CN112577351A - 一种用于密闭空间的使用磁悬浮转子的换热结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于密闭空间的使用磁悬浮转子的换热结构，包括：含有发热源的密闭壳体；所述密闭壳体内包括悬浮式的转子；所述转子通过悬浮轴承装配于所述密闭壳体内；所述转子与所述悬浮轴承及所述密闭壳体均无直接接触；所述转子上安装有叶轮；所述叶轮转动并带动所述密闭壳体内的介质在密闭壳体内流动循环。磁悬浮式的转子不存在机械接触，因此不需要使用润滑油，不存在润滑油泄漏的问题。磁悬浮式的转子的转速更高，因此散热效果优于机械转子。没有机械接触带来的摩擦损耗，磁悬浮式的转子比传统机械转子节能30%以上，且磁悬浮式的转子的寿命远远超过传统机械转子。而且磁悬浮式的转子没有振动产生，特别适合于高精度工作的设备。
Description
技术领域
本发明涉及密闭空间散热技术领域，尤其涉及一种用于密闭空间的使用磁悬浮转子的换热结构。
背景技术
很多行业的设备都需要在密闭空间内工作，设备在密闭空间内工作的好处有很多。首先在密闭空间内工作可防止外部因素影响密闭空间的内部设备工作，外部因素包括但不限于固体杂质、液体杂质以及固液混合杂质。其次若密闭空间内有工作介质，可防止工作介质泄露到外部。因此密闭空间对设备工作的稳定可靠性有极大的优势。在激光设备、天文望远镜、光刻机、半导体设备、航天机器领域以及一些电子设备等产品的工作与加工制造环节中都可将一些工作设备安装在密闭空间内。
密闭空间有上述优势的同时却存在着散热困难的问题。由于密闭空间与外界不发生介质交换，因此不能采用非密闭空间的主动式散热方法，即通过引入待散热空间外的介质，将发热设备产生的热量带出到空间外。
现有技术方案大多通过使用机械转子将密闭空间内的介质带动到密闭空间的壁面进行散热。但是机械转子与轴承存在机械接触，所以需要润滑油进行润滑，为了防止润滑油泄漏，需要设置密封装置。若密封装置不能实现完全密封，润滑油会泄漏从而导致密闭空间被污染。若密封装置故障失效，机械转子将被损坏，密闭空间会无法散热导致密闭空间的设备被损坏。为解决上述问题，现有方案始终围绕着优化密封装置的角度去改进。这导致密封装置的成本越来越高，却始终无法完全保证润滑油不泄漏。
发明内容
本发明的技术方案是：一种用于密闭空间的使用磁悬浮转子的换热结构，解决了传统机械转子在密封装置内散热效果不佳的问题，本换热结构适用于激光设备、天文望远镜、光刻机、半导体设备、航天机器等技术领域。
传统方案中，发热源设置于密闭的密闭壳体内，在没有任何换热装置的情况下，发热源产热会导致密闭空间内部温度过高，导致设备无法正常工作。
现有技术的解决方案是：在密闭空间内设置机械转子（转子包括转轴与叶轮）。机械转子的叶轮旋转带动密闭空间的介质循环达到散热的目的。但是，机械转子与轴承存在机械接触，所以需要润滑油进行润滑，为了防止润滑油泄漏，需要设置密封装置。若密封装置不能实现完全密封，润滑油会泄漏从而导致密闭空间被污染影响设备正常工作。不仅如此，润滑油泄漏会使机械转子与轴承直接接触，从而导致轴承损坏，使密闭空间无法散热导致设备损坏。
为了解决上述问题，在密闭的密闭壳体内布置磁悬浮式的转子，转子上设置叶轮，叶轮随着转子的转动产生介质的流动，介质经过发热源附近带走热量，并通过密闭壳体的壁面与外界交换热量进行散热。
具体的，换热结构包括：含有发热源的密闭壳体，同时，密闭壳体内包括悬浮式的转子。转子通过悬浮轴承悬浮于密闭壳体内，转子与悬浮轴承及密闭壳体均无直接接触。转子上安装有叶轮，叶轮转动并带动密闭壳体内的介质沿密闭壳体内循环流动。
优选的是，悬浮轴承可以是径向轴向一体化磁悬浮轴承。
优选的是，悬浮轴承也可以是单独的径向悬浮轴承及单独的轴向悬浮轴承，转子通过径向悬浮轴承及轴向悬浮轴承分别进行轴向悬浮及径向悬浮支撑。
优选的是，密闭壳体内包括导热材料，导热材料嵌装在密闭壳体的内壁面中。
优选的是，导热材料包括但不限于：银、铜、金、铝、碳化硅。
优选的是，密闭壳体的外部设置低温模块，低温模块内的填充物包括但不限于：常温固体、低温固体、常温液体、低温液体。
优选的是，低温模块的布置位置与密闭壳体内的导热材料位置相应。
优选的是，密闭壳体内还包括换热管道，换热管道沿着介质的流动循环路径布置，且叶轮带动介质在换热管道内流动循环。
优选的是，换热管道靠近密闭壳体内的导热材料位置进行布置。
优选的是，换热结构还包括：与转子匹配的定子，定子包括电机定子及磁悬浮轴承，电机定子布置于密闭壳体内，电机定子也可以布置于密闭壳体外。
优选的是，转子的一部分位于密闭壳体内，转子的另一部分位于密闭壳体外。位于密闭壳体内的转子上安装叶轮，位于密闭壳体外的转子与定子匹配，转子与密闭壳体的装配处通过密封件配合。
本发明的优点是：磁悬浮式的转子不存在机械接触，因此不需要使用润滑油，不存在润滑油泄漏的问题。磁悬浮式的转子的转速更高，因此散热效果优于机械转子。没有机械接触带来的摩擦损耗，磁悬浮式的转子比传统机械转子节能30%以上，且磁悬浮式的转子的寿命远远超过传统机械转子。而且磁悬浮式的转子没有振动产生，特别适合于高精度工作的设备。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明的换热结构原理图；
图2为采用导热材料的换热结构原理图；
图3为采用导热材料及低温模块的换热结构原理图；
图4为采用导热材料、低温模块及换热管道的换热结构原理图；
图5为磁悬浮转子位于密闭壳体中间布置的原理图；
图6为多个磁悬浮转子的换热结构原理图；
图7为磁悬浮转子及定子均布置于密闭壳体内的原理图；
图8为磁悬浮转子布置于密闭壳体内、磁悬浮定子布置于密闭壳体外的原理图；
图9为磁悬浮转子及定子均布置于密闭壳体外、转子端部叶轮伸入密闭壳体内的原理图。
具体实施方式
实施例1：
传统方案是在密闭空间内设置机械转子（转子包括转轴与叶轮），机械转子的叶轮旋转带动密闭空间的介质循环达到散热的目的。本实施例中使用磁悬浮式的转子代替机械转子，磁悬浮式的转子将转子通过悬浮轴承进行支撑，两者之间不存在机械接触，因此不需要使用润滑油，不存在润滑油泄漏的问题，这对密闭空间的系统稳定性十分关键。由于转子与悬浮轴承没有机械接触，其可以直接浸没在介质内，而不污染介质。尤其是介质是液体时，转子可以直接浸没在散热液体中稳定工作，这是传统机械转子难以实现的。
磁悬浮式的转子的转速更高，因此散热效果优于机械转子。因为高转速可以提高密闭空间内的介质的循环效率。一台磁悬浮式的转子散热性能可达到数台机械转子的散热性，这利于减小密闭空间的体积,提高密闭空间利用率，降低成本。而且散热性优于传统机械转子的另一点是磁悬浮式的转子本身发热小于传统电机，进一步地，若将发热的电机定子放在密闭空间的外侧，而转子放置在密闭空间内侧，则转子本身的发热几乎为零。
没有机械接触带来的摩擦损耗，磁悬浮式的转子比传统机械转子节能30%以上。对需要大功率散热，长期稳定散热的设备十分有利。另外，磁悬浮式的转子寿命超过传统机械转子。有利于需要设备长期稳定工作的设备，保证了系统稳定性。
磁悬浮式的转子由于没有机械接触，其散热工作时不产生振动。这对需要高精度工作的设备而言至关重要。在高精设备领域的散热中，使用磁悬浮式的转子的优势巨大，甚至是唯一的可选项。
实施例2：
含有发热源的密闭壳体内包括悬浮式的转子。转子通过悬浮轴承装配于密闭壳体内，转子与悬浮轴承及密闭壳体均无直接接触。转子上安装有叶轮，叶轮转动并带动密闭壳体内的介质在壳体内流动循环，当接触到壁面时进行换热。
进一步优化的是，可以用比密闭壳体的壁面材料导热性更好的导热材料嵌到壁面中成为密闭空间的一部分，此处的“嵌”的实现方式可以通过一体化加工得到，这有利于保证密闭空间的密闭性。当循环流动的介质经过这种导热材料附近处的时候，可以更快地散热。这种导热材料的材质不唯一，可以是银、铜、金、铝等金属材质，也可以是碳化硅、硅胶等非金属。导热材料的面积，材料，形状根据实际需求设计。也可以将空间四周都设计成导热性更好的导热材料，这样密闭空间的导热性更好。
实施例3：
含有发热源的密闭壳体内包括悬浮式的转子。转子通过悬浮轴承装配于密闭壳体内，转子与悬浮轴承及密闭壳体均无直接接触。转子上安装有叶轮，叶轮转动并带动密闭壳体内的介质在壳体内流动循环，当接触到壁面时进行换热。为了更好地进行散热，可以在密闭空间的外侧设置低温模块，低温模块的面积，温度，形状，实现形式根据实际需求设计。可以将空间四周用低温模块包围。所述低温模块，可以是常温/低温固体，常温/低温气体，常温/低温液体等可以给密闭空间降温的介质。
在实施例2的基础上，密闭壳体的内侧壁面上嵌入式的布置有导热材料，那么低温模块可有选择的设置在导热材料的附近，当介质经过导热材料时能够更有效的进行换热。
实施例4
含有发热源的密闭壳体内包括悬浮式的转子。转子通过悬浮轴承装配于密闭壳体内，转子与悬浮轴承及密闭壳体均无直接接触。转子上安装有叶轮，叶轮转动并带动密闭壳体内的介质在壳体内流动循环，当接触到壁面时进行换热。
当介质无法在密闭空间内自由流动时，需要设置换热管道，换热管道沿着介质的流动循环路径布置，且叶轮带动介质在换热管道内流动循环。
介质可以是液体也可以是气体，若密闭壳体的内侧壁面上嵌入式的布置有导热材料，换热管道可有选择的尽可能的靠近导热材料，有利于内部散热。
悬浮式的转子可以布置在密闭空间内的任意一个不干扰设备正常运行的地方。例如，可安装在空间中心处，如图5所示。安装的位置取决于密闭空间内的总体布局。一般地，转子离密闭空间内发热较大的部件较近，这样利于散热。
实施例5
含有发热源的密闭壳体内包括悬浮式的转子。转子通过悬浮轴承装配于密闭壳体内，转子与悬浮轴承及密闭壳体均无直接接触。转子上安装有叶轮，叶轮转动并带动密闭壳体内的介质在壳体内流动循环，当接触到壁面时进行换热。定子与转子匹配，电机定子布置于密闭壳体内，电机定子也可以布置于密闭壳体外。若电机定子与转子均布置在密闭壳体内，那么可以采用转子悬浮式设置，即通过悬浮轴承对转子径向单独悬浮支撑，转子外部以常规气隙配合定子即可实现驱动。因为磁悬浮式的转子与定子没有机械接触，不需要润滑油，所以即使电机的转子和定子均安装在密闭空间内部也不会产生润滑油污染空间的问题。也不会产生润滑油流失，转子旋转失效的问题。且磁悬浮式的结构本身发热小于传统电机，其散热性能优于传统电机。
若电机的定子与转子分别在密闭壳体的内部和外部，则电机定子可以设置在密闭空间外部，转子位于密闭空间内部。这样可以避免电机本身发热造成的密闭空间温度上升。因为转子与定子没有机械接触，因此可以将电机定子设置到密闭空间外部，此时位于电机的定子与转子之间的密闭壳体材料是不对磁场有影响的。
进一步的是，磁悬浮式的转子可以一端设置在密闭空间内部，一端设置在密闭空间外部。设置在密闭空间内部的一端带有叶轮。转子与密闭空间的结合处需要设置密封装置，保证密闭空间的密闭性。
本发明实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明的。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明的所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (11)
1.一种用于密闭空间的使用磁悬浮转子的换热结构，其特征在于：包括：含有发热源的密闭壳体、悬浮式的转子和悬浮轴承；所述转子通过悬浮轴承悬浮于所述密闭壳体内；所述转子与所述悬浮轴承及所述密闭壳体均无机械接触；所述转子上设置有叶轮；所述叶轮随转子转动并带动所述密闭壳体内的介质在密闭壳体内产生循环流动实现换热。
2.根据权利要求1所述的一种用于密闭空间的使用磁悬浮转子的换热结构，其特征在于：所述转子通过径向悬浮轴承及轴向悬浮轴承分别进行轴向悬浮及径向悬浮支撑。
3.根据权利要求1所述的一种用于密闭空间的使用磁悬浮转子的换热结构，其特征在于：所述悬浮轴承是径向轴向一体化磁悬浮轴承。
4.根据权利要求1所述的一种用于密闭空间的使用磁悬浮转子的换热结构，其特征在于：所述密闭壳体内包括导热材料，所述导热材料嵌装在所述密闭壳体的内壁面中。
5.根据权利要求4所述的一种用于密闭空间的使用磁悬浮转子的换热结构，其特征在于：所述导热材料包括但不限于：银、铜、金、铝、碳化硅、硅胶。
6.根据权利要求1或4所述的一种用于密闭空间的使用磁悬浮转子的换热结构，其特征在于：所述密闭壳体的外部设置低温模块，所述低温模块内的填充物包括但不限于：常温固体、低温固体、常温液体、低温液体。
7.根据权利要求6所述的一种用于密闭空间的使用磁悬浮转子的换热结构，其特征在于：所述低温模块的布置位置与密闭壳体内的导热材料位置相应。
8.根据权利要求1或4所述的一种用于密闭空间的使用磁悬浮转子的换热结构，其特征在于：所述密闭壳体内包括换热管道；换热管道沿着所述介质的流动循环路径布置，且所述叶轮带动所述介质在所述换热管道内流动循环。
9.根据权利要求8所述的一种用于密闭空间的使用磁悬浮转子的换热结构，其特征在于：所述换热管道靠近密闭壳体内的导热材料位置进行布置。
10.根据权利要求1所述的一种用于密闭空间的使用磁悬浮转子的换热结构，其特征在于：包括与所述转子匹配的定子，定子包括电机定子及所述磁悬浮轴承；所述电机定子布置于所述密闭壳体内或布置于所述密闭壳体外。
11.根据权利要求1所述的一种用于密闭空间的使用磁悬浮转子的换热结构，其特征在于：所述转子的一部分位于所述密闭壳体内，转子的另一部分位于所述密闭壳体外；位于密闭壳体内的转子上安装所述叶轮，位于密闭壳体外的转子与所述定子匹配；所述转子与密闭壳体的装配处通过密封件配合。
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