CN104501440A - 冷却液强制风冷调节系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冷却液强制风冷调节系统，包括有电磁阀、压差调节阀、换热器、溢流阀和为换热器提供散热的风机，换热器包括有翅片、相并联且相穿插的长管簇和短管簇，长管簇的入口、电磁阀的入口、压差调节阀的入口、溢流阀的入口相并联后引出，形成冷却液入口，电磁阀的出口和压差调节阀的出口相并联后，与短管簇的入口相连接，长管簇的出口和短管簇的出口相并联，再与溢流阀的出口相并联后引出，形成冷却液出口。本发明结构紧凑，实现容易、成本低，运行节能、安全，有效的控制了换热器的低温启动流阻，确保了系统工作正常，通过压差调节阀，能够全面发挥换热器的散热能力，给大系统供液优化带来益处，如泵的选用更为合理。

Description

冷却液强制风冷调节系统

技术领域

    本发明涉及一类强迫风冷换热设备和一类具有冷却液强制风冷功能的冷液机领域，具体是适用于各类电子设备强迫冷却的一种冷却液强制风冷调节系统。

背景技术

近年来，随着电子设备的迅猛发展，特别是军用和特种电子设备的升级换代，对其可靠性和节能等方面的需求越来越高，与之配套的换热设备、冷液机等也随之出现了新的变化。目前，电子设备的冷却方式主要从热流密度、功率密度、功耗、表面积、体积、工作环境和其它特殊条件来选择，常见的方法有：自然冷却、强迫冷却、蒸发冷却、热电制冷和热管传热等。其中，冷却液强制风冷作为一种强迫冷却，因其冷却效果良好，而被广泛采用。作为冷却液强制风冷中的重要部件，即换热器，通常置于室外，当冬季来临，特别地处恶劣的低温环境下，设备未开前，就被冻透。换热器中冷却液被变得很稠，直接开启泵往往循环不起来。在这种情况下，通常的做法是：①增加泵的功率，提高供液压头；②泵设计旁通开启，但换热器中冷却液粘度没有解决；③在换热器中，插入电加热管等。

比如，66%（质量比）的乙二醇水溶液，液温27.5℃时，运动粘度υ=4.69×10-6 m2/s；当液温降至-35℃时，运动粘度υ=96.52×10-6 m2/s；运动粘度增长约20.5倍。若换热器采用Ф9.52×0.5翅片式换热器，管簇为光管，单路管长设计为12 m，18个180°弯头，管内流速为1.5 m/s。利用流体力学相关流体摩擦阻力来估算，在液温27.5 ℃时流阻约为1.3 bar；在液温-35℃时流阻约为15 bar，即使将流速下降50%，流阻仍有7.5 bar左右。这样的结果，对系统选泵产生影响较大，若按低温流阻来选，功率势必偏大很多；若按常温流阻来选，更会带来一些负面影响，甚至损坏泵；若选用变频泵，也会因满足低温流阻而选大功率泵，影响体积和重量，同时对变频器等电器件的抗低温、振动、冲击、可靠性和电磁兼容等问题，也会带来风险系数的增加。如何解决恶劣环境下设备的可靠性，又体现节能，值得关注。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术存在的问题，提供一种冷却液强制风冷调节系统，实现对换热系统设计的可调、可控，具有高可靠性运行特点。

本发明的技术方案如下：

一种冷却液强制风冷调节系统，其特征在于：包括有电磁阀、压差调节阀、换热器、溢流阀和为所述换热器提供散热的风机，所述的换热器包括有翅片、相并联且相穿插的长管簇和短管簇，所述长管簇的入口、电磁阀的入口、压差调节阀的入口、溢流阀的入口相并联后引出，形成冷却液入口，所述电磁阀的出口和压差调节阀的出口相并联后，与所述短管簇的入口相连接，所述长管簇的出口和短管簇的出口相并联，再与所述溢流阀的出口相并联后引出，形成冷却液出口。

反之，冷却液入口和出口互换，原理相同，注意器件流向即可。在低温启动期，短管簇起到旁通、预热和降低流阻作用；在正常工作期，短管簇和长管簇一起完成散热功能。

在低温启动期，如-40 ℃，冷却液通过电磁阀被旁通至流阻小的短管簇中，使供液不受阻，同时通过换热器翅片将热量传导至长管簇中，来逐步降低长管簇中冷却液的粘度，实现预热，当长管簇中的流阻满足要求时，预热完成，启动期结束，进入正常工作期。在正常工作期，利用压差调节阀，使换热器中长管簇和短管簇的回液温度相当，发挥两者最大换热能力。

本发明也可与蒸汽压缩制冷方式合并，共用风机，形成具有压缩机制冷和强制风冷的冷液机。

进一步，所述的换热器中，所述的翅片间隔均布于所述的长管簇和短管簇之间，即换热器的长管簇和短管簇共用翅片，所述的短管簇间隔均布于所述长管簇中；短管簇的分路数和管长等指标以满足低温下流阻和预热为设计依据，若系统没有预留供液压力余量，则短管簇低温流阻应与常温下长管簇的流阻相当；一般短管簇长度是长管簇长度的10%～35%。

本发明中换热器为空调或冷液机中常见的换热器，管簇通常为三角形叉排。主要在长管簇和短管簇的布置和设计上有其自身特点。其中，长管簇具体的分路数、管径、单路管长等指标应以满足用户要求，如总散热量和空间尺寸等为主要设计依据；而短管簇的主要作用是低温旁通、预热和降低流阻，所以重点应考虑对流阻设计。

这里，短管簇的分路数和单路管长的设计是关键，应以低温下所分配到的最大流阻为设计输入。如，大系统预留了一定的供液压力，分配到换热器为0.5 bar，则在短管簇低温流阻设计时可多考虑0.5 bar；若没有预留供液压力余量，则短管簇低温流阻应与常温下长管簇的流阻相当。这样，设备方能正常启动和工作。

列举以下案例，进一步阐述：

1)   设计输入条件：环境温度15 ℃，冷却液入口温度30 ℃，散热能力为4.2 kW，66%（质量比）的乙二醇水溶液，经换热计算（略），采用Ф9.52×0.5翅片式换热器，长管簇分3路，每路长12 m，每路18个180°弯头，共36 m。

2)   常温下，液温以27.5 ℃计，密度ρ=1088 kg/m3，运动粘度υ=4.69×10-6 m2/s。经换算，其冷却液流量约为1000 kg/h，长管簇每路管内流速为1.5 m/s，平均阻力约为1.3 bar。

3)   低温下，液温以-35 ℃计，密度ρ=1109 kg/m3，运动粘度υ=96.52×10-6 m2/s。短管簇低温流阻为1.3 bar时，分3路，则单路管长约1.9 m，流量为常温下的90%；短管簇低温流阻为1.1 bar时，分4路，则单路管长约1.9 m，流量不变；短管簇分路数可与长管簇分路数不同。

4)   取短管簇分路数为3，单路管长为1.9 m，短管簇的总长为长管簇总长的15.8%。

所述的电磁阀，在低温启动期，由于冷却液粘度增大，导致换热器长管簇流阻太大，此时该阀开启，将冷却液旁通至换热器短管簇，由于设计流道阻力小，使冷却液很容易经过；低温启动期结束后，电磁阀关闭；电磁阀为低温型，选型时若不是零压差型，则应考虑其开启阻力。

所述的压差调节阀，可以调节其压差数值，该值和短管簇流阻相加后，应大于长管簇的阻力。调节值具体多少，应以正常工作（流量正常，电磁阀关闭）时，换热器的长管簇和短管簇的出液温度相当为调节标准。当然，不排除通过计算等方式直接采用非调节式压差阀。需进一步解释的是，若压差调节阀和短管簇流阻相加后，与长管簇流阻保持一致，势必因短管簇换热短，造成出液温度高，引起不均匀。所以，以出液温度相当为调节标准，较合理。

所述的溢流阀，在电磁阀关闭时，工作中若冷却液温度等发生变化，而引起换热器流阻波动时，可将多余的冷却液短路至回路中，起到溢流、卸压作用；若大系统中泵的出口处已设计有相同功能的溢流阀或安全阀，可以被替代。一般，泵有一个最低流量限值，如额定流量为1m³/h时，最低流量限值在40%~60%左右，由具体情况而决定。所以，溢流阀开启数值以保护泵不超载为准。

所述的风机，在低温启动期不开启，使换热器中的传热加快。

本发明中的冷却液，通常为乙二醇水溶液，但不排除其它防冻液。

本发明的有益效果：

1、本发明有效的控制了换热器的低温启动流阻，确保了系统工作正常。

2、本发明通过压差调节阀，能够全面发挥换热器的散热能力。

3、本发明结构紧凑，仅在换热器一侧增加两个器件，几乎不占空间。

4、本发明给大系统供液优化带来益处，如泵的选用更为合理。

5、本发明运行更节能、更安全，特别低温启动更可靠。

6、本发明实现容易、成本低。

附图说明

图1为本发明结构原理示意图。

图2为本发明在冷液机上运用的结构原理示意图。

具体实施方式

参见图1，一种冷却液强制风冷调节系统，包括有电磁阀1、压差调节阀2、换热器3、溢流阀5和为换热器3提供散热的风机4，换热器3包括有翅片、相并联且相穿插的长管簇3.1和短管簇3.2，长管簇3.1的入口、电磁阀1的入口、压差调节阀2的入口、溢流阀5的入口相并联后引出，形成冷却液入口，电磁阀1的出口和压差调节阀2的出口相并联后，与短管簇3.2的入口相连接，长管簇3.1的出口和短管簇3.2的出口相并联，再与溢流阀5的出口相并联后引出，形成冷却液出口。

本发明的换热器中，翅片间隔均布于长管簇3.1和短管簇3.2之间，短管簇3.2间隔均布于长管簇3.1中；长管簇3.1和短管簇3.2的管径相同，短管簇3.2长度是长管簇3.1长度的10%～35%。

其工作流程：①低温启动期流程；②正常工作期流程；③溢流流程。

①  低温启动期流程：冷却液入口→电磁阀1→短管簇3.2→冷却液出口。

②  正常工作期流程：冷却液入口→长管簇3.1+（压差调节阀2+短管簇3.2）→冷却液出口。

③  溢流流程：冷却液入口→溢流阀5→冷却液出口。

图1所示为本发明原理的一种，当冷却液入口和出口互换时，冷却液流向相反，同样可以实现该功能。但需要注意的是器件有流向要求时，应相应变换位置即可。

参见图2，为本发明在冷液机上运用的原理实例，结合图1，具体包括有电磁阀1、压差调节阀2、换热器3、风机4、溢流阀5、加热器6、水箱7、泵8、电动三通阀9、调节阀10、板式换热器11和单向阀12等。其工作流程依据两种制冷模式进行，即压缩机制冷模式和冷却液强制风冷模式。

在压缩机制冷模式下：冷却液由泵8→电动三通阀9→调节阀10→板式换热器11→（热负载）→水箱7→返回泵8，依此循环。

在冷却液强制风冷模式下：基本工作流程与图1所示大致相同，所不同的是：将溢流阀5改到泵8出口和水箱7入口之间，使大系统工作更安全；在换热器3出口加装单向阀12，目的是减少两模式切换时的相互影响。

在低温启动期，所需热量可来自两部分，即热负载和加装在水箱中的加热器6产生的热量来提供，具体投热量等根据实际情况来定。

长管簇3.1和短管簇3.2主要在流道长短和具体布置上有所区别，且长管簇3.1和短管簇3.2两部分总体上并联，短管簇3.2间隔均匀布于长管簇3.1中，但内部管路是相互独立的。

长管簇3.1具体的分路数、管径、单路管长等指标以满足总散热量和空间尺寸等为主要设计依据；短管簇3.2的管径则与长管簇相同，而短管簇3.2的分路数和管长等指标以满足低温下流阻和预热为设计依据，若系统没有预留供液压力余量，则短管簇3.2低温流阻应与常温下长管簇3.1的流阻相当；一般短管簇3.2长度是长管簇3.1长度的10%～35%。

电磁阀1在低温启动期开启，一旦低温启动期结束后，电磁阀就关闭；电磁阀1为低温型，选型时若不是零压差型，则应考虑其开启阻力。

压差调节阀2的调节值，应以正常工作（流量正常，电磁阀关闭）时，换热器3的长管簇3.1和短管簇3.2的出液温度相当为调节标准。

风机4应在低温启动期不开启，工作期是否开，开多大依据换热需要来定。

溢流阀5的开启值以保护泵8不超载为准。

Claims (3)

1.一种冷却液强制风冷调节系统，其特征在于：包括有电磁阀、压差调节阀、换热器、溢流阀和为所述换热器提供散热的风机，所述的换热器包括有翅片、相并联且相穿插的长管簇和短管簇，所述长管簇的入口、电磁阀的入口、压差调节阀的入口、溢流阀的入口相并联后引出，形成冷却液入口，所述电磁阀的出口和压差调节阀的出口相并联后，与所述短管簇的入口相连接，所述长管簇的出口和短管簇的出口相并联，再与所述溢流阀的出口相并联后引出，形成冷却液出口。

2.根据权利要求1所述的冷却液强制风冷调节系统，其特征在于：所述的换热器中，所述的翅片间隔均布于所述的长管簇和短管簇之间，所述的短管簇间隔均布于所述长管簇中。

3.根据权利要求1所述的冷却液强制风冷调节系统，其特征在于：所述的换热器中，所述长管簇和短管簇的管径相同，所述短管簇长度是长管簇长度的10%～35%。