專利名稱：具備汽泡注入功能的自適應儲液器及具有該儲液器的兩相回路散熱系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種儲液裝置，特別是涉及一種應用于兩相回路散熱系統(tǒng)的、具 備汽泡注入功能的自適應儲液器及具有該儲液器的兩相回路散熱系統(tǒng)。
背景技術：
機械泵驅(qū)動(后面簡稱泵驅(qū))兩相回路散熱系統(tǒng)由于其散熱效率高、溫度均勻性 好、穩(wěn)定性高，并且特別適用于分散熱源散熱和長距離散熱等優(yōu)點，在載人航天、深空探測、 數(shù)據(jù)中心散熱等熱管理領域有著巨大的應用和市場潛力。例如中國專利申請?zhí)枮?00810198088公開了一種利用廢熱驅(qū)動的兩相回路散熱 系統(tǒng)，適合機房、飛行器、船艦等密閉設備艙內(nèi)的大熱流密度電子設備散熱。在這種兩相回 路散熱系統(tǒng)中，所述儲液器不但起到儲存工質(zhì)的作用，而且還起到緩沖系統(tǒng)壓力變化、和決 定系統(tǒng)工作溫度和壓力(工作點)的作用；然而，兩相回路散熱系統(tǒng)中的儲液器的結構與功 能在上述專利中沒有陳述或沒有充分陳述。如圖1所示，現(xiàn)有技術的泵驅(qū)兩相回路散熱系統(tǒng)包括負責驅(qū)動工質(zhì)循環(huán)的機械 泵1、負責收集廢熱的蒸發(fā)器2、負責向系統(tǒng)外排熱的冷凝換熱器3、用于降低系統(tǒng)溫度波動 又可以節(jié)能的回熱器5，以及儲液器4，該儲液器4與含壓縮機的制冷系統(tǒng)的儲液器有所不 同，除儲液外，它還具備以下兩個基本功能1)壓力緩沖，即接收回路中由于工質(zhì)蒸發(fā)和冷凝不平衡時因體積膨脹或收縮所排 出或吸收的液體，因而，它還起到緩沖系統(tǒng)壓力變化的作用；2)控制系統(tǒng)的工作點，即系統(tǒng)的工作溫度和壓力，對工作溫度要求嚴格的應用來 說，系統(tǒng)的工作溫度是通過電子控制器控制儲液器4的溫度來實現(xiàn)的。為使系統(tǒng)性能提高，通常還會在蒸發(fā)器2出口后的兩相通道與蒸發(fā)器2入口前的 過冷液體通道之間加裝回熱器5，一方面把過冷液體在進入蒸發(fā)器2前加熱至飽和溫度，另 一方面可以把蒸發(fā)器2出口通道內(nèi)的兩相流體含汽率降低，從而降低該通道的流動阻力； 而該回熱器5通常是單獨安裝在儲液器4之外的。對兩相回路散熱系統(tǒng)在電子設備散熱的應用而言，還有一個挑戰(zhàn)就是熱啟動時常 常出現(xiàn)的過熱問題，即在開啟電子設備的熱載荷時，工質(zhì)需經(jīng)歷從液相到汽-液兩相的轉(zhuǎn) 變，由于液-汽相變屬一級相變，因此往往會出現(xiàn)溫度高于飽和溫度(其差值稱為過熱度) 后才發(fā)生相變，過熱度有時會超過20°C，再加上液體的換熱系數(shù)遠低于兩相流動沸騰換熱 系數(shù)，因此，發(fā)熱的電子設備在啟動時，可能會出現(xiàn)溫度過高的現(xiàn)象；過熱現(xiàn)象不僅對散熱 設備造成短時間過熱，而且會引起壓力脈沖，對系統(tǒng)及其器件會造成負面的影響，過熱現(xiàn)象 是系統(tǒng)設計人員不希望看到的、或需要排除的現(xiàn)象；再者過熱液體的“爆沸”產(chǎn)生對系統(tǒng)的 壓力沖擊甚至會導致系統(tǒng)的不穩(wěn)定和損害。要開發(fā)出成熟的、能讓市場接受的兩相回路散 熱系統(tǒng)，抑制過熱是必不可少的；同時，散熱系統(tǒng)配件安裝的方便程度也影響著該系統(tǒng)的使 用規(guī)模和應用程度。發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的在于為泵驅(qū)兩相回路散熱系統(tǒng)提供一種綜合使用空間小、安裝 方便，并同時具有儲液、回熱和自適應調(diào)節(jié)工作點功能的儲液器，該儲液器還因可向散熱系 統(tǒng)中的蒸發(fā)器注入汽泡而避免兩相回路散熱系統(tǒng)在熱啟動時的過熱現(xiàn)象，從而更有效地為 大熱流密度電子設備散熱以及更有效地保護這些電子設備和散熱系統(tǒng)本身。對某些特殊的 應用，還可以通過對所述儲液器加熱、或調(diào)節(jié)散熱回路系統(tǒng)中各部件的連接方式，使所述系 統(tǒng)可持續(xù)地向蒸發(fā)器注入汽泡。本實用新型的另一目的在于，提供了一種具有儲液、回熱和自適應調(diào)節(jié)工作點功 能的儲液器的兩相回路散熱系統(tǒng)。本實用新型的目的及解決其技術問題是采用以下技術方案來實現(xiàn)的。依據(jù)本實用 新型提出的一種具備汽泡注入功能的儲液器，其為一壓力容器，容器內(nèi)部至少有一根管道 穿過，且該管道在所述容器內(nèi)部至少開有一個小口，所述小口開在距容器底部一定距離的 高度，或通過另一小管道把開口延伸至容器內(nèi)部的一定高度處，所述管道一端接泵的出口， 另一端接蒸發(fā)器的入口 ；所述儲液器可通過穿過其內(nèi)部管道的開口向連接蒸發(fā)器入口的管 道注入汽泡。根據(jù)本實用新型實施例的具備汽泡注入功能的儲液器，在所述容器內(nèi)的所述管道 的上游開有另一個口徑極小的口，并通過另一小管道延伸至所述儲液器內(nèi)部液體處。根據(jù)本實用新型實施例的具備汽泡注入功能的、能自適應調(diào)整工作點的儲液器， 另有一條較粗的管道也穿過該壓力容器；來自蒸發(fā)器的汽-液兩相流體工質(zhì)從該管道內(nèi)流 過，與所述壓力容器內(nèi)工質(zhì)換熱，從而達到調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作點的目的。根據(jù)本實用新型實施例的具備汽泡注入功能的自適應儲液器，在所述壓力容器內(nèi) 部，所述細管與所述粗管之間安裝有可提供過冷液體、汽-液兩相流體和儲液器內(nèi)部工質(zhì) 三方換熱的回熱器；其回熱器為套管式換熱器或逆流板式換熱器。根據(jù)本實用新型實施例的具備汽泡注入功能的自適應儲液器，在容器內(nèi)部流向蒸 發(fā)器入口的液體管道出口處連接一個單向閥。對于在微重力下的應用，以上所有儲液器的汽泡注入口(所述細管開口)應開在 儲液器的汽相區(qū)域，或通過另一小管把所述開口引伸到汽相區(qū)域處。另外，本實用新型還公開了一種兩相回路散熱系統(tǒng)，包括用于驅(qū)動工質(zhì)循環(huán)的機 械泵；用于收集廢熱的蒸發(fā)器；用于向系統(tǒng)外排熱的冷凝換熱器以及儲液器；該儲液器可 為上述實施例中的任何一種儲液器，儲液器內(nèi)部的細管的一端接泵的出口，另一端接蒸發(fā) 器的入口 ；所述儲液器可通過穿過其內(nèi)部管道的開口向管道注入汽泡。借由上述技術方案，本實用新型具備汽泡注入功能的自適應儲液器及具有該儲液 器的兩相回路散熱系統(tǒng)至少具有下列優(yōu)點1)儲液器在系統(tǒng)熱啟動時通過向蒸發(fā)器注入汽泡，可以為蒸發(fā)器吸熱沸騰提供 汽-液兩相界面，從而可以有效地抑制啟動時的過熱現(xiàn)象；2)通過在儲液器內(nèi)部引入回熱器，使泵出口液體具有一定過冷度的情況下，仍可 通過所述回熱器被加熱至飽和點，從而不但可以在保證儲液器具備汽泡注入功能的同時， 不需要承受大的內(nèi)部工作壓力，在液體過冷度變化大時仍可以穩(wěn)定系統(tǒng)工作溫度，而且通過回熱器與儲液器換熱使所述系統(tǒng)在熱載荷變化時具有自適應地調(diào)節(jié)工作點、從而在為發(fā) 熱器件提供均勻、穩(wěn)定的溫度環(huán)境的同時，具有節(jié)能的效果；3)本實用新型的儲液器還具有綜合使用空間小、安裝方便的使用價值。

圖1為現(xiàn)有技術的儲液器所應用的兩相回路散熱系統(tǒng)的整體示意圖；圖2為本實用新型的儲液器所應用的兩相回路散熱系統(tǒng)的整體示意圖；圖3為本實用新型的熱啟動時可間歇地向兩相回路注入汽泡的儲液器的剖面示 意圖；圖4為本實用新型的熱啟動時可連續(xù)地向兩相回路注入汽泡的儲液器的剖面示 意圖；圖5為本實用新型實施例的儲液器的剖面示意圖；圖6為本實用新型帶板式回熱換熱器的、熱啟動時可連續(xù)向回路注入汽泡的儲液 器的剖面示意圖；圖7為本實用新型帶板式回熱換熱器的、熱啟動時可連續(xù)向回路注入汽泡的、并 在液體出口安裝了單向閥的的儲液器的剖面示意圖。1、:Γ 機械泵2、2’ 蒸發(fā)器[0030]3、3’ 冷凝換熱器4、4，儲液器[0031]5 回熱器10 儲液器[0032]11液體管(細管)12 液體出口[0033]13第一開口延伸小管20 儲液器[0034]21液體管(細管)22 液體出口[0035]23第一開口延伸小管24 兩相管(粗管)入口[0036]30儲液器[0037]31液體管(細管)32:套管(粗管)[0038]40儲液器41 板式回熱換熱器[0039]42液體管(細管)43:第二開口延伸小管[0040]44兩相管(粗管)50 儲液器[0041]51板式回熱換熱器52 單向閥(止回閥)
具體實施方式
本實用新型的儲液器主要應用于泵驅(qū)兩相回路散熱系統(tǒng)中，如圖2所示，該散熱 系統(tǒng)包括負責驅(qū)動工質(zhì)循環(huán)的機械泵1’、負責收集廢熱的蒸發(fā)器2’、負責向系統(tǒng)外排熱 的冷凝換熱器3’以及儲液器4’ ；該儲液器4’內(nèi)部的液體管其液體入口端接機械泵1’的 出口，其靠近管道開口的另一端出口接蒸發(fā)器2’的入口。為了使兩相回路散熱系統(tǒng)更便于產(chǎn)業(yè)化，本實用新型提供一種集成式的、具備汽 泡注入功能的自適應儲液器，它把回熱器集成于儲液器的壓力容器內(nèi)，除實現(xiàn)過冷液體與 兩相流體的換熱外，還實現(xiàn)兩相流體與所述壓力容器內(nèi)工質(zhì)的換熱，從而達到按散熱量自 動調(diào)節(jié)工作點的目的，因而具備儲液、壓力緩沖、冷/熱流體換熱、以及自適應調(diào)節(jié)工作點等多種功能，并使系統(tǒng)組件綜合體積更小，更易于安裝使用。具備向回路注入汽泡功能的儲 液器，是利用儲液器內(nèi)部存放的飽和流體和蒸汽在重力或毛細力的作用下，產(chǎn)生汽液兩相 分離的這一特征，把儲液器內(nèi)的蒸汽注入到兩相回路中去。依應用場合、對象的不同，可注入汽泡的自適應儲液器有各種形式，但至少包括以 下共同特點(1)可承受高的工作壓力；(2)儲液并緩沖系統(tǒng)壓力，其特點是所述儲液器內(nèi) 至少有一管道與回路連通，使所述儲液器與回路可以進行工質(zhì)交換；C3)與來自蒸發(fā)器的 (汽-液兩相或汽相)工質(zhì)有熱交換，但沒有工質(zhì)交換。
以下結合附圖和較佳實施例，來進一步說明本實用新型的儲液器，但本實用新型 并不局限于這些實施例。實施例1如圖3所示，本實用新型其中一實施例的儲液器10是將液體管(小管)11穿過儲 液器壓力容器，然后在容器內(nèi)部靠近液體出口 12的液體管11上開一小口(第一開口)，同 時用第一開口延伸小管13將該第一開口延伸至容器內(nèi)部汽相區(qū)域處(通常是容器的上部， 其高度依設計需要而定)，儲液器10內(nèi)部的液體管11其液體入口端接泵的出口，其另一端 液體出口 12 (靠近管道開口端)接蒸發(fā)器的入口；當入口的液體達到飽和溫度時，由于液體 管11內(nèi)液體的流動所產(chǎn)生的低壓以及兩相回路自身的壓力振蕩效應，汽體(汽泡)會間歇 地從儲液器10注入到回路蒸發(fā)器中去。實施例2如圖4所示，本實用新型另一實施例的儲液器20是將液體管(小管)21穿過儲液 器壓力容器，用第一開口延伸小管23將該第一開口延伸至容器內(nèi)部汽相區(qū)域處(通常是容 器的上部，其高度依設計需要而定)，增加一根穿過儲液器20的較粗的管道，優(yōu)選地，所述 管道外壁焊接有散熱翅片，所述管道與容器只有換熱、沒有工質(zhì)交換通道(開口)，所述兩 相管(粗管)入口 M接蒸發(fā)器的出入，而液體出口 22接冷凝器熱側的入口。通過所述粗管 道，與來自蒸發(fā)器的汽-液兩相流體與儲液器有良好的換熱，從而達到根據(jù)熱載荷的變化， 自適應地調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作點的目的。實施例3在實際應用時，為防止機械泵的氣蝕，吸入機械泵的流體要有一定的過冷度；而當 過冷液體被泵入穿過壓力容器的液體細管時，過冷液體與容器內(nèi)的工質(zhì)換熱，降低容器內(nèi) 工質(zhì)的溫度，從而降低儲液器的工作溫度，并非所有的工況都能接受這個影響的。解決方案 之一是在容器外部或內(nèi)部加裝加熱器，以維持儲液器溫度，即系統(tǒng)的工作溫度的穩(wěn)定，但這 樣能耗較高，而且增加了控溫系統(tǒng)這一復雜性。如圖5所示，為進一步減少過冷液體與儲液器30內(nèi)部工質(zhì)的換熱，我們將系統(tǒng)中 的回熱器引入壓力容器內(nèi)部，并通過該回熱器把過冷工質(zhì)加熱至飽和溫度，同時維持儲液 器內(nèi)部工質(zhì)工作溫度穩(wěn)定。僅有過冷液體細管31從進入容器至回熱器這一段與容器內(nèi)工 質(zhì)有熱交換，從而限制其換熱量，其余與容器內(nèi)工質(zhì)有接觸的管道溫度與系統(tǒng)工作溫度一 致，在具備注入汽泡功能的同時，可保持系統(tǒng)穩(wěn)定而不對機械泵1’造成汽蝕。即來自蒸發(fā) 器2’的兩相流體不僅與容器內(nèi)的工質(zhì)流體換熱，而且與來自冷凝換熱器3’的過冷液體換 熱，但所述過冷液體與容器內(nèi)所述工質(zhì)只有少量換熱，從而達到分別加過冷工質(zhì)流體和維 持儲液器溫度穩(wěn)定的目的。[0053]該儲液器30的外部結構特征是至少有四條管道接入壓力容器，其中兩條較細， 細管(液體管31)內(nèi)流動冷液工質(zhì)，與容器相通的開口設在流出液體的細管上；而另外兩條 明顯較粗，粗管(套管32)內(nèi)流動兩相工質(zhì)；如果容器上還接有其他的管，它們都是非功能 性的，如用于連接象爆破閥這樣的安全保護器件或壓力傳感器等。實施例4如圖6所示，本實用新型又一實施例的儲液器40，對于應用在過冷度大或流量大 的兩相回路散熱系統(tǒng)中，上述實施例3中的套管式換熱器的換熱量不夠或壓力損失太大， 可將其替換為板式換熱器41，而本實施例的儲液器40的其他結構組成與上述實施例3中的 儲液器30相同。此外，從回熱器出來的細管42上開有另一微孔(第二開口延伸小管)43， 所述微孔處于汽泡注入小孔的上游。優(yōu)選地，從回熱出來的兩相管(粗管)44外壁焊接散 熱翅片。實施例5如圖7所示，本實用新型又一實施例的儲液器50，壓力容器內(nèi)部具有板式回熱換 熱器51，其在兩相回路散熱系統(tǒng)中，由于儲液器50處于泵的下游，儲液器50的出口直接與 蒸發(fā)器的入口相連，容易造成儲液器50與回路的強耦合，因此，在儲液器50與蒸發(fā)器之間 安裝一單向閥(止回閥)52可有效地削弱兩者之間的耦合；可選地，這個單向閥52可集成 在儲液器50的內(nèi)部；而本實施例的儲液器50的其他結構組成與上述實施例4中的儲液器 40相同。視其他應用要求，還可以在儲液器壁面、細管道的進口或出口處安加熱器。以上所述，僅是本實用新型的較佳實施例而已，并非對本實用新型作任何形式上 的限制，故凡是未脫離本實用新型技術方案內(nèi)容，依據(jù)本實用新型的技術實質(zhì)對以上實施 例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本實用新型技術方案的范圍內(nèi)。
權利要求1.一種應用于汽-液兩相流體循環(huán)散熱回路的、具備汽泡注入功能的儲液器，其特征 在于所述儲液器為一壓力容器，容器內(nèi)部至少有一根管道穿過，且該管道在所述容器內(nèi)部 至少開有一個小口，所述小口開在離容器底部有一定距離的高度，或通過另一小管道把開 口延伸至容器內(nèi)部的一定高度，儲液器內(nèi)部的管道一端接泵的出口，另一端接蒸發(fā)器的入 口 ；在所述管道內(nèi)流過的為飽和液體的條件下，所述儲液器可通過穿過其內(nèi)部管道的開口 向管道注入汽泡。
2.根據(jù)權利要求1所述的儲液器，其特征在于在所述容器內(nèi)的所述管道靠近液體入 口處開有另一個口徑極小的口，并通過另一小管道延伸至所述儲液器內(nèi)部液體處。
3.根據(jù)權利要求2所述的儲液器，其特征在于有另一條較粗的管道通過所述壓力容 器內(nèi)部，所述粗管入口接蒸發(fā)器出口，所述粗管出口接冷凝器熱側入口。
4.根據(jù)權利要求3所述的儲液器，其特征在于所述容器內(nèi)的粗細兩管道之間安裝有 可提供過冷液體、汽-液兩相流體和儲液器工質(zhì)三方換熱的回熱器。
5.根據(jù)權利要求4所述的儲液器，其特征在于安裝在壓力容器內(nèi)部的回熱器為套管 式換熱器或逆流板式換熱器；來自蒸發(fā)器的汽-液兩相流體工質(zhì)從該套管內(nèi)或板式換熱器 中流過，與所述來自泵的過冷液體以及壓力容器內(nèi)工質(zhì)換熱。
6.根據(jù)權利要求4所述的儲液器，其特征在于所述壓力容器內(nèi)細管道的兩個開口均 開在回熱器出口之后，其中一個開口位于離所述儲液器底部有一定距離高度處，或通過小 管延伸至離底部有一定距離之高處。
7.根據(jù)權利要求6所述的儲液器，其特征在于在容器內(nèi)部流向蒸發(fā)器入口的液體細 管道出口處連接一個單向閥。
8.根據(jù)權利要求1-7中任一權利要求所述的儲液器，其特征在于對于在微重力下的 應用，以上所有儲液器的汽泡注入口應開在儲液器的汽相區(qū)域，或通過另一小管把所述開 口引伸到汽相區(qū)域處。
9.一種兩相回路散熱系統(tǒng)，其特征在于其包括用于驅(qū)動工質(zhì)循環(huán)的機械泵；用于收 集廢熱的蒸發(fā)器；用于向系統(tǒng)外排熱的冷凝換熱器以及儲液器；該儲液器為上述權利要求 1-7中任一權利要求所述的儲液器。
專利摘要本實用新型是關于一種具備汽泡注入功能的自適應儲液器及具有該儲液器的兩相回路散熱系統(tǒng)，所述儲液器為一壓力容器，容器內(nèi)部至少有兩根管道穿過，其中一根管道較粗，一端接蒸發(fā)器的出口，另一端接冷凝器的熱側入口；另一根較細的管道在所述容器內(nèi)部至少開有一個小口，所述小口應距容器底部有一定的高度，或通過另一小管道把開口延伸至容器內(nèi)部的一定高度，儲液器內(nèi)部的管道一端接泵的出口，另一端接蒸發(fā)器的入口；在所述管道內(nèi)流過的為飽和液體的條件下，所述儲液器可通過穿過其內(nèi)部管道的開口向管道注入汽泡。本實用新型的儲液器能有效消除兩相回路散熱系統(tǒng)在熱啟動過程中常見的過熱現(xiàn)象，并使回路系統(tǒng)穩(wěn)定啟動；而當回路系統(tǒng)工作時，還可根據(jù)熱量排放的大小自適應調(diào)節(jié)工作點，從而達到更節(jié)能的目的。
文檔編號F28D15/02GK201867102SQ20102056799
公開日2011年6月15日 申請日期2010年10月19日 優(yōu)先權日2010年10月19日
發(fā)明者何振輝, 宋兆普, 張來得, 鐘法強, 黃臻成 申請人:中山大學