CN112762743A - 一种空气热交换器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种空气热交换器，所述空气热交换器包括壳体、隔离板、第一风机、第二风机、第一进风口、第一出风口、第二进风口、第二出风口和内置换热介质的换热芯体；所述空气热交换器既可以实现对冷空气的换热，也可以实现对热空气的制冷，同时还能避免将环境中的微粒、湿度、氧化物等有害物质引入到待换热的空气中；可以做到既能满足热量交换的要求，又不影响IP防护等级。所述热量交换过程可控，操作简便，能耗低、占用面积小，不会增加额外的成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种空气热交换器，属于热能利用、尤其是散热技术领域。
背景技术
现有的室外地面充电机柜或供电机柜均为相对封闭的柜体空间。因其内部的电源模块会产生大量热能导致机柜内部空气环境温度升高，高温直接影响内部电子器件的寿命周期，进而导致整机寿命衰减，所以须考虑整机散热问题。而现有的散热方案为开放式换热，即在机柜两侧开窗，其中一侧为进风口，让外部空气进入；另一侧为出风口，使机柜内部热空气排出，通过将机柜内部的热空气强制交换到机柜外部的方式，实现机柜内部降温。
但此方案的问题在于当外部空气直接进入机柜时，其环境中携带的微粒、湿度、氧化物等复杂物质对机柜内的电子器件也会造成损害，影响器件寿命。同时此方案又破环了室外机柜整体的防护等级需求，导致散热方案与防护需求成为了一个相对矛盾的问题。
发明内容
为了改善现有技术的不足，本发明提供一种空气热交换器。所述空气热交换器既可以实现对相对封闭空间与空气大气换热从而降低封闭空间的温度，同时还能避免将环境中的微粒、湿度、氧化物等有害物质引入到所述空间中；可以做到既能满足散热的要求，又不影响IP防护等级。所述热量交换过程可控，操作简便，能耗低、占用面积小，不会增加额外的成本。
本发明目的是通过如下技术方案实现的：
一种空气热交换器，包括壳体、隔离板、第一风机、第二风机、第一进风口、第一出风口、第二进风口、第二出风口和内置换热介质的换热芯体；
所述隔离板沿水平方向内置于所述壳体内并将所述壳体分隔成液化区和气化区，且所述液化区位于所述气化区的上部；
所述第一风机设置在液化区内，所述第二风机设置在气化区内；
所述第一进风口和第一出风口相对的设置在形成液化区的壳体上，所述第一进风口和第一出风口分别与外部环境连通；所述第二进风口和第二出风口设置在形成气化区的壳体上，所述第二进风口和第二出风口分别与待换热的空间连通；
所述换热芯体穿过隔离板使得所述换热芯体的一端置于液化区内，另一端置于气化区内。
根据本发明，所述壳体的形状没有特别的定义，例如可以是长方形、正方形、圆形或者是其他形状。所述壳体的大小也没有特别的定义，例如可以根据需要换热的空间的换热量进行设置，例如需要换热的空间的换热量较大时，所述壳体的体积可以较大，需要换热的空间的换热量较小时，所述壳体的体积可以较小。示例性地，所述空气热交换器用于地面充电机柜或供电机柜内空间换热时，所述壳体的尺寸取决于机柜内空间的换热量的大小。
根据本发明，所述隔离板可以将所述壳体形成的空间分隔成液化区和气化区，其中所述液化区用于将换热芯体内的换热介质液化，所述气化区用于将换热芯体内的换热介质气化。
根据本发明，所述液化区和气化区之间不连通。
本发明中，所述的液化区和气化区之间不连通是指液化区和气化区之间不存在直接的气流交换，即所述液化区所处的环境和气化区所处的环境不连通，但是内置于液化区换热芯体和内置于气化区的换热芯体是连通的。
示例性地，所述液化区通过第一进风口和第一出风口与外界连通，所述气化区通过第二进风口和第二出风口与需要换热的空间连通。
根据本发明，所述需要换热的空间可以是地面充电或供电机柜、储能柜等，柜体密封防护等级高且需散热的机柜类装置。
根据本发明，所述空气热交换器置于所述需要换热的空间的顶部，例如置于上述各种机柜的顶部。
根据本发明，所述隔离板的材质为绝热材质，即液化区和气化区内的热量只能通过换热芯体内的换热介质传递。
根据本发明，所述第一风机和所述第二风机均为温控风机，所述温控风机为本领域常规的温控风机，所述温控风机和其控制系统可以根据温度的变化控制风机的转速，继而实现换热速度的控制。
根据本发明，所述第一风机优选设置在液化区空间的中部，用于将外部的冷空气通过第一进风口吸入液化区内，且进一步保证从第一进风口进入的冷空气可以与液化区内的换热芯体充分接触，确保换热芯体内的换热介质可以液化，还可以使得换热后的热空气通过第一出风口排出液化区；所述第二风机优选设置在气化区的中部，用于将内部的热空气通过第二进风口吸入气化区内，且进一步保证从第二进风口进入的热空气可以与气化区内的换热芯体充分接触，确保换热芯体内的换热介质可以气化，还可以使得换热后的冷空气通过第二出风口排出气化区再次进入需降温的内部。
根据本发明，所述换热芯体为本领域已知的可用于内置换热介质并且换热介质可在其内部流通的换热芯体，所述换热芯体的材质为纯铝材质，所述换热芯体的形状、型号尺寸可以根据所述壳体的大小和热导效率等因素进行选择和设计，也可以根据所述机柜需要进行换热的热量大小进行选择；当所述机柜内需要换热的热空气的温度较高时，可以选择表面积较大的换热芯体，通过增加换热芯体的换热面积，增加换热的效率。
根据本发明，所述换热芯体内填充的换热介质选自氟利昂。所述换热介质的具体选择为本领域常规的，例如需要考虑所述热交换器工作场景的相关温度，即外部环境温度(最低约为-45℃)和封闭空间的内部温度(最高约为70℃)。在所选换热介质的三相点和临界点温度区间内，覆盖换热器工作场景的温度范围，能够实现介质的气-液两相循环工作的状态，即可选择。本发明可选的换热介质包括但不限于以下的一种或几种的组合：R-134a(沸点-26.1℃、临界点101.1℃)；R-1234ze(沸点-18.9℃、临界点109.4℃)；R-1234yf(沸点-29.5℃、临界点94.7℃)。
根据本发明，所述换热芯体内填充的换热介质会随着壳体内液化区和气化区的温度的变化而发生气液变化。所述热交换器工作时，需要换热的空间内的热空气在第二风机的作用下，从第二进风口进入气化区内，与处于气化区内的换热芯体接触换热，位于气化区内的换热芯体吸收热空气热量，其内部换热介质受热蒸发，蒸发气体在换热芯体内向上流动，进入处于液化区内的换热芯体；在液化区内，外部的冷空气在第一风机的作用下从第一进风口进入液化区内，与处于液化区内的换热芯体接触换热，此时换热芯体内的气体状态的换热介质重新液化形成液体，释放热量，热量被第一出风口带出，液体状态的换热介质在重力的作用下在换热芯体内重新进入处于气化区内的换热芯体；如此往复循环，实现换热。
根据本发明，所述第一进风口和第一出风口的设置位置没有特别的限定，可以实现冷空气进入并充分与液化区内的换热芯体换热即可。例如，所述第一进风口和所述第一出风口设置在形成液化区的壳体的顶部或者侧壁上。
根据本发明，所述第二进风口和第二出风口的设置位置没有特别的限定，可以实现热空气进入壳体内并充分与气化区内的换热芯体换热即可。例如，所述第二进风口和所述第二出风口设置在形成气化区的壳体的底部或者侧壁上。
本发明还提供一种降低封闭空间的温度的方法，所述方法包括如下步骤：
1)将本发明上述空气热交换器的气化区内的第二进风口和第二出风口与需要降温的空间连通，将液化区内的第一进风口和第一出风口与外界连通；
2)开启第一风机和第二风机，实现对所述空间的降温。
本发明还提供上述空气热交换器的用途，其用于地面充电或供电机柜、储能柜等，柜体密封防护等级高且需散热的机柜类装置。
本发明的有益效果：
本发明提供了一种空气热交换器，所述空气热交换器既可以实现对相对封闭空间与空气换热，从而降低封闭空间温度的目的，同时还能避免将环境中的微粒、湿度、氧化物等有害物质引入到所述空间中；可以做到既能满足散热的要求，又不影响IP防护等级。本发明的空气热交换器能够交换封闭空间内和大气环境的热量，运行效果可达到使二者温差缩小到10℃以内。所述热量交换过程可控，操作简便，能耗低、占用面积小，延长了封闭空间内电器设备的寿命，大大降低了维护成本。
附图说明
图1为本发明一种实施方式所述的空气热交换器的结构示意图。
附图标记：1为壳体、2为隔离板、3为第一风机、4为第二风机、5为第一进风口、6为第一出风口、7为第二进风口、8为第二出风口、9为换热芯体、10为换热介质、11为机柜。
图2为本发明一种实施方式所述的空气热交换器的热量示意图。
具体实施方式
下文将结合具体实施例对本发明做更进一步的详细说明。应当理解，下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明，而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法；下述实施例中所用的试剂、材料等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而并非指示或暗示相对重要性。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种空气热交换器，所述空气热交换器包括壳体1、隔离板2、第一风机3、第二风机4、第一进风口5、第一出风口6、第二进风口7、第二出风口8和内置换热介质10的换热芯体9；
所述隔离板2沿水平方向内置于所述壳体1内并将所述壳体1分隔成液化区和气化区，且所述液化区位于所述气化区的上部；
所述第一风机3设置在液化区内，所述第二风机4设置在气化区内；
所述第一进风口和所述第一出风口设置在形成液化区的壳体1的侧壁上，所述第二进风口和所述第二出风口设置在形成气化区的壳体1的底部；
所述换热芯体9穿过隔离板2使得所述换热芯体9的一端置于液化区内，另一端置于气化区内。
所述换热芯体具有从气化区到液化区贯通的通道，换热介质置于其中。
所述隔离板将所述壳体形成的空间分隔成液化区和气化区，在液化区内，换热芯体内的换热介质液化，气化区内，换热芯体内的换热介质气化。
所述液化区和气化区之间不连通，通过隔离板完全隔离开，即所述液化区所处的环境和气化区所处的环境不连通，但是内置于液化区换热芯体和内置于气化区的换热芯体是连通的。
所述液化区通过第一进风口5和第一出风口6与外界连通，所述气化区通过第二进风口7和第二出风口8与机柜连通，且所述空气热交换器置于所述机柜的顶部。
所述隔离板2的材质为绝热材质，所述第一风机3和所述第二风机4均为温控风机，所述换热芯体9的材质为纯铝材质，所述换热芯体9内填充的换热介质10选自氟利昂(型号R-134a，其沸点-26.1℃、临界点101.1℃)。
所述空气热交换器用于机柜的换热，气化区内的第二进风口7和第二出风口8与机柜连通，液化区内的第一进风口5和第一出风口6与外界环境连通。机柜内的热空气在第二风机4的作用下从第二进风口7进入气化区内，与处于气化区内的换热芯体9接触换热，气化区内的换热芯体9内的液体状态的换热介质吸收气化区热空气的热量，气化形成蒸汽，蒸汽通过换热芯体9向上进入处于液化区内的换热芯体9，此时气化区的空气温度降低，通过第二风机4的作用，从第二出风口8进入机柜内；在液化区内，外界的冷空气在第一风机3的作用下从第一进风口4进入液化区内，与处于液化区内的换热芯体9接触换热，液化区内的换热芯体9内的气态换热介质重新液化形成液体，释放热量到液化区中，液体状态的换热介质在重力的作用下，沿着换热芯体的通道内壁向下重新进入处于气化区内的换热芯体；如此往复循环，实现气体的换热。
本实施例中使用的机柜的尺寸为700*700*1600mm，空气热交换器的壳体尺寸为700*580*300mm，气化区的容量为550ml，液化区的容量为400ml，第一风机的通风量为900m3/h，第二风机的通风量为600m3/h。
在实验室模拟大气环境极限温度为45℃时的初始阶段，第二进风口7处测试得到的气体温度为70℃，即说明设备运行时，机柜内部的环境温度比外部环境温度高了25℃。
开启第一风机和第二风机进行热量交换后，在20-30min内，机柜温度急剧下降，到30min时，第二出风口8处测试得到的气体温度基本可以达到55℃，但会在接下来的1h左右有所波动，在运行2h后，第二出风口8处测试得到的气体温度会稳定在55℃±1℃。由此可见，本发明的空气热交换器即使在极端热的大气环境下，依然能够有效交换封闭空间内和大气环境的热量，降低封闭空间内温度，运行效果优异。
以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种空气热交换器，包括壳体、隔离板、第一风机、第二风机、第一进风口、第一出风口、第二进风口、第二出风口和内置换热介质的换热芯体；
所述隔离板沿水平方向内置于所述壳体内并将所述壳体分隔成液化区和气化区，且所述液化区位于所述气化区的上部；
所述第一风机设置在液化区内，所述第二风机设置在气化区内；
所述第一进风口和第一出风口相对的设置在形成液化区的壳体上，所述第一进风口和第一出风口分别与外部环境连通；所述第二进风口和第二出风口设置在形成气化区的壳体上，所述第二进风口和第二出风口分别与需要换热的空间连通；
所述换热芯体穿过隔离板使得所述换热芯体的一端置于液化区内，另一端置于气化区内。
2.根据权利要求1所述的空气热交换器，所述换热芯体具有从气化区到液化区贯通的通道，换热介质置于其中。
3.根据权利要求1或2所述的空气热交换器，其中，所述液化区和气化区之间通过隔离板隔绝，所述隔离板是绝热材料。
4.根据权利要求1-3任一项所述的空气热交换器，其中，所述需要换热的空间可以是设置地面充电或供电机柜、储能柜等，柜体密封防护等级高且需散热的机柜类装置。
5.根据权利要求1-4任一项所述的空气热交换器，其中，所述第一风机优选设置在液化区的中部，用于将冷空气通过第一进风口吸入液化区内，所述第二风机优选设置在气化区的中部，用于将需要换热的空间内部的热空气通过第二进风口吸入气化区内。
6.根据权利要求1-5任一项所述的空气热交换器，其中，所述换热芯体内填充的换热介质选自氟利昂。
7.根据权利要求1-6任一项所述的空气热交换器，其中，所述第一进风口和所述第一出风口设置在形成液化区的壳体的顶部或者侧壁上；所述第二进风口和所述第二出风口设置在形成气化区的壳体的底部或者侧壁上。
8.一种降低封闭空间的温度的方法，所述方法包括如下步骤：
1)将权利要求1-7任一项的空气热交换器的气化区内的第二进风口和第二出风口与需要降温的空间连通，将液化区内的第一进风口和第一出风口与外界连通；
2)开启第一风机和第二风机，实现对所述空间的降温。
9.权利要求1-7任一项所述的空气热交换器的用途，其用于地面充电或供电机柜、储能柜等，柜体密封防护等级高且需散热的机柜类装置的换热降温。
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