CN111854290A - 一种液冷工质输送系统及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液冷工质输送系统及其设计方法，所述系统包括：供液端、输液管路和分散布置的出口端；所述供液端用于给系统引入工质并给工质增压，实现集中供液；所述供液端通过所述输液管路与所述出口端相连通；所述输液管路包括：输液干路和输液支路；所述出口端为用于实现工质从输液支路出液口到达待冷却设备换热表面的结构。本发明提供的液冷工质输送系统，供给各个待冷却设备的工质流量由供液端统一生产，避免在多个待冷却设备处分别供液，降低了系统的复杂度、设备成本以及后期维护难度。

Description

一种液冷工质输送系统及其设计方法

技术领域

本发明属于能源动力中的传热传质技术领域，特别涉及一种液冷工质输送系统及其设计方法。

背景技术

随着工业设备和电子器件的快速发展，设备元件的功耗不断增加，并且单位空间内的热流密度不断提升；同时，因设备或系统组件繁多、工作情况复杂，对应的待冷却点数量较多，往往要求同时给多点供给冷却工质。因此，用于紧凑环境下的液冷微系统，由于具有所占空间小和传热效率高的显著优势，在很多应用场合正逐渐发挥重要作用。

当前换热设备表面热流密度已提高至10⁷W/m²，需要在各个设备处布置微通道和射流等复合冷却型式，同时对液冷系统的微型化要求进一步提升，这就对冷却工质输送系统提出了三点需同时满足的条件：

1)单位时间内需要从待冷却表面带走足够多的热量，因此冷却介质流量必须足够大；

2)工质流经布置在待冷却设备处的复合冷却结构时，对应的流动阻力较大，因此冷却工质在到达待冷却设备表面时必须具有较高压头；

3)待冷却设备处预留给换热组件的空间非常有限，因此各个设备处冷却工质需在紧凑空间内实现工质输送。

为满足上述三点条件，如继续采用在待冷却设备处布置工质泵的型式输送冷却工质，将出现以下明显问题，包括：

1)在紧凑环境下供给较大流量工质，工质泵必然具有较高转速，对应布置高速轴承，其稳定性较差，严重影响系统可靠性；

2)在空间紧凑的条件下，如同时满足大的流量和较高压头，会使得设计出来的泵的叶型复杂度很高，即使能成功制造出满足强度要求的泵，运行时，其流动损失也很大，由此，泵的效率会很低，而大的流量需求又决定了泵功率不能过低，所以，驱动泵所需的电机功率很大，这就很难满足微系统结构紧凑功耗低的需求。

进一步地，液冷紧凑微系统的发展趋势决定，除换热设备表面热流密度高至10⁷W/m²以外，设备处预留给工质配送组件的空间已经限制到轴向空间低于15mm，径向空间低于40mm，上述有限空间对于布置工质泵及其电机是远远不够的；因此，需设计新型冷却系统。

综上所述，为新一代液冷紧凑微系统设计新型工质输送系统，对提升紧凑环境下高热流密度设备性能具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种液冷工质输送系统及其设计方法，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明可同时满足多点供液量需要，能够实现较高换热率，具有较强的适应狭窄空间的能力。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的一种液冷工质输送系统，包括：供液端、输液管路和分散布置的出口端；

所述供液端用于给系统引入工质并给工质增压，实现集中供液；

所述供液端通过所述输液管路与所述出口端相连通；所述输液管路包括：输液干路和输液支路；

所述出口端为用于实现工质从输液支路出液口到达待冷却设备换热表面的结构。

本发明的进一步改进在于，所述供液端包括：工质泵；所述工质泵的选型根据整个待冷却设备系统中最大富余空间尺寸、工质物性、工质流量以及压头确定；其中，工质总流量为各个出口端的流量之和；泵的压头由工质到达各个待冷却设备换热表面时预设达到的最低压头与工质在输液管路中的压降组成。

本发明的进一步改进在于，出口端为分布式布局，布置在各个待冷却设备处；

出口端横截面为圆形、椭圆形或方形；

出口端与所需冷却设备间距为0.1mm～20cm，出口端截面平均流速1cm/s～25m/s。

本发明的进一步改进在于，所述待冷却设备表面热流密度为10⁴～10⁸W/m²；所述待冷却设备换热表面处布置微通道、射流或扰流件及其复合强化换热通道。

本发明的进一步改进在于，所述输液管路中，输液干路的进口与所述供液端相连通，输液干路的出口与输液支路的进口相连通，输液支路的出口与所述出口端相连通；其中，输液干路的出口与输液支路的进口连接处使用圆滑导角过渡；所述输液干路条数大于等于零；输液干路的条数由输液管路中工质压降占供液端出口工质压头之比确定；

所述输液管路横截面为圆形、椭圆形或方形；输液管路沿流向由等截面管和局部变截面管组成。

本发明的进一步改进在于，所述输液管路的内壁进行防腐蚀处理；所述输液管路的外壁包裹有用于保温、防震、防腐蚀的保护层。

本发明的进一步改进在于，所述输液管路上设置有清洁用开口。

本发明的进一步改进在于，还包括：与所述出口端相接的待冷却设备换热表面上布置强化换热通道。

本发明的进一步改进在于，所述出口端设置有扩压器，用于提升局部工质的压头。

本发明的一种液冷工质输送系统的设计方法，包括以下步骤：

步骤1，根据各个待冷却设备换热表面的热流密度及其上的结构，以满足温度控制要求为前提，计算工质到达各个待冷却设备处待换热表面时所需的流速、工质压头；基于各个待冷却设备处的空间位置大小，确定各处工质流量；根据各个待冷却设备处工质流量、流速和压头的差异分别设计各处出口端的具体结构；

步骤2，基于实际场地条件，规划供液端的所处地点，确定供液端到各个待冷却设备的距离；根据管路压降判断输液管路中是否需要输液干路；以各支路流量Q_i作为约束条件，以管路的横截面积S、管路总长度L、工质在管路中的总压降ΔP为优化参数，以减少管路沿程阻力和局部阻力为优化目标，循环迭代，进行输液管路设计，确定输液管路的布局和基本尺寸；

步骤3，将步骤1中得到的各个待冷却设备处的工质流量累加，得到供液端工质泵总流量；供液端工质泵的压头的计算为两部分之和，一是在输液管路中的工质压降，二是工质到达各个待冷却设备换热表面处最低压强；结合以上两参数，综合考虑冷却工质的物理、化学性质，完成工质泵选型。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明提供的液冷工质输送系统，供给各个待冷却设备的工质流量由供液端统一生产，避免在多个待冷却设备处分别供液，降低了系统的复杂度、设备成本以及后期维护难度。

(2)本发明提供的液冷工质输送系统，以输液管路末端代替传统方案中直接在待冷却设备地点安装工质泵，对空间大小的适应度高，满足应用在狭窄空间情况的条件。

(3)本发明提供的液冷工质输送系统，避免了在狭窄空间处安装高速工质泵带来的安全隐患以及效率低下的问题。

(4)本发明提供的液冷工质输送系统，分层级构造输液管路结构以降低工质在输液管路中的压降，弥补因迁移工质泵带来的压头损失。

(5)本发明提供的液冷工质输送系统，分步实现大流量和高压头的用液要求，即在供液端主要满足流量要求，再在出口端通过布设扩压器或射流通道为工质进一步升压、提速，有效减轻了各部分设备工作负担，提升了工作效率。

本发明在工业生产、电力电子等领域均有较好的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的一种无干路液冷工质输送系统的结构示意图；

图2是本发明实施例的一种双干路液冷工质输送系统的结构示意图；

图3是图2中A处的输液管路中干路与支路内层圆滑连接示意图；

图4是本发明实施例中，装设有以小型增压泵作为扩压器的出口端示意图；

图5是本发明实施例中，出口端设置射流通道及待冷却设备换热表面上流动控制结构示意图；

图1至图5中，各编号代表的结构意义如下：

11、输液干路；12、输液支路；13、保护层；

21、增压泵；22、射流通道；

31、流动控制结构。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术效果及技术方案更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例。基于本发明公开的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它实施例，都应属于本发明保护的范围。

请参阅图1至图5，本发明实施例的一种液冷工质输送系统，包括：供液端、各级输液管路组成的输液管网和出口端。其中，供液端用于供给整个系统中所需的所有工质；输液管路的类型包括：输液干路11与输液支路12，两者均具有进液口及出液口，输液干路11的进液口均与供液端相连，输液干路11的出液口与输液支路12的进液口相连，输液支路12的进液口在无输液干路11的情况下与供液端直接相连；出口端总是与输液支路的出液口相连，输出工质工作。

本发明实施例中，供液端指的是以水泵为例的一系列输送液体工质、给工质增压的工质泵。工质泵的选型主要根据工质流量以及压头确定：工质总流量为各个出口端的流量之和，各个出口端的工质流量即为到达各个对应的待冷却设备处的工质流量；工质泵的压头的计算包括两部分，除工质到达出口端时应达到的最低压头外，还须考虑在管路中损耗的部分。

本发明实施例中，输液管路包括：输液干路11和输液支路12两部分。图1与图2分别展示了输液管路中存在干路和只存在支路两种情况下，液冷工质输送系统的结构和工质流向。实际使用场景决定了干路的存在与否：当完全使用输液支路12输送工质，单条支路中压降超过供液端出口工质压头的40％时，需要在输液管路中增加输液干路11；当完全使用输液支路12输送工质，单条支路中压降不超过供液端出口工质压头的30％时，不必在输液管路中增加输液干路11。

本发明实施例中，输液管路中干路条数最少可以为零；输液管路中支路条数根据出口端个数确定，出口端个数即为待冷却设备数；输液管路中支路条数大于等于两条；各级输液管路的外层均包裹防腐蚀、防震保护层。

请参阅图3，当输液管路同时存在输液干路与输液支路时，在输液干路与输液支路相接处须保证圆滑连接，尽可能降低局部水力损失。输液管路的横截面为圆形、椭圆形、方形；输液管路沿流向由等截面管和变截面管组成。

本发明实施例中，考虑具体的应用场景，对输液管路内壁进行表面处理，如运输带腐蚀性工质时，在运输管路内壁必须预先进行防腐蚀处理；若在运输中还需保证工质的温度不发生过大变化，在管路外侧需包裹用以保温的保护层13。

本发明实施例中，在输液管路上预设清洁用开口。

本发明实施例中，出口端指的是工质从支路出液口至到达待冷却设备换热表面之前流经的一系列结构。请参阅图4和图5，图4描述了装设有小型的增压泵21的出口端，图5展示了加装射流通道22的出口端及铺设有流动控制结构31的待冷却设备换热表面，图中的箭头表示工质流向。当待冷却设备换热表面处所需的工质压头较高，单纯依靠供液端的工质泵难以满足需要时，在出口端装设扩压器，小型的增压泵21为扩压器的一种选择。具体而言，小型增压泵一般为容积泵，且必须满足待冷却设备预留的空间体积大小要求，在此基础上根据工质到达待冷却设备表面所需压强与支路出液口压强之差以及该支路工质流量，为小型增压泵选型。同样地，当待冷却设备换热表面处需要的工质流速较大，超过支路出液口的工质流速时，在出口端加装射流通道22，射流通道的截面大小以工质到达待冷却设备表面所需流速与支路出液口流速之差以及该支路工质流量确定，其长度控制在0.1mm-20cm范围内。

本发明实施例的一种液冷工质输送系统的设计方法，包括以下步骤：

步骤1，根据各个待冷却设备换热表面的热流密度(10⁴-10⁸W/m²)及其上的结构，以满足温度控制要求为前提，计算工质到达各个待冷却设备处待换热表面时所需的流速(1cm/s-25m/s)、工质压头，并结合各个待冷却设备处的空间位置大小，确定各处工质流量，根据各个待冷却设备处工质流量、流速和压头的差异分别设计各处出口端的具体结构，即为小型增压泵选型、确定射流通道的形式与尺寸。

步骤2，基于实际场地条件，规划供液端的所处地点，确定供液端到各个待冷却设备的距离；再根据管路压降判断输液管路中是否需要输液干路；以各支路流量Q_i作为约束条件，以管路的横截面积S、管路总长度L、工质在管路中的总压降ΔP为优化参数，以减少管路沿程阻力和局部阻力为优化目标，循环迭代，进行管路设计，最终确定输液管路的布局和基本尺寸。此外，还需根据实用场景判断保温层的存在是否必要，根据温度控制要求确定保温层的结构和尺寸；此外，还需在管路内壁上开设清洁用开口，清洁用开口在管路中位置不可落在距管路连接处、管路进液口及管路出液口1/10管长范围内；运输工质具有强腐蚀性时，预先对管路内壁进行防腐蚀处理。最后，设计管路连接处结构，避免直角通道，使用圆滑过渡连接，并保证满足强度要求。

步骤3，将步骤1中得到的各个待冷却设备处的工质流量累加得到供液端工质泵总流量；供液端工质泵的压头的计算为两部分之和，一是在输液管路中的工质压降，二是工质到达各个待冷却设备换热表面处最低压强；结合以上两参数，并综合考虑冷却工质的物理、化学性质，为工质泵选型。

在本发明实施例系统的工作过程中，工质由供液端出发，流经输液管路，最终达到出口端。本发明的优势在于：(1)供给各个待冷却设备的工质流量由供液端统一生产，避免在多个待冷却设备处分别供液，降低了系统的复杂度、设备成本以及后期维护难度；(2)以输液管路末端代替传统方案中直接在待冷却设备地点安装工质泵，对空间大小的适应度高，满足应用在狭窄空间情况的条件；(3)避免了在狭窄空间处安装高速工质泵带来的安全隐患以及效率低下的问题；(4)分层级构造输液管路结构以降低工质在输液管路中的压降，弥补因迁移工质泵带来的压头损失；(5)分步实现大流量和高压头的用液要求，即在供液端主要满足流量要求，再在出口端通过布设扩压器或射流通道为工质进一步升压、提速，有效减轻了各部分设备工作负担，提升了工作效率。

本发明在工业生产、电力电子等领域均有较好的应用前景。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种液冷工质输送系统，其特征在于，包括：供液端、输液管路和分散布置的出口端；

所述供液端用于给系统引入工质并给工质增压，实现集中供液；

所述供液端通过所述输液管路与所述出口端相连通；所述输液管路包括：输液干路(11)和输液支路(12)；

所述出口端为用于实现工质从输液支路出液口到达待冷却设备换热表面的结构。

2.根据权利要求1所述的一种液冷工质输送系统，其特征在于，所述供液端包括：工质泵；所述工质泵的选型根据整个待冷却设备系统中最大富余空间尺寸、工质物性、工质流量以及压头确定；其中，工质总流量为各个出口端的流量之和；泵的压头由工质到达各个待冷却设备换热表面时预设达到的最低压头与工质在输液管路中的压降组成。

3.根据权利要求1所述的一种液冷工质输送系统，其特征在于，出口端为分布式布局，布置在各个待冷却设备处；

出口端横截面为圆形、椭圆形或方形；

出口端与所需冷却设备间距为0.1mm～20cm，出口端截面平均流速1cm/s～25m/s。

4.根据权利要求1所述的一种液冷工质输送系统，其特征在于，所述待冷却设备表面热流密度为10⁴～10⁸W/m²；所述待冷却设备换热表面处布置微通道、射流或扰流件及其复合强化换热通道。

5.根据权利要求1所述的一种液冷工质输送系统，其特征在于，所述输液管路中，输液干路(11)的进口与所述供液端相连通，输液干路(11)的出口与输液支路(12)的进口相连通，输液支路(12)的出口与所述出口端相连通；其中，输液干路(11)的出口与输液支路(12)的进口连接处使用圆滑导角过渡；所述输液干路(11)条数大于等于零；输液干路(11)的条数由输液管路中工质压降占供液端出口工质压头之比确定；

所述输液管路横截面为圆形、椭圆形或方形；输液管路沿流向由等截面管和局部变截面管组成。

6.根据权利要求1所述的一种液冷工质输送系统，其特征在于，所述输液管路的内壁进行防腐蚀处理；所述输液管路的外壁包裹有用于保温、防震、防腐蚀的保护层(13)。

7.根据权利要求1所述的一种液冷工质输送系统，其特征在于，所述输液管路上设置有清洁用开口。

8.根据权利要求1所述的一种液冷工质输送系统，其特征在于，还包括：

与所述出口端相接的待冷却设备换热表面上布置强化换热通道。

9.根据权利要求1所述的一种液冷工质输送系统，其特征在于，所述出口端设置有扩压器，用于提升局部工质的压头。

10.一种权利要求1所述的液冷工质输送系统的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，根据各个待冷却设备换热表面的热流密度及其上的结构，以满足温度控制要求为前提，计算工质到达各个待冷却设备处待换热表面时所需的流速、工质压头；基于各个待冷却设备处的空间位置大小，确定各处工质流量；根据各个待冷却设备处工质流量、流速和压头的差异分别设计各处出口端的具体结构；

步骤2，基于实际场地条件，规划供液端的所处地点，确定供液端到各个待冷却设备的距离；根据管路压降判断输液管路中是否需要输液干路；以各支路流量Q_i作为约束条件，以管路的横截面积S、管路总长度L、工质在管路中的总压降ΔP为优化参数，以减少管路沿程阻力和局部阻力为优化目标，循环迭代，进行输液管路设计，确定输液管路的布局和基本尺寸；

步骤3，将步骤1中得到的各个待冷却设备处的工质流量累加，得到供液端工质泵总流量；供液端工质泵的压头的计算为两部分之和，一是在输液管路中的工质压降，二是工质到达各个待冷却设备换热表面处最低压强；结合以上两参数，综合考虑冷却工质的物理、化学性质，完成工质泵选型。

Images