CN110160024A - 一种新型相变取热系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及制冷技术领域。目的在于提供一种散热效果好的新型相变取热系统。本发明所采用的技术方案是：一种新型相变取热系统，包括供相变介质循环流动的相变取热回路和供冷媒循环流动的主动制冷回路，所述相变取热回路与主动制冷回路交汇于同一个换热器，且所述相变介质和冷媒在换热器内进行热交换。本发明具有极好的散热效果及其他具有高热功率的用电设备。

Description

一种新型相变取热系统

技术领域

本发明涉及制冷技术领域，具体涉及一种新型相变取热系统。

背景技术

目前，市场上的LED照明系统的散热绝大多数是通过自然对流来降低芯片的温度，对于自然对流散热来讲，目前主要采用的方式包括两种：一是LED芯片直接与散热翅片贴合，热量通过固体热传导到翅片，再通过翅片表面与空气换热完成热量释放到环境的过程。二是对于LED功率较大的场合，有限的换热面积已经不能完全带走芯片的热量，会造成LED芯片过热，芯片寿命会大幅降低或者损坏，设计加入了热管传导，能大幅扩展与空气换热面积。以上两种散热方式虽然不用消耗额外的制冷功率，但缺点是：LED芯片的最低温度始终高于周围的环境温度，往往不能达到最佳工况温度，同时受制于散热部件的体积、重量，以上方式也不适用于超、特大功率的LED照明灯，达不到应有的散热效果，缩短了LED的使用寿命和照明效果。

尽管在LED领域也出现了利用水冷进行降温的构想，但受制于其缺陷，市面上也还未出现相应的产品。水冷制冷的方式也主要包括两种，一是无主动制冷的水冷，LED产生的热量通过泵的推动循环到换热器，在风机的作用下实现与环境的换热。相较于自然对流散热，系统能使LED芯片温度大大低于自然对流方式的温度，但是LED芯片的温度依然受环境影响，且不会低于环境温度。二是加入主动制冷的水冷，LED产生的热量通过泵回路的换热器与压缩机回路换热，最终热量通过压缩机回路的冷凝器将热换释放到环境。这种方式相较于无主动制冷的水冷方式，LED芯片温度能降低到环境温度以下，而且不受环境温度影响，始终能把LED芯片的温度稳定到设定值。但这两种水冷方式均存在极大的缺陷，导致其无法真正的投产应用，其具体表现在需要经常维护，水系统内的水会因为滋生微生物而变质，另外水循环系统内部会有污垢产生，从而影响换热。如果对水进行纯化处理，代价也不低。且水的泄漏会对LED芯片与电源等部件造成致命的损坏。

为此，本领域亟待提出一种新的技术方案来解决超、特大LED照明系统或者其他不适合水冷散热的高热功率用电器的散热问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有高散热性能的新型相变取热系统。

为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：一种新型相变取热系统，包括供相变介质循环流动的相变取热回路和供冷媒循环流动的主动制冷回路，所述相变取热回路与主动制冷回路交汇于同一个换热器，且所述相变介质和冷媒在换热器内进行热交换；

所述相变取热回路上沿相变介质的输送方向在换热器的后方依次设置有储液罐、循环泵和取热器，所述换热器的第一出口与储液罐的入口连接、储液罐的出口与循环泵的入口连接、循环泵的出口与取热器的入口连接、取热器的出口与换热器的第一入口连接；所述取热器安装在热负载处，用于热负载与相变介质进行热交换；

所述主动制冷回路上沿冷媒的输送方向在换热器的后方依次设置有压缩机、冷凝器和膨胀阀，所述换热器的第二出口与压缩机的入口连接、压缩机的出口与冷凝器的入口连接、冷凝器的出口与膨胀阀的入口连接、膨胀阀的出口与换热器的第二入口连接。

优选的，所述换热器为板式换热器。

优选的，所述储液罐包括罐体，所述罐体一侧的上部设置入口、另一侧的下部设置出口，所述罐体内的上部设置有多孔材料层。

优选的，所述循环泵为齿轮泵。

优选的，所述压缩机出口和入口对应的主动制冷回路上均设置有压力检测器。

优选的，所述换热器的第二入口与压缩机出口之间设置有回流管，所述回流管上设置有电磁阀；所述循环泵出口对应的相变取热回路上设置有温度检测器。

优选的，所述相变介质为R245fa。

优选的，所述压缩机为2P压缩机。

优选的，所述电磁阀为由220V电源驱动的脉冲电磁阀。

本发明的有益效果集中体现在：

1、具有极好的散热效果，尤其适合超、特大功率的LED灯或其他不适合水冷散热的高热功率用电设备。

2、克服了传统水冷系统需要经常进行维护的缺点，不会滋生微生物，确保了散热性能的稳定。

3、使用的相变介质代替水，不会导电，即使泄露也不会对电子元器件造成损坏，优选R245fa作为相变介质，在25摄氏度时压力仅为0.076Mpa，泄露风险极低。

4、相较于水冷系统，相变介质的流量只为水的10％-20％，大大降低了循环泵的电功耗、体积、重量。

5、在任何环境温度下，均能保证热负载将温度降低至环境温度以下，使用电器保持最佳温度公开。

附图说明

图1为相变取热系统的结构示意图；

图2为储液罐的结构示意图。

具体实施方式

结合图1-2所示的一种新型相变取热系统，包括供相变介质循环流动的相变取热回路3和供冷媒循环流动的主动制冷回路4，所述相变取热回路3与主动制冷回路4交汇于同一个换热器5，且所述相变介质和冷媒在换热器5内进行热交换。换言之，也就是说换热器上有两条通路，其中一条通路接入相变取热回路3、另一条通路接入主动制冷回路4，主动制冷回路4内的冷媒在换热器5内部对蒸发后的相变介质进行制冷，使其重新冷凝为液态。所述换热器5可选用板式换热器、套管式换热器等等。

所述相变取热回路3上沿相变介质的输送方向在换热器5的后方依次设置有储液罐6、循环泵7和取热器8，所述换热器5的第一出口与储液罐6的入口连接、储液罐6的出口与循环泵7的入口连接、循环泵7的出口与取热器8的入口连接、取热器8的出口与换热器5的第一入口连接。所述取热器8安装在热负载处，用于热负载与相变介质进行热交换，所述取热器8实质上也是一个换热器，用于实现相变介质与热负载的热交换。但应用在LED灯领域时，所述的热负载也就是LED灯主体。应用在其他用电设备上时，热负载就是该用电设备的发热部件本身或用于将该发热部件的热量导出的导热部件。

相变取热回路3在工作时，在循环泵7的推动作用下，相变介质进入取热器8内，吸收热量后，相变介质蒸发为气态，气体进入换热器5内，由低温冷媒对其进行制冷，相变介质重新冷凝为液态，液态的相变介质进入储液罐6内实现气液分离，最后重新进入循环泵7，实现相变取热循环。所述循环泵7可采用齿轮泵、蠕动泵等多种泵型，其中以齿轮泵最优，齿轮泵的最大流量为5L/min，输送压力为0.5Mpa，最大电功耗200W。

所述主动制冷回路4上沿冷媒的输送方向在换热器5的后方依次设置有压缩机9、冷凝器10和膨胀阀11，所述压缩机9为2P压缩机9，最大电功耗为1.8KW，所述冷凝器10采用微通道翅片换热器，标准工况下换热量为7KW；所述膨胀阀11采用5KW制冷量的手动膨胀阀。所述换热器5的第二出口与压缩机9的入口连接、压缩机9的出口与冷凝器10的入口连接、冷凝器10的出口与膨胀阀11的入口连接、膨胀阀11的出口与换热器5的第二入口连接。

主动制冷回路4在工作时，通过压缩机9做功，把低压高温的气态冷媒压缩成高温高压的液态冷媒，液态冷媒在冷凝器10中与外界空气进行热交换后温度降低。在通过具有节流作用的膨胀阀11成为低温低压气体，然后进入换热器5中对相变取热回路3中的相变介质进行强制冷却，最终回流至压缩机9，完成主动制冷循环。

本发明与现有的方式相比，具有极好的散热效果，尤其适合功率为4KW-10KW及以上的超、特大功率的LED灯或其他不适合使用水冷的高热功率用电设备。克服了传统水冷系统需要经常进行维护的缺点，不会滋生微生物，确保了散热性能的稳定，所述相变介质在设备的整个寿命周期内都不用更换，便于维护。

为了提高相变取热回路3的取热性能，本发明所述相变介质为R245fa，在25摄氏度时压力仅为0.076Mpa，泄露风险极低。且由于相变介质不导电，即使泄露也不会对电子元器件造成损坏。本发明相较于水冷系统，相变介质的流量只为水的10％-20％，大大降低了循环泵7的电功耗、体积、重量。以对总功率为6KW的LED灯主体2进行制冷为例，相变介质的流量仅为1.7L/min，若采用水冷方式，流量将升高到12L/min。另外，本发明在任何环境温度下，均能保证热负载温度保持在最佳的温度工况。

如图2所示，本发明所述储液罐6包括一个总高度为400mm，设计液面高度为250mm的罐体15，所述罐体15一侧的上部设置入口、另一侧的下部设置出口。储液罐6的作用在于：①降低相变取热回路3的压力，储液罐6为相变介质在气化的体积膨胀提供了空间，使相变取热回路3的总体压力降低，利于相变介质的相变，也会使相变温度降低，于系统结构强度和取热非常有利。②储液作用，随着热功耗的变化，所需的相变介质量也会有所增减，储液罐6内储存的相变介质为相变介质的流量调节提供了调整余量。③250mm的液面高度能够产生3.3Kpa压力，增加了循环泵7入口的压力，克服了气蚀现象。④利用自然重力作用实现气液分离。

所述罐体15内的上部设置有多孔材料层16，所述多孔材料层6顾名思义就是具有多孔结构的一层材料，其主要起到降低流体速度的作用，避免由储液罐6入口进入的液体对储液罐6下层液体造成扰动，防止气体进入循环泵7入口。

另外，更好的做法还可以是，所述压缩机9出口和入口对应的主动制冷回路4上均设置有压力检测器17，用于对压缩机9出口和入口进行压力监控。如图2所示，所述换热器5的第二入口与压缩机9出口之间设置有回流管18，所述回流管18上设置有电磁阀19。所述循环泵7出口对应的相变取热回路3上设置有温度检测器20。温度监测器20用于检测循环泵7出口排出的液态相变介质的温度，其通常就是一个PT100热电阻。当相变介质温度过高或过低时，通过对电磁阀19流量的控制，能够改变流经换热器5的冷媒流量，进而实现压缩机制冷量的调节，使得压缩机9的制冷量与热负载的发热量实现最佳匹配，更加的节能，所述电磁阀19为由220V电源驱动的脉冲电磁阀19。

Claims (9)

1.一种新型相变取热系统，其特征在于：包括供相变介质循环流动的相变取热回路(3)和供冷媒循环流动的主动制冷回路(4)，所述相变取热回路(3)与主动制冷回路(4)交汇于同一个换热器(5)，且所述相变介质和冷媒在换热器(5)内进行热交换；

所述相变取热回路(3)上沿相变介质的输送方向在换热器(5)的后方依次设置有储液罐(6)、循环泵(7)和取热器(8)，所述换热器(5)的第一出口与储液罐(6)的入口连接、储液罐(6)的出口与循环泵(7)的入口连接、循环泵(7)的出口与取热器(8)的入口连接、取热器(8)的出口与换热器(5)的第一入口连接；所述取热器(8)安装在热负载处，用于热负载与相变介质进行热交换；

所述主动制冷回路(4)上沿冷媒的输送方向在换热器(5)的后方依次设置有压缩机(9)、冷凝器(10)和膨胀阀(11)，所述换热器(5)的第二出口与压缩机(9)的入口连接、压缩机(9)的出口与冷凝器(10)的入口连接、冷凝器(10)的出口与膨胀阀(11)的入口连接、膨胀阀(11)的出口与换热器(5)的第二入口连接。

2.根据权利要求1所述的新型相变取热系统，其特征在于：所述换热器(5)为板式换热器(5)。

3.根据权利要求2所述的新型相变取热系统，其特征在于：所述储液罐(6)包括罐体(15)，所述罐体(15)一侧的上部设置入口、另一侧的下部设置出口，所述罐体(15)内的上部设置有多孔材料层(16)。

4.根据权利要求3所述的新型相变取热系统，其特征在于：所述循环泵(7)为齿轮泵。

5.根据权利要求4所述的新型相变取热系统，其特征在于：所述压缩机(9)出口和入口对应的主动制冷回路(4)上均设置有压力检测器(17)。

6.根据权利要求5所述的新型相变取热系统，其特征在于：所述换热器(5)的第二入口与压缩机(9)出口之间设置有回流管(18)，所述回流管(18)上设置有电磁阀(19)；所述循环泵(7)出口对应的相变取热回路(3)上设置有温度检测器(20)。

7.根据权利要求6所述的新型相变取热系统，其特征在于：所述相变介质为R245fa。

8.根据权利要求7所述的新型相变取热系统，其特征在于：所述压缩机(9)为2P压缩机(9)。

9.根据权利要求8所述的新型相变取热系统，其特征在于：所述电磁阀(19)为由220V电源驱动的脉冲电磁阀(19)。