CN110145953A - 一种分离式微槽道毛细虹吸管式热交换机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种分离式微槽道毛细虹吸式热交换机，包括壳体，分离式散热模块和风机装置；分离式散热模块分为自驱动循环与泵驱动循环两个单独回路，自循环回路包括自循环冷凝放热单元、自循环蒸发吸热单元、自循环回流管以及自循环上升管；泵驱动回路除包括泵驱动冷凝放热单元、泵驱动蒸发吸热单元、泵驱动上升管、驱动泵回流管以及设置在驱动泵回流管上的驱动泵。本发明以主被动结合的双回路分离式散热模块为核心，具有换热能力更强，循环驱动力有保障，等温效果更好的优点，可将密闭机柜内的热量高效的排放到环境中，具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种热交换机，具体涉及的是分离式微槽道毛细虹吸式热交换机。
背景技术
随着微机电技术的发展，电子元器件呈现出集成度高，体积小，工作功耗高的发展趋势，极大地提高了电子系统对散热模块散热能力的要求。而对于工作在户外及厂房等地的大功率通讯机柜，由于工作环境恶劣，通常采用将通讯电子系统放置于密闭机柜中的措施，从而防止环境中灰尘、湿空气、腐蚀性气体等不利环境因素的影响，保证通讯电子系统的安全稳定运行。但密闭机柜内的散热环境恶劣，容易出现机柜内温度过高而导致电子系统失效的问题。因此，必须采用在通信机柜上加装热交换机的方法，及时将电子系统散发的热量排放的室外环境中去，保证密闭式电子通信机柜的正常运行。
常见的通信机柜热交换机分为两种，分别为交叉板式热交换机与制冷型热交换机。交叉板式热交换机的散热模块为密集布置的平行翅片板，具有成本低廉，生产工艺简单等优点，但其温度梯度损失较大，换热效率比比较有限。制冷型热交换机的散热模块为压缩机制冷模块，容易实现温度控制，散热能力较强，但由于该散热模块为主动制冷式，耗能量大，价格昂贵，结构复杂，安装维护相当不方便。因此，目前的热交换机市场存在开发具有更强散热能力，同时成本更为低廉，更易维护的热交换机的需求。
与常见的流体对流换热的散热模式相比，流体流动相变传热的散热模式具有更高的散热热流密度，更好的等温性，可实现更强的散热能力。基于此，市场上出现了以高性能相变传热器件如热管，热虹吸管，微槽道扁管热沉等为散热单元的热交换机，通过内部充注工质的蒸发吸热与冷凝放热实现热量传递，其有效导热系数高，等温性好，输送距离长，目前已得到了广泛应用。
然而，现有热管型热交换机通常只采用被动式热管芯体，在恶劣工况如极端高温条件下，由于室外环境温度过高，易出现换热温差过小而导致散热效果不佳，机柜内温度过高的情况。因此，本发明设计了一种用于密闭通信机柜散热的主被动结合的双回路分离式微槽道毛细虹吸热交换机，可根据机柜内部温度实现工作模式的转化，从而使热交换机维持较高的传热能力，保障密闭式通信机柜的安全温度运行。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供了一种可有效降低密闭式通讯机柜温度水平的一种分离式微槽道毛细虹吸热交换机，其有效换热面积大，换热性能优异，结构紧凑，应用灵活，易于模块化设计与制造安装。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种分离式微槽道毛细虹吸热交换机，包括壳体，分离式散热模块和风机装置，其特征在于：分离式散热模块为层叠布置的双回路结构，分为自循环回路与泵驱动回路，自循环回路包括自循环冷凝放热单元、自循环蒸发吸热单元、自循环回流管以及自循环上升管；泵驱动回路除包括泵驱动冷凝放热单元、泵驱动蒸发吸热单元、泵驱动上升管、驱动泵回流管以及设置在驱动泵回流管上的驱动泵；在所述壳体内还设置有将壳体内分隔成互相独立的冷空气循环空间与热空气循环空间的隔板；自循环上升管与自循环回流管穿过所述隔板，与所述自循环蒸发吸热单元和自循环冷凝放热单元连接，形成自循环回路；所述泵驱动上升管和及泵驱动回流管穿过所述隔板，与泵驱动蒸发吸热单元及泵驱动冷凝放热单元连接，形成泵驱动回路。
在所述壳体的冷、热空气侧面板上均设置有进风口与出风口。
所述风机装置包括风机支架以及设置在风机支架上的风机，风机支架设置在冷空气侧面板和热空气侧面板的空气进出口处。
所述自循环冷凝放热单元与自循环蒸发吸热单元由扁平微槽道毛细虹吸管、高导热性翅片和工质汇流槽构成；扁平微槽道毛细虹吸管呈多列并排布置，高导热性翅片位于扁平微槽道毛细虹吸管之间，两侧均与所述扁平微槽道毛细虹吸管侧面焊接连接，所述扁平微槽道毛细虹吸管首尾均与所述工质汇流槽连接。
所述泵驱动冷凝放热单元与泵驱动蒸发吸热单元由扁平微槽道毛细虹吸管、高导热性翅片和工质汇流槽构成；扁平微槽道毛细虹吸管呈多列并排布置，高导热性翅片位于扁平微槽道毛细虹吸管之间，两侧均与所述扁平微槽道毛细虹吸管侧面焊接连接，所述扁平微槽道毛细虹吸管首尾均与所述工质汇流槽连接。
本发明一种分离式微槽道毛细虹吸热交换机，包括壳体，分离式散热模块和风机装置，所述的壳体呈长方体形状，由冷空气侧面板、热空气侧面板，侧面板与隔板围合组成。所述的冷、热空气面板上均设置有进风口与出风口，所述的隔板紧固在侧面板内侧，将所述的热交换机分隔成两个独立的空间，所述隔板与所述的冷空气侧面板之间形成的独立空间为所述的冷空气循环空间，与外界环境连通；所述的隔板与所述的热空气侧面板之间形成的独立空间为所述的热空气循环侧，与机柜内空间连通。
所述的分离式散热模块位于所述的壳体内部，为双回路结构，自驱动回路包含冷凝放热单元，蒸发吸热单元，工质回流管，工质上升管；泵驱动回路除包含上述部件外，还包含一个驱动泵。所述的冷凝放热单元处于散热循环空间，所述的蒸发吸热单元处于吸热循环空间，所述的工质上升管与工质回流管穿过所述的隔板，与所述的冷凝放热单元和所述的蒸发吸热单元首尾相连，形成工质循环通路。所述的驱动泵位于工质回流管上，开启时可用于提高工质循环速率。
所述的分机装置包括风机支架与风机，所述的风机支架位于所述的冷空气侧面板和所述的热空气侧面板，所述的风机固定于所述的风机支架上，分别实现冷、热空气循环。
所述的分离式散热模块是一种相变型高效传热装置。其中，所述的冷凝放热单元与所述的蒸发吸热单元由扁平微槽道毛细虹吸管、高导热性翅片和工质汇流槽构成。所述的扁平微槽道毛细虹吸管呈多列并排布置，所述的高导热性翅片位于所述的扁平微槽道毛细虹吸管之间，两侧均与所述的扁平微槽道毛细虹吸管侧面焊接连接，所述的扁平微槽道毛细虹吸管首尾均与所述的工质汇流槽连接，组成所述的冷凝放热单元与所述的蒸发吸热单元。
在所述的分离式散热模块中，所述的蒸发吸热单元的工质吸热蒸发气化膨胀，在各并联扁平微槽道毛细虹吸管内产生热虹吸压差，同时由于所述的扁平微槽道毛细虹吸管内的槽道尺度微小，在表面张力的作用下，可同时产生毛细抽吸压差。这两个驱动压差的作用下，所述的蒸发吸热单元内的工质吸热相变蒸发，进入所述的工质汇流槽后经所述的工质上升管上升进入所述的位于所述的冷凝放热单元上部的工质回流槽，在所述的工质汇流槽内实现工质流量的均匀再分配之后，流入所述的冷凝放热单元的各并联扁平微槽道毛细虹吸管内并产生冷凝放热，成为液体工质。然后在重力的作用下回流至所述的冷凝放热单元下部的工质汇流槽，后经所述的回流管流入所述的蒸发吸热单元进行再循环。
所述的被动自循环工作模式与泵驱动工作模式，其特征在于，
当环境温度较低时，驱动泵不运行，工质在毛细抽吸压差与热虹吸压差的作用下产生运行，热交换器处于被动自循环工作模式。此时由于机柜内部温度与室外环境温度较大，换热温差较大，热量能够及时的被分离式散热模块从机柜内部散发到环境中去，使得机柜内部温度能够低于警戒值，电子系统能够稳定运行。上述运行过程为在两个驱动压差作用下的完全自循环运行，不需要额外消耗泵功进行驱动。
但是，当环境温度过高，换热条件恶劣时，机柜内外换热温差较低，会出现热驱动力不足，所述的分离式散热模块换热能力降低的情况，使得密闭机柜内部温度过高甚至超过阈值，导致电子系统宕机，通讯机柜不能正常运行。为避免此情况的发生，本发明在所述泵驱动回路中的工质回流管上加装了所述的驱动泵，当机柜温度超过设定的警戒值时，驱动泵启动，此时热交换机进入主动泵驱工作模式。此时，驱动泵为工质循环再额外增添一个主动驱动力，提高工质循环效率，加大热量排放能力，将密闭机柜内温度控制在警戒范围以内，从而保证机柜内电子系统的正常运行。
与普通的分离式散热模块相比，本发明提出的主被动结合双回路分离式散热模块，具有换热能力更强，循环驱动力有保障，等温效果更好的优点，可将密闭机柜内的热量高效的排放到环境中。
所述的扁平微槽道毛细虹吸管外形可为矩形、梯形等不同形状。根据热交换机工作环境温度，内部的微槽道截面形状可为工字型、四边形，三角形、波纹形、“Ω”形等，以便在微槽道内边角处形成更强的热毛细抽吸驱动力。
所述的壳体、分离式换热模块等为避免受环境不利因素的腐蚀，选用不锈钢最为壳体材料。所述翅片可有效增加分离式散热模块的换热面积，所述的翅片选用铝制百叶窗翅片，以降低分组，提高传热效率。
所述的空气驱动装置由风机与风机支架构成，风机选用可使空气流动方向发生垂直转向的离心风机。风机支架不锈钢作为材料。
所述的分离式散热模块内的工质，根据工作环境温度要求，可选用水、氨、乙醇、丙醇、丙酮、有机物、制冷剂等任意液态工质。
所述的进风口与出风口上设置有防尘网。
有益效果
本发明分离式微槽道毛细虹吸式热交换机，在各并联扁平微槽道毛细虹吸管内产生热虹吸压差，同时扁平微槽道毛细虹吸管内的槽道结构可提供毛细抽吸压差，因此本发明提出的分离式微槽道毛细虹吸式热交换机换热能力更强，等温性能更好；在扁平微槽道毛细虹吸管之间布置的翅片结构能够有效的增大换热面积；所述的冷凝放热单元与所述的蒸发吸热单元紧密贴合在出风口处，流道简单，流动阻力小，冷热空气循环的有效流通面积大大增加，空气与分离式散热模块对流换热效果好；最后，根据外界环境温度及机柜内温度水平，本发明提出的分离式微槽道毛细虹吸式热交换机可在被动自循环工作模式与主动泵驱工作模式之间进行切换，驱动泵的设置可在需要的时候提供额外驱动力，维持分离式散热模块的高效运行，保障密闭式通信机柜内电子系统的安全运行，增强了分离式微槽道毛细虹吸式热交换机的环境适应性，进一步扩展了其应用范围。
附图说明
图1 分离式微槽道毛细虹吸式热交换机结构示意图；
图2 本发明分离式散热模块结构示意图；
图3本发明扁平微槽道毛细虹吸管结构示意图；
图4本发明工作原理图；
图中，1. 冷空气侧面板；2. 热空气侧面板；3. 侧面板；4. 隔板；5. 自循环上升管；6.泵驱动上升管；7. 自循环蒸发吸热单元；8. 泵驱动蒸发吸热单元；9. 自循环冷凝放热单元；10. 泵驱动冷凝放热单元；11. 风机支架；12. 风机；13. 法兰；14. 冷空气进口；15.冷空气出口；16. 热空气进口；17. 热空气出口；18. 自循环回流管；19. 泵驱动回流管；20. 驱动泵；21. 扁平微槽道毛细虹吸管；22. 翅片；23. 工质汇流槽。
具体实施方式
下面结合附图进行进一步地详细说明：
图1给出了本发明的结构示意图，一种用于密闭通信机柜散热的分离式微槽道毛细虹吸热交换机，包括壳体，分离式散热模块和风机装置。具体结构包括：冷空气侧面板1，热空气侧面板2，侧面板3，隔板4，自循环上升管5，泵驱动上升管6，自循环回流管18,泵驱动回流管19，自循环蒸发吸热单元7，泵驱动蒸发吸热单元8，自循环冷凝放热单元9，泵驱动冷凝放热单元10，风机支架11，风机12与法兰13等主要部分组成。在冷空气侧面板1上开有冷空气进口14及冷空气出口15，在热空气侧面板2上开有热空气进口16及热空气出口17。隔板4紧固在侧面板3内侧，将热交换机内部空间分隔成互相独立的冷空气循环空间和热空气循环空间。自循环上升管5，自循环回流管18穿过隔板，与自循环蒸发吸热单元7和自循环冷凝放热单元9连接，形成自循环回路。泵驱动上升管6，及泵驱动回流管19穿过隔板，与泵驱动蒸发吸热单元8，泵驱动冷凝放热单元10连接，形成泵驱动回路。风机12通过风机支架11固定在冷空气进口14及热空气进口16处。
图2给出了分离式散热模块的结构示意图。如图2所示，自循环蒸发吸热单元7与泵驱动蒸发吸热单元8层叠布置，自循环冷凝放热单元9与泵驱动冷凝放热单元10也采用相同布置方法。泵驱动回流管19上设置有驱动泵20。扁平微槽道毛细虹吸管21呈多列并排布置，管与管之间布置翅片22，然后与工质汇流槽23进行连接，形成一个冷凝放热单元或蒸发吸热单元。
图3给出了扁平微槽道毛细虹吸管21的结构示意图，其槽道结构可为矩形，工字型或三角形等。
图4给出了本发明工作原理图。当处于被动自循环工作模式时，室外冷空气与机柜内热空气经由风机12分别进入到冷空气循环空间与热空气循环空间。在热空气循环空间内，自循环蒸发吸热单元7与泵驱动蒸发吸热单元8中扁平微槽道毛细虹吸管21内的液体工质与吹过的热空气进行热量交换，吸收热量后蒸发成为气态并开始上升，进入到工质汇流槽后通过自循环上升管5与泵驱动上升管6，进入到自循环冷凝放热单元9与泵驱动冷凝放热单元10中，经工质汇流槽分流后进入到各扁平微槽道毛细虹吸管21中，将热量释放给吹过自循环冷凝放热单元9与泵驱动冷凝放热单元10表面的冷空气，并发生冷凝成为液体，进入到自循环冷凝放热单元9与泵驱动冷凝放热单元10下部的工质汇流槽23内，并通过自循环回流管18与泵驱动回流管19进入到自循环蒸发吸热单元7与泵驱动蒸发吸热单元8下部的工质汇流槽内，在毛细虹吸抽吸力及热驱动压差作用下进入到自循环蒸发吸热单元7与泵驱动蒸发吸热单元8的扁平微槽道毛细虹吸管21内，再次受热蒸发，如此循环往复，将密闭通信机柜内的热量排放到室外环境中。
如果室外温度过高，换热效果较差，导致通信机柜内温度超过警戒值，热交换机切换至主动泵驱工作模式，此时驱动泵20开始运行，工质从泵驱动蒸发吸热单元8吸热蒸发成为工质，通过泵驱动上升管6进入到泵驱动冷凝放热单元10发生冷凝并放热，随后通过泵驱动回流管19回到泵驱动蒸发吸热单元8再次进行吸热蒸发。在驱动泵20的作用下，驱动泵循环内的工质流动速率得到了明显的增加，热交换机散热能力得到加强，使得机柜内热量仍然可以及时的被散发到外界环境中，其温度水平得到有效控制。
Claims (7)
1.一种分离式微槽道毛细虹吸热交换机，包括壳体，分离式散热模块和风机装置，其特征在于：分离式散热模块为层叠布置的双回路结构，分为自循环回路与泵驱动回路，自循环回路包括自循环冷凝放热单元、自循环蒸发吸热单元、自循环回流管以及自循环上升管；泵驱动回路除包括泵驱动冷凝放热单元、泵驱动蒸发吸热单元、泵驱动上升管、驱动泵回流管以及设置在驱动泵回流管上的驱动泵；在所述壳体内还设置有将壳体内分隔成互相独立的冷空气循环空间与热空气循环空间的隔板；自循环上升管与自循环回流管穿过所述隔板，与所述自循环蒸发吸热单元和自循环冷凝放热单元连接，形成自循环回路；所述泵驱动上升管和及泵驱动回流管穿过所述隔板，与泵驱动蒸发吸热单元及泵驱动冷凝放热单元连接，形成泵驱动回路。
2.根据权利要求1所述的分离式微槽道毛细虹吸热交换机，其特征在于，在所述壳体的冷、热空气侧面板上均设置有进风口与出风口。
3.根据权利要求2所述的分离式微槽道毛细虹吸热交换机，其特征在于，所述风机装置包括风机支架以及设置在风机支架上的风机，风机支架设置在冷空气侧面板和热空气侧面板的空气进出口处。
4.根据权利要求1所述的分离式微槽道毛细虹吸热交换机，其特征在于，所述自循环冷凝放热单元与自循环蒸发吸热单元由扁平微槽道毛细虹吸管、高导热性翅片和工质汇流槽构成；扁平微槽道毛细虹吸管呈多列并排布置，高导热性翅片位于扁平微槽道毛细虹吸管之间，两侧均与所述扁平微槽道毛细虹吸管侧面焊接连接，所述扁平微槽道毛细虹吸管首尾均与所述工质汇流槽连接。
5.根据权利要求1所述的分离式微槽道毛细虹吸热交换机，其特征在于，所述泵驱动冷凝放热单元与泵驱动蒸发吸热单元由扁平微槽道毛细虹吸管、高导热性翅片和工质汇流槽构成；扁平微槽道毛细虹吸管呈多列并排布置，高导热性翅片位于扁平微槽道毛细虹吸管之间，两侧均与所述扁平微槽道毛细虹吸管侧面焊接连接，所述扁平微槽道毛细虹吸管首尾均与所述工质汇流槽连接。
6.根据权利要求4或5所述的分离式微槽道毛细虹吸热交换机，其特征在于，所述扁平微槽道毛细虹吸管外形为矩形或梯形；根据热交换机工作环境温度，内部的微槽道截面形状为工字型、四边形或三角形。
7.根据权利要求1所述的分离式微槽道毛细虹吸热交换机，其特征在于，当室外环境温度较低时，热交换机处于被动自循环工作模式，此时驱动泵不启动，工质在热驱动力及毛细驱动压差作用下自发地进行循环，实现热量的排放；当室外环境温度较高，机柜内部温度超出警戒值时，热交换机进入主动泵驱工作模式，驱动泵启动并为工质循环提供一个额外的循环驱动力。
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