CN106091778B - 一种旋转相变换热器及工作方法 - Google Patents

Abstract

一种新型旋转相变换热器，工作时处于旋转运动状态，换热器主体通过旋转接头与热流体管路连接，换热器主体与旋转接头通过位于圆柱形换热器主体圆心位置的固定接头连接。电机或电机组驱动齿轮，带动换热器主体进行旋转运动。换热器主体上下两端使用封板焊接密封，换热器内部具有三种类型工质层：热工质层、相变换热工质层与冷工质层，热工质层与相变换热工质层在换热器内部，冷工质层与外界联通，可连接风管或其他冷却介质管路。其中每两层热工质层间使用数个连接通道进行连接，连接通道穿过相变换热工质层与冷工质层。换热器三种类型工质层的层数与排列顺序可根据设计参数进行优化调整，不同工质层的尺寸也可根据不同的参数进行优化设计。

Description

一种旋转相变换热器及工作方法

技术领域

本发明涉及设备散热与工业高效换热领域，特别是涉及一种旋转相变换热器及工作方法。

背景技术

很多设备在工作中会使激光发射器等关键部件在短时间内聚集大量的热量，为保证设备正常工作，需要高效的换热设备对电子部件进行散热，因此就需要设计相应的换热器，相变换热器作为一种新型的换热器，能够利用相变材料的相变潜热提高换热效率，同时利用高能设备间歇使用的工作特性，短时间快速吸热取冷，长时间蓄冷备战，成为高效换热系统中冷凝换热器的最佳选择，然而相变材料导热系数低成为相变换热器强化换热的最大制约，合理的换热器结构设计以提高相变换热系数成为提高相变换热器性能的关键技术，因此有人想到设计如下换热器；

1）CN102706194B超级相变换热器，该专利中换热器热源为大功率强流粒子束或强激光等热功率照射，冷源为一种可由液态沸腾气化为气态的传热介质，换热器中仅存在1种工质。换热器中相变材料仅产生气化过程，相变过程不可逆，换热器存在2个空间区域（空腔）：圆筒外侧液体区域、圆筒中心气体区域，两区域联通，存在热质交换，两区域靠旋转离心作用分离，除此之外，旋转的作用还有使受热面动态更换，并且换热器上部松套在基础支撑上，下部使用驱动装置驱动转动，没有提及密封性能以及转动对换热器上游与下游部件的影响。

2）CN102829662A一种旋转相变蓄热装置，其换热器主要具有3个腔体：上进水腔体、胶囊相变蓄热球腔体与下出水口腔体，3个腔体相互连通。换热器中存在两种工质：热水与相变球中的相变材料，换热过程为热水或冷水与胶囊相变蓄热球中的相变材料进行换热，未提及相变过程（但胶囊型相变球也只可能发生固-液相变，液-气相变体积变化太大，胶囊会爆）；吸热和放热通过进水口通入热水或冷水进行区分，冷热工质共用同一通道（共用通道将限制冷热工质必须为同种工质，仅温度不同），吸热与放热过程必须单独进行，并且其旋转装置的作用为带动翻动板转动，搅动胶囊型相变蓄热球的翻滚，使相变球之间形成复杂的换热通道，代替现有技术中结构形状复杂的换热器，使用的胶囊球较多，越多的胶囊球浪费的换热空间越多（胶囊球壁厚），储存的相变材料总量越少，满足系统换热要求的换热器体积越大。

因此两者都存在较大缺陷，本申请解决了以上缺陷，本申请热源为沿圆柱形换热器轴向流动的热工质，冷源为垂直穿透圆柱形换热器侧面的冷工质，另外换热器中相变换热工质层密封有储能（储冷）作用的相变材料，材料由固态受热融化为液态。换热器共有3种工质，相变材料既可受热融化，也可冷凝固化，相变过程可逆，本申请存在3个空间区域：热工质层、相变换热工质层与冷工质层，三个区域互不相同，仅发生热交换，换热器上下具有旋转接头，旋转接头能够在保证密封的条件下进行旋转运动，换热器旋转的同时，上游及下游部件保持固定静止，设计更加全面、合理，换热过程分为取冷过程与蓄冷过程，相变材料在取冷时由固态融化为液态，蓄冷时由液态凝固为固态，由于冷、热工质层完全独立，不共用流动通道，相变材料的吸热与放热两个过程可同时进行，且对工质无要求，具有更高的系统集成度。

发明内容

为了解决上述存在的问题，本发明提供一种旋转相变换热器及工作方法，其结构简单、集成度高、同时提高了相变材料蓄冷与取冷的换热效率，为相变高效换热在高能设备散热系统与工业高效换热系统中的运用提供了运用基础，为达此目的，本发明提供一种旋转相变换热器，包括换热器主体、旋转接头、固定接头、电机组、驱动齿轮、封板、热工质层、相变换热工质层、冷工质层和连接通道，所述换热器主体工作时处于旋转运动状态，所述换热器主体为圆柱体，所述换热器主体的上方和下方各有一个旋转接头，所述换热器主体与旋转接头通过位于换热器主体圆心位置的固定接头连接，所述换热器主体通过旋转接头与热流体管路连接，所述换热器主体的上下两端使用封板焊接密封，所述封板外圈有传动齿，所述换热器主体上下两侧的四个角各有一个驱动齿轮，所述驱动齿轮分别与换热器主体的封板的外圈的传动齿相互啮合，所述驱动齿轮分别为第一驱动齿轮、第二驱动齿轮、第三驱动齿轮和第四驱动齿轮，所述第一驱动齿轮通过转轴与第一电机组相连，所述第二驱动齿轮通过转轴与第二电机组相连，所述第三驱动齿轮通过转轴与第三电机组相连，所述第四驱动齿轮通过转轴与第四电机组相连，所述换热器主体内有热工质层、相变换热工质层与冷工质层，所述热工质层、相变换热工质层与冷工质层根据相应排列相连，所述热工质层与相变换热工质层在换热器内部，所述冷工质层与外界联通，相邻的两个热工质层之间通过1-3个连接通道进行连接，所述连接通道穿过相变换热工质层与冷工质层。

本发明的进一步改进，所述换热器主体内热工质层、相变换热工质层与冷工质层三种类型工质层的排列方式为热工质层-相变换热工质层-冷工质层-相变换热工质层或热工质层-相变换热工质层-冷工质层，换热器三种类型工质层的层数与排列顺序可根据设计参数进行优化调整。

本发明的进一步改进，所述冷工质层与外界联通连接风管或其他冷却介质管路，本发明冷工质层外界联通可根据需要连接风管或其他冷却介质管路。

本发明一种旋转相变换热器的工作方法，换热器工作时处于旋转运动状态，旋转运动状态中电机组带动驱动齿轮，再通过驱动齿轮带动换热器主体进行旋转运动；

蓄冷工作时，相变换热工质层中的相变材料为液态，热工质层中的热工质无换热器轴向方向流动，液态相变材料与热工质随换热器主体转动而转动，冷工质穿透旋转相变换热器主体，冷却相变材料，使相变材料由液态凝固为固态；

取冷工作时，相变换热工质层中的相变材料为固态，热工质层中的热工质在沿换热器轴向方向流动的同时，随换热器主体转动而转动，对相变材料进行加热，使相变材料由固态融化为液态，与此同时，冷工质穿透旋转相变换热器主体，冷却相变材料，继续为相变材料提供冷量。

本发明提供了一种旋转相变换热器及工作方法，该换热器工作时处于旋转运动状态，换热器主体为圆柱体，是主要的运动部件，通过旋转接头与热流体管路连接，换热器主体与旋转接头通过位于圆柱形换热器主体圆心位置的固定接头连接。电机或电机组驱动齿轮，带动换热器主体进行旋转运动，换热器主体处于旋转状态，在取冷工作时，热工质层中热工质的轴向运动与旋转运动提高了热工质层与相变材料层之间的换热系数，提高了相变材料吸热效率；与此同时，由于换热器主体的旋转，换热器冷工质层没有固定的冷工质入口和出口，使冷工质层的温度分布更加均匀，提高换热效率本，发明结构简单、集成度高、同时提高了相变材料蓄冷与取冷的换热效率，为相变高效换热在高能设备散热系统与工业高效换热系统中的运用提供了运用基础。

附图说明

图1为本发明旋转相变换热器外观结构图；

图2为本发明旋转相变换热器剖面示意图。

图示说明；

1、换热器主体；2、旋转接头；3、固定接头；4-1、第一电机组；4-2、第二电机组；4-3、第三电机组；4-4、第四电机组；5-1、第一驱动齿轮；5-2、第二驱动齿轮；5-3、第三驱动齿轮；5-4、第四驱动齿轮；6、封板；7、热工质层；8、相变换热工质层；9、冷工质层；10、连接通道。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

本发明提供一种旋转相变换热器及工作方法，其结构简单、集成度高、同时提高了相变材料蓄冷与取冷的换热效率，为相变高效换热在高能设备散热系统与工业高效换热系统中的运用提供了运用基础。

如图1和2所示，本发明中所述的一种旋转相变换热器，该换热器区别于传统换热器，工作时处于旋转运动状态，换热器主体1为圆柱体，是主要的运动部件，通过旋转接头2与热流体管路连接，换热器主体1与旋转接头2通过位于圆柱形换热器主体圆心位置的固定接头3连接。电机组与驱动齿轮带动换热器主体进行旋转运动。

换热器主体1上下两端使用封板6焊接密封，换热器内部具有三种类型工质层：热工质层7、相变换热工质层8与冷工质层9，热工质层7与相变换热工质层8在换热器内部，冷工质层9与外界联通，可连接风管或其他冷却介质管路。其中每两层热工质层间使用数个连接通道10进行连接，连接通道10穿过相变换热工质层8与冷工质层9。换热器三种类型工质层的层数与排列顺序可根据设计参数进行优化调整，具有：热-相变-冷-相变、热-相变-冷等多种排列方式，不同工质层的尺寸也可根据不同的参数进行优化设计。

本发明专利的具体工作过程如下：

蓄冷工作时，相变换热工质层8中的相变材料为液态，电机组和驱动齿轮带动换热器主体进行旋转运动，热工质层7中的热工质无换热器轴向方向流动，液态相变材料与热工质随换热器主体1转动而转动，冷工质穿透旋转相变换热器主体1，冷却相变材料，使相变材料由液态凝固为固态。

由于换热器主体1处于旋转状态，在蓄冷工作时，液态相变材料的旋转运动提高了相变材料层8与冷工质层9之间的换热系数，提高了相变材料蓄冷效率；由于换热器主体1的旋转，换热器冷工质层9没有固定的冷工质入口和出口，使冷工质层9的温度分布更加均匀，提高换热效率；

取冷工作时，相变换热工质层8中的相变材料为固态，电机组和驱动齿轮带动换热器主体进行旋转运动，热工质层7中的热工质在沿换热器轴向方向流动的同时，随换热器主体1转动而转动，对相变材料进行加热，使相变材料由固态融化为液态。与此同时，冷工质穿透旋转相变换热器主体1，冷却相变材料，继续为相变材料提供冷量。

由于换热器主体1处于旋转状态，在取冷工作时，热工质层7中热工质的轴向运动与旋转运动提高了热工质层7与相变材料层8之间的换热系数，提高了相变材料吸热效率；与此同时，由于换热器主体1的旋转，换热器冷工质层9没有固定的冷工质入口和出口，使冷工质层9的温度分布更加均匀，提高换热效率。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。

Claims (4)

1.一种旋转相变换热器，包括换热器主体（1）、旋转接头（2）、固定接头（3）、电机组、驱动齿轮、封板（6）、热工质层（7）、相变换热工质层（8）、冷工质层（9）和连接通道（10），其特征在于：所述换热器主体（1）工作时处于旋转运动状态，所述换热器主体（1）为圆柱体，所述换热器主体（1）的上方和下方各有一个旋转接头（2），所述换热器主体（1）与旋转接头（2）通过位于换热器主体（1）圆心位置的固定接头（3）连接，所述换热器主体（1）通过旋转接头（2）与热流体管路连接，所述换热器主体（1）的上下两端使用封板（6）焊接密封，所述封板（6）外圈有传动齿，所述换热器主体（1）上下两侧的四个角各有一个驱动齿轮，所述驱动齿轮分别与换热器主体（1）的封板（6）的外圈的传动齿相互啮合，所述驱动齿轮分别为第一驱动齿轮（5-1）、第二驱动齿轮（5-2）、第三驱动齿轮（5-3）和第四驱动齿轮（5-4），所述第一驱动齿轮（5-1）通过转轴与第一电机组（4-1）相连，所述第二驱动齿轮（5-2）通过转轴与第二电机组（4-2）相连，所述第三驱动齿轮（5-3）通过转轴与第三电机组（4-3）相连，所述第四驱动齿轮（5-4）通过转轴与第四电机组（4-4）相连，所述换热器主体（1）内有热工质层（7）、相变换热工质层（8）与冷工质层（9），所述热工质层（7）、相变换热工质层（8）与冷工质层（9）根据相应排列相连，所述热工质层（7）与相变换热工质层（8）在换热器内部，所述冷工质层（9）与外界联通，相邻的两个热工质层（7）之间通过1-3个连接通道（10）进行连接，所述连接通道（10）穿过相变换热工质层（8）与冷工质层（9）。

2.根据权利要求1所述的一种旋转相变换热器，其特征在于：所述换热器主体（1）内热工质层（7）、相变换热工质层（8）与冷工质层（9）三种类型工质层的排列方式为热工质层（7）-相变换热工质层（8）-冷工质层（9）-相变换热工质层（8）或热工质层（7）-相变换热工质层（8）-冷工质层（9）。

3.根据权利要求1所述的一种旋转相变换热器，其特征在于：所述冷工质层（9）与外界联通连接风管或其他冷却介质管路。

4.一种旋转相变换热器的工作方法，其特征在于：换热器工作时处于旋转运动状态，旋转运动状态中电机组带动驱动齿轮，再通过驱动齿轮带动换热器主体（1）进行旋转运动；

蓄冷工作时，相变换热工质层（8）中的相变材料为液态，热工质层（7）中的热工质无换热器轴向方向流动，液态相变材料与热工质随换热器主体（1）转动而转动，冷工质穿透旋转相变换热器主体（1），冷却相变材料，使相变材料由液态凝固为固态；

取冷工作时，相变换热工质层（8）中的相变材料为固态，热工质层（7）中的热工质在沿换热器轴向方向流动的同时，随换热器主体（1）转动而转动，对相变材料进行加热，使相变材料由固态融化为液态，与此同时，冷工质穿透旋转相变换热器主体（1），冷却相变材料，继续为相变材料提供冷量。