CN1689183A - 热管理系统 - Google Patents

Abstract

一种热管理系统，具有高温传热管路和低温传热管路，以便调节具有不同工作温度的多个发热部件的温度。这些传热管路彼此相通并互相关联，由此用一个循环泵就能将传热介质泵过两套管路。其中，一个传热管路包括一连续回路，并且另一个传热管路包括一个开放回路，该开放回路具有第一端头和第二端头，并且在这两个端头处与第一传热管路相通。每一套传热管路均带有一个热交换器以便调节传热介质的温度。

Description

热管理系统

技术领域

[0001]本发明涉及一种温度调节系统，用来调节两个以上的具有不同工作温度的发热部件。

背景技术

[0002]现有很多已知的含有多个工作温度不同的发热部件的系统。其中一例就是燃料电池系统，该系统无论是固定的还是车载的，均包含有多个需要进行温度调节的发热部件。一种典型的燃料电池系统的一些发热部件包括燃料电池、燃料产生系统、辅助燃料电池温度调节器以及用于车辆时的牵引电机。许多类型的燃料产生系统均包括硼氢化钠系统、电解器以及燃料改性系统。辅助燃料电池温度调节器包括：用于流入燃料电池组的阴极和阳极流的湿度和温度控制装置、电子模块或者电力电子模块、冷凝器、用来冷却热空气的进气冷却器、燃料存贮系统以及电池调节器。其中的一些部件具有不同的工作温度，因此需要进行不同的温度调节。

[0003]为了满足这些不同的需要，燃料电池系统通常都带有两个或多个独立的传热管路。每个管路都带有各自的泵送装置和换热装置以便对冷却剂的温度进行调节，并且每管路中的传热流体都有可能与其它传热管路中的传热流体不同。(Rennfeld等人的)美国专利文献US5537956中就公开了这种燃料电池系统的一个例子，该系统至少通过两套分离的冷却管路来冷却汽车部件。在Rennfeld等人的系统中，每一套管路均带有自己的泵和散热器/风扇，其中第一套管路包括燃料电池单元，第二套管路包括电力驱动电机和功率控制器。这两套管路彼此之间有热交换，但两套管路之间并不流通。

[0004](Wlech的)美国专利文献US6370903公开了一种用于燃料电池动力车辆的热泵型空气调节和加热系统。Wlech的系统具有两个分离的冷却剂管路和一个制冷管路。这两套冷却剂管路由分离的泵来泵送并用分离的散热器来冷却，两冷却管路之间优选为存在热交换。然而，不同的加热和/或冷却管路之间并不流通。

[0005]Skala的美国专利文献US6360835公开了一种燃料电池动力的电力车辆，包括高温传热管路和低温传热管路。其中高温传热管路包括发热的燃料处理器、吸热设备以及第一循环泵。其中低温传热管路包括燃料电池、牵引电机、电力电子设备、散热器和第二个泵。高低温管路中使用同一种传热流体。两套管路之间通过一对管道而存在一些流通，其中流过每个管道的流量通过一个阀门来控制。

[0006]显然，多套传热管路均带有各自的管道、泵以及温度调节装置，则会大大提高燃料电池动力装置或其它操作系统的成本、复杂性和重量。由此就需要更为简单、更为有效的热管理系统。

发明内容

[0007]本发明的一个方面是提供一种热管理系统，以便调节在第一温度下工作的第一发热部件的温度和在第二温度下工作的第二发热部件的温度，其中第一温度和第二温度不同，该系统包括：(a)一个第一传热管路，用来使传热介质循环流动并使所述传热介质与所述第一发热部件热关联，所述第一传热管路包括一个第一热交换器，所述第一热交换器用来调节在所述第一传热管路中循环流动的传热介质的温度；(b)一个第二传热管路，用来使传热介质循环流动并使所述传热介质与所述第二发热部件热关联，所述第二传热管路包括一个第二热交换器，所述第二热交换器用来调节在所述第二传热管路中循环流动的传热介质的温度，第一和第二传热管路之间彼此流通；(c)一个循环泵，用来使传热介质穿过第一和第二传热管路而循环流动；其中第一传热管路和第二传热管路中有一个传热管路形成一连续的回路，而另一个传热管路则具有一个第一端头和第二端头，两个管路在这两个端头处相通。

附图说明

[0008]下面参考附图仅以举例的方式来描述本发明的优选实施例，其中：

[0009]图1是本发明第一个优选的热管理系统的示意图；

[0010]图2是本发明第二个优选的热管理系统的示意图；和

[0011]图3是本发明第三个优选的热管理系统的示意图。

具体实施方式

[0012]现在参见附图来描述本发明的优选热管理系统，其中相同的附图标记用来表示该系统不同实施例的相同部件。尽管这些优选实施例均是结合燃料电池系统进行的描述，但显然本发明也适用于其它场合，例如也适于混合动力车辆工作系统、内燃机或电子设备的热管理。

[0013]图1展示的是第一个优选的热管理系统10，用来调节燃料电池发电装置中多个部件的温度。显然，这些附图并没有展示燃料电池发电装置中的所有部件，仅包括那些用于理解本发明所需要的部件。图1所展示的燃料电池发电装置中的部件是燃料电池12和一对部件14和16，所有这些部件在大多数工作条件下均是发热的。部件14和16，这里通常被称为“发热部件”，根据上面的定义，要么是燃料产生模块，要么是辅助燃料电池温度调节器。尽管在下面的特定实例中，部件14和16均表示辅助燃料电池温度调节器，但部件14和16的具体名称对本发明的理解并非必要。尽管部件12在这里是指“燃料电池”，但该部件作为替换也可包括一个燃料电池热交换器。

[0014]热管理系统10包括两个彼此相连的传热管路，即用来使液态传热介质循环流动并与燃料电池12热关联的第一传热管路18，以及用来使同一液态传热介质循环流动并与发热部件14和16之一或两者热关联的第二传热管路20。显然，第二传热管路20有可能只包括有一个发热部件，也有可能除了部件14和16外还包括有多个发热部件。显然，第一传热管路18除了燃料电池12之外有可能还包括有一个或多个发热部件，其中的燃料电池12，如上所述可包括有一个燃料电池热交换器。

[0015]第一传热管路18还包括一个循环泵22，该循环泵22可优选为单速泵、多速泵或者是变速泵，以便使传热介质穿过第一和第二传热管路而循环流动。更为优选的是，循环泵22采用多速泵或变速泵，并且如图1所示的优选实施例那样，循环泵22被布置在第一传热管路18中。然而，也可将循环泵22优选布置在第二传热管路20中。

[0016]为了对传热管路中传热介质的温度进行调节，第一传热管路18和第二传热管路20中分别布置有第一热交换器24和第二热交换器26。热交换器24、26优选带有精确控制传热介质温度的装置。

[0017]本发明系统中所用的热交换器并没有特别的限制。例如，热交换器24、26作为优选可以是液液热交换器，其带有一个用作传热介质温度控制装置的可控旁通。这种系统特别适用于需要将燃料电池所产生的一部分热量收回到辅助流体介质的场合。作为选择，热交换器24、26优选也可是一种不带有可控旁通的液液热交换器。辅助流体介质的流量最好可以变化从而实现传热介质的温度控制。采用这种系统可使燃料电池更快地达到其工作温度。

[0018]在图1所示优选的热管理系统10中，第一热交换器24包括一个散热器28，该散热器28具有一个热控风扇30，该风扇30由温控器32控制从而用作传热介质的温度控制装置。同样，第二热交换器26也包括一个散热器34、热控风扇36以及一个温控器38。发明人发现使用散热器/风扇单元能够实现温度的快速控制。此外，在循环泵22是变速泵的情况下，其也可用作传热介质的温度控制装置，并且更为优选的是将其用来控制燃料电池的温度或者电池组间的温差。

[0019]为了更加清楚地区分开第一传热管路18和第二传热管路20，包括有第一传热管路18的管路如图用实线表示，而包括有第二传热管路20的管路则用虚线表示。从图中可以看出，第一传热管路18形成了一个连续的回路，其中热量由燃料电池12加到传热介质中，并由热交换器24从传热介质中排出。第二传热管路20没有形成一个闭环回路，其具有第一端头40和第二端头42，第二传热管路20在这两个端头处与第一传热管路18相流通。

[0020]显然，第一传热管路18或第二传热管路20中的任一个均可以是连续的回路，只要热管理系统10能形成多个相互关联的并能由一个循环泵控制的传热管路即可。在本发明第一优选实施例的热管理系统10中，第一传热管路18和第二传热管路20彼此关联，其中第二传热管路20为开放式管路，其不能独立于第一传热管路18工作。

[0021]在第一个优选的热管理系统10中，第一传热管路18包括一个高温管路，其中在第一传热管路18中循环的传热介质的温度等于或高于第二传热管路20中循环的传热介质。第一传热管路18和第二传热管路20中流动的传热介质的温度没有特别的限制，其优选在40℃到200℃之间。在热管理系统优选实施例的讨论中，这里仅出于示例的需要，传热介质的温度通常在60℃到80℃之间。然而，本发明的热管理系统并不限于这么窄的工作温度范围。

[0022]在图1所示的热管理系统10中，第一热交换器24对第一传热管路18中传热介质的温度进行控制，从而使传热介质在与燃料电池12热交换接触时的温度大约为70℃，第二热交换器26对第二传热管路20中传热介质的温度进行控制从而使传热介质在与发热部件14热交换接触时的温度大约为60℃。燃料电池12紧下游的传热介质的温度大约为80℃，而部件14紧下游的传热介质的温度大约为65℃。高温流体与低温流体在点42处混合，从而能够有效地降低第一传热管路18中传热介质的温度，并减小第一热交换器24的尺寸。作为优选，第一传热管路18和第二传热管路20彼此平衡从而使第一热交换器24和第二热交换器26具有相似的尺寸和热交换容量。

[0023]如第二传热管路20中箭头方向所示，传热介质从第二传热管路20的第一端头40流过第二热交换器26以及发热部件14和16中的一个或两个并流到第二端头。图1所示用来导引流体流过部件14和16的装置包括阀门44，所述阀门44优选包括一个有源控制阀或者是一个多位换向阀。然而，也可选用其它装置将流体导流到模块14和16，这取决于系统的需要。这些可选装置包括截止阀以及无源的孔板。也可在系统中有计划地布置燃料电池部件来控制传热介质的流量。

[0024]从图1可以看出，在第一传热管路18中流动的传热介质的受控部分进入第二传热管路20的第一端头40。进到第二传热管路20的传热介质的流量优选可由阀门和/或经校准的孔口来控制，更为优选的是用有源控制阀、多位换向阀、截流阀或无源孔板来控制。在图1所示的优选实施例中，进到第二传热管路20第一端头40的传热介质的流量是由一个多位三通阀46来控制的。显然，流过第二传热管路20的所有传热介质均会流过第二传热管路20的第二端头42并流入第一传热管路18。

[0025]由此，流过第一传热管路18的传热介质会有一部分转入第二传热管路20的第一端头40，其流过第二传热管路20的第二端头42而再次流入第一传热管路18。进入第二传热管路20第一端头40的传热介质的初始温度大约为70℃，在流过发热部件14和/或16之前大约被冷却到60℃。离开部件14和16并流到第二传热管路20第二端头42的传热介质的温度大约为65℃。大约为65℃的传热介质与离开燃料电池12大约为80℃的传热介质混合，混合后传热介质的温度大约为70到75℃。然后，该传热介质被第一热交换器24冷却到大约70℃的温度。在第一传热管路18和第二传热管路20中，由热交换器24和26所去除的热量由温控器32和温控器38来控制，所述温控器32和温控器38位于发热部件12、14和16的紧上游。由此，就能精确地控制部件12、14和16的临界工作温度。

[0026]图2所示为本发明第二个优选的热管理系统50。如第一个优选的热管理系统10一样，热管理系统50包括有燃料电池12和发热部件14和16。此外，第二优选热管理系统50还要调节一个附加发热部件52的温度，该发热部件52或者包括有一个辅助燃料电池温度调节器，或者包括一个燃料产生系统。在下面讨论的特定实例中，部件52为辅助燃料电池温度调节器。该热管理系统50包括有第一传热管路54，该管路上具有一个第一热交换器24以便调节燃料电池12和发热部件16的温度，该热管理系统50还包括有第二传热管路58，该管路上具有一个第二热交换器26以便调节发热部件14和52的温度。与图1所示的一样，构成第一传热管路54的管路在图中用实线表示，而第二传热管路58的管路则由虚线表示。

[0027]与第一优选热管理系统10一样，第一热交换器24包括有散热器28、热控风扇30以及温控器32，而第二热交换器26包括有散热器34、热控风扇36以及温控器38。

[0028]系统用单一的循环泵22来使传热介质流过热管理系统50。与第一个优选的系统10一样，第一传热管路54形成一条连续的回路，而第二传热管路58则具有第一端头40和第二端头42，第一端头40用来从第一管路54接收传热介质，而在第二端头42处，流过第二传热管路58的传热介质会与流过第一传热管路54的传热介质混合。

[0029]热管理系统50和热管理系统10之间的一个不同点是发热部件的布置不同。在热管理系统50中，第二传热管路58将热量从部件14和52带走，其中流到部件14和52的传热介质由阀门或经校准的孔44来控制。第一传热管路54也包括有燃料电池12和发热部件16，其中流到这些部件的传热介质由阀门和/或经校准的孔60来控制。

[0030]系统50的第一传热管路54为高温管路，其中进入燃料电池12和/或部件16的传热介质的温度大约为70℃，并且离开燃料电池的传热介质的温度大约为80℃。第二传热管路58为低温管路，其中进入部件14或52的传热介质的温度大约为60℃，并且离开部件14的传热介质的温度大约为65℃。

[0031]热管理系统50和热管理系统10之间的另一个不同点在于，第二传热管路58中的热交换器24位于燃料电池12和部件16的下游，并且在点42的上游，其中第一和第二管路54和58中的传热介质就在点42处混合。毫无疑义，由于温控器32位于混合点42的下游以及燃料电池12和部件16的紧上游，因此能够实现精确的温度控制。

[0032]在第二传热管路58中，第二热交换器26相对于部件14和52的位置与第一热管理系统10中的一样。

[0033]图3所示为本发明第三个优选的热管理系统70。该热管理系统70可被看成第二个优选热管理系统50的变形，其中每一个热交换器均包括有多个并联布置的散热器。第一热交换器24包括有一对分别带有热控风扇76和78的散热器72和74。风扇76和78的操作由温控器32控制。散热器72、74中的每一个比本发明第一和第二优选实施例中所用的较大的散热器28具有较小的热交换能力。发明人发现用一对并联布置、较小的散热器72、74来代替一个大散热器24能够大大减少泵送要求，从而提高热管理系统的效率。

[0034]类似地，第三个优选的系统70中的第二热交换器26优选也包括一对分别带有热控风扇86和88的散热器82和84。温控器38控制风扇86和88两者的操作。

[0035]尽管本发明已经结合优选实施例进行了描述，但本发明并不限于此。本发明旨在包括所有落入权利要求书中的实施例。

Claims (16)

1.一种热管理系统，用来调节在第一温度下工作的第一发热部件的温度和在第二温度下工作的第二发热部件的温度，其中第一温度和第二温度不同，该系统包括：

(a)一个第一传热管路，用来使传热介质循环流动并使所述传热介质与所述第一发热部件热关联，所述第一传热管路包括一个第一热交换器，所述第一热交换器用来调节在所述第一传热管路中循环流动的传热介质的温度；

(b)一个第二传热管路，用来使传热介质循环流动并使所述传热介质与所述第二发热部件热关联，所述第二传热管路包括一个第二热交换器，所述第二热交换器用来调节在所述第二传热管路中循环流动的传热介质的温度，第一和第二传热管路之间彼此流通；

(c)一个循环泵，用来使传热介质穿过第一和第二传热管路而循环流动；

其中第一传热管路和第二传热管路中存一个传热管路形成一连续的回路，而另一个传热管路则具有一个第一端头和第二端头，两个管路在这两个端头处相通。

2.如权利要求1所述的热管理系统，其特征在于，所述第一发热部件为燃料电池或燃料电池热交换器。

3.如权利要求1或2所述的热管理系统，其特征在于，所述第二发热部件从燃料产生系统和辅助燃料电池温度调节器中选取。

4.如权利要求1到3中任一项所述的热管理系统，其特征在于，所述第一传热管路包括连续的回路。

5.如权利要求1到4中任一项所述的热管理系统，其特征在于，所述第一温度高于第二温度，这样在第一传热管路中流动的传热介质的温度就等于或高于在第二传热管路中流动的传热介质。

6.如权利要求1到5中任一项所述的热管理系统，其特征在于，所述传热介质在第二传热管路的第一端头和第二端头之间流动。

7.如权利要求6所述的热管理系统，其特征在于，在所述第一传热管路中循环流动的传热介质的一部分进入所述第二传热管路的第一端头。

8.如权利要求6所述的热管理系统，其特征在于，在第二传热管路中的传热介质从第二传热管路的第二端头流入第一传热管路。

9.如权利要求1至8中任一项所述的热管理系统，其特征在于，所述第二传热管路的第一端头与所述第一传热管路在第一发热部件的上游的一个点处相流通，并且，第二传热管路的第二端头与第一传热管路在第一发热部件的下游的一个点处相流通。

10.如权利要求7所述的热管理系统，其特征在于，所述传热介质从第一传热管路到第二传热管路的第一端头的流量由流量控制装置来控制，所述流量控制装置选自阀门和经校准的孔口。

11.如权利要求1至10中任一项所述的热管理系统，其特征在于，每一个热交换器均包括一个或多个温控调节装置，其中，每个温控调节装置选自于风扇冷却的散热器和液液热交换器。

12.如权利要求11所述的热管理系统，其特征在于，所述一个或多个温控调节装置包括多个并联的风扇冷却的散热器。

13.如权利要求11所述的热管理系统，其特征在于，每一个温控调节装置均包括一个带有热控风扇的散热器。

14.如权利要求1至13中任一项所述的热管理系统，其特征在于，所述第二传热管路中的热交换器位于所述第二发热部件的上游。

15.如权利要求1至14中任一项所述的热管理系统，其特征在于，所述第一传热管路进一步包括一个附加部件，所述附加部件选自于燃料产生模块和辅助燃料电池温度调节器。

16.如权利要求15所述的热管理系统，其特征在于，所述附加部件与所述第一发热部件并联设置，并且所述附加部件带有一个流量调节装置，该流量调节装置布置在第一发热部件和所述附加部件的上游，并且该流量调节装置选自阀门和经校准的孔口。

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