CN113928520B - 一种水下航行器的闭式空气静音冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于水下航行器领域，并具体公开了一种水下航行器的闭式空气静音冷却系统，其包括冷凝器和双通道换热器，其中：所述双通道换热器包括从上至下依次设置的气体封头、上冷媒水腔、复合管结构、下冷媒水腔和液体封头，所述复合管结构包括热管管路和冷媒水管路，所述热管管路两端分别与气体封头和液体封头连通，所述冷媒水管路两端分别与上冷媒水腔和下冷媒水腔连通；所述冷凝器安装在水下航行器舱外，其两端分别与气体封头和液体封头连接。本发明中热管换热器与冷媒水换热器的复合结构，根据不同工作需求改变工作方式，从而替代或部分替代冷媒水冷却的功效，降低冷媒水的使用量及空调功耗，可节约能源、提高续航能力，并降低空调系统噪声。

Description

一种水下航行器的闭式空气静音冷却系统

技术领域

本发明属于水下航行器领域，更具体地，涉及一种水下航行器的闭式空气静音冷却系统。

背景技术

水下航行器是一种航行于水下的航行体，它能够完成水下勘探、侦测等任务。根据水下航行器的装载状态，主压载水舱的注水情况以及使用要求，水下航行器将具有不同的排水量及航行状态，如何在不同航态下，采取最佳换热方式对舱内空气进行冷却并降低能耗是一个必须考虑的课题。此外，水下航行的特殊性还在于舱外压力较高且存在海洋腐蚀，需要特别考虑舱外设备与管路的耐压及耐腐蚀能力。

传统空气冷却装置使用冷水机组通过离心风机、轴流风机等对空气进行冷却，其功能是降低环境温度，使得设备及人员在适宜的温度范围内工作。目前冷水机组的主要缺点在于高功率水泵产生的噪音使得水下航行器的工作环境较为恶劣。

分离式热管作为一种由热管换热器演变而来的被动式的换热系统，其结构简单且可实现室内与舷外海水的热交换，同时因其无需外加动力，可以有效解决冷水机组存在的噪音问题。然而，目前分离式热管存在的问题在于其无法调控，因此较难满足所有航态下水下航行器舱内工作环境的要求，同时换热效率依然较低，无法完全取代传统机组。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种水下航行器的闭式空气静音冷却系统，其目的在于，可根据不同航行状态选择冷却方式，降低冷媒水的使用量，进而降低所需能耗，提高水下航行器的自持力；同时降低空调系统噪声，改善水下作业人员的工作环境。

为实现上述目的，本发明提出了一种水下航行器的闭式空气静音冷却系统，包括冷凝器和双通道换热器，其中：

所述双通道换热器包括从上至下依次设置的气体封头、上冷媒水腔、复合管结构、下冷媒水腔和液体封头，其中，所述复合管结构包括热管管路和冷媒水管路，所述热管管路两端分别与所述气体封头和液体封头连通，所述冷媒水管路两端分别与所述上冷媒水腔和下冷媒水腔连通；

所述冷凝器安装在水下航行器舱外，其两端分别与气体封头和液体封头连接。

作为进一步优选的，所述热管管路外部装有翅片，该热管管路包括管体和金属丝网，其中，所述管体内壁面开设有蒸汽槽道，所述金属丝网通过弹簧固定在所述管体内。

作为进一步优选的，所述金属丝网为200～400目的不锈钢丝网，且孔隙率为30％～55％。

作为进一步优选的，所述管体内壁面通过间隔设置的肋片形成蒸汽槽道，所述肋片高度为0.5mm～1mm，肋片宽度为1mm～1.5mm，蒸汽槽道宽度为0.5mm～2mm。

作为进一步优选的，所述冷凝器的安装位置高于所述双通道换热器。

作为进一步优选的，所述热管管路和冷媒水管路间隔布置。

作为进一步优选的，所述冷凝器和热管管路采用镍白铜制造而成，所述气体封头和液体封头采用不锈钢制造而成。

作为进一步优选的，所述热管管路内采用R134A作为制冷工质。

作为进一步优选的，所述冷凝器一端通过蒸汽管道与所述气体封头连接，另一端通过冷凝回流管道与所述液体封头连接，所述蒸汽管道上设有舷侧阀。

作为进一步优选的，所述舷侧阀为GBC型球形截止阀。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明提出了一种热管换热器与冷媒水换热器的复合结构，可根据不同工作需求改变冷却系统的工作方式，具体在水下高速航行时，冷凝器可充分与海水换热，此时仅利用热管换热器部分进行静音冷却；在水下低速航行时，低功率开启冷媒水换热器并运行热管换热器部分，两种冷却方式共同工作实现部分降噪；水面航行时，仅使用冷媒水换热器部分对舱内空气进行冷却。通过本发明的复合结构，可替代或部分替代冷媒水冷却的功效，降低冷媒水的使用量及空调功耗，达到节约能源、提高续航能力的目的，同时降低空调系统噪声，改善水下作业人员的工作环境。

2.本发明对热管换热器管路内部结构进行优化设计蒸汽槽道和金属丝网，可在热管内为热管系统提供额外毛细抽力，同时减小了管内气体的流动阻力，从而提高分离式热管部分的换热能力。

3.本发明将冷凝器安装于舱外，且位置高于双通道换热器，可为热管系统提供重力作为循环动力；同时，管路排布采用冷媒水管路与热管管路间隔布置，复合结构可有效减少换热器的占地面积。

4.本发明在蒸汽管道上设有舷侧阀，该舷侧阀可保证系统的安全运行，当舷外装置发生异常时，可及时切断回路，从而保证舱内外完全隔绝，并进一步选择GBC型球形截止阀，以提高气密性并降低泄漏率。

附图说明

图1为本发明实施例水下航行器的闭式空气静音冷却系统结构示意图；

图2中(a)、(b)为本发明实施例双通道换热器结构示意图；

图3为本发明实施例热管管路结构示意图；

图4为本发明实施例热管换热器液体封头结构示意图；

图5为本发明实施例双通道换热器管道布置示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-冷凝器，2-双通道换热器，3-蒸汽管道，4-冷凝回流管道，5-舷侧阀，6-气体封头，7-上冷媒水腔，8-热管管路，9-冷媒水管路，10-下冷媒水腔，11-液体封头，12-管体，13-蒸汽槽道，14、17-金属丝网，15-弹簧，16-腔体。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明实施例提供的一种水下航行器的闭式空气静音冷却系统，如图1所示，包括冷凝器1和双通道换热器2，其中：

所述双通道换热器2安装在水下航行器舱内，其包括热管换热器与冷媒水换热器，如图2所示，所述热管换热器包括依次连接的气体封头6、热管管路8和液体封头11；所述冷媒水换热器与外部冷水机组系统连接，其包括依次连接的上冷媒水腔7、冷媒水管路9和下冷媒水腔10；所述热管管路8和冷媒水管路9间隔布置，并共同构成复合管结构，以有效减少换热器的占地面积，如图5所示；所述气体封头6、上冷媒水腔7、复合管结构、下冷媒水腔10和液体封头11从上至下依次设置。

所述冷凝器1一端通过蒸汽管道3与所述气体封头6连接，另一端通过冷凝回流管道4与所述液体封头11连接，即热管换热器通过冷凝回流管道4和蒸汽管道3与冷凝器1相连，构成分离式热管系统；该冷凝器1安装在水下航行器舱外，且位置高于双通道换热器2，从而为热管系统提供重力作为循环动力。

进一步的，如图3所示，所述热管管路8外部装有翅片，该热管管路8包括管体12和金属丝网14，其中，所述管体12内壁面开设有蒸汽槽道13，所述金属丝网14通过弹簧15固定在所述管体12内。优选的，所述金属丝网14为200～400目的不锈钢丝网形成的多孔结构，且孔隙率为30％～55％；所述管体12内壁面通过间隔设置的肋片形成蒸汽槽道13，考虑加工难度和换热器的传热性能，肋片高度为0.5mm～1mm，肋片宽度为1mm～1.5mm，蒸汽槽道13宽度为0.5mm～2mm。系统工作时，热管管路中的液态制冷工质受热后，在金属丝网14外侧蒸发，蒸汽进入蒸汽槽道13并上升进入气体封头8，在毛细芯的作用下，管路内部的制冷工质不断向槽道补充，这种结构可大大减小气体流动阻力，从而提高换热效率。此外，如图4所示，热管换热器的液体封头11包括腔体16和贴附在腔体16内的金属丝网17。热管换热器的热管管路与液体封头内部的金属丝网均可为热管系统提供额外的毛细抽力。

进一步的，冷凝器1采用镍白铜材料制造；双通道换热器2的热管管路、管板选材为镍白铜(BFe10-1.6-0.7)；双通道换热器2的壳体、封头选材为不锈钢(0Cr18Ni9)，从而满足强度、防腐、防漏，焊接性以及与导热工质的相容性等要求。热管管路内的制冷剂根据蒸汽运行的温度范围进行选取，考虑到工质与管壳、管芯材料的相容性以及安全性等因素，选择R134A作为制冷工质。

进一步的，所述蒸汽管道3上设有舷侧阀5，该舷侧阀具有快关，用于保证装置的安全运行，当舷外装置发生异常时，可及时切断回路，从而保证舱内外完全隔绝。为提高通舱管件安全性，根据热管冷却装置工作要求，在标准隔离阀的基础上，采用通舱管件与舷侧阀一体化设计，即采用舷侧阀与蒸汽管道焊接结构形式以提高通舱管件可靠性和安全性。优选的，舷侧阀5为GBC型球形截止阀，从而满足气密性及泄漏率要求。

上述闭式空气静音冷却系统可以根据不同工作需求改变工作方式，具体根据水下航行器的航行情况切换运行方式：

1.水下航行器在水下高速航行时(航速不小于10节)，舷外冷凝器可充分与海水换热，此时，关闭冷媒水换热器及冷水机组的水泵，冷媒水管路9内无流动，仅使用双通道换热器的热管换热器部分进行静音冷却；

2.水下航行器在水下低速航行时(航速小于10节)，低功率(0.5KW左右)开启冷媒水换热器并运行热管换热器部分，两种冷却方式共同工作实现部分降噪；具体的，系统工作时，舱内热空气通过风机鼓入双通道换热器，分别与热管管路8及冷媒水管路9进行换热，对于热管换热器部分，热管管路8中的制冷工质吸热后相变上升至气体封头6，并沿蒸汽管道3进入冷凝器1，气态工质在冷凝器中与海水进行换热并重新冷凝，最后在重力作用下沿冷凝回流管道4重新回到液体封头11；对于冷媒水换热器部分，冷媒水依次通过下冷媒水腔10、冷媒水管路9以及上冷媒水腔7进行循环；

3.水面航行时，冷凝器1无法与海水进行换热，此时仅使用冷媒水对舱内空气进行冷却。

本发明通过替代或部分替代冷媒水冷却的功效，降低了冷媒水的使用量及空调功耗，总而达到节约能源、提高续航能力的目的并降低空调系统噪声。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水下航行器的闭式空气静音冷却系统，其特征在于，包括冷凝器(1)和双通道换热器(2)，其中：

所述双通道换热器(2)包括从上至下依次设置的气体封头(6)、上冷媒水腔(7)、复合管结构、下冷媒水腔(10)和液体封头(11)，其中，所述复合管结构包括热管管路(8)和冷媒水管路(9)，所述热管管路(8)两端分别与所述气体封头(6)和液体封头(11)连通，所述冷媒水管路(9)两端分别与所述上冷媒水腔(7)和下冷媒水腔(10)连通；

所述冷凝器(1)安装在水下航行器舱外，其两端分别与气体封头(6)和液体封头(11)连接。

2.如权利要求1所述的水下航行器的闭式空气静音冷却系统，其特征在于，所述热管管路(8)外部装有翅片，该热管管路(8)包括管体(12)和金属丝网(14)，其中，所述管体(12)内壁面开设有蒸汽槽道(13)，所述金属丝网(14)通过弹簧(15)固定在所述管体(12)内。

3.如权利要求2所述的水下航行器的闭式空气静音冷却系统，其特征在于，所述金属丝网(14)为200～400目的不锈钢丝网，且孔隙率为30％～55％。

4.如权利要求2所述的水下航行器的闭式空气静音冷却系统，其特征在于，所述管体(12)内壁面通过间隔设置的肋片形成蒸汽槽道(13)，所述肋片高度为0.5mm～1mm，肋片宽度为1mm～1.5mm，蒸汽槽道(13)宽度为0.5mm～2mm。

5.如权利要求1所述的水下航行器的闭式空气静音冷却系统，其特征在于，所述冷凝器(1)的安装位置高于所述双通道换热器(2)。

6.如权利要求1所述的水下航行器的闭式空气静音冷却系统，其特征在于，所述热管管路(8)和冷媒水管路(9)间隔布置。

7.如权利要求1所述的水下航行器的闭式空气静音冷却系统，其特征在于，所述冷凝器(1)和热管管路(8)采用镍白铜制造而成，所述气体封头(6)和液体封头(11)采用不锈钢制造而成。

8.如权利要求7所述的水下航行器的闭式空气静音冷却系统，其特征在于，所述热管管路(8)内采用R134A作为制冷工质。

9.如权利要求1-8任一项所述的水下航行器的闭式空气静音冷却系统，其特征在于，所述冷凝器(1)一端通过蒸汽管道(3)与所述气体封头(6)连接，另一端通过冷凝回流管道(4)与所述液体封头(11)连接，所述蒸汽管道(3)上设有舷侧阀(5)。

10.如权利要求9所述的水下航行器的闭式空气静音冷却系统，其特征在于，所述舷侧阀(5)为GBC型球形截止阀。

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