一种非能动冷却装置及散热系统的制作方法

1.本发明属于核工业技术领域，具体涉及一种非能动冷却装置及包含该非能动冷却装置的散热系统。


背景技术：

2.仪控机柜是核电厂仪控系统中不可缺少的组成部分，其设计是将分散的控制设备依据人机交互的方式进行合理拓扑布局，以确保柜体中各元件设备的正常运行。核电厂仪控机柜，尤其是安全级仪控机柜的可用性直接关系到包括安全功能在内的核电厂系统和设备功能的可用性，将会直接影响到核电厂事故的处理能力。因此，安全级仪控机柜对于核电厂机组的安全高效运行非常重要。
3.核电厂要求安全级机柜(下述统称机柜)在正常运行时应具备良好的散热、抗震、外壳防护、电磁屏蔽等性能要求。其中，在散热方面，需要控制机柜温度在合适的范围，以防止由于运行时卡件等部件散热不佳时，机柜温度过高，导致仪控机柜丧失可用性，进而影响机组的安全性。
4.在现有技术中，对于当下核电厂中常见的机柜，在柜体内其热量主要通过机柜外壳散出。常见散热有风扇散热、自然通风、热交换器、空调等方式。机柜在正常运行时所处温度范围约为15℃～35℃，当机柜发生通风故障，散热手段失效时，可允许机柜承受的最高温度为50℃。一旦超过该温度上限，将会造成一定程度的设备失效甚至设备损坏，影响核电厂的正常运行。而上述散热方式一般是需要电能供应，一旦发生停电或无法供电等紧急状况时，其散热方式便会失效，机柜内的温度会急剧上升，进而影响整个机组的安全性。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种非能动冷却装置及包含该非能动冷却装置的散热系统，所述非能动冷却装置能在停电或无法供电的紧急状况下将仪控机柜内的热量转化为电能，并且为仪控机柜内部散热。
6.为了解决上述问题，本发明采用如下技术方案：
7.一种非能动冷却装置，包括相变材料热交换器、温差发电设备以及备用风扇，所述相变材料热交换器设于仪控机柜上，用于收集仪控机柜内的元件在运行时产生的热量，所述温差发电设备的热源端与所述相变材料热交换器相连，其冷源端与外界空气相连，其内部的正负离子在热源端和冷源端温差的作用下运动形成电势差，所述备用风扇设于仪控机柜内部，所述温差发电设备的输出端与所述备用风扇连接，用于为备用风扇供电，以保持仪控机柜内部的通风散热。
8.优选的，所述非能动冷却装置还包括升压转换模块，所述升压转换模块的输入端与所述温差发电设备的输出端相连通，其输出端与所述备用风扇相连，用于放大所述温差发电设备输出的电压，其放大倍数为百倍数量级。
9.优选的，所述升压转换模块包括升压转换器，所述升压转换器采用ltc3108。
10.优选的，所述备用风扇采用多个。
11.优选的，所述相变材料热交换器中的相变材料采用十二水磷酸氢二钠。
12.本发明还提供一种散热系统，包括仪控机柜、以及上述的非能动冷却装置，所述仪控机柜用于储存元件，所述非能动冷却装置中的备用风扇设于所述仪控机柜内部。
13.优选的，所述相变材料热交换器设于仪控机柜的顶部上方，所述备用风扇设于所述仪控机柜内的上部。
14.优选的，所述仪控机柜内的元件按照功率从大到小的顺序，在仪控机柜内部从上到下依次排列。
15.本发明中的非能动冷却装置通过相变材料热交换器储存仪控机柜内的热量，并且将热量转化为电能，从而可为仪控机柜内的备用风扇提供电能，因而可以有效地针对核电厂停电等特殊工况下对仪控机柜进行散热，并且也有利于将仪控机柜产生的热量有效地回收利用。
附图说明
16.图1是本发明实施例1中的非能动冷却装置的工作流程图；
17.图2时本发明实施例2中的散热系统的结构示意图。
18.图中：1-仪控机柜，2-相变材料热交换器，3-温差发电设备，4-升压转换模块，5-备用风扇。
具体实施方式
19.下面将结合本发明中的附图，对发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的范围。
20.在本发明的描述中，需要说明的是，属于“上”等指示方位或位置关系是基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了便于和简化描述，而并不是指示或者暗示所指的装置或者元件必须设有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
21.在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或者暗示相对重要性。
22.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“设置”、“安装”、“固定”等应做广义理解，例如可以是固定连接也可以是可拆卸地连接，或者一体地连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
23.本发明提供一种非能动冷却装置，包括相变材料热交换器、温差发电设备以及备用风扇，所述相变材料热交换器设于仪控机柜上，用于收集仪控机柜内的元件在运行时产生的热量，所述温差发电设备的热源端与所述相变材料热交换器相连，其冷源端与外界空气相连，其内部的正负离子在热源端和冷源端温差的作用下运动形成电势差，所述备用风扇设仪控机柜内部，所述温差发电设备的输出端与所述备用风扇连接，用于为备用风扇供
电，以保持仪控机柜内部的通风散热。
24.本发明还提供一种散热系统，包括仪控机柜、以及上述的非能动冷却装置，所述仪控机柜用于储存电器元件，所述非能动冷却装置中的备用风扇设于所述仪控机柜内部。
25.实施例1
26.如图2所示，本实施例公开一种非能动冷却装置，包括相变材料热交换器2、温差发电设备3以及备用风扇5，相变材料热交换器2设于仪控机柜1上，用于收集仪控机柜1内的元件在运行时产生的热量，温差发电设备3的热源端与相变材料热交换器2相连，其冷源端与外界空气相连，其内部的正负离子在热源端和冷源端温差的作用下运动形成电势差，备用风扇5设于仪控机柜1内部，温差发电设备3的输出端与备用风扇5连接，用于为备用风扇5供电，以保持仪控机柜1内部的通风散热。
27.在本实施例中，仪控机柜1的正常运行温度范围为15℃～30℃，当仪控机柜1发生通风故障时，仪控机柜1的温度会超出该温度范围，甚至达到仪控机柜1能承受的最高温度(50℃)。
28.在本实施例中，由于仪控机柜1里的元件所产生的热量会堆积在仪控机柜1顶部，因此优选将相变材料热交换器2设置在仪控机柜1的顶部，其中，相变材料(pcm)能够随着环境温度的升高而达到自身相变的温度，从而有效地储存热量，并且调节环境温度。其中，相变材料可选用十二水磷酸氢二钠或者新戊二醇等材料，在本实施例中，相变材料采用十二水磷酸氢二钠，用于收集汇集到仪控机柜顶部的热量。具体来说，十二水磷酸氢二钠是一类潜热型储热材料，当仪控机柜1温度超过正常运行范围，达到40℃时，到达十二水磷酸氢二钠的熔点，从而导致其中的结晶水脱出，使盐溶解而不断地吸收周围的热量，从而适当降低仪控机柜1内的温度。
29.在本实施例中，温差发电设备3的热源端与相变材料热交换器2连接，冷源端与空气连接。具体的，其发电原理是将p型与n型两种不同类型的热电材料(p型是富空穴材料，n型是富电子材料)的一端相连形成一个pn结，置于高温热源处，另一端置于低温处，通过高低热源的温差形成电动势，进而将热能转化为电能。
30.进一步的，按照温差发电设备3的温度可分为高温(700℃以上)、中温(400～700℃)、低温(400℃以下)三类，在本实施例中，上述温差发电设备3为低温发电器，温差材料采用碲化铋。
31.在本实施例中，非能动冷却装置还包括升压转换模块4，升压转换模块4的输入端与温差发电设备3的输出端相连通，升压转换模块的输出端与备用风扇5相连，用于放大温差发电设备3输出的电压，其放大倍数为百倍数量级。
32.具体的，在本实施例中，升压转换模块4采用ltc3108转换器，其采用一个内部mos开关、一个外接变压器以及一个小的耦合电容形成的振荡器，可以将温差发电设备3所产生的电压20mv，放大百倍数量级，从而到达5v或其他与备用风扇5的额定电压相适配的电压。
33.在本实施例中，为了保证仪控机柜1内良好的通风散热效果，备用风扇5采用多个，多个备用风扇5通过并联的连接方式与升压转换模块4连接。
34.本实施例中的非能动冷却装置能够有效地收集仪控机柜1内的热量，并将热量转化为电能，从而可以在紧急状况下电源无法提供电能时为备用风扇5供电，在保证仪控机柜1内部通风散热的同时，也实现了热量资源的有效利用。
35.实施例2
36.如图2所示，本实施例公开一种散热系统，包括仪控机柜1、以及实施例1中的非能动冷却装置，仪控机柜1的内部用于储存各种电器元件，非能动冷却装置中的备用风扇5设于仪控机柜1内部。
37.在本实施例中，仪控机柜1内部设有通风散热设备，实施例1中的非能动冷却装置用于作为备用散热设备，当通风散热设备故障失效后，非能动冷却装置的备用风扇5用于仪控机柜1内部的通风散热。
38.可选的，散热系统还包括温度感应器与报警器，温度感应器设于仪控机柜1的内部，并且与报警器电连接，当温度感应器探测到仪控机柜1内的温度超出正常运行温度范围后，发送信号给报警器，报警器发出警报声，从而通知维修人员前来维修。
39.可选的，由于仪控机柜1内部的热量大部分集聚在其顶部，所以将相变材料热交换器2设于仪控机柜1的顶部上方，备用风扇5设于仪控机柜1内的上部，便于有效地对仪控机柜1内部进行通风散热。
40.在本实施例中，为了保证在仪控机柜1内部通风不畅时，将更多的热量集聚在仪控机柜1顶部，仪控机柜1内的电器元件按照功率从大到小的顺序，在仪控机柜1内部从上到下依次排列，即大功率的电器元件设置在仪控机柜1的上部，小功率的电器元件设置在仪控机柜1的下部。
41.如图1所示，本实施例中的散热系统的工作过程如下：
42.当仪控机柜1内部的温度超过正常运行的温度范围后，温度感应器发送信号给报警器，报警器发出警报通知维修人员前来维修，
43.此时，相变材料热交换器2开始吸收并储存仪控机柜1内产生的热量，
44.然后，温差发电设备3在热源与冷源的温差效应下，其内部的离子发生移动，从而差生电势差，
45.然后，升压转换模块4将温差发电设备3产生的电势差放大，以到达备用风扇5的额定电压，从而为备用风扇5供电，备用风扇5运行散热；
46.最后，维修人员赶到仪控机柜1处，将原有的通风散热设备恢复正常。
47.本实施例中的散热系统中的非能动冷却装置在仪控机柜1的原有通风散热设备故障时，能作为备用散热设备，为仪控机柜1内部持续提供通风散热，保护了仪控机柜1内部的各元件的安全运行。
48.可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。