CN106105411B - 无源两相冷却回路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种无源两相冷却回路(2)，其具有用于在该冷却回路(2)中所引导的冷却介质的蒸发器(6)和冷凝器(18)，其中在该蒸发器(6)上连接了蒸发器导入管(4)和蒸发器导出管(10)，并且其中在该冷凝器(18)上连接了冷凝器导入管(16)和冷凝器导出管(22)。这种冷却回路应该如此来改进，使得在保持系统构造简单和造价合理的情况下降低或甚至完全避免了在运行期间的压力冲击。为此根据本发明而规定，该蒸发器导入管(4)、该冷凝器导出管(10)、该蒸发器导入管(16)和该蒸发器导出管(22)连接到共同的衰减容器(24)上，其中在该冷凝器导出管(22)中在该冷却回路(2)运行时形成有液柱(52)，该液柱承担了液体密封(50)的功能以及流体动力减振器的功能。

Description

无源两相冷却回路
技术领域
本发明涉及一种无源两相冷却回路。
背景技术
在两相热传导系统中在循环回路中所输送的冷却介质(也称作冷介质)进行从液态至气态的相变并再次变换回来，所述两相热传导系统与单相回路相比在运行温度差小的情况下实现了高的热传导速率。但是两相系统具有明显更大的自由度，并从而比单相系统在其可控性上更复杂。这尤其针对无源系统，其中无源系统不需要有源装置、诸如电泵等等来进行流动作用，并反而其中冷却介质的传输仅仅通过存在于所属热源与散热器之间的温差而引起。特别是，不规则的压力波动和压力冲击、在导管系统中尤其冷凝导致的压力撞击是所存在的问题，因为在这种情况下可能出现极端的机械应力。在最差情况下这导致对系统的损坏。
发明内容
本发明所基于的任务是，改进开头所述种类的冷却回路，使得在保持该系统简单和造价合理的情况下降低或甚至完全避免在运行期间的压力冲击。
该任务根据本发明通过具有如下方案的冷却回路而得到解决。一种无源两相冷却回路，其具有用于在该冷却回路中所引导的冷却介质的蒸发器和冷凝器，其中在该蒸发器上连接了蒸发器导入管和蒸发器导出管，并且其中在该冷凝器上连接了冷凝器导入管和冷凝器导出管，其中该蒸发器导入管、该蒸发器导出管、该冷凝器导入管和该冷凝器导出管连接到共同的衰减容器上，其中在该冷凝器导出管中在该冷却回路运行时形成有由液体冷却介质构成的液柱，所述液柱承担了液体密封结构的功能以及流体动力减振器的功能，其中，该冷凝器导出管通入到该衰减容器的顶部区域中并且具有伸入到该衰减容器的内室中的管段，在该管段中实现了该液体密封结构。
该设备的重要部件是衰减容器，也称作脱耦容器，其具有针对特定设计情况所匹配的容积以及用于该冷却回路的通向蒸发器和冷凝器并且由之通出的导管的至少四个端子。另外，在用于冷凝器回流的端子上设置有管状构造的部件，该部件能够形成液柱。由于其用作流体动力减振器，该液柱实现了在瞬时范围内流的稳定。另外通过该液柱还实现了在该冷凝器输出上的压力降低，由此导致在该冷凝器中运行压差的提高，并从而导致质量流的提高。
总之，在无源两相系统中通过所推荐的设备可以降低或甚至完全避免了当前所担心的压力冲击，其中该设备有效地作为流体动力减振器。另外，通过改变回路中的压力比而引起并稳定了定向流(减少或消除了二次回流)，增大了在冷凝器中的运行压差，这提高了影响热传导的质量流并从而结果实现了明显的功率提升。
换句话说，所推荐的对两相冷却回路的改进通过无源稳定以及功率提升而实现了相对于现有系统明显更鲁棒的运行并从而实现了实用性的提高。通过提高该两相系统的功率密度，可以在运行温度差小的情况下无源地导出大的热量，这是单相所不能实现的。
可能的应用比如在核领域中由湿存储的热量导出、部件冷却(比如在泵、柴油机组、变压器中)、反应堆外壳冷却以及具有电致热负荷的空间的冷却。当然在非核领域中也可以有很多应用。
优选地在该衰减容器的内部空间中设置有液体密封结构，该液体密封结构尤其是作为其集成件或者其中预安装的组成部分，这简化了整个系统的安装。
在一种第一有利的变化中，也被称作虹吸管的液体密封结构具有U形、S形或J形的管段，其比如在家用设备领域中是常见的。
在一种第二有利的变化中，液体密封结构如此来实现，使得管或管末端浸入到侧面围绕的、从上面向衰减容器内室开口的容器或器皿中，使得可以形成液柱。
在优选的扩展中，蒸发器导入管和蒸发器导出管通入到衰减容器的底部区域中，也即优选地相互有一些间距。从而保证了一方面通过蒸发器所流入的由液体和蒸发的冷却介质组成的混合物可以在衰减容器中相分离，并且另一方面在底部区域所收集的液体冷却介质可以简单而畅通地流出到该蒸发器导入管中。
冷凝器导入管相反则优选进入到该衰减容器的顶部区域中，使得在液体冷却介质上方所收集的蒸汽可以简单而畅通地流入到该导管中。
为支持在该冷却回路中的自然循环，该衰减容器优选地设置在该冷凝器下方，其中该冷凝器导出管-必要时除去包含液体密封的区段-至少主要作为下降管来构造。
通过本发明所实现的优点尤其在于，通过回路与该蒸发器和冷凝器的脱耦，以及通过实现流体动力减振器，在无源系统中实施监管措施，以在蒸发器和冷凝器中建立稳定的和定向的流。
附图说明
下面借助附图来详细解释本发明的一个实施例。在此以相应相当简化和示意的形式：
图1示出了根据现有技术的无源两相冷却回路，
图2示出了根据本发明的无源两相冷却回路，以及
图3示出了对图2的局部的可选变化。
相同的或功能相同的部分在附图中设置相同的参考符号。
具体实施方式
图1示出了一种常规冷却回路2的示意概括图，如其在很多技术应用中所使用的，其中它用于从加热的设备区域来传输走多余的热量。所参与的流体的流方向分别通过流箭头来表示。
在回路中所引导的冷却介质首先以液体的形式通过蒸发器导入管4(也称作蒸发器导入通路或供给导管)进入到蒸发器6中。该蒸发器6作为热换热器来构造，其通过热耦合的热源70、在此单纯示例地以引导热介质的加热导管8的形式而被加热。通过该热源70的热传导，该冷却介质在该蒸发器6中至少部分地被蒸发。如此生成的冷却介质蒸汽通过蒸发器导出管10(也称作蒸发器返回通路或蒸汽导管)离开该蒸发器6。
在之后的下游，该冷却介质蒸汽通过冷凝器导入管16(也称为冷凝器导入通路)进入到冷凝器18中。该冷凝器18作为换热器来构造，其热耦合到散热器72上，在此单纯示例地以引导冷却介质的冷却导管20的形式。通过热传导到该散热器72，该冷却介质蒸汽在该冷凝器18中被冷凝。以这种方式再次被液化的冷却介质通过冷凝器导出管22(也称作冷凝器返回通路)离开该冷凝器18，其中冷凝器导出管22在之后的下游过渡到该蒸发器导入管4，如此使得在此重新开始该循环。
在具有强制流的冷却回路的情况下，在该蒸发器导出管10与该冷凝器导入管16之间连接了泵14以传输冷却介质。
但是对于多种应用，该冷却回路2优选地作为无源回路来构造，其不需要有源部件、尤其不需要泵。在这种情况下，该蒸发器导出管10直接过渡到该冷凝器导入管16。在此，按照自然循环的原则通过在该热源70与散热器72之间的温差而产生冷却介质的回路。为此，所涉及的部件相互以合适的对地高度来设置，并且相应的导管横截面等合适地确定尺寸。该冷却介质关于其沸腾温度以合适的方式与冷却回路2中的温度比和压力比的组合相协调，使得在该蒸发器6中实际进行所期望的蒸发，并在该冷凝器18中实际进行所期望的冷凝。根据该冷却介质从液体到气体以及返回的相变化而称为两相冷却回路。
两相热传导系统实现了在运行温度差小的情况下高的热传导速率。但是压力冲击以及冷凝冲击是所存在的一个问题，因为可能出现极端的机械应力。这在最差情况下导致系统的干扰。
由于在流引导部件中的不稳定以及部分混乱的过程，从而可能导致在系统中强烈的波动或振动，使得引导蒸汽的流区域被偏移到具有较冷壁温度的区域中。那么在某些情况下导致蒸汽的突然的冷凝，并从而导致所述的冷凝冲击。
这大致如下来理解：如果在该蒸发器的管路中形成了蒸汽泡，那么就对环境进行剧烈冷却。尤其感兴趣的是管壁的循环冷却。也即，管壁再次需要一些时间，以进行加热并实现必要的过热。从而局部存在强烈的波动，其以一定的频率来振动。因为在蒸发器管中存在不同的沸腾区域，其以不同的频率来振动，所以本身在整体稳定的状态下局部产生不稳定的状态。但是因为在无源系统中局部的沸腾条件也负责提供流的驱动力，所以就总是存在流波动。在最差情况下局部或整体产生谐振，并且整个系统处于非常不利的状态(热导出可能大大降低)。
另外还存在以下的缺点：根据散热器处于哪个等级，在冷凝器中可能出现冷凝的过冷。过冷的液体必须在该蒸发器中首先再次被变到蒸发温度。但是因为单相热传导比两相传导明显更差，所以蒸发器的潜力仅被不充分地利用。
这类现象根据本发明通过在图2中所推荐的设备而减少或甚至完全避免。以下的说明基于的是图1的说明，并侧重于现在所进行的对该冷却回路2的改进。
改进的重要元素是在该冷却回路2中所集成的、与液柱相结合而用作液体动力减振器的衰减容器24，关于其用于把蒸发器回路与冷凝器回路相脱耦的功能，其还可以称作脱耦容器(见下文)。该衰减容器24具有在所有侧都被外壁26相对于环境耐压地封闭的内室28，该内室的体积针对与其关联的主任务、即减振和介质引导而言而是尺寸足够大的。另外，还设置有四个功能相互不同的端子30、32、34、36，端子以特定的方式与冷却回路2的导管系统相连接。在该冷却回路2的运行期间，在该衰减容器24的内室28中收集液体冷却介质以及冷却介质蒸汽，其中该液相由于有效的重力而向下沉降到底部区域38，并且气态/蒸汽态相在上面向顶部区域40聚集。
第一端子30在该衰减容器24的底部区域38中、尤其直接在底部引导穿过外壁26。它与引导至该蒸发器入口42的蒸发器导入管4相连接，使得在运行期间在底部区域38中所聚集的液体冷却介质通过该端子30以及该蒸发器导入管4而流向该蒸发器6，在那里进行冷却介质的蒸发。
在第二端子32上，其中该端子同样在该衰减容器24的底部区域38中，尤其直接在底部中，可能稍高一些引导穿过该外壁26，连接了从该蒸发器出口44引来的蒸发器导出管10。通常在该蒸发器6中的冷却介质不是全部地、而是仅仅部分地被蒸发，并且由液体冷却介质和冷却介质蒸汽所产生的混合物从而通过该蒸发器导出管10和该端子32导入到该衰减容器24的内室28中，在那里如前所述进行相分离。
第三端子34在该衰减容器24的顶部区域40中、尤其直接在顶部中引导穿过该外壁26。在其上连接了引导至该冷凝器入口46的冷凝器导入管16，使得在该顶部区域40中所聚集的冷却介质蒸汽通过该端子34和该冷凝器导入管16而流向该冷凝器18，在那里进行冷却介质蒸汽的冷凝。
最后第四端子36在该衰减容器24的顶部区域40中、尤其直接在顶部中引导穿过该外壁26。其上连接了从该冷凝器出口48引来的冷凝器导出管22，使得在该冷凝器18中液化的冷却介质通过该冷凝器导出管22和该端子36流到该衰减容器24中。
在首先所述的三个端子30、32、34中，所连接的导管(即，蒸发器导入管4、蒸发器导出管10和冷凝器导入管16)就此而言直接通入到该衰减容器24的内室中，如同在正常运行的流动条件下实现了在该内室28与导管(即，蒸发器导入管4、蒸发器导出管10、以及冷凝器导入管16)之间的压力平衡。与之不同的是，该第四端子36如此设置，使得连接于其上的导管、也即该冷凝器导出管22在形成液体密封结构50的情况下而通入该衰减容器24的内室28中。这种液体密封结构50也被称作虹吸或陷阱。通过在该冷却回路2运行中所形成的由液体冷却介质所形成的液柱52，抑制了气体的通过或总之难以通过，如此使得在该内室28与该冷凝器导出管22之间实现了压力分隔。所形成的液柱52的高度δH在此与所存在的压力差δp相关。
该液体密封结构50原则上可以设置在该衰减容器24外部。但是其有目的地在该衰减容器24的内室28中一个管段中来实现，并可以采用任何一种适合该功能的形式。比如其可以如在图2中所示具有管末端54，其从上面浸入到向上开口的容器56中。代替地或附加地，可以采用已知的U形、S形或J形的管段58或功能类似的实施方式，如在图3中示例地借助J形的拱形所示。
通过虹吸的液柱52，实现了蒸汽的回流以及系统的衰减。也即，根据所期待的系统稳定性，必须实现该液柱52。在图2中环绕的容器56的朝上的开口具有比浸入的管54明显更大的横截面。也即，在容器56中小的高度差实现了在管54中明显更大的高度差(对应于面积比)。因为整个高度差δH与压力差δp相关，所以降低了系统中的压力波动。虹吸的构造高度必须与该系统的整个带宽相协调。也即，在热功率小的情况下，液相主要位于蒸发器区域中——该容器几乎是空的。在热功率高的情况下，相对多的液相位于该容器中(由于在该蒸发器中高的蒸汽成分)。应据此来设置这些部件。
为了支持在该冷却回路2中的自然循环，该蒸发器6、该冷凝器18以及该衰减容器24相对地处于合适的对地高度。该衰减容器24尤其优选地低于该冷凝器18来设置，使得从该冷凝器18引导至该衰减容器24的冷凝器导出管22基本作为下降管来构造。在单纯的流体静力学观点上，另外还认为有利的是，该蒸发器6低于该衰减容器24来设置。因此，该蒸发器导出管10优选地是上升管，并且该蒸发器导入管4是下降管。但是因为这里其是流体动力系统，该系统另外还具有两相性，所以在实践中一种变化的配置可以被证实为是积极的。
总之在图2的冷却回路2中从而不仅从该蒸发器6引导至该冷凝器18的管线、而且从该冷凝器18引导至该蒸发器6的管线都穿过共同的衰减容器24。在该衰减容器24中的该液柱52连同由内室28所实现的平衡容积一起通过其用作流体动力减振器而实现了回路的脱耦以及在瞬态范围内对于流的稳定。另外通过该液柱52还实现了在该冷凝器18中出口侧的压力降低，由此实现了在冷凝器18中进行驱动的压力差的提高并从而实现了在该冷却回路2中质量流的提高。
该衰减容器24的另一优点是冷凝的预热。因为在该蒸发器出口44上具有小于一的(相对)蒸汽含量，所以一部分饱和液体通过该衰减容器24再次返回流到该蒸发器入口42。在此进行可能过度冷却的冷凝液与饱和液体的混合。因此减小了在该冷凝器6中单相热传递的范围，并改善了整个过程(热动力优化)。
在图2和3中所示的设备从而不仅用于在无源两相回路过程的情况下热导出的效率提升，而且还用于降低冷凝冲击。
参考符号列表
2 冷却回路
4 蒸发器导入管
6 蒸发器
8 加热导管
10 蒸发器导出管
14 泵
16 冷凝器导入管
18 冷凝器
20 冷却导管
22 冷凝器导出管
24 衰减容器
26 外壁
28 内室
30 第一端子
32 第二端子
34 第三端子
36 第四端子
38 底部区域
40 顶部区域
42 蒸发器入口
44 蒸发器出口
46 冷凝器入口
48 冷凝器出口
50 液体密封结构
52 液柱
54 管末端
56 容器
58 管段
70 热源
72 散热器

Claims (5)

1.一种无源两相冷却回路(2)，其具有用于在该冷却回路(2)中所引导的冷却介质的蒸发器(6)和冷凝器(18)，其中在该蒸发器(6)上连接了蒸发器导入管(4)和蒸发器导出管(10)，并且其中在该冷凝器(18)上连接了冷凝器导入管(16)和冷凝器导出管(22)，
其中该蒸发器导入管(4)、该蒸发器导出管(10)、该冷凝器导入管(16)和该冷凝器导出管(22)连接到共同的衰减容器(24)上，其中在该冷凝器导出管(22)中在该冷却回路(2)运行时形成有由液体冷却介质构成的液柱(52)，所述液柱承担了液体密封结构(50)的功能以及流体动力减振器的功能，
其特征在于，
该冷凝器导出管(22)通入到该衰减容器(24)的顶部区域(40)中并且具有伸入到该衰减容器(24)的内室(28)中的管段，在该管段中实现了该液体密封结构(50)。
2.根据权利要求1所述的冷却回路(2)，其中该液体密封结构(50)具有U形、S形、或J形的管段(58)。
3.根据权利要求1至2之任一所述的冷却回路(2)，其中该液体密封结构(50)具有管末端(54)，该管末端浸入到向上开口的容器(56)中。
4.根据权利要求1至2之任一所述的冷却回路(2)，其中该蒸发器导入管(4)和该蒸发器导出管(10)通入到该衰减容器(24)的底部区域(38)中。
5.根据权利要求1至2之任一所述的冷却回路(2)，其中该衰减容器(24)设置得低于该冷凝器(18)，并且其中该冷凝器导出管(22)主要作为下降管来构造。
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