CN105737361B - 环形热管阵列换热器以及包含其的换热系统 - Google Patents

Abstract

一种环形热管阵列换热器，包括冷凝端和蒸发端，所述冷凝端和蒸发端均包括多路水平管路；所述换热器还包括两个多通管路，所述两个多通管路相对设置，且每个多通管路均连接至冷凝端和蒸发端的水平管路，形成多个闭合环路，两个多通管路分别为第一多通管路和第二多通管路。以及含该换热器的换热系统。该环形热管阵列换热器，利用春秋冬季节室外温度较低的条件，消耗动力较少的条件下，将空间内部的热量转移到室外，节省了大量空调能耗，可应用于数据中心或机柜内部的换热。

Description

环形热管阵列换热器以及包含其的换热系统

技术领域

本发明涉及热交换领域，进一步涉及一种环形热管阵列换热器，以及包含该换热器的换热系统。

背景技术

数据中心或者通信机柜的用能量大而集中(单位面积的用能量远高于办公建筑的用量)，24小时不间断运行，年运行小时数远高于其他商业建筑。随着全球变暖和能源的短缺，能源的高效利用问题日益凸显，如何降低功率利用效率(功率利用效率＝设施总功率/IT设备功率)，已成为数据中心运行管理人员追求的目标。

根据设备的运行要求，数据中心或者通信机柜需要在一个环境可控的空间内确保系统的可靠运行，其中，最主要的就是运行的温度环境在20-25℃范围内，并保持内部环境的清洁。目前最通用的做法就是采用空调或者热电致冷装置。

对于数据中心而言，一般采用大功率空调并安装温度自动控制装置来调节数据中心的温度，随着主机系统的散热量越来越高，空调的功率越来越大，同时为了避免主机超温故障，机房内一般采用下送风、上回风的送风方式。在每个机柜前部有开孔地板，用于送冷风。此外，机房的空调还必须保证机房内具有良好的空气流动，不存在局部热点和风短路现象，机房的不同地点温差较小。

对于通信机柜而言，除了采用空调进行冷却外，由于热电致冷(TEC)本身没有运动部件、无制冷剂污染、结构简单且集成度高，在通信机柜中也有广泛的应用。但是单个TEC的功率很小，在通信机柜的应用中，需要将TEC串并联后组合成堆进行使用。在使用过程中，TEC的冷端表面安装散热片和风扇放置于通信机柜内，在TEC的热端安装散热片和风扇放置于通信机柜的外侧，由此控制通信机柜内部的温度。

目前的高效传热器件中热管已经被广泛的应用，如图1所示，现有技术提供一种采用热管换热器进行机房的冷却，采用相互独立的蒸发端与冷凝端，蒸发端与冷凝端之间连接有构成循环通路的导管，导管内设有热管介质。由此能有效利用冬季与春秋季节较低的环境温度。

从上述的技术方案可见，不管是采用大功率空调还是TEC来控制设备的温度，都需要消耗大量的电能。另外，由于TEC的热电转换效率较低，这种冷却方式的能源利用效率低下，为了达到要求的负荷，需要将很多TEC进行串并联使用，系统复杂，可靠性低。

在较冷的春秋冬季，由于室外温度低，可以利用室内外的温差，在不消耗动力的条件下，将室内的热量转移到室外，节省空调的电能消耗。但是由于洁净度的要求，不能直接将室内外空气进行交换，而需要使用热管等高效传热设备。

蒸发端和冷凝端分离的热管换热器采用的是连接导管的方式，所有的蒸发端产生的蒸汽均通过连接导管输运，造成了流动阻力增加；蒸汽在冷凝侧的入口处即开始冷凝，下方蒸汽较少，造成冷凝侧器的温度分布不均匀，不能很好的发挥冷凝侧的换热能力。另一方面如果机房面积较大，蒸发端和冷凝端的距离较远，造成了连接导管的长度增加，也会带来热阻增加的后果。如果热管换热器的热阻增加，则意味着蒸发端和冷凝端的温差增大，只有的更低的室外温度环境下，热管换热器才能启用，因此导致全年可用天数减少，节能效果降低。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种环形热管阵列换热器以及包含其的换热系统。

为实现上述目的，根据本发明一方面，提供一种环形热管阵列换热器，包括冷凝端和蒸发端，其中：

所述冷凝端和蒸发端均包括多路水平管路；

所述换热器还包括两个多通管路，所述两个多通管路相对设置，且每个多通管路均连接至冷凝端和蒸发端的水平管路，以使换热器形成多个闭合环路，两个多通管路分别为第一多通管路和第二多通管路。

根据本发明的一具体实施方案，所述蒸发端的多路水平管路包含蒸发端上部管路，所述蒸发端上部管路的至少部分管路被设置为一端连接第一多通管路，在蒸发端经一个或多个折返另一端再连接至第二多通管路。

根据本发明的一具体实施方案，所述冷凝端的多路水平管路包含冷凝端下部管路，所述冷凝端下部管路的至少部分管路被设置为一端连接至第二多通管路，在冷凝端经一个或多个折返另一端连接至第一多通管路。

根据本发明的一具体实施方案，还包括一竖直设置的母管，所述母管与所述多个闭合环路连通，使多个闭合环路实现介质交换。

根据本发明的一具体实施方案，所述母管设置于第一多通管路与冷凝端之间，或者设置于第二多通管路与冷凝端之间，所述母管设置有一换热介质充装口；优选的，所述多通管路的部分管路与水平方向呈1-30°的倾斜角度。

根据本发明的一具体实施方案，所述冷凝端的水平管路经过一段高度增加的连接管路连接至母管，以避免冷凝液进入母管。

根据本发明的一具体实施方案，还包括多个竖直的母管，分别连通部分所述多个闭合环路。

根据本发明的一方面，提供一种环形热管阵列换热器，包括冷凝端和蒸发端，其中：

所述冷凝端和蒸发端均包括多路水平管路；

还包括N组两两相对设置的2N个多通管路，每个多通管路均连接至冷凝端和蒸发端的水平管路，形成N组闭合环路；

还包括N个竖直设置的母管，每个所述母管与每个所述闭合环路连通，其中N为2以上的自然数。

根据本发明的一具体实施方案，所述冷凝端和蒸发端的多路水平管路呈内外多层分布。

根据本发明的一方面，提供一种用于通信机柜或计算机中心的换热系统，包括以上任意一种环形热管阵列换热器，优选的还包括收集热量的风道，所述风道末端通至所述换热器的环形热管阵列换热器的蒸发端。

通过上述技术方案，本发明的有益效果在于：

(1)通过在蒸发端和冷凝端之间设置相对的多通管路，蒸汽可沿两个方向流向冷凝端，蒸汽的流动阻力大幅减小；

(2)通过设置带有母管的环形热管阵列换热器，利用春秋冬季节室外温度较低的条件，在消耗动力较少的条件下，将空间内部的热量转移到室外，从而节省了大量的空调能耗，并且在热量转移的过程中不产生内外空气的交换，保证了数据中心或机柜内部的洁净度；

(3)本系统相较于带有空调或TEC的系统相比，系统节省电能，结构简单，可靠性高。

(4)与母管接触的部分有高度逐渐上升的管路(尤其为一乙字形结构)，从而避免了冷凝液进入到母管，在重力的作用下跌落到母管的底端，全部积聚到蒸发端的底部，影响热管换热器，同时也部分避免了汽液的逆向流动造成流动阻力增加，上述设计均减小了系统的热阻；

(5)通过设置带母管环形热管换热器阵列，蒸汽可以在整个换热器内弥漫，在冷源温度低的地方，蒸发端与冷凝端的压差较大，冷凝量也多，温度均匀性好，适应局部热量变化，适应冷热源分布不均匀的能力强；

(6)热管阵列共用一个充装口，只需充装一次，充装工艺简单，成本大幅降低。由于内部容积大，充装率精度易于保证，给工业设计和制造带来方便；

(7)对于面积较大的计算中心，通过安装风道收集每个机柜产生的热量，通过热管换热器集中处理的方案进行设计，克服了由于连接导管的长度增加，带来的热阻增加；

(8)除应用于通信机柜、通信基站、服务器机柜、服务器机房等设备的冷却，还可用于暖通空调、化工、能源等行业的余热回收。

附图说明

图1是现有技术中的一种换热器。

图2是本发明一实施例的环形热管阵列换热器的原理图。

图3是本发明一实施例的环形热管阵列换热器的三维视图。

图4是本发明一实施例隐藏翅片的环形热管阵列结构示意图。

图5是图4的冷凝端与母管的连接关系放大立体示意图。

图6是图4的冷凝端与母管的连接关系放大截面示意图。

图7是本发明又一实施例的环形热管阵列换热器的三维视图。

图8是本发明又一实施例的环形热管阵列换热器的三维视图。

图9是本发明又一实施例的环形热管阵列换热器的三维视图。

图10是本发明一实施例的大型换热系统示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。

根据本发明总体上的发明构思，提供一种环形热管阵列换热器，包括冷凝端和蒸发端，通过相对设置的两个多通管路，实现多环路换热。以下对各部件的设置结合附图进行具体说明。

如图2所示，热源2(如通信机柜)内的高温空气首先经过环形热管阵列换热器1(以下简称：热管换热器)的蒸发端101，热管的蒸发端101吸收高温空气中携带的热量，热管中的工质吸收热量后蒸发，进入到冷凝端102，在冷凝端中，工质冷凝释放给柜外低温空气，由此实现了通信机柜内外热量的交换，并且不发生内外空气交换。热管的应用在保证柜内温度的情况下，节省了空调或TEC的用电。

如图3是热管换热器的三维视图，图4是隐去换热翅片的环形回路。本热管换热器可由一带有母管的环形热管阵列组成。

如图4是热管阵列的结构示意图，由上部管路103-1、中部管路103-2、下部管路103-3、母管104组成阵列。在位于蒸发端101和冷凝端102中带有翅片的部分，内部的管路呈水平状态，而在连接蒸发端101和冷凝端102的管路103-a和103-b部分与水平方向呈1°-30°的倾斜角度，保证凝结液体的顺利回流。在热管换热器1最上层的管路103-1的蒸发端侧多走一个回程，在热管换热器1最下层的管路103-3的冷凝端侧多走一个回程，由此增加了热管换热器中蒸发端101和冷凝端102的换热面积。

在环路103上安装连接母管104，将管路103-1、103-2、103-3连接起来，形成一个联通的整体。在母管104上安装有用于抽真空和注液的封装口。管路103-1、103-2、103-3从冷凝端出来后经过一乙字形(图5，图6所示)结构，使两侧的高差h达到或超过管径，并与母管相连。如图5所示设计成两侧具有一定高差结构的主要目的是防止冷凝液回流的时候进入到母管，全部坠落到母管的底部，导致工质不能在蒸发端内部均匀的分布。

该热管换热器的封装工艺和工作机理是：

(1)对热管换热器1进行超声波清洗，去除表面的油污。

(2)将热管换热器1放入高温干燥箱内，去除热管换热器内部的水分。

(3)通过母管上的封装口抽真空，当系统内部的压力小于1Pa时，关闭真空泵，并保持热管换热器1处于真空状态。

(4)在热管换热器内封装一定量的液体工质，这些工质可以为：乙醇、R134a、R22、R410a、R113等多种有机工质或氟利昂类工质，根据工质热物性参数的不同，充液率在20％-80％之间。

在热管换热器1中的工质相变过程如下：

工质在蒸发端101中吸收热量蒸发，通过蒸发端和冷凝端之间的连接管路103-a，103-b输运到冷凝端中，相较于冷凝端和蒸发端通过两根管路连接的方式，在采用103-a和103-b这种双侧连接管路中，每个环路均对应两根连接管路，蒸汽可沿两个方向流向冷凝端，蒸汽的流动阻力大幅减小。液体在冷凝端中冷凝后通过103-a流回到蒸发端中，而103-b中并没有冷凝液的回流，这是由于103-b与母管接触的部分有一乙字形结构，从而避免了冷凝液进入到母管，在重力的作用下跌落到母管的底端，全部积聚到蒸发端的底部，影响热管换热器1的性能，同时也部分避免了汽液的逆向流动造成流动阻力增加。

1.根据散热负荷和不同要求，组成热管阵列的环路数量可进行调整。

2.根据散热负荷和不同要求，如图7所示，可将上述实施方案设计成内外双层环路或多层环路的结构。

3.当设计成内外双层环路或多层环路时，如图8所示，可以共用一根粗母管或与之等效的方腔。

4.当设计成双环路或多环路的结构时，如图9所示，可以在上中下部各段分别共用母管或方腔。

基于同一发明构思，本发明提供一种用于通信机柜或计算机中心的换热系统。

在小型换热系统的实施方案里，例如面向的是机柜的散热，由于机柜的体积较小，依靠热管换热器中蒸发端上的风扇即可实现机柜内部的气流组织。而对于大型散热系统，如数据中心的换热，会存放很多组类似的机柜，如果每个接轨安装类似的热管换热器会导致系统复杂，安装困难。本实施例拟通过风道收集每个机柜产生的热量，通过热管换热器集中处理的方案进行设计。

如图10不同位置处的热源2(如机柜)所释放的热量通过风道3收集，通过热管换热器1与室外进行热量交换。图中箭头的方向为热空气流动的方向。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种环形热管阵列换热器，包括冷凝端和蒸发端，其特征在于：

所述冷凝端和蒸发端均包括多路水平管路；

所述换热器还包括两个多通管路，所述两个多通管路相对设置，且每个多通管路均连接至冷凝端和蒸发端的水平管路，使换热器形成多个闭合环路，两个多通管路分别为第一多通管路和第二多通管路；

一竖直设置的母管，所述母管与所述多个闭合环路连通，使多个闭合环路实现介质交换；

其中，所述多通管路的部分管路与水平方向呈1-30°的倾斜角度。

2.根据权利要求1所述的环形热管阵列换热器，其特征在于，所述蒸发端的多路水平管路包含蒸发端上部管路，所述蒸发端上部管路的至少部分管路被设置为一端连接第一多通管路，在蒸发端经一个或多个折返另一端再连接至第二多通管路。

3.根据权利要求1所述的环形热管阵列换热器，其特征在于，所述冷凝端的多路水平管路包含冷凝端下部管路，所述冷凝端下部管路的至少部分管路被设置为一端连接至第二多通管路，在冷凝端经一个或多个折返另一端连接至第一多通管路。

4.根据权利要求3所述的环形热管阵列换热器，其特征在于，所述母管设置于第一多通管路与冷凝端之间，或者设置于第二多通管路与冷凝端之间，所述母管设置有一换热介质充装口。

5.根据权利要求3所述的环形热管阵列换热器，其特征在于，所述冷凝端的水平管路经过一段高度增加的连接管路连接至母管，以避免冷凝液进入母管。

6.根据权利要求1所述的环形热管阵列换热器，其特征在于，还包括多个竖直的母管，分别连通部分所述多个闭合环路。

7.一种环形热管阵列换热器，包括冷凝端和蒸发端，其特征在于：

所述冷凝端和蒸发端均包括多路水平管路；

还包括N组两两相对设置的2N个多通管路，每个多通管路均连接至冷凝端和蒸发端的水平管路，以使换热器形成N组闭合环路；

还包括N个竖直设置的母管，每个所述母管与每个所述闭合环路连通，其中N为2以上的自然数；

所述多通管路的部分管路与水平方向呈1-30°的倾斜角度。

8.根据权利要求7所述的环形热管阵列换热器，其特征在于，所述冷凝端和蒸发端的多路水平管路呈内外多层分布。

9.一种用于通信机柜或计算机中心的换热系统，包括权利要求1-8任意一项所述的环形热管阵列换热器，优选的还包括收集热量的风道，所述风道末端通至所述换热器的环形热管阵列换热器的蒸发端。