。
8.根据权利要求1和7中任一项所述的热传递系统(36)，其特征在于，该次流体环路(70)的该蒸发器(704)包括储液器(728)，并且包含在该主流体环路(60)的该液体管(618)中的该冷却流体处于与包含在该次流体环路(70)的该储液器(728)中的该冷却流体进行的热交换中。
9.根据权利要求1和7中任一项所述的热传递系统(36)，其特征在于，包含在该主流体环路(60)的该液体管(618)中的该冷却流体处于与包含在该次流体环路(70)的该液体管(718)中的该冷却流体进行的热交换中。
10.根据权利要求1和7中任一项所述的热传递系统(36)，其特征在于，包含在该主流体环路(60)的该液体管(618)中的该冷却流体处于与包含在该次流体环路(70)的该冷凝器(708)中的该冷却流体进行的热交换中。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的热传递系统(36)，其特征在于，所述热交换通过该主流体环路(40；60)的一部分和该次流体环路(50；70)的一部分之间的直接或间接接触而实现。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的热传递系统(34；36)，其特征在于，该主流体环路(40；60)和该次流体环路(50；70)适于冷却同一热源(6)。
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