CN108513498B - 一种真空磁悬浮列车的相变储热系统 - Google Patents

一种真空磁悬浮列车的相变储热系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种真空磁悬浮列车的相变储热系统，包括安装在真空磁悬浮列车上的相变储热模块箱，所述相变储热模块箱包括箱体、换热设备和相变材料，所述换热设备的主体设于所述箱体内，并连接至列车的冷却系统，所述冷却系统中的传热工质通过或接触所述换热设备，所述相变材料填充于所述换热设备与所述箱体之间，与所述换热设备的外表面接触。本发明实施例提供的相变储热系统，利用相变材料作为热沉，通过相变潜热吸收热量，解决真空磁悬浮列车的散热问题，维持车舱内的温度使乘客感到舒适，并且维持列车电气电子设备的温度稳定于合适的范围内，保证列车安全稳定地长时间运行。

Description

一种真空磁悬浮列车的相变储热系统
技术领域
本发明涉及热管理领域，尤其涉及一种真空磁悬浮列车的相变储热系统。
背景技术
近年来真空磁悬浮列车的研究受到了广泛的关注，其基本原理是让磁悬浮列车运行在密闭真空的管道里。真空磁悬浮列车有着超高速、环保低能耗、低噪音等突出优点。由于没有轮轨阻力并且几乎不受空气阻力，理论时速可达1000公里以上，理论极限可达第一宇宙速度，即20000公里。如果实现，未来人类可以在一个小时内到达地球的任何地方，太空旅行的成本也将大大降低。它的能耗不到航空飞机的1/10，而且由于置于真空管道中加上隔离措施，运行时的噪音几乎为零，因此是十分环保的近乎完美的交通方式。
然而，真空磁悬浮列车在热管理方面还存在着需要解决的技术问题。列车上的热量主要来自于两方面：一是人体散热和人类活动(例如饮用开水)；二是列车上的电子电气设备发热。传统的列车热管理是通过自然对流或强制对流将热量释放到环境中，而真空磁悬浮列车运行于密封的真空管道中，没有对流散热的条件，而列车对管外环境的辐射散热几乎可以忽略不计，因此，需要设计一种储热系统，承担起低温环境热沉的角色，及时吸收热量，保证列车的正常运行。与传统的轮轨列车相比，磁悬浮列车悬浮系统消耗的电能由于只维持悬浮状态并不做功，因此会完全转换为大量的热能；驱动系统所需要的电流更大，相应产生的热效应也更大，如果采用超导型电磁铁，还要满足制冷系统严苛的散热需求；在高速运行的状态下，为满足各种电子元器件的稳定性，对温度稳定也有更高的要求。
综上所述，磁悬浮列车的热管理系统要求远高于传统轮轨列车，这给真空磁悬浮列车对应的储热系统带来了更高的挑战。
发明内容
本发明提供一种真空磁悬浮列车的相变储热系统，利用相变材料作为热沉，通过相变潜热吸收热量，解决真空磁悬浮列车的散热问题，维持车舱内的温度使乘客感到舒适，并且维持列车电气电子设备的温度稳定于合适的范围内，保证列车安全稳定地长时间运行。
本发明提供一种真空磁悬浮列车的相变储热系统，包括安装在真空磁悬浮列车上的相变储热模块箱，所述相变储热模块箱包括箱体、换热设备和相变材料，所述换热设备的主体设于所述箱体内，并连接至列车的冷却系统，所述冷却系统中的传热工质通过或接触所述换热设备，所述相变材料填充于所述换热设备与所述箱体之间，与所述换热设备的外表面接触。
优选地，所述相变储热模块箱为多个，各自独立地安装在真空磁悬浮列车上。
优选地，多个所述相变储热模块箱内填充的所述相变材料不相同。
优选地，所述箱体内设有翅片，所述翅片一端固定于所述箱体的上内表面，另一端固定于所述箱体的下内表面，所述换热设备穿过所述翅片。
优选地，所述相变储热模块箱安装在真空磁悬浮列车的尾部或底部。
优选地，所述相变储热模块箱安装在所述真空磁悬浮列车底部的多个动力单元之间的间隔处。
优选地，所述相变储热模块箱可拆卸式地安装在真空磁悬浮列车上。
优选地，所述箱体由内壳、绝热材料和外壳依次构成。
优选地，所述相变材料为能够在固态和液态之间转换的相变材料。
优选地，所述换热设备包括换热管和/或热管。
本发明提供的真空磁悬浮列车的相变储热系统，包括相变储热模块箱，箱内的换热设备与冷却系统连接，冷却系统的传热工质将车内人体活动产生的热量和电子电气设备产生的热量携带至换热设备，传递给相变材料使其发生相变吸收热量，从而传热工质将冷量带出，使车舱以及电子电气设备的温度维持在合适的温度，满足乘客的舒适性要求以及列车的安全性。通过所述相变储热系统有效地解决了列车行驶于高真空管道中，热量受隔于真空层，不能排放到外界环境的问题，并且生产成本低，操作方便。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中相变储热系统的工作原理示意图；
图2为本发明实施例中一种相变储热模块箱的结构示意图；
图3为本发明实施例中使用多种相变材料作为热沉的相变储热系统的工作原理示意图；
图4为本发明实施例中将相变储热模块箱安置在动力单元之间的简化示意图；
图5为图4中A-A剖视图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本实施例提供一种真空磁悬浮列车的相变储热系统，包括一个安装在真空磁悬浮列车上的相变储热模块箱1，相变储热模块箱1包括箱体2、换热管3和相变材料4，换热管3的主体设于箱体2内，并连接至列车的冷却系统，包括车舱冷却系统5和动力舱冷却系统6，冷却系统中的传热工质通过换热管3，相变材料4填充于换热管3与箱体2之间，与换热管3的外表面接触。
其工作原理如图1所示，列车行驶前，要保证相变材料4有足够的吸热空间。列车行驶时，车舱冷却系统5和动力舱冷却系统6分别将乘客产生的热量和电子电气设备产生的热量带走，通过换热管3传递给作为热沉的相变材料4，然后将冷量带出，使车舱以及动力舱内电子电气设备的温度维持在合适的温度，满足乘客的舒适性要求以及列车的安全性。待列车停止时，更换相变储能模块箱1或使用制冷方法将其内部的相变材料4放热，使其再次有足够的吸热空间，为下一次的行驶做准备。
基于上述实施例，本实施例中相变储热模块箱1如图2所示，箱体2内设有多个平行设置的翅片7，翅片7一端固定于箱体2的上内表面，另一端固定于箱体2的下内表面，换热管3依次穿过翅片7。翅片7起到强化传热以及支撑换热管3的作用。
基于上述实施例，本实施例中箱体2由内壳21、绝热材料22和外壳23依次构成。使箱体2内存储的冷量不向外流失。
基于上述实施例，本实施例中车舱冷却系统5和动力舱冷却系统6的传热工质为载冷夜，选取低粘度、大热容、稳定性好的液体，最为常见的是水和部分有机液体，载冷夜的流动动力靠泵提供。载冷液分别从连接口81和82流进换热管31和32中，从相变材料4中获取冷量使自身温度降低后，从连接口83和84分别流向车舱和动力舱，对其进行散热。一般在车舱冷却系统5中，载冷液的冷量通过回风系统传递到车舱内；在动力舱冷却系统6中，载冷液的冷量传递给冷板，再以热传导的形式传递给电子电气设备。
基于上述实施例，本实施例中采用的相变材料4熔点为15～20℃，如低分子石蜡或水合盐。因为人体的舒适性温度是26℃，一般电子元器件的工作温度范围是-5℃～50℃，使用熔点为15～20℃的相变材料，更容易达到舒适温度。
基于上述实施例，本实施例中相变储热模块箱1安装于列车的尾部，不会增加列车的横截面积，故而不会增加管道建造的成本。
基于上述实施例，本实施例中相变储热模块箱1为可拆卸地安装在列车上，更方便于对其进行更换或使用制冷方法将其内部的相变材料4放热。
基于上述实施例，本实施例中如图3所示，列车的相变储热系统包括两个相变储热模块箱11和12，分别填充相变材料41和42，分别吸收车舱冷却系统5和动力舱冷却系统6的热量，维持车舱及动力舱电子电器设备的温度稳定。相变储热模块箱11和12是相互独立的，彼此之间不进行传质传热。
因为乘客和电子电气设备对温度稳定程度的要求不一样，同时乘客和电子电气设备造成的散热功率的波动范围也不一样，一般来说，电子电气设备造成的散热功率波动更大，对温度的稳定性要求更高。因此，相变材料42选取导热率更高(如低熔点液态金属)或者储能密度更大的材料，更有利于电子电气设备的稳定工作。
基于上述实施例，本实施例提供一种针对动力单元的相变储热模块箱。如图4所示，大部分磁悬浮列车的悬浮驱动系统都是由多个动力单元9均匀地分布在各车厢的底部，于是，各动力单元9之间存在着多余的空间。故本实施例将多个相变储热模块箱1安置在各动力单元9之间的间隔处。
如图5所示，本实施例中通过热管进行换热，热管包括蒸发端总管10、蒸发端分管11、连接管12、冷凝端总管13、冷凝端分管14和止逆阀15，热管内部填充了沸点低、易挥发的液体。热管的蒸发端总管10和蒸发端分管11设于动力单元9内，冷凝端总管13和冷凝端分管14设于相变储热模块箱1内，蒸发端总管10和冷凝端总管13通过连接管12相连，相变储热模块箱1内设有翅片7，起到支撑热管以及强化传热的作用。列车工作时，止逆阀15打开，蒸发端吸收动力单元9释放的大量热量，使得管内液体吸热蒸发，蒸气在冷凝端对相变材料4释放热量并液化，液体受到毛细作用回流到蒸发端，如此循环实现对动力单元9的散热。当列车停运时，热管内大部分的液体液化，由于毛细作用集中于蒸发端，此时关闭两个止逆阀15，调节连接管12，便可将热管断开，进一步地，可以取出相变储热模块箱1进行更换，为下一次列车运行做准备。
热管传热不需要用到压力设备，例如泵、压气机等，利用毛细作用实现工质的循环，具有静音无噪、传热效率高的特点。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种真空磁悬浮列车的相变储热系统，其特征在于，包括安装在真空磁悬浮列车上的相变储热模块箱，所述相变储热模块箱包括箱体、换热设备和相变材料，所述换热设备的主体设于所述箱体内，并连接至列车的冷却系统，所述冷却系统中的传热工质通过或接触所述换热设备，所述相变材料填充于所述换热设备与所述箱体之间，与所述换热设备的外表面接触，所述相变储热模块箱为多个，各自独立地安装在真空磁悬浮列车的尾部或底部，多个所述相变储热模块箱内填充的所述相变材料不相同，分别吸收车舱冷却系统和动力舱冷却系统的热量。
2.根据权利要求1所述的一种真空磁悬浮列车的相变储热系统，其特征在于，所述箱体内设有翅片，所述翅片一端固定于所述箱体的上内表面，另一端固定于所述箱体的下内表面，所述换热设备穿过所述翅片。
3.根据权利要求1所述的一种真空磁悬浮列车的相变储热系统，其特征在于，所述相变储热模块箱安装在所述真空磁悬浮列车底部的多个动力单元之间的间隔处。
4.根据权利要求1所述的一种真空磁悬浮列车的相变储热系统，其特征在于，所述相变储热模块箱可拆卸式地安装在真空磁悬浮列车上。
5.根据权利要求1所述的一种真空磁悬浮列车的相变储热系统，其特征在于，所述箱体由内壳、绝热材料和外壳依次构成。
6.根据权利要求1所述的一种真空磁悬浮列车的相变储热系统，其特征在于，所述相变材料为能够在固态和液态之间转换的相变材料。
7.根据权利要求1所述的一种真空磁悬浮列车的相变储热系统，其特征在于，所述换热设备包括换热管和/或热管。
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