CN113357946B - 耦合气液两相流引射泵的自驱动热虹吸回路散热装置 - Google Patents

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Abstract

一种耦合气液两相流引射泵的自驱动热虹吸回路散热装置，包括：依次相连组成回路的气液分离器、冷却器、气液两相流引射泵和蒸发器，气液分离器的液体出口通过第一液体段与冷却器的入口相连，冷却器的出口通过第二液体段与气液两相流引射泵的液体入口相连，气液分离器的蒸汽出口通过第一蒸汽段与气液两相流引射泵的蒸汽入口相连，气液两相流引射泵的出口通过第三液体段与蒸发器的入口相连，蒸发器的出口通过第二蒸汽段与气液分离器的入口相连；气液分离器的竖直高度高于冷却器和气液两相流引射泵的位置，冷却器和气液两相流引射泵的竖直高度高于蒸发器的位置，蒸发器竖直放置。本发明能够显著提升环路内的流动压头从而增强热虹吸回路的散热能力，且运行更稳定，在工作时产生的噪声也较小。

Description

耦合气液两相流引射泵的自驱动热虹吸回路散热装置
技术领域
本发明涉及的是一种散热器领域的技术，具体是一种耦合气液两相流引射泵的自驱动热虹吸回路散热装置。
背景技术
两相热虹吸冷却回路是一种自驱动的散热设备，其利用下降管(液线)和上升管(气线)之间的密度差在重力作用下产生的压力差实现工质循环，即在吸收热量的同时获得驱动力。相比于机械泵驱动，其可以规避机械泵所可能带来的故障和噪声等问题。但对于热虹吸回路而言，回路内的工质流量受到散热功率的限制。散热功率过小时，蒸发器出口干度较低，上升管和下降管的密度差较小，管路内压差较小导致循环流量较低；当散热功率过大时，蒸发器出口干度较高，使两相流动阻力增加，且其增加的速度快于压差的增长速度，此时回路内循环流量同样较低；较低的循环流量会导致系统的换热性能下降。增加两相热虹吸回路中工质的流动压头，从而增加循环流量，是提升其散热能力的一大关键。
发明内容
本发明针对现有两相热虹吸冷却回路的换热能力受限于高度差所能提供的驱动压头这一问题，提出一种耦合气液两相流引射泵的自驱动热虹吸回路散热装置，能够显著提升环路内的流动压头从而增强热虹吸回路的散热能力，且运行更稳定，在工作时产生的噪声也较小。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种耦合气液两相流引射泵的自驱动热虹吸回路散热装置，包括：依次相连组成回路的气液分离器、冷却器、气液两相流引射泵和蒸发器，其中：气液分离器的液体出口通过第一液体段与冷却器的入口相连，冷却器的出口通过第二液体段与气液两相流引射泵的液体入口相连，气液分离器的蒸汽出口通过第一蒸汽段与气液两相流引射泵的蒸汽入口相连，气液两相流引射泵的出口通过第三液体段与蒸发器的入口相连，蒸发器的出口通过第二蒸汽段与气液分离器的入口相连；气液分离器的竖直高度高于冷却器和气液两相流引射泵的位置，冷却器和气液两相流引射泵的竖直高度高于蒸发器的位置，蒸发器竖直放置。
所述的气液分离器兼具气液分离和储液功能，具体包括：带有顶部出口的上部罐体和带有侧边入口和底部出口的下部罐体，其中：上部罐体和下部罐体之间依次设有法兰、丝网、垫片，气液分离器内部储存的液态工质液位高度低于侧边入口，气液分离器的外部与保温材料贴合以实现保温。
所述的垫片位于法兰之间，用于填充法兰之间的缝隙来实现密封。
所述的丝网位于垫片内侧，用于拦截气态工质中的液滴。
所述的气液两相流引射泵包括：依次设置的引流管、蒸汽喷嘴、液体喷嘴、混合段、喉部和扩张段，其中：蒸汽喷嘴与液体喷嘴均与混合段相连通，液体喷嘴设置于蒸汽喷嘴的外侧，引流管出口与液体喷嘴入口相连通。
所述的气液两相流引射泵通过3D打印不锈钢的方式制成，引流管和蒸汽喷嘴之间、液体喷嘴和混合段之间均通过熔焊相连。
所述的蒸汽喷嘴为渐缩喷嘴或拉伐尔喷嘴，其截面为圆形或矩形。
所述的混合段为渐缩形通道，喉部为等截面形通道，扩张段为渐扩形通道；混合段、喉部和扩张段为圆形或矩形截面的通道。
所述的冷却器为以水为冷却介质的板式换热器或以冷风为冷却介质的翅片式冷凝器。
所述的蒸发器为平板式蒸发器，其外壁与发热器件表面贴合。
技术效果
本发明的耦合气液两相流引射泵的自驱动热虹吸回路散热装置，在现有分体式热虹吸回路的基础上，使用气液两相流引射泵替代机械泵来增加流动工质的压头，从而提升了环路内的循环流量，提升了热虹吸回路的散热能力。该装置所使用的气液两相流引射泵通过热力学模型进行几何结构设计。相比于机械泵驱动的散热回路，该装置所采用的气液两相流引射泵由于不含有运动部件，因此运行更稳定，工作时产生的噪声也较小。进一步地，就几何外形而言，该装置所采用的气液两相流引射泵拥有比机械泵更高的设计自由度，其截面形状可为圆形或矩形等，更有利于散热回路装置小型化设计，同时提高了空间利用率。进一步地，从节能角度考虑，该装置所采用的气液两相流引射泵将主流蒸汽携带的热能转化为机械能驱动流体，无需外部功耗。进一步地，本发明在保证热传输距离的情况下，可以在竖直方向上布置，节约了被散热对象水平方向的空间，对于大功率电子元器件散热空间有限的情况有着尤其强的适用性。
附图说明
图1为本发明的耦合气液两相流引射泵的自驱动热虹吸回路散热装置示意图；
图2为本发明的气液两相流引射泵剖面图；
图3为本发明的气液分离器剖面图；
图中：1为气液分离器、2为第一液体段、3为冷却器、4为第二液体段、5第一蒸汽段、6为气液两相流引射泵、7为第三液体段、8为蒸发器、9为第二蒸汽段、1-1为顶部出口、1-2为上部罐体、1-3为法兰、1-4为丝网、1-5为垫片、1-6为下部罐体、1-7为侧边入口、1-8为底部出口、6-1为蒸汽喷嘴、6-2为液体喷嘴、6-3为引流管、6-4为混合段、6-5为喉部、6-6为扩张段。
具体实施方式
如图1所示，为本实施例涉及一种耦合气液两相流引射泵的自驱动热虹吸回路散热装置，包括：气液分离器1、冷却器3、气液两相流引射泵6和蒸发器8，其中：气液分离器1的上部出口1-1经过第一蒸汽段5与气液两相流引射泵6的蒸汽喷嘴6-1连接；气液分离器1的下部出口1-8经过第一液体段2与冷却器3入口连接；冷却器3出口经过第二液体段4与气液两相流引射泵6的引流管6-3相连；气液两相流引射泵6的扩张段6-6经过第三液体段7与蒸发器8入口相连；蒸发器8出口经过第二蒸汽段9与气液分离器1的侧边入口1-7相连。
如图2所示，所述的气液分离器1包括：顶部出口1-1、上部罐体1-2、法兰1-3、丝网1-4、垫片1-5、下部罐体1-6、侧边入口1-7和底部出口1-8，其中：顶部出口1-1、上部罐体1-2、法兰1-3、丝网1-4、下部罐体1-6、侧边入口1-7和底部出口1-8均采用不锈钢进行制造；垫片1-5所使用的材料为硅胶，用于防止泄露。上部罐体1-2与顶部出口1-1、法兰1-3之间采用焊接连接；下部罐体1-6与法兰1-3、侧边出口1-7和底部出口1-8之间采用焊接连接；法兰1-3之间采用螺栓连接；气液分离器1内部储存的液态工质液位高度低于侧边出口1-7。
如图3所示，为所述的气液两相流引射泵，由于气液两相流引射泵6内部结构较为复杂，整体加工难度大，故将气液两相流引射泵6分为三个部分进行制造。第一部分为引流管6-3，第二部分包括：蒸汽喷嘴6-1和液体喷嘴6-2，第三部分包括：混合段6-4、喉部6-5和扩张段6-6。第二部分按图3所示的结构通过焊接与第一和第三部分相连接。气液两相流引射泵6所采用的制造材料为不锈钢。由于引射泵尺寸较小，且内部结构复杂，本实施例中通过3D打印的方式对三个部分分别进行制造。
如图3所示，蒸汽喷嘴6-1为圆形截面的拉伐尔喷嘴；液体喷嘴6-2为蒸汽喷嘴6-1外侧的环形腔体及出口处的环形缝隙；引流管6-3为圆形截面的通道，且与气液两相流引射泵6的第二部分的外壁面上的圆孔同心；混合段6-4为渐缩形通道，其入口与蒸汽喷嘴6-1和液体喷嘴6-2出口相连通；喉部6-5为圆形等截面通道；扩张段6-6为渐扩形通道；混合段6-4、喉部6-5和扩张段6-6依次相连。
本实施例在回路运行前需要将工质充注入回路，具体为：将管路的充灌口和工质罐连接，关闭工质罐出口的阀门，通过抽气泵对回路进行内部抽真空20分钟以上以尽量排出管路内的不凝性气体；完成抽真空后，若其真空度在一小时内可保持为1个大气压左右则认为回路具有足够好的密封性；打开工质罐出口的阀门，在内外压差作用下工质可灌注入回路中，待回路内工质满足气液分离器1的液位要求时，关闭阀门，完成充灌。
本实施例中考虑到换热能力、沸点等因素，采用制冷剂R245fa作为工质。
本实施例以数据中心服务器用机柜为散热对象。蒸发器8竖直布置，蒸发器8的外壁与机柜背板的表面贴合。蒸发器8的入口为过冷液体。热量从机柜背板通过蒸发器8传输给工质，工质温度上升，后转化为气液两相饱和状态，在这一过程中密度下降；蒸发器8出口工质通过第二蒸汽段9进入气液分离器1中。气液分离器1需要通过外部与保温材料贴合实现保温。在气液分离器1中，由于气态工质密度远小于液态工质密度，饱和液态工质通过重力作用累积在气液分离器1底部，并通过第一液体段2流入冷却器3，饱和气态工质则充满上部空间。气态工质在通过丝网1-4时，其中可能裹挟的液滴由于毛细力作用附着在丝网1-4上，丝网1-4上的小液滴积聚后形成大液滴，由于重力作用脱离丝网，从而避免了液滴从上部出口1-1排出，提高了气液分离效率。气态工质从上部出口1-1流出，通过第一蒸汽段9流入气液两相流引射泵6的蒸汽喷嘴6-1。
饱和液态工质在冷却器3中向冷却介质释放热量，从冷却器3出口流出的过冷液态工质经过第二液体段4流入气液两相流引射泵6的引流管6-3。
在回路的启动阶段，散热功率较低，蒸发器出口干度较低，导致经过气液两相流引射泵6的蒸汽喷嘴6-1的饱和气态工质流量较低；蒸汽喷嘴6-1出口的流速较低，混合段6-4内压力较高，液体喷嘴进出口压差较小；蒸汽在气液两相流引射泵6内被液体冷凝，出口状态为过冷液体，经过第三液体段7流入蒸发器8中。在这一阶段，回路主要依靠第三液体段7中的液态工质和第二蒸汽段9中的饱和两相状态工质的因密度不同产生的压力差来驱动。
随着散热功率的增加，饱和气态工质的流量增加，经过气液两相流引射泵6的蒸汽喷嘴6-1后流速达到超声速，使出口处的压力降低；在压差作用下，过冷液态工质从引流管6-3进入液体喷嘴，经过液体喷嘴6-2的加速作用后，与蒸汽在混合段进行混合。过冷液体对蒸汽进行冷凝的同时，蒸汽的动能部分转化为过冷液体的动能；混合流体在混合段6-4继续加速达到超声速，在喉部6-5或扩张段6-6产生凝结激波，流速从超声速降至亚声速，压力突然大幅上升。在引射泵扩张段6-6，工质的压力进一步升高，出口状态为过冷液体，其压力高于进口蒸汽的压力。经过热力学分析计算证明，在蒸汽温度60℃的条件下，通过调节气液两相流引射泵6的出口背压，可使其出口的过冷液体压力比进口蒸汽压力高30kPa以上；在这一阶段，回路依靠气液两相流引射泵的升压作用和重力压差共同来驱动。
在本实施例中，针对1kW的散热功率所设计的气液两相流引射泵的主要参数包括：蒸汽喷嘴喉部直径为1.7mm、液体喷嘴环形缝隙为0.54mm、喉部直径为1.4mm。
本装置相比现有技术，在热虹吸冷却回路中设置了根据工况设计的气液两相流引射泵用于增加流动压头，其运行动力来自于被散热对象的热量，且随输入热量的增加而增加；相比于蒸发端和冷却端高度差相同的热虹吸冷却回路，本装置在较高的散热功率下具有更高的循环流量，从而使蒸发端出口的两相流体干度降低，有助于提高最大散热负荷。
本装置可用于解决通信基站机柜、数据中心机柜、LED照明系统、通用电子设备舱等各种场景的大功率散热需求，具有良好的场景适应能力。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (5)

1.一种耦合气液两相流引射泵的自驱动热虹吸回路散热装置，其特征在于，包括：气液分离器、冷却器、气液两相流引射泵和蒸发器，其中：气液分离器的上部出口经过第一蒸汽段与气液两相流引射泵的蒸汽喷嘴连接；气液分离器的下部出口经过第一液体段与冷却器入口连接；冷却器出口经过第二液体段与气液两相流引射泵的引流管相连；气液两相流引射泵的扩张段经过第三液体段与蒸发器入口相连；蒸发器出口经过第二蒸汽段与气液分离器的侧边入口相连；
所述的气液分离器包括：顶部出口、上部罐体、法兰、丝网、垫片、下部罐体、侧边入口和底部出口，其中：顶部出口、上部罐体、法兰、丝网、下部罐体、侧边入口和底部出口均采用不锈钢进行制造；垫片所使用的材料为硅胶，用于防止泄露；上部罐体与顶部出口、法兰之间采用焊接连接；下部罐体与法兰、侧边出口和底部出口之间采用焊接连接；法兰之间采用螺栓连接；气液分离器内部储存的液态工质液位高度低于侧边出口；
所述的气液两相流引射泵分为三个部分进行制造，其中：第一部分为引流管，第二部分包括：蒸汽喷嘴和液体喷嘴，第三部分包括：混合段、喉部和扩张段；第二部分通过焊接与第一和第三部分相连接；
所述的蒸汽喷嘴为圆形截面的拉伐尔喷嘴；液体喷嘴为蒸汽喷嘴外侧的环形腔体及出口处的环形缝隙；引流管为圆形截面的通道，且与气液两相流引射泵的第二部分的外壁面上的圆孔同心；混合段为渐缩形通道，其入口与蒸汽喷嘴和液体喷嘴出口相连通；喉部为圆形等截面通道；扩张段为渐扩形通道；混合段、喉部和扩张段依次相连。
2.根据权利要求1所述的耦合气液两相流引射泵的自驱动热虹吸回路散热装置，其特征是，所述的上部罐体和下部罐体之间依次设有法兰、丝网和垫片，其中：垫片位于法兰之间，用于填充法兰之间的缝隙来实现密封；丝网位于垫片内侧，用于拦截气态工质中的液滴。
3.根据权利要求1所述的耦合气液两相流引射泵的自驱动热虹吸回路散热装置，其特征是，所述的气液两相流引射泵通过3D打印不锈钢的方式制成，引流管和蒸汽喷嘴之间、液体喷嘴和混合段之间均通过熔焊相连。
4.根据权利要求1所述的耦合气液两相流引射泵的自驱动热虹吸回路散热装置，其特征是，所述的冷却器为以水为冷却介质的板式换热器或以冷风为冷却介质的翅片式冷凝器。
5.根据权利要求1所述的耦合气液两相流引射泵的自驱动热虹吸回路散热装置，其特征是，所述的蒸发器为平板式蒸发器，其外壁与发热器件表面贴合。
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