JP2019211104A - Heat exchange device - Google Patents
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Abstract
Description
この明細書における開示は、熱交換装置に関する。 The disclosure in this specification relates to a heat exchange device.
特許文献1は、熱交換を行う流体を脈動させることで乱流を引き起こし、熱交換効率を高めた熱交換器を開示している。ポンプの駆動モータを制御するモータ制御部は、駆動モータの回転数を変更制御することで熱媒体に脈動を生成させている。 Patent document 1 is disclosing the heat exchanger which caused the turbulent flow by pulsating the fluid which performs heat exchange, and raised the heat exchange efficiency. The motor control unit that controls the drive motor of the pump generates pulsation in the heat medium by changing and controlling the rotation speed of the drive motor.
特許文献2は、熱輸送システムにおいて、熱媒体を脈動させる目的で2台のポンプを備え、それらのポンプを制御して脈動流を生成させている。
従来技術の構成では、脈動流を生成するためにポンプの駆動モータを様々な回転数に変更制御している。あるいは、脈動流を生成するために複数のポンプを備え、それらのポンプの駆動モータを別々の回転数に変更制御している。これらの場合、脈動流を生成するために複雑な制御が必要である。また、脈動流を生成するために制御用の配線などの複雑な構成が必要である。上述の観点において、または言及されていない他の観点において、熱交換装置にはさらなる改良が求められている。 In the configuration of the prior art, the pump drive motor is changed and controlled at various rotational speeds in order to generate a pulsating flow. Alternatively, a plurality of pumps are provided in order to generate a pulsating flow, and the drive motors of these pumps are changed and controlled at different rotational speeds. In these cases, complex control is required to generate the pulsating flow. In addition, a complicated configuration such as control wiring is required to generate a pulsating flow. In view of the above or other aspects not mentioned, there is a need for further improvements in heat exchange devices.
開示される1つの目的は、熱交換効率を調整可能な熱交換装置を提供することにある。 One disclosed object is to provide a heat exchange device capable of adjusting the heat exchange efficiency.
ここに開示された熱交換装置は、内部に熱媒体が流れる熱交換器(31、32)と、熱交換器に熱媒体を流す流体輸送装置(7)と、熱交換器と流体輸送装置とを接続して熱媒体が流れる流路(20)と、流路に設けられて、開閉弁(51)を用いて流路を流れる熱媒体の流速を増減させる流速調整装置(50)とを備え、開閉弁は、回転することで流路を流れる熱媒体の量を変化させる弁体(57)と、弁体を開閉弁の回転軸の径方向に移動させる弁体駆動部(60、260、360)とを備えている。 The heat exchange device disclosed herein includes a heat exchanger (31, 32) through which a heat medium flows, a fluid transport device (7) that causes the heat medium to flow through the heat exchanger, a heat exchanger, and a fluid transport device. A flow path (20) through which the heat medium flows, and a flow rate adjusting device (50) that is provided in the flow path and increases or decreases the flow speed of the heat medium that flows through the flow path using the on-off valve (51). The on-off valve has a valve body (57) that changes the amount of the heat medium that flows through the flow path by rotating, and a valve body drive unit (60, 260, that moves the valve body in the radial direction of the rotation shaft of the on-off valve). 360).
開示された熱交換装置によると、流路を流れる熱媒体の量を変化させる弁体を開閉弁の回転軸の径方向に移動させる弁体駆動部を備えている。このため、弁体駆動部が弁体の位置を熱媒体の量を制限する位置と制限しない位置とに切り替えることで、熱交換器を流れる熱媒体の流速を調整できる。言い換えると、流体輸送装置から送られた熱媒体の流速が変動しやすいモードと変動しにくいモードとに流速調整装置のモードを切り替えることができる。したがって、熱交換効率を調整可能な熱交換装置を提供できる。 According to the disclosed heat exchanging device, the valve body driving unit is provided that moves the valve body that changes the amount of the heat medium flowing through the flow path in the radial direction of the rotation shaft of the on-off valve. For this reason, the flow rate of the heat medium which flows through a heat exchanger can be adjusted because a valve body drive part switches the position of a valve body between the position which restrict | limits the quantity of a heat medium, and the position which does not restrict | limit. In other words, the mode of the flow rate adjusting device can be switched between a mode in which the flow rate of the heat medium sent from the fluid transport device is likely to change and a mode in which the flow rate is less likely to change. Therefore, a heat exchange device capable of adjusting the heat exchange efficiency can be provided.
この明細書における開示された複数の態様は、それぞれの目的を達成するために、互いに異なる技術的手段を採用する。請求の範囲およびこの項に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態の部分との対応関係を例示的に示すものであって、技術的範囲を限定することを意図するものではない。この明細書に開示される目的、特徴、および効果は、後続の詳細な説明、および添付の図面を参照することによってより明確になる。 The disclosed embodiments of the present specification employ different technical means to achieve each purpose. The reference numerals in parentheses described in the claims and this section exemplify the correspondence with the embodiments described later, and are not intended to limit the technical scope. The objects, features, and advantages disclosed in this specification will become more apparent with reference to the following detailed description and accompanying drawings.
図面を参照しながら、複数の実施形態を説明する。複数の実施形態において、機能的におよび/または構造的に対応する部分および/または関連付けられる部分には同一の参照符号、または百以上の位が異なる参照符号が付される場合がある。対応する部分および/または関連付けられる部分については、他の実施形態の説明を参照することができる。 A plurality of embodiments will be described with reference to the drawings. In embodiments, functionally and / or structurally corresponding parts and / or associated parts may be assigned the same reference signs or reference signs that differ by more than a hundred. For the corresponding parts and / or associated parts, the description of other embodiments can be referred to.
第1実施形態
熱交換装置1は、車両に搭載されて車両の発熱部品を冷却する冷却装置として用いることができる。例えば電気自動車やハイブリッド自動車などにおいては、熱交換装置1の内部に冷却水を循環させて、発熱部品を冷却する低温ラジエータなどに用いることができる。この場合、発熱部品としては、例えば電池パック、駆動モータ、インバータ、パワーコントロールユニットなどがあげられる。特に、発熱部品が電池パックである場合には、熱交換装置1により電池パックの効率的な冷却を行うことで、電池パックの温度上昇による電池の劣化を低減できる。言い換えると、電池の劣化を抑制して、電池パックの性能を長期間にわたって安定して発揮させることができる。あるいは、熱交換装置1に温度の高い熱媒体を循環させることより電池パックの効率的な加熱を行うことで、電池の使用可能な下限温度を下回ってしまうことを抑制できる。言い換えると、電池パックを適切な温度範囲内で使用可能である。
1st Embodiment The heat exchange apparatus 1 can be used as a cooling device mounted in a vehicle and cooling the heat-emitting components of the vehicle. For example, in an electric vehicle, a hybrid vehicle, etc., it can be used for a low-temperature radiator or the like that cools heat-generating components by circulating cooling water inside the heat exchange device 1. In this case, examples of the heat generating component include a battery pack, a drive motor, an inverter, and a power control unit. In particular, when the heat generating component is a battery pack, the battery pack can be efficiently cooled by the heat exchanging device 1 to reduce the deterioration of the battery due to the temperature rise of the battery pack. In other words, the deterioration of the battery can be suppressed and the performance of the battery pack can be stably exhibited over a long period of time. Or it can suppress that it falls below the minimum temperature which can use a battery by performing efficient heating of a battery pack rather than circulating a heat medium with a high temperature to heat exchanging device 1. In other words, the battery pack can be used within an appropriate temperature range.
また、エンジン駆動の車両においては、熱交換装置1の内部にエンジン冷却水を循環させて、エンジンなどの発熱部品を冷却することができる。あるいは、エンジンで加熱されたエンジン冷却水と空気とを熱交換して車内に温風を送る車両用空調装置などにも用いることができる。ただし、熱交換装置1は、車両に搭載される用途以外にも、家庭用の空調装置やサーバの冷却装置などの熱交換を行う装置に対して広く適用可能である。冷却水やエンジン冷却水は、熱媒体を提供する。 Further, in an engine-driven vehicle, engine cooling water can be circulated inside the heat exchange device 1 to cool heat-generating components such as the engine. Alternatively, it can also be used in a vehicle air conditioner that exchanges heat between engine cooling water heated by the engine and air to send warm air into the vehicle. However, the heat exchange device 1 can be widely applied to devices that perform heat exchange, such as a home air conditioner and a server cooling device, in addition to a use mounted on a vehicle. Cooling water and engine cooling water provide a heat medium.
図1において、熱交換装置1は、ラジエータ(RAD)3とポンプ7と流速調整装置50と第1熱交換部31と第2熱交換部32とを備えている。熱交換装置1は、各部品を接続して冷却水が循環する流路20を有している。流路20は、共通流路25と第1流路21と第2流路22とを備えている。第1流路21には、第1熱交換部31が設けられている。第2流路22には、第2熱交換部32が設けられている。
In FIG. 1, the heat exchange device 1 includes a radiator (RAD) 3, a pump 7, a flow
ラジエータ3は、内部を流れる冷却水とラジエータ3の表面を流れる空気などの流体とを熱交換させる装置である。ラジエータ3において、冷却水が流れる配管の周りには、ラジエータ3の表面積を大きくして熱交換効率を上げるため、複数のフィンが設けられている。熱交換装置1が車両に搭載されている場合には、ラジエータ3が車両の走行風を受けることで熱交換が促進される。
The
ポンプ7は、出力を制御可能なウォーターポンプである。ポンプ7は、例えば電気的に出力制御を行う電動ウォーターポンプである。ポンプ7は、流路20に冷却水を循環させる動力源として機能する装置である。ポンプ7は、一定の流速で冷却水を送り出して循環させる。言い換えると、ポンプ7は、冷却水を定常流として流路20に循環させる。ポンプ7は、流体輸送装置を提供する。ただし、熱交換装置1は、冷却水などの液体を用いて熱交換させる装置に限られず、空気などの気体を循環させて熱交換を行う装置でもよい。この場合、流体輸送装置としては、送風機などを用いることができる。
The pump 7 is a water pump whose output can be controlled. The pump 7 is, for example, an electric water pump that performs output control electrically. The pump 7 is a device that functions as a power source for circulating cooling water through the
流路20において、共通流路25から第1流路21と第2流路22とに分岐する接続箇所には、流速調整装置50が設けられている。流速調整装置50の詳細については後述する。流速調整装置50は、ポンプ7から定常流で送られる冷却水の流れを周期的に減速させて流速の増減を繰り返す流れを生成する機能を有している。言い換えると、流速調整装置50は、定常流で流れている冷却水を脈動流に変換する脈動流生成機能を有している。流速調整装置50は、第1流路21と第2流路22との2つの経路のどちらに冷却水を流してどちらに冷却水を流さないかを切り替える流路切り替え機能を有している。流速調整装置50は、冷却水の流れを脈動流に変換して流す脈動流モードと、ポンプ7で送られた定常流のまま流す定常流モードとの2つのモードを切り替え可能である。脈動流モードは、冷却水の流速が変動しやすいモードである。定常流モードは、脈動流モードに比べて冷却水の流速が変動しにくいモードである。
In the
第1熱交換部31と第2熱交換部32とは、1つの熱交換器を構成している。熱交換器は、2つのヘッダー間に複数の冷媒配管を平行に並べて形成されたマルチフロー型の熱交換器である。熱交換器は、冷却水の経路である配管の流路面積が小さく平たい扁平管と扁平管同士の間に配されたコルゲートフィンを有するコア部を備えている。熱交換器はマルチフロー型の熱交換器に限られない。例えばフィンチューブ型の熱交換器やサーペンタイン型の熱交換器であってもよい。フィンチューブ型などの熱交換器においては、冷却水が循環する配管の内部に冷却水との接触面積を増加させるインナーフィンを形成してもよい。また、第1熱交換部31と第2熱交換部32とで1つの熱交換器を構成するのではなく、第1熱交換部31と第2熱交換部32とが、互い独立した2つの熱交換器を構成するようにしてもよい。
The 1st
熱交換装置1は、発熱部品よりも温度の低い冷却水を循環させることで、発熱部品を冷却する冷却装置として利用可能である。すなわち、ラジエータ3で冷却水を冷却して、低温となった冷却水を第1熱交換部31および第2熱交換部32に循環させることで、発熱部品を冷却する。一方、発熱部品よりも温度の高い熱媒体を循環させることで、発熱部品を加熱する加熱装置としても利用することができる。すなわち、ラジエータ3に代えてヒータを備えるなどして熱媒体を加熱して、高温になった熱媒体を第1熱交換部31および第2熱交換部32に循環させることで、発熱部品を加熱する。
The heat exchanging device 1 can be used as a cooling device for cooling the heat generating components by circulating cooling water having a temperature lower than that of the heat generating components. That is, the cooling water is cooled by the
熱交換装置1における冷却水の流れについて、第1流路21を流れる場合を例に以下に説明する。ポンプ7から送られた冷却水は、共通流路25を流れて流速調整装置50に流入する。脈動流モードの流速調整装置50では、第1流路21と第2流路22とに向かって流出する冷却水の流速が互いに異なる位相かつ同じ周期で増減される。例えば、流速調整装置50が第1流路21を開いて、第2流路22を閉じている場合には、第1流路21には冷却水が勢いよく流れるが、第2流路22には冷却水が流れない。また、流速調整装置50によって第1流路21と第2流路22との両方の経路が開いている場合には、第1流路21と第2流路22とに一様に同じ量の冷却水が流入する。ここで、周期的な流速の増減を繰り返す脈動流においては、流速の増加している時間と流速の減少している時間とが同じ長さであって、流速が増加も減少もしない時間を含んだサイクルを規則的に繰り返すこととなる。ただし、流速が増加も減少もしない時間を含まないように流速調整装置50を構成してもよい。
The flow of the cooling water in the heat exchange device 1 will be described below by taking the case of flowing through the
第1流路21に流入した冷却水は、第1熱交換部31を流れて発熱部品を冷却すべく熱交換を行う。第1熱交換部31は、例えば発熱部品である電池パックと接触しており、第1熱交換部31の内部を流れる冷却水によって電池パックが直接冷却される。あるいは、第1熱交換部31は、電池パックに向かって風が流れる風路内に設けられて、第1熱交換部31の内部を流れる冷却水によって風が冷却される。この冷却された風が電池パックに吹き付けられることで、電池パックが冷却される。ただし、第1熱交換部31による発熱部品の冷却方法は上述した方法に限られず、冷却対象である発熱部品も電池パックに限られない。
The cooling water that has flowed into the
脈動流モードの流速調整装置50から流出した冷却水は、流速が周期的に増減する脈動流の状態で第1熱交換部31に流入している。脈動流の状態で第1熱交換部31に流れ込んだ冷却水は、層流ではなく乱流となって流れやすい。すなわち、規則正しく流線上を運動する流れである層流ではなく、時間的空間的に不規則に運動する流れである乱流となって流れやすい。乱流のように、流れの乱れが大きくなると、配管と熱交換した冷却水は配管から遠ざかるように運動し、配管と熱交換していない冷却水は配管に近づくように運動しやすいため熱伝達が促進される。言い換えると、配管を流れる冷却水の熱分布が配管からの距離によらず一様になりやすいため、熱伝達効率が向上する。したがって、脈動流の状態で冷却水を流すことで第1熱交換部31での熱交換効率を向上させることができる。
The cooling water that has flowed out of the flow
第1熱交換部31と第2熱交換部32とで冷却性能や冷却対象が異なる場合には、第1流路21を流れ出た冷却水の温度と第2流路22を流れ出た冷却水の温度とが大きく異なる場合がある。第1熱交換部31を流れた冷却水は、第2熱交換部32を流れた冷却水と合流して混ざり合い、温度が略均一になる。この時、脈動流の状態で流れていた冷却水が複雑に重ね合わされることで、冷却水の流れは合流前に比べて定常流に近づいた状態となる。その後、冷却水は、定常流に近づいた状態でラジエータ3に流入する。
When the cooling performance and the cooling target are different between the first
ラジエータ3では、発熱部品との熱交換により加熱されて温度の上昇した冷却水をラジエータ3の周囲の空気と熱交換する。これにより、ラジエータ3の周囲の空気の温度に近づくように冷却水が冷却される。ラジエータ3で冷却された後、冷却水は、ポンプ7に吸い込まれて再び流路20を循環して熱交換装置1としての一連の運転を繰り返す。
In the
図2において、流速調整装置50は、ケース29と開閉弁51とを備えている。ケース29は、共通流路25の一部をなす接続ポートと第1流路21の一部をなす接続ポートと第2流路22の一部をなす接続ポートとを備えている。第1流路21と第2流路22とは、ケース29において対向している。共通流路25と第1流路21とは、ケース29において直交している。共通流路25と第2流路22とは、ケース29において直交している。ケース29には、内部に開閉弁51を収納するための凹形状が設けられている。開閉弁51は、ケース29の中心部分の凹形状に収納されることとなる。開閉弁51は、流路20の一部をなす第1流路21と第2流路22との開度を調整して、それぞれの経路に流れ込む冷却水の量を調整する弁装置である。開閉弁51は、回転することで開閉を切り替えるロータリ弁である。
In FIG. 2, the flow
開閉弁51は、第1流路21の開口や第2流路22の開口を開閉するための弁体57を備えている。開閉弁51は、開閉弁51の上面をなす上面部53と下面をなす下面部55を備えている。弁体57と上面部53と下面部55とは、開閉弁51を構成する部分であって、一体の開閉弁51として回転可能に設けられている。弁体57は、断面が円弧状の板部材である。開閉弁51がケース29内に適正に収納された状態において、弁体57は、円盤状の下面部55と接触することとなる。
The on-off
開閉弁51は、開閉弁51を回転駆動する回転駆動部54を備えている。回転駆動部54は、円盤状の上面部53の中央部分に位置している。開閉弁51は、回転駆動部54の回転軸と弁体57の回転軸とを同軸とする回転軸部59を備えている。開閉弁51は、弁体57を移動させる移動部として機能する弁体駆動部60を備えている。弁体駆動部60は、弁体57の位置を移動させて、流速調整装置50が冷却水を脈動流に変換して流す脈動流モードと、ポンプ7で送られた定常流のまま流す定常流モードとに切り替える装置である。開閉弁51がケース29内に適正に収納された状態において、弁体駆動部60は、円柱状の回転軸部59の周囲に巻き付けられた状態で、上面部53と下面部55との間に位置することとなる。
The on-off
弁体駆動部60は、形状記憶合金の板部材を渦巻き状に巻いて形成されている。形状記憶合金は、例えばチタンおよびニッケルの合金や、鉄を主成分とし、マンガンおよびケイ素の混入された合金である。形状記憶合金には、金属原子の配列が変化する温度である変態点が設定されている。変態点は例えば65℃である。ただし、変態点は、熱交換装置1の用途によって自由に設定可能であり、上述した温度に限られない。
The valve
弁体駆動部60は、変態点以上の温度では、弁体駆動部60が所定の渦巻き形状を維持し、変態点未満の温度では、弁体駆動部60が所定の渦巻き形状に比べて、内側に縮んだ渦巻き形状となるように形成されている。すなわち、変態点未満の温度においては、内側に収縮した渦巻き形状であり、変態点以上の温度となることで形状が回復してもとの渦巻き形状に戻る。これにより、渦巻き形状をなす弁体駆動部60の外側の端部が、変態点未満の温度の状態に比べて渦の中心部分から離れる方向に移動する。すなわち、流速調整装置50が脈動流モードとなる変態点以上における弁体駆動部60の外径は、定常流モードとなる変態点未満における弁体駆動部60の外径に比べて大きくなる。
The valve
回転駆動部54は、冷却水の流れる方向に対して角度をつけた4枚の羽根を有している。言い換えると、回転駆動部54は、開閉弁51の回転軸を中心として羽根をらせん状に形成した形状の回転体である。言い換えると、回転駆動部54は、水車構造である。回転駆動部54は、開閉弁51を通過して流れる冷却水の流れの力である流体エネルギーを受けて回転駆動部54と一体である弁体57を回転駆動させる。すなわち、冷却水が速く流れる場合は、回転駆動部54が速く回転することとなり、回転駆動部54と一体に接続された弁体57も速く回転する。一方、冷却水が遅く流れる場合は、回転駆動部54が遅く回転することとなり、回転駆動部54と一体に接続された弁体57も遅く回転する。開閉弁51の回転する速さは、回転駆動部54の羽根の形状によって制御可能である。脈動流の周波数が、2Hz程度になるように回転駆動部54の回転を調整することが好ましい。ただし、脈動流の周波数は、熱交換を行う用途や、熱交換装置1全体をなす各構成部品の性能などによって適宜最適な値を設定することができる。
The
ケース29には、カバー45が設けられている。カバー45は、開閉弁51を冷却水の流路20の内部に設置するために流路20の一部をなすケース29に設けられた開口を、外側から覆って冷却水の漏出を防ぐためのカバー部材である。カバー45と開閉弁51との間にはワッシャが設けられている。
The
図3において、回転軸部59の一方の端部は、共通流路25の内部に設けられた円筒状の軸保持部58に挿入された状態で保持されている。回転軸部59の他方の端部は、カバー45に設けられた凹部に挿入された状態で保持されている。
In FIG. 3, one end of the
冷却水の温度が所定温度よりも高く、弁体駆動部60の温度が形状記憶合金の変態点を超える温度であるため、弁体駆動部60が所定の渦巻き形状を維持している。弁体駆動部60は、弁体57を開閉弁51の回転軸の径方向の外側に向かって押しつけている。すなわち、弁体57は、弁体駆動部60によって外方に向かって押されることでケース29の内側表面と接触して、第2流路22の開口を塞いでいる。すなわち、第2流路22は、冷却水が流通不可能な閉状態である。
Since the temperature of the cooling water is higher than the predetermined temperature and the temperature of the valve
弁体57は、下面部55と接触している下端部と、下端部の反対側の端部である上端部とを備えている。弁体駆動部60は、弁体57の下端部よりも上端部に近い位置に接触するように設けられている。
The
図4は、第2流路22の閉状態を示している。冷却水の温度が所定温度よりも高く、弁体駆動部60の温度が形状記憶合金の変態点を超える温度であるため、弁体駆動部60が所定の渦巻き形状を維持している。弁体駆動部60は、一方の端部が開閉弁51の軸受け部分に巻き付けられ、他方の端部が弁体57に接続されている。言い換えると、弁体57は、弁体駆動部60を介して開閉弁51の軸受け部分と接続されている。
FIG. 4 shows the closed state of the
第2流路22は、弁体57で塞がれている。一方、第1流路21は、弁体57によって塞がれておらず、弁開口56と連通している。この状態においては、第1流路21は、冷却水が流通可能な開状態であり、第2流路22は、冷却水が流通不可能な閉状態である。開閉弁51は、矢印A1方向に回転することで弁体57および弁開口56の位置が開閉弁51の回転軸の周方向に移動する。
The
開閉弁51が矢印A1方向に回転することで、弁体57の位置がずれて第2流路22の一部が弁体57によって塞がれ、第2流路22の残りの部分が弁開口56と連通した絞り状態となる。絞り状態においては、冷却水が流通可能であるが、開状態よりも流通可能な冷却水の量が少なく制限された状態である。
When the on-off
第1流路21に接続されている第1熱交換部31や第2流路22に接続されている第2熱交換部32において、内部を流れる冷却水の流量は、閉状態においてはゼロであり、流速もゼロである。一方、開状態においては、内部を流れる冷却水の流量が多く、流速も速い。絞り状態においては、開状態に比べて内部を流れる冷却水の流量が少なく、流速も遅い。
In the first
図5は、第1流路21および第2流路22の開状態を示している。第1流路21と第2流路22とは、ともに弁開口56と連通しており、冷却水が第1流路21と第2流路22とに同時に流通可能な状態である。その後、開閉弁51は、さらに矢印A1方向に回転することで、第1流路21を絞り状態を経て閉状態とする。脈動流モードにおいては、第1熱交換部31や第2熱交換部32を流れる冷却水の流量を制限する閉状態や絞り状態と、第1熱交換部31や第2熱交換部32を流れる冷却水の流量を制限しない開状態とを切り替え可能な位置に弁体57が位置している。
FIG. 5 shows the open state of the
第1流路21が閉状態の時には、第2流路22が開状態である。一方、第2流路22が閉状態の時には、第1流路21が開状態である。したがって、第1熱交換部31を流れる冷却水の流速が遅い時には、第2熱交換部32を流れる冷却水の流速が速い。一方、第2熱交換部32を流れる冷却水の流速が遅い時には、第1熱交換部31を流れる冷却水の流速が速い。すなわち、第1流路21と第2流路22とで流速の増減の位相が半周期ずれて互いに逆位相の状態で冷却水が流れている。言い換えると、第1流路21と第2流路22とが同時に閉状態となることがない。
When the
第1流路21と第2流路22とは、流速調整装置50によって、閉状態と絞り状態と開状態との3つの状態を繰り返すことで内部を流れる冷却水の流速が変化する。このため、第1熱交換部31と第2熱交換部32とには、流速が周期的に変化する脈動流の状態で冷却水が流れる。したがって、冷却水が定常流で流れる場合に比べて、第1熱交換部31や第2熱交換部32の熱交換効率を高めることができる。
The flow rate of the cooling water flowing through the
図6は、冷却水の温度が変態点未満である場合における開閉弁51を示している。弁体駆動部60は、もとの形状から変形を起こして内側に向かって収縮している。すなわち、弁体駆動部60が弁体57を開閉弁51の回転軸の径方向の内側に移動させている。弁体57は、第2流路22の開口と対向しているが、弁体57と第2流路22の開口との間に大きな隙間が生じている。このため、弁体57が第2流路22を閉状態とすることができない。開閉弁51が回転して弁体57の位置が周方向に移動しても、弁体57が第1流路21と第2流路22とのどちらも閉状態とすることができない状態である。言い換えると、弁体57の回転によらず第1流路21と第2流路22とが常に開状態となる。すなわち、定常流モードにおいては、冷却水の流量を制限する閉状態や絞り状態と、冷却水の流量を制限しない開状態とを切り替え不可能な位置に弁体57が位置している。
FIG. 6 shows the on-off
第1流路21と第2流路22とが、ともに常に開状態である場合、内部を流れる冷却水は定常流の状態である。このため、第1熱交換部31と第2熱交換部32とには、ポンプ7で送られた定常流の状態で冷却水が流れる。したがって、冷却水が脈動流で流れる場合に比べて、圧力損失を小さくして、冷却水をスムーズに循環することができる。
When both the
上述した実施形態によると、弁体57を開閉弁51の回転軸の径方向に移動させる弁体駆動部60を備えている。このため、必要に応じて弁体57を開閉弁51の回転軸の径方向に移動させて、第1流路21や第2流路22を流れる冷却水の量を調整できる。言い換えると、脈動流モードと定常流モードとに流速調整装置50のモードを切り替えることができる。したがって、冷却水の流れを脈動流とするか、定常流とするかを適切に切り替えることで、熱交換装置1で必要な熱交換量を確保しつつ、ポンプ7の消費電力を低減することができる。また、常に脈動流の状態で冷却水を流す場合に比べて、冷却水の循環に伴う振動や音の発生を低減できる。
According to the embodiment described above, the valve
また、脈動流の状態で冷却水を流す場合には、開閉弁51が冷却水の経路を閉じる瞬間に弁体57が開閉弁51の回転軸の径方向外側に押される方向に冷却水から流体力を受ける。この流体力によって、開閉弁51の軸受け部分が回転軸部59に強く押し付けられると、軸受け部分の磨耗が進行しやすい。脈動流と定常流とを使い分けることで、開閉弁51が閉状態および絞り状態となる時間を短くして、弁体57が冷却水から流体力を受ける時間を低減できる。したがって、開閉弁51の軸受け部分における摩耗を低減して、開閉弁51の機能を安定して長期間にわたって発揮させやすい。
In addition, when cooling water is allowed to flow in a pulsating flow state, the
弁体駆動部60は、熱媒体である冷却水の温度に応じて弁体57を移動させる移動量を変えている。このため、冷却水の温度が高い時と低い時とで弁体57の位置を変えて、冷却水の流量を調整することができる。したがって、冷却水の温度に応じて第1熱交換部31や第2熱交換部32での熱交換効率を変えて適切な熱交換を行うことができる。
The valve
弁体駆動部60は、熱媒体である冷却水の温度が高いほど、開閉弁51の回転軸の径方向外側に向かって弁体57を移動させ、冷却水の温度が低いほど、開閉弁51の回転軸の径方向内側に向かって弁体57を移動させている。言い換えると、冷却水の温度が高く、第1熱交換部31や第2熱交換部32で冷却水を積極的に熱交換する必要がある高熱負荷の場合には、冷却水の流れを脈動流に変換して第1熱交換部31や第2熱交換部32の熱交換効率を高めている。一方、冷却水の温度が低く、第1熱交換部31や第2熱交換部32で冷却水を積極的に熱交換する必要がない低熱負荷の場合には、冷却水の流れをポンプ7で送られた定常流のままとしている。これにより、第1流路21や第2流路22における冷却水の流れの圧力損失を必要に応じて小さくしている。このため、第1熱交換部31や第2熱交換部32で必要となる熱交換量が多いほど、第1熱交換部31や第2熱交換部32での熱交換効率を高めることができる。
The valve
弁体駆動部60は、形状記憶合金によって形成されている。このため、冷却水の温度に応じて自動的に弁体57を移動させることができる。したがって、冷却水の温度をセンサで計測して弁体駆動部60の挙動を電気的に制御する場合に比べて、簡単な構成で弁体57の位置を移動させることができる。また、弁体駆動部60自体が冷却水の温度を感知する機能を備えているため、熱交換装置1の部品点数を削減できる。
The valve
弁体駆動部60は、開閉弁51の回転軸を中心に渦を巻く渦巻き形状である。このため、開閉弁51の回転軸における径方向への変位を大きく確保しやすい。また、弁体駆動部60を折り曲げた状態と伸ばした状態とが交互に繰り返されるような変形が引き起こされる場合に比べて、弁体駆動部60に対して局所的に大きな負荷が加えられることを低減しやすい。言い換えると、弁体駆動部60に発生する疲労を低減して、弁体駆動部60が適正に機能する状態を長期間にわたって安定して維持しやすい。
The valve
冷却水の温度を感知する機能を有する弁体駆動部60は、渦巻き形状である。このため、弁体駆動部60の渦巻き形状の内側と外側との両方の表面に沿って冷却水が流れ、冷却水と弁体駆動部60との接触面積を大きく確保しやすい。したがって、弁体駆動部60が冷却水の温度を正確かつ素早く感知して、適切なタイミングで弁体駆動部60による弁体57の移動を引き起こしやすい。
The valve
弁体駆動部60の形状は、形状記憶合金の変態点の前後で開閉弁51の回転軸の径方向に変位する形状であればよく、渦巻き形状に限られない。例えば、形状記憶合金からなるコイルバネであって、変態点未満では収縮し、変態点以上に温度が変化することで収縮した状態から伸びるように弁体駆動部60を形成してもよい。あるいは、変態点未満の温度では、波形状であって、変態点以上の温度では真っすぐな板形状となるように弁体駆動部60を形成してもよい。
The shape of the valve
弁体駆動部60は、温度に依存して変形が引き起こされる部品であればよく、形状記憶合金からなる部品に限られない。例えば、温度変化による体積変化を利用したサーモエレメントを用いてもよい。あるいは、熱膨張率の異なる金属板を利用したバイメタルを用いてもよい。
The valve
開閉弁51は、流路20を流れる冷却水の流れから力を受けて開閉弁51を駆動する回転駆動部54を備えている。このため、開閉弁51の駆動制御をするために駆動用モータや配線などを設ける必要がない。したがって、熱交換装置1を小型にできる。また、開閉弁51を電気的に制御する必要がないため、制御フローを簡略化できる。
The on-off
流速調整装置50は、第1流路21と第2流路22との接続箇所に設けられている。このため、1つの流速調整装置50を用いて第1熱交換部31と第2熱交換部32との両方に流速を調整した冷却水を流すことができる。したがって、複数の発熱部品に対して熱交換を行い冷却することができる。あるいは、1つの発熱部品の複数箇所に対して同時に熱交換することができる。また、第1熱交換部31の熱交換能力と第2熱交換部32の熱交換能力を用途や熱交換対象に応じて変えることができる。よって、1つの熱交換装置1を用いて様々な対象物に対して熱交換を行うことができる。ここで、流路20は第1流路21と第2流路22との2つの経路に分岐するものに限られず、第3流路などを備えて冷却水の経路を3つ以上に分岐させてもよい。
The flow
流速調整装置50は、熱交換器をなす第1熱交換部31や第2熱交換部32に流れる冷却水の流速を周期的に増減させている。このため、ポンプ7を定常流ではなく不規則な流れとした場合など、第1熱交換部31や第2熱交換部32に流れ込む冷却水の流速が周期的ではない増減を繰り返す場合に比べて、熱交換装置1全体での熱交換能力を一定に保ちやすい。したがって、熱交換装置1による熱交換能力不足により、十分な冷却ができないといった事態が引き起こされにくい。また、冷却水の流れを流速が周期的に変化する脈動流とすることで、冷却水を定常流で流す場合に比べて、熱交換装置1全体での熱交換能力を高めることができる。
The flow
回転駆動部54は、冷却水の流れから力を受ける水車構造に限られない。例えば、電動モータを用いて開閉弁51の回転を電気的に制御してもよい。これによると、任意の回転数で開閉弁51を回転させることができる。したがって、開閉弁51の適切な回転数を維持して、熱交換装置1の熱交換効率を高めやすい。
The
第2実施形態
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例である。この実施形態では、弁体駆動部260が形状記憶合金などの温度に依存して形状が変形する部品ではなく、遠心力によって開閉弁51の回転軸の径方向に伸縮する部品である。
Second Embodiment This embodiment is a modified example based on the preceding embodiment. In this embodiment, the valve
図7において、弁体駆動部260は、渦巻き形状の板部材である。弁体駆動部260は、開閉弁51において回転軸部59に沿って設けられた軸受け部分に板部材を巻き付けて形成されている。弁体駆動部260は、開閉弁51の回転軸の径方向に収縮することで、開閉弁51の回転軸の径方向に弁体57を移動させる。
In FIG. 7, the valve
弁体駆動部260が内側に収縮しようとする収縮力よりも開閉弁51の回転に伴う遠心力が大きく、弁体57がケース29の内側表面に押し付けられている。弁体57は、第2流路22と対向した状態でケース29に接触しており、第2流路22の開口を閉塞している状態である。言い換えると、第2流路22における冷却水の流れを停止させている状態である。一方、第1流路21は、弁開口56と連通した開状態であり、第1熱交換部31に向かって冷却水が流れている。
Centrifugal force caused by the rotation of the on-off
図8において、弁体駆動部260は、弁体57を回転軸部59に近づく方向に弁体57を引っ張っている状態である。弁体駆動部260が内側に収縮しようとする収縮力が開閉弁51の回転に伴う遠心力よりも大きく、弁体57とケース29の内側表面との間に大きな隙間が形成されている。弁体57は、第2流路22と対向した位置であるが、ケース29の内側表面と離れているため、第2流路22の開口を閉塞していない状態である。言い換えると、第2流路22に冷却水が流れている状態である。この時、第1流路21についても冷却水が流れているため、第1流路21と第2流路22との両方の経路に同時に冷却水が流れている。
In FIG. 8, the valve
弁体駆動部260は、開閉弁51が回転する際に発生する遠心力の大きさに応じて外径の大きさが変化する。すなわち、回転駆動部54で得られる冷却水の流れの力が大きく、開閉弁51が速く回転する場合には、発生する遠心力が大きい。この大きな遠心力の作用により、弁体駆動部260が開閉弁51の回転軸の径方向の外側に広がるように大きく変形して、弁体57をケース29の内側表面に押し付ける。
The valve
一方、回転駆動部54で得られる冷却水の流れの力が小さく、開閉弁51が遅く回転する場合には、発生する遠心力が小さい。この小さな遠心力の作用では、弁体駆動部260が開閉弁51の回転軸の径方向の外側に広がる変形量が小さく、弁体57をケース29の内側表面に押し付けることができない。すなわち、弁体57とケース29とは常に離れた状態であり、第1流路21や第2流路22を閉状態とすることができない。
On the other hand, when the flow force of the cooling water obtained by the
上述した実施形態によると、弁体駆動部260は、熱媒体である冷却水の流量が多いほど、開閉弁51の回転軸の径方向外側に向かって弁体57を移動させ、冷却水の流量が少ないほど、開閉弁51の回転軸の径方向内側に向かって弁体57を移動させている。言い換えると、冷却水の流量が多く、第1熱交換部31や第2熱交換部32で冷却水を積極的に熱交換する必要がある場合には、冷却水の流れを脈動流に変換して第1熱交換部31や第2熱交換部32の熱交換効率を高めている。一方、冷却水の流量が少なく、第1熱交換部31や第2熱交換部32で冷却水を積極的に熱交換する必要がない場合には、冷却水の流れを定常流のままとして、第1流路21や第2流路22における冷却水の流れの圧力損失を小さくしている。このため、第1熱交換部31や第2熱交換部32で必要な熱交換量が多いほど、第1熱交換部31や第2熱交換部32での熱交換効率を高めることができる。
According to the embodiment described above, the valve
第3実施形態
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例である。この実施形態では、弁体駆動部360が、単一の部品で構成されているのではなく、第1弁体駆動部360aと第2弁体駆動部360bとの2つの部品によって構成されている。
Third Embodiment This embodiment is a modification in which the preceding embodiment is a basic form. In this embodiment, the valve
図9において、第1弁体駆動部360aと第2弁体駆動部360bとは、ともに同一の渦巻き形状の部材であって形状記憶合金で形成されている。第1弁体駆動部360aと第2弁体駆動部360bとは、開閉弁51の軸受け部分に巻き付けられた状態で開閉弁51の回転軸に沿う方向に並んで設けられている。互いに並んで設けられている第1弁体駆動部360aと第2弁体駆動部360bとの間には、隙間が形成されている。
In FIG. 9, both the first valve
第1弁体駆動部360aは、弁体57の下端部よりも上端部に近い位置に接触している。一方、第2弁体駆動部360bは、弁体57の上端部よりも下端部に近い位置に接触している。すなわち、弁体駆動部360は、上端部に近い位置と下端部に近い位置の2箇所で弁体57と接触している。
The first valve
冷却水の温度が弁体駆動部360をなす形状記憶合金の変態点以上の温度であれば、弁体57は、第1弁体駆動部360aと第2弁体駆動部360bとの2箇所の接触部分において、ケース29の内側表面に向かって押しつけられる。一方、冷却水の温度が弁体駆動部360をなす形状記憶合金の変態点未満の温度であれば、弁体57は、第1弁体駆動部360aと第2弁体駆動部360bとの2箇所の接触部分において、ケース29の内側表面から離れる方向に引っ張られる。
If the temperature of the cooling water is equal to or higher than the transformation point of the shape memory alloy that forms the valve
上述した実施形態によると、弁体駆動部360は、開閉弁51の回転軸に沿う方向に複数並んで設けられた第1弁体駆動部360aと第2弁体駆動部360bとを備えている。このため、弁体57は、複数箇所で弁体駆動部360から力を加えられることで、開閉弁51の回転軸の径方向に移動する。したがって、弁体57が1箇所のみから力を加えられて移動する場合に比べて、弁体57をスムーズに移動させることができる。すなわち、弁体57を移動させる際に弁体駆動部360の力が適切に伝わらずに、弁体57が傾斜してしまうといった事態を抑制しやすい。
According to the above-described embodiment, the valve
第4実施形態
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例である。この実施形態では、開閉弁51が、弁体57の移動をガイドするガイド部461を備えている。
Fourth Embodiment This embodiment is a modified example based on the preceding embodiment. In this embodiment, the on-off
図10および図11に示すように、開閉弁51の一部をなす下面部55は、ガイド部461を備えている。ガイド部461は、開閉弁51の回転軸の径方向を長手方向とする矩形の溝形状である。弁体57の一部は、ガイド部461をなす溝形状に挿入されている。弁体57において、ガイド部461に挿入されている部分は、弁体57の断面における円弧形状において中心をなす部分から下面部55に向かって突出している部分である。
As shown in FIGS. 10 and 11, the
弁体駆動部60をなす形状記憶合金の変態点以上の温度においては、弁体57がガイド部461に設定される可動域において、最も外側に位置している。弁体57が最も外側に位置している状態において、弁体57とケース29の内側表面とは接触しておらず、わずかに隙間が形成されている。すなわち、弁体57は、第2流路22の開口を完全には塞がない位置で、第2流路22を流れる冷却水の量を制限している絞り状態である。脈動流モードにおいては、第1熱交換部31や第2熱交換部32を流れる冷却水の流量を制限する絞り状態と、第1熱交換部31や第2熱交換部32を流れる冷却水の流量を制限しない開状態とを切り替え可能な位置に弁体57が位置している。
At a temperature equal to or higher than the transformation point of the shape memory alloy forming the valve
第1流路21と第2流路22とは、流速調整装置50によって、絞り状態と開状態との2つの状態を繰り返すことで内部を流れる冷却水の流速が変化する。このため、第1熱交換部31と第2熱交換部32とには、流速が周期的に変化する脈動流の状態で冷却水を流すことができる。したがって、冷却水が定常流で流れる場合に比べて、熱交換装置1の熱交換効率を高めることができる。
The
図12および図13に示すように、弁体駆動部60をなす形状記憶合金の変態点未満の温度では、ガイド部461に設定される可動域において、ガイド部461の中間点よりも回転軸部59に近い内側に弁体57が位置している。弁体57がガイド部461の中間点よりも内側に位置している状態において、弁体57とケース29の内側表面とは接触しておらず、大きな隙間が形成されている。すなわち、弁体57は、第2流路22の開口を開いている開状態である。定常流モードにおいては、常に第1熱交換部31や第2熱交換部32を流れる冷却水の流量を制限しない開状態となるよう、第1流路21や第2流路22から大きく離れた位置に弁体57が位置している。
As shown in FIG. 12 and FIG. 13, at a temperature lower than the transformation point of the shape memory alloy forming the valve
第1流路21と第2流路22とは、流速調整装置50によって常に開状態となり、内部を流れる冷却水の流速が変化しない。このため、第1熱交換部31と第2熱交換部32とには、流速が一定な定常流の状態で冷却水を流すことができる。したがって、冷却水が脈動流で流れる場合に比べて、熱交換装置1の圧力損失を小さくすることができる。
The
流速調整装置50において、脈動流モードと定常流モードとのモード切り替えにおいては、弁体57の一部がガイド部461に挿入された状態を維持しながら、弁体駆動部60がガイド部461に沿って弁体57をスライド移動させる。これにより、弁体57が下面部55に対して直交する角度を維持しながら、開閉弁51の回転軸の径方向に移動することができる。言い換えると、弁体57が下面部55に対して傾いてしまうことにより、第1流路21や第2流路22と弁体57との間に意図せず隙間が形成されてしまうことを防止しやすい。
In the flow
上述した実施形態によると、開閉弁51は、弁体57の移動をガイドするガイド部461を備えている。このため、弁体57をガイド部461に沿って適切に移動させることができる。したがって、弁体57が傾いてしまって適切に移動できないといった事態を抑制しやすい。
According to the embodiment described above, the on-off
脈動流モードにおいて、弁体57が径方向の最も外側に位置している状態で、弁体57とケース29の内側表面との間にわずかな隙間が形成されている。このため、弁体57が第1流路21や第2流路22を閉状態とすることがない。したがって、開閉弁51の回転にともなって、弁体57とケース29の内側表面とが接触して磨耗することを抑制できる。よって、流速調整装置50による流速調整機能を長期間にわたって安定して発揮させやすい。
In the pulsating flow mode, a slight gap is formed between the
他の実施形態
弁体57の移動は、スライド移動に限られない。例えば、弁体57の下端部を下面部55にヒンジ構造で固定し、弁体57の上端部と回転軸部59との距離を変えるように傾斜させることで弁体57を移動させてもよい。これによると、弁体57の傾斜する角度を変えるように弁体57を移動させることで脈動流モードと定常流モードとを切り替えることができる。
Other Embodiments The movement of the
この明細書における開示は、例示された実施形態に制限されない。開示は、例示された実施形態と、それらに基づく当業者による変形態様を包含する。例えば、開示は、実施形態において示された部品および/または要素の組み合わせに限定されない。開示は、多様な組み合わせによって実施可能である。開示は、実施形態に追加可能な追加的な部分をもつことができる。開示は、実施形態の部品および/または要素が省略されたものを包含する。開示は、1つの実施形態と他の実施形態との間における部品および/または要素の置き換え、または組み合わせを包含する。開示される技術的範囲は、実施形態の記載に限定されない。開示されるいくつかの技術的範囲は、請求の範囲の記載によって示され、さらに請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内での全ての変更を含むものと解されるべきである。 The disclosure in this specification is not limited to the illustrated embodiments. The disclosure encompasses the illustrated embodiments and variations by those skilled in the art based thereon. For example, the disclosure is not limited to the combinations of parts and / or elements shown in the embodiments. The disclosure can be implemented in various combinations. The disclosure may have additional parts that can be added to the embodiments. The disclosure includes those in which parts and / or elements of the embodiments are omitted. The disclosure encompasses the replacement or combination of parts and / or elements between one embodiment and another embodiment. The technical scope disclosed is not limited to the description of the embodiments. Some technical scope disclosed is indicated by the description of the claims, and should be understood to include all modifications within the meaning and scope equivalent to the description of the claims.
1 熱交換装置、 7 ポンプ(流体輸送装置)、 20 流路、 21 第1流路、 22 第2流路、 31 第1熱交換部(熱交換器)、 32 第2熱交換部(熱交換器)、 50 流速調整装置、 51 開閉弁、 53 回転駆動体、 54 回転駆動部、 56 弁開口、 57 弁体、 59 回転軸部、 60 弁体駆動部、 260 弁体駆動部、 360 弁体駆動部、 360a 第1弁体駆動部、 360b 第2弁体駆動部、 461 ガイド部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Heat exchange apparatus, 7 Pump (fluid transport apparatus), 20 Flow path, 21 1st flow path, 22 2nd flow path, 31 1st heat exchange part (heat exchanger), 32 2nd heat exchange part (Heat exchange) ), 50 flow rate adjusting device, 51 on-off valve, 53 rotation drive body, 54 rotation drive section, 56 valve opening, 57 valve body, 59 rotation shaft section, 60 valve body drive section, 260 valve body drive section, 360 valve body Drive part, 360a 1st valve body drive part, 360b 2nd valve body drive part, 461 Guide part
Claims (10)
前記熱交換器に熱媒体を流す流体輸送装置(7)と、
前記熱交換器と前記流体輸送装置とを接続して熱媒体が流れる流路(20)と、
前記流路に設けられて、開閉弁(51)を用いて前記流路を流れる熱媒体の流速を増減させる流速調整装置(50)とを備え、
前記開閉弁は、
回転することで前記流路を流れる熱媒体の量を変化させる弁体(57)と、
前記弁体を前記開閉弁の回転軸の径方向に移動させる弁体駆動部(60、260、360)とを備えている熱交換装置。 A heat exchanger (31, 32) through which a heat medium flows;
A fluid transport device (7) for flowing a heat medium through the heat exchanger;
A flow path (20) through which a heat medium flows by connecting the heat exchanger and the fluid transport device;
A flow rate adjusting device (50) provided in the flow path and configured to increase or decrease the flow rate of the heat medium flowing through the flow path using the on-off valve (51),
The on-off valve is
A valve body (57) that changes the amount of the heat medium flowing through the flow path by rotating;
A heat exchange device comprising: a valve body drive unit (60, 260, 360) that moves the valve body in a radial direction of a rotation shaft of the on-off valve.
前記流路は、
前記第1熱交換部に熱媒体を流す第1流路(21)と、
前記第2熱交換部に熱媒体を流す第2流路(22)とを備え、
前記流速調整装置は、前記第1流路と前記第2流路との接続箇所に設けられている請求項1から請求項8のいずれかに記載の熱交換装置。 The heat exchanger includes a first heat exchange part (31) and a second heat exchange part (32),
The flow path is
A first flow path (21) for flowing a heat medium to the first heat exchange section;
A second flow path (22) for flowing a heat medium to the second heat exchange section,
The heat exchange device according to any one of claims 1 to 8, wherein the flow rate adjusting device is provided at a connection portion between the first flow path and the second flow path.
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN113611933A (en) * | 2021-06-03 | 2021-11-05 | 安徽千航新能源科技有限公司 | Battery pack with heat management and control function and management and control system thereof |
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2018
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CN113611933A (en) * | 2021-06-03 | 2021-11-05 | 安徽千航新能源科技有限公司 | Battery pack with heat management and control function and management and control system thereof |
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