CN114194367B - 一种深海用水下复合散热系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于水下装备技术领域，具体说是一种深海用水下复合散热系统及方法。包括：控制器、耐压舱外壳、耐压换热组件、散热系统以及隔热层；控制器与散热系统连接，且控制器和散热系统均设于耐压舱外壳内；隔热层设于耐压舱外壳内，耐压舱外壳内焊接有封闭的耐压舱夹层，所述隔热层贴附安装在耐压舱夹层的舱内壁上，以将其与舱内设备隔开；耐压换热组件插设入耐压舱外壳内的耐压舱夹层，耐压换热组件外露且固设于耐压舱外壳外；散热系统与耐压舱夹层连接；散热系统通过通海口连入耐压舱外壳外；所述耐压舱夹层内设有相变液。本发明充分利用舱内空间，采用液冷与相变换热相结合的方式，适用于耐压舱壳较厚且材料导热系数低的水下密闭环境中使用。

Description

一种深海用水下复合散热系统及方法

技术领域

本发明属于水下装备技术领域，具体说是一种深海用水下复合散热系统及方法。

背景技术

深海用电气设备一般安装在耐压舱中，工作条件为密闭环境，考虑到海水腐蚀及舱外高压水的影响，舱壳材料往往选择屈服强度较高、耐腐蚀性强的钛合金材质，这种材质的导热系数较铝合金、铜合金差很多，在兼顾考虑噪声控制方面的需求时，往往还会在舱壳外部和内部包覆一层隔音材料，整个系统外壳近似一个绝热结构，舱内发热元件及设备常用的自然对流及贴壁散热的换热方式不能满足设备的运行温度要求，因此，需要设计一种散热能力强、能耗较低的冷却散热装置。

发明内容

本发明目的是提供一种通过相变液或液冷方式的深海用水下复合散热系统及散热方法，以克服上述耐压舱得不到散热的缺陷。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种深海用水下复合散热系统，包括：控制器、耐压舱外壳、耐压换热组件、散热系统以及隔热层；

所述控制器与散热系统连接，且控制器和散热系统均设于耐压舱外壳内；

所述隔热层设于耐压舱外壳内，耐压舱外壳内焊接有封闭的耐压舱夹层，所述隔热层贴附安装在耐压舱夹层的舱内壁上，以将其与舱内设备隔开；

所述耐压换热组件插设入耐压舱外壳内的耐压舱夹层，耐压换热组件外露且固设于耐压舱外壳外；

所述散热系统与耐压舱夹层连接；散热系统通过通海口连入耐压舱外壳外；所述耐压舱夹层内设有相变液。

所述散热系统，包括：海水循环泵、海水换热器、水冷板、缓冲水罐、内循环泵以及螺旋散热盘管；

所述海水循环泵的输入端通过通海口连入耐压舱外壳外，用于抽取舱外海水；海水循环泵的输出端通过管接口与海水换热器的冷侧输入端连接；

所述海水换热器的热侧输出端通过冷却管路与螺旋散热盘管的输入端连接，所述螺旋散热盘管的输出端通过输出管路与水冷板的输入端连接，所述水冷板的输出端通过换热管路与海水换热器的热侧输入端；

在所述冷却管路上设有内循环泵，以驱动海水换热器热侧流体的循环流动，海水循环泵实现散热系统冷却海水的循环；

所述内循环泵与海水换热器之间的连接管路上并联设有缓冲水罐，以在水温升高时缓解管路内的压力；

所述海水换热器的冷侧输出端还通过通海口接入至耐压舱外壳外，以使经换热后的海水排出；

所述海水循环泵和内循环泵均与控制器连接，用于接收将接受到上位机的控制信号以指令形式控制海水循环泵和内循环泵的转速和启停。

所述海水换热器为蛇形盘管结构，在蛇形盘管结构内设有小于管径蛇形盘管的同心管；

蛇形盘管与同心管之间的间隙层设有冷却液；

所述海水循环泵与同心管连接，同心管另一端连入耐压舱外壳外；所述换热管路与蛇形盘管连接，使换热管路与间隙层连通；

所述海水换热器的冷侧输出端处的同心管通过通海口连入耐压舱外壳外，所述内循环泵的输入端与蛇形盘管连接，使内循环泵的输入端与间隙层连通。

所述螺旋散热盘管设于耐压舱夹层内，且置于耐压舱夹层底部，以浸没在相变液中。

所述散热系统还包括：与控制器连接的流量传感器、温度传感器以及压力传感器；

所述流量传感器有多个，分别设于所述海水循环泵的输出端以及输出管路上；

所述温度传感器有多个，分别设于换热管路上、冷却管路上以及插设于隔热层上；

所述压力传感器有多个，分别设于冷却管路上以及插设于隔热层上。

所述水冷板贴附设于待散热设备上，水冷板与作业元件之间设有导热硅脂。

所述耐压换热组件，有多个，包括：集热板、加热热管、耐压外壳以及散热翅片；

所述耐压外壳为半球形铝铜合金外壳，且与耐压舱外壳的法兰接口相适配；

所述耐压外壳的顶部嵌入设有散热翅片，以作为耐压换热组件的冷凝段；所述耐压外壳内设有加热热管；

所述散热翅片通过耐压外壳的底部与加热热管顶部连接，所述加热热管底部与集热板连接，以使加热热管作为耐压换热组件的蒸发段。

所述耐压舱外壳和耐压舱夹层为钛合金材质的壳体；

所述隔热层为二氧化硅气凝胶、隔热棉或硅酸铝纤维任意一种。

所述相变液的液面高度低于耐压换热组件，且高于螺旋散热盘管的高度。

一种深海用水下复合散热系统的散热方法，包括以下步骤：

散热系统根据舱内待散热设备运行情况采用两种运行模式：

运行模式A：当待散热设备的散热功率大于控制器设定阈值时：海水循环泵、内循环水泵同时工作，散热系统中海水换热器依靠海水散热，相变液散热起辅助作用，根据温度传感器检测到各管路内液体的温度信号发送至控制器，控制器进而实时调整海水循环泵、内循环水泵转速；

运行模式B：当待散热设备的散热功率小于控制器设定阈值时：海水循环泵关闭，内循环水泵根据温度传感器检测到各管路的温度发送至控制器，控制器调整内循环水泵转速，流经螺旋散热盘管的冷却液加热相变液，相变液受热气化后吸收热量，螺旋盘管内的冷却液温度降低，气化的相变液受热聚集至耐压舱夹层的顶部，加热热管及集热板，使加热热管在舱内的部分成为蒸发段，预埋在耐压外壳内的加热热管通过散热翅片强化散热，以成为冷凝段。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明采用液冷换热和相变换热相结合的系统散热方案，充分利用舱内空间，适用于耐压舱壳较厚且材料导热系数低的水下密闭结构中使用，在不同发热功率的条件下可以选择不同的工作模式，有利于实现系统长航时、低功耗节能运行。

2.本发明充分利用舱内空间，采用液冷与相变换热相结合的方式，适用于耐压舱壳较厚且材料导热系数低的水下密闭环境中使用。

3.本发明解决了当前在封闭且高压的空间，提供了一套高效散热的系统，并且通过液冷换热和相变换热两种方案更多样的提升了散热的效率，降低了消耗的能量。

附图说明

图1本发明装置的结构原理示意图；

图2本发明的耐压换热组件结构示意图；

其中，1为海水循环泵，2为流量传感器1，3为换热管路，4为海水换热器，5为温度传感器，6为水冷板，7为控制器，8为耐压舱外壳，9为通海口，10为缓冲水罐，11为内循环水泵，12为压力传感器，13为螺旋散热盘管；14为相变液，15为耐压换热组件，153为集热板，152为加热热管，153为耐压外壳，154为散热翅片，16为耐压舱夹层，17为隔热层，18为冷却管路，19为输出管路。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，为本发明装置的结构原理示意图；本发明包括：控制器7、耐压舱外壳8、耐压换热组件15、散热系统以及隔热层17；

控制器7与散热系统连接，且控制器7和散热系统均设于耐压舱外壳8内；

隔热层17设于耐压舱外壳8内，耐压舱外壳8内焊接有封闭的耐压舱夹层16，隔热层17贴附安装在耐压舱夹层16的舱内壁上，以将其与舱内设备隔开；

耐压换热组件15插设入耐压舱外壳8内的耐压舱夹层16，耐压换热组件15外露且固设于耐压舱外壳8外；

散热系统与耐压舱夹层16连接；散热系统通过通海口9连入耐压舱外壳8外；所述耐压舱夹层16内设有相变液14。

散热系统，包括：海水循环泵1、海水换热器4、水冷板6、缓冲水罐10、内循环泵11以及螺旋散热盘管13；

海水循环泵1的输入端通过通海口9连入耐压舱外壳8外，用于抽取舱外海水；海水循环泵1的输出端通过管接口与海水换热器4的冷侧输入端连接；

海水换热器4的热侧输出端通过冷却管路18与螺旋散热盘管13的输入端连接，螺旋散热盘管13的输出端通过输出管路19与水冷板6的输入端连接，水冷板6的输出端通过换热管路3与海水换热器4的热侧输入端；

在冷却管路18上设有内循环泵11，以驱动海水换热器4热侧流体的循环流动，海水循环泵1实现散热系统冷却海水的循环；

内循环泵11与海水换热器4之间的连接管路上并联设有缓冲水罐10，以在水温升高时缓解管路内的压力；

海水换热器4的冷侧输出端还通过通海口9接入至耐压舱外壳8外，以使经换热后的海水排出；

海水循环泵1和内循环泵11均与控制器7连接，用于接收将接受到上位机的控制信号以指令形式控制海水循环泵1和内循环泵11的转速和启停。

海水换热器4为蛇形盘管结构，在蛇形盘管结构内设有小于管径蛇形盘管的同心管；

蛇形盘管与同心管之间的间隙层设有冷却液；

海水循环泵1与同心管连接，同心管另一端连入耐压舱外壳8外；所述换热管路3与蛇形盘管连接，使换热管路3与间隙层连通；

海水换热器4的冷侧输出端处的同心管通过通海口9连入耐压舱外壳(8)外，内循环泵11的输入端与蛇形盘管连接，使内循环泵11的输入端与间隙层连通。

螺旋散热盘管13设于耐压舱夹层16内，且置于耐压舱夹层16底部，以浸没在相变液14中。

散热系统还包括：与控制器7连接的流量传感器2、温度传感器5以及压力传感器12；

流量传感器有多个，分别设于所述海水循环泵1的输出端以及输出管路19上；

温度传感器5有多个，分别设于换热管路3上、冷却管路18上以及插设于隔热层17上；

压力传感器12有多个，分别设于冷却管路18上以及插设于隔热层17上。

水冷板6贴附设于待散热设备上，水冷板6与作业元件之间设有导热硅脂。

其中，相变液14为市购产品；相变液14的液面高度低于耐压换热组件15，且高于螺旋散热盘管13的高度。螺旋散热盘管13放置在耐压舱夹层8底部并浸没在相变液14中。

耐压舱外壳8和耐压舱夹层16为相同材质的钛合金材质的壳体，并通过焊接形成；隔热层17为二氧化硅气凝胶、隔热棉或硅酸铝纤维任意一种。

如图2所示，为本发明的耐压换热组件结构示意图；耐压换热组件15有多个，包括：集热板151、加热热管152、耐压外壳153以及散热翅片154；

耐压外壳153为为球形轮廓，采用导热系数较高的铝/铜合金等材质，加热热管152冷凝段预埋在球头内部，且与耐压舱外壳8的法兰接口相适配；

耐压外壳153的顶部嵌入设有散热翅片154，以作为耐压换热组件15的冷凝段；所述耐压外壳153内设有加热热管152；

散热翅片154通过耐压外壳153的底部与加热热管152顶部连接，加热热管152底部与集热板151连接，以使加热热管152作为耐压换热组件15的蒸发段。耐压换热组件15由集热片、热管、耐压外壳、散热翅片组成，与耐压舱为可拆分结构，采用法兰固定。

本发明中海水循环泵1、内循环水泵11有通讯功能，泵转速可以通过水泵控制器接收的通讯信号进行调节。

控制器7能够在线实时监测各个传感器信号，并与上级系统控制器和下级水泵控制器进行通讯，可以根据系统功率变化情况自动调节水泵转速。

实施例：

本实施例的水下复合散热装置包括液冷散热及相变散热两种冷却方式。

本实施例将大功率电子元件/设备(如电气设备、电源外壳，主控机箱等)贴壁安装在水冷板6上，中间涂抹导热硅脂弥补安装贴合间隙。

本实施例中水冷散热采用海水换热器4实现冷流体(海水)与热流体(流经水冷板6升温后的冷却液)的热量交换，使热量从舱内发热元件/设备到外界海水的交换。

本实施例中海水循环泵1抽取舱外海水进入海水换热器4冷侧，实现海水循环；内循环水泵11实现海水换热器4热侧流体的流动和往复循环。

本实施例的温度传感器5、压力传感器12、流量传感器2实现热侧流体温度、压力和流量的在线监测，缓冲水罐10可以在水温升高时缓解封闭管路内的压力；流量传感器2实现冷侧流体流量的在线监测。

本实施例的耐压舱夹层16内填充有相变液14，底部安装有串联在水冷热侧换热管路中的螺旋散热盘管13。

本实施例的耐压舱顶部安装有若干个耐压换热组件15，采用法兰可拆卸的连接方式，内部结构插入耐压舱夹层16内。

本实施例的耐压舱夹层16上接有温度传感器5和压力传感器12，用于监测夹层内的温度和压力情况。

本实施例的耐压舱夹层16舱内部分需要包覆隔热层17。

本实施例中有专门的散热系统控制器7，可以读取流量传感器2、温度传感器5、压力传感器12的检测信号，可以读取海水循环泵1、内循环水泵11的故障信号；能够与上级系统进行信号通讯，能够通过通讯信号调整海水循环泵1、内循环水泵11的转速及启停。

本发明的散热方法，散热系统根据舱内待散热设备运行情况采用两种运行模式：

其中，海洋换热器4热侧温度T1、相变液14温度T2、加热热管152工作点温度T3、海水温度T4，则要求T1＞T2＞T3＞T4。

运行模式A：当待散热设备的散热功率大于控制器7设定阈值时：海水循环泵1、内循环水泵11同时工作，散热系统中海水换热器4依靠海水散热，相变液14散热起辅助作用，根据温度传感器5检测到各管路内液体的温度信号发送至控制器7，控制器7进而实时调整海水循环泵1、内循环水泵11转速；

运行模式B：当待散热设备的散热功率小于控制器7设定阈值时：海水循环泵1关闭，内循环水泵11根据温度传感器5检测到各管路的温度发送至控制器7，控制器7调整内循环水泵11转速，流经螺旋散热盘管13的冷却液加热相变液14，相变液14受热气化后吸收热量，螺旋盘管13内的冷却液温度降低，气化的相变液14受热聚集至耐压舱夹层16的顶部，加热热管152及集热板151，使加热热管152在舱内的部分成为蒸发段，预埋在耐压外壳153内的加热热管152通过散热翅片154强化散热，以成为冷凝段。

控制器7根据系统发热功率大小及检测到的管路信号，采用现有调节方法实时调整海水循环泵1、内循环水泵11的转速及启停，是系统能够在较高的能效比状态下运行。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。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、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种深海用水下复合散热系统，其特征在于，包括：控制器（7）、耐压舱外壳（8）、耐压换热组件（15）、散热系统以及隔热层（17）；

所述控制器（7）与散热系统连接，且控制器（7）和散热系统均设于耐压舱外壳（8）内；

所述隔热层（17）设于耐压舱外壳（8）内，耐压舱外壳（8）内焊接有封闭的耐压舱夹层（16），所述隔热层（17）贴附安装在耐压舱夹层（16）的舱内壁上，以将其与舱内设备隔开；

所述耐压换热组件（15）插设入耐压舱外壳（8）内的耐压舱夹层（16），耐压换热组件（15）外露且固设于耐压舱外壳（8）外；

所述散热系统与耐压舱夹层（16）连接；散热系统通过通海口（9）连入耐压舱外壳（8）外；所述耐压舱夹层（16）内设有相变液（14）；所述散热系统，包括：海水循环泵（1）、海水换热器（4）、水冷板（6）、缓冲水罐（10）、内循环泵（11）以及螺旋散热盘管（13）；

所述海水循环泵（1）的输入端通过通海口（9）连入耐压舱外壳（8）外，用于抽取舱外海水；海水循环泵（1）的输出端通过管接口与海水换热器（4）的冷侧输入端连接；

所述海水换热器（4）的热侧输出端通过冷却管路（18）与螺旋散热盘管（13）的输入端连接，所述螺旋散热盘管（13）的输出端通过输出管路（19）与水冷板（6）的输入端连接，所述水冷板（6）的输出端通过换热管路（3）与海水换热器（4）的热侧输入端连接；

在所述冷却管路（18）上设有内循环泵（11），以驱动海水换热器（4）热侧流体的循环流动，海水循环泵（1）实现散热系统冷却海水的循环；

所述内循环泵（11）与海水换热器（4）之间的连接管路上并联设有缓冲水罐（10），以在水温升高时缓解管路内的压力；

所述海水换热器（4）的冷侧输出端还通过通海口（9）接入至耐压舱外壳（8）外，以使经换热后的海水排出；

所述海水循环泵（1）和内循环泵（11）均与控制器（7）连接，用于接收将接受到上位机的控制信号以指令形式控制海水循环泵（1）和内循环泵（11）的转速和启停；

所述螺旋散热盘管（13）设于耐压舱夹层（16）内，且置于耐压舱夹层（16）底部，以浸没在相变液（14）中。

2.根据权利要求1所述的一种深海用水下复合散热系统，其特征在于，所述海水换热器（4）为蛇形盘管结构，在蛇形盘管结构内设有小于管径蛇形盘管的同心管；

蛇形盘管与同心管之间的间隙层设有冷却液；

所述海水循环泵（1）与同心管连接，同心管另一端连入耐压舱外壳（8）外；所述换热管路（3）与蛇形盘管连接，使换热管路（3）与间隙层连通；

所述海水换热器（4）的冷侧输出端处的同心管通过通海口（9）连入耐压舱外壳（8）外，所述内循环泵（11）的输入端与蛇形盘管连接，使内循环泵（11）的输入端与间隙层连通。

3.根据权利要求1所述的一种深海用水下复合散热系统，其特征在于，所述散热系统还包括：与控制器（7）连接的流量传感器（2）、温度传感器（5）以及压力传感器（12）；

所述流量传感器有多个，分别设于所述海水循环泵（1）的输出端以及输出管路（19）上；

所述温度传感器（5）有多个，分别设于换热管路（3）上、冷却管路（18）上以及插设于隔热层（17）上；

所述压力传感器（12）有多个，分别设于冷却管路（18）上以及插设于隔热层（17）上。

4.根据权利要求1所述的一种深海用水下复合散热系统，其特征在于，所述水冷板（6）贴附设于待散热设备上，水冷板（6）与作业元件之间设有导热硅脂。

5.根据权利要求1所述的一种深海用水下复合散热系统，其特征在于，所述耐压换热组件（15），有多个，包括：集热板（151）、加热热管（152）、耐压外壳（153）以及散热翅片（154）；

所述耐压外壳（153）为半球形铝铜合金外壳，且与耐压舱外壳（8）的法兰接口相适配；

所述耐压外壳（153）的顶部嵌入设有散热翅片（154），以作为耐压换热组件（15）的冷凝段；所述耐压外壳（153）内设有加热热管（152）；

所述散热翅片（154）通过耐压外壳（153）的底部与加热热管（152）顶部连接，所述加热热管（152）底部与集热板（151）连接，以使加热热管（152）作为耐压换热组件（15）的蒸发段。

6.根据权利要求1所述的一种深海用水下复合散热系统，其特征在于，所述耐压舱外壳（8）和耐压舱夹层（16）为钛合金材质的壳体；

所述隔热层（17）为二氧化硅气凝胶、隔热棉或硅酸铝纤维任意一种。

7.根据权利要求1所述的一种深海用水下复合散热系统，其特征在于，所述相变液（14）的液面高度低于耐压换热组件（15），且高于螺旋散热盘管（13）的高度。

8.根据权利要求1～7任意一项所述的一种深海用水下复合散热系统的散热方法，其特征在于，包括以下步骤：

散热系统根据舱内待散热设备运行情况采用两种运行模式：

运行模式A：当待散热设备的散热功率大于控制器（7）设定阈值时：海水循环泵（1）、内循环水泵（11）同时工作，散热系统中海水换热器（4）依靠海水散热，相变液（14）散热起辅助作用，根据温度传感器（5）检测到各管路内液体的温度信号发送至控制器（7），控制器（7）进而实时调整海水循环泵（1）、内循环水泵（11）转速；

运行模式B：当待散热设备的散热功率小于控制器（7）设定阈值时：海水循环泵（1）关闭，内循环水泵（11）根据温度传感器（5）检测到各管路的温度发送至控制器（7），控制器（7）调整内循环水泵（11）转速，流经螺旋散热盘管（13）的冷却液加热相变液（14），相变液（14）受热气化后吸收热量，螺旋盘管（13）内的冷却液温度降低，气化的相变液（14）受热聚集至耐压舱夹层（16）的顶部，加热热管（152）及集热板（151），使加热热管（152）在舱内的部分成为蒸发段，预埋在耐压外壳（153）内的加热热管（152）通过散热翅片（154）强化散热，以成为冷凝段。

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