CN113531102B - 一种兼具冷却和发电功能的cst液态金属循环回路系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种兼具冷却和发电功能的CST液态金属循环回路系统，包括存储箱、磁力泵、伺服阀、箱体、冷却器、储电电容、第一永磁铁、第二永磁铁、第一电极条及第二电极条，箱体开设有分流流道，第一永磁铁及第二永磁铁相对设于分流流道的上、下两侧，第一电极条及第二电极条相对设于分流流道的左、右两侧，磁力泵的进液口与存储箱连通，磁力泵的出液口与伺服阀的t端连通，伺服阀的b端与分流流道的进液口连通，分流流道的出液口与伺服阀的a端连通，伺服阀的p端与冷却器的进液口连通。本发明中利用液态金属实现冷却的同时还利用液态金属切割磁力线，以利用感应出的电势为CST装置提供动力。
Description
技术领域
本发明涉及冷却技术领域，尤其涉及一种兼具冷却和发电功能的CST液态金属循环回路系统。
背景技术
CST是由行星齿轮减速器和低速轴湿式离合器组成的一体可控启动传输装置，其能为电机的功率与扭矩提供精确可控的传输，降低皮带机有关承载部件的负载和应力，从而增加整套输送系统的可靠性。
CST装置的主要发热部件是齿轮泵、油箱与离合器，在CST装置运行过程中出现的故障大多是由于热量积聚导致的油箱油温过高、过载、冷却泵启动器故障等。因此，为了确保装置长期稳高效定运行，需要对以上部件进行有效冷却。
目前CST装置上广泛使用的液冷方法为外部管道连接冷却泵及油冷却式热交换器形成冷却回路，在油冷系统中润滑油对齿轮泵、离合器进行润滑的同时还进行强制冷却，高温的润滑油经过冷却后再回到齿轮泵进行润滑。但是，在齿轮泵高速运转中润滑油温度上升过高会引起其性能变化，如粘度降低、老化变质加快、换油周期变短等，由此造成的停机损失和修理费用都十分庞大。
发明内容
针对上述问题，现提供一种兼具冷却和发电功能的CST液态金属循环回路系统，以解决现有冷却方式存在的稳定性差且不能满足高发热量CST装置的冷却需求的问题。
具体技术方案如下：
一种兼具冷却和发电功能的CST液态金属循环回路系统，具有这样的特征，包括：储存有液态金属的存储箱、磁力泵、伺服阀、箱体、冷却器、储电电容、第一永磁铁、第二永磁铁、第一电极条及第二电极条，箱体开设有分流流道，第一永磁铁及第二永磁铁相对设于分流流道的上、下两侧，第一电极条及第二电极条相对设于分流流道的左、右两侧，磁力泵的进液口与存储箱连通，磁力泵的出液口与伺服阀的t端连通，伺服阀的b端与分流流道的进液口连通，分流流道的出液口与伺服阀的a端连通，伺服阀的p端与冷却器的进液口连通，冷却器的出液口与存储箱连通，第一电极条及第二电极条的一端连接于储电电容上，所述第一永磁铁、所述第二永磁铁、所述第一电极条、所述第二电极条及所述储电电容之间形成发电回路。当液态金属在分流流道内流动时，切割第一永磁铁与第二永磁铁之间的磁感线，所产生的电能通过储电电容传送给压力雾化喷雾冷却装置。
进一步的，所述液态金属的成分为含有金质纳米颗粒的镓或镓铟合金或镓铟锡合金或铋铟锡合金。
进一步的，所述分流流道环绕设置于所述箱体的外周面上，所述分流流道包括至少一组分形流道，所述分形流道包括流体槽、至少1个多级分流槽，所述流体槽呈首尾闭合状态，所述流体槽的第一端设有与所述伺服阀的b端连通的分形流道入口，所述流体槽的第一边与各所述多级分流槽的进液口连通，各所述多级分流槽的出液口与所述流体槽的第二边连通，所述流体槽的第二端设有与所述伺服阀的a端连通的分形流道出口。
进一步的，所述多级分流槽包括一级分流槽、多个二级分流槽及多个三级分流槽，所述一级分流槽、多个二级分流槽及多个三级分流槽呈树枝状排布，所述流体槽的第一边与多个所述一级分流槽的进液口连通，各个所述一级分流槽的出液口与多个所述三级分流槽的进液口连通，各个所述三级分流槽的出液口与所述流体槽的第二边连通。
进一步，所述分形流道的个数为2组，2组所述分形流道呈对称式地分布于所述箱体的轴孔的两侧。
进一步，所述回路系统还包括控制器、控制信号器、温度传感器及流量计，所述流量计设于所述伺服阀及所述分流流道进液口间的管路上，所述温度传感器设于所述箱体外壁上，所述温度传感器与所述控制信号器电连接，所述控制信号器及所述流量计均与所述控制器电连接，所述储电电容(6)与所述控制信号器(13)电连接。
进一步，所述回路系统还包括冷却油箱、冷却油泵及冷却喷头，所述冷却喷头设于所述箱体四周，所述冷却油泵的进液口与所述冷却油箱连通，所述冷却喷头的进液口与所述冷却油泵的出液口连通，所述冷却油泵与所述控制信号器电连接。
进一步，所述回路系统还包括溢流阀，所述溢流阀的进液口与所述磁力泵及所述伺服阀间的管路连通，所述溢流阀的出液口与所述存储箱连通。
进一步，所述回路系统还包括温度报警器，所述温度报警器与所述控制信号器电连接。
进一步，所述回路系统还包括第一过滤器，所述第一过滤器设于所述磁力泵及所述存储箱间的管路上，所述回路系统还包括第二过滤器，所述第二过滤器设于所述冷却油泵及所述冷却油箱间的管路上。
上述方案的有益效果是：
1)本发明中首次在CST装置中引入具有高热导率且化学性质稳定的液态金属作为CST装置的冷却介质，因液态金属同时具备了金属的高热导率、流体的流动性以及稳定的物理化学性质，以实现比油更高的冷却效率的同时也使得冷却装置可靠性更高；在CST箱体的壁面上使用冷却介质，会比直接在齿轮泵、离合器的内部使用冷却介质，冷却效果的抗干扰性能会大大提高，冷却效果也会更加的稳定。
2)本发明中利用液态金属实现冷却的同时还利用液态金属作为发电载体切割磁力线，以利用感应出的电势产生额外的电能，能够为CST装置提供动力；换而言之，永久磁体分布在分形流道的两侧,并与电极条、超级电容器组成发电回路，当液态金属在分形流道内运动时,切割磁力线产生的电能储存在电极条和超级电容器中,为CST冷却系统的运行提供部分电能，更加节能环保。
3)与其他类型的散热通道相比较，分形通道具有非常高效的散热能力，液态金属在分形流道中循环流动，保证了机械-液力传动部件的均匀散热。
附图说明
图1为本发明的实施例中提供的回路系统的结构示意图；
图2为本发明的实施例中提供的分流流道的截面图；
图3为本发明的实施例中提供的回路系统中箱体的分形流道的主视图；
图4为本发明的实施例中提供的回路系统中箱体的分形流道的左视图；
图5为本发明的实施例中提供的回路系统中箱体的分形流道的后视图；
图6为本发明的实施例中提供的回路系统中箱体的分形流道的右视图；
图7为本发明的实施例中提供的带分形流道的箱体的温度云图；
图8为图7中提供的带分形流道的箱体剖面的温度云图；
图9为现有技术中的传统常规箱体(不带分形流道、油冷)在与图7相同其他实验条件下的温度云图；
图10为现有技术中的传统常规箱体(不带分形流道、油冷)剖面在与图7相同其他实验条件下的温度云图。
附图中：1、存储箱；2、磁力泵；3、伺服阀；4、箱体；5、冷却器；6、储电电容；7、第一永磁铁；8、第二永磁铁；9、第一电极条；10、第二电极条；11、分流流道；111、流体槽；112、一级分流槽；113、二级分流槽；114、三级分流槽；115、液体流动方向；116、分形流道入口；117、分形流道出口；12、控制器；13、控制信号器；14、温度传感器；15、流量计；16、冷却油箱；17、冷却油泵；18、冷却喷头；19、溢流阀；20、温度报警器；21、第一过滤器；22、第二过滤器。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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的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。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
如图1和图2所示，本发明的实施例中提供的回路系统包括储存有液态金属的存储箱1、磁力泵2、伺服阀3、箱体4、冷却器5、储电电容6、第一永磁铁7、第二永磁铁8、第一电极条9及第二电极条10，箱体4开设有分流流道11(本发明中分流流道11截面积为矩形)，第一永磁铁7及第二永磁铁8相对设于分流流道11的上、下两侧(第一永磁铁7的N级及第二永磁铁8的S级相互靠近)，第一电极条9及第二电极条10相对设于分流流道11的左、右两侧，磁力泵2的进液口与存储箱1连通，磁力泵2的出液口与伺服阀3的t端连通，伺服阀3的b端与分流流道11的进液口连通，分流流道11的出液口与伺服阀3的a端连通，伺服阀3的p端与冷却器5的进液口连通，冷却器5的出液口与存储箱1连通，第一电极条9及第二电极条10的一端连接于储电电容6上。所述第一永磁铁7、所述第二永磁铁8、所述第一电极条9、所述第二电极条10及所述储电电容6之间形成发电回路。当液态金属在分流流道11内流动时，切割第一永磁铁7与第二永磁铁8之间的磁感线，所产生的电能通过储电电容传送给压力雾化喷雾冷却装置。
在分流流道11两侧设有形成磁场的永磁体，电极条装配在分流流道11的上端和下端，电极引出端连接电极条，并与超级电容器相连接，液态金属在伺服阀3控制下进入分流流道11内循环运动,同时液态金属流动过程中切割磁力线产生电能，并将电能存储到储电电容6中。
如图3-6所示，所述分流流道11环绕设置于所述箱体4的外周面上，所述分流流道11包括至少一组分形流道，所述分形流道包括流体槽111、至少1个多级分流槽，所述流体槽111呈首尾闭合状态，所述流体槽111的第一端设有与所述伺服阀3的b端连通的分形流道入口116，所述流体槽111的第一边与各所述多级分流槽的进液口连通，各所述多级分流槽的出液口与所述流体槽111的第二边连通，所述流体槽111的第二端设有与所述伺服阀3的a端连通的分形流道出口117。液态金属在分流流道11的液体流动方向115如图3-6所示。
液态金属磁流体通道计算公式为：
U＝Bva，
式中B表示磁通密度，v表示入口速度，a表示通道宽度。
当磁通密度为0.7特，入口速度为30，通道宽度为5时，感应出的交流电势为105V。
所述多级分流槽包括一级分流槽112、多个二级分流槽113及多个三级分流槽114，所述一级分流槽112、多个二级分流槽113及多个三级分流槽114呈树枝状排布，所述流体槽111的第一边与多个所述一级分流槽112的进液口连通，各个所述一级分流槽112的出液口与多个所述三级分流槽114的进液口连通，各个所述三级分流槽114的出液口与所述流体槽111的第二边连通。
所述分形流道的个数为2组，2组所述分形流道呈对称式地分布于所述箱体4的轴孔的两侧。
如图7-10所示，本发明中利用上述新型冷却回路系统与传统CST冷却回路(箱体中无分流流道)进行冷却对比实验，结果如下表所示：
对比可知，本发明提供的新型回路系统中设有多级分流槽，冷却面积更大，冷却效果更好、冷却也更为稳定、可靠性更强。新型冷却装置相较于传统冷却装置冷却效果更好，功能更强大，液态金属冷却相较于油冷也更加稳定，可靠性更强。
因此，本发明提供的上述实施例具有以下的技术效果：
1)上述实施例中首次在CST装置中引入具有高热导率且化学性质稳定的液态金属作为CST装置的冷却介质，因液态金属同时具备了金属的高热导率、流体的流动性以及稳定的物理化学性质，以实现比油更高的冷却效率的同时也使得冷却装置可靠性更高；在CST箱体的壁面上使用冷却介质，会比直接在齿轮泵、离合器的内部使用冷却介质，冷却效果的抗干扰性能会大大提高，冷却效果也会更加的稳定。
2)上述实施例中利用液态金属实现冷却的同时还利用液态金属作为发电载体切割磁力线，以利用感应出的电势产生额外的电能，能够为CST装置提供动力；换而言之，永久磁体分布在分形流道的两侧,并与电极条、超级电容器组成发电回路，当液态金属在分形流道内运动时,切割磁力线产生的电能储存在电极条和超级电容器中,为CST冷却系统的运行提供部分电能，更加节能环保。
3)与其他类型的散热通道相比较，分形通道具有非常高效的散热能力，液态金属在分形流道中循环流动，保证了机械-液力传动部件的均匀散热。
本发明中流经分流通道11的液态金属还可切割第一永磁铁7及第二永磁铁8间磁力线，以感应出电势，上述电势可由储电电容6储存，以为CST装置或其他用电器提供动力。
本发明中为避免管路压力过大，还可设置溢流阀19，上述溢流阀19的进液口与磁力泵2及伺服阀3间的管路连通，溢流阀19的出液口与存储箱1连通。
于上述技术方案基础上，进一步的，本实施例提供的回路系统中还包括控制器12、控制信号器13、温度传感器14及流量计15，流量计15设于伺服阀3及分流流道11进液口间的管路上，温度传感器14设于箱体4外壁上，温度传感器14与控制信号器13电连接，控制信号器13及流量计15均与控制器12电连接，所述储电电容6与所述控制信号器13电连接，本发明中利用温度传感器14监测箱体4温度，从而通过控制器12指令调控伺服阀3，达到调控进入冷却回路的液态金属的流动速度、流动量大小。本发明中为示警，还可设置温度报警器20，并将其与控制信号器13电连接，这样当箱体4温度超过阈值时一方面通过调控降低箱体4温度外还可通过温度报警器20示警，以提高系统整体安全性。
于上述技术方案基础上，更进一步的，本实施例提供的回路系统中还包括冷却油箱16、冷却油泵17及冷却喷头18，冷却喷头18设于箱体4四周，冷却油泵17的进液口与冷却油箱16连通，冷却喷头18的进液口与冷却油泵17的出液口连通，冷却油泵17与控制信号器13电连接，本发明中当箱体4温度超过阈值时除可通过控制器调控液态金属的流动速度等外，还可通过冷却油泵17及冷却喷头18向箱体4外周壁上喷射冷却油，以加速箱体4的冷却。
还具有这样的特征，回路系统还包括溢流阀19，溢流阀19的进液口与磁力泵2及伺服阀3间的管路连通，溢流阀19的出液口与存储箱1连通。
上述的兼具冷却和发电功能的CST液态金属循环回路系统，还具有这样的特征，回路系统还包括温度报警器20，温度报警器20与控制信号器13电连接。
优选的，所述液态金属的成分可以是导热系数较高的镓或镓铟合金或镓铟锡合金或铋铟锡合金或水银，以保证更高的冷却效率。当然，除了上述成分以外，所述液态金属的成分还可以是其他任何液体状态且具有导电能力的金属。
此外，通过提高冷却系统的冷却效果，可以通过伺服阀来增加磁力泵的流量、通过增加分形流道的分形层数、以及使用压力雾化喷雾冷却装置；同时，向液态金属冷却基液中加入体积分数为0.2的球形碳纳米管、金、银、铜等纳米颗粒，能够将冷却基液的导热系数提高1.6-2.3倍。
需要指出的是，所述储电电容6除了可与所述控制信号器13电连接之外，还可以向其他任何电子元气件进行供电。
本发明中为滤除液态金属和/或冷却油中杂质，还可于磁力泵2及存储箱1间的管路上设置第一过滤器21，并相应于冷却油泵17及冷却油箱16间的管路上设置第二过滤器22。
本发明引入液态金属作为CST的冷却介质及发电载体，因液态金属同时具备了金属的高热导率与流体的流动性；同时，与其他类型的散热通道相比较，分形通道具有非常高效的散热能力；此外，液态金属的物理化学性质稳定，基于液态金属的循环回路系统具有较高的可靠性。
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。
Claims (3)
1.一种兼具冷却和发电功能的CST液态金属循环回路系统，其特征在于，包括：储存有液态金属的存储箱（1）、磁力泵（2）、伺服阀（3）、箱体（4）、冷却器（5）、储电电容（6）、第一永磁铁（7）、第二永磁铁（8）、第一电极条（9）及第二电极条（10），所述箱体（4）开设有分流流道（11），所述分流流道（11）环绕设置于所述箱体（4）的外周面上，所述分流流道（11）包括两组分形流道，两组所述分形流道呈对称式地分布于所述箱体（4）的轴孔的两侧，所述分形流道包括流体槽（111）、至少1个多级分流槽，所述多级分流槽包括一级分流槽（112）、多个二级分流槽（113）及多个三级分流槽（114），所述一级分流槽（112）、多个二级分流槽（113）及多个三级分流槽（114）呈树枝状排布，所述流体槽（111）的第一边与多个所述一级分流槽（112）的进液口连通，各个所述一级分流槽（112）的出液口与多个所述三级分流槽（114）的进液口连通，各个所述三级分流槽（114）的出液口与所述流体槽（111）的第二边连通，所述流体槽（111）呈首尾闭合状态，所述流体槽（111）的第一端设有与所述伺服阀（3）的b端连通的分形流道入口（116），所述流体槽（111）的第一边与各所述多级分流槽的进液口连通，各所述多级分流槽的出液口与所述流体槽（111）的第二边连通，所述流体槽（111）的第二端设有与所述伺服阀（3）的a端连通的分形流道出口（117），所述第一永磁铁（7）及所述第二永磁铁（8）相对设于所述分流流道（11）的上、下两侧，所述第一电极条（9）及所述第二电极条（10）相对设于所述分流流道（11）的左、右两侧，所述磁力泵（2）的进液口与所述存储箱（1）连通，所述磁力泵（2）的出液口与所述伺服阀（3）的t端连通，所述伺服阀（3）的b端与所述分流流道（11）的进液口连通，所述分流流道（11）的出液口与所述伺服阀（3）的a端连通，所述伺服阀（3）的p端与所述冷却器（5）的进液口连通，所述冷却器（5）的出液口与所述存储箱（1）连通，所述第一电极条（9）及所述第二电极条（10）的一端连接于所述储电电容（6）上，所述第一永磁铁（7）、所述第二永磁铁（8）、所述第一电极条（9）、所述第二电极条（10）及所述储电电容（6）之间形成发电回路，所述回路系统还包括控制器（12）、控制信号器（13）、温度传感器（14）及流量计（15），所述流量计（15）设于所述伺服阀（3）及所述分流流道（11）进液口间的管路上，所述温度传感器（14）设于所述箱体（4）外壁上，所述温度传感器（14）与所述控制信号器（13）电连接，所述控制信号器（13）及所述流量计（15）均与所述控制器（12）电连接，所述储电电容（6）与所述控制信号器（13）电连接，所述回路系统还包括冷却油箱（16）、冷却油泵（17）及冷却喷头（18），所述冷却喷头（18）设于所述箱体（4）四周，所述冷却油泵（17）的进液口与所述冷却油箱（16）连通，所述冷却喷头（18）的进液口与所述冷却油泵（17）的出液口连通，所述冷却油泵（17）与所述控制信号器（13）电连接，所述回路系统还包括溢流阀（19），所述溢流阀（19）的进液口与所述磁力泵（2）及所述伺服阀（3）间的管路连通，所述溢流阀（19）的出液口与所述存储箱（1）连通，所述回路系统还包括温度报警器（20），所述温度报警器（20）与所述控制信号器（13）电连接。
2.根据权利要求1所述的兼具冷却和发电功能的CST液态金属循环回路系统，其特征在于，所述液态金属的成分为含有金质纳米颗粒的镓或镓铟合金或镓铟锡合金或铋铟锡合金。
3.根据权利要求1所述的兼具冷却和发电功能的CST液态金属循环回路系统，其特征在于，所述回路系统还包括第一过滤器（21），所述第一过滤器（21）设于所述磁力泵（2）及所述存储箱（1）间的管路上，所述回路系统还包括第二过滤器（22），所述第二过滤器（22）设于所述冷却油泵（17）及所述冷却油箱（16）间的管路上。
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