冷卻裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于冷卻至少兩個(gè)不同的熱源的裝置，其特征在于，包括：-雙相流體在其中流動(dòng)的閉合回路；-至少一個(gè)毛細(xì)蒸發(fā)器(10)，其適于被布置成與熱源中稱作主熱源(41)的那個(gè)熱源熱接觸；-針對(duì)待冷卻的稱作次級(jí)熱源(15，20)的每個(gè)其他熱源，至少一個(gè)熱交換器(14，19)，其適于被布置成與所述次級(jí)熱源熱接觸；-稱作第一冷凝器(12)的至少一個(gè)冷凝器，其被置于蒸發(fā)器(10)的下游(沿通過(guò)回路的流體的理論行進(jìn)方向)和至少一個(gè)熱交換器(14，19)的上游；-稱作最后冷凝器(22)的至少一個(gè)冷凝器，其被置于蒸發(fā)器(10)的上游(沿通過(guò)回路的流體的理論行進(jìn)方向)和至少一個(gè)熱交換器(14，19)的下游。
【專利說(shuō)明】冷卻裝置
[0001 ] 本發(fā)明涉及熱交換器領(lǐng)域。
[0002]更具體地，本發(fā)明涉及一種基于具有用于冷卻多個(gè)熱源的流體流的傳熱回路的純無(wú)源熱調(diào)節(jié)裝置。
【背景技術(shù)】
[0003]根據(jù)圖1所示的現(xiàn)有技術(shù)，用于冷卻熱源41的傳熱流體回路包括:
[0004]I/雙相流體在其中流動(dòng)的閉合管道；
[0005]2/熱交換器10，稱作蒸發(fā)器，其執(zhí)行流體與熱源之間的熱交換；以及
[0006]3/熱交換器61，稱作冷凝器，其執(zhí)行流體與用于冷卻的熱井60之間的熱交換。
[0007]所使用的雙相流體在回路的冷部分中通常大體上是液態(tài)的，并且在回路的熱部分中大體上是氣態(tài)。
[0008]典型的熱源例如由一個(gè)耗散電子設(shè)備構(gòu)成，并且典型的熱井例如由與比熱源更冷的環(huán)境接觸的散熱器構(gòu)成，或由從電能中制冷的其他熱力循環(huán)機(jī)構(gòu)成，例如斯特林(Stirling)循環(huán)機(jī)。
[0009]更一般地，熱源可以由如下元件構(gòu)成:其不一定是電子的且由耗散電子設(shè)備加熱，或者由系統(tǒng)外的元件構(gòu)成。這種情況例如是，當(dāng)一組電子設(shè)備被固定到支撐結(jié)構(gòu)時(shí)，可能地借助于熱管或用于此目的的任何其他裝置而將由這些設(shè)備發(fā)出的熱量分配至整體結(jié)構(gòu)。在這種情況下，熱源被認(rèn)為是由支撐結(jié)構(gòu)和這些設(shè)備構(gòu)成的組件，并且傳熱流體回路的熱交換器可以被安置在特定設(shè)備上或支撐結(jié)構(gòu)上。還可能記住的是，由太陽(yáng)照射的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)元件(例如擋板)可以形成熱源。
[0010]在其中流體通過(guò)毛細(xì)作用被泵送的流體回路(稱作“毛細(xì)流體回路”)的更特定領(lǐng)域中，蒸發(fā)器10可以有利地包括液體/蒸汽雙相狀態(tài)下(在稱作“回路熱管”的流體回路的情況下)的流體儲(chǔ)存裝置70 (見圖1和7)以及在所有情況下的多孔物質(zhì)80或有利地多微孔物質(zhì)(具有微米大小的孔)，以通過(guò)毛細(xì)作用泵送液體。
[0011]稱為儲(chǔ)存器70的液體儲(chǔ)存裝置位于接近多微孔物質(zhì)的位置，以向多微孔物質(zhì)提供液體。儲(chǔ)存器中存在的液體通過(guò)被置于盡可能接近熱源的位置處的多微孔物質(zhì)而被泵送。液體主要在該處蒸發(fā)，并且由此產(chǎn)生的蒸汽91通過(guò)管道向熱井排放，其中蒸汽91在冷凝器處冷凝并且然后以部分地或完全地液體的形式92通過(guò)另一管道返回向蒸發(fā)器以產(chǎn)生傳熱循環(huán)。
[0012]就其本身而言，冷凝器可以簡(jiǎn)單地由輸送流體的管道構(gòu)成，通常是簡(jiǎn)單的管，其中向該管道添加用于增強(qiáng)管道與熱井之間熱交換的裝置(例如底板)。
[0013]當(dāng)多個(gè)分離的且間隔開的熱源要被冷卻時(shí)，現(xiàn)有技術(shù)(例如US2011/0056225)建議使用與熱源一樣多的流體回路，或者建議在平行回路上增加毛細(xì)蒸發(fā)器。流體回路蒸發(fā)器被置于與每個(gè)熱源接觸的位置處，并且被連接到散熱器以排放來(lái)自熱源的熱量。因此，操作與熱源一樣多的蒸發(fā)器和流體回路。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]本發(fā)明主要涉及一種用于冷卻至少兩個(gè)熱源的冷卻裝置，其特征在于，包括:
[0015]-雙相流體在其中流通的閉合回路；
[0016]-至少一個(gè)蒸發(fā)器，其被置于與稱為主熱源的熱源之一熱接觸的位置處；
[0017]-針對(duì)待冷卻的稱為次級(jí)熱源的每個(gè)其他熱源，至少一個(gè)熱交換器適于被置于與所述次級(jí)熱源熱接觸的位置處；
[0018]-稱作第一冷凝器的至少一個(gè)冷凝器，其被置于(回路中流體的理論行進(jìn)方向中的)蒸發(fā)器的下游和至少一個(gè)熱交換器的上游；
[0019]-稱為最后冷凝器的至少一個(gè)冷凝器，其置于(回路中流體的理論行進(jìn)方向中的)蒸發(fā)器的上游和至少一個(gè)熱交換器的下游。
[0020]在一個(gè)特定應(yīng)用中，例如針對(duì)微重力中的交通工具領(lǐng)域，蒸發(fā)器有利地是毛細(xì)型的蒸發(fā)器。應(yīng)當(dāng)理解的是，毛細(xì)蒸發(fā)器的使用使得有可能產(chǎn)生無(wú)源冷卻裝置。
[0021]應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明使得能夠只使用一個(gè)流體回路和一個(gè)蒸發(fā)器來(lái)冷卻至少兩個(gè)分離的且可選地間隔開的熱源。根據(jù)應(yīng)用，這兩個(gè)熱源之間的距離可以從幾毫米或幾厘米至若干米變化。
[0022]此外，所述裝置使得有能夠提高流體回路的能力，以在比流體回路的工作溫度更熱的熱環(huán)境中工作。
[0023]根據(jù)一個(gè)特定實(shí)施例，所述裝置還包括被置于兩個(gè)次級(jí)熱源之間的稱作次級(jí)冷凝器的至少一個(gè)冷凝器。
[0024]在一個(gè)更特定的實(shí)施例中，針對(duì)每個(gè)熱交換器，所述裝置包括被直接置于所述熱交換器的上游和下游的冷凝器，所述冷凝器適于被布置成與熱井熱接觸。術(shù)語(yǔ)“直接”應(yīng)當(dāng)被理解為意味著每個(gè)冷凝器只通過(guò)其中有流體流動(dòng)的管道而非通過(guò)另一熱交換器而與相關(guān)聯(lián)的熱交換器分離。
[0025]應(yīng)當(dāng)理解的是，雙相流體隨后從蒸發(fā)器交替地流經(jīng)冷凝器和熱交換器，該冷凝器被置于每個(gè)熱交換器的上游和下游的位置處。
[0026]根據(jù)所述裝置的可選地組合使用的各種實(shí)施例:
[0027]-至少一個(gè)熱交換器是由小直徑(從十分之幾毫米至幾毫米)的管構(gòu)成的；
[0028]-以管的形式制造閉合回路，所述管至少在一個(gè)熱交換器處具有毛細(xì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)；
[0029]-所述最后冷凝器被集成在毛細(xì)蒸發(fā)器的儲(chǔ)存器中。
[0030]本發(fā)明還涉及一種包括至少兩個(gè)熱源和至少一個(gè)熱井以及所述冷卻裝置的熱回路。
[0031]有利地，所述蒸發(fā)器被置于耗散性最強(qiáng)的熱源即主熱源上。
[0032]有利地，所述主熱源具有的熱功率大于或等于被置于任一對(duì)連續(xù)冷凝器之間的次級(jí)熱源的熱功率之和。
[0033]根據(jù)一個(gè)特定的實(shí)施例，所述熱回路還包括加熱器，該加熱器適于被布置在所述主熱源處，從而產(chǎn)生被添加到所述主熱源的熱功率中的熱功率，以使得由所述主熱源和所述加熱器耗散的功率之和大于或等于位于任一對(duì)連續(xù)冷凝器之間的次級(jí)熱源的熱功率之和。
[0034]根據(jù)使得能夠簡(jiǎn)化熱回路制造的一個(gè)實(shí)施例，至少兩個(gè)冷凝器被置于同一個(gè)熱井上。
[0035]根據(jù)一個(gè)特定實(shí)施例，毛細(xì)蒸發(fā)器或熱交換器與位于所述毛細(xì)蒸發(fā)器或所述熱交換器的下游的冷凝器之間的壓頭損失適于使得被置于所述冷凝器下游處的熱交換器中的蒸發(fā)溫度降低到給定值之下。
[0036]在這種情況下，根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，通過(guò)降低位于所述毛細(xì)蒸發(fā)器或所述熱交換器與所述冷凝器之間的流體管道中的壓力的裝置而導(dǎo)致所述壓頭損失。
[0037]在可選地組合使用的另一實(shí)施例中，通過(guò)適配位于面所述蒸發(fā)器或所述熱交換器與所述冷凝器之間的流體管道的長(zhǎng)度和/或直徑而導(dǎo)致所述壓頭損失。
[0038]根據(jù)其他方面，本發(fā)明涉及一種具有上述冷卻裝置或熱回路的儀器。
[0039]本發(fā)明還涉及一種具有上述冷卻裝置或熱回路的電子板。有利地，所述熱井由該電子板的底板構(gòu)成。
[0040]根據(jù)又另一方面，本發(fā)明涉及一種設(shè)備板，其特征在于，包括上述冷卻裝置或熱回路。
[0041]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，所述板包括其上固定有設(shè)備的第一面，并且與該第一面相對(duì)的一面是熱井。
[0042]在一個(gè)實(shí)施例中，所述裝置包括蒸發(fā)器和管道，該管道的不同部分相繼是冷凝器和熱交換器，其中連接到蒸發(fā)器的管道部分是冷凝器。
[0043]優(yōu)選地，流體在毛細(xì)蒸發(fā)器與第一冷凝器之間以蒸汽的形式流動(dòng)。
[0044]根據(jù)一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，所述第一冷凝器比所述蒸發(fā)器更接近位于該蒸發(fā)器下游的第一熱交換器，從而限制熱量泄漏到管的雙相(液體/蒸汽)段或液體環(huán)境。
[0045]類似地，根據(jù)一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，所述最后冷凝器更接近所述蒸發(fā)器而不是位于該蒸發(fā)器下游的所述最后熱交換器。
[0046]有利地，在所述閉合回路中流動(dòng)的雙相流體具有低飽和梯度(dP/dT，其中P是壓力且T是溫度)，由此在比所述蒸發(fā)器的飽和溫度低若干度的飽和溫度處允許熱交換器中的汽化(10K量級(jí))。
[0047]本發(fā)明還涉及一種具有至少一個(gè)上述裝置或熱回路的衛(wèi)星。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0048]根據(jù)以下作為非限制性應(yīng)用實(shí)例闡明本發(fā)明特征的描述，將更好地理解本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)。
[0049]該描述基于附圖，其中:
[0050]圖1(已經(jīng)描述)示出了現(xiàn)有技術(shù)已知的組件中的具有平板式蒸發(fā)器的毛細(xì)流體回路的示例；
[0051]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的具有蒸發(fā)器、多個(gè)熱交換器和冷凝器的裝置的示例；
[0052]圖3示出了圖2所示的流體回路的代表性壓力/溫度圖；
[0053]圖4示出了光學(xué)儀器的應(yīng)用中的裝置的實(shí)現(xiàn)示例；
[0054]圖5示出了冷卻電子板的應(yīng)用中的裝置的實(shí)現(xiàn)示例；
[0055]圖6示出了冷卻被置于散熱板上的多個(gè)電子設(shè)備的應(yīng)用中的裝置的實(shí)現(xiàn)示例；
[0056]圖7示出了其中冷凝器被集成在蒸發(fā)器中的示例?！揪唧w實(shí)施方式】
[0057]在此作為說(shuō)明性而非限制性示例所給出的本實(shí)施例中，根據(jù)本發(fā)明的裝置被用在失重狀態(tài)下的航空器的機(jī)載冷卻回路的背景下，在這種情況下是地球衛(wèi)星。根據(jù)衛(wèi)星的機(jī)載設(shè)備來(lái)設(shè)計(jì)冷卻回路并調(diào)節(jié)冷卻回路的尺寸。因此，冷卻回路的幾何形狀取決于機(jī)載設(shè)備的幾何形狀，并且冷卻回路布置在所述衛(wèi)星中。
[0058]在本示例性實(shí)施例中，冷卻裝置是雙相流體在其中流動(dòng)的密封殼，如圖2所示，該殼包括毛細(xì)蒸發(fā)器10、至少一個(gè)其他熱交換器14、19 (這里示出了兩個(gè))、位于蒸發(fā)器10上游和下游的至少兩個(gè)冷凝器12、22、此處位于熱交換器14下游和熱交換器19上游的另一冷凝器17，以及連接這些各種元件的管道11、13、16、18、21和23。
[0059]上游和下游是根據(jù)回路中的流體行進(jìn)的理論方向而定義的。
[0060]在這里通過(guò)限定，熱交換器是其中雙相流體與熱源熱接觸的所述裝置的一部分。從這個(gè)意義上說(shuō)，蒸發(fā)器是熱交換器。
[0061]在這里通過(guò)限定，冷凝器是其中雙相流體與熱井熱接觸的所述裝置的一部分。
[0062]在這里通過(guò)限定，毛細(xì)蒸發(fā)器是其中流體蒸發(fā)發(fā)生在多孔(微孔)物質(zhì)80內(nèi)的熱交換器。
[0063]毛細(xì)蒸發(fā)器10適于被布置成處于熱交換系中，并且優(yōu)選地與稱為主熱源41的熱源接觸。在這里描述的實(shí)施例中，該主熱源41是從待冷卻的一組預(yù)定熱源中被選擇作為耗散最多熱功率的熱源。
[0064]該蒸發(fā)器10是已知類型的。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，蒸發(fā)器10是毛細(xì)蒸發(fā)器，例如圖2所示的平板式蒸發(fā)器，或者是圓柱形蒸發(fā)器，其適于被放置在通過(guò)其一個(gè)面或通過(guò)為此而設(shè)置的底板與主熱源41接觸的位置處。
[0065]回想一下，在毛細(xì)蒸發(fā)器中，盡管沒(méi)有重力，然而通過(guò)存在于多微孔物質(zhì)的細(xì)胞內(nèi)的表面張力，液體被保持在多微孔物質(zhì)18內(nèi)，其中多微孔物質(zhì)通過(guò)設(shè)于相鄰位置的流體儲(chǔ)存器70而被供應(yīng)液體。
[0066]由于多微孔物質(zhì)被置于盡可能接近主熱源41的位置，因此液體在該處蒸發(fā)。所產(chǎn)生的流體流量近似地與主熱源41的熱功率成比例。
[0067]在蒸發(fā)器10處由此產(chǎn)生的蒸汽通過(guò)具有已知材料和類型的第一管道11而被輸送向圖2中十分示意性示出的第一冷凝器12，該第一冷凝器12適于被布置成與第一熱井(圖2中未示出)熱接觸。
[0068]第一冷凝器12可以例如是在向自由空間中散熱的平板式散熱器表面上蜿蜒的小直徑(通常幾毫米)管，該散熱器用作熱井。在該第一冷凝器12處，借助于在氣相流體與所述熱井之間發(fā)生的熱交換，蒸汽被完全地或部分地轉(zhuǎn)變成液體流。
[0069]在最佳實(shí)施例中，熱井(圖2中未示出)和冷凝器12的尺寸(例如，就在冷凝器12處的管長(zhǎng)度和熱井的溫度而言)被調(diào)節(jié)成使得離開冷凝器12的液體流量足夠用于其在熱交換器14中蒸發(fā)，這使得能夠?qū)⒂蔁嵩?5耗散的一大部分熱量轉(zhuǎn)變成流體。
[0070]在通過(guò)第一冷凝器12之后，離開第一冷凝器12的液體(或雙相液體/蒸汽混合物)被蒸汽流驅(qū)動(dòng)(假設(shè)蒸發(fā)器10的驅(qū)動(dòng)壓力大于所述裝置中的壓頭損失)，并且流經(jīng)第二管道13直到第二熱交換器14為止(與熱源接觸的第一熱交換器是蒸發(fā)器10)，該第二熱交換器14被置于相鄰位置處，并且優(yōu)選地與稱作第一次級(jí)熱源的第二熱源15接觸，該第二熱源15有利地比主熱源41耗散更少的熱功率。
[0071]基本上通過(guò)液體的蒸發(fā)，第二熱交換器14使得能夠?qū)⒋渭?jí)熱源15的熱功率轉(zhuǎn)變成所述裝置的流體。圖2中十分示意性示出的這個(gè)第二熱交換器14可以有利地由在其周邊具有毛細(xì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)(多微孔物質(zhì)或開槽的輪廓)的管道構(gòu)成，其中該毛細(xì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)被布置成使得雙相流體的液體通過(guò)毛細(xì)作用而被分配至發(fā)生熱交換的管道區(qū)域，或者更簡(jiǎn)單地通過(guò)與次級(jí)熱源15直接接觸的小尺寸管道，該管道有可能是可以通過(guò)促進(jìn)熱交換的平底板而延伸的圓柱形管，或者是以有利地適于最大化熱交換區(qū)域的板的形式的管道。
[0072]與由次級(jí)熱源15發(fā)出的熱量接觸，液體被加熱并且完全地或部分地蒸發(fā)，由此吸收或多或少的能量。
[0073]源自第二熱交換器14的雙相流體通過(guò)由毛細(xì)蒸發(fā)器10產(chǎn)生的強(qiáng)迫流而被驅(qū)動(dòng)通過(guò)第三管道16直到可能與第一熱井混合在一起的第二熱井為止，其中中間冷凝器17冷卻由次級(jí)熱源加熱的雙相流體。
[0074]在圖2所示的裝置中，在通過(guò)中間冷凝器17之后，離開中間冷凝器17的液體(或雙相液體/蒸汽混合物)通過(guò)蒸汽流而被驅(qū)動(dòng)，并且流經(jīng)第四管道18直到第三熱交換器19為止，該第三熱交換器19被置于相鄰位置處并且優(yōu)選地與稱為第二次級(jí)熱源的第三熱源20接觸，該第三熱源20有利地比主熱源41耗散更少的熱功率。
[0075]第三熱交換器19使得能夠?qū)⒎Q為第二次級(jí)熱源的第三熱源20的熱功率轉(zhuǎn)變成所述裝置的流體。該第三熱交換器19可以是與第二熱交換器14相同類型的熱交換器。
[0076]源自第三熱交換器19的雙相流體通過(guò)由毛細(xì)蒸發(fā)器10產(chǎn)生的強(qiáng)迫流而被驅(qū)動(dòng)通過(guò)第五管道21直到可能與在先熱井混合在一起的第三熱井為止，其中最后冷凝器22冷卻由次級(jí)熱源20加熱的雙相流體。
[0077]第六管道23將由最后冷凝器22冷卻的流體返回到毛細(xì)蒸發(fā)器10。該最后冷凝器22有利地位于毛細(xì)蒸發(fā)器10附近，以限制到達(dá)毛細(xì)蒸發(fā)器10的液體被管道23所在的或多或少的熱環(huán)境的加熱。
[0078]僅作為對(duì)根據(jù)本發(fā)明的裝置的一個(gè)實(shí)施例的說(shuō)明而給出了圖2。
[0079]另一更簡(jiǎn)單的實(shí)施例可以沒(méi)有中間冷凝器17。這種情況可以有利地的是次級(jí)熱源15,20的熱功率之和小于主熱源41的熱功率。
[0080]另一甚至更簡(jiǎn)單的實(shí)施例將只包括單個(gè)次級(jí)熱源14且沒(méi)有中間冷凝器17。
[0081]相反，為了覆蓋所有可能的實(shí)施例，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，由可能增加次級(jí)熱源和冷凝器的數(shù)量，只要流體回路中的壓頭損失小于毛細(xì)蒸發(fā)器的最大毛細(xì)壓力。
[0082]在最一般的情況下，所述裝置可以具有K個(gè)冷凝器Cl、-XK(K) = 2)，冷凝器Cl和CK必須分別被置于蒸發(fā)器的下游和上游位置處并且在兩個(gè)連續(xù)冷凝器Ci和Ci+Ι之間，可以具有與Ni個(gè)次級(jí)熱源熱接觸的Ni個(gè)熱交換器Ei，1、Ei，2、…、Ei，Ni。如果被置于主熱源41上的毛細(xì)流體回路的蒸發(fā)器標(biāo)記為E00，則流體流跟隨以下路徑(其中，符號(hào)“〉”當(dāng)然指示流體流的方向):
[0083]E00>C1>E1, 1>E1, 2>…〉El, N1>C2>E2, 1>E2, 2>...E2, N2>C3>...>CK-1>EK_1，1>EK-1，2>...>EK-1，NK>CK>E00。
[0084] 在該一般情況下，有利的是，主熱源的熱功率大于或等于與被置于任何一對(duì)冷凝器C1、Ci+1之間的熱交換器Ei，UEi, 2、…、Ei，Ni接觸的次級(jí)熱源的熱功率之和。
[0085]所述裝置的流體回路中的雙相流體的連續(xù)狀態(tài)在圖3中被示出，圖3示出了在流體行進(jìn)通過(guò)如圖2所示的上述冷卻裝置時(shí)該流體的壓力/溫度圖。圖3示出了表明飽和壓力Psat隨飽和溫度Tsat的變化而變化的Psat (Tsat)曲線，即在毛細(xì)流體回路中(多微孔物質(zhì)之外)流動(dòng)的流體的氣態(tài)域和液體域之間的界限。
[0086]如能夠在該圖中看到的那樣，點(diǎn)I至7對(duì)應(yīng)于圖2中指示的點(diǎn)，離開蒸發(fā)器10的流體(圖2和3中的點(diǎn)I)表明位于液體/蒸汽過(guò)渡曲線上的壓力/溫度對(duì)。這里，具有最大壓力P(I)和最高溫度T(I)的點(diǎn)被定位。在整個(gè)熱回路中，考慮到管道、冷凝器和熱交換器中的壓頭損失，當(dāng)流體流動(dòng)時(shí)，流體的壓力將減小。
[0087]當(dāng)流體流動(dòng)通過(guò)第一管道11時(shí)，蒸汽失去其一部分壓力并且在圖3中標(biāo)記為101的點(diǎn)處進(jìn)入第一冷凝器12。
[0088]在該第一冷凝器12中，蒸汽被冷凝。如果假設(shè)所有蒸汽已經(jīng)在冷凝器中被冷凝并且如果液體已經(jīng)在流體回路中的這個(gè)位置處的壓力下被冷卻到飽和壓力之下，則來(lái)自第一冷凝器的出口點(diǎn)(圖3中的點(diǎn)2)在這種情況下是在圖中的液體域中。
[0089]接下來(lái)，在來(lái)自被置于該第一冷凝器12下游的第一熱交換器14的出口處，流體返回雙相狀態(tài)，流體該在狀態(tài)中部分是氣相狀態(tài)(圖3中的點(diǎn)3)，并且其P (3)、T (3)對(duì)因此位于相變直線上。
[0090]再次，當(dāng)流體通過(guò)管道直到第二冷凝器17的入口點(diǎn)(圖3中的點(diǎn)201)時(shí)，壓頭損失減小了蒸汽壓力。
[0091]在該第二冷凝器17中，蒸汽被全部冷凝，并且來(lái)自第二冷凝器的出口點(diǎn)(圖3中的點(diǎn)4)再次處于圖中的液體域中。
[0092]在來(lái)自位于該第二冷凝器17下游的第二熱交換器19的出口處，流體部分地返回氣相(圖3中的點(diǎn)5)，并且其P (5)、T (5)對(duì)因此再次位于相變直線上。
[0093]再次，當(dāng)流體通過(guò)管道直到最后冷凝器22的入口點(diǎn)(圖3中的點(diǎn)301)時(shí)，壓頭損失減小了蒸汽壓力。
[0094]在該最后冷凝器22中，蒸汽被冷凝并且來(lái)自第二冷凝器的出口點(diǎn)(圖3中的點(diǎn)6)再次處于圖中的液體域中。
[0095]冷卻液體然后流動(dòng)直到與多微孔物質(zhì)80接觸的液體儲(chǔ)存器70 (點(diǎn)7)，然后通過(guò)相對(duì)于正常汽化條件被過(guò)度加熱直到其蒸發(fā)的圖3中的點(diǎn)401 (返回點(diǎn)I)來(lái)借由毛細(xì)作用在多微孔物質(zhì)80中流通。
[0096]應(yīng)當(dāng)指出，該圖在這里只作為示例而給出。在來(lái)自每個(gè)冷凝器/熱交換器的出口處，并非必須完全冷凝和/或蒸發(fā)，并且很可能的是所有點(diǎn)2、4、6、201、301位于飽和曲線上。因此，只有蒸汽含量(蒸汽比例/液體比例)在經(jīng)過(guò)每段時(shí)變化。
[0097]下面將考慮所述裝置的四個(gè)特定應(yīng)用。
[0098]I)光學(xué)儀器
[0099]在第一應(yīng)用中，根據(jù)本發(fā)明的裝置可以被用于冷卻光學(xué)儀器，該光學(xué)儀器包括通常耗散幾十瓦特的一組檢測(cè)器和通常耗散幾百瓦特的遠(yuǎn)程電子器件。
[0100]所述裝置的蒸發(fā)器10被布置成與遠(yuǎn)程電子器件接觸。位于電子器件和檢測(cè)器附近的一個(gè)散熱器可以被用作單個(gè)熱井。熱交換器14由收集由檢測(cè)器(對(duì)應(yīng)于次級(jí)熱源15、20)產(chǎn)生的熱量的小直徑管構(gòu)成。
[0101]在該應(yīng)用中，遠(yuǎn)程電子器件可以通常位于幾十厘米至I或2米遠(yuǎn)。
[0102]2)低溫下工作的儀器
[0103]在圖4所示的所述裝置的第二應(yīng)用中，待冷卻的設(shè)備15在極低溫度下(通常低于100K)工作，然而可以由主熱源41構(gòu)成的其他元件(例如由衛(wèi)星環(huán)境加熱的結(jié)構(gòu)元件)位于遠(yuǎn)離該儀器的最冷部分并且處于在待冷卻設(shè)備15的溫度之上的通常20K的溫度處。所述裝置的蒸發(fā)器10可以被置于這些元件41中的一個(gè)上。其結(jié)果是，有可能使流體在較熱環(huán)境中以氣相流動(dòng)以由此限制了環(huán)境與流體之間的熱交換并且在設(shè)備15的相鄰位置(例如幾厘米遠(yuǎn))中冷凝。
[0104]當(dāng)使用諸如液態(tài)氧的流體時(shí)，其中該流體通常接近其三相點(diǎn)(固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài))，有可能通過(guò)所述裝置實(shí)現(xiàn)在從熱的角度來(lái)看有利的兩個(gè)階段中的冷卻。
[0105]正如先前的示例，所述裝置的蒸發(fā)器10被布置成與遠(yuǎn)程主熱源41接觸。
[0106]蒸發(fā)器10中產(chǎn)生的蒸汽朝向位于設(shè)備15附近的第一冷凝器12被排放。
[0107]氣相的流體流動(dòng)使得能夠有利地限制利用衛(wèi)星熱環(huán)境的熱交換。另一方面，由于流體的腔壁摩擦，位于蒸發(fā)器10和第一冷凝器12之間的管道11中蒸汽流產(chǎn)生壓力損失(壓頭損失)，其中，管道11越長(zhǎng)，腔壁摩擦越大。通過(guò)將冷凝器12處的飽和溫度(流體的飽和梯度曲線dP/dT在三相點(diǎn)附近很低)降低幾度，這個(gè)壓頭損失在我們的情況中是有利的。熱交換器14處的(部分的或完全的)蒸發(fā)將因此在比蒸發(fā)器10中發(fā)生蒸發(fā)的溫度更低的溫度下(低幾度)發(fā)生。在變型實(shí)施例中，在蒸汽管道11中放置諸如現(xiàn)有技術(shù)已知的減壓器以加重該現(xiàn)象可能是有利的。在具有加重壓頭損失的相同目的的另一變型中，例如通過(guò)管道的蜿蜒或盤繞，與管道11可以具有的最小長(zhǎng)度相比，大大增加了蒸汽管道11的長(zhǎng)度。
[0108]第一冷凝器12可以通過(guò)位于待冷卻設(shè)備15附近的散熱器、斯特林循環(huán)機(jī)或同時(shí)兩者而被實(shí)現(xiàn)。
[0109]因此，由該第一冷凝器12部分或完全冷凝的流體在管中流動(dòng)直到位于待冷卻的設(shè)備15處的熱交換器14為止。熱交換器14可以是小直徑的管。
[0110]在可以是柔性的管中的流體流使得能夠具有在第一冷凝器12和設(shè)備15之間的可能是柔性的熱鏈路，這有利于不將可能由產(chǎn)生熱井的熱力機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)傳遞至設(shè)備15。
[0111]給定飽和曲線的低梯度(dP/dT)和壓力降(通?！?000Pa/K)，該熱交換器14使得流體能夠以比蒸發(fā)器10飽和溫度低很多的溫度而蒸發(fā)(并且因此通過(guò)潛熱吸收能量)。
[0112]由此形成的蒸汽隨后經(jīng)由管道流向位于蒸發(fā)器10上游的第二冷凝器22。該熱交換器22使得能夠在流體再次經(jīng)過(guò)蒸發(fā)器10之前將由熱交換器14產(chǎn)生的蒸汽轉(zhuǎn)變成液體，在蒸發(fā)器10中，全部或部分該液體將蒸發(fā)。第二冷凝器22的冷卻能夠通過(guò)散熱器或?qū)Ｓ盟固亓盅h(huán)機(jī)來(lái)被執(zhí)行。
[0113]該第二冷凝器22可以有利地位于盡可能接近蒸發(fā)器10的位置。因此，只有蒸汽在蒸發(fā)器10和設(shè)備15之間流動(dòng)，該蒸汽隨后通過(guò)衛(wèi)星環(huán)境而被微弱地加熱。
[0114]3)電子板
[0115]在圖5所示的第三應(yīng)用中，損失裝置被用于電子板40的情形，電子板40包含彼此分開幾毫米至幾厘米的多個(gè)十分耗散的元件15、20、41。印刷電路板(PCB)的低傳導(dǎo)性使得難以將由這些部件產(chǎn)生的熱量傳送到可能是電子版40的底板的熱井42，即板40與板40位于其中的電子外殼43或電子外殼43本身之間的機(jī)械界面。
[0116]根據(jù)本發(fā)明的裝置可以有利地被用于將由電子外殼43中的板40的部件15、20、41所產(chǎn)生的熱量傳送至熱井。所述裝置可以是本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的流體微回路。該微回路是由具有恒定直徑(通常幾毫米)的管構(gòu)成的。
[0117]流體回路的蒸發(fā)器10與板的最耗散的部件41 (例如微處理器)熱接觸。在蒸發(fā)器10的下游，管被引導(dǎo)至熱井42，與熱井42接觸的所述裝置的雙相流體被冷卻。該管隨后被引導(dǎo)至另一待冷卻的部件15并且與該部件15熱接觸。該管隨后在即將冷卻另一元件20之前被重新引導(dǎo)至熱井42，等等。
[0118]4)散熱設(shè)備板
[0119]如圖6所示，根據(jù)本發(fā)明的裝置可以適于冷卻被置于設(shè)備板50的一個(gè)面51上的一組設(shè)備15、20、41，該板的另一面52與可能是系統(tǒng)周圍的冷空間的熱井進(jìn)行熱交換。所述板可以例如是具有鋁皮51、52和內(nèi)部鋁蜂窩結(jié)構(gòu)53的夾板。蒸發(fā)器10有利地被布置成與構(gòu)成主熱源的最耗散的設(shè)備41熱交換。
[0120]根據(jù)本發(fā)明的熱回路在該情況下是通過(guò)簡(jiǎn)單的管來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其不同的部分交替地構(gòu)成冷凝器和交換器。如圖6中的剖視圖所示，管可以被集成在板中(在夾板的情況)，并且例如黏貼到其上設(shè)有設(shè)備15、20、41的板皮上。
[0121]氣相91的流體在不與任何設(shè)備熱交換的管的第一部分11、12、13中離開蒸發(fā)器
10。在該部分中，通過(guò)經(jīng)由板的內(nèi)部結(jié)構(gòu)53的傳導(dǎo)和散熱，管與板的外皮53熱交換。因此，管的部分11、12、13形成了流體在其中被冷卻的冷凝器。
[0122]如果跟隨流體的路徑，流體隨后流經(jīng)位于因此形成第一次級(jí)熱源的設(shè)備15之下的部分14。流體在該部分中被加熱和蒸發(fā)，該部分因而形成熱交換器14。
[0123]在沒(méi)有詳細(xì)描述流體的其余路徑的情況下，將看到的是，在返回蒸發(fā)器10之前，流體流經(jīng)管中交替形成冷凝器和蒸發(fā)器的部分，直到形成最后冷凝器22的最終部分21、22,23為止。
[0124]應(yīng)當(dāng)指出，在根據(jù)本發(fā)明的裝置的這個(gè)特定應(yīng)用情形中，熱交換器14、19也與熱井進(jìn)行熱交換。然而，當(dāng)設(shè)備15和20在工作中時(shí)，由于其功能明顯是收集由這些設(shè)備發(fā)出的熱量，因此它們必須被看作是熱交換器而非冷凝器。相反，當(dāng)設(shè)備15或20之一停止并且不再耗散時(shí)，相應(yīng)的熱交換器14或19由于只與熱井熱交換而變成冷凝器。
[0125]這是熱回路的示例，其中熱交換器可以根據(jù)必須冷卻的熱源的狀態(tài)而變成冷凝器，反之亦然。
[0126]優(yōu)點(diǎn)
[0127]本發(fā)明涉及一種毛細(xì)泵吸流體回路，其特征在于存在毛細(xì)(多孔、晶格)結(jié)構(gòu)，該毛細(xì)結(jié)構(gòu)的孔尺寸比管尺寸小至少一個(gè)數(shù)量級(jí)(小10倍)，從而產(chǎn)生足以反重力操作(其中熱源位于冷源之上至少0.1米)和/或支持大于lOW/cm2的功率密度的毛細(xì)驅(qū)動(dòng)壓力。這與使用具有有限泵送能力的振蕩熱管的裝置相反。
[0128]本發(fā)明涉及由具有一個(gè)或更多個(gè)熱交換器的一個(gè)或更多個(gè)毛細(xì)蒸發(fā)器產(chǎn)生的毛細(xì)流量的組合，尤其與專利文件WO 2011/007604中描述的裝置相反，該熱交換器具有的特征是能夠與一個(gè)或更多個(gè)熱源進(jìn)行熱交換(吸收能量)而不會(huì)使得在熱交換器中流動(dòng)的流體完全為液體。
[0129]具體地，為了使毛細(xì)蒸發(fā)器工作，必須向毛細(xì)蒸發(fā)器供應(yīng)液體，否則它將停止，因?yàn)檎羝欢嗫孜镔|(zhì)阻塞。該特征使得系統(tǒng)在過(guò)渡操作中和低功率操作中和/或?qū)τ谛∮谝话愠叽绲臒峤粨Q器而言是魯棒的。
[0130]在專利文獻(xiàn)WO 2011/007604中描述的裝置中，每個(gè)毛細(xì)熱交換器的尺寸被調(diào)節(jié)成將所有輸送的功率排放到在它前面的蒸發(fā)器(位于流體回路的流動(dòng)方向中的上游)。
[0131]相反地，在本發(fā)明中，位于流動(dòng)方向中的下游的每個(gè)冷凝器(熱交換器)和熱源(蒸發(fā)器)的尺寸被調(diào)節(jié)成(例如就冷凝器處的管長(zhǎng)度和熱源溫度而言)使得離開冷凝器的液體的流量足夠用于其在熱交換器中蒸發(fā)，這因而允許由熱源耗散的大部分熱被轉(zhuǎn)變?yōu)榱黧w。
[0132]最后，本發(fā)明結(jié)合:_位于熱源上且需要最小功率密度以工作的毛線蒸發(fā)器的泵送驅(qū)動(dòng)壓力；和-借助于不管功率密度如何都能夠工作的一個(gè)或多個(gè)熱交換器而收集可擴(kuò)展的一個(gè)或更多個(gè)熱源(大板、焦平面、多個(gè)設(shè)備等等)上的熱量的能力。
[0133]這樣的裝置因此具有通過(guò)只使用單個(gè)毛細(xì)蒸發(fā)器來(lái)冷卻多個(gè)熱源的優(yōu)點(diǎn)。借助于被置于主熱源上的毛細(xì)蒸發(fā)器，以無(wú)源的方式產(chǎn)生了流體的流動(dòng)。根據(jù)施加于蒸發(fā)器的熱功率，該流動(dòng)可大可小。
[0134]本發(fā)明使得能夠使用大尺寸蒸發(fā)器，以遞送大流量的流體量和高壓力的泵送。
[0135]此外，本發(fā)明使得能夠主動(dòng)地增加熱交換的區(qū)域(其可以由微熱交換器構(gòu)成，諸如非常小尺寸的管)。多個(gè)次級(jí)熱源可以可選地在兩個(gè)冷凝點(diǎn)之間被冷卻(取決于由每個(gè)次級(jí)熱源耗散的熱功率)。只要液體留在熱交換器中，就有可能通過(guò)相變來(lái)吸收由次級(jí)熱源耗散的熱能。
[0136]變型
[0137]在所述裝置的變型中，加熱器可以布置成與所述裝置的蒸發(fā)器熱接觸，并且以過(guò)渡或連續(xù)的方式而被使用，從而將附加熱功率供應(yīng)到蒸發(fā)器并且因此增加離開蒸發(fā)器的流體流量，以例如增加由所述裝置執(zhí)行的熱傳遞。
[0138]在所述裝置的另一變型中，如圖7所示，最后冷凝器22被集成在蒸發(fā)器10中。例如蒸發(fā)器的面22與熱井60熱交換，該熱井可以由熱力機(jī)本地產(chǎn)生。有利的是，蒸發(fā)器的這個(gè)冷面與該蒸發(fā)器的與主熱源41熱交換的面相對(duì)。
【權(quán)利要求】
1.一種用于冷卻至少兩個(gè)不同的熱源的裝置，其特征在于，包括: -雙相流體在其中流通的閉合回路； -至少一個(gè)毛細(xì)蒸發(fā)器(10)，其適于被放置在與熱源之一即主熱源(41)熱接觸的位置； -針對(duì)待冷卻的每個(gè)其他熱源即次級(jí)熱源(15，20)，至少一個(gè)交換器(14，19)，其適于被放置在與所述次級(jí)熱源熱接觸的位置； -至少一個(gè)冷凝器即第一冷凝器(12)，其被布置在所述蒸發(fā)器(10)的下游(沿回路中的流體的理論行進(jìn)方向)和至少一個(gè)交換器(14，19)的上游； -至少一個(gè)冷凝器即最后冷凝器(22)，其被布置在所述蒸發(fā)器(10)的上游(沿回路中的流體的理論行進(jìn)方向)和至少一個(gè)交換器(14，19)的下游， 所述交換器和冷凝器的尺寸被調(diào)節(jié)成使得所述回路中的壓頭損失小于所述毛細(xì)蒸發(fā)器的最大毛細(xì)壓力。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，包括被置于兩個(gè)次級(jí)熱源(15，20)之間的至少一個(gè)冷凝器即次級(jí)冷凝器(17)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征在于，針對(duì)每個(gè)交換器(14，19)，所述裝置包括被放置在所述交換器(14，19)的上游和下游的冷凝器(12，17，22)，該冷凝器適于被布置成與熱井熱接觸。
4.如上述權(quán)利要求之一所述的裝置，其特征在于，所述至少一個(gè)交換器是由小直徑(從十分之幾毫米至幾毫米)的管構(gòu)成的。
5.如上述權(quán)利要求之一所述的裝置，其特征在于，所述閉合回路是以管的形式實(shí)現(xiàn)的，所述管至少在交換器(14，19)處具有毛細(xì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
6.如上述權(quán)利要求之一所述的裝置，其特征在于，所述最后冷凝器(22)被集成在所述毛細(xì)蒸發(fā)器(10)的儲(chǔ)存器(70)中。
7.一種包括至少兩個(gè)熱源(41，15，20)和至少一個(gè)熱井的熱回路，其特征在于，包括如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的冷卻裝置。
8.如權(quán)利要求7所述的熱回路，其特征在于，所述蒸發(fā)器(10)被布置在最耗散的熱源即主熱源(41)上。
9.如權(quán)利要求7或8所述的熱回路，其特征在于，所述主熱源(41)的熱功率大于或等于位于任一對(duì)連續(xù)冷凝器(12，17) (17,22)之間的次級(jí)熱源(15，20)的熱功率之和。
10.如權(quán)利要求7至9之一所述的熱回路，其特征在于，還包括加熱器，所述加熱器適于被置于所述主熱源處以產(chǎn)生要被添加到所述主熱源(41)的熱功率中的熱功率，以使得由所述主熱源(41)和所述加熱器所耗散的功率之和大于或等于位于任一對(duì)連續(xù)冷凝器(12，17) (17，22)之間的次級(jí)熱源(15，20)的熱功率之和。
11.如權(quán)利要求7至10之一所述的熱回路，其特征在于，至少兩個(gè)冷凝器(12，17，22)被布置在同一個(gè)熱井上。
12.如權(quán)利要求7至11之一所述的熱回路，其特征在于，在所述毛細(xì)蒸發(fā)器(10)或交換器(14，19)與位于所述毛細(xì)蒸發(fā)器(10)或所述交換器(14，19)的下游的冷凝器(12，17)之間的壓頭損失被調(diào)節(jié)成使得位于所述冷凝器(12，17)下游的交換器(14，19)中的蒸發(fā)溫度降低到給定值之下。
13.如權(quán)利要求12所述的熱回路，其特征在于，通過(guò)降低位于所述毛細(xì)蒸發(fā)器或所述交換器與所述冷凝器之間的流體管道中的壓力的裝置，來(lái)實(shí)現(xiàn)壓頭損失。
14.如權(quán)利要求12所述的熱回路，其特征在于，通過(guò)調(diào)節(jié)位于所述蒸發(fā)器或所述交換器與所述冷凝器之間的流體管道的長(zhǎng)度和/或直徑，來(lái)實(shí)現(xiàn)壓頭損失。
15.一種儀器，其特征在于，包括如權(quán)利要求1至6之一所述的冷卻裝置，或如權(quán)利要求7至14之一所述的熱回路。
16.一種電子板，其特征在于，包括如權(quán)利要求1至6之一所述的冷卻裝置，或如權(quán)利要求7至14之一所述的熱回路。
17.如權(quán)利要求16所述的電子板，其中，所述熱井是由所述電子板的底板構(gòu)成的。
18.一種設(shè)備板，其特征在于，包括如權(quán)利要求1至6之一所述的冷卻裝置，或如權(quán)利要求7至14之一所述的熱回路。
19.如權(quán)利要求18所述的設(shè)備板，其特征在于，包括其上固定有設(shè)備的第一面，并且與所述第一面相對(duì)的面是熱井。
20.如權(quán)利要求18至19之一所述的設(shè)備板，其中，所述裝置包括蒸發(fā)器(10)和管道，所述管道的不同部分連續(xù)地是冷凝器和交換器，所述管道中連接到所述蒸發(fā)器的那些部分是冷凝器。
21.一種衛(wèi)星，其特征在于，包括如權(quán)利要求1至6之一所述的裝置，或如權(quán)利要求7至14之一所述的熱回路。
【文檔編號(hào)】F28D15/04GK104040280SQ201280063422
【公開日】2014年9月10日 申請(qǐng)日期:2012年12月13日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月20日
【發(fā)明者】克里斯托夫·菲居斯 申請(qǐng)人:阿斯特里姆有限公司