CN111326822A - 一种相变冷却系统及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种相变冷却系统及其工作方法，包括第一分体、第二分体、两位三通阀、循环泵及泄水阀；第一分体内部通过第一隔断分为载物腔及蒸发腔，第一隔断为锯齿状结构，且第一隔断的齿端部与第一分体的内部之间有热桥，蒸发腔的内壁上设置有毛细导液芯，载物腔内部设置有发热组件；蒸发腔的顶部为第二隔断，蒸发腔内设置有冷凝管，冷凝管的一端穿过蒸发腔的侧壁与冷凝进水口相连通，冷凝管的另一端穿过蒸发腔的侧壁与冷凝出水口相连通；第二分体内自上到下依次设置有冷却换热器、喷淋管、填料腔及积水腔，该系统及其工作方法能够有效将冷却对象的工作温度控制在40℃以下，且结构简单，能耗小。
Description
技术领域
本发明属于电力电子及电池热管理领域，涉及一种相变冷却系统及其工作方法。
背景技术
5G通讯、大数据、新能源汽车等新技术将深刻改变人们的生活方式，相关产业已经逐步展开，并将迎来快速发展期。其中，通讯技术的核心部件电力电子部件，新能源电动汽车的核心部件之一是电池技术，无论是电力电子部件，还是电池部件，均需要工作在一定的温度条件下，否则会影响其可靠性和安全性，并且这些部件工作过程中会产生热量，因此对于通讯网络、数据中心、新能源汽车及新能源发电等系统来说，需要对其运行过程中的电力电子组件和电池组件进行冷却。
目前市场上针对电力电子和电池组件的散热方式主要是风冷散热与液冷散热。其中，风冷散热是通过空气吹过组件从而带走组件产生的热量，其结构简单、制造维护成本低、能耗低，但此方法介质比热容小、散热效果差、组件内部温差大，噪音大。液冷散热是通过冷板与组件直接接触，组件将热量传递给散热冷板，冷板内部流道中的液态吸收热量并流出，相较于风冷散热，液冷散热的介质比热容大，散热效果更好，但流动阻力会导致寄生功耗增大。另外，风冷散热与液冷散热的换热方式皆是利用工质的显热效应，因而无法避免温差。另外，对于传统风冷和液冷方法中的传热介质再冷却问题，目前主要的解决途径是采用空调系统，即通过空调系统将空气或循环水带出的热量排入环境中，然而空调系统能耗高，系统复杂，体积庞大。譬如，目前的通讯基站中电力电子冷却采用空调系统，其总耗电量的50％左右都是来自于空调耗电；再譬如电动汽车动力电池冷却，当环境温度较高时，电池冷却主要依靠汽车空调系统来进行散热，这种情况下严重影响了电动汽车的续航里程。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种相变冷却系统及其工作方法，该系统及其工作方法能够有效将冷却对象的工作温度控制在40℃以下，且结构简单，能耗小。
为达到上述目的，本发明所述的相变冷却系统包括第一分体、第二分体、两位三通阀、循环泵及泄水阀；
第一分体内部通过第一隔断分为载物腔及蒸发腔，第一隔断为锯齿状结构，且第一隔断的齿端部与第一分体的内部之间有热桥，蒸发腔的内壁上设置有毛细导液芯，其中，所述毛细导液芯位于第一隔断上，载物腔内部设置有发热组件；
蒸发腔的顶部为第二隔断，蒸发腔内设置有冷凝管，蒸发腔的侧壁上设置有工质加注接口，工质加注接口处设置有工质加注阀，冷凝管的一端穿过蒸发腔的侧壁与冷凝进水口相连通，冷凝管的另一端穿过蒸发腔的侧壁与冷凝出水口相连通；
第二分体内自上到下依次设置有冷却换热器、喷淋管、填料腔及积水腔，积水腔的液面上设置有用于补水的浮球阀，补水管与浮球阀相连通，喷淋管的进水口与两位三通阀出口的第一连通位相连通，冷却换热器的进水口与两位三通阀出口的第二连通位相连通；
冷凝出水口与循环泵的入口及泄水阀相连通，循环泵的出口与两位三通阀的进水口相连通，冷却换热器的出水口及积水腔的出水口与冷凝进水口相连通，第二分体的顶部开口处设置有出口风扇，第二分体的侧面设置有百叶进气口，其中，百叶进气口位于积水腔与填料腔之间。
载物腔的外壁、蒸发腔的外壁及第二隔断均为填充保温材料或真空的绝热结构体。
当第一分体的数目为多个时，各第一分体并联连通，当第二分体的数目为多个时，各第二分体并联连通。
第一隔断的材质为不锈钢、铜、铝、热解石墨、石墨-铝、石墨-铜、金刚石-铝、金刚石-铜或铝-碳化硅。
毛细导液芯为网状结构、烧结结构或者垂直毛细沟槽结构；
当毛细导液芯为网状结构时，毛细导液芯为不锈钢丝网、合金丝网、铜线丝网、石英纤维及镍毡中的一个或者多个复合而成的丝网，毛细导液芯与第一隔断表面之间采用焊接、烧结或压接的方式连接；
当毛细导液芯为烧结结构时，毛细导液芯由铜、铝、不锈钢或镍烧结而成，毛细导液芯与第一隔断表面之间采用焊接、烧结或压接的方式连接；
当毛细导液芯为垂直毛细沟槽结构时，毛细导液芯通过在第一隔断表面加工得到。
第一隔断中垂直段所构成的肋缝间隙尺寸大于2倍的毛细导液芯厚度，且肋缝间隙尺寸小于10mm。
填料腔内部装载的填料为S波填料、斜交错填料、台阶式梯形斜波填料、差位式正弦波填料、点波填料、角蜂窝填料、双向波填料或斜折波填料。
喷淋管的底部设置有若干喷嘴，其中，相邻喷淋管之间有间隙，冷却换热器为水平布置的管束，且所述管束的外部设置有褶皱翅片，出口风扇为可变速风扇。
蒸发腔内加注有热力循环工质，热力循环工质的加注量为蒸发腔容积的3％～25％，热力循环工质在工作压力下的相变温度为-20℃～50℃，热力循环工质为水、醇类、R1336mzz、R1233zd、Novec 649、HFE7000、R1224yd(Z)、RE245fa2、R365mfc、HFE-347mmy及HFE-347mcc中的一种或者为R1336mzz、R1233zd、Novec 649、HFE7000、R1224yd(Z)、RE245fa2、R365mfc、HFE-347mmy、HFE-347mcc、HFE7100及HFE7500中的多种按任意比例混合的混合物。
本发明所述相变冷却系统的工作方法包括以下步骤：
将工质加注阀及泄水阀处于常闭状态，系统工作模式分为喷淋冷却模式及自然吹风冷却模式；
当环境温度较高时，系统在喷淋冷却模式下工作，此时，两位三通阀的出口与喷淋管相连通，循环泵及出口风扇工作，空气经百叶进气口进入第二分体并向上流动，空气流过填料腔，同时循环泵将冷凝出水口输出的高温水送入喷淋管中，再经喷淋管上的喷嘴自上而下喷出，喷出的水向下落入填料腔中，在填料腔内的水沿填料滑落，空气在填料间隙向上流动，在此过程中，填料腔内的部分水发生蒸发并吸收水的热量，使水温降低，液态水从填料腔的底部流出，并在重力作用下掉落到积水腔中，积水腔内的低温水由经积水腔底部的出水口流出并进入到冷凝进水口中，蒸发的气态水与空气一起从填料腔的上部流出，并穿过冷却换热器，再在冷却换热器上褶皱翅片的阻挡下，液态水被阻挡并坠落进入填料腔中，未被阻挡的湿空气由出口风扇排出；
当环境温度较低时，系统在自然吹风冷却模式下工作，此时，两位三通阀的出口与冷却换热器相连通，循环泵将冷凝出水口输出的高温水送入冷却换热器中，出口风扇将低温空气从百叶进气口吸入第二分体中，低温空气经填料腔向上流动并与冷却换热器进行换热，使冷却换热器内部的流体温度下降并进入冷凝进水口中，换热后的空气经出口风扇排出；
在蒸发腔内，毛细导液芯浸润在液态循环工质中，当载物腔中的发热组件发热时，通过第一隔断将热量传递给毛细导液芯中的液态工质，同时载物腔中发热组件产生的热量通过载物腔的底面经热桥及第一隔断的肋缝端部到达毛细导液芯，使毛细导液芯中的液态工质吸热发生蒸发汽化，以变成气态工质，该气态工质到达冷凝管的外部，同时，冷凝进水口输出的低温水进入冷凝管的内部，冷凝管内部的低温水对其外部的气态工质进行冷却，使气态工质发生冷凝变成液体，液体工质在重力作用下向下坠落，并重新到达毛细导液芯内部；低温水吸热升温后经冷凝出水口流出并经循环泵送入两位三通阀中。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的相变冷却系统及其工作方法在具体操作时，包括喷淋冷却模式及自然吹风冷却模式，实现在蒸发腔内部循环工质发生蒸发吸热、冷凝放热过程以及在填料腔内部水发生蒸发相变过程。在蒸发腔内的相变过程温度均匀性好，换热速率快，有利于保证载物腔内被冷却对象温度分布均匀性；另外，本发明中的耗电部件是循环泵和出口风扇，耗电量相比传统空调冷却系统的耗电量要小得多；同时本发明的相变冷却系统中载物腔与蒸发腔形成有机的整体，冷却速度快，效果好，浪费的冷量极少，运行成本低，结构简单，体积小，布置容易，并且可靠性较高。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
其中，1为第一分体、2为载物腔、3为第一隔断、4为毛细导液芯、5为蒸发腔、6为冷凝进水口、7为积水腔、8为浮球阀、9为热桥、10为工质加注接口、11为工质加注阀、12为泄水阀、13为循环泵、14为冷凝出水口、15为冷凝管、16为第二隔断、17为百叶进气口、18为填料腔、19为喷淋管、20为两位三通阀、21为冷却换热器、22为出口风扇、23为第二分体。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1，本发明所述的相变冷却系统包括第一分体1、第二分体23、两位三通阀20、循环泵13及泄水阀12；第一分体1内部通过第一隔断3分为载物腔2及蒸发腔5，第一隔断3为锯齿状结构，且第一隔断3的齿端部与第一分体1的内部之间有热桥9，其中，第一隔断3由多个水平隔板和倒立的垂直肋缝隔板首尾相连组成，垂直肋缝隔板底端位于载物腔2侧设有热桥9，热桥9的上下面分别与第一隔断3和载物腔2底面紧密相连，热桥9上设有椭圆形或圆形通孔，蒸发腔5的内壁上设置有毛细导液芯4，其中，所述毛细导液芯4位于第一隔断3上，载物腔2内部设置有发热组件；蒸发腔5的顶部为第二隔断16，蒸发腔5内设置有冷凝管15，蒸发腔5的侧壁上设置有工质加注接口10，工质加注接口10处设置有工质加注阀11，冷凝管15的一端穿过蒸发腔5的侧壁与冷凝进水口6相连通，冷凝管15的另一端穿过蒸发腔5的侧壁与冷凝出水口14相连通；第二分体23内自上到下依次设置有冷却换热器21、喷淋管19、填料腔18及积水腔7，积水腔7的液面上设置有用于补水的浮球阀8，补水管与浮球阀8相连通，喷淋管19的进水口与两位三通阀20出口的第一连通位相连通，冷却换热器21的进水口与两位三通阀20出口的第二连通位相连通；冷凝出水口14与循环泵13的入口及泄水阀12相连通，循环泵13的出口与两位三通阀20的进水口相连通，冷却换热器21的出水口及积水腔7的出水口与冷凝进水口6相连通，第二分体23的顶部开口处设置有出口风扇22，第二分体23的侧面设置有百叶进气口17，其中，百叶进气口17位于积水腔7与填料腔18之间。
载物腔2的外壁、蒸发腔5的外壁及第二隔断16均为填充保温材料或真空的绝热结构体。
第一分体1为一个或者多个，第二分体23为一个或者多个，当第一分体1的数目为多个时，各第一分体1并联连通，当第二分体23的数目为多个时，各第二分体23并联连通。
第一隔断3的材质为不锈钢、铜、铝、热解石墨、石墨-铝、石墨-铜、金刚石-铝、金刚石-铜或铝-碳化硅。
毛细导液芯4为网状结构、烧结结构或者垂直毛细沟槽结构；当毛细导液芯4为网状结构时，毛细导液芯4为不锈钢丝网、合金丝网、铜线丝网、石英纤维及镍毡中的一个或者多个复合而成的丝网，毛细导液芯4与第一隔断3表面之间采用焊接、烧结或压接的方式连接；当毛细导液芯4为烧结结构时，毛细导液芯4由铜、铝、不锈钢或镍烧结而成，毛细导液芯4与第一隔断3表面之间采用焊接、烧结或压接的方式连接；当毛细导液芯4为垂直毛细沟槽结构时，毛细导液芯4通过在第一隔断3表面加工得到。
第一隔断3中垂直段所构成的肋缝间隙尺寸大于2倍的毛细导液芯4厚度，且肋缝间隙尺寸小于10mm。
填料腔18内部装载的填料为S波填料、斜交错填料、台阶式梯形斜波填料、差位式正弦波填料、点波填料、角蜂窝填料、双向波填料或斜折波填料。
喷淋管19的底部设置有若干喷嘴，其中，相邻喷淋管19之间有间隙，冷却换热器21为水平布置的管束，且所述管束的外部设置有褶皱翅片，出口风扇22为可变速风扇。
蒸发腔5内加注有热力循环工质，热力循环工质的加注量为蒸发腔5容积的3％～25％，热力循环工质在工作压力下的相变温度为-20℃～50℃，热力循环工质为水、醇类、R1336mzz、R1233zd、Novec 649、HFE7000、R1224yd(Z)、RE245fa2、R365mfc、HFE-347mmy及HFE-347mcc中的一种或者为R1336mzz、R1233zd、Novec 649、HFE7000、R1224yd(Z)、RE245fa2、R365mfc、HFE-347mmy、HFE-347mcc、HFE7100及HFE7500中的多种按任意比例混合的混合物。
本发明所述相变冷却系统的工作方法包括以下步骤：
将工质加注阀11及泄水阀12处于常闭状态，系统工作模式分为喷淋冷却模式及自然吹风冷却模式；
当环境温度较高时，系统在喷淋冷却模式下工作，此时，两位三通阀20的出口与喷淋管19相连通，循环泵13及出口风扇22工作，空气经百叶进气口17进入第二分体23并向上流动，空气流过填料腔18，同时循环泵13将冷凝出水口14输出的高温水送入喷淋管19中，再经喷淋管19上的喷嘴自上而下喷出，喷出的水向下落入填料腔18中，在填料腔18内的水沿填料滑落，空气在填料间隙向上流动，在此过程中，填料腔18内的部分水发生蒸发并吸收水的热量，使水温降低，液态水从填料腔18的底部流出，并在重力作用下掉落到积水腔7中，积水腔7内的低温水由经积水腔7底部的出水口流出并进入到冷凝进水口6中，蒸发的气态水与空气一起从填料腔18的上部流出，并穿过冷却换热器21，再在冷却换热器21上褶皱翅片的阻挡下，液态水被阻挡并坠落进入填料腔18中，未被阻挡的湿空气由出口风扇22排出；
当环境温度较低时，系统在自然吹风冷却模式下工作，此时，两位三通阀20的出口与冷却换热器21相连通，循环泵13将冷凝出水口14输出的高温水送入冷却换热器21中，出口风扇22将低温空气从百叶进气口17吸入第二分体23中，低温空气经填料腔18向上流动并与冷却换热器21进行换热，使冷却换热器21内部的流体温度下降并进入冷凝进水口6中，换热后的空气经出口风扇22排出；
在蒸发腔5内，毛细导液芯4浸润在液态循环工质中，当载物腔2中的发热组件发热时，通过第一隔断3将热量传递给毛细导液芯4中的液态工质，同时载物腔2中发热组件产生的热量通过载物腔2的底面经热桥9及第一隔断3的肋缝端部到达毛细导液芯4，使毛细导液芯4中的液态工质吸热发生蒸发汽化，以变成气态工质，该气态工质到达冷凝管15的外部，同时，冷凝进水口6输出的低温水进入冷凝管15的内部，冷凝管15内部的低温水对其外部的气态工质进行冷却，使气态工质发生冷凝变成液体，液体工质在重力作用下向下坠落，并重新到达毛细导液芯4内部；低温水吸热升温后经冷凝出水口14流出并经循环泵13送入两位三通阀20中；
系统连续运行情况下，由于在填料腔18及积水腔7内部发生水蒸发，积水腔7液面逐渐下降，当积水腔7液面达到最低水位时，浮球阀8开启进水，当积水腔7液位上升达到最高水位时，浮球阀8关闭，停止补水。
Claims (10)
1.一种相变冷却系统，其特征在于，包括第一分体(1)、第二分体(23)、两位三通阀(20)、循环泵(13)及泄水阀(12)；
第一分体(1)内部通过第一隔断(3)分为载物腔(2)及蒸发腔(5)，第一隔断(3)为锯齿状结构，且第一隔断(3)的齿端部与第一分体(1)的内部之间有热桥(9)，蒸发腔(5)的内壁上设置有毛细导液芯(4)，其中，所述毛细导液芯(4)位于第一隔断(3)上，载物腔(2)内部设置有发热组件；
蒸发腔(5)的顶部为第二隔断(16)，蒸发腔(5)内设置有冷凝管(15)，蒸发腔(5)的侧壁上设置有工质加注接口(10)，工质加注接口(10)处设置有工质加注阀(11)，冷凝管(15)的一端穿过蒸发腔(5)的侧壁与冷凝进水口(6)相连通，冷凝管(15)的另一端穿过蒸发腔(5)的侧壁与冷凝出水口(14)相连通；
第二分体(23)内自上到下依次设置有冷却换热器(21)、喷淋管(19)、填料腔(18)及积水腔(7)，积水腔(7)的液面上设置有用于补水的浮球阀(8)，补水管与浮球阀(8)相连通，喷淋管(19)的进水口与两位三通阀(20)出口的第一连通位相连通，冷却换热器(21)的进水口与两位三通阀(20)出口的第二连通位相连通；
冷凝出水口(14)与循环泵(13)的入口及泄水阀(12)相连通，循环泵(13)的出口与两位三通阀(20)的进水口相连通，冷却换热器(21)的出水口及积水腔(7)的出水口与冷凝进水口(6)相连通，第二分体(23)的顶部开口处设置有出口风扇(22)，第二分体(23)的侧面设置有百叶进气口(17)，其中，百叶进气口(17)位于积水腔(7)与填料腔(18)之间。
2.根据权利要求1所述的相变冷却系统，其特征在于，载物腔(2)的外壁、蒸发腔(5)的外壁及第二隔断(16)均为填充保温材料或真空的绝热结构体。
3.根据权利要求1所述的相变冷却系统，其特征在于，当第一分体(1)的数目为多个时，各第一分体(1)并联连通，当第二分体(23)的数目为多个时，各第二分体(23)并联连通。
4.根据权利要求1所述的相变冷却系统，其特征在于，第一隔断(3)的材质为不锈钢、铜、铝、热解石墨、石墨-铝、石墨-铜、金刚石-铝、金刚石-铜或铝-碳化硅。
5.根据权利要求1所述的相变冷却系统，其特征在于，毛细导液芯(4)为网状结构、烧结结构或者垂直毛细沟槽结构；
当毛细导液芯(4)为网状结构时，毛细导液芯(4)为不锈钢丝网、合金丝网、铜线丝网、石英纤维及镍毡中的一个或者多个复合而成的丝网，毛细导液芯(4)与第一隔断(3)表面之间采用焊接、烧结或压接的方式连接；
当毛细导液芯(4)为烧结结构时，毛细导液芯(4)由铜、铝、不锈钢或镍烧结而成，毛细导液芯(4)与第一隔断(3)表面之间采用焊接、烧结或压接的方式连接；
当毛细导液芯(4)为垂直毛细沟槽结构时，毛细导液芯(4)通过在第一隔断(3)表面加工得到。
6.根据权利要求1所述的相变冷却系统，其特征在于，第一隔断(3)中垂直段所构成的肋缝间隙尺寸大于2倍的毛细导液芯(4)厚度，且肋缝间隙尺寸小于10mm。
7.根据权利要求1所述的相变冷却系统，其特征在于，填料腔(18)内部装载的填料为S波填料、斜交错填料、台阶式梯形斜波填料、差位式正弦波填料、点波填料、角蜂窝填料、双向波填料或斜折波填料。
8.根据权利要求1所述的相变冷却系统，其特征在于，喷淋管(19)的底部设置有若干喷嘴，其中，相邻喷淋管(19)之间有间隙，冷却换热器(21)为水平布置的管束，且所述管束的外部设置有褶皱翅片，出口风扇(22)为可变速风扇。
9.根据权利要求1所述的相变冷却系统，其特征在于，蒸发腔(5)内加注有热力循环工质，热力循环工质的加注量为蒸发腔(5)容积的3％～25％，热力循环工质在工作压力下的相变温度为-20℃～50℃，热力循环工质为水、醇类、R1336mzz、R1233zd、Novec 649、HFE7000、R1224yd(Z)、RE245fa2、R365mfc、HFE-347mmy及HFE-347mcc中的一种或者为R1336mzz、R1233zd、Novec 649、HFE7000、R1224yd(Z)、RE245fa2、R365mfc、HFE-347mmy、HFE-347mcc、HFE7100及HFE7500中的多种按任意比例混合的混合物。
10.一种权利要求1所述相变冷却系统的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
将工质加注阀(11)及泄水阀(12)处于常闭状态，系统工作模式分为喷淋冷却模式及自然吹风冷却模式；
当环境温度较高时，系统在喷淋冷却模式下工作，此时，两位三通阀(20)的出口与喷淋管(19)相连通，循环泵(13)及出口风扇(22)工作，空气经百叶进气口(17)进入第二分体(23)并向上流动，空气流过填料腔(18)，同时循环泵(13)将冷凝出水口(14)输出的高温水送入喷淋管(19)中，再经喷淋管(19)上的喷嘴自上而下喷出，喷出的水向下落入填料腔(18)中，在填料腔(18)内的水沿填料滑落，空气在填料间隙向上流动，在此过程中，填料腔(18)内的部分水发生蒸发并吸收水的热量，使水温降低，液态水从填料腔(18)的底部流出，并在重力作用下掉落到积水腔(7)中，积水腔(7)内的低温水由经积水腔(7)底部的出水口流出并进入到冷凝进水口(6)中，蒸发的气态水与空气一起从填料腔(18)的上部流出，并穿过冷却换热器(21)，再在冷却换热器(21)上褶皱翅片的阻挡下，液态水被阻挡并坠落进入填料腔(18)中，未被阻挡的湿空气由出口风扇(22)排出；
当环境温度较低时，系统在自然吹风冷却模式下工作，此时，两位三通阀(20)的出口与冷却换热器(21)相连通，循环泵(13)将冷凝出水口(14)输出的高温水送入冷却换热器(21)中，出口风扇(22)将低温空气从百叶进气口(17)吸入第二分体(23)中，低温空气经填料腔(18)向上流动并与冷却换热器(21)进行换热，使冷却换热器(21)内部的流体温度下降并进入冷凝进水口(6)中，换热后的空气经出口风扇(22)排出；
在蒸发腔(5)内，毛细导液芯(4)浸润在液态循环工质中，当载物腔(2)中的发热组件发热时，通过第一隔断(3)将热量传递给毛细导液芯(4)中的液态工质，同时载物腔(2)中发热组件产生的热量通过载物腔(2)的底面经热桥(9)及第一隔断(3)的肋缝端部到达毛细导液芯(4)，使毛细导液芯(4)中的液态工质吸热发生蒸发汽化，以变成气态工质，该气态工质到达冷凝管(15)的外部，同时，冷凝进水口(6)输出的低温水进入冷凝管(15)的内部，冷凝管(15)内部的低温水对其外部的气态工质进行冷却，使气态工质发生冷凝变成液体，液体工质在重力作用下向下坠落，并重新到达毛细导液芯(4)内部；低温水吸热升温后经冷凝出水口(14)流出并经循环泵(13)送入两位三通阀(20)中。
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