CN117308390A - 自驱动相变冷却控温装置 - Google Patents

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张海松
田勇
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郭朝红
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梁世强
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Abstract

一种自驱动相变冷却控温装置，包括冷凝器、蒸发器、不凝性气体罐；冷凝器包括分流集管、汇流集管、散热管，分流集管下端有冷凝器制冷剂进口；汇流集管下端有冷凝器制冷剂出口；冷凝器上端有第一不凝气接口和制冷剂排气口；散热管，两端分别连通分流集管和汇流集管；蒸发器包括蒸发器制冷剂入口，与冷凝器制冷剂出口连通；蒸发器制冷剂出口，与冷凝器制冷剂进口连通；CO2入口，适用于输入待冷却的CO2；以及CO2出口，用于输出冷却后的CO2；不凝性气体罐，与第一不凝气接口连通，不凝性气体罐用于存储从冷凝器上部排出的不凝性气体或向冷凝器上部输入不凝性气体。

Description

自驱动相变冷却控温装置
技术领域
本公开涉及冷却控温装置领域，尤其涉及一种用于超临界CO2动力/发电系统的自驱动相变冷却控温装置。
背景技术
超临界二氧化碳(Supercritical Carbon Dioxide，以下简称sCO2)Brayton循环动力/发电系统能够利用任意类型高温热源(如聚焦太阳能、化石能源、核能、工业余热等等)，并可用作分布式、移动式发电或动力推进系统，近年来成为国际上新型动力/发电领域争相研发的前沿技术。sCO2在临界点(31℃、7.4MPa)附近的物性参数呈剧烈非线性变化，对压缩机耗功和工作稳定性造成显著影响，会使动力/发电系统变工况运行和负荷调节控制难度变大。由于sCO2动力循环的高效率是建立在冷却器出口即压缩机入口sCO2工质处于靠近临界点的前提条件下，当负荷或工况发生变化时，需要快速精确调节控制，才能使热力循环效率最大化，因而对冷却器的换热能力、控温性能、紧凑性和可靠性均提出了极为苛刻的要求。
目前sCO2动力/发电系统中，冷却器一般采取冷却水单相强制对流循环方式，从sCO2回路中吸热，然后再通过水/空气换热器，向周围环境散热。因冷却水流量大，耗费很大的驱动泵功，且由于仅利用显热来换热，传热能力较弱，设备庞大笨重，热惯性大，控温过程响应缓慢且不精确，非常不利于动力/发电系统的紧凑化、分布式和移动式应用。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种自驱动相变冷却控温装置，以期部分地解决上述技术问题中的至少之一。
本公开提供了一种自驱动相变冷却控温装置，其特征在于，包括：冷凝器，包括：分流集管，下端设置有冷凝器制冷剂进口；汇流集管，下端设置有冷凝器制冷剂出口；第一不凝气接口和制冷剂排气口，布置在冷凝器上端；以及散热管，两端分别连通分流集管和汇流集管；蒸发器，包括：蒸发器制冷剂入口，与冷凝器制冷剂出口连通；蒸发器制冷剂出口，与冷凝器制冷剂进口连通；CO2入口，适用于输入待冷却的二氧化碳工质；以及CO2出口，适用于输出冷却后的二氧化碳工质；第一不凝性气体罐，与第一不凝气接口连通，第一不凝性气体罐适用于存储从冷凝器上部排出的不凝性气体或向冷凝器上部输入不凝性气体；其中，制冷剂在蒸发器内从二氧化碳工质吸收热量，发生沸腾相变，形成制冷剂蒸汽，制冷剂蒸汽输入到冷凝器后向外界环境散热，发生冷凝相变，形成冷凝液，通过冷凝器制冷剂出口流出，并返回到蒸发器制冷剂入口，完成一次两相循环。
在本公开的一些实施例中，自驱动相变冷却控温装置还包括：加热丝，设置在第一不凝性气体罐内，加热丝适用于对不凝性气加热以改变不凝性气的体积。
在本公开的一些实施例中，自驱动相变冷却控温装置还包括：温度传感器，设置在CO2出口处；以及控制器，分别与温度传感器和加热丝连接，控制器适用于根据温度传感器采集的信息调控通过加热丝的电流。
在本公开的一些实施例中，散热管为翅片管束。
在本公开的一些实施例中，自驱动相变冷却控温装置还包括：制冷剂蒸汽管路，两端分别与蒸发器制冷剂出口和冷凝器制冷剂进口连通；以及制冷剂冷凝液回流管路，两端分别与冷凝器制冷剂出口和蒸发器制冷剂进口连通。
在本公开的一些实施例中，自驱动相变冷却控温装置还包括：制冷剂充装口，设置在制冷剂冷凝液回流管路，制冷剂充装口适用于向回路中添加制冷剂。
在本公开的一些实施例中，蒸发器中制冷剂流道设置有毛细芯。
在本公开的一些实施例中，还包括液位计，设置在冷凝器的侧壁上，液位计适用于测量冷凝器内液态制冷剂的液位；和/或观察窗，设置在冷凝器的侧壁上，观察窗适用于观测冷凝器内制冷剂的状态。
在本公开的一些实施例中，蒸发器还包括：第一外壳；多个微细管束，微细管束两端分别连通CO2入口和CO2出口；其中，蒸发器制冷剂入口和蒸发器制冷剂出口开设在第一外壳上，制冷剂在第一外壳以及微细管束外壁围成的彼此连通的的缝隙间流动。
在本公开的一些实施例中，蒸发器还包括第一CO2流道板片，第一CO2流道板片两端分别连通CO2入口和CO2出口，第一CO2流道板片包括多条用于流通CO2的流道；第一制冷剂流道板片，与第一CO2流道板片以相互毗邻的顺序交替层叠放置，其中制冷剂流道与CO2流道呈逆流布置，第一制冷剂流道板片两端分别连通蒸发器制冷剂入口和蒸发器制冷剂出口，制冷剂流道板片包括多条用于流通制冷剂的流道。
在本公开的一些实施例中，蒸发器还包括：第二CO2流道板片，第二CO2流道板片包括多条用于流通CO2的流道；第二制冷剂流道板片，与第二CO2流道板片交叉设置，与第二CO2流道板片以相互毗邻的顺序交替层叠放置，其中制冷剂流道与CO2流道呈叉流布置，第二制冷剂流道板片的两端分别连通蒸发器制冷剂入口和蒸发器制冷剂出口，第二制冷剂流道板片包括多条用于流通制冷剂的流道。
在本公开的一些实施例中，蒸发器还包括：多层换热叠板片，每个换热叠板片上设置有多个垂直于板片的通孔，多个通孔相互对齐形成制冷剂通道或适用于设置制冷剂通道，换热叠板片上还设置有与这些通孔相隔离的多个开槽，多层换热叠板片上的开槽形成CO2通道。多个制冷剂通道两端分别汇集形成单个蒸发器制冷剂进口和蒸发器制冷剂出口，或者构成互不连通的多个制冷剂自驱动循环回路。
在本公开的一些实施例中，翅片管束分为M层，每层有N个翅片管；翅片管间相互并联；其中M、N为大于零的整数。
在本公开的一些实施例中，翅片管束沿冷凝器高度方向相互并联，并在水平或倾斜平面内直行或弯曲盘绕。
在本公开的一些实施例中，散热管还包括：多层翅片；以及多层微细通道板片，其内设置有供制冷剂流动的微细通道阵列；其中，多层翅片与多层微细通道板片交替设置。
根据本公开的另一个方面，提供了一种自驱动相变冷却控温装置，包括：第二外壳，具有第一容置空间，第一容置空间内填充有相变制冷剂，第二外壳上端设置有第二不凝气接口；第一CO2微细管道，第一CO2微细管道整体呈螺旋状，第一CO2微细管道设置在第一容置空间的底部或套设在第二外壳的下部，第一CO2微细管道的两端分别用于输入待冷却的二氧化碳工质、输出冷却后的二氧化碳工质；第一翅片阵列，设置在第二外壳的上部；第二不凝性气体罐，与第二不凝气接口连通，第二不凝性气体罐适用于存储从第一容置空间上端排出的不凝性气体或向第一容置空间上端输入不凝性气体；其中，第一容置空间底部的制冷剂从二氧化碳工质吸收热量，发生沸腾相变，形成制冷剂蒸汽，并在浮升力的作用下流动到第一容置空间的上部，制冷剂蒸汽通过第一翅片阵列将热量传递给周围环境后，发生冷凝相变，形成冷凝液，并在重力作用下顺着第二外壳的内侧壁向下流动，返回到第一容置空间底部，完成一次两相循环。
根据本公开的再一个方面，提供了一种自驱动相变冷却控温装置，包括：第三外壳，具有第二容置空间，第二容置空间内填充有相变制冷剂，第三外壳上端设置有第三不凝气接口；第二CO2微细管道，阵列式地设置在第二容置空间的底部或者第三外壳下部的侧面，第二CO2微细管道的两端分别用于输入待冷却的二氧化碳工质、输出冷却后的二氧化碳工质；第二翅片阵列，设置在第三外壳上部的侧面；第三不凝性气体罐，与第三不凝气接口连通，第三不凝性气体罐适用于存储从第二容置空间上端排出的不凝性气体或向第二容置空间上端输入不凝性气体；其中，第二容置空间底部的制冷剂从二氧化碳工质吸收热量，发生沸腾相变，形成制冷剂蒸汽，并在浮升力的作用下流动到第二容置空间的上部，制冷剂蒸汽通过第二翅片阵列将热量传递给周围环境后发生冷凝相变，形成冷凝液，并在重力作用下顺着第三外壳的内侧壁向下流动，返回到第二容置空间底部，完成一次两相循环。
根据本公开的再另一个方面，提供了一种自驱动相变冷却控温装置，包括：多个并联的第四外壳组成的阵列，每个第四外壳上端设置有第四不凝气接口；蒸发器，设置在第四外壳阵列的下部，包括：多层换热叠板片，每个换热叠板片上设置有多个垂直于板片的通孔，多个通孔相互对齐而形成多个制冷剂通道，多个制冷剂通道分别与多个第四外壳相连通而构成多个相互独立的第三容置空间，内部分别填充有相变制冷剂；换热叠板片上还设置有与通孔相隔离的多个开槽，多个开槽形成CO2通道，CO2通道的两端分别用于输入待冷却的二氧化碳工质、输出冷却后的二氧化碳工质；第三翅片阵列，整体式或分离式地设置在第四外壳的上部；第四不凝性气体罐，与每个第四不凝气接口连通，第四不凝性气体罐适用于存储从第三容置空间上端排出的不凝性气体或向第三容置空间上端输入不凝性气体；其中，每个第三容置空间底部的制冷剂从二氧化碳工质吸收热量，发生沸腾相变，形成制冷剂蒸汽，并在浮升力的作用下流动到第三容置空间上部，制冷剂蒸汽通过第三翅片阵列将热量传递给周围环境后发生冷凝相变，形成冷凝液，并在重力作用下顺着每个第四外壳的内侧壁向下流动，返回到每个第三容置空间底部，完成一次两相循环。
在本公开的一些实施例中，第四外壳为直管、弯折管或弧形管，截面为圆形、方形、扁圆形或其组合形状。
本公开的自驱动相变冷却控温装置通过在制冷剂循环回路内部预先封入一定量的不凝性气体。当冷却系统启动后，制冷剂蒸汽在冷凝器中凝结并返回到蒸发器，而不凝气会被蒸汽扫到冷凝器，滞留在冷凝器远端形成气塞。当冷却负荷剧烈变化时，不凝气体能够像弹簧一样迅速收缩和膨胀，自动调节冷凝器有效换热面积，从而实现冷却器工作温度及压缩机入口sCO2工质温度的快速、精确控制。
附图说明
图1为本公开示意性实施例的自驱动相变冷却控温装置的工作原理框图。
图2为本公开示意性实施例的自驱动相变冷却控温装置的第一种蒸发器的立体图和剖视图。
图3为本公开示意性实施例的自驱动相变冷却控温装置的第二种蒸发器的主视图、细部图和立体图。
图4为本公开示意性实施例的自驱动相变冷却控温装置的第三种蒸发器的主视图、细部图和立体图。
图5为本公开示意性实施例的自驱动相变冷却控温装置的第四种蒸发器的主视图、剖面图和立体图。
图6为本公开示意性实施例的自驱动相变冷却控温装置的第一种冷凝器的主视图和立体图。
图7为本公开示意性实施例的自驱动相变冷却控温装置的第二种冷凝器的俯视图、主视图和立体图。
图8为本公开示意性实施例的自驱动相变冷却控温装置的第三种冷凝器的立体图、主视图和侧视图。
图9为本公开另一示意性实施例中自驱动相变冷却控温装置的原理框图。
图10为本公开另一示意性实施例中自驱动相变冷却控温装置另一种布置的原理框图。
图11为本公开再一示意性实施例中自驱动相变冷却控温装置的原理框图。
图12为本公开再一示意性实施例中自驱动相变冷却控温装置另一种布置的原理框图。
图13为本公开又一示意性实施例中自驱动相变冷却控温装置的原理框图以及立体图。
图14为本公开又一示意性实施例中自驱动相变冷却控温装置另一种布置的的原理框图以及立体图。
上述附图中，附图标记含义具体如下：
1-冷凝器；
2-蒸发器；
3-第一不凝性气体罐；
4-分流集管；
5-冷凝器制冷剂进口；
6-第一不凝气接口；
7-汇流集管；
8-冷凝器制冷剂出口；
9-制冷剂排气口；
10-散热管；
11-蒸发器制冷剂入口；
12-蒸发器制冷剂出口；
13-CO2入口；
14-CO2出口；
15-加热丝；
16-温度传感器；
17-控制器
18-制冷剂蒸汽管路；
19-制冷剂冷凝液回流管路；
20-制冷剂充装口；
21-液位计；
22-第一外壳；
23-微细管束；
24-制冷剂流道；
25-第一制冷剂流道板片；
26-第一CO2流道板片；
27-第一制冷剂微细通道；
28-第一CO2微细通道；
29-第二CO2流道板片；
30-第二制冷剂流道板片；
31-第二CO2微细通道；
32-第二制冷剂微细通道；
33-换热叠板片；
34-通孔；
35-开槽；
36-翅片管束；
37-多层翅片；
38-多层微细通道板片；
39-第二外壳；
40-第一CO2微细管道；
41-第一翅片阵列；
42-第二不凝性气体罐；
43-第二不凝气接口；
44-第三外壳；
45-第二CO2微细管道；
46-第二翅片阵列；
47-第三不凝性气体罐；
48-第三不凝气接口；
49-第四外壳；
50-第三翅片阵列；
51-第四不凝性气体罐；
52-第四不凝气接口；
53-外罩。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
在使用类似于“A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B和C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。
为了解决现有技术中的上述技术问题，本公开通过制冷剂的相变潜热提高了与CO2的换热能力，且由于充装的制冷剂流量小，实现了装置的紧凑化，并通过制冷剂的蒸发和冷凝实现了制冷剂在装置中的自驱动，无需外功推动，提高了可靠性，节约了成本，通过设置不凝性气体，可以根据热负荷调节换热面积，实现了更加快速、精确的温度控制。本公开在不需要外功推动内部制冷剂的基础上，实现了高效地与CO2换热，提高了CO2的热力循环效率，减小了冷却控温装置体积。
图1为本公开示意性实施例中的自驱动相变冷却控温装置的原理框图。
根据本公开的一个方面的发明构思，提供了一种自驱动相变冷却控温装置。如图1所示，自驱动相变冷却控温装置包括：冷凝器1、蒸发器2和第一不凝性气体罐3。冷凝器1包括：分流集管4，下端设置有冷凝器制冷剂进口5；汇流集管7，下端设置有冷凝器制冷剂出口8；第一不凝气接口6和制冷剂排气口9，布置在冷凝器1上端；以及散热管10，两端分别连通分流集管4和汇流集管7；蒸发器2，包括：蒸发器制冷剂入口11，与冷凝器制冷剂出口8连通；蒸发器制冷剂出口12，与冷凝器制冷剂进口5连通；CO2入口13，适用于输入待冷却的二氧化碳工质；以及CO2出口14，适用于输出冷却后的二氧化碳工质；第一不凝性气体罐3，与第一不凝气接口6连通，第一不凝性气体罐3适用于存储从冷凝器1上部排出的不凝性气体或向冷凝器1上部输入不凝性气体；其中，制冷剂在蒸发器2内从二氧化碳工质吸收热量，发生沸腾相变，形成制冷剂蒸汽，制冷剂蒸汽输入到冷凝器1后向外界环境散热，发生冷凝相变，形成冷凝液，通过冷凝器制冷剂出口8流出，并返回到蒸发器制冷剂入口11，完成一次两相循环。
在本实施例中，整个循环过程不需要外功驱动冷却工质，完全通过制冷剂自身的蒸发和冷凝实现自驱动，且由于相变的冷却工质的相变潜热相比于单相的冷却工质的显热更大，能够更有效地实现对CO2的冷却，且由于相变的作用，充装的制冷剂体积有限，有利于装置的小型化和灵活布置，相变工质具有良好的均温性和恒温性，其冷却的CO2的温度也更加稳定，有利于动力/发电系统的高效稳定运行。
根据本公开的一些实施例，冷凝器1为制冷剂与外界热交换的场所，可以通过包括但不限于空气、水等冷媒通过自然对流或强制对流的方式，或者通过热辐射的方式使制冷剂冷凝。
根据本公开的一些实施例，蒸发器2为CO2与制冷剂热交换的场所。
根据本公开的一些实施例，冷凝器1设置在蒸发器2的上方，通过制冷剂蒸发的浮升力和制冷剂冷凝液的重力回流使制冷剂在装置中自驱动循环。
根据本公开的一些实施例，不凝性气体包括但不限于空气、氮气、氦气等气体。
根据本公开的一些实施例，第一不凝性气体罐3通过管路与冷凝器1顶端连接，在第一不凝性气体罐3中可预充不凝性气体，当制冷剂蒸汽在冷凝器1中凝结并返回到蒸发器2时，不凝气体会逐渐被制冷剂排挤到冷凝器1的顶部区域，滞留在冷凝器1远端形成气塞。
在本实施例中，通过在下进下出的制冷剂循环回路内部预先封入一定量的不凝性气体。当冷却系统启动后，制冷剂蒸汽在冷凝器1中凝结并返回到蒸发器2，而不凝气会被蒸汽扫到冷凝器1，滞留在冷凝器1远端形成气塞。当冷却负荷剧烈变化时，不凝气体能够像弹簧一样迅速收缩和膨胀，自动调节冷凝器1有效换热面积，能够在较大的热负荷变动范围内，保持两相介质的温度大致恒定，从而实现冷却器工作温度及压缩机入口sCO2工质温度的快速、精确控制，进一步确保动力/发电系统的高效稳定运行，以及提高系统效率和设备紧凑度。
根据本公开的一些实施例，第一不凝性气体罐3中还设置有加热丝15，通过加热丝15可以加热不凝性气体，以控制不凝性气体的压强进而控制在冷凝器1中不凝性气体的体积，从而控制制冷剂在冷凝器1中的换热面积，进而能够控制装置的换热能力。
根据本公开的一些实施例，本公开自驱动相变冷却控温装置还包括温度传感器16和控制器17，可以通过在CO2出口14处设置温度传感器16与控制器17和加热丝15连接，控制器17根据温度传感器16采集的信息调控通过加热丝15的电流，主动控制不凝性气体的膨胀/收缩，以实现更快速、精确的温度控制。
根据本公开可选的一些实施例，控制器17通过热电偶、铂电阻等温度传感装置，把温度信号变换成电信号，通过单片机、PLC等电路控制继电器，从而控制加热丝15工作。
根据本公开可选的一些实施例，本公开自驱动相变冷却控温装置的散热管10为翅片管束。
根据本公开的一些实施例，本公开自驱动相变冷却控温装置还包括制冷剂蒸汽管路18和制冷剂冷凝液回流管路19。制冷剂蒸汽管路18两端分别与蒸发器制冷剂出口12和冷凝器制冷剂进口5连接，制冷剂冷凝液回流管路19两端分别与蒸发器制冷剂入口11和冷凝器制冷剂出口8连接。
根据本公开可选的一些实施例，本公开自驱动相变冷却控温装置的制冷剂蒸汽管路18和制冷剂冷凝液回流管路19可由金属、塑料等材料制成。
根据本公开的一些实施例，本公开自驱动相变冷却控温装置还包括制冷剂充装口20，制冷剂充装口20设置在制冷剂冷凝液回流管路19上，制冷剂充装口20适用于向回路中添加制冷剂。
根据本公开可选的一些实施例，本公开自驱动相变冷却控温装置的蒸发器制冷剂流道中还设置有毛细芯，通过毛细芯的毛细作用使制冷剂能够反重力向上流动。
根据本公开的一些实施例，本公开自驱动相变冷却控温装置还包括液位计21，安装在冷凝器1的侧壁，适用于观察冷凝器1内制冷剂的情况，工作人员可以通过液位计21判断是否异常，是否需要添加制冷剂等。可选的，还包括警报装置，警报装置与液位计21连接，响应于液位计21的液位达到预设位置后，警报装置被触发发出警示信号。
根据本公开一些可替换的实施例，本公开自驱动相变冷却控温装置的液位计可以为观察窗，适用于观测冷凝器1内制冷剂的状态。更进一步的，液位计和观察窗也可同时存在。
根据本公开的一些实施例，本公开自驱动相变冷却控温装置的制冷剂包括R134a、R12、R22、R404A等。
图2为本公开示意性实施例的自驱动相变冷却控温装置的第一种蒸发器的立体图和剖视图。
根据本公开的一些实施例，如图2所示，本公开自驱动相变冷却控温装置的蒸发器包括第一外壳22、微细管束23。其中微细管束23的两端分别连通CO2入口13和CO2出口14；其中，蒸发器制冷剂入口11和蒸发器制冷剂出口12开设在第一外壳22上，制冷剂在第一外壳22与微细管束23外壁之间缝隙组成的制冷剂流道24中流动。
在本实施例中，综合考虑紧凑型、流动阻力、防堵耐蚀、承压能力，微细管束23组成的CO2流道的水力直径一般可在0.5～3mm之间。CO2从CO2入口13进入到由微细管束23中，CO2通过与微细管束23外侧的流动的制冷剂换热，温度得到降低，通过CO2出口14流出。制冷剂由蒸发器制冷剂入口11进入到蒸发器中，进入到由微细管束23和第一外壳22间的缝隙构成的制冷剂流道24，通过与微细管束23壁面的换热，发生沸腾相变，形成制冷剂蒸汽由蒸发器制冷剂出口12流出。
根据本公开的一些实施例，为了实现更好的冷却效果，蒸发器中两股流体采用逆流布置，将蒸发器制冷剂出口12设置在蒸发器制冷剂入口11的上方，将CO2出口14设置在CO2入口13的下方。
图3为本公开意性实施例的自驱动相变冷却控温装置的第二种蒸发器的主视图、细部图和立体图。
根据本公开的一些实施例，如图3所示，蒸发器包括第一制冷剂流道板片25和第一CO2流道板片26。通过在第一制冷剂流道板片25表面蚀刻大量并联的微细槽道形成第一制冷剂微细通道27，在第一CO2流道板片26表面也蚀刻大量的并联槽道形成第一CO2微细通道28。第一制冷剂流道板片25和第一CO2流道板片26以相互毗邻的顺序交替层叠放置，并通过扩散焊等焊接方式连接成一个整体。
在本实施例中，综合考虑紧凑性、流动阻力、防堵耐蚀、承压能力，微细通道水力直径一般可在0.5～3mm之间。CO2从CO2入口13进入到第一CO2流道板片26内的第一CO2微细通道28，通过壁面向另一侧的制冷剂放热，温度降低，经由CO2出口14流出。制冷剂经由蒸发器制冷剂入口11流入，进入到第一制冷剂流道板片25的第一制冷剂微细通道27中，通过壁面从CO2一侧吸热，发生沸腾相变，形成制冷剂蒸汽，经蒸发器制冷剂出口12流出。
图4为本公开示意性实施例的自驱动相变冷却控温装置的第三种蒸发器的主视图、细部图和立体图。
根据本公开的一些实施例，如图4所示，自驱动相变冷却控温装置的蒸发器还包括第二CO2流道板片29、第二制冷剂流道板片30。其中，第二CO2流道板片29包括多条用于流通CO2的第二CO2微细通道31。第二制冷剂流道板片30，与第二CO2流道板片29交叉设置，第二制冷剂流道板片30的两端分别连通蒸发器制冷剂入口11和蒸发器制冷剂出口12，第二制冷剂流道板片30包括多条用于流通制冷剂的第二制冷剂微细通道32。
在本实施例中，蒸发器中两股流体采取叉流的布置方式，这样有助于降低流动阻力，减少堵塞的可能性。
图5为本公开示意性实施例的自驱动相变冷却控温装置的第四种蒸发器的主视图、剖面图和立体图。
根据本公开的一些示意性实施例。如图5所示，自驱动相变冷却控温装置的蒸发器还包括：多层换热叠板片33。每个换热叠板片33上设置有多个垂直于板片的通孔34，不同换热叠板片同一位置上的通孔相互对齐，形成制冷剂通道或适用于设置制冷剂通道，换热叠板片上还设置有与通孔相隔离的多个开槽35，多层换热叠板片上的开槽形成CO2通道。
在本实施例中，综合考虑紧凑性、流动阻力、防堵耐蚀、承压能力，微细槽道水力直径一般可在0.5～3mm之间，通孔的水力直径一般可在3mm以上。CO2从CO2入口13进入到开槽35的槽道中，通过通孔34的间壁向制冷剂散热，降温后经CO2出口14流出。制冷剂通过蒸发器制冷剂入口11进入蒸发器，通过换热叠板片上通孔34形成的制冷剂通道壁面吸收CO2的热量，发生沸腾相变，形成制冷剂蒸汽，经由蒸发器制冷剂出口12流出。
根据本公开的一些实施例，蒸发器制冷剂入口11和蒸发器制冷剂出口12可分别汇成集管统一引入/引出蒸发器，也可形成各自互不连通的多个制冷剂自驱动循环回路。
图6为本公开示意性实施例的自驱动相变冷却控温装置的第一种冷凝器的主视图和立体图。
根据本公开可选的一些示意性实施例。如图6所示，冷凝器包括有翅片管束36，翅片管束36分为M层，每一层有N个翅片管，M、N均为大于零的整数，不同翅片管之间相互并联。制冷剂蒸汽通过分流集管4下部进入到并联的翅片管束中，通过翅片管的管壁向周围环境散热，凝结成液态，并由汇流集管7的下部流出冷凝器。这样，当冷凝器中不凝性气体的体积在较大的范围内变动时，由于翅片管之间相互并联，不凝性气体不会阻断制冷剂的流动通路。
根据本公开的一些示意性实施例，翅片管束沿流动方向具有一定向下的坡度，以便冷凝液在重力的作用下顺畅流动。
图7为本公开示意性实施例的自驱动相变冷却控温装置的第二种冷凝器的俯视图、主视图和立体图。
根据本公开的一些示意性实施例。如图7所示。与图6所示冷凝器的不同之处在于，各翅片管束仅在高度方向上为相互并联关系，并在水平或倾斜平面内直行或弯曲盘绕，以利于冷凝液的顺畅流动。这样，即使冷凝器中不凝气容积在较大范围内变动时，仍然不会阻断制冷剂的流动通路。
图8为本公开示意性实施例的自驱动相变冷却控温装置的第三种冷凝器的立体图、主视图和侧视图。
根据本公开的一些示意性实施例。如图8所示，自驱动相变冷却控温装置的散热管还包括：多层翅片37；以及多层微细通道板片38，其内设置有供制冷剂流动的微细通道阵列；其中，多层翅片37与多层微细通道板片38交替设置。
在本实施例中，微细通道板片38沿流动方向具有一定向下的坡度，以便冷凝液在重力的作用下顺畅流动。
图9为本公开另一示意性实施例中自驱动相变冷却控温装置的原理框图。
图10为本公开另一示意性实施例中自驱动相变冷却控温装置另一种布置的原理框图。
根据本公开的另一个方面的发明构思，提供了一种自驱动相变冷却控温装置。如图9和图10所示，自驱动相变冷却控温装置包括第二外壳39、第一CO2微细管道40、第一翅片阵列41和第二不凝性气体罐42。第二外壳39具有第一容置空间，第一容置空间内填充有相变制冷剂，第二外壳39上端设置有第二不凝气接口43。第一CO2微细管道40整体呈螺旋状，设置在第一容置空间的底部(参见图9)或套设在第二外壳39的下部(参见图10)，第一CO2微细管道40的两端分别用于输入待冷却的二氧化碳工质、输出冷却后的二氧化碳工质。第一翅片阵列41，设置在第二外壳39的上部。第二不凝性气体罐42，与第二不凝气接口43连通，适用于存储从第一容置空间上端排出的不凝性气体或向第一容置空间上端输入不凝性气体。
在本实施例中，CO2经由第一CO2微细管道40流过装置，在第一容置空间下部的将热量传递给制冷剂，制冷剂从CO2吸收热量，发生沸腾相变，形成制冷剂蒸汽，并在浮升力的作用下流动到第一容置空间的上端，通过第一翅片阵列41将热量传递给周围环境后，发生冷凝相变，形成冷凝液，并在重力作用下顺着外壳的内侧壁向下流动，返回到第一容置空间底部，然后进入到下一个循环。如此循环往复，将CO2携带的废热排到外界环境中。
图11为本公开再一示意性实施例中自驱动相变冷却控温装置的原理框图。
图12为本公开再一示意性实施例中自驱动相变冷却控温装置另一种布置的原理框图。
根据本公开的再一个方面的发明构思，提供了一种自驱动相变冷却控温装置。如图11和图12所示，自驱动相变冷却装置包括：第三外壳44、第二CO2微细管道45、第二翅片阵列46、第三不凝性气体罐47。第三外壳44，具有第二容置空间，第二容置空间内填充有相变制冷剂，第三外壳44上端设置有第三不凝气接口48；第二CO2微细管道45，阵列式地设置在第二容置空间的底部(参见图11)或者第三外壳44下部的侧面(参见图12)，第二CO2微细管道45的两端分别用于输入待冷却的二氧化碳工质、输出冷却后的二氧化碳工质；第二翅片阵列46，设置在第三外壳44上部的侧面；第三不凝性气体罐47，与第三不凝气接口48连通，第三不凝性气体罐47适用于存储从第二容置空间上端排出的不凝性气体或向第二容置空间上端输入不凝性气体。
在本实施例中，第二容置空间底部的制冷剂从二氧化碳工质吸收热量，发生沸腾相变，形成制冷剂蒸汽，并在浮升力的作用下流动到第二容置空间的上部，制冷剂蒸汽通过第二翅片阵列46将热量传递给周围环境后发生冷凝相变，形成冷凝液，并在重力作用下顺着第三外壳44的内侧壁向下流动，返回到第二容置空间底部，然后进入到下一个循环。如此循环往复，将CO2携带的废热排到外界环境中。
图13是为本公开又一示意性实施例中自驱动相变冷却控温装置的原理框图以及立体图。
根据本公开的再一个方面的发明构思，提供了一种自驱动相变冷却控温装置。如图13所示，自驱动相变冷却控温装置包括，多个并联的第四外壳49组成的阵列、蒸发器2、第三翅片阵列50、第四不凝性气体罐51。每个第四外壳49具有第三容置空间作为制冷剂通道，第三容置空间内填充有相变制冷剂，每个第四外壳49上端设置有第四不凝气接口52；蒸发器2，设置在第四外壳49阵列的下部，包括：多层换热叠板片，每个换热叠板片上设置有多个垂直于板片的通孔，多个通孔相互对齐而形成多个制冷剂通道，多个制冷剂通道分别与多个第四外壳相连通而构成多个相互独立的第三容置空间，内部分别填充有相变制冷剂；换热叠板片上还设置有与通孔相隔离的多个开槽，多个开槽形成CO2通道，CO2通道的两端分别用于输入待冷却的二氧化碳工质、输出冷却后的二氧化碳工质。第三翅片阵列50，整体式或分离式地设置在第四外壳49阵列的上部。第四不凝性气体罐51，与每个第四不凝气接口52连通，第四不凝性气体罐51适用于存储从每个第三容置空间上端排出的不凝性气体或向第三容置空间上端输入不凝性气体。
在本实施例中，每个第三容置空间底部的制冷剂从二氧化碳工质吸收热量，发生沸腾相变，形成制冷剂蒸汽，并在浮升力的作用下流动到第三容置空间上部，制冷剂蒸汽通过第三翅片阵列50将热量传递给周围环境后发生冷凝相变，形成冷凝液，并在重力作用下顺着每个第四外壳49的内侧壁向下流动，回流至第三容置空间的底部，然后进入到下一次循环。如此循环往复，将CO2携带的废热排到外界环境中。
根据本公开的一些实施例，其第三翅片阵列50外侧安装有外罩53，用以设置风道。
根据本公开的一些实施例，第四外壳49的横截面可为圆形、扁圆形等任意合适的形状，例如，第四外壳49的横截面一半为半圆形一半为矩形，或者半圆矩形、圆角矩形等。
图14是本公开又一示意性实施例中自驱动相变冷却控温装置另一种布置的的原理框图以及立体图。
根据本公开的一些示意性实施例。如图14所示，第四外壳49可选用直管、弯折管或弧形管等任意形状，以便于安装位置相适应。弯曲的筒状管束允许装置进行灵活的设置，比如将冷凝器结合到车体、船体、机体等结构上，或与车体、船体、机体等形成一体化结构。从而有助于装置的分布式、移动式应用。
基于上述技术方案可知，本公开的自驱动相变冷却控温装置，相比于现有技术至少具有如下有益效果之一或其中的一部分：
(1)温控精确、灵敏。与现有的液态水单相强制循环相比，因相变传热能力更强，工质充装量更少，热惯性小，且直接通过内部相变工质(制冷剂)和不凝性气体自动调节冷凝器有效换热面积，温度响应更快。
(2)提高热力循环效率。蒸发和冷凝两个相变过程都有极高的对流换热系数，相对于单相冷却介质而言，能够显著减小传热热阻，减小热力循环工质(CO2)与自然环境之间的传热温差，从而降低冷却过程的平均放热温度，减少向环境的放热损失，因而能够提高热力循环的热—功转换效率。
(3)无需外功驱动。相变冷却介质依靠蒸发器与冷凝器之间温差形成的饱和压差，驱动相变冷却介质流动，属于自驱动循环，无需额外驱动设备，节约电力消耗，并能够提高可靠性，减轻重量，节约成本。
(4)紧凑性。利用相变潜热实现高强度传热，内部工质流量小，传热量大，实现发电/动力系统紧凑化，便于分布式、移动式应用。
(5)布局灵活。能够实现sCO2冷却器(蒸发器端)与散热器(冷凝器端)的分离布置。如果采取设置毛细芯等措施，也可实现反重力运行。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各零部件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (19)

1.一种自驱动相变冷却控温装置，其特征在于，包括：
冷凝器，包括：
分流集管，下端设置有冷凝器制冷剂进口；
汇流集管，下端设置有冷凝器制冷剂出口；
第一不凝气接口和制冷剂排气口，布置在冷凝器上端；以及
散热管，两端分别连通所述分流集管和所述汇流集管；
蒸发器，包括：
蒸发器制冷剂入口，与所述冷凝器制冷剂出口连通；
蒸发器制冷剂出口，与所述冷凝器制冷剂进口连通；
CO2入口，适用于输入待冷却的二氧化碳工质；以及
CO2出口，适用于输出冷却后的二氧化碳工质；
第一不凝性气体罐，与所述第一不凝气接口连通，所述第一不凝性气体罐适用于存储从冷凝器上部排出的不凝性气体或向冷凝器上部输入不凝性气体；
其中，制冷剂在所述蒸发器内从二氧化碳工质吸收热量，发生沸腾相变，形成制冷剂蒸汽，所述制冷剂蒸汽输入到冷凝器后向外界环境散热，发生冷凝相变，形成冷凝液，通过所述冷凝器制冷剂出口流出，并返回到所述蒸发器制冷剂入口，完成一次两相循环。
2.根据权利要求1所述的自驱动相变冷却控温装置，其特征在于，还包括：
加热丝，设置在所述第一不凝性气体罐内，所述加热丝适用于对所述不凝性气加热以改变所述不凝性气的体积。
3.根据权利要求2所述的自驱动相变冷却控温装置，其特征在于，还包括：
温度传感器，设置在所述CO2出口处；以及
控制器，分别与所述温度传感器和所述加热丝连接，所述控制器适用于根据所述温度传感器采集的信息调控通过所述加热丝的电流。
4.根据权利要求1所述的自驱动相变冷却控温装置，其特征在于，所述散热管为翅片管束。
5.根据权利要求1所述的自驱动相变冷却控温装置，其特征在于，还包括：
制冷剂蒸汽管路，两端分别与所述蒸发器制冷剂出口和所述冷凝器制冷剂进口连通；以及
制冷剂冷凝液回流管路，两端分别与所述冷凝器制冷剂出口和所述蒸发器制冷剂进口连通。
6.根据权利要求5所述的自驱动相变冷却控温装置，其特征在于，还包括：
制冷剂充装口，设置在所述制冷剂冷凝液回流管路，所述制冷剂充装口适用于向回路中添加制冷剂。
7.根据权利要求5所述的自驱动相变冷却控温装置，其特征在于，所述蒸发器中制冷剂流道设置有毛细芯。
8.根据权利要求1所述的自驱动相变冷却控温装置，其特征在于，还包括：
液位计，设置在所述冷凝器的侧壁上，所述液位计适用于测量所述冷凝器内液态制冷剂的液位；和/或
观察窗，设置在述冷凝器的侧壁上，所述观察窗适用于观测所述冷凝器内制冷剂的状态。
9.根据权利要求1所述的自驱动相变冷却控温装置，其特征在于，所述蒸发器还包括：
第一外壳；
多个微细管束，所述微细管束两端分别连通所述CO2入口和所述CO2出口；
其中，所述蒸发器制冷剂入口和所述蒸发器制冷剂出口开设在所述第一外壳上，所述制冷剂在所述第一外壳以及所述微细管束外壁围成的彼此连通的缝隙间流动。
10.根据权利要求1所述的自驱动相变冷却控温装置，其特征在于，所述蒸发器还包括：
第一CO2流道板片，所述第一CO2流道板片两端分别连通所述CO2入口和所述CO2出口，所述第一CO2流道板片包括多条用于流通CO2的流道；
第一制冷剂流道板片，与所述第一CO2流道板片以相互毗邻的顺序交替层叠放置，其中制冷剂流道与CO2流道呈逆流布置，所述第一制冷剂流道板片两端分别连通所述蒸发器制冷剂入口和所述蒸发器制冷剂出口，所述制冷剂流道板片包括多条用于流通制冷剂的流道。
11.根据权利要求1所述的自驱动相变冷却控温装置，其特征在于，所述蒸发器还包括：
第二CO2流道板片，所述第二CO2流道板片包括多条用于流通CO2的流道；
第二制冷剂流道板片，与所述第二CO2流道板片以相互毗邻的顺序交替层叠放置，其中制冷剂流道与CO2流道呈叉流布置，所述第二制冷剂流道板片的两端分别连通所述蒸发器制冷剂入口和所述蒸发器制冷剂出口，所述第二制冷剂流道板片包括多条用于流通制冷剂的流道。
12.根据权利要求1所述的自驱动相变冷却控温装置，其特征在于，所述蒸发器还包括：
多层换热叠板片，每个所述换热叠板片上设置有多个垂直于板片的通孔，多个所述通孔相互对齐形成制冷剂通道或适用于设置制冷剂通道，所述换热叠板片上还设置有与所述通孔相隔离的多个开槽，多层换热叠板片上的开槽形成CO2通道。多个所述制冷剂通道两端分别汇集形成单个蒸发器制冷剂进口和蒸发器制冷剂出口，或者构成互不连通的多个制冷剂自驱动循环回路。
13.根据权利要求4所述的自驱动相变冷却控温装置，其特征在于，所述翅片管束分为M层，每层有N个翅片管；翅片管间相互并联；其中M、N为大于零的整数。
14.根据权利要求4所述的自驱动相变冷却控温装置，其特征在于，所述翅片管束沿冷凝器高度方向相互并联，并在水平或倾斜平面内直行或弯曲盘绕。
15.根据权利要求1所述的自驱动相变冷却控温装置，其特征在于，所述散热管包括：
多层翅片；以及
多层微细通道板片，其内设置有供制冷剂流动的微细通道阵列；
其中，所述多层翅片与所述多层微细通道板片交替设置。
16.一种自驱动相变冷却控温装置，其特征在于，包括：
第二外壳，具有第一容置空间，所述第一容置空间内填充有相变制冷剂，所述第二外壳上端设置有第二不凝气接口；
第一CO2微细管道，所述第一CO2微细管道整体呈螺旋状，所述第一CO2微细管道设置在所述第一容置空间的底部或套设在所述第二外壳的下部，所述第一CO2微细管道的两端分别用于输入待冷却的二氧化碳工质、输出冷却后的二氧化碳工质；
第一翅片阵列，设置在所述第二外壳的上部；
第二不凝性气体罐，与所述第二不凝气接口连通，所述第二不凝性气体罐适用于存储从所述第一容置空间上端排出的不凝性气体或向所述第一容置空间上端输入不凝性气体；
其中，所述第一容置空间底部的制冷剂在从二氧化碳工质吸收热量，发生沸腾相变，形成制冷剂蒸汽，并在浮升力的作用下流动到所述第一容置空间的上部，制冷剂蒸汽通过所述第一翅片阵列将热量传递给周围环境后，发生冷凝相变，形成冷凝液，并在重力作用下顺着所述第二外壳的内侧壁向下流动，返回到所述第一容置空间底部，完成一次两相循环。
17.一种自驱动相变冷却控温装置，其特征在于，包括：
第三外壳，具有第二容置空间，所述第二容置空间内填充有相变制冷剂，所述第三外壳上端设置有第三不凝气接口；
第二CO2微细管道，阵列式地设置在所述第二容置空间的底部或者所述第三外壳下部的侧面，所述第二CO2微细管道的两端分别用于输入待冷却的二氧化碳工质、输出冷却后的二氧化碳工质；
第二翅片阵列，设置在所述第三外壳上部的侧面；
第三不凝性气体罐，与所述第三不凝气接口连通，所述第三不凝性气体罐适用于存储从所述第二容置空间上端排出的不凝性气体或向所述第二容置空间上端输入不凝性气体；
其中，所述第二容置空间底部的制冷剂从二氧化碳工质吸收热量，发生沸腾相变，形成制冷剂蒸汽，并在浮升力的作用下流动到所述第二容置空间的上部，制冷剂蒸汽通过所述第二翅片阵列将热量传递给周围环境后发生冷凝相变，形成冷凝液，并在重力作用下顺着所述第三外壳的内侧壁向下流动，回到所述第二容置空间底部，完成一次两相循环。
18.一种自驱动相变冷却控温装置，其特征在于，包括：
多个并联的第四外壳组成的阵列，每个所述第四外壳上端设置有第四不凝气接口；
蒸发器，设置在所述第四外壳阵列的下部，包括：
多层换热叠板片，每个所述换热叠板片上设置有多个垂直于板片的通孔，多个所述通孔相互对齐而形成多个制冷剂通道，所述多个制冷剂通道分别与所述多个第四外壳相连通而构成多个相互独立的第三容置空间，内部分别填充有相变制冷剂；所述换热叠板片上还设置有与所述通孔相隔离的多个开槽，所述多个开槽形成CO2通道，所述CO2通道的两端分别用于输入待冷却的二氧化碳工质、输出冷却后的二氧化碳工质；
第三翅片阵列，整体式或分离式地设置在所述第四外壳的上部；
第四不凝性气体罐，与每个所述第四不凝气接口连通，所述第四不凝性气体罐适用于存储从每个所述第三容置空间上端排出的不凝性气体或向所述第三容置空间上端输入不凝性气体；
其中，每个所述第三容置空间底部的制冷剂从二氧化碳工质吸收热量，发生沸腾相变，形成制冷剂蒸汽，并在浮升力的作用下流动到所述第三容置空间上部，制冷剂蒸汽通过所述第三翅片阵列将热量传递给周围环境后发生冷凝相变，形成冷凝液，并在重力作用下顺着每个所述第四外壳的内侧壁向下流动，返回到每个所述第三容置空间底部，完成一次两相循环。
19.根据权利要求18所述的自驱动相变冷却控温装置，其特征在于，所述第四外壳为直管、弯折管或弧形管，截面为圆形、方形、扁圆形或其组合形状。
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