CN111818760B - 一种散热系统及水下无人作业装备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水下无人作业设备领域，公开了一种散热系统及水下无人作业装备，该散热系统包括：相变单元，相变单元用于连接水下无人作业装备的壳体；传热结构，传热结构用于设置于壳体内，传热结构的一端用于连接壳体内的发热设备，另一端用于连接壳体和/或相变单元；本发明结构简单，不过多占用水下无人作业装备的内部空间，实现了相变吸热和自然冷却相耦合的并行散热，散热性能稳定、高效，可有效抑制壳体内发热设备的温升，防止其发生过热损坏，大大拓宽了水下无人作业装备的实际应用场景。

Description

一种散热系统及水下无人作业装备

技术领域

本发明涉及水下无人作业设备领域，特别是涉及一种散热系统及水下无人作业装备。

背景技术

近年来，随着对海洋开发力度的加强，小型化的水下无人作业设备得到迅速发展。水下无人作业装备包括：水下探测器、水下机器人、水下信号接收器与发生器、中继站等，并广泛应用于海洋环境监测、海底地质勘探、水下科学考察、海洋资源开采、水下信号采集与传输、渔业活动等。

水下无人作业装备通常具有密闭的壳体，在壳体内装载有大量的电子器件、电池、小型电机等发热设备。这些发热设备在运行过程中不可避免地会产生大量的热量，如果不能将热量及时地从壳体内排出，将导致发热设备的温度持续升高，而过高的温度会直接影响到发热设备的工作性能、使用寿命及运行的稳定性，严重时，甚至会引发安全事故。因此，可靠高效的散热技术是保障水下无人作业装备进行持续、安全、稳定地工作的重要前提。

相比于基于通海系统进行散热的水下有人作业装备而言，小型化的水下无人作业装备不携带原动力系统，一般依靠电池提供驱动电力和设备用电，其体积小、重量轻，无法配备专门的散热系统，一般是直接通过壳体向外部水域排放多余热量。因而，小型化的水下无人作业装备在水下处于静止作业状态时，是通过其壳体与外部的海水进行自然对流散热，散热量一般较小；相应地，水下无人作业装备在水下处于行进作业状态时，随着壳体内发热设备工作时发热量的增加，壳体与外部的海水在进行对流传热时，相应的散热量有所增强。

近年来，随着海洋研究、探测、开发活动的快速发展，水下无人作业装备不断地向着多功能、智能化、长续航、大深度方向发展，其壳体内部的功率器件不断增多，电池容量不断增大，相应地，壳体内部的总发热量越来越大，发热问题日益严峻。特别地，在水下无人作业装备在静止状态下进行作业任务时，微弱的自然对流散热已经远远不能满足其日益增长的高散热需求。不同于地面或空间设备的散热，水下无人作业装备由于各个发热设备装设于狭小的密闭空间内，从而无法利用性能更好的风冷散热器进行冷却，其散热瓶颈在于自身所处的海水环境；若采用水冷技术，则又面临着通海的高压环境和海水腐蚀，并需要额外增设复杂的泵阀管路等问题。

由此，现有的水下无人作业装备难以解决在所处的海洋环境中对有限壳体空间内的发热设备进行有效散热的难题，从而也就难以确保在水下进行持续、安全、稳定、高效地工作。

发明内容

本发明实施例提供一种散热系统，用于解决现有的水下无人作业装备难以在所处的海洋环境中对有限壳体空间内的发热设备进行有效散热的问题。

本发明实施例还提供一种基于上述散热系统的水下无人作业装备。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种散热系统，包括：相变单元，所述相变单元用于连接水下无人作业装备的壳体；传热结构，所述传热结构用于设置于所述壳体内，所述传热结构的一端用于连接所述壳体内的发热设备，另一端用于连接所述壳体和/或所述相变单元。

其中，所述相变单元包括：填充腔，所述填充腔用于形成于所述壳体的侧壁中；相变材料，所述相变材料用于填充于所述填充腔内。

其中，所述填充腔包括多个，相邻的所述填充腔彼此间相互隔离。

其中，所述填充腔为夹层，所述夹层用于将所述壳体的侧壁分隔为内壁和外壁。

其中，所述相变单元还包括：加强筋，所述加强筋内置于所述夹层，并连接所述内壁与所述外壁。

其中，所述相变材料包括：有机相变材料、无机相变材料、金属相变材料当中的至少一种。

其中，所述相变材料的熔点为25℃-80℃。

其中，所述传热结构包括：金属传热结构、石墨传热结构当中的至少一种，所述金属传热结构包括：热管和/或金属传热板。

本发明实施例还提供一种水下无人作业装备，包括如上所述的散热系统。

本发明实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一：

本发明实施例提供的散热系统及水下无人作业装备，在水下无人作业装备内的发热设备处于常规小功率发热作业时，发热设备产生的热量通过传热结构有效地传递至水下无人作业装备的壳体，由壳体通过自然对流换热的方式将热量传递至周围水域环境，相变单元中的相变材料在此过程中始终保持固相状态。在水下无人作业装备内的发热设备处于高功率作业时，发热设备产生的热量急剧增加，此时壳体与周围水域环境的自然对流换热无法将热量及时排出，但是，与壳体连接的相变单元中的相变材料会因壳体内温度的升高而逐渐吸收大量的潜热并熔化，同时其温度保持在相变温度，从而有效抑制发热设备的温升，防止其发生过热损坏，其中，在相变材料吸收热量的同时，部分热量通过壳体散发至周围水域环境，从而实现相变吸热和自然冷却相耦合的并行散热，散热性能得到大幅提升，可有效保证壳体内的散热设备始终工作在允许的温度范围内。相应地，当水下无人作业装备完成高功率作业，恢复常规小功率作业时，其发热量大幅减小，壳体通过自然对流冷却方式将发热设备产生的热量和相变材料吸收的热量同时排出，相变材料放热并恢复固相状态，以应对下一次高功率作业的热冲击。

与此同时，本发明实施例所示的散热系统，利用相变材料被动吸热方式进行散热，具有零功耗、储热密度大、工作性能稳定等优势；利用水下无人作业装备的壳体的原有空间，以设置相变单元，不增加额外体积，可保证装备原有内部空间设计不受影响；相比于原有的单纯的自然冷却技术而言，可实现相变吸热和自然冷却相耦合的并行散热，大幅提升了散热能力，有效了防止装备内部的发热设备因发生过热而损坏，从而大大拓宽了水下无人作业装备的实际应用场景，使得水下无人作业装备能够在水下进行持续、安全、稳定、高效工作；同时，相比于现有的水冷技术而言，也避免了通海的高压环境和海水腐蚀，并需要额外增设复杂的泵阀管路等问题，具有结构简单，散热性能稳定、高效的优势。

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一简单地介绍，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为本发明实施例所示的散热系统在水下无人作业装备内的安装结构示意图。

图中，1、壳体；2、夹层；3、加强筋；4、相变材料；5、传热结构；6、发热设备。

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。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参见图1，本实施例提供了一种散热系统，包括：相变单元，相变单元用于连接水下无人作业装备的壳体1；传热结构5，传热结构5用于设置于壳体1内，传热结构5的一端用于连接壳体1内的发热设备6，另一端用于连接壳体1和/或相变单元。

具体的，本实施例所示的散热系统，在水下无人作业装备内的发热设备6处于常规小功率发热作业时，发热设备6产生的热量通过传热结构5有效地传递至水下无人作业装备的壳体1，由壳体1通过自然对流换热的方式将热量传递至周围水域环境，相变单元相应的相变材料4在此过程中始终保持固相状态，其中，发热设备6通常指水下无人作业装备的壳体1内装载的电子器件、电池、小型电机等。

在水下无人作业装备内的发热设备6处于高功率作业时，发热设备6产生的热量急剧增加，此时壳体1与周围水域环境的自然对流换热无法将热量及时排出，但是，与壳体1相连接的相变单元相应的相变材料4会因壳体1内温度的升高而逐渐吸收大量的潜热并熔化，同时其温度保持在相变温度，从而可有效抑制发热设备6的温升，防止其发生过热损坏，其中，在相变材料4吸收热量的同时，部分热量通过壳体1散发至周围水域环境，从而实现了相变吸热和自然冷却相耦合的并行散热，散热性能得到大幅提升，可有效保证壳体1内的散热设备始终工作在允许的温度范围内。

相应地，当水下无人作业装备完成高功率作业，恢复常规小功率作业时，其发热量大幅减小，壳体1通过自然对流冷却方式将发热设备6产生的热量和相变材料4吸收的热量同时排出，相变材料4放热并恢复固相状态，以应对下一次高功率作业的热冲击。

在此应指出的是，本实施例所示的散热系统是针对现有的水下无人作业装备随着多功能、智能化、长续航、大深度发展所面临的内部发热现况而进行适应性设计。在水下无人作业装备在静止状态下进行作业任务时，微弱的自然对流散热已经远远不能满足其日益增长的高散热需求。不同于地面或空间设备的散热，水下无人作业装备内的各个发热设备装设置于狭小的密闭空间内，从而无法利用性能更好的风冷散热器进行冷却，其散热瓶颈在于自身所处的海水环境；若采用水冷技术，则又面临着通海的高压环境和海水腐蚀，并需要额外增设复杂的泵阀管路等问题。

由此，本实施例采用传热结构5将发热设备6所散发的热量高效地传递至壳体1，或者经由相变单元传递至壳体1，在不过多占用水下无人作业装备的内部空间的情况下，实现了相变吸热和自然冷却相耦合的并行散热，散热性能稳定且高效，可有效抑制壳体1内发热设备6的温升，防止其发生过热损坏，大大拓宽了水下无人作业装备的实际应用场景。

在此还应指出的是，本实施例所示的相变单元可以理解为，包括相变材料4和用于装载相变材料4的传热单元，该传热单元可以为传热盒或填充腔，在该传热单元为传热盒时，可以将传热盒设置于水下无人作业装备的壳体1的内侧壁和/或外侧壁，从而发热设备6在通过传热结构5向壳体1传热时，既可将传热结构5远离发热设备6的一端单独连接水下无人作业装备的壳体1，也可单独连接传热盒，还可同时连接水下无人作业装备的壳体1和传热盒。

相应地，在该传热单元可以为填充腔时，填充腔形成于水下无人作业装备的壳体1的侧壁中，此时需将传热结构5远离发热设备6的一端直接连接壳体1即可。

在其中一个优选实施例中，为了确保相变吸热和自然冷却相耦合的并行散热效果，并确保壳体1整体的机械强度及相应的耐压性能，本实施例可在壳体1的侧壁中设置多个填充腔，相邻的填充腔彼此间相互隔离，填充腔的形状可以为圆形、矩形、环形等，对此不作具体限定，在实际设计时只要适应壳体1的弧度变化即可。

在另一优选实施例中，可将填充腔设计为形成于壳体1的侧壁中的夹层2，从而该壳体1的侧壁由夹层2分隔为内壁与外壁，在将相变材料4内置于夹层2后，相变材料4可相应地沿着整个壳体1布置，有助于大大提升对发热设备6的散热效果。在此，为了确保壳体1的机械强度及相应的耐压性能，可在夹层2内装设多根加强筋3，显然，加强筋3连接壳体1的内壁与外壁，且能够强化壳体1的内壁与外壁之间的传热效果及壳体1向相变材料4内部的传热效果。

基于上述实施例的改进，本实施例所示的相变材料4包括有机相变材料、无机相变材料、金属相变材料当中的至少一种。

具体的，本实施例所示的有机相变材料包括石蜡、酯、脂肪酸、醇、甘醇当中的任意一种；无机相变材料包括水合无机盐或无机盐；金属相变材料包括镓、镓铟合金、镓铟锡合金、铋铟锡合金、铋铟锡铅合金当中的任意一种。其中，相变材料4的熔点为25℃-80℃，从而水下无人作业装备可基于周围的水域环境，达到较好的相变吸热和自然冷却相耦合的并行散热效果。

基于上述实施例的改进，为了高效地将发热设备6工作时产生的热传递至水下无人作业装备的外壳，本实施例所示的传热结构5可以为金属传热结构5、石墨传热结构5当中的至少一种，金属传热结构5包括热管和/或金属传热板。

在其中一个具体实施例中，可将发热设备6安装于第一金属传热板的一端，将第一金属传热板的另一端连接水下无人作业装备的壳体1。

在另一个具体实施例中，也可将发热设备6安装于第二金属传热板上，将热管的一端连接该第二金属传热板，热管的另一端连接水下无人作业装备的壳体1。其中，第一金属传热板与第二金属传热板均可采用导热性能较好的铜板。

在再一个具体实施例中，还可将石墨传热结构5设置为石墨板，将发热设备6安装于石墨板的一端，将石墨板的另一端连接水下无人作业装备的壳体1。

如图1所示，本实施例还提供一种水下无人作业装备，包括如上所述的散热系统。

具体的，本实施例所示的水下无人作业装备，由于设置了上述实施例所示的散热系统，可充分利用其壳体1的原有空间，以设置相变单元，不增加额外体积，可保证装备原有内部空间设计不受影响，并实现了相变吸热和自然冷却相耦合的并行散热，大幅提升了散热能力，有效了防止装备内部的发热设备6因发生过热而损坏，从而大大拓宽了水下无人作业装备的实际应用场景，使得水下无人作业装备能够在水下进行持续、安全、稳定、高效工作。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种散热系统，其特征在于，包括：

相变单元，所述相变单元用于连接水下无人作业装备的壳体；

传热结构，所述传热结构用于设置于所述壳体内，所述传热结构的一端用于连接所述壳体内的发热设备，另一端用于连接所述壳体和/或所述相变单元；

所述相变单元包括：填充腔和相变材料；所述填充腔形成于所述壳体的侧壁中，所述相变材料填充于所述填充腔内，所述相变材料的熔点为25℃-80℃；

在所述发热设备处于小功率作业的情形下，所述发热设备产生的热量通过所述传热结构传递至所述壳体，所述壳体通过自然对流换热的方式将热量传递至周围水域环境，所述相变材料在此过程中保持固相状态；

在所述发热设备处于高功率作业的情形下，所述壳体内的相变材料因所述壳体内温度的升高而逐渐吸收大量的潜热并熔化，并保持在相变温度，在所述相变材料吸收热量的同时，部分热量通过所述壳体散发至周围水域环境，实现相变吸热和自然冷却相耦合的并行散热；

在所述发热设备由高功率作业恢复至小功率作业时，所述壳体通过自然对流冷却方式将所述发热设备产生的热量和所述相变材料吸收的热量同时排出，所述相变材料放热并恢复固相状态。

2.根据权利要求1所述的散热系统，其特征在于，

所述填充腔包括多个，相邻的所述填充腔彼此间相互隔离。

3.根据权利要求1所述的散热系统，其特征在于，

所述填充腔为夹层，所述夹层用于将所述壳体的侧壁分隔为内壁和外壁。

4.根据权利要求3所述的散热系统，其特征在于，

所述相变单元还包括：加强筋，所述加强筋内置于所述夹层，并连接所述内壁与所述外壁。

5.根据权利要求1至4任一所述的散热系统，其特征在于，

所述相变材料包括：有机相变材料、无机相变材料、金属相变材料当中的至少一种。

6.根据权利要求1至4任一所述的散热系统，其特征在于，

所述传热结构包括：金属传热结构、石墨传热结构当中的至少一种，所述金属传热结构包括：热管和/或金属传热板。

7.一种水下无人作业装备，其特征在于，包括如权利要求1至6任一所述的散热系统。

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