CN103939342A - 一种两相流制冷系统用滑片式工质泵 - Google Patents

Abstract

一种两相流制冷系统用滑片式工质泵，包括依次串联的进气盖、轴承座、联轴器接体、转子壳前压盖以及转子壳；轴承座与联轴器接体之间设有电机，转子壳内设置有泵体机芯，泵体机芯包括缸体以及设置在缸体内的转子轴；缸体上设置有吸气孔以及排气孔，转子轴通过设置在联轴器接体内的联轴器与电机的电机轴连接；转子轴的转子上设置有在转子周向上呈逆时针方向排列的若干滑片；在泵体机芯运行时，相邻滑片中的一个与吸气孔孔口相切，另一个与缸体的排气孔相接触，泵体机芯停止吸气过程开始排气过程。本发明能保证两相流系统在各种工况下稳定运行，节省了系统能耗，实现了不压缩工质，仅提供动力的功能，使两相流制冷系统得以实现。

Description

一种两相流制冷系统用滑片式工质泵

技术领域

本发明涉及一种适用于电子冷却两相流制冷系统的动力装置，特别涉及一种两相流制冷系统用滑片式工质泵。

背景技术

进入21世纪以来，电子技术得到迅猛发展。电子设备在功率越来越大的同时，体积也变得越来越小，不可避免的产生了高热流密度。高温将会对电子设备产生显著的不利影响。从1990年到2000年的时间里，微处理器的特征尺寸从0.35纳米减小到了0.18纳米。电子器件的高度集成、封装密度以及不断提高的工作频率使得电子器件的热流密度迅速升高。研究表明，电子设备的失效原因超过55％是由温度过高引起的(其余因素为灰尘6％，湿度19％，振动20％，而电子设备的运行实践表明，随着温度的增加，电子元器件的失效率呈指数增长，甚至于对于某些电子器件来说，环境温度每升高10℃，其失效率会增大至一倍以上。因此，电子设备的冷却就显得至关重要。两相流蒸发冷却技术属于间接液冷技术的范畴，是近年来电子设备冷却最新的发展方向。随着电子设备的功率进一步加大以及体积的进一步缩小，传统的冷却技术已经越来越难以满足当下的冷却要求。随着电子设备未来高发热量、高热流密度、复杂回路及高控温精度的发展趋势，两相流蒸发冷却系统为必然的发展趋势。

对于较小封装的电子设备，采用风冷技术，也就是强迫空气对流技术，空间问题就显得不够了。而水冷技术对于高功率的电子设备具有与生俱来的缺点。由于水的导电性，如果发生泄漏的话，会使电子设备发生灾难性的事故，甚至会引起生命危险。同时，由于传统水冷方式是利用显热来进行冷却，当水从一个冷板流过时，吸收了电子器件所产生的热量，导致水的温度上升，于是当它流过下一个冷板时，冷却效果相比于前一个就会有所下降。

两相流蒸发冷却技术则是一种新型的冷却技术。这对于大功率的电子设备冷却技术而言是一种革命性的创新，可以使电子设备在一半的空间内输出于两倍于原来的功率。

相比于传统的电子冷却技术，两相流蒸发冷却系统有着其不可比拟的优势。

1)安全性。

内部运行工质为不导电的制冷剂，其化学性质稳定且惰性，即使泄漏，也不会对电子器件和人身安全造成伤害。

2)高效性。

由于两相流蒸发冷却系统主要是利用制冷剂的潜热吸收热量，可以在很大程度上提高电子器件的热流密度。也就意味着在相同的热流密度的条件下，使用两相流蒸发冷却系统可以在更小的体积下提供更显著的制冷效果。更为具体的说，一个3L/min流量的水冷系统所能提供的散热量，仅仅使用0.05L/min的两相流冷却系统就可以达到。更小的流量也就意味着更小的体积。

3)自我优化型。

由于复杂多变的环境条件和工况需求，大部分情况下，电子器件的功率以及发热量并不是一个常量，这对于风冷或者水冷技术来说就是一个无法满足的要求。然而两相流蒸发冷却系统却可以通过沸腾更多或者更少的制冷剂来匹配随时变化的发热量。同时，由于蒸发器中工质处于两相状态，所以电子器件的温度将会保持在同一个数值，这也是其他冷却技术难以达到的效果。

从电子设备的发展趋势记忆国内外对两相流蒸发冷却系统的研究现状来看，两相流蒸发冷却系统的研究仍处于起步阶段。国外研究的方向仍然局限在国际空间太空站中的冷却需要，尚未普及到大功率的电子设备，而国内尚没有典型的由工质泵和制冷剂组成的循环回路。对两相流冷却技术制约的最大因素是缺少一个可以商业应用的工质泵。目前市场上尚无自主研发的可以输送液态制冷剂的工质泵。因此，两相流冷却系统用工质泵的开发具有很高的实用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种两相流制冷系统用滑片式工质泵，解决了两相流制冷系统在内部高工作压力且两相混输状态下提供运行动力的问题。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括依次串联的进气盖、轴承座、联轴器接体、转子壳前压盖以及转子壳；轴承座与联轴器接体之间设有电机，转子壳内设置有泵体机芯，泵体机芯包括缸体以及设置在缸体内的转子轴；缸体上设置有吸气孔以及排气孔，转子轴通过设置在联轴器接体内的联轴器与电机的电机轴连接在一起；转子轴的转子上设置有在转子周向上呈逆时针均匀排列的若干滑片；在泵体机芯运行时，相邻滑片中的一个与吸气孔孔口相切，另一个与缸体的排气孔相接触，泵体机芯停止吸气过程开始排气过程。

所述的缸体包括主壳体、设置在主壳体前端的前端盖以及设置在主壳体后端的后端盖；吸气孔为两个，且吸气孔开设在前端盖上；排气孔为两个，且排气孔沿转子轴的轴向开设在主壳体上。

所述的吸气孔和排气孔的横截面积相同。

所述的电机包括与轴承座和联轴器接体分别相连的电机壳，电机轴设置在电机壳内，且电机壳与电机轴之间设有电机定子和电机转子，电机转子套设在电机轴上。

所述的进气盖、轴承座、电机壳、联轴器接体、转子壳前压盖以及转子壳均是通过止口定位，法兰连接的。

所述的止口的外侧设置有密封槽，密封槽内安装有耐氟O型圈。

所述的电机定子与电机壳通过热抱死处理固定在一起，电机转子与电机轴通过定位键固定在一起。

所述的进气盖、轴承座、电机壳、联轴器接体、转子壳前压盖、转子壳以及泵体机芯均是采用ZL205A铝合金材料制成，电机定子采用耐氟漆包线绕制而成。

所述的联轴器采用耐氟材料制成的星型联轴器，电机轴通过耐氟材料制成的缓冲件与星型联轴器连接在一起。

所述的电机轴的一端通过轴承与轴承座连接，另一端与联轴器接体固定。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明在转子轴的转子上设置有若干滑片；在泵体机芯运行时，相邻滑片中的一个与吸气通道出口相切，另一个与缸体的排气孔相接触，泵体机芯停止吸气过程开始排气过程；因此，本发明吸排气始终没有被打通，即吸排气的过程不能同时进行，仅仅是连续的进行吸气与排气的过程，基本不压缩饱和液态制冷工质，实现在两相流制冷系统内部高工作压力且两相混输状态下提供运行动力目的。

本发明滑片式工质泵采用离心容积变化原理，滑片在离心作用下自由变化，不产生压力仅仅依靠容积挤压提供动力，滑片可以通过阻力变化自动调整离心程度，所以输送气液两相流工质并不对工质泵本身造成影响，无汽蚀现象。

本发明滑片式工质泵中泵体机芯的工作方向是唯一的，若干滑片在转子的周向上是呈逆时针方向排列的，且吸排气口的开启位置与运动规律密切相关，这是由工作原理决定，当滑片进行逆时针逆向运动时，会使工作容积变下，促进排液，减轻对系统产生伤害；当滑片进行顺时针运动时，吸气孔是突变的而排气孔是渐变的，且容积变化作用会大大减弱，排液困难，因此本发明的若干滑片必须以逆时针方向旋转工作。

本发明的滑片式工质泵采用半封闭机械结构。制冷工质从进气盖1进入泵体，通过电机壳四周的流道流经电机，与电机接触部分进行换热带走电机大量产热，实现电机的自冷却，从而提高电机效率，降低系统负载，减低功耗，节约系统能量。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明滑片式工质泵的装配图；

图2是本发明密封止口图；

图3是本发明滑片式工质泵的泵体机芯结构图；

图4是本发明泵体机芯的工作原理图；

图5是本发明泵体机芯的吸气孔结构图；

图6是本发明泵体机芯的排气孔结构图；

图7是本发明两滑片、转子外表面以及缸体内腔围成的基元横截面分析图；

图8本发明吸气口尺寸示意图；

图9是本发明滑片式工质泵的外观图；

其中，1、进气盖，2、轴承座，3、电机壳，4、联轴器接体，5、转子壳前压盖，6、转子壳，7、电机定子，8、电机转子，9、电机轴，10、星型联轴器，11、缓冲件，12、转子轴，13、泵体机芯，14、耐氟O型圈，15、第一滑片，16第二滑片，17、吸气孔，18、排气孔，19、基元容积，20、第三滑片，21、第一支座，22、第二支座。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

参见图1和图9，本发明包括依次串联的进气盖1、轴承座2、电机壳3、联轴器接体4、转子壳前压盖5以及转子壳6，进气盖1、轴承座2、电机壳3、联轴器接体4、转子壳前压盖5以及转子壳6相邻之间均是通过止口定位，法兰连接在一起的，且止口内设置有用于密封的耐氟O型圈14，止口外侧设置有密封槽，密封槽内安装有耐氟O型圈14。进气盖1、轴承座2、电机壳3、联轴器接体4、转子壳前压盖5以及转子壳6之间由耐氟O型圈14通过槽密封结构依次串联，并用M8螺栓将法兰定位紧固(参见图2)。电机壳3内设置有电机轴9，电机轴9通过轴承安装在轴承座2上，电机壳3与电机轴9之间依次设有电机定子7和电机转子8，电机定子7与电机壳3通过热抱死处理固定在一起，电机转子8套设在电机轴9上，电机轴3与电机转子8通过定位键固定连接。转子壳6内设置有泵体机芯13，且泵体机芯13通过过盈配合安装在转子壳6内，泵体机芯13通过转子壳前压盖5内部凹台定位到转子壳6上。泵体机芯13包括缸体以及设置在缸体内的转子轴12；缸体由主壳体、设置在主壳体前端的前端盖以及设置在主壳体后端的后端盖组成；且前端盖上设置有两个不规则的吸气孔17(参见图5)，并且保证呈对称开启状态，排气孔18沿转子轴12的轴向开设在主壳体上(参见图6)，每个吸气孔17与排气孔的横截面积相同。转子轴12通过设置在联轴器接体4内的星型联轴器10与电机轴9连接在一起。转子轴12的转子上设置有在转子周向上呈逆时针方向排列的五个滑片(如图3所示)；在泵体机芯13运行时，相邻滑片中的一个与吸气孔17孔口相切，另一个与缸体的排气孔18相接触，泵体机芯停止吸气过程开始排气过程。另外，在转子壳前压盖5上设置有第一支座21，在进气盖1上设置有第二支座22。

如图4所示，A为第一滑片15与吸气孔17边界相切点，B为第二滑片16与转子壳6接触面。且B点对应着排气孔18的外边界，当第三滑片20由图4中位置运动到第一滑片15的位置时，第一滑片15由图4中位置运动到第二滑片16的位置，对于基元容积19只要滑片没有与A点重合，那么基元容积19还是与进气口17相连接进行吸气过程，而第二滑片16没有运动到B点就不会进行排气过程。当基元容积变化到如图4所示位置时，下一时刻滑片式工质泵停止吸气进行排气过程，吸排气始终没有被打通，仅仅是连续的吸气与排气过程，基本不压缩饱和液态制冷工质，实现提供运行动力的作用，上下两侧工作腔同时工作，因此可以提供较大的流量，转速高时流量更加显著。

本发明滑片式工质泵的基元是由相邻两滑片、两滑片之间的缸体内腔表面和转子外表面，以及缸体两端盖围成的空间。参见图7，以构成基元两滑片中前滑片(以转子转动方向为准)的位置角表示该基元的位置，基元前后滑片位置角之差反映该基元所占范围的大小，基元前后滑片位置角之差称为该基元的基元角度。

设在J₁Q₁处为某时刻一滑片中心线所在位置，记为位置一；j₂Q₂处为此时刻该滑片的前一滑片中心线所在位置，记为位置二。其中，J₁为位置一时滑片中心线与缸体内腔型线的交点，Q₁为位置一时滑片中心线与转子所在的半径为r圆的交点，J₂为位置2时滑片中心线与缸体内腔型线的交点，Q₂为位置二时滑片中心线与转子所在的半径为r圆的交点，则在图7上两滑片中心线、转子和缸体内腔围成面积由于滑片在转子周向上均匀分布，工作过程中，每个滑片的运动规律均相同，所以可认为面积是任一滑片由位置一运动到位置二所得到的，O为圆心，X为横坐标。

为了使计算方便，对滑片在两位置处的参数定义如下：

位置一时：转子转角:缸体型线极角：∠XOP₁＝θ₁，叶片位移：

位置二时：转子转角：缸体型线极角：∠XOP₂＝θ₂，叶片位移：

由五个滑片均匀分布于圆周可知∠Q₁OQ₂＝72°，则由几何关系，可知：

其中：e为叶片偏距。

那么，基元面积S_J：其中，SX为滑片的横截面积。下面分别计算和S_Y

$S_Y=\frac{1}{2}b(s_1+s_2)$

$S_{J_1{Q}_1{Q}_2{J}_2}=S_{{\mathrm{OJ}}_1{J}_2}-S_{{\mathrm{OJ}}_2{Q}_2}+S_{{\mathrm{OJ}}_1{Q}_1}-S_{{\mathrm{OQ}}_1{Q}_2}$

其中：b为叶片的厚度：

$S_{{\mathrm{OJ}}_2{Q}_2}=\frac{1}{2}{s}_{2}e;S_{{\mathrm{OJ}}_1{Q}_1}=\frac{1}{2}{s}_{1}e;S_{{\mathrm{OQ}}_1{Q}_2}=\frac{1}{5}$

由θ与的几何关系，可得

将代入的计算公式中去：

其中上式中的可由型线对应的滑片的位移和速度的方程得到。通过对特定型线方程的计算可以得到最大面基元面积所对应的转子转角由此可得最佳吸气孔口设计角度

参见图8，通过将吸气孔口开至可以保证滑片式工质泵吸气达到最大，有效地利用腔体容积使得工质泵输出流量达到最优。

传统泵输送接近饱和蒸汽压的制冷剂时，如果泵中存在某处压力小于制冷剂饱和蒸汽压，液体就会在此处气化，形成大量小气泡，当气泡随着液体流到压力较高处时，气泡凝结溃灭形成空穴，周围液体以极高的速度像空穴内冲击，局部压力骤然剧增，阻碍液体正常流动并对泵自身造成伤害。本发明滑片式工质泵采用离心容积变化原理，滑片在离心作用下自由变化，不产生压力仅仅依靠容积挤压提供动力，滑片可以通过阻力变化自动调整离心程度，所以输送气液两相流工质并不对工质泵本身造成影响，无汽蚀现象。

本发明滑片式工质泵中的转子轴12没有偏心，两工作容积对称，排气孔对称，几何尺寸完全对称，因此工作时平稳，振动小，噪声低。

尽管制冷工质化学性质稳定，但是仍应确保工质泵中得所有零件在浸于制冷剂中不会发生溶解、形变或化学反应等。为了使本发明滑片工质泵进一步具有良好的耐氟性，本发明滑片式工质泵的进气盖1、轴承座2、电机壳3、联轴器接体4、转子壳前压盖5、转子壳6以及泵体机芯13均采用高强度的ZL205A铝合金材料制成，使之不与任何常用工质反应；电机定子7采用耐氟漆包线绕制而成，使得电机定子7的化学性质稳定绝缘性良好；星型联轴器采用耐氟材料制成，轴向调节良好不与常用制冷剂反应，不变形，不腐蚀；在电机轴9与星型联轴器10之间还设置有由耐氟材料制成的缓冲件11，同样具有抗腐蚀的作用。

电子器件的温度要求通常为控制在60℃左右，常用制冷剂如R134a等在此温度范围内的饱和蒸发压力可达2MPa左右。本发明滑片式工质泵采用耐氟O型圈密封(如图2所示)高压从止口内部冲击O型圈内壁，在一定空间内O型圈强迫变形使得相邻两接触面高效密封，而且随压力增高密封效果增强，保证了滑片式工质泵的强密封特性。另外，采用的密封圈为耐氟O型圈，材料为氟橡胶，形变量大，化学性质稳定，耐腐蚀，耐高压。

本发明的滑片式工质泵采用半封闭机械结构。制冷工质从进气盖1进入泵体，通过电机壳3四周的流道流经电机，与电机接触部分进行换热带走电机大量产热，实现电机的自冷却，从而提高电机效率，降低系统负载，减低功耗，节约系统能量；从电机流过的制冷工质经机芯进气盖上开设的吸气孔17进入泵体机芯13内，然后通过排气孔18排出后从转子壳6流出；因此，本发明滑片式工质泵为半封闭机械结构。

本发明滑片式工质泵的半封结构灵活多变。如图1所示，本工质泵采用耐氟O型圈密封，各部分主体通过止口配合完成组装，各自保持着相当高的拆装自由度，利于维修与改装。其中电机壳3部分的尺寸由系统负载直接决定，对于系统负载更小的系统其尺寸可以更加精简，泵体结构也可以相应更加紧凑，所以泵体本身十分灵活多变。

本发明滑片式工质泵能够具有无油自润滑性。泵体机芯中的滑片可以采用多种材料，适应各种特需的制冷工质，与一般工质泵相比，滑片式工质泵可以采用聚四氟乙烯等材料实现自我润滑，因此可以保证系统无油，提高制冷工质的品质，并且即便采用铝合金等金属材质，由于其工作原理是通过离心作用自然运动，摩擦阻力较小，也无需添加润滑油质在系统中。因此，此滑片式工质泵可以实现两相流制冷系统的无油润滑。

本发明滑片式工质泵流量大，负载小。本发明中的泵体机芯13整体尺寸大约为一个底面直径88mm，90mm的圆柱体。尺寸小巧，结构紧凑，除壁厚外均为工作腔，结构利用率高，同时工作容积对称，双侧排液，在高转速下流量十分可观。工质泵运转过程中除系统阻力外主要克服运动阻力和摩擦阻力，但是考虑到本身体积小巧同同类泵体相比阻力必然小很多，工作腔内壁光滑摩擦阻力很小，因此负载低，节能明显。

本发明在泵体机芯的机芯进气盖处根据滑片的运动规律配合开启两个不规则的进气孔17，并且保证对称开启；排气孔18在泵体机芯的缸体侧面上开启，排气孔应为细长形，在保证与进气孔横截面积相同的条件下，延转子轴轴向方向尽量延长，保证与滑片运动时的线接触面积足够大；各滑片离心端比对转子轴的粗轴圆形边界进行线切割处理，保证滑片在运动时与转子壳内壁面接触面积尽量小，减小摩擦；滑片的材料选取应配合对应系统工质，实现自润滑特性。本发明满足了任意工质两相流制冷系统的需要，可以在高压下实现两相流制冷系统的气液混输，无油润滑以及流量匹配调节。

本发滑片式工质泵适用于各种工质下的两相流制冷系统，可以在较高的工作压力下提供较高的质量流量以保证两相流系统的在各种工况下稳定运行，同时利用工质自我冷却设计保证电机可以更加稳定高效的带动负载正常运转，从一定程度上节省系统能耗。本发明将系统负荷相匹配的电机和泵体机芯通过半封闭结构组合成整体，内部通过耐氟材料制成的星型联轴器将电机轴9与泵体机芯的转子轴12相连接，外壳采用高强度铝合金配合密封结构封装成一体，系统运转时，内部导流结构可以保证工质以紊流状态通过电机强化传热，进而流经滑片工质泵通过其容积变化的工作原理甩出泵体，达到运输工质的目的。本发明的创新点在于利用滑片的离心作用变化泵腔容积，结合滑片的运动规律合理布置吸排气孔口位置，实现了不压缩工质，仅提供动力的功能，使两相流制冷系统得以实现。作为两相流系统的心脏，本工质泵在体积上更加小巧，对称运转使泵的运行更加平稳，噪声更小，使用灵活度更高。

Claims (10)

1.一种两相流制冷系统用滑片式工质泵，其特征在于：包括依次串联的进气盖(1)、轴承座(2)、联轴器接体(4)、转子壳前压盖(5)以及转子壳(6)；轴承座(2)与联轴器接体(4)之间设有电机，转子壳(6)内设置有泵体机芯(13)，泵体机芯(13)包括缸体以及设置在缸体内的转子轴(12)；缸体上设置有吸气孔(17)以及排气孔(18)，转子轴(12)通过设置在联轴器接体(4)内的联轴器与电机的电机轴(9)连接在一起；转子轴(12)的转子上设置有在转子周向上呈逆时针均匀排列的若干滑片；在泵体机芯(13)运行时，相邻滑片中的一个与吸气孔(17)孔口相切，另一个与缸体的排气孔(18)相接触，泵体机芯停止吸气过程开始排气过程。

2.根据权利要求1所述的两相流制冷系统用滑片式工质泵，其特征在于：所述的缸体包括主壳体、设置在主壳体前端的前端盖以及设置在主壳体后端的后端盖；吸气孔(17)为两个，且吸气孔(17)开设在前端盖上；排气孔(18)为两个，且排气孔(18)沿转子轴(12)的轴向开设在主壳体上。

3.根据权利要求1或2所述的两相流制冷系统用滑片式工质泵，其特征在于：所述的吸气孔(17)和排气孔(18)的横截面积相同。

4.根据权利要求1所述的两相流制冷系统用滑片式工质泵，其特征在于：所述的电机包括与轴承座(2)和联轴器接体(4)分别相连的电机壳(3)，电机轴(9)设置在电机壳(3)内，且电机壳(3)与电机轴(9)之间设有电机定子(7)和电机转子(8)，电机转子(8)套设在电机轴(9)上。

5.根据权利要求4所述的两相流制冷系统用滑片式工质泵，其特征在于：所述的进气盖(1)、轴承座(2)、电机壳(3)、联轴器接体(4)、转子壳前压盖(5)以及转子壳(6)均是通过止口定位，法兰连接的。

6.根据权利要求5所述的两相流制冷系统用滑片式工质泵，其特征在于：所述的止口的外侧设置有密封槽，密封槽内安装有耐氟O型圈(14)。

7.根据权利要求4所述的两相流制冷系统用滑片式工质泵，其特征在于：所述的电机定子(7)与电机壳(3)通过热抱死处理固定在一起，电机转子(8)与电机轴(9)通过定位键固定在一起。

8.根据权利要求4所述的两相流制冷系统用滑片式工质泵，其特征在于：所述的进气盖(1)、轴承座(2)、电机壳(3)、联轴器接体(4)、转子壳前压盖(5)、转子壳(6)以及泵体机芯(13)均是采用ZL205A铝合金材料制成，电机定子(7)采用耐氟漆包线绕制而成。

9.根据权利要求1或4所述的两相流制冷系统用滑片式工质泵，其特征在于：所述的联轴器采用耐氟材料制成的星型联轴器(10)，电机轴(9)通过耐氟材料制成的缓冲件与星型联轴器(10)连接在一起。

10.根据权利要求1或4所述的两相流制冷系统用滑片式工质泵，其特征在于：所述的电机轴(9)的一端通过轴承与轴承座(2)连接，另一端与联轴器接体(4)固定。