СИСТЕМА ЖИДКОСТНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ Российский патент 1994 года по МПК F25B19/04 

Изобретение относится к теплотехнике и холодильной технике, а точнее к технике термостабилизации и терморегулирования объектов охлаждения преимущественно электронной аппаратуры.

Известны системы охлаждения, термостатирования и терморегулирования теплонагруженных радиоэлектронных приборов [1.2] , в частности СВЧ-приборов, твердотельных, газоразрядных и полупроводниковых лазеров, в которых отвод тепла от объектов термостабилизации осуществляется с помощью жидкостного теплоносителя, циркулирующего в замкнутом контуре и передающего тепло в окружающую среду через поверхности соответствующих теплообменных аппаратов. В этих системах охлаждения для обеспечения постоянства температуры жидкости используются такие методы, как перепуск (байпасирование) потоков жидкости и включение (выключение) дополнительных нагревателей. Особое значение приобретают дополнительные нагреватели для сокращения времени выхода на режим термостабилизации. Такие системы защищены авторскими свидетельствами [3,4] .

Известны системы охлаждения аппаратуры, в которых улучшение характеристик термостабилизации в период запуска достигается путем использования жидкостных аккумуляторов тепла [5] , в том числе и испаряющимся веществом в аккумуляторе [6] . Системы охлаждения типа (1,3-6) обеспечивают отвод тепла и термостабилизацию блоков на температурных уровнях существенно выше температур окружающей среды. Если уровень рабочих температур близок к температуре окружающей среды, равен ей или (в летнее время) оказывается ниже ее, тогда создание систем охлаждения без применения холодильных машин оказывается невозможным. При ограниченных потребностях в холоде для этих целей могут использоваться термоэлектрические охладители, средства косвенно-испарительного охлаждения, вихревые трубки, как, например, в [7] . Однако для больших по холодопроизводительности систем охлаждения и термостабилизации эти средства холода не могут использоваться и приходится ориентироваться на парокомпрессионные холодильные машины.

Единственная обобщенная информация по подобным системам охлаждения и термостабилизации электронной аппаратуры содержится в [2] , где показано, что в настоящее время возможны и реализуются два основных типа систем охлаждения аппаратуры с применением парокомпрессионных холодильных машин: прямоточная и двухконтурная. В прямоточной системе хладагент, циркулирующий в холодильной машине, одновременно выполняет и термостабилизирующую функцию, отводя тепло от тепловыделяющих элементов электронной аппаратуры. При этом термостабилизация достигается использованием известных средство и устройств автоматики холодильных машин, предназначенных для поддержания постоянства температуры кипения хладагента.

Прямоточная система охлаждения обладает рядом принципиальных недостатков: наличие гидравлических разъемов, обеспечивающих отсоединение и замену блоков, что опасно возможными нарушениями герметичности системы охлаждения, утечка хладагента, снижение эксплуатационной надежности. Кроме того, необходимо решение проблемы организации распределения теплоносителя в системах параллельных каналов в условиях сильных неравномерностей тепловыделения между блоками и произвольного перераспределения тепловых потоков между блоками, необходима также защита тепловыделяющих элементов блоков о перегрева при одновременном исключении "влажного" хода компрессора, что требует изыскания новых средств и принципов организации устойчивых режимов работы системы охлаждения. Эти недостатки в значительной мере снимаются при переходе от прямоточной к двухконтурной системе охлаждения.

Наиболее близким к изобретению является схемное решение охлаждения и термостабилизации элементов электронной аппаратуры, приведенное в [2] , выбранное в качестве прототипа. Здесь поддеpжание температуры жидкости в первичном контуре обеспечивается вторичным контуром, основным теплообменным аппаратом которого служит испаритель холодильной компрессионной машины, выполненный в виде теплообменника жидкость-жидкость. Система двухконтурная, замкнутого типа.

В объект охлаждения жидкость поступает сразу по напорной линии насосов, что снижает точность измерения расхода жидкости расходомером ввиду возможных колебаний расхода на нагнетание насоса и отрицательно влияет на работу сигнализатора "критического" расхода, который должен срабатывать при отклонении расхода от номинального значения на 15% . Это отрицательно сказывается на надежности рассматриваемой схемы охлаждения. Расположение насосной группы и бака с холодной водой за теплообменником-испаpителем холодильной машины приводит к потере холодопроизводительности: в баке - за счет нагрева от окружающей среды, в насосах - за счет добавки в жидкость тепла работы насоса.

Кроме этого, в двухконтурной системе охлаждения обеспечение термостабилизации электронной аппаратуры усложнено в связи с тем, что при снижении тепловой нагрузки происходит не только понижение температуры в жидкостном контуре, но и снижение температуры кипения в испарителе холодильной машины. При этом обеспечение нужного уровня постоянства температуры на входе в объект охлаждения оказывается невозможным без введения изменений в структуре и системе управления работой холодильной машины. Это усложняет схему управления, снижает ее надежность, является источником потерь энергии.

Особенно сложная ситуация возникает в тех случаях, когда отвод тепла от холодильной машины осуществляется в окружающую среду, а температура окружающей среды снижается так, что нормальная работа холодильной машины становится невозможной, необходимо ее отключение и переход на отвод тепла в окружающую среду без холодильной машины. В этих условиях существующие устройства не могут обеспечить должный уровень термостатирования.

Существенные трудности в обеспечении термостабилизации возникают в тех случаях, когда отвод тепла осуществляется на холодильную систему, состоящую из нескольких холодильных машин, включением или выключением которых обеспечивается терморегулирование. В этих случаях оказывается невозможным добиться нужного качества терморегулирования, например, на уровне ±0,5 или ±1^оС.

Изобретение позволяет решить эту проблему - создать систему охлаждения и термостабилизации на уровне температур окружающей среды и ниже для комплексов электронной аппаратуры с большими потоками тепловыделения (от одного до сотен и более киловатт) с высокими требованиями качества термостабилизации, обеспечивающими это качество при изменении тепловых нагрузок и температур окружающей среды в широких диапазонах (тепловая нагрузка изменяется от 100 до 10% ), температура окружающей среды от +50 до -50^оС).

Целью изобретения является улучшение термостабилизации охлаждаемого объекта.

Указанная цель достигается тем, что между обычным жидкостным контуром и холодильным контуром встраивается термостатирующий термосифонный контур (ТТК), основными элементами которого являются теплообменник-испаритель паровой и жидкостный, объемы которого соединены гибкими шлангами с подвижным гидроаккумулятором, теплообменник-конденсатор, соединенный с баллоном, содержащим неконденсирующийся газ и оснащенный регулируемым источником тепла, а также жидкостно-воздушный теплообменник с регулируемой производительностью, установленный параллельно с теплообменником-конденсатором причем теплообменник-конденсатор является общим для термосифонного и холодильного контуров, а теплообменник-испаритель - общим для термосифоннного и насосного контуров.

Сопоставительный анализ предлагаемой системы охлаждения с прототипом показывает, что в предложенной системе охлаждения имеется термосифонный термостатирующий контур, термическое сопротивление которого может изменяться в зависимости от изменения тепловой нагрузки на объекте охлаждения и температуры окружающей среды. Конструкция ТТК позволяет изменять термическое сопротивление как "холодного" и воздухожидкостного теплообменников, так и "горячего" теплообменника, перемещением подвижного гидроаккумулятора. Термическое сопротивление "холодного" теплообменника изменяется варьированием холодопроизводительности холодильного контура и изменением температуры в баллоне с неконденсирующимся газом, а термическое сопротивление воздухожидкостного теплообменника, установленного параллельно с "холодным" теплообменником, изменяется регулированием производительности вентилятора. Таким образом, предлагается в ТТК производить регулирование производительности как со стороны теплообменника-испарителя, так и со стороны теплообменника-конденсатора, что обеспечит высокое качество термостабилизации охлаждаемого объекта. Следовательно, предложенная система охлаждения соответствует критерию изобретения "новизна".

Использование систем охлаждения с термосифонным контуром известно, известно также применение емкости с неконденсирующимся газом и неподвижного гидроаккумулятора для регулирования производительности термосифона. Однако применение комплексного воздействия регулирования работой и термическим сопротивлением "холодного" и "горячего" термостатирующего термосифонного контура изменением производительности работы жидкостно-воздушного теплообменника, теплообменной поверхности "холодного" теплообменника, производительности холодильного контура, а также изменением термического сопротивления "горячего" теплообменника с помощью подвижного гидроаккумулятора, расширяет диапазон тепловых нагрузок, которые могут быть отведены системой жидкостного охлаждения, и позволяет повысить эффективность термостабилизации объектов охлаждения. Таким образом, в описанной системе охлаждения и по предлагаемой схеме термосифон приобретает новые свойства регулируемого термосифона и соответствует критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 приведена схема предлагаемой системы.

Система состоит из жидкостного контура, холодильного контура регулируемой производительности и связывающего их термосифонного термостатирующего контура. В жидкостном контуре основными элементами являются насосная группа 1, емкость компенсации объема 2, фильтр 3, источники тепла объекта термостабилизации 4, датчик температуры 5. Жидкостный контур сообщается с одной из полостей "горячего" теплообменника 6, принадлежащего ТТК. Этому же контуру принадлежат "холодные" теплообменники 7 и 8, гидроаккумулятор 9, емкость с неконденсирующимся газом 10, электронагреватель 11, паровая линия 12 и конденсатные линии 13 и 14, соединяющие "холодные" и "горячий " теплообменники с гидроаккумулятором. Полость охлаждения "холодного" теплообменника 7 соединена с холодильным контуром 17, содержащим водорегулируемый вентиль. "Горячий" теплообменник может быть соединен с "холодным" теплообменником 8 линиями 14 и 18, при этом теплообменник 8 охлаждается потоком воздуха из окружающей среды с помощью вентилятора 19, производительность которого может изменяться известными способами. Гидроаккумулятор 9 может перемещаться электродвигателем 20 и занимать положение 21 с помощью устройства 22, установленного на стенке 23.

Система работает следующим образом.

При высоких температурах окружающей среды (летнее время) используется холодильный контур и тепло переносится по схеме 4-6-7-17, т. е. тепло от термостатируемых, тепловыделяющих элементов и тепло, воспринимаемое циркулирующей в жидкостном контуре жидкостью, переносится в полость "горячего" теплообменника 6, где, выпаривая находящийся в трубном пространстве теплоноситель, обеспечивает транспорт тепла в форме парового потока по линии 12 к охлаждаемому теплообменнику 7, в котором за счет отвода тепла к испаряющемуся хладагенту холодильного контура 17 осуществляется конденсация теплоносителя и его возврат по линии 13 в "горячий" теплообменник 6. При низких температурах окружающей среды (t_ос < 0^оС) холодильный контур не работает, тепло отводится непосредственно в окружающую среду, а циркуляция теплоносителя осуществляется по линиям 18 и 14. Возможны режимы совместной работы холодильного контура жидкостно-воздушного теплообменника системы охлаждения.

Термостабилизация в предлагаемой системе охлаждения может осуществляться следующим образом.

При максимальной температуре окружающей среды и максимальной нагрузке датчик 5 выдает сигнал о превышении температуры сверх заданной. По этому сигналу автоматика (оператор) уменьшает или полностью выключает нагрузку на нагревателе 11, увеличивает хладопроизводительность контура 17, например, изменением расхода охлаждающей воды через водорегулиpующий вентиль, увеличивает производительность теплообменника 8 с помощью вентилятора 19, перемещает гидроаккумулятор 9 в крайнее верхнее положение с помощью устройства 22. Все эти процедуры приводят к максимальному уменьшению термического сопротивления ТТК.

При снижении тепловой нагрузки или температуры окружающей среды датчик температуры 5, установленный на входе в объект охлаждения, дает сигнал о понижении температуры ниже заданной. В этом случае автоматика перемещает гидроаккумулятор в сторону нижнего положения или на включение тепловой нагрузки на электронагревателе 11 баллона 10, частично или полностью снижает производительность вентилятора 19, уменьшает производительность холодильного контура. Автоматика может воздействовать на все средства управления, добиваясь заданной температуры. Фиксация показаний температуры может осуществляться визуально, если регулирование производит оператор. При опускании гидроаккумулятора 9 происходит опорожнение "горячего" теплообменника 6 за счет перетекания жидкости из теплообменника 6 в гидроаккумулятор 9, при этом происходит осушение части поверхности теплообменника 6 и соответственно увеличивается термическое сопротивление ТТК до уровня, при котором датчик температуры 5 останется в заданном диапазоне регулирования. Включение электpонагревателя 11 приведет к нагреву неконденсирующегося газа, находящегося в баллоне 10, увеличению его объема, заполнению (частичному или полному) парового пространства "холодного" теплообменника 7 и выключению из работы части или всей его поверхности, что эквивалентно росту термического сопротивления ТТК. К росту термического сопротивления ТТК приводит и снижение производительности 19 и холодильного контура. Совместное воздействие на элементы 9, 11,17 и 19 приведет к максимальному увеличению термического сопротивления ТТК. Аналогично работает система термостабилизации.

Таким образом, предлагаемая система обеспечивает высокое качество термостабилизации в системах охлаждения электронной аппаpатуры, вы которых необходимо использовать парокомпрессионные холодильные машины или другие крупномасштабные средства охлаждения. Предлагаемая схема изучена на лабораторной базе кафедры теоретических основ теплотехники Одесского политехнического института. Создан экспериментальный стенд, схема которого приведена на фиг. 2. Стенд показал свою работоспособность, а именно: возможность поддерживать температуру объекта охлаждения с точностью ± 1^оС при изменении на нем тепловой нагрузки. Изменение термического сопротивления ТТК достигалось как с помощью холодильного контура, так и подвижным гидроаккумулятором, причем использование гидроаккумулятора является более эффективным. (56) 1. В. А. Волохов. , Э. Е. Хричиков и А. И. Киселев. Системы охлаждения теплонагруженных радиоэлектронных приборов. - М. : Советское радио, 1975, с. 142.

2. Г. В. Резников. Расчет и конструирование систем охлаждения ЭВМ. М. : Радио и связь, 1988, с. 224 (прототип).

3. Авторское свидетельство СССР N 992955, кл. F 25 B 19/04, 1983.

4. Авторское свидетельство СССР N 853315, кл. F 25 B 19/04, 1981.

5. Авторское свидетельство СССР N 769236, кл. F 25 B 19/04, 1980.

6. Авторское свидетельство СССР N 602748, кл. F 25 B 19/04, 1978.

7. Авторское свидетельство СССР N 787820, кл. F 25 B 19/02, 1980.

Использование: в холодильной технике при термостабилизации и терморегулировании объектов охлаждения преимущественно электронной аппаратуры. Сущность изобретения: система жидкостного охлаждения дополнительно содержит термосифонный контур, включенный между теплообменником - испарителем 6 и холодильным контуром 17, что позволяет с точностью ± 1^°C поддерживать температуру охлаждения объекта при различной тепловой нагрузке. 2 ил.

СИСТЕМА ЖИДКОСТНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ, содержащая жидкостной контур, холодильный контур, теплообменник-испаритель с жидкостной и паровой полостями, отличающаяся тем, что, с целью повышения термостабилизации охлаждаемого объекта, система дополнительно содержит термосифонный контур, включающий жидкостно-воздушный теплообменник с регулируемой производительностью по воздуху, теплообменник-конденсатор, емкость неконденсирующего газа с регулируемым источником тепла, подвижной гидроаккумулятор и устройство для передвижения последнего с электродвигателем, при этом выход теплообменника-испарителя через теплообменник-конденсатор или жидкостно-воздушный теплообменник соединен со своим входом, подвижной гидроаккумулятор подключен к полостям теплообменника гибкими шлангами, теплообменник-конденсатор - к холодильному контуру и емкости, а жидкостно-воздушный теплообменник установлен параллельно теплообменнику-конденсатору.