CN113809431B - 一种针对密闭环境中发热组件的散热装置及水下航行器电池舱 - Google Patents
一种针对密闭环境中发热组件的散热装置及水下航行器电池舱 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种针对密闭环境中发热组件的散热装置及水下航行器电池舱,解决现有常见的散热方式存在散热效果不佳、或对电池组工作及水下航行器工作存在不利影响的问题。针对密闭环境中发热组件的散热装置包括控制单元、激振器、连接组件、第一弹性振动薄膜以及第二弹性振动薄膜;第一弹性振动薄膜与第二弹性振动薄膜分别位于发热组件的两侧,构成密闭空间,将发热组件容置其中;激振器设置在所述密闭空间之外,在控制单元的控制下通过连接组件向所述第一弹性振动薄膜提供轴向往复振动力,使密闭空间内的气体产生循环流动;其中,第一弹性振动薄膜和第二弹性振动薄膜的振动频率及振幅根据低阶模态振型谱确定,并避免与其他组件发生共振。
Description
技术领域
本发明属于动力电池技术领域,具体涉及一种针对密闭环境中发热组件的散热装置及水下航行器电池舱。
背景技术
利用水下航行器对海洋资源进行探测与开发,已经在科研、军事及工业等领域内得到了日益广泛地应用。水下航行器所需的动力一般由电力推进系统所提供,为满足水下航行器的动力需求,需要串-并联大量高比功率、高比能的电池,并成组安装于水下航行器电池舱段当中;但水下航行器电池舱在工作过程中长期处于密闭环境当中,电池在工作过程中由于焦耳热和熵变因素不断产生热量,大量电池成组工作时产生的热量在水下航行器电池舱当中如无有效措施释放,会造成电池组内部局部热量累积,尤其以电池组径向中心位置温度上升现象尤为明显,导致径向中心位置与边缘位置处的各电池温差在长期工作过程中不断增大,严重影响电池的最佳工作性能,严重的情况会导致电池工作故障甚至个别电池发生损毁及融毁事故,对水下航行器的可靠工作产生严重影响。
目前,水下航行器电池舱的散热主要是依靠主动散热方式或被动散热方式控制电池组的最佳工作温度,保证水下航行器可靠工作。常见的主动散热方式主要有风冷及液冷方式,但由于水下航行器使用的电池通常以串-并联堆叠方式成组、工作在航行器密闭舱段当中,若采用风冷方式,风扇数量、位置选取及通风冷却流道设计困难,且由于电池成组后间隙较小,难以在有限空间内达成空气循环散热冷却效果;若采用液冷方式,冷却循环系统本身设计复杂,工作泵及引入的冷却工质在航行器密闭舱有限空间内难以布置循环方案,增加的工作泵能耗增加了电池组整体的功率设计冗余,且冷却工质循环工作过程中存在泄漏风险,降低了电池组工作的可靠性。被动散热方式主要是在电池组间隙中添加固体相变材料,相变材料储热能力不仅难以满足水下航行器动力电池的设计要求,而且其本身增加的重量也会给水下航行器带来一定影响。
因而,对电池组内部各电池温度的均匀性控制方式需进一步综合考量水下航行器电池舱的具体使用工况及密闭工作环境的限制。
发明内容
本发明的目的在于解决现有常见的散热方式存在散热效果不佳、或对电池组工作及水下航行器工作存在不利影响的问题,而提供一种针对密闭环境中发热组件的散热装置及水下航行器电池舱。
为实现上述目的,本发明所提供的技术解决方案是:
一种针对密闭环境中发热组件的散热装置,其特殊之处在于:包括控制单元、激振器、连接组件、第一弹性振动薄膜以及第二弹性振动薄膜;
所述第一弹性振动薄膜与第二弹性振动薄膜分别位于发热组件的两侧,构成密闭空间,将发热组件容置其中;
所述激振器设置在所述密闭空间之外,在控制单元的控制下通过连接组件向所述第一弹性振动薄膜提供轴向往复振动力,使密闭空间内的气体产生循环流动;
其中,第一弹性振动薄膜和第二弹性振动薄膜的振动频率及振幅根据低阶模态振型谱确定,并避免与其他组件发生共振。
进一步地,所述连接组件包括连接块和一对连接件;
所述连接块呈U型,包括一个横臂和两个竖臂;两个竖臂上对称设置有安装孔,横臂上设置有一个连接孔;
所述激振器的伸出轴通过第一紧固件及两个安装孔与所述连接块连接;
所述一对连接件分别位于第一弹性振动薄膜的两侧,其上也均设置有连接孔;所述第一弹性振动薄膜的中心开设有通孔;
第二紧固件穿过连接块的连接孔、一对连接件的连接孔以及第一弹性振动薄膜的通孔将连接块、连接件、第一弹性振动薄膜密封连接。
进一步地,所述第一弹性振动薄膜和第二弹性振动薄膜采用易发生弹性形变且导热系数较高的橡胶或工程塑料等材料,要求能够在激振器输出轴向往复振动工况时可靠变形工作,使内部空气产生微小循环流动。
进一步地,向所述密闭空间内充入导热系数高的气体。
本发明还提供了一种水下航行器电池舱,其特殊之处在于:包括电池舱壳体、电池组单元、定位支撑单元以及上述的散热装置;
所述电池组单元通过定位支撑单元安装在电池舱壳体内;
所述散热装置中的第一弹性振动薄膜和第二弹性振动薄膜安装在电池组单元两端外侧的电池舱壳体上,与电池舱壳体共同构建容置电池组单元的密闭空间,激振器通过安装架固定在第一弹性振动薄膜的外侧,在控制单元的控制下通过连接组件向所述第一弹性振动薄膜提供轴向往复振动力,使密闭空间的内的气体流动,对电池组单元进行散热。振动薄膜工作时,使密闭空间内的紧贴于电池组单元表面及内部的空气产生循环流动,将电池组内部积聚的热量通过此种强制对流换热方式带出,快速向水下航行器壳体外部传递,达到散热目的。在保证水下航行器使用工况前提下,振动薄膜间歇工作,其振动频率及振幅根据低阶模态振型谱确定,避免与水下航行器其他零件设备发生共振。
进一步地,所述电池舱壳体内壁面设置沿轴向设置有多个环肋;
所述第一弹性振动薄膜和第二弹性振动薄膜分别通过螺钉密封安装在电池组单元两端的环肋上,并保证可靠密封。
进一步地,所述电池组单元包括多个电池以及多个电池架;
为了确保电池组单元不会发生径向和轴向的位移,并且结构简单,所述定位支撑单元包括相互配合的电池组导轨以及导轨槽,导轨槽设置在电池舱壳体内壁面;
多个电池架沿轴向依次通过电池组导轨安装在电池舱壳体内,每个电池架上均开设有多个电池安装孔,其中多个电池安装孔可按一定规律开设在电池架上,比如:多个电池安装孔呈六边形布置;多个电池通过电池安装孔安装在电池架上。电池组导轨安装在各个电池架上,不仅能将各个电池架间的位置固定,还能将电池架安装在电池舱壳体上;定位支撑单元的数量根据其承载的重量确定,为了确保支撑可靠,最好对称设置一对定位支撑单元,共同将电池组单元安装在电池舱壳体内。
进一步地,所述多个电池错置安装在电池安装孔内。电池以串-并联连接方式,每层错置排列安装于电池架上,每层电池安装好以后利用电池架夹紧,并利用四根独立的长螺杆及螺母零件通过电池架上预设的螺栓安装孔进行固定安装,以确保电池不会发生偏移。
进一步地,为了均衡支撑,并确保结构稳定,所述多个电池架等间距设置。
控制单元可根据不同预设工况控制激振器伸出轴的轴向往复振动动作,其振幅及振动频率能够实现多样化的可控调节,实现对电池舱内部各电池间温度的均匀性控制。
本发明的优点:
1.本发明利用薄膜振动原理设计了散热装置,可改善密闭环境内的发热元件的散热效果,结构简单易安装;本发明将该散热装置应用于水下航行器电池舱中,由于水下航行器电池舱在工作过程中长期处于密闭空间中,空气导热系数较低,易出现温度聚集现象,且各电池温度均匀性程度低,处于安装中心位置处的电池较安装边缘处电池温度差异性较大,因而通过在水下航行器电池舱段设置激振器对密闭空间内部空气进行振动,加强内部空气微小流动,提高各电池间的温度均匀性,强化整体电池舱段的散热效果。与现有技术相比,能够良好解决水下航行器电池舱在密闭环境工作条件下各电池工作温度的均匀性问题,提高水下航行器电池舱工作可靠性。
2.本发明散热装置结构简单,且增重有限,安装维护简单,通过激振器产生的可控径向往复振动工作,带动振动薄膜对航行器内部电池组单元表面及内部气体产生循环流动,最大程度上改善电池组内部各电池间温度的均匀性,并强化密闭环境内部热量向外传递,实现水下航行器内部电池舱段强化散热。振动薄膜材料选取易发生弹性形变且导热系数较高的橡胶或工程塑料等,激振器输出的振动动作通过预制的电信号插头实现,其振幅及振动频率能够实现适应水下航行器在不同工况工作时的可控调节。本发明能够对电池组各电池间的温度均匀性进行有效控制,强化散热效果显著,可广泛应用于水下航行器及各类水下设备当中。
附图说明
图1是本发明的结构示意图;
图2是图1中电池舱壳体结构的剖面图;
图3是图1中激振器结构示意图;
图4是图1中连接块结构示意图;
图5是图1中一对连接件结构示意图;
图6是图1中第一弹性振动薄膜结构示意图;
图7是图1中电池组导轨结构示意图;
图8是图1中电池架结构示意图;
附图标记如下:
1-电池舱壳体,1a-第一连接螺钉孔,1b-导轨槽,2-激振器,3-连接块,4-一对连接件,5-弹性振动薄膜,5a-第二连接螺钉孔,6-电池组导轨,6a-第三连接螺钉孔,7-电池架,7a-定位螺栓孔,8-环肋,9-电池,10-安装架,11-伸出轴,12-电信号插头,13-安装孔,14-连接孔,15-通孔。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步的详细描述:
如图1-图8所示,一种水下航行器电池舱包括电池舱壳体、电池组单元、定位支撑单元以及散热装置;电池舱壳体端部设置有第一连接螺钉孔,用于电池舱与水下航行器的其他舱连接,电池舱壳体的内壁面沿轴向等间距设置有多个环肋。
其中,电池组单元包括多个电池以及多个电池架;每个电池架上均开设有多个电池安装孔;定位支撑单元包括相互配合的电池组导轨以及导轨槽。
电池错置排列成层安装于电池架上,各个电池架的间距相同,电池以串-并联连接方式,每层错置排列安装于电池架上,每层电池安装好以后利用电池架夹紧,并利用四根独立的长螺杆及螺母零件通过电池架上预设的螺栓安装孔进行固定安装,构成电池组,电池组通过设置在电池组导轨上的第二连接螺钉孔安装在电池组导轨上,并整体安装在设置在电池舱壳体上的导轨槽内。
散热装置包括控制单元、激振器、连接组件、第一弹性振动薄膜以及第二弹性振动薄膜;第一弹性振动薄膜和第二弹性振动薄膜分别通过螺钉密封安装在电池组单元两端外侧电池舱壳体的环肋上,与电池舱壳体共同构建容置电池组单元的密闭空间;激振器通过安装架设置在第一弹性振动薄膜外侧的电池舱壳体内,通过连接组件与第一弹性振动薄膜密封连接;激振器在控制单元的控制下通过连接组件向第一弹性振动薄膜提供轴向往复振动力,使密闭空间的内的气体流动。控制单元可根据不同预设工况控制激振器伸出轴的轴向往复振动动作;在保证水下航行器使用工况前提下,振动薄膜间歇工作,其振动频率及振幅根据低阶的模态振型谱确定(考虑装配零件,每个零件的固有频率等等),避免与其他零件设备发生共振;振幅及振动频率能够实现多样化的可控调节,实现对电池舱内部各电池间温度的均匀性控制。
连接组件包括连接块和一对连接件;连接块呈U型,包括一个横臂和两个竖臂;两个竖臂上对称设置有安装孔,横臂上设置有一个连接孔;激振器的伸出轴通过第一紧固件及两个安装孔与连接块连接;一对连接件均呈圆盘形,分别位于第一弹性振动薄膜的两侧,其上也均设置有连接孔;第一弹性振动薄膜的中心开设有通孔;第二紧固件穿过连接块的连接孔、一对连接件的连接孔以及第一弹性振动薄膜的通孔将连接块、连接件、第一弹性振动密封薄膜连接。
第一弹性振动薄膜和第二弹性振动薄膜才采用易发生弹性形变且导热系数较高的橡胶或工程塑料等材料,要求能够在激振器输出轴向往复振动工况时可靠变形工作,使内部空气产生微小循环流动。
本发明的工作过程:
电池以串-并联连接方式,每层错置排列安装于电池架上,每层电池安装好以后利用电池架夹紧,并利用四根独立的长螺杆及螺母零件通过电池架上预设的螺栓安装孔进行固定安装,构成电池组,为水下航行器提供动力,电池组通过安装于电池架上的电池组导轨安装于电池舱壳体上预制的导轨槽当中;激振器的伸出轴与连接块、振动连接件及第一弹性振动薄膜安装连接,并通过安装架固定安装于电池舱壳体上,振动薄膜材料选用易发生弹性形变且导热系数较高的橡胶或工程塑料;第一弹性振动薄膜和第二弹性振动薄膜成组通过螺钉安装于电池舱壳体内壁面的环肋上,实现密封;
工作时,通过激振器输出的振动动作带动第一弹性振动薄膜轴向往复振动,强制内部空气进行微小循环流动,改善电池组各电池间的温度均匀性,并强化电池组内部热量向外传递。
本发明中两个弹性振动薄膜中密封的气体可以是惰性气体等导热系数较高的气体。本发明中电池组的目标工作温度范围可以是该电池组的最佳工作温度范围。
上述仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内,可轻易想到各种等效的修改或替换,这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种针对密闭环境中发热组件的散热装置,其特征在于:包括控制单元、激振器、连接组件、第一弹性振动薄膜以及第二弹性振动薄膜;
所述第一弹性振动薄膜与第二弹性振动薄膜分别位于发热组件的两侧,构成密闭空间,将发热组件容置其中;
所述激振器设置在所述密闭空间之外,在控制单元的控制下通过连接组件向所述第一弹性振动薄膜提供轴向往复振动力,使密闭空间内的气体产生循环流动;
其中,第一弹性振动薄膜和第二弹性振动薄膜的振动频率及振幅根据低阶模态振型谱确定,并避免与其他组件发生共振;
所述连接组件包括连接块和一对连接件;
所述连接块呈U型,包括一个横臂和两个竖臂;两个竖臂上对称设置有安装孔,横臂上设置有一个连接孔;
所述激振器的伸出轴通过第一紧固件及两个安装孔与所述连接块连接;
所述一对连接件分别位于第一弹性振动薄膜的两侧,其上也均设置有连接孔;所述第一弹性振动薄膜的中心开设有通孔;第二紧固件穿过连接块的连接孔、一对连接件的连接孔以及第一弹性振动薄膜的通孔将连接块、连接件、第一弹性振动薄膜密封连接。
2.根据权利要求1所述针对密闭环境中发热组件的散热装置,其特征在于:
所述第一弹性振动薄膜和第二弹性振动薄膜采用橡胶或工程塑料。
3.根据权利要求2所述针对密闭环境中发热组件的散热装置,其特征在于:
向所述密闭空间内充入导热系数高的气体。
4.一种水下航行器电池舱,其特征在于:包括电池舱壳体、电池组单元、定位支撑单元以及权利要求1-3任一所述的散热装置;
所述电池组单元通过定位支撑单元安装在电池舱壳体内;
所述散热装置中的第一弹性振动薄膜和第二弹性振动薄膜安装在电池组单元两端外侧的电池舱壳体上,与电池舱壳体共同构建容置电池组单元的密闭空间,对电池组单元进行散热。
5.根据权利要求4所述水下航行器电池舱,其特征在于:
所述电池舱壳体内壁面沿轴向设置有多个环肋;
所述第一弹性振动薄膜和第二弹性振动薄膜分别密封安装在电池组单元两端的环肋上。
6.根据权利要求5所述水下航行器电池舱,其特征在于:
所述电池组单元包括多个电池以及多个电池架;
所述定位支撑单元包括相互配合的电池组导轨以及导轨槽,导轨槽设置在电池舱壳体内壁面;
多个电池架沿轴向依次通过电池组导轨安装在电池舱壳体内,每个电池架上均开设有多个电池安装孔;多个电池通过电池安装孔安装在电池架上。
7.根据权利要求6所述水下航行器电池舱,其特征在于:
所述多个电池错置安装在电池安装孔内。
8.根据权利要求7所述水下航行器电池舱,其特征在于:
所述多个电池架等间距设置。
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