CN104094074B - 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，所述液体交流回路(5)将所述冷凝器的出口连接至所述储水池以及连接到所述蒸发器的入口，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。

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，导致启动失败。

另外，如果装置受到加速，则冷冲击现象可能在蓄水池中发生，该现象会突然降低压力并恶化性能。

因此，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，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，其中气态部分位于液态部分的顶部，

-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，所述蓄水池包括液态的多个分隔空间，所述分隔空间保持流体交流，

所述蓄水池包括多个内部隔板，隔板形成隔室，适于分隔液态的所述多个分隔空间，

所述多个分隔空间通过小横截面通道交流，以便在液态的分隔空间之间产生液压阻尼。

多亏这些装置和如此产生的液压阻尼，当装置经受加速时，例如，如果其位于运输中的汽车内，在蓄水池中避免了液态流体的过度流动，用这种方式防止蓄水池中的搅拌，该搅拌可能带来冷冲击效应，即，蓄水池中流体的自由表面温度的骤降，导致压力下降以及循环效率的降低。同样地，将流体分隔到多个分隔空间可以避免搅拌，所述搅拌可能由于热能的骤降而发生，特别是在启动时。

在本发明的各种实施例中，以下的一个和/或其它安排能进一步可供选择地被应用：

-液态流体不越过隔板的上边缘；这防止在遇到任何加速时液体的搅拌；

-所述多个分隔空间通过小横截面通道交流，所述小横截面优先地小于蓄水池最大横截面的1/10；由此，一个分隔空间可以流动至另一个分隔空间，但流动速度很慢；

-多个内部隔板形成规则的隔间结构；由此，诸隔板互相支撑；

-所述蓄水池包括大孔结构，所述隔室不具有微孔结构；

-所述隔间结构采取蜂窝状结构的形式；这样，隔间结构是成本划算的方案，因为该结构是优化的；

-所述装置主要地受到地球重力的影响，所述隔间结构包括倾斜的或垂直的隔板；以便在水平加速情况下限制流体流动；

-所述隔间结构由不锈钢构成；由此，其耐用度是高度符合要求的；

-所述隔间结构由塑料构成，其与工作流体(特别是甲醇)相容；由此，其与该通常使用的流体相容，其使用寿命是令人满意的，并且成本低廉；

-所述多个分隔空间由紧绷网状结构(金属网)构成；由此，提出了分隔结构的替代方案；

-所述间隔结构由提供热惯量的相变材料构成；由此，冷冲击效应进一步被减少；

-所述蓄水池包括输入流导向板；由此，液体进入蓄水池产生的流动作用被局限在限制的区域内；

-所述蓄水池可位于蒸发器旁，或蓄水池可与蒸发器为一体；由此，蓄水池的机械一体化能够得到改善；

-所述装置还包括止回装置，其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；

-所述热传递装置优先地不具有机械汞，这样可靠性会增加；

-所述装置主要受重力的影响，止回装置包括浮子；

--所述传热装置优先地不具有机械泵，这样其可靠性会增加；

-所述装置还包括蓄水池中的能量供给元件，以便在启动时控制循环回路的加压；这样，循环回路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示出了图2装置的蓄水池的较详细节，

-图4a和4b示出了图1和图2装置的蓄水池中的隔间结构，

-图5类似于图3，并示出了图2装置的蓄水池的变体，

-图6是图1装置的变体。

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以热力方式与热源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，通过微孔块10从上述中心凹槽15中引入液体，充满释放出散出蒸汽的空腔；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的温度下降到低于其液-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(按照Z向，垂直地)的环境中，气态部分9b位于液态部分9a之上，并且液-气界面19分隔两种状态(蓄水池中液体的自由表面)。

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处的一般温度。

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。

温度和压力突然下降的现象通常被认为是“冷冲击”，并且必须避免。

第一和第二流体交流回路4，5最好是管道，但它们也可以是其它类型的流体管线或交流通路(矩形管道，柔性管等)。

同样地，第二流体交流回路5可以是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)。

当几个蒸发器和/或几个冷凝器平行连接时，这些管道结构保持相关。

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。

鉴于要避免蓄水池中的可能导致冷冲击现象的搅拌现象，多个分隔空间的液体被提供到蓄水池中，分隔空间彼此隔开，但所述分隔开的空间仍保持流体流通。特别是，更准确来说，在蓄水池中可以安装多个内部隔离物7，它们适于分隔所述多个分隔空间。

然而，根据替代的选择方案，所述多个分隔空间能够形成为紧绷网状结构的形式(图中未示出)，例如钢丝棉类型结构，或海绵型结构，或大孔结构，或一堆用小孔穿透的空心球体。

此外，有利地根据本发明，蓄水池包括输入流导向板8，其根据第二导管的结构在入口端口31a或入口/出口端口31附近。

该输入流导向板防止流体快速到达蓄水池内产生气泡现象，或可能促进液体搅拌的水流。其可以是向下的U形截面，或是碗形或任何其它形状的形式，使输入流的轨道产生足够的偏移。

图3示出了具有垂直隔板7的隔间结构71，即隔板朝向重力方向定向。然而，需要注意的是，隔板可以很容易地有微小的或大幅度的倾斜，就如图1中所示。优选地，隔间结构是规则的，即，一定的几何图案多次重复。需要注意的是，蓄水池可能是任何形状的，特别是平行六面体或圆柱形。此外，隔间结构可以由不锈钢制成，以提供良好的耐用性。另外，隔间结构可以由塑料制成，所述塑料与工作流体相容，特别是与甲醇相容；隔间结构凭借与通常用于陆地应用中的该流体相容，其使用寿命是令人满意的，并且成本低廉。

根据本发明的一个方面，所述多个分隔空间通过小横截面通道交流，该小截面最好小于蓄水池最大横截面的1/10。例如，如图3所示，内部隔板7呈现具有小通道横截面的孔70，以便在液体分隔空间之间产生液压阻尼。

分隔空间之间的通道也可以位于隔间的基座处，隔间的上部没有孔。在这种情况下，具有多个小横截面孔的穿透网格28，允许流体通过传送腔29在隔间之间移动，所述传送腔29位于蓄水池基座区域34。该网格28又被称为扩散器，其能够有利地被用作为隔间结构71的支撑。

隔板的高度可在蓄水池高度的30％至90％之间，并且需要特别选择，以使液体的上表面19不会超过隔板7的上边缘。

有利地，可以选择具有六边形网格的蜂窝结构或方形网格结构，分别如图4a和4b中所示。六边形隔室77(或相应的方形隔室78)通过更低的开口76(或79)交流。

另外，多个隔板能包括相对于彼此不同朝向的隔板。特别地，可能有一些隔板平行于XZ平面，另一些的平行于XY平面，另外的平行于YZ平面：通过这种方式，能限制在所有方向上的空间上的流动，如果装置在航空器上使用，则这会是特别具有优势的。

此外，网格的尺寸不能太精细(小于1毫米)，否则所述结构会阻碍液体通过毛细管，并要求过度充盈来防止回路在低温环境下启动或功率下降时变干燥。在这种方式下，隔室不具有多微孔结构，即使蓄水池能够形成大孔结构。

根据本发明的另一个有利方面，隔间结构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5类似于图3，示出了装置的蓄水池的变体，所述蓄水池在底部一侧35上具有液体入口，其可允许简化输入流导流板8。所述输入导流板8可以简单的是水平延伸的板，或是打有多个孔的导管5的延伸部分。

此外，如图6所示(类似于图1)，所述装置还可以包括止回装置6，其安装在蓄水池的内腔30和蒸发器的微孔块10之间，以防止蒸发器中的液体回流到蓄水池的内腔中。当系统启动阶段引起沸腾时，所述止回装置6可以避免液体从蒸发器向蓄水池方向流动。

优先地，所述止回装置6能够包括浮子(未在图中显示)，所述浮子的密度略小于液态流体的密度。

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，该能量供给元件36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，管理所述加热元件36上供给的卡路里，这是为了确保双相循环的启动。

加热元件可以同样地处于液态和/或气态。优先地，所述元件处于液态，并且朝向蓄水池的上部产生蒸汽。与后者(周围的空气，或其它)接触的冷源促进加热元件的调节。另外，所述“Ctrl”控制系统也可以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 (14)

1.毛细驱动的传热装置，在重力的影响下，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)，其中，气态部分位于液态部分顶上，

-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，所述蓄水池(3)包括液态流体的多个分隔空间，所述多个分隔空间保持流体交流，所述蓄水池包括多个内部隔板(7)，所述多个内部隔板(7)形成了隔室，所述隔室适于分隔所述液态流体的多个分隔空间，

所述多个分隔空间通过小横截面通道交流，以便在液态流体的所述分隔空间之间形成液压阻尼。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述液态流体不超过所述隔板(7)的上边缘。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的装置，其特征在于，所述多个内部隔板形成规则的隔间结构。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述蓄水池包括大孔结构，并且所述隔室不具有微孔结构。

5.根据权利要求4所述的装置，主要在重力的影响下，其特征在于，所述隔板形成倾斜的或垂直的分隔挡板。

6.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述隔间结构采用蜂窝结构的形式。

7.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述隔间结构由提供热惯性的相变材料构成。

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

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述蓄水池可位于所述蒸发器旁，或所述蓄水池与所述蒸发器为一体。

10.根据权利要求1所述的装置，其包括止回装置(6)，所述止回装置(6)安装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。

11.根据权利要求10所述的装置，主要在重力的影响下，其特征在于，所述止回装置包括浮子(60)。

12.根据权利要求1所述的传热装置，其特征在于，其不具有机械泵。

13.根据权利要求1所述的装置，其还包括在所述蓄水池中的能量供给元件，以便在启动时控制循环的加压。

14.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述小横截面通道的所述横截面优选地小于所述蓄水池最大横截面的1/10。