CN104094073B - 毛细驱动的传热装置 - Google Patents

Abstract

毛细驱动的传热装置，其适于通过双相向工作流体，从热源(11)处提取热量，并将该热量释放到冷源(12)，所述传热装置包括蒸发器(1)，冷凝器(2)，蓄水池(3)，蒸汽交流回路(4)和液体交流回路(5)。所述蒸发器(1)具有微孔块(10)，所述微孔块(10)适于执行液态流体的毛细泵送，所述蓄水池(3)具有内腔和入口和/或出口端口(31；31a，31b)，所述蒸汽交流回路(4)将所述蒸发器的出口连接至所述冷凝器的入口，其特征在于，其包括止回装置(6)，其设置在所述蓄水池的所述内腔(30)和所述蒸发器的所述微孔块(10)之间，并设置成防止流体在液态时回流至所述蓄水池的内腔。

Description

毛细驱动的传热装置

技术领域

本发明涉及毛细驱动的传热装置，特别涉及双相流体循环被动装置。

背景技术

从文件FR-A-2949642可知，这样的装置被用作为冷却电能转换器的设备。

然而，在存在高热功率水平的情况下，出现启动阶段特别遭受多个问题，可能发生毛细芯的干燥，导致启动的失败。

因此，显得需要增加启动的可靠性和该循环的操作性。

发明内容

为达到这个目的，本发明涉及毛细驱动的传热装置，其适于通过包含在普通封闭回路中的双相工作流体，从热源处提取热量，并将该热量释放到冷源，该装置包括：

-至少一个蒸发器，其具有入口和出口，以及微孔块，所述微孔块适于执行液态流体的毛细泵送，

-至少一个冷凝器，其具有入口和出口，

-蓄水池，其具有内腔和至少一个入口和/或出口端口，

-第一交流回路，流体主要为气态，其将蒸发器的出口连接至冷凝器的入口，

-第二交流回路，流体主要为液体，其将冷凝器的出口连接至蓄水池和蒸发器的入口，

其特征在于，它包括止回装置，该装置安装在蓄水池的内腔和蒸发器的微孔块之间，并布置成防止蒸发器中的液体回流至蓄水池的内腔，所述装置主要在重力的影响下，止回装置包括浮子，其通过浮力返回推至关闭状态中的位子。

多亏这些装置，防止流体从蒸发器向蓄水池回流。用这种方法，在强热力负荷下的启动更加可靠。另外，浮子可以使气泡通过以避免气封的形成；进一步地，止回装置简单并可靠，并能够使蒸气或气泡通过。

在本发明的各种实施例中，以下的一个和/或其它安排可供选择地被应用：

-浮子的密度小于流体处于液态时的密度，并且是流体在液态时密度的60％至90％之间；由此，止回装置不阻碍毛细泵送；

-浮子由不锈钢制成；这样，其耐久性特别好；

-止回装置安装在第二流体交流回路中；以使其可独立于蓄水池和蒸发器；

-止回装置安装在蓄水池的下部区域；以使其能够与蓄水池结合；

-止回装置安装在蒸发器的上部区域；以使其能够与蒸发器结合；

-流体交流回路是管状导管；这样，其成本是适度的；

-入口/出口端口安装在蓄水池的下部区域，最好位于蓄水池的下侧区域；

-第二流体交流回路可以是带有T形连接的单一导管或两个独立导管的形式；

-蓄水池包括在入口端口附近的输入流导向板；由此，可以避免由于输入流而导致的搅拌影响；

-蓄水池包括多个分隔空间，其保持流体交流；由此，限制蓄水池中流体空间的搅拌；

-蓄水池包括多个内部隔板，其形成隔间，适于隔开所述多个分隔空间；

-多个内部隔板形成蜂窝形式的隔间结构；这样，成本效率比是最佳的；

-传热装置优选地不具有机械泵；增加其可靠性；

-所述装置还在蓄水池中具有能量供给元件，以便在启动时控制循环的加压；这样，循环的启动能够更加可靠。

附图说明

通过阅读以下提供为非限制性示例的本发明的几个实施例的描述，并参考附图，本发明的其他方面、目的和优势将显现，附图中：

-图1是根据本发明实施例装置的总图，

-图2是图1装置的变体，

-图3是图1装置的另一个变体，

-图4a和4b示出了根据图1至3装置的止回阀，

-图5是当止回装置位于蓄水池的基座时，止回装置的详细视图，

-图6是止回装置的截面图，

-图7a和7b示出了图1装置的具有几个蒸发器的变体。

在不同的图中，相同的附图标记指定相同或相似的部件。

具体实施方式

图1示出了具有双相流体循环的毛细驱动的传热装置。所述装置包括蒸发器1和微孔块10，所述蒸发器1具有入口1a和出口1b，所述微孔块10适于执行毛细泵送。为此，所述微孔块10围绕盲性中心纵向凹槽15，为了从蓄水池3中接收液态的工作流体9，所述盲性中心纵向凹槽15与入口1a交流。

所述蒸发器1以热的方式与热源11偶联，例如，包括电功率部件或者任何其它发热元件的组件，例如通过焦耳效应，或通过任何其它装置。

在与充满液体的微孔块的接触处16的卡路里供给的影响下，流体从液态转变为气态，经由传送腔17并通过第一交流回路4散出，所述第一交流回路4将所述蒸汽传送至冷凝器2，所述冷凝器2具有入口2a和出口2b。

在蒸发器1中，疏散的蒸汽被由微孔块10从上述中心凹槽15中引入的液体所替代；这就是众所周知的毛细泵送现象。

在所述冷凝器2内，热能通过气态的流体释放到冷源12，这导致气态流体的冷却，以及其转变到液态的相变，即冷凝。

在冷凝器2中，工作流体9的温度低于其液-气平衡温度，这也被称作低温冷却，这样，流体在没有大量热输入时便不能恢复为气态。

蒸汽压力在冷凝器2的出口2b的方向上推动液体，所述冷凝器2的出口2b开在第二流通回路5处，第二流通回路5也连接至所述蓄水池3。

蓄水池显现至少一个入口和/或出口端口31，这里图1的情况是单独的入口端口31a和出口端口31b，且蓄水池3显示内腔30，该内腔30充满了传热流体9。工作流体9例如可以是氨水，或任何其它适当的流体，但甲醇是优先的选择。工作流体9是双相流体，并且部分展现为液态9a，部分展现为气态9b。在重力作用(根据Z向，垂直地)的环境中，气态部分9b位于液态部分9a之上，并且分隔表面19分隔两种状态。

正是该分隔表面19的温度决定了回路中的压力，该压力对应于流体在分隔表面19处一般温度下的饱和压力。

在蓄水池的基座34处，液体的温度通常低于分隔表面19的一般温度。

为了正确操作毛细驱动回路，有必要避免在分隔表面19处一般温度的快速改变，并特别避免液态9a的搅拌，所述液态9a趋于从蓄水池的底部抽出冷液体至顶部，并因此使表面温度下降，同时压力也下降。

第一和第二流体交流回路4，5最好是管形导管，但它们也可以是其它类型的管道或流体交流通路。

同样地，第二流体交流回路5可呈两个单独并独立的导管5a，5b的形式(参见图1)，或是带有T形连接的单一导管5c的形式(参见图2)。

在所有的情况下，第二流体交流回路5间接通过蓄水池(在两个独立导管的情况下)或直接(在带有T形连接的单一导管的情况下)将冷凝器出口2b连接至蒸发器入口1a。

根据本发明，所述装置包括止回装置6，其安装在蓄水池的内腔30和蒸发器1的微孔块10之间，以防止蒸发器中的液体回流到蓄水池的内腔30中。所述止回装置6能避免液体从蒸发器向蓄水池方向回流。液体从蒸发器朝蓄水池方向的有限回流，甚至也可能导致微孔块的局部干燥，这可导致双相循环泵送作用的丧失，所述止回装置6防止了这一现象的发生。如果启动时功率大(几千瓦和/或每平方厘米几十瓦特)，则该现象会更加明显。因此，止回装置6能提高系统在启动时的性能。

所述止回装置6的位置可以在若干特别有用的位置中选择，这取决于所追求的目标和最佳状态。

在图1中，止回装置6位于导管5b上，该导管将蓄水池连接至蒸发器1。用这种方法，止回装置6能够插入双相循环中，在双相回路中蒸发器和蓄水池是难以更改的给定组件。

此外，如图2所示，所述止回装置6能够毗连蒸发器1定位，以使所述止回装置6能够与蒸发器结合，这样能优化系统的占据面积。

另外，如图3所示，所述止回装置6能够毗连蓄水池定位，以使所述止回装置6能够与蓄水池接合(之后会详细描述)，这样能优化系统的占据面积。

优选地，所述止回装置6能包括具有密度的浮子60，所述浮子60的密度略微小于流体在液态时的密度，浮子充分地在阀座上，以便关闭流体的通道(下文会解释)。

然而，所述止回装置6还能够采用呈更传统的止回阀的形式(图中未示出)，所述止回阀具有挡板、阀座和弹性复位弹簧，所述复位弹簧趋于将所述挡板推向阀座。然而，弹性复位弹簧的强度必须仅是适中的，从而不以太强力抗衡上述毛细泵送的力。

如图4a和4b所示，当止回装置6为浮子时，形成浮子60的单元安置在中空体63内，其中，浮子60能够至少在所谓纵向上移动。此处，纵向与方向Z一致，其中，作用有浮力和重力。

在所示的示例中，中空体和浮子显示为围绕Z轴的轴对称，但这也可以是其他形式的。

浮子包括环形承载表面67，其挤压相应的环形阀座66，所述环形阀座66形成中空体63中向内辐射的肩。当浮子挤压阀座66时，第二交流回路5的上游空间64与第二交流回路5的下游空间65隔离，这对应于关闭状态。

如图4a所示，当循环处于既定运行时，毛细泵送施加吸力作用，这在下游空间产生略微低的压力，并且所述吸力作用S将浮子向下拉动。阀座66处的液体通道随即打开，且流体能够从上游64流向下游65。

需要注意的是，如果在下游部分65中，所述液体中出现未凝结的蒸汽或气泡，则它们能从相反的方向(从下游至上游)漏出，这能避免阻塞蒸发器的新鲜液体供给：因此，浮子能够使气泡通过，并因此防止气封的形成，该功能也能被称为排气功能。

根据本发明有利的方面，浮子的密度小于流体在液态时的密度，所述浮子的密度包括流体在液态时密度的60％至90％之间(例如，最高温度大约为100℃)。用这种方法，重力和浮力的合力形成向上的推力P。

然而，该推力P的强度是适中的，其小于上述毛细泵送作用力的吸力作用。

在过渡结构中，特别是在最初启动过程中，或热负荷突然增加要被疏散的情形中，蒸发器中产出蒸汽的突增趋于推进腔15中的液体向蓄水池方向回流。这必须避免，以防止微孔块(又名毛细管芯)的干燥，干燥会导致循环失败。

如图4b所示，如果液体从蒸发器的腔15流出，则向上的压力F对浮子60有推力效果，使其充分地抵靠在阀座66上，并因此关闭液体通道。因此，能够避免液体向蓄水池内部30的方向逆流。

在特别有利的结构中，其中，止回装置6安置在蓄水池的下部区域，止回装置6布置在蓄水池的基座中，在出口端口31b的水平上(参见图3和图5)。在这种情况下，主体63包括安装环68，其通过众所周知的附连方法，牢固地固定到蓄水池的基座37上。另外，在出口31b水平处的基座37能够直接用作为闭锁座66。

根据本发明，浮子可以由不锈钢制成，以使其耐久度是极好的。如图6所示，浮子60可以制成两个半壳61，62的形式，所述半壳通过焊点68在直径的水平处互相焊接；因此，所述两个半壳61，62限定了内腔89，所述内腔89最好充满惰性空气或气体。选择两个半壳61，62的壁厚以及内腔89的尺寸来获得整个浮子组件60的理想密度。

另外，如图7a-7b所示，为了避免蓄水池内部的有助于诱发冷冲击现象的搅拌现象，可在蓄水池内设置彼此分开的多个分隔空间，所述分隔空间保持流体交流。特别地，且更精确地说，可在蓄水池内设置多个内部隔板7，以便分隔所述多个分隔空间。

此外，有利地根据本发明，蓄水池能包括输入流导向板8，其处于入口端口31a或入口/出口端口31附近，这取决于第二导管的结构。

所述输入流导向板8防止蓄水池内液体的急涌造成冒泡现象或可能促进液体搅拌的水流。其可呈向下定向的U形形式，或碗状的形式，或能够使输入流的轨迹产生足够偏移的任何其他形状的形式。

隔间结构71可以呈现为垂直隔板7，即，在定向为重力方向。然而，需要注意的是，隔板能略微的或大致上的倾斜，如图7a所示。

有利地，可以选择具有六边形网格的蜂窝结构。

需要注意的是，蓄水池能具有任何形状，特别是平行六面体或圆柱体。另外，隔间结构可以由不锈钢制成。

根据本发明的一方面，所述多个分隔空间通过小横截面的通道交流，所述小横截面最好小于蓄水池最大横截面的1/10。

根据本发明的另一个有利方面，隔间结构可包括给所述结构提供热惯性的相变材料，这有助于限制突然的温度变化。

图7a和7b显示，在本发明的上下文中，所述的发明可具有若干个蒸发器1，其彼此平联来增加它们疏散热量的能力，和/或使蒸发器尽可能靠近热源定位。

根据图7a中的结构，每个蒸发器在其特定液体供给回路中具有止回装置6，然而根据图7b中的结构，止回装置6位于自分配分支5e，5f到蒸发器上游的共享分支5d上，这允许止回装置6的交互，并因此优化具有若干个蒸发器的系统的成本。

另外，所述装置可进一步包括能量供给元件36，例如，加热元件或加压元件，其位于蓄水池处，以控制启动时回路的加压。在加热元件的情况下，“Ctrl”控制系统38根据传感器(未示出)所传递的温度信息和/或压力信息，管理对所述加热元件36的卡路里供给，以便确保双相循环的启动。另外，所述“Ctrl”控制系统还能为蒸发器中热能量的迫近并大量到达准备双相循环，这允许预期关于散热所需的双相循环的反应。因此，循环的尺寸可以最优化以使大量热量散出。

有利地根据本发明，所述装置无需使用机械泵，尽管本发明并不排斥辅助性机械泵的存在。

Claims (9)

1.毛细驱动的传热装置，适于借助于在普通密闭回路中的双相工作流体，从热源(11)中提取热量，并将所述热量释放至冷源(12)，所述传热装置包括：

-至少一个蒸发器(1)，其具有入口和出口，以及微孔块(10)，所述微孔块(10)适于执行液态流体的毛细泵送，

-至少一个冷凝器(2)，其具有入口和出口，

-蓄水池(3)，其具有内腔(30)，以及至少一个入口和/或出口端口(31；31a，31b)，

-第一交流回路(4)，其中，流体主要为气态，其将所述蒸发器的所述出口连接至所述冷凝器的所述入口，

-第二交流回路(5)，其中，流体主要为液态，其将所述冷凝器的所述出口连接至所述蒸发器的所述入口，

其特征在于，其包括止回装置(6)，所述止回装置(6)设置于所述蓄水池的所述内腔(30)和所述蒸发器的所述微孔块(10)之间，并布置成防止所述蒸发器中的液体回流至所述蓄水池的所述内腔，

所述装置主要在重力的影响下，所述止回装置包括浮子(60)，其通过浮力被推回至关闭状态的位置，所述位置阻止了液体在向上方向的流动，并且所述浮子通过吸力作用S被向下拉至打开状态，以便使液体向下流动，

其中，所述浮子能使气泡通过以避免气封的形成，

所述浮子具有内腔且所述浮子的密度小于所述流体在液态时的密度，且所述浮子的密度在所述流体液态时密度的60％至90％之间。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述浮子由不锈钢制成。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述止回装置设置在所述蓄水池的下部区域。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述止回装置设置在所述蒸发器的上部区域。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述蓄水池包括位于所述入口端口附近的输入流导向板(8)。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述蓄水池(3)包括多个分隔空间，所述分隔空间保持流体交流。

7.根据权利要求6所述的装置，其包括多个形成隔间的内部隔板(7)，所述隔间适于分隔所述多个分隔空间。

8.根据前述权利要求中任一项所述的传热装置，其特征在于，其不具有机械泵。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的装置，其还包括在所述蓄水池中的能量供给元件，以便在启动时控制所述普通密闭回路的加压。

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