CN219761806U - 一种基于间接换热的浸没式液冷模组系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及浸没式液冷技术领域，更具体地，涉及一种基于间接换热的浸没式液冷模组系统。本实用新型的目的是解决现有技术采用内外循环方式换热时冷却液用量大、冷量损耗大的问题，具体包括缸体以及容纳于缸体内的若干电气元件模组和冷却液，电气元件模组均浸没在冷却液中；还包括冷却系统以及封闭流道，冷却系统用于输送制冷剂，封闭流道设于缸体外表面之内，封闭流道两端分别与冷却系统相连通形成循环，制冷剂通过封闭流道与冷却液间接交换热量。

Description

一种基于间接换热的浸没式液冷模组系统

技术领域

本实用新型涉及浸没式液冷技术领域，更具体地，涉及一种基于间接换热的浸没式液冷模组系统。

背景技术

浸没式液冷模组系统是一种先进的电气元件模组冷却技术，该技术通过将电气元件模组浸没在特殊绝缘冷却液中来实现。这种技术在电气充放电过程中可以快速地吸收热量，并将其带到外部循环中进行冷却，以确保电气在最佳温度范围内运行，从而延长其使用寿命。相比传统的风冷散热和液冷散热技术，浸没式液冷技术具有更快的降温速度和更短的降温时间，因此在电气冷却方面具有更高的效率和更好的性能。

通常，浸没式液冷模组系统包括若干电气元件模组和缸体，电气元件模组按照一定规则堆叠在缸体中，缸体中充满绝缘冷却液，缸体内的电气元件模组完全浸没在冷却液中，现有技术中，低温冷却液与电气元件模组接触，完成热量交换后，高温冷却液需流出缸体再经过外部冷却装置降温后循环回缸体中，达到循环降温的目的。然而，由于现有技术的换热器件设于缸外，冷却液需要进行长路径流动，第一方面导致冷却液输送过程压力损耗较大，需匹配较大功率的泵体以及大尺寸的输送管道，以至于制造成本高；第二方面导致冷却液输送至电气元件模组的过程冷量损耗较大，影响电气元件模组系统整体降温效率；第三方面还增大冷却液发生渗漏的风险，不利于系统的维护保养。此外，现有技术的冷却液采用内外直接循环换热方式除了需要确保缸体内的冷却液足以完全浸没电气元件模组，还需要额外提供大量的冷却液保证正常的循环完成热交换，这显然不利于电气元件模组系统的成本控制。

有鉴于此，有必要对现有的浸没式液冷模组系统进行改进，特备是针对现有冷却液的内外循环方式进行必要调整，以克服上述提出的诸多问题。

实用新型内容

本实用新型旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种基于间接换热的浸没式液冷模组系统，用于解决现有技术采用内外循环方式换热时冷却液用量大、冷量损耗大的问题。

本实用新型采取的技术方案是提供一种基于间接换热的浸没式液冷模组系统，包括缸体以及容纳于所述缸体内的若干电气元件模组和冷却液，若干所述电气元件模组均浸没在所述冷却液中；所述浸没式液冷模组系统还包括冷却系统以及封闭流道，所述冷却系统用于输送制冷剂，所述封闭流道设于所述缸体外表面之内，所述封闭流道两端分别与所述冷却系统相连通形成循环，所述制冷剂通过所述封闭流道与所述冷却液间接交换热量。

本方案中，电气元件模组完全浸没在特制、非导电的冷却液中，电气元件模组可与冷却液高效换热，本方案的制冷剂独立通过冷却系统输送到封闭流道内，封闭流道可避免制冷剂与冷却液直接接触，因此，制冷剂与冷却液可分别采用不同材质的原料，其中，制冷剂仅参与外循环，可选用价格低廉、换热效率更高的常规制冷材料，从而显著降低需要特殊材质制备的冷却液的用量，有助于控制电气元件模组系统的总体成本。同时，本方案的冷却液仅作内循环，显著缩短输送路径，可避免长路径输送过程中损耗冷量，提高冷却液与电气元件模组的换热效率。此外，由于冷却液的输送路径缩短，还能选用相对小管径的输送管道和小功率的输送泵，降低对电气元件模组系统的整体结构要求，进一步减少电气元件模组系统的生产成本。再者，本方案的封闭流道位于缸体的外表面以内，避免设于缸体外表面上时，缸体厚度导致封闭流道里面的制冷剂与缸体内的冷却液之间接触热阻过大，影响电气元件模组的换热效率，从而协同增效冷却液与电气元件模组之间的换热效率。

进一步地，所述封闭流道是冷却盘管。

冷却盘管可提高封闭流道的实际长度，使制冷剂在缸体外表面以内具有更大流量，提高换热效率。

进一步地，所述冷却盘管完全浸没在所述冷却液中。

本方案中，冷却盘管直接与冷却液接触，从而降低接触热阻，以提升冷却液与制冷剂之间的热量交换效率。

进一步地，所述冷却盘管上设有若干翅片。

通过设置翅片可进一步提高冷却液与冷却盘管之间的接触面积，提高对电气元件模组的冷却效率。

在一些实施例中，所述缸体包括外缸体和具有导热性能的内缸体，所述若干电气元件模组和冷却液设置于内缸体内，所述冷却盘管环布在所述内缸体和所述外缸体之间，所述冷却盘管与所述内缸体的外表面紧密接触。

本方案通过将冷却盘管设于内缸体和外缸体之间，则封闭流道与冷却液不再直接接触，当封闭流道内容纳的制冷剂意外泄露，也不会直接污染冷却液，同时，由于冷却盘管与具有导热性能的内缸体外表面紧密接触，可降低热阻，保证冷却液和制冷剂可正常交换热量，以对浸没在冷却液中的电气元件模组降温。除此之外，由于冷却盘管不再设于内缸体内部，则缸体内将相对具有更大空间，便于浸没更多电气元件模组或者对电气元件模组进行更合理的布局。

在另外的实施例中，所述缸体包括外缸体和具有导热性能的内缸体，所述若干电气元件模组和冷却液设置于内缸体内，所述内缸体和所述外缸体之间的空隙形成所述封闭流道。

本方案将相对上述方案舍弃了冷却盘管，制冷剂从冷却系统输出后，直接流通在外缸体与内缸体之间的空隙，即该空隙直接作为所述封闭流道，如此，可避免冷却盘管与内缸体之间的接触热阻，制冷剂直接通过内缸体的缸壁与内缸体内部的冷却液交换热量，提高换热效率，使电气元件模组加速冷却降温。

进一步地，所述内缸体的内表面上设有若干翅片。

内缸体内表面的散热翅片则进一步增加冷却液与内缸体缸壁的接触面积，进一步提高换热水平，加快降温效率。

进一步地，所述缸体内设有内循环机构，所述内循环机构用于带动所述冷却液在所述缸体内循环流动。

本方案中，冷却液通过内循环机构加快内循环流动速度，进而提高与电气元件模组接触频率，进一步提升换热效率，需要指出的是，由于冷却液为本领域公知的不导电材质，因此内循环机构可以为常规的循环泵体、涡轮扇片甚至是搅拌桨结构，在此不作限制。

优选地，所述内循环机构包括泵体和内循环管路，所述内循环管路上设有进液口和出液口，所述出液口位于所述进液口的上侧。

冷却液吸收电气元件模组的热量后，吸收热量较多的部分冷却液密度相对较小，位于缸体内部上层，反之，低温的冷却液则位于缸体内部下层，本方案将内循环管路的进液口设于低处，而将出液口设于高处，则泵体可抽取下层的低温冷却液并充分与高处的高温冷却液混合循环，从而使冷却液与电气元件模组接触换热时保持相对均一的温度，避免发生局部过热的现象。更优选地，将进液口设于最低处的电气元件模组以下，同时将出液口设于最高处的电气元件模组以上，进一步提升缸内冷却液的冷热交换水平，加快冷却液的整体温度达到均一水平。

可选地，所述内循环机构包括泵体和内循环管路，所述内循环管路包括均沿竖直方向设置的第一输入管和第一输出管，所述第一输入管和所述第一输出管相对设于若干所述电气元件模组的两侧，所述第一输入管、所述第一输出管在竖直方向上的不同高度分别设有多个进液口和多个出液口。

本方案中，泵体通过多个进液口吸入处于不同高度、温度不同的冷却液进行混匀，而后又将混匀后具有均一温度的冷却液通过设于不同高度上的多个出液口输送到缸体内，同时，还通过将第一输入管和第一输出管分设在电气元件模组的两侧，使电气元件模组两侧之间的冷却液流动更加频繁，如此往复循环，则缸体内的冷却液整体处于均一的温度，从而对浸没在不同高度上的电气元件模组进行均一的冷却降温，避免出现局部热点现象。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

(1)通过内循环泵体配合其下进上出的内循环管路设计，使冷却液充分、均匀地与电气元件模组接触换热，且通过冷却盘管、散热翅片的结构，冷却液又与制冷剂“不接触”地进行充分的热交换，从而将电气元件模组的热量带离缸体；

(2)将内缸体和外缸体之间的间隙直接作为封闭流道，配合内缸体内表面上的翅片，增加制冷剂和冷却液的间接接触面积，还减少冷却盘管浸没于冷却液时占用缸体内部空间，便于电气元件模组在缸体内合理布局，进一步提高散热效率；

(3)通过在缸体内设置内循环机构，并进一步采用泵体和循环管路配合，同时对循环管路的进液口、出液口进行优化布置，提高冷却液与电气元件模组的热交换水平，避免电气元件模组之间降温程度不均一导致局部过热的不良现象；

(4)通过封闭流道容纳制冷剂，而直接浸没接触电气元件模组的冷却液则在缸体内部循环，冷却液和制冷剂间接交换热量，以缩短冷却液的输送路径，降低冷却液冷量损耗，协同提高对电气元件模组的冷却效率；

(5)由于冷却液和制冷剂分别进行内、外循环，二者之间不直接接触，因此制冷剂可使用常规廉价的制冷材料，从而降低需要特殊材质的冷却液的用量，以使液冷电气元件模组系统整体成本可控。

附图说明

图1为实施例1的结构示意图。

图2为实施例2的结构示意图。

图3为实施例3的结构示意图。

图4为实施例4的结构示意图。

附图标记：缸体1、第一连接孔位11、第二连接孔位12、内缸体13、外缸体14、电气元件模组2、第一电气元件模组21、第N电气元件模组22、冷却液3、内循环机构4、泵体41、内循环管路42、第一输入管42a、第一输出管42b、进液口421、出液口422、冷却系统5、进液管51、回液管52、封闭流道6、翅片61。

具体实施方式

本实用新型附图仅用于示例性说明，不能理解为对本实用新型的限制。为了更好说明以下实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种基于间接换热的浸没式液冷模组系统，包括缸体1和冷却系统5，缸体1内容纳有若干电气元件模组2以及冷却液3，电气元件模组2均完全浸没在冷却液3中，缸体1内部容纳空间还包括有封闭流道6，冷却系统5两端分别与封闭流道6的两端相连通，冷却系统5输送制冷剂，通过封闭流道6在缸体1内部的容纳空间形成循环流动，封闭流道6完全浸没在冷却液3中，因此，冷却液3通过内循环机构4充分吸收电气元件模组2的热量，制冷剂又可同步与冷却液3间接交换热量，从而为电气元件模组2快速降温。需要指出的是，电气元件模组2指的是若干电气元件电连接形成的电气元件单元，电气元件工作过程中发热，通过本实用新型的基于间接换热的浸没式液冷模组系统可实现快速降温。此外，本实施例具体实现时，缸体1上开设有完全贯穿缸体1内外表面的第一连接孔位11和第二连接孔位12，冷却系统5通过第一连接孔位11和第二连接孔位12与封闭流道6的两端相连通。

其中，冷却系统5通过进液管51和回液管52分别连接在第一连接孔位11、第二连接孔位12上，冷却系统5输送的制冷剂通过进液管51流入封闭流道6后经回液管52回流，从而对制冷剂形成外循环制冷，以循环往复地带走冷却液3中的热量。由于冷却液3和制冷剂的循环系统为分别独立设置，冷却液3和制冷剂之间不直接接触，因此，两种冷却液3可分别采用不同的材料制成，其中冷却液3与电气元件模组2直接接触，材料要求严格，而制冷剂则可采用常规的冷却剂，在确保好的换热效率的同时，降低成本。同时，由于封闭流道位于缸体的外表面以内，避免设于缸体外表面上时，缸体厚度导致封闭流道里面的制冷剂与缸体内的冷却液之间接触热阻过大，影响电气元件模组的换热效率。

其中，封闭流道6是冷却盘管，用以增加封闭流道6与冷却液3的接触表面积，冷却盘管环布在电气元件模组2周围，且完全浸没在冷却液3中。为了进一步增加与冷却液3之间的接触面积，冷却盘管上还设有若干翅片61。

其中，缸体1内还设有内循环机构4，内循环机构4带动冷却液3在缸体1内循环流动。内循环机构4具体包括泵体41和内循环管路42，内循环管路42上设有进液口421和出液口422，出液口422位于进液口421的上侧。本实施例实际采用以下设置方式：电气元件模组2以层叠方式布置在缸体1内部，电气元件模组2至少包括位于最低处的第一电气元件模组21以及位于最高处的第N电气元件模组22，内循环管路42的进液口421位于第一电气元件模组21的下侧，内循环管路42的出液口422位于第N电气元件模组22的上侧。泵体41循环不断的将位于缸体1底部的冷却液3通过内循环管路42输送到高处，与缸体1内上层冷却液3充分热交换，以使冷却液3整体的热量均匀，同时带动缸体1内的冷却液3可在缸体1内流动，从而与分布在电气元件模组2周围的冷却盘管均一地进行热量交换，如此，冷却盘管中的制冷剂就能通过冷却系统5的外循环作用将电气元件模组2产生的热量快速带离缸体1内部。具体实现时，所述泵体41可以通过穿过缸体1外接相关驱动机构实现供电和驱动控制。所述泵体41和内循环管路42可以通过设置在缸体1内的支撑机构实现在缸体1内的固定和安装。

为了进一步提高冷却液3和电气元件模组2之间的接触面积，电气元件模组2之间均为间隔排列，以使冷却液3在内循环机构4的带动下，充分流经所有电气元件模组2的表面。

此外，缸体1的外表面还进行了保温处理，具体实施时可以采用涂覆保温材料层方式，从而降低制冷剂的冷量在缸体表面的损耗。

本实用新型的浸没式液冷系统还具有消防功能，当缸体1内的电气元件模组2发生热失控时，会导致起火燃烧风险，通过浸没冷却的方式，可自动实现灭火功能。具体原理是：在完全浸没方式下，绝缘冷防护液隔绝了助燃物中的氧气，控制了燃烧条件必备的温度，因此起到控制起火的作用。

实施例2

如图2所示，本实施例与实施例1的区别在于，缸体1包括外缸体14和具有导热性能的内缸体13，若干电气元件模组2和冷却液3设置于内缸体内13，第一连接孔位11和第二连接孔位12分别贯穿外缸体14的内外表面，冷却盘管环布在所述内缸体13和外缸体14之间且与内缸体13的外表面紧密接触，冷却液3和若干电气元件模组2置于内缸体13内，因此，封闭流道6没有直接与冷却液3接触。其中，内缸体13要求采用导热性好的材料制作而成，内缸体1内的冷却液3吸收电气元件模组2的热量后通过内缸体1传导给与内缸体13外表面紧密接触的冷却盘管，从而实现冷却盘管与冷却液3的间接换热。

由于冷却盘管与冷却液3不再直接接触，当冷却盘管内容纳的制冷剂意外泄露，也不会直接污染冷却液3，同时，由于冷却盘管与内缸体13的外表面紧密接触，可降低热阻，保证冷却液3和冷却盘管内的制冷剂可正常交换热量，从而对浸没在冷却液3中的电气元件模组2降温。除此之外，由于冷却盘管不再设于内缸体13内部，则缸体1内将相对具有更大空间，便于浸没更多电气元件模组2或者对电气元件模组进行更合理的布局。

为了对应冷却盘管位置调整，本实施例的翅片61设置在内缸体13的内表面上，为了尽可能地增加接触面积，翅片61尽量是均匀地密布在内缸体13的内表面上，通过数量众多的翅片来增加与冷却液3的接触面积，从而提升散热的效能。

实施例3

如图3所示，本实施例与实施例1的区别在于，缸体1包括外缸体14和具有导热性能的内缸体13，若干电气元件模组2和冷却液3设置于内缸体内13，第一连接孔位11和第二连接孔位12分别贯穿外缸体14的内外表面，内缸体13和外缸体14之间的空隙形成封闭流道6，冷却液3和若干电气元件模组2置于内缸体13内。

本方案将相对实施例2舍弃了冷却盘管，制冷剂从冷却系统5输出后，直接流通在外缸体14与内缸体13之间的空隙，即该空隙直接作为制冷剂的封闭流道6，如此，可避免实施例2中冷却盘管与内缸体13之间的较大的接触热阻。内缸体13采用导热性好的材料制作而成，制冷剂可通过内缸体13的缸壁与内缸体13内部的冷却液3交换热量，提高换热效率，使电气元件模组2加速冷却降温。同时，本方案还兼具有实施例2方案的优势，即由于冷却盘管不再设于内缸体13内部，则缸体1内将相对具有更大空间，便于浸没更多电气元件模组2或者对电气元件模组2进行更合理的布局。

实施例4

如图4所示，本实施例与实施例1的区别在于，内循环机构的内循环管路42包括第一输入管42a和第一输出管42b，第一输入管42a和第一输出管42b均沿竖直方向设置且分别位于电气元件模组2的两侧，第一输入管42a在竖直方向的不同高度设有多个进液口421，第一输出管42b在竖直方向的不同高度设有多个出液口422。

可以理解，泵体41通过进液口421吸入处于不同高度、温度不同的冷却液3进行混匀，而后又将混匀后具有均一温度的冷却液3通过设于不同高度上的多个出液口422输送到缸体1内，如此往复循环，则缸体1内的冷却液3整体处于均一的温度，从而对浸没在不同高度上的电气元件模组2进行均一的冷却降温，避免出现局部热点现象。

具体实施时，还可以使进液口421和出液口422的数量不少于电气元件模组2的数量，且每一个电气元件模组2所在的高度上至少对应设有一个进液口421和一个出液口422。由于电气元件模组放热时，首先与同一层或临近的冷却液进行热交换，则电气元件模组对应高度上的冷却液升温速度较快，通过对应高度上设置进液口和出液口有助于加快冷却液冷热循环进行混合的速度。

此外，还可进一步将内循环管路42环布设置在所有电气元件模组2周围，以使内循环管路覆盖缸体内部较大面积，从而提高冷却液混匀效率，使浸没在冷却液3的所有电气元件模组2处于一致的换热水平。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型技术方案所作的举例，而并非是对本实用新型的具体实施方式的限定。凡在本实用新型权利要求书的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于间接换热的浸没式液冷模组系统，包括缸体以及容纳于所述缸体内的若干电气元件模组和冷却液，若干所述电气元件模组均浸没在所述冷却液中，其特征在于，还包括冷却系统以及封闭流道，所述冷却系统用于输送制冷剂，所述封闭流道设于所述缸体外表面之内，所述封闭流道两端分别与所述冷却系统相连通形成循环，所述制冷剂通过所述封闭流道与所述冷却液间接交换热量。

2.根据权利要求1所述的基于间接换热的浸没式液冷模组系统，其特征在于，所述封闭流道是冷却盘管。

3.根据权利要求2所述的基于间接换热的浸没式液冷模组系统，其特征在于，所述冷却盘管完全浸没在所述冷却液中。

4.根据权利要求3所述的基于间接换热的浸没式液冷模组系统，其特征在于，所述冷却盘管上设有若干翅片。

5.根据权利要求2所述的基于间接换热的浸没式液冷模组系统，其特征在于，所述缸体包括外缸体和具有导热性能的内缸体，所述若干电气元件模组和冷却液设置于内缸体内，所述冷却盘管环布在所述内缸体和所述外缸体之间，所述冷却盘管与所述内缸体的外表面紧密接触。

6.根据权利要求1所述的基于间接换热的浸没式液冷模组系统，其特征在于，所述缸体包括外缸体和具有导热性能的内缸体，所述若干电气元件模组和冷却液设置于内缸体内，所述内缸体和所述外缸体之间的空隙形成所述封闭流道。

7.根据权利要求5或6所述的基于间接换热的浸没式液冷模组系统，其特征在于，所述内缸体的内表面上设有若干翅片。

8.根据权利要求1-4任一项所述的基于间接换热的浸没式液冷模组系统，其特征在于，所述缸体内设有内循环机构，所述内循环机构用于带动所述冷却液在所述缸体内循环流动。

9.根据权利要求8所述的基于间接换热的浸没式液冷模组系统，其特征在于，所述内循环机构包括泵体和内循环管路，所述内循环管路上设有进液口和出液口，所述出液口位于所述进液口的上侧。

10.根据权利要求8所述的基于间接换热的浸没式液冷模组系统，其特征在于，所述内循环机构包括泵体和内循环管路，所述内循环管路包括均沿竖直方向设置的第一输入管和第一输出管，所述第一输入管和所述第一输出管相对设于若干所述电气元件模组的两侧，所述第一输入管、所述第一输出管在竖直方向上的不同高度分别设有多个进液口和多个出液口。