CN114739217A - 一种热管阵列冷却系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种热管阵列冷却系统，其包括：承压隔板；蒸发段壳体，其用于设置在船舱内壁面上，并且与承压隔板围合形成换热空间；蒸发段壳体上设有与换热空间连通的热源介质入口和热源介质出口；若干热管，其穿设承压隔板，并与承压隔板密封连接；热管内密封设有循环介质，并且其蒸发段位于换热空间内，冷凝段位于船舱外。从而利用热管内部循环介质蒸发冷凝出现的压差实现自然循环，进行舱外冷却介质与舱内热源介质的热交换，不需要循环泵，并且由于热管设置在船舱内外，减少了占用船舱内部空间，避免冷却设备设置在船舱内导致系统管道长度增加、流阻增大了的问题；再者舱外冷却介质与热源介质隔离，以避免介质泄漏的危害。

Description

一种热管阵列冷却系统

技术领域

本申请涉及流体换热技术领域，特别涉及一种热管阵列冷却系统。

背景技术

目前船舶和海洋平台等均设置有冷却系统，其功能是将动力系统做功、空调和电气等设备工作过程中产生的热量导出舱外，以维持装置和设备的正常运行。出于防腐和安全性考虑，通常采用闭式循环对设备进行直接冷却，直接冷却介质通常为洁净淡水，再利用换热器将淡水热量传递至环境空气或冷却水。传统的冷却系统主要包括引水口、循环泵、换热器、排出口和管路及附件等。冷却介质经引水口由循环泵增压泵入换热器，在换热器中与热源介质(闭式回路内洁净淡水)完成热量交换后排出。

在一些相关技术中，传统冷却系统所有设备均布置于舱内，占用大量舱室空间，冷却介质由引水口从舱外引水进入舱内，完成换热后经排出口排出舱外，这样设置存在以下问题：

(1)导致系统管道长度增加、流阻增大，需配置循环泵对介质进行增压以克服系统阻力。如此配置的冷却系统重量较大，复杂程度较高，不利于减轻系统整体重量和提高舱室空间利用率，且将降低给定排水量下的有效负载能力；采用循环泵进行强迫循环，增加了系统运行时的功率消耗，同时水泵振动向环境传播，将对舱室和水域造成噪声污染。

发明内容

本申请实施例提供一种热管阵列冷却系统，以解决相关技术中传统冷却系统所有设备均布置于舱内，循环泵将冷却介质由引水口从舱外引水进入舱，所带来的系统负载过大和空间占用问题。

第一方面，提供了一种热管阵列冷却系统，其包括：

承压隔板；

蒸发段壳体，其用于设置在船舱内壁面上，并且与所述承压隔板围合形成换热空间；所述蒸发段壳体上设有与换热空间连通的热源介质入口和热源介质出口；

若干热管，其穿设所述承压隔板，并与承压隔板密封连接；所述热管内密封设有循环介质，并且其一部分位于所述换热空间内，另一部分位于船舱外。

一些实施例中，所有的所述热管倾斜设置；

所有的所述热管的舱内部分位于舱外部分上方；或者，

所有的所述热管的舱内部分位于舱外部分下方；或者，

一部分所述热管的舱内部分位于舱外部分上方，余下部分所述热管的舱内部分位于舱外部分下方。

一些实施例中，所述热管呈阵列分布，并且用于垂直安装在舱壁面上。

一些实施例中，所述蒸发段壳体用于与舱壁共型，所述热源介质入口位于其顶部，所述热源介质出口位于其底部；

若干所述热管包括多列；每一列中的热管均匀间隔布置，并且其蒸发段延长线的交点为弧形的圆心。

一些实施例中，所述承压隔板用于设置在所述船舱内壁面上，并且其上设有密封套管，密封套管穿设船舱壁，并延伸至船舱壁外；

所述热管通过密封套管与承压隔板密封连接。

一些实施例中，所述承压隔板的形状与所述船舱壁的形状相同。

一些实施例中，所述船舱壁上设有一安装槽，所述承压隔板密封焊接在安装槽内，所述承压隔板上设有密封套管，密封套管延伸至船舱壁外；

所述热管通过密封套管与承压隔板密封连接。

一些实施例中，还包括冷凝段防护架，冷凝段防护架设置在船舱外壁面上，并且其内设有用于容纳热管冷凝段的冷凝空间。

一些实施例中，所述热管蒸发段或者冷凝段的外表面设有多个散热肋片。

一些实施例中，所述热管的内壁设有毛细多孔结构。

本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：

本申请实施例提供了一种热管阵列冷却系统，由于热管通过承压隔板设置在蒸发段壳体和船舱上，并且热管内密封设有循环介质，蒸发段位于蒸发段壳体的换热空间内，冷凝段位于船舱外，从而利用热管内部循环介质蒸发冷凝出现的压差实现自然循环，进行实现舱外冷却介质与舱内热源介质的热交换，整个换热过程不需要循环泵，节能降噪，并且由于热管直接设置在船舱内外，减少了占用船舱内部空间，避免冷却设备设置在船舱内导致系统管道长度增加、流阻增大了的问题；

再者热管内部循环介质密封，将舱外冷却介质与舱内热源介质隔离，提高安全性，以适应高温、高压、有毒和有害等不允许发生介质泄漏的特殊环境。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的热管阵列冷却系统与船舱连接的示意图；

图2为图1中A向展开图；

图3为本申请实施例提供的热管的示意图；

图4为图3中B处放大图。

图中：1、蒸发段壳体；2、热管；3、承压隔板；4、热源介质入口；5、热源介质出口；6、冷凝段防护架；7、密封套管；8、船舱壁；9、散热肋片。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请实施例提供了一种热管阵列冷却系统，以解决相关技术中传统冷却系统所有设备均布置于舱内，循环泵将冷却介质由引水口从舱外引水进入舱，所带来的系统负载过大和空间占用问题。

请参见图1，一种热管阵列冷却系统，其包括：

蒸发段壳体1、热管2、承压隔板3、热源介质入口4和热源介质出口5。

其中蒸发段壳体1用于设置在船舱内壁面上，并且与承压隔板3围合形成换热空间；蒸发段壳体1上设有与换热空间连通的热源介质入口4和热源介质出口5；热管2的数量为若干，热管2穿设承压隔板3，并与承压隔板3密封连接；热管2内密封设有循环介质，并且其蒸发段位于换热空间内，冷凝段位于船舱外。

其中承压隔板3与舱壁焊接(形成舱壁的一部分)，用于分隔热管2的蒸发段和冷凝段；热管2为内含热管工质的封闭换热元件。

本装置换热的原理为：

热管2在进行热量传递的过程中，蒸发段壳体1内的热量通过管壁传递到蒸发段使循环介质蒸发，循环介质所产生的蒸汽从蒸发段流向冷凝段，蒸汽在冷凝段内凝结，将热量传递到船舱外，从而产生压差或密度差，在压差或密度差作用下冷凝液体回流到蒸发段。循环介质在热管2内完成吸热蒸发—凝结放热的循环过程，从而将热量不断地从船舱内传送到船舱外。再者热管2具有高导热性、温度展平、热流密度可变、热流方向可逆、环境适应性好、节能降噪、源汇分离等特点。由于热管2体积小，没有运动部件，结构简单，运行稳定，维修方便，使用寿命长。热管2具有上述多种优异的传热性能，因此适合船舶的稳定散热。

产生的效果为：

热管2的蒸发段位于蒸发段壳体的换热空间内，冷凝段位于船舱外，从而利用热管2内部循环介质蒸发冷凝出现的压差实现自然循环，进行实现舱外冷却介质与舱内热源介质的热交换，整个换热过程不需要循环泵，无需泵源驱动强迫流动，消除振动噪声源，从而实现节能降噪；从而精简配置，取消循环泵和进出舱管路附件，减轻系统重量；无泵源等转动部件，有效降低发生故障的可能性；

由于热管2直接设置在船舱内外，减少了占用船舱内部空间，避免冷却设备设置在船舱内导致系统管道长度增加、流阻增大了的问题；

介质隔离，再者热管2内部循环介质密封，将舱外冷却介质与舱内热源介质隔离提高安全性，即使一侧管壁发生泄漏也不会导致冷热介质直接掺混，且单根热管2失效不影响其它热管正常工作，相较普通间壁式换热器多一道保护屏障，安全可靠性大幅提高，尤其适用于高温、高压、有毒、有害等不允许发生介质泄漏的特殊环境。

在一些优选的实施例中，对热管2的布置形式进行了以下的设置：

第一种，所有的热管2倾斜设置；所有的热管2的舱内部分位于舱外部分下方，此时舱内部分为蒸发段，舱外部分为冷凝段。热管2内循环介质从蒸发段壳体1内吸收热量体积膨胀、密度降低，沿热管内部通道向上浮升至舱外，在冷凝段将热量传递热管外部冷却介质。实现船舱内部热量的导出散热。

第二种，所有的热管2倾斜设置；所有的热管2的舱内部分位于舱外部分上方，此时舱内部分为冷凝段，舱外部分为蒸发段。热管吸收舱外介质热量，循环工质蒸发，体积膨胀、密度降低，沿热管内部通道向上浮升进入舱内冷凝，将热量导入舱内。利用热管2温度展平和热流方向可逆的特性，维持舱室和设备温度稳定。第三种，所有的热管2倾斜设置，一部分热管2的舱内部分位于舱外部分上方，余下部分热管2的舱内部分位于舱外部分下方；即为第一种方式和第二种方式的结合方式。

以上三种情况中，热管2内部始终利用循环工质蒸发冷凝的密度差驱动在热管2内部循环流动；

对于热管2舱外部分，存在自流和非能动两种运行模式，对应于舱壁相对外部介质是否相对运动：

当舱壁相对外部介质无相对运动时，为非能动模式，此时若舱外冷却介质吸收热量，则体积膨胀、密度降低，绕热管2阵列向上浮升，形成自然对流；若舱外冷却介质散发热量，则体积收缩、密度增加，绕热管2阵列向下沉降，形成自然对流。在舱内和舱外存在温差时，非能动模式始终起作用。

当舱壁与外部介质存在相对运动时，为自流模式，即舱外冷却介质由于与固定于舱壁上的热管管束存在相对速度，实现自流外掠管束，并强化换热。自流和非能动两种方式均无需泵源驱动冷却介质强迫流动。

以上的三种情况中，热管2垂直于舱壁面设置，热管阵列模块最终安装状态应尽可能蒸发段位于下方，否则换热效果差或无换热能力，并且热管2的蒸发段在下，冷凝段在上为最优的方式；再者热源介质流向为尽可能垂直热管2的轴向，这样换热效果最好。

因此上述的热管阵列冷却系统适用范围广，除适用于船舶等移动平台进行自流运行外，还具备非能动运行模式，适用水上和水下非移动平台的持续热量交换。

参见图2，进一步的，蒸发段和冷凝段均可根据需要制成任意形状，以提高空间利用率。热管2呈交错阵列排布，以利于舷外冷却介质形成自然对流。

进一步的，对于第三种形式以匹配船舱的结构，有以下的设置：

蒸发段壳体1为弧形，热源介质入口4位于其顶部，热源介质出口5位于其底部；若干热管2包括多列；每一列中的热管2均匀间隔布置，并且其蒸发段延长线的交点为弧形的圆心。

进一步的，热管2蒸发段或者冷凝段的外表面设有多个散热肋片9，作为扩展表面，增加散热面积进行强化换热。

进一步的，热管2的内壁设有毛细多孔结构，毛细多孔结构可为吸液芯或拉槽。吸液芯或拉槽设置在热管2的内壁，以充当毛细泵的作用，利用液体的表面张力将循环介质从冷凝段送回至蒸发段，并避免传输过程中部分冷凝导致流阻增加。

参见图1、图3和图4，在一些优选的实施例中，对于承压隔板3有以下的设置：

第一种，承压隔板3用于设置在船舱内壁面上，并且其上设有密封套管7，密封套管7穿设船舱壁8，并延伸至船舱壁8外，密封套管7与船舱壁8之间密封焊接；热管2通过密封套管7与承压隔板3密封连接。承压隔板3的形状与船舱壁8的形状共型，也就是说承压隔板3的形状与船舱壁8的形状相同，相适配。

第二种，船舱壁8上设有一安装槽，承压隔板3密封焊接在安装槽内，承压隔板3上设有密封套管7，密封套管7延伸至船舱壁8外；热管2通过密封套管7与承压隔板3密封连接。这一种方式承压隔板3作为船舱壁8的一部分，使蒸发段壳体1和承压隔板3形成的整体的一部分可以直接和外部的冷却介质接触，提高换热效率。

在本实施例第二种方式的基础上，若干热管2可以模块为单位，通过承压隔板3与船舱壁8连接，单个模块可作为独立设备制造和装配，装配完成后相当于船舱壁8组成部分，结构紧凑，充分保证承压和密封性能，且有利于加工制造和精度控制。同时具有可扩展性，可根据需求分组并列布置。

参见图2，在一些优选的实施例中，热管阵列冷却系统，还包括冷凝段防护架6，冷凝段防护架6设置在船舱外壁面上，并且其内设有用于容纳热管2冷凝段的冷凝空间。冷凝段防护架6以避免在使用过程中对热管2产生碰撞，造成损害；由于蒸发段有壳体保护，不需要防护架，冷凝段可设置防护架，防护架不应阻挡冷却水外掠热管管束。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种热管阵列冷却系统，其特征在于，其包括：

承压隔板(3)；

蒸发段壳体(1)，其用于设置在船舱内壁面上，并且与所述承压隔板(3)围合形成换热空间；所述蒸发段壳体(1)上设有与换热空间连通的热源介质入口(4)和热源介质出口(5)；

若干热管(2)，其穿设所述承压隔板(3)，并与承压隔板(3)密封连接；所述热管(2)内密封设有循环介质，并且其一部分位于所述换热空间内，另一部分位于船舱外。

2.如权利要求1所述的热管阵列冷却系统，其特征在于：

所有的所述热管(2)倾斜设置；

所有的所述热管(2)的舱内部分位于舱外部分上方；或者，

所有的所述热管(2)的舱内部分位于舱外部分下方；或者，

一部分所述热管(2)的舱内部分位于舱外部分上方，余下部分所述热管(2)的舱内部分位于舱外部分下方。

3.如权利要求1所述的热管阵列冷却系统，其特征在于：

所述热管(2)呈阵列分布，并且用于垂直安装在舱壁面上。

4.如权利要求1所述的热管阵列冷却系统，其特征在于：

所述蒸发段壳体(1)用于与舱壁共型，所述热源介质入口(4)位于其顶部，所述热源介质出口(5)位于其底部；

若干所述热管(2)包括多列；每一列中的热管(2)均匀间隔布置，并且其蒸发段延长线的交点为弧形的圆心。

5.如权利要求1所述的热管阵列冷却系统，其特征在于：

所述承压隔板(3)用于设置在所述船舱内壁面上，并且其上设有密封套管(7)，密封套管(7)穿设船舱壁(8)，并延伸至船舱壁(8)外；

所述热管(2)通过密封套管(7)与承压隔板(3)密封连接。

6.如权利要求5所述的热管阵列冷却系统，其特征在于：

所述承压隔板(3)的形状与所述船舱壁(8)的形状相同。

7.如权利要求1所述的热管阵列冷却系统，其特征在于：

所述船舱壁(8)上设有一安装槽，所述承压隔板(3)密封焊接在安装槽内，所述承压隔板(3)上设有密封套管(7)，密封套管(7)延伸至船舱壁(8)外；

所述热管(2)通过密封套管(7)与承压隔板(3)密封连接。

8.如权利要求1所述的热管阵列冷却系统，其特征在于：

还包括冷凝段防护架(6)，冷凝段防护架(6)设置在船舱外壁面上，并且其内设有用于容纳热管(2)冷凝段的冷凝空间。

9.如权利要求1所述的热管阵列冷却系统，其特征在于：

所述热管(2)蒸发段或者冷凝段的外表面设有多个散热肋片(9)。

10.如权利要求1所述的热管阵列冷却系统，其特征在于：

所述热管(2)的内壁设有毛细多孔结构。

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