CN106556276A - 一种泵驱动两相流体热传输系统 - Google Patents
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Abstract
一种泵驱动两相流体热传输系统，其具有由液体泵、供液干路、至少一个蒸发支路、液体汇总管、气体汇总管、气液混合器、回汽干路、冷凝器组、储液器及回液干路所组成的流体回路。其特征在于，各个所述蒸发支路包括：供液支路、回液支路、蒸发器及气体支路；所述蒸发器可为单个蒸发器或组合式蒸发器，单个蒸发器及组合式蒸发器内均具有由液体通道、毛细芯和气体通道所组成的流体通道，且所述毛细芯将所述液体通道和所述气体通道相互隔离。本发明能够在小温差下长距离传输较大冷量，且工质在蒸发器中汽化后，气态工质和液态工质相分离，并分别通过相互独立的管路进行传输，因而能够自动在热源间按需分配冷量，系统简单，运行可靠，换热效率高。
Description
技术领域
本发明涉及传热设备技术领域，具体涉及一种泵驱动两相流体热传输系统。
背景技术
随着互联网数据中心IT设备的功率密度和发热密度的持续增加，传统的冷却方式在冷量分配、散热效率以及噪音等方面出现了一系列难以克服的问题。近几年分布式冷却系统即直接对发热设备进行冷却而无需对整个设备间进行冷却的系统得到了开发和应用。
除数据中心的散热需求外，通讯基站散热系统的节能需求也很迫切。我国移动通信网络的规模已居世界首位且仍在迅速扩大。目前该行业年耗能超过300亿千瓦时，其中基站能耗占到69％以上，而基站能耗中的43％以上由基站散热所用的空调消耗，因此，基站节能至关重要。基站节能中比较先进的即是高效分布式冷却系统。
目前开发应用的分布式冷却系统基本为多联机空调、单相冷却系统、分离式重力热管系统、液泵驱动多重回路热管系统等。但这些冷却系统都存在一项或多项技术缺陷。多联机空调系统，如专利号：CN101487640A中公开的一种移动通讯基站设备分布式冷却系统，其具有多个蒸发器分别对设备进行散热，每一蒸发器都需要一套阀门实施节流和控制流量，系统复杂，可靠性不足，且风道管路尺寸大，耗材并占用空间；单相冷却系统如水冷散热系统利用工质显热传热，传热效率非常低；分离式重力热管系统，换热效率高，但是，其仅依靠重力驱动工质循环和控制工质在不同蒸发支路间的分配，因此存在驱动力不足、冷热源位置受限、多个热源之间冷量分配不合理、蒸发器不能承受高热流密度等问题；液泵驱动多重回路热管系统，如专利号：CN102607120A中公开的一种复叠机械制冷的液泵驱动热管装置及运行方法，该装置驱动力足、载冷量大、冷热源位置不受限，但是没有解决多个热源之间冷量的分配问题。
不仅通讯行业的散热需求迫切，目前我国舰艇上大功率电子设备多采用水冷散热系统，该冷却方式载冷量小，限制了设备的发射功率和持续工作时间，且随着主战装备性能的提高，问题愈发明显。所以，该行业也迫切需求一种冷却能力更强的电子设备散热系统。
综上所述，在通信领域、船舶军工领域都存在着对大功率、高效、可靠、环境适应力强的分布式冷却系统的迫切需求。
发明内容
为了解决上述散热需求与现有技术之间的矛盾，本发明提出了一种泵驱动两相流体热传输系统。该系统不仅能够在较小温差下实现大冷量的长距离传输，而且，在不需要任何阀门调节下，即可在不同热源间按需分配冷量。所以，具有系统简单，运行可靠，高效传热，安装方便等优点。
本发明采用如下技术方案：
一种泵驱动两相流体热传输系统，其具有由液体泵、供液干路、至少一个蒸发支路、液体汇总管、气体汇总管、气液混合器、回汽干路、冷凝器组、储液器以及回液干路所组成的流体回路，其特征在于，各个所述蒸发支路包括：供液支路、回液支路、蒸发器以及气体支路；所述蒸发器可以为单个蒸发器或者组合式蒸发器；
所述单个蒸发器包括：一条由液体通道、毛细芯和气体通道组成的流体通道以及壳体；所述毛细芯将该单个蒸发器的所述液体通道和所述气体通道相互隔离；所述液体通道设有工质流通的入口，并与该单个蒸发器所在蒸发支路的所述供液支路相连通；所述液体通道设有工质流通的出口，并与该单个蒸发器所在蒸发支路的所述回液支路相连通；所述单个蒸发器的所述气体通道设有工质出口，并与该单个蒸发器所在蒸发支路的所述气体支路相连通；
所述组合式蒸发器包括：供液管、出液管、出气管、两条及两条以上由液体通道、毛细芯和气体通道所组成的流体通道以及壳体；所述毛细芯将所述液体通道和所述气体通道相互隔离；所述供液管与该组合式蒸发器所在蒸发支路的所述供液支路相连通；所述出液管与该组合式蒸发器所在蒸发支路的所述回液支路相连通；所述出气管与该组合式蒸发器所在蒸发支路的所述气体支路相连通。
所述液体泵为容积式泵。
所述流体工质为烷烃、烯烃及其卤代物或者氨、甲醇、乙醇、乙二醇中的任意一种。
同一流体回路中的多个所述蒸发支路之间可以采用串联、并联及串并混合联中的任意一种形式进行连接。
同一流体回路中的多个所述蒸发支路之间的管路为同程布置。
所述冷凝器组由一个或多个冷凝器并联组成。
所述单个蒸发器的外形结构可为管式结构或板式结构。
所述单个蒸发器以及所述组合式蒸发器中的所述毛细芯均为多孔烧结结构，其孔径可为单一孔径形式或多种孔径复合形式中的任意一种，最大有效毛细孔径≤2微米，其材质为低导热率固体材料，可为不锈钢、镍、聚四氟乙烯以及陶瓷中的任意一种。
所述单个蒸发器以及所述组合式蒸发器的壳体均为高导热率固体材料，优选铝材。
所述组合式蒸发器的所述供液管、所述出液管以及所述出气管在所述组合式蒸发器的所述壳体内的部分为在所述壳体内加工槽道而成。
所述组合式蒸发器的所述流体通道的外围结构为在所述组合式蒸发器的所述壳体内加工槽道而成。
所述组合式蒸发器的所述流体通道可为圆管槽道或矩形管槽道。
同一所述组合式蒸发器中的多个所述流体通道同程布置。
所述单个蒸发器以及所述组合式蒸发器对热源的冷却方式均可为直接接触导热式或对流冷却式，采用对流冷却式时，所述单个蒸发器以及所述组合式蒸发器的所述壳体的外侧均设翅片。
所述冷凝器组的冷源可以为风冷、水冷以及机械制冷形式中的任意一种或几种的组合。
多个所述流体回路可以共用一个冷凝器组。
本发明的有益效果
(1)本发明一种泵驱动两相流体热传输系统，在单个蒸发器及组合式蒸发器内均设置毛细芯，该毛细芯将单个蒸发器及组合式蒸发器中的气体通道和液体通道相互隔离，并各自连接相互独立的管路分别传输气态工质和液态工质。工质吸收热源热量在蒸发器气体通道侧的毛细芯表面发生汽化，并同时形成毛细力。该毛细力可以提供液体渗透毛细芯和气态工质沿管路流动的驱动力，并且随上述两项阻力的大小，自动变化适应。热负荷越大的蒸发器，渗透和汽化的工质越多，所形成的毛细力也越大。因此，该系统可自动实现冷量按需分配，而无需任何调节阀，系统更简单，更可靠，维护少，寿命长。
(2)本发明一种泵驱动两相流体热传输系统，使用液体泵驱动工质进行循环，相比以重力或毛细力为主要驱动力的流体回路，具有更强的驱动力。因此，具有抗重力工作、传热距离远、传热量大的优势，并且缩小了管路直径，并且消除了传统地面应用的回路热管中蒸发器与冷凝器的相对高度限制，安装维护更方便。
(3)本发明一种泵驱动两相流体热传输系统，利用工质相变潜热大，传热系数高的优点，在冷热源之间的高效换热，相比单相冷却系统换热效率高。
附图说明
图1为本发明中单个蒸发器实施例的纵剖面图；
图2为本发明中单个蒸发器实施例的横剖面图；
图3为本发明中组合式蒸发器实施例的结构示意图；
图4为图3的A-A剖面图；
图5为图3的B-B剖面图；
图6为图3的C-C剖面图；
图7为本发明实施例一所述的一种泵驱动两相流体热传输系统示意图；
图8为本发明实施例二所述的一种泵驱动两相流体热传输系统示意图；
图9为本发明实施例三所述的一种泵驱动两相流体热传输系统示意图。
以上图中：100-单个蒸发器，101-蒸发器100的液体通道，102-蒸发器100的毛细芯，103-蒸发器100的气体通道，104-蒸发器100的壳体。
200-组合式蒸发器，201-蒸发器200的液体通道，202-蒸发器200的毛细芯，203-蒸发器200的气体通道，204-蒸发器200的壳体；205-蒸发器200的供液管，206-蒸发器200的出液管，207-蒸发器200的出气管。
1-液体泵，2-供液干路，3-液体汇总管，4-气体汇总管，5-气液混合器，6-回汽干路，7-冷凝器，8-储液器，9-回液干路。
31～38-蒸发支路，311-蒸发支路31的供液支路，312-蒸发支路31的回液支路，313-蒸发支路31的气体支路，321-蒸发支路32的供液支路，322-蒸发支路32的回液支路，323-蒸发支路32的气体支路。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式作详细说明。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
单个蒸发器实施例：图1为本发明中单个蒸发器实施例的纵剖面图，图2为本发明中单个蒸发器实施例的横剖面图。如图1和图2所示，蒸发器100包括液体通道101、毛细芯102、气体通道103以及壳体104。毛细芯102将蒸发器100的液体通道101和气体通道103相互隔离。毛细芯102为多孔烧结结构，其孔径可为单一孔径形式或多种孔径复合形式中的任意一种，有效毛细孔径≤2微米，其材质为低导热率固体材料，可为不锈钢、镍、聚四氟乙烯以及陶瓷中的任意一种。与壳体104相连的毛细芯部分对毛细芯102起支撑作用。壳体104采用高导热材料，优选铝材。
液体通道101的入口与该蒸发器100所在蒸发支路的供液支路相连通；液体通道101的出口与该蒸发器100所在蒸发支路的回液支路相连通；蒸发器100上部的壳体上设有气体出口，该出口连通气体通道103以及该蒸发器所在蒸发支路的气体支路。
组合式蒸发器实施例：图3为本发明中组合式蒸发器实施例的结构示意图；图4为图3的A-A剖面图；图5为图3的B-B剖面图；图6为图3的C-C剖面图。组合式蒸发器200包括：三条由液体通道201、毛细芯202和气体通道203所组成的流体通道，壳体204，供液管205，出液管206以及出气管207。每个流体通道中的毛细芯202将该流体通道中的液体通道201和气体通道203相互隔离。毛细芯202为多孔烧结结构，其孔径可为单一孔径形式或多种孔径复合形式中的任意一种，最大有效毛细孔径≤2微米，其材质为低导热率固体材料，可为不锈钢、镍、聚四氟乙烯以及陶瓷中的任意一种。壳体204采用高导热材料，优选铝材。流体通道的外围结构为在组合式蒸发器200的壳体204内加工槽道而成。供液管205、出液管206以及出气管207在壳体204内的部分为在壳体204上加工槽道而成。供液管205的出口与该组合式蒸发器中的各个流体通道中的液体通道201的入口相连；出液管206的入口与该组合式蒸发器中的各个流体通道中的液体通道201的出口相连；出气管207的入口与该组合式蒸发器中的各个流体通道中的气体通道203相连。
各流体通道同程布置，以消除各流体通道中液体管路沿程阻力的差异，从而保证各流体通道中液体通道侧的毛细芯具有压力相近的液态工质供应。供液管205的入口与该组合式蒸发器所在蒸发支路的供液支路相连通；出液管206的出口与该组合式蒸发器所在蒸发支路的回液支路相连通；出气管207的出口与该组合式蒸发器所在蒸发支路的气体支路相连通。
图7为本发明实施例一所述的一种泵驱动两相流体热传输系统示意图，其具有：液体泵1、供液干路2、第一蒸发支路31、第二蒸发支路32、液体汇总管3、气体汇总管4、气液混合器5、回汽干路6、冷凝器7、储液器8以及回液干路9。
其中，第一蒸发支路31包括供液支路311、第一蒸发器100、回液支路312以及气体支路313。供液支路311、第一蒸发器100的液体通道101以及回液支路312相连通；气体支路313与第一蒸发器100的气体通道103相连通。第二蒸发支路32包括供液支路321、第二蒸发器100、回液支路322以及气体支路323。其中供液支路321、第二蒸发器100的液体通道101以及回液支路322相连通，气体支路323与第二蒸发器100的气体通道103相连通。
液体泵1、供液干路2、并联后的第一蒸发支路31和第二蒸发支路32依次连接。第一蒸发支路31的回液支路312与第二蒸发支路32的回液支路322并联后与液体汇总管3相连。第一蒸发支路31的气体支路313与第二蒸发支路32的气体支路323并联后与气体汇总管4相连。液体汇总管3和气体汇总管4均与气液混合器5相连。气液混合器5、回汽干路6、冷凝器7以及回液干路9依次连接。如此循环构成回路。储液器8安装于液体泵1进口前的液体管路上。其中，蒸发器100的结构同图1和图2所示的单个蒸发器实施例的结构。
本发明实施例一所述的一种泵驱动两相流体热传输系统的工作原理：液体泵1驱动单相液态工质沿供液干路2流动，分别由第一蒸发支路31中的供液支路311和第二蒸发支路32中的供液支路321进入第一、第二蒸发器100。第一蒸发器100中液体通道101内的液态工质吸收热源热量而部分汽化，毛细芯102将相变产生的气体与剩余液体进行分离。分离后的气体经气体通道103进入第一蒸发支路31中的气体支路313，而剩余的液态工质流入回液支路312。第二蒸发器100的工作原理与第一蒸发器100的工作原理相同。第二蒸发支路32中相变后的气态工质进入气体支路323，而剩余的液态工质流入回液支路322。两蒸发支路中的气态工质，沿气体汇总管4进入气液混合器5。液态工质沿液体汇总管3进入气液混合器5。气液两相工质在气液混合器5内混合。混合后的工质在压差作用下呈柱塞流由回汽干路6进入冷凝器7。该压差为蒸发器中工质与冷凝器中工质由温度差所形成的饱和压力的差值。混合后的工质在冷凝器7内充分放热冷凝后，变为单相液态工质，由回液干路9回到液体泵1。如此循环，热量便由热源传输到了环境。储液器8向系统初始充注工质并补充系统可能因长期运行或故障而少量泄漏的工质。
系统自动按需分配冷量的原理：在蒸发器100吸收热源热量过程中，部分工质从液体通道101渗透过毛细芯102，在气体通道103侧的毛细芯表面发生汽化，形成汽液固三相交界面，并在此处产生毛细力。汽化的工质由气体通道103进入气体支路，并沿气体支路流至气液混合器5。发生汽化的工质量为:
式(1)中：m为发生汽化的工质量，Q为热源热负荷，γ为工质的汽化潜热。发生汽化的工质从液体通道101渗透过毛细芯102的压力P1与其工质量m有关，
P1＝f1(m) (2)
汽化后的气态工质流经气体支路时的阻力P2与其工质量m有关，即
P2＝f2(m) (3)
汽液固三相交界面处毛细力计算公式为：
式(4)中：PC为毛细力，σ为液体的表面张力，r为曲率半径。工质确定，温度确定的情况下，表面张力为定值，因此，毛细力仅与曲率半径相关。曲率半径的取值范围为(rS，+∞)其中，rS为毛细孔径。毛细力总具有维持弯月面状态的趋势。在毛细力消失之前，其总具有维持汽化界面处压力平衡的能力，因此：
PC＝P1+P2＝f1(m)+f2(m)＝f3(m) (5)
毛细力可以提供工质从液体通道101渗透过毛细芯102的压力P1和克服气态工质流经气体支路时的阻力P2，其大小可根据上述两项阻力之和自动调整。并且各蒸发器中的毛细力大小与该蒸发支路中工质的汽化量相对应，因此各蒸发支路形成的不同毛细力能够保证各蒸发支路按各自吸热量供给需要相变的工质，实现了系统总制冷量在不同蒸发器之间的按需分配。
由于毛细芯102侧的流动阻力远大于液体支路侧的流动阻力，因此未蒸发的液态工质流入蒸发支路中的回液支路，而不会流入到气体通道103侧，保证了气液两相工质的分离。
图8为本发明实施例二所述的一种泵驱动两相流体热传输系统的结构示意图。其具有三个蒸发支路，各个蒸发支路中蒸发器的结构同图1和图2所示的单个蒸发器的实施例。蒸发支路33与蒸发支路34并联后与蒸发支路35串联。三个蒸发支路之间的管路为同程布置，所以各支路中工质的流量和压力差别很小。从而保证各蒸发器中液体通道侧的毛细芯具有压力相近的液态工质供应。本系统还具有两个并联的冷凝器7。系统其余部分的结构和工作原理同实施例一。
如图9所示为本发明实施例三所述的一种泵驱动两相流体热传输系统，其具有流体回路m和流体回路n。流体回路m和流体回路n分别具有各自的液体泵1、供液干路2、蒸发支路、液体汇总管3、气体汇总管4、气液混合器5、回汽干路6、储液器8以及回液干路9，并共用一个冷凝器7。其中，流体回路m具有两个并联的蒸发支路36和蒸发支路37。流体回路n具有一个蒸发支路38。各蒸发支路中蒸发器的结构同图3、图4、图5以及图6所示的组合式蒸发器实施例的结构。
本发明实施例三所述的一种泵驱动两相流体热传输系统工作时，流体回路m中的液体泵1驱动工质沿供液干路2流动，分别进入蒸发支路36和蒸发支路37中的组合式蒸发器200。工质在其内发生汽化，气态工质由组合式蒸发器200中的出气管207进入各气体支路，两气体支路并联后，工质汇入气体汇总管4，后进入气液混合器5。而未蒸发的液态工质由出液管206进入各蒸发支路中的回液支路，两回液支路并联后，工质汇入液体汇总管3，后流入气液混合器5。气液两相工质在气液混合器5内混合后，经回汽干路6进入冷凝器7，并在其内充分冷凝后，变为单相液态工质，经回液干路9回到液体泵1。如此循环，热量便由热源传输到了环境。组合式蒸发器200中各个流体通道内工质的流动与传热原理同实施例一中单个蒸发器100的工作原理，因此能够保证气液两相工质的分离，并且实现系统总制冷量在不同蒸发器之间的按需分配。流体回路n的工作原理与流体回路m的工作原理类似，在此不再多作说明。
两流体回路共用一个冷凝器的有益效果：实施例三中流体回路m和流体回路n共用一个冷凝器7。冷凝器7的冷凝能力等于流体回路m和流体回路n的最大放热量之和。在实际使用中，同一机房中流体回路的冷凝器一般集中放置，多个流体回路共用冷凝器组，可以避免每个流体回路使用一个冷凝器，造成冷凝器过多，而占用面积过大。由于流体回路m和流体回路n中的液体泵1均为容积式泵，流量为定值，所以可以保证各流体回路中的工质流量为定值，而不会因为共用冷凝器而造成各流体回路中工质量的变化。
Claims (16)
1.一种泵驱动两相流体热传输系统，其具有由液体泵、供液干路、至少一个蒸发支路、液体汇总管、气体汇总管、气液混合器、回汽干路、冷凝器组、储液器以及回液干路所组成的流体回路，其特征在于，各个所述蒸发支路包括：供液支路、回液支路、蒸发器以及气体支路；所述蒸发器可以为单个蒸发器或者组合式蒸发器；
所述单个蒸发器包括：一条由液体通道、毛细芯和气体通道组成的流体通道以及壳体；所述毛细芯将该单个蒸发器的所述液体通道和所述气体通道相互隔离；所述液体通道设有工质流通的入口，并与该单个蒸发器所在蒸发支路的所述供液支路相连通；所述液体通道设有工质流通的出口，并与该单个蒸发器所在蒸发支路的所述回液支路相连通；所述单个蒸发器的所述气体通道设有工质出口，并与该单个蒸发器所在蒸发支路的所述气体支路相连通；
所述组合式蒸发器包括：供液管、出液管、出气管、两条及两条以上由液体通道、毛细芯和气体通道所组成的流体通道以及壳体；所述毛细芯将所述液体通道和所述气体通道相互隔离；所述供液管与该组合式蒸发器所在蒸发支路的所述供液支路相连通；所述出液管与该组合式蒸发器所在蒸发支路的所述回液支路相连通；所述出气管与该组合式蒸发器所在蒸发支路的所述气体支路相连通。
2.根据权利要求1所述的一种泵驱动两相流体热传输系统，其特征在于：
其中，所述液体泵为容积式泵。
3.根据权利要求1所述的一种泵驱动两相流体热传输系统，其特征在于：
其中，所述流体工质为烷烃、烯烃及其卤代物或者氨、甲醇、乙醇、乙二醇中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的一种泵驱动两相流体热传输系统，其特征在于：
其中，同一流体回路中的多个所述蒸发支路之间可以采用串联、并联及串并混合联中的任意一种形式进行连接。
5.根据权利要求1所述的一种泵驱动两相流体热传输系统，其特征在于：
其中，同一流体回路中的多个所述蒸发支路之间的管路同程布置。
6.根据权利要求1所述的一种泵驱动两相流体热传输系统，其特征在于：
其中，所述冷凝器组由一个或多个冷凝器并联组成。
7.根据权利要求1所述的一种泵驱动两相流体热传输系统，其特征在于：
其中，所述单个蒸发器的外形结构可为管式结构或板式结构。
8.根据权利要求1所述的一种泵驱动两相流体热传输系统，其特征在于：
其中，所述单个蒸发器以及所述组合式蒸发器中的所述毛细芯均为多孔烧结结构，其孔径可为单一孔径形式或多种孔径复合形式中的任意一种，最大有效毛细孔径≤2微米，其材质为低导热率固体材料，可为不锈钢、镍、聚四氟乙烯以及陶瓷中的任意一种。
9.根据权利要求1所述的一种泵驱动两相流体热传输系统，其特征在于：
其中，所述单个蒸发器以及所述组合式蒸发器的壳体均为高导热率固体材料，优选铝材。
10.根据权利要求1所述的一种泵驱动两相流体热传输系统，其特征在于：
其中，所述组合式蒸发器的所述供液管、所述出液管以及所述出气管在所述组合式蒸发器的所述壳体内的部分为在所述壳体内加工槽道而成。
11.根据权利要求1所述的一种泵驱动两相流体热传输系统，其特征在于：
其中，所述组合式蒸发器的所述流体通道的外围结构为在所述组合式蒸发器的所述壳体内加工槽道而成。
12.根据权利要求11所述的组合式蒸发器，其特征在于：
其中，所述流体通道可为圆管槽道或矩形管槽道。
13.根据权利要求11所述的组合式蒸发器，其特征在于：
其中，同一所述组合式蒸发器中的多个所述流体通道同程布置。
14.根据权利要求1所述的一种泵驱动两相流体热传输系统，其特征在于：
其中，所述单个蒸发器以及所述组合式蒸发器对热源的冷却方式均可为直接接触导热式或对流冷却式，采用对流冷却式时，所述单个蒸发器以及所述组合式蒸发器的所述壳体的外侧均设翅片。
15.根据权利要求1所述的一种泵驱动两相流体热传输系统，其特征在于：
其中，所述冷凝器组的冷源可以为风冷、水冷以及机械制冷形式中的任意一种或几种的组合。
16.根据权利要求1所述的一种泵驱动两相流体热传输系统，其特征在于：
其中，多个所述流体回路可以共用一个冷凝器组。
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