CN112901533A - 一种相变冷却式永磁直驱鼓风机 - Google Patents

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Abstract

一种相变冷却式永磁直驱鼓风机，涉及鼓风机技术领域，提供一种能实现高效率、低能耗冷却的鼓风机。它包括电机壳体、绕组、定子铁芯、永磁体、转子铁芯、电机轴、蜗壳、叶轮和蜗壳底座，还包括冷却系统和设置在电机轴与电机壳体之间的一对相变冷却机构；所述相变冷却机构包括固定板、进液管组、翅片、温度传感器、出液管组和蓄热直管，固定板为平行设置的一对并位于进液管组和出液管组之间，在进、出液管组之间设有若干蓄热直管，蓄热直管包括由内而外依次的相变材料、内铜管、支架和外铜管；冷却系统包括冷却流道以及设置在冷却流道上的进口流量阀、出口流量阀、开关阀、储液箱、流量泵和冷却机构。本发明可以实现对鼓风机起到很好的冷却效果。

Description

一种相变冷却式永磁直驱鼓风机
技术领域
本发明涉及鼓风机技术领域，具体地说是一种相变冷却式永磁直驱鼓风机。
背景技术
永磁直驱鼓风机主要结构是将鼓风机叶轮直接安装在电动机轴延伸端上，转子被垂直悬浮于主动式磁性轴承控制器上，不需要变速器及联轴器，由高速电动机直接驱动，通常冷却系统采用外置冷凝器的方式，保护风机系统。
相变蓄热是一种以相变储能材料为基础的高新储能技术，主要分为热化学储热、显热储热和相变储热，其中热化学储热不安全且蓄热过程不可控，显热储热密度小，相比之下，相变储热安全稳定、储热密度高。相变蓄热材料能随温度变化而改变形态并提供潜热，相变材料由固态变为液态或由液态变为固态的过程称为相变过程，这时相变材料将吸收或释放大量的潜热。
中国专利CN107387460A公开了一种磁悬浮离心式鼓风机冷却系统，设计了一种鼓风机用散热器，利用散热器将热量带走，散热器安装于电机外部，未实现电机、鼓风机内部冷却，冷却效率较低，并且存在设计占用空间较大、需要提供额外动力等不足点。中国专利CN106687694A公开了一种直驱型双涡轮鼓风机冷却结构，设计了沿电机壳外径对定子进行冷却的多个孔道，以及用于对轴承座及转子进行冷却的多个孔道，利用风冷将热量带走，但设计孔道结构复杂，加工工艺难度较高。
目前鼓风机冷却原理主要有风冷和水冷两种，冷却方式主要有内置散热孔道、外置散热器两种，水冷方式散热效果较好，但会带来泄露、振动等不利影响；风冷方式较稳定，但散热效果较差，需要额外动力持续工作将热量带走，内置散热孔道结构较为复杂、加工工艺冗余，外置冷凝器、风扇散热效率较低，同样都需要额外动力持续工作将热量带走，增加了额外耗能。因此，在避免对电机、鼓风机结构进行较大改进的前提下，提供一种能实现高效率、低能耗冷却的鼓风机是本发明所要解决的问题。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明提供了一种相变冷却式永磁直驱鼓风机，在避免对电机、鼓风机结构进行较大改进的前提下，提供一种能实现高效率、低能耗冷却的鼓风机。
本发明采用如下技术方案：一种相变冷却式永磁直驱鼓风机，包括电机壳体、绕组、定子铁芯、永磁体、转子铁芯、电机轴、蜗壳、叶轮和蜗壳底座，其特征是，还包括冷却系统和设置在电机轴与电机壳体之间的一对相变冷却机构；
所述相变冷却机构包括固定板、进液管组、翅片、温度传感器、出液管组和蓄热直管，所述固定板为平行设置的一对并位于进液管组和出液管组之间，进液管组包括进液直管和进液集束管，出液管组包括出液直管和出液集束管和出液短直管，进、出液集束管均为圆环形，在进、出液集束管之间设有若干蓄热直管，所述蓄热直管包括由内而外依次的相变材料、内铜管、支架和外铜管，蓄热直管贯穿固定板；所述翅片沿蓄热直管设置，在至少一根蓄热直管上设有温度传感器用于监测相变材料的温度；
所述冷却系统包括冷却流道以及设置在冷却流道上的进口流量阀、出口流量阀、开关阀、储液箱、流量泵和冷却机构，冷却流道的第一端与进液直管连接，冷却流道的第二端与出液直管连接。
进一步地，进液管沿进液集束管径向设置，在进液集束管上设有若干位于同一圆周上的进液短直管，进液短直管与蓄热直管的对应端固定连接。
进一步地，出液管沿出液集束管径向设置，在出液集束管上设有若干位于同一圆周上的出液短直管，出液短直管与蓄热直管的对应端固定连接。
进一步地，在电机壳体内设有壳体流道，壳体流道将两相变冷却机构的进液管连接在一起。
进一步地，所述叶轮通过叶轮拉杆固定在电机轴上，所述蜗壳与电机轴间设有蜗壳气密环。
进一步地，所述相变材料采用三水醋酸钠与羟甲基纤维素钠混合配比，混合材料相变点为42至50度，密度为1.6g/cm3，潜热为280至320kJ/kg。
进一步地，所述翅片采用铝箔材质，厚度1mm，翅片上设有便于蓄热直管穿过的直管通孔，且直管通孔进行翻边处理，翻边厚度1mm，所述翅片沿蓄热直管长度方向在支撑板与固定板之间均匀分布。
进一步地，所述温度传感器采用卡扣安装于传感器安装孔内。
进一步地，在两固定板之间设有支撑板，蓄热直管贯穿支撑板，在支撑板的两端面上均固定有圆环形的直管支撑凸台。
本发明提供的一种相变冷却式永磁直驱鼓风机，有益效果在于：
(1)永磁电机与鼓风机同轴设计，缩小了整机尺寸，省去了联轴器与减速器，大幅提高了传动效率。
(2)将相变冷却机构设置于电机内部，提高了相变材料吸热效率，相变材料将电机热吸收转化成潜热过程中，温度保持在相变点不变，可有效控制电机温度，保证电机稳定工作。
(3)采用相变材料对电机产热进行自然蓄热、散热，可根据电机功率设计直管尺寸、相变材料重量，该相变冷却机构可将该型鼓风机满载正常运行6h所释放的热量转化成相变材料潜热，大幅降低鼓风机冷却耗能。
(4)冷却系统设置三种工作模式，自然工作模式Ⅰ、常规冷却模式Ⅱ、紧急冷却模式Ⅲ，满足了不同工况条件下的散热需求。
附图说明
图1为本发明的总体结构示意图；
图2为本发明的相变冷却机构三维图；
图3为本发明的相变冷却机构的正视图；
图4为图3中的A-A剖视图；
图5为本发明的相变冷却机构的直管剖视图；
图6为本发明的相变冷却机构翅片结构示意图；
图7为本发明的相变冷却机构支撑板的轴向示意图；
图8为本发明的相变冷却机构支撑板的剖视图；
图9为本发明的相变冷却机构传感器安装孔结构示意图；
图中：1端板，2电机壳体，2-1进液孔，2-2壳体流道，2-3出液孔，2-4连接头，3绕组，4定子铁芯，5永磁体，6转子铁芯，7相变冷却机构，7-1固定板，7-1a安装架固定孔，7-1b直管安装孔，7-2进液管组，7-2a进液直管，7-2b进液集束管，7-2c进液短直管，7-3翅片，7-3a直管通孔，7-4支撑板，7-4a直管支撑孔，7-4b直管支撑凸台，7-5温度传感器，7-6出液管组，7-6a出液直管，7-6b出液集束管，7-6c出液短直管，7-7蓄热直管，7-7a相变材料，7-7b、铜管，7-7c支架，7-8传感器安装孔，8电机轴，9螺钉，10蜗壳，11叶轮盖，12叶轮，13蜗壳气密环，14叶轮锁紧螺母，15叶轮拉杆，16轴承，17、蜗壳底座，18蜗壳联接座，19固定架，20冷却系统，20-1进口流量阀，20-2出口流量阀，20-3开关阀，20-4储液箱，20-5流量泵，20-6冷却机构，20-7冷却流道。
具体实施方式
如图1至图9所示，本发明主要包括端板1、电机壳体2、绕组3、定子铁芯4、永磁体5、转子铁芯6、相变冷却机构7、电机轴8、螺钉9、蜗壳10、叶轮盖11、叶轮12、蜗壳气密环13、叶轮锁紧螺母14、叶轮拉杆15、轴承16、蜗壳底座17、蜗壳联接座18、固定架19和冷却系统20，下面结合附图对本发明进行详细描述。
如图1所示，电机壳体2为本发明的主体，电机壳体为圆形结构，在电机壳体的第一端的侧壁上设有进液孔2-1，在电机壳体的第二端的侧壁上设有出液孔2-3，在电机壳体的内壁上设有壳体流道2-2，在壳体流道的第一端和第二端均设有相变冷却结构，壳体流道2-2将两个相变冷却机构连接在一起。在电机壳体的侧壁上还固定有连接头2-4。
端板1通过螺钉9设置在电机壳体的第一端的端面上，用于实现对电机壳体第一端的封闭。
冷却系统20包括进口流量阀20-1、出口流量阀20-2、开关阀20-3、储液箱20-4、流量泵20-5、冷却机构20-6和冷却流道20-7，冷却流道20-7的第一端与进液孔2-1连接，冷却流道20-7的第二端与出液孔2-3连接。进口流量阀20-1、出口流量阀20-2、开关阀20-3、储液箱20-4、流量泵20-5、冷却机构20-6均设置在冷却流道20-7上，冷却流道20-7还与连接头2-4连接，并在冷却流道20-7与连接头2-4之间设有开关阀20-3。
储液箱20-4内的液体，经过进口流量阀20-1后进液孔，然后进入第一端的相变冷却机构内，并经壳体流道流动至第二端的相变冷却机构内；液体在相变冷却机构内流动一段时间后，经出液孔、连接头回流至冷却流道内；然后依次经过出口流量阀20-2、冷却机构20-6、流量泵20-5回流至储液箱20-4内。
电机轴8通过轴承16安装在电机壳体2内，且电机轴横穿整个电机壳体。电机轴8上设有内外设置的转子铁芯6和永磁体5，且两者介于两个相变冷却机构之间。叶轮盖11通过螺钉9固定在蜗壳10上，蜗壳10通过螺钉9固定在蜗壳联接座18上，蜗壳联接座18通过螺钉9固定在蜗壳底座17上，蜗壳底座17通过螺钉9固定在电机壳体2的第二端。
叶轮12通过叶轮锁紧螺母14、叶轮拉杆15固定在电机轴8上，蜗壳10与电机壳体2间设有蜗壳气密环13，蜗壳气密环13通过螺钉9固定在蜗壳联接座18上，通过蜗壳气密环13保证电机内部的气密性。
相变冷却机构7安装于电机壳体2、电机轴8之间的空腔内，在转子铁芯和定子铁芯的两侧分别设置一个，相变冷却机构7通过固定架19、螺钉9固定于电机壳体2内壁上。
如图2至图8所示，相变冷却机构7包括一对固定板7-1、进液管组7-2、翅片7-3、支撑板7-4、温度传感器7-5、出液管组7-6和蓄热直管7-7，如图4所示，固定板7-1为圆环形结构，在固定板上设有若干安装架固定孔7-1a，以及若干直管安装孔7-1b，安装架固定孔7-1a为在同一圆周上均匀设置的若个，直管安装孔7-1b设置在安装架固定孔7-1a所在圆周的内侧，且直管安装孔7-1b设置在不同直径的圆周上，每一圆周上的直管安装孔7-1b均匀分布。进液管组7-2包括进液直管7-2a、进液集束管7-2b和进液短直管7-2c，进液集束管7-2b整体呈圆环形，进液直管7-2a沿进液集束管7-2b径向与进液集束管7-2b的外壁固定且连通，进液短直管7-2c沿与进液集束管7-2b轴向平行的方向设置，且进液短直管7-2c在进液集束管7-2b上均匀设置。
如图7、8所示，支撑板7-4为圆环形结构，在支撑板7-4的两端面上均固定有圆环形的直管支撑凸台7-4b，在支撑板7-4上设有位于多个圆周上的直管支撑孔7-4a，每一圆周上的若干直管支撑孔7-4a沿周向均匀设置。支撑板7-4的作用是用于安装、支撑蓄热直管。
如图3所示，出液管组7-6包括出液直管7-6a、出液集束管7-6b和出液短直管7-6c，出液管组7-6与进液管组7-2的结构相同，出液管组7-6上的出液直管7-6a、出液集束管7-6b和出液短直管7-6c与进液管组7-2上对应结构的形状、结构及装配方式均相同。
蓄热直管7-7设置在进液管组7-2和出液管组7-6之间，蓄热直管的第一端与进液管组7-2上的进液短直管7-2c焊接固定连接，蓄热直管的第二端与出液管组7-6上的出液短直管7-6c焊接固定连接。蓄热直管除了穿过直管支撑孔7-4a外，还穿在直管安装孔7-1b内。如图5所示，蓄热直管7-7包括由内而外依次设置的相变材料7-7a、内铜管7-7b、支架7-7c和外铜管7-7d。直管7-7依次安装在支撑板7-4上，通过直管支撑孔(7-4a)、直管支撑凸台(7-4b)进行辅助固定。相变材料采用三水醋酸钠与羟甲基纤维素钠混合配比，混合材料相变点为42至50度，密度为1.6g/cm3，潜热为280至320kJ/kg。
翅片7-3为圆环形结构，翅片7-3上设有直管通孔7-3a，翅片沿直管长度方向在支撑板与固定板之间均匀分布。蓄热直管7-7穿过直管通孔7-3a，固定板7-1设置在蓄热直管7-7的两端，整个相变冷却机构7通过固定架19安装于电机壳体2内侧。如图9所示，在蓄热直管侧壁上设有传感器安装孔7-8，在传感器安装孔内安装有温度传感器7-5，用于监测蓄热直管内相变材料的温度。翅片采用铝箔材质，厚度1mm，翅片上的直管通孔进行翻边处理，翻边厚度1mm。
当电机正常运行时，会产生大量的热，翅片7-3的存在大幅增加了热接触面，热量通过翅片7-3、内铜管7-7b、外铜管7-7d传导给相变材料7-7a，随着电机壳体2内部积热逐渐增加，电机壳体内部温度上升，当温度达到相变材料相变点时，蓄热直管7-7内相变材料7-7a开始吸热相变，并且温度保持相变温度点不变，直至相变材料7-7a完成所有潜热热量的储存。相变材料7-7a潜热大，相变点低，蓄热效率高，能保证电机内部温度的长时间内稳定，根据实验计算结果，该相变冷却机构7可满足永磁直驱鼓风机满载正常运行6h产生热量的潜热蓄热；当电机停止工作时，电机壳体2内部热量不再继续增加，温度随之降低，当温度降低至相变温度点之下时，相变材料7-7a开始释放潜热，为下次吸热冷却释放蓄热空间。
该相变冷却式永磁直驱鼓风机冷却系统20设置三种模式工作状态，第一种为自然工作模式Ⅰ，第二种为常规冷却模式Ⅱ，第三种为紧急冷却模式Ⅲ，冷却系统20通过安装在蓄热直管7-7上的温度传感器7-5检测相变材料温度。相变材料7-7a潜热未使用完全时，冷却系统20采用自然工作模式Ⅰ，进口流量阀20-1、出口流量阀20-2、开关阀20-3关闭，流量泵20-5停止工作，实现自然蓄热、放热，可节省大量能源。当相变材料7-7a潜热使用完全，并且电机仍需继续运行时，相变材料7-7a温度会继续上升，冷却系统20启动常规冷却模式Ⅱ，进口流量阀20-1、出口流量阀20-2、开关阀20-3打开，流量泵20-5低频工作，冷却机构20-5关闭，采用冷却液对相变材料进行快速冷却，将热量带走。当电机出现紧急过热情况时，冷却系统20启动紧急冷却模式Ⅲ，进口流量阀20-1、出口流量阀20-2、开关阀20-3打开，冷却机构20-5工作，流量泵高频工作，冷却机构对冷却液进行快速制冷，冷却液对相变材料进行快速冷却，将热量带走，满足电机紧急散热需求。
本发明的有益效果在于：
(1)永磁电机与鼓风机同轴设计，缩小了整机尺寸，省去了联轴器与减速器，大幅提高了传动效率。
(2)将相变冷却机构设置于电机内部，提高了相变材料吸热效率，相变材料将电机热吸收转化成潜热过程中，温度保持在相变点不变，可有效控制电机温度，保证电机稳定工作。
(3)采用相变材料对电机产热进行自然蓄热、散热，可根据电机功率设计直管尺寸、相变材料重量，该相变冷却机构可将该型鼓风机满载正常运行6h所释放的热量转化成相变材料潜热，大幅降低鼓风机冷却耗能。
(4)冷却系统设置三种工作模式，自然工作模式Ⅰ、常规冷却模式Ⅱ、紧急冷却模式Ⅲ，满足了不同工况条件下的散热需求。
上述实施例仅仅是对发明的优选实施方式进行的描述，并非对发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域相关技术人员对本发明的各种变形和改进，均应扩入本发明权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种相变冷却式永磁直驱鼓风机，包括电机壳体、绕组、定子铁芯、永磁体、转子铁芯、电机轴、蜗壳、叶轮和蜗壳底座，其特征是，还包括冷却系统和设置在电机轴与电机壳体之间的一对相变冷却机构；
所述相变冷却机构包括固定板、进液管组、翅片、温度传感器、出液管组和蓄热直管，所述固定板为平行设置的一对并位于进液管组和出液管组之间，进液管组包括进液直管和进液集束管，出液管组包括出液直管和出液集束管和出液短直管，进、出液集束管均为圆环形，在进、出液集束管之间设有若干蓄热直管，所述蓄热直管包括由内而外依次的相变材料、内铜管、支架和外铜管，蓄热直管贯穿固定板；所述翅片沿蓄热直管设置，在至少一根蓄热直管上设有温度传感器用于监测相变材料的温度；
所述冷却系统包括冷却流道以及设置在冷却流道上的进口流量阀、出口流量阀、开关阀、储液箱、流量泵和冷却机构，冷却流道的第一端与进液直管连接，冷却流道的第二端与出液直管连接。
2.根据权利1要求所述的一种相变冷却式永磁直驱鼓风机，其特征是，进液管沿进液集束管径向设置，在进液集束管上设有若干位于同一圆周上的进液短直管，进液短直管与蓄热直管的对应端固定连接。
3.根据权利1要求所述的一种相变冷却式永磁直驱鼓风机，其特征是，出液管沿出液集束管径向设置，在出液集束管上设有若干位于同一圆周上的出液短直管，出液短直管与蓄热直管的对应端固定连接。
4.根据权利1要求所述的一种相变冷却式永磁直驱鼓风机，其特征是，在电机壳体内设有壳体流道，壳体流道将两相变冷却机构的进液管连接在一起。
5.根据权利1要求所述的一种相变冷却式永磁直驱鼓风机，其特征是，所述叶轮通过叶轮拉杆固定在电机轴上，所述蜗壳与电机轴间设有蜗壳气密环。
6.根据权利1要求所述的一种相变冷却式永磁直驱鼓风机，其特征是，所述相变材料采用三水醋酸钠与羟甲基纤维素钠混合配比，混合材料相变点为42至50度，密度为1.6g/cm3，潜热为280至320kJ/kg。
7.根据权利1要求所述的一种相变冷却式永磁直驱鼓风机，其特征是，所述翅片采用铝箔材质，厚度1mm，翅片上设有便于蓄热直管穿过的直管通孔，且直管通孔进行翻边处理，翻边厚度1mm，所述翅片沿蓄热直管长度方向在支撑板与固定板之间均匀分布。
8.根据权利1要求所述的一种相变冷却式永磁直驱鼓风机，其特征是，所述温度传感器采用卡扣安装于传感器安装孔内。
9.根据权利1要求所述的一种相变冷却式永磁直驱鼓风机，其特征是，在两固定板之间设有支撑板，蓄热直管贯穿支撑板，在支撑板的两端面上均固定有圆环形的直管支撑凸台。
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