一種變流器的冷卻系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種變流器的冷卻系統(tǒng)，所述變流器包括發(fā)熱元件，所述冷卻系統(tǒng)用于對所述發(fā)熱元件進行散熱，所述冷卻系統(tǒng)包括進液管道（401）、出液管道（402）、第一液冷裝置（20）、以及第二液冷裝置（10）；所述第一液冷裝置（20）包括液冷散熱器（201）；所述第二液冷裝置（10）包括冷凝器（103）、蒸發(fā)器（101）和壓縮機（102）；所述冷凝器（103）、所述蒸發(fā)器（101）和所述壓縮機（102）通過管路連接成第一封閉回路；該第一封閉回路中設(shè)有制冷劑；本發(fā)明通過在變流器內(nèi)部設(shè)置第一液冷裝置和第二液冷裝置，大大地降低了變流器機柜內(nèi)的空氣溫度，從而提高了機柜內(nèi)元器件的使用壽命和可靠性。
【專利說明】一種變流器的冷卻系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電力設(shè)備領(lǐng)域，尤其涉及一種變流器的冷卻系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，大功率變流器(包括風電變流器、光伏逆變器)的結(jié)構(gòu)設(shè)計越來越緊湊，這樣，一方面造成熱量越來越集中，另一方面造成散熱更加困難。過去解決之道通常是將變流器中的發(fā)熱元件(如IGBT，整流橋)等安裝在銅(鋁)制的散熱器上，并在該散熱器的柜(殼)體上加裝風扇，配合設(shè)計的風道讓熱量散到外部。但是隨著功率密度的提高，變流器發(fā)熱量的增大，風冷已經(jīng)不能滿足散熱的要求。近年來，水冷散熱技術(shù)有了飛速的發(fā)展，它不但在散熱效果上超過了如風冷、熱管等散熱方式，在噪音控制，應(yīng)用環(huán)境適應(yīng)性等方面也達到了良好的效果。因此，在大功率，高功率密度的電力電子產(chǎn)品的散熱上，水冷散熱技術(shù)得到廣泛的運用。
[0003]在采用水冷散熱以后，為了使變流器機柜的密封IP等級可以做得更高，同時也為了滿足各種惡劣環(huán)境的使用要求，除了高熱流密度的IGBT采用直接水冷的散熱方式以外(通過液冷散熱器將IGBT的熱量散發(fā)到機柜外)，變流器機柜內(nèi)部的其它發(fā)熱元件(包括電感、銅排、接觸器、斷路器、電容模塊、熔絲等等)通常采用先將熱量傳遞給變流器機柜內(nèi)部的空氣，被加熱后的空氣在風機的驅(qū)動下進入變流器柜內(nèi)的氣液熱交換器，由于溫差的作用，空氣的熱量將傳遞給氣液熱交換器，氣液熱交換器的熱量將進一步地傳遞給氣液熱交換器的冷卻液，流動的冷卻液將該熱量帶出變流器機柜，進入外部的熱交換器中(通常為風冷式的熱交換器)，最終由該外部的熱交換器將熱量傳遞到大氣中，從而達到冷卻的目的，如圖1所示。
[0004]根據(jù)熱力學(xué)第一定律，熱量只能從高溫物體傳遞到低溫物體。上述所敘述的熱量傳遞過程中，由于熱阻的存在，變流器機柜內(nèi)發(fā)熱元件的溫度必須大于機柜內(nèi)的空氣溫度，機柜內(nèi)的空氣溫度必須大于氣液熱交換器的溫度，氣液熱交換器的溫度必須大于冷卻液的溫度；同樣的，變流器機柜內(nèi)的冷卻液溫度必須大于外界的環(huán)境溫度，才能滿足熱量從柜內(nèi)的發(fā)熱元件傳遞到變流器外界空氣的過程。
[0005]因此，機柜內(nèi)的空氣溫度一般會比外界環(huán)境溫度高10度?30度，局部區(qū)域甚至會更高。例如當外界環(huán)境溫度為45度的時候，機柜內(nèi)的空氣溫度將達到70度甚至更高。
[0006]眾所周知，影響器件使用壽命和可靠性的主要因素之一是其所使用的環(huán)境溫度。采用水冷散熱的變流器，其柜內(nèi)空氣溫度比外界環(huán)境溫度要高很多，為了保證器件的使用壽命和可靠性，一般需要使用非標耐高溫的器件來解決，而采用非標耐高溫的器件的成本將成倍增加。但是如果不使用耐高溫器件，變流器將會頻繁的出現(xiàn)各種故障，器件的定期更換和定期維護成本將更高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明針對現(xiàn)有使用水冷散熱的變流器，其柜內(nèi)空氣溫度比外界環(huán)境溫度要高很多，降低了機柜內(nèi)元器件的使用壽命和可靠性，增加了變流器的制造成本以及維護成本的問題，提供一種變流器的冷卻系統(tǒng)。
[0008]本發(fā)明就其技術(shù)目的所提供的解決方案如下:
[0009]本發(fā)明提供了一種變流器的冷卻系統(tǒng)，所述變流器包括發(fā)熱元件，所述冷卻系統(tǒng)用于對所述發(fā)熱元件進行散熱，所述冷卻系統(tǒng)包括進液管道、出液管道、第一液冷裝置、以及第二液冷裝置；
[0010]所述第一液冷裝置包括液冷散熱器；該液冷散熱器具有液冷散熱器進液口和液冷散熱器出液口 ；所述第二液冷裝置包括冷凝器、蒸發(fā)器和壓縮機；所述冷凝器、所述蒸發(fā)器和所述壓縮機通過管路連接成第一封閉回路；該第一封閉回路中設(shè)有制冷劑；所述冷凝器具有冷凝器進液口和冷凝器出液口；
[0011]所述液冷散熱器進液口和所述冷凝器進液口分別與所述進液管道連通；所述液冷散熱器出液口和所述冷凝器出液口分別與所述出液管道連通。
[0012]本發(fā)明上述的變流器的冷卻系統(tǒng)中，所述第二液冷裝置還包括蒸發(fā)器風機，該蒸發(fā)器風機通過風腔與所述蒸發(fā)器連接。
[0013]本發(fā)明上述的變流器的冷卻系統(tǒng)中，所述第二液冷裝置還包括第一液冷熱交換器，所述第一液冷熱交換器具有第一液冷熱交換器進液口和第一液冷熱交換器出液口，所述蒸發(fā)器具有蒸發(fā)器進液口和蒸發(fā)器出液口；
[0014]所述蒸發(fā)器進液口與所述進液管道連通，所述蒸發(fā)器出液口與所述第一液冷熱交換器進液口連通，所述第一液冷熱交換器出液口與所述出液管道連通。
[0015]本發(fā)明上述的變流器的冷卻系統(tǒng)中，所述第二液冷裝置還包括第一泵、第二液冷熱交換器；該第二液冷熱交換器具有第二液冷熱交換器進液口和第二液冷熱交換器出液口，所述蒸發(fā)器具有蒸發(fā)器進液口和蒸發(fā)器出液口 ；
[0016]所述蒸發(fā)器出液口與所述第一泵的泵進液口連通，所述第一泵的泵出液口與所述第二液冷熱交換器進液口連通，所述第二液冷熱交換器出液口與所述蒸發(fā)器進液口連通，從而構(gòu)成第二封閉回路；所述第二封閉回路中設(shè)有第二冷卻液。
[0017]本發(fā)明上述的變流器的冷卻系統(tǒng)中，所述第二冷卻液為水、乙二醇、丙二醇、乙二醇水溶液、丙二醇水溶液中任意一種。
[0018]本發(fā)明上述的變流器的冷卻系統(tǒng)中，所述冷卻系統(tǒng)還包括設(shè)置在所述變流器外部的外部熱交換器以及冷卻液供應(yīng)裝置；所述外部熱交換器具有外部熱交換器進液口和外部熱交換器出液口，所述冷卻液供應(yīng)裝置具有冷卻液供應(yīng)裝置進液口和冷卻液供應(yīng)裝置出液
n ；
[0019]所述出液管道與所述外部熱交換器進液口連通，所述外部熱交換器出液口與所述冷卻液供應(yīng)裝置進液口連通，所述冷卻液供應(yīng)裝置出液口與所述進液管道連通；
[0020]所述出液管道、所述進液管道、所述外部熱交換器、所述冷卻液供應(yīng)裝置及其相互連通的通道中設(shè)有第一冷卻液。
[0021]本發(fā)明上述的變流器的冷卻系統(tǒng)中，所述第一冷卻液為水、乙二醇、丙二醇、乙二醇水溶液、丙二醇水溶液中任意一種。
[0022]本發(fā)明上述的變流器的冷卻系統(tǒng)中，所述冷卻液供應(yīng)裝置包括用于為所述第一冷卻液運動提供動力的第二泵。[0023]本發(fā)明上述的變流器的冷卻系統(tǒng)中，所述發(fā)熱元件包括IGBT發(fā)熱元件、電感器、電容器、銅排、接觸器、斷路器、熔絲。
[0024]本發(fā)明通過在變流器內(nèi)部設(shè)置第一液冷裝置和第二液冷裝置，大大地降低了變流器機柜內(nèi)的空氣溫度，從而提高了機柜內(nèi)元器件的使用壽命和可靠性；另一方面，本發(fā)明的第一液冷裝置和第二液冷裝置共用進液和出液管道，其管路結(jié)構(gòu)布局緊湊、簡單實用，成本較低。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]下面將結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步說明，附圖中:
[0026]圖1為現(xiàn)有的變流器的冷卻系統(tǒng)的一個實施例的示意圖；
[0027]圖2為本發(fā)明第一實施例的變流器的冷卻系統(tǒng)的示意圖；
[0028]圖3為本發(fā)明第二實施例的變流器的冷卻系統(tǒng)的示意圖；
[0029]圖4為本發(fā)明第三實施例的變流器的冷卻系統(tǒng)的示意圖。
【具體實施方式】
[0030]為了便于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員理解和實施本發(fā)明，下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明的變流器的冷卻系統(tǒng)進行詳細說明。
[0031]第一實施例
[0032]參照圖2，圖2示出了本發(fā)明第一實施例的變流器的冷卻系統(tǒng)。變流器包括發(fā)熱元件，該發(fā)熱元件主要包括IGBT發(fā)熱元件(絕緣柵雙極型晶體管)、電感器、電容器、銅排、接觸器、斷路器、熔絲等。
[0033]該變流器的冷卻系統(tǒng)主要用于對發(fā)熱元件進行散熱。具體地，該冷卻系統(tǒng)包括進液管道401、出液管道402、第一液冷裝置20以及第二液冷裝置10 ;其中，第一液冷裝置20可主要用于對IGBT發(fā)熱元件進行散熱。第二液冷裝置10可主要用于對變流器中其他發(fā)熱元件進行散熱。
[0034]第一液冷裝置20包括液冷散熱器201，該液冷散熱器201具有液冷散熱器進液口和液冷散熱器出液口，發(fā)熱兀件設(shè)置在液冷散熱器201上。液冷散熱器201 —般由金屬導(dǎo)熱體或其它非金屬導(dǎo)熱體制成，發(fā)熱元件工作時散發(fā)的熱量，通過熱傳導(dǎo)傳遞給由該導(dǎo)熱體制成的液冷散熱器201，該液冷散熱器201上的熱量則通過該液冷散熱器201中的冷卻液帶走。
[0035]本實施例中，第一液冷裝置20可包括多個液冷散熱器201,該多個液冷散熱器201均設(shè)置于變流器內(nèi)部。且該多個液冷散熱器進液口均與進液管道401連通；該多個液冷散熱器出液口均與出液管道402連通。
[0036]本實施例中，參照圖2，冷卻系統(tǒng)還包括設(shè)置在變流器外部的外部熱交換器30以及冷卻液供應(yīng)裝置40 ;外部熱交換器30具有外部熱交換器進液口和外部熱交換器出液口，冷卻液供應(yīng)裝置40具有冷卻液供應(yīng)裝置進液口和冷卻液供應(yīng)裝置出液口 ；
[0037]參照圖2，出液管道402與外部熱交換器進液口連通，外部熱交換器出液口與冷卻液供應(yīng)裝置進液口連通，冷卻液供應(yīng)裝置出液口與進液管道401連通；
[0038]這樣，第一液冷裝置20、出液管道402、進液管道401、外部熱交換器30、冷卻液供應(yīng)裝置40及其相互連通的通道構(gòu)成第三封閉回路；
[0039]冷卻液供應(yīng)裝置40用于向進液管道401中輸入第一冷卻液。該第一冷卻液可在第三封閉回路中循環(huán)。
[0040]進一步地，第一冷卻液可為水、乙二醇、丙二醇中的任意一種，或者其中兩者的混合液等(例如乙二醇水溶液、丙二醇水溶液)。本實施例中，該冷卻液為水、乙二醇的混合液。
[0041]本實施例中，冷卻液供應(yīng)裝置40包括用于為第一冷卻液運動提供動力的第二泵(圖中未示)。具體地，該第二泵用于給第一冷卻液提供在第三封閉回路中循環(huán)的動力。
[0042]該第一液冷裝置20的散熱過程如下:IGBT發(fā)熱元件在工作時發(fā)出熱量，該熱量通過熱傳導(dǎo)傳遞到由導(dǎo)熱體制成的液冷散熱器201，該液冷散熱器201中的第一冷卻液通過與液冷散熱器201進行熱交換，獲得液冷散熱器201的熱量，然后該第一冷卻液將熱量帶出變流器，再通過外部熱交換器30將熱量散發(fā)到變流器外部的空氣中，最后重新回到冷卻液供應(yīng)裝置40中，從而實現(xiàn)了第一冷卻液的循環(huán)使用。
[0043]當然可以理解，外部熱交換器30并不是必要裝置，變流器內(nèi)部的熱量傳遞給第一冷卻液后，該第一冷卻液可通過出液管道402直接排出，或與其他系統(tǒng)(如鍋爐系統(tǒng))相連。
[0044]進一步地，參照圖2，第二液冷裝置10包括冷凝器103、蒸發(fā)器101和壓縮機102 ；冷凝器103、蒸發(fā)器101和壓縮機102通過管路連接成第一封閉回路，該管路包括膨脹閥等管路組件；該第一封閉回路中設(shè)有制冷劑；本實施例中，蒸發(fā)器101設(shè)置于變流器內(nèi)部，冷凝器103具有冷凝器進液口和冷凝器出液口。
[0045]同時，參照圖2，冷凝器進液口也與進液管道401連通；冷凝器出液口也與出液管道402連通。這樣，冷卻液供應(yīng)裝置40向進液管道401中輸入的第一冷卻液可經(jīng)冷凝器從流到出液管道402中，從而流出變流器。
[0046]該第二液冷裝置10的散熱過程如下:變流器內(nèi)部的發(fā)熱元件將其發(fā)出的熱量散發(fā)給變流器內(nèi)部的空氣，蒸發(fā)器101將變流器內(nèi)部的空氣所攜帶的熱量吸收，并通過該熱量將蒸發(fā)器中的制冷劑蒸發(fā)；該蒸發(fā)的制冷劑在壓縮機102的作用下進入冷凝器103，并在該冷凝器103中與同樣處于該冷凝器103中的第一冷卻液進行熱交換，從而將制冷劑所攜帶的熱量傳遞給第一冷卻液，并由第一冷卻液帶出變流器。
[0047]本實施例中，為了提高蒸發(fā)器101吸收變流器內(nèi)部的空氣所攜帶的熱量的效率，蒸發(fā)器101可以設(shè)置多個。
[0048]同時，為了加快蒸發(fā)器101與變流器內(nèi)部的空氣之間的熱交換，第二液冷裝置10還包括蒸發(fā)器風機，該蒸發(fā)器風機通過風腔與蒸發(fā)器101連接。通過該蒸發(fā)器風機可以加快變流器內(nèi)部的空氣的流動速度。
[0049]本發(fā)明通過在變流器內(nèi)部設(shè)置第一液冷裝置和第二液冷裝置，大大地降低了變流器機柜內(nèi)的空氣溫度，從而提高了機柜內(nèi)元器件的使用壽命和可靠性；另一方面，本發(fā)明的第一液冷裝置和第二液冷裝置共用進液和出液管道，其管路結(jié)構(gòu)布局緊湊、簡單實用，成本較低。
[0050]第二實施例
[0051]本發(fā)明的第二實施例與第一實施例的不同在于第二液冷裝置10的結(jié)構(gòu)。
[0052]本實施例中，參照圖3，第二液冷裝置10還包括第一液冷熱交換器105，第一液冷熱交換器105具有第一液冷熱交換器進液口和第一液冷熱交換器出液口，蒸發(fā)器101具有蒸發(fā)器進液口和蒸發(fā)器出液口；
[0053]參照圖3，蒸發(fā)器進液口與進液管道401連通，蒸發(fā)器出液口與第一液冷熱交換器進液口連通，第一液冷熱交換器出液口與出液管道402連通。這樣,第一冷卻液可以依次通過蒸發(fā)器101和第一液冷熱交換器105而流出變流器。
[0054]其中，第一冷卻液從蒸發(fā)器進液口進入蒸發(fā)器101，被蒸發(fā)器101吸收熱量而降溫，然后從蒸發(fā)器出液口流出，進入第一液冷熱交換器105，與變流器內(nèi)部的空氣進行熱交換，從而吸收變流器空氣中的熱量，然后流出變流器。
[0055]為了使變流器內(nèi)部的空氣與第一冷卻液之間的熱交換更有效率，第一液冷熱交換器105可以設(shè)置多個。
[0056]第三實施例
[0057]本發(fā)明的第三實施例與第一實施例的不同也在于第二液冷裝置10的結(jié)構(gòu)。
[0058]參照圖4，第二液冷裝置10還包括第一泵104、第二液冷熱交換器106 ;該第二液冷熱交換器106具有第二液冷熱交換器進液口和第二液冷熱交換器出液口，蒸發(fā)器101具有蒸發(fā)器進液口和蒸發(fā)器出液口；
[0059]參照圖4，蒸發(fā)器出液口與第一泵104的泵進液口連通，第一泵104的泵出液口與第二液冷熱交換器進液口連通，第二液冷熱交換器出液口與蒸發(fā)器進液口連通，從而構(gòu)成第二封閉回路；第二封閉回路中設(shè)有第二冷卻液。
[0060]所述第二冷卻液可為水、乙二醇、丙二醇中的任意一種，或者其中兩者的混合液等。本實施例中，該第二冷卻液為水、乙二醇的混合液。
[0061]其中，第一泵104用于提供該第二冷卻液在該第二封閉回路中循環(huán)的動力。第二冷卻液在該第一泵104的驅(qū)動下，通過第二液冷熱交換器進液口進入第二液冷熱交換器106中，與變流器內(nèi)部的空氣進行熱交換，吸收變流器內(nèi)部的空氣所攜帶的熱量，然后從第二液冷熱交換器出液口流出，在通過蒸發(fā)器進液口進入蒸發(fā)器101，并在蒸發(fā)器101中與同樣在該蒸發(fā)器101中的制冷劑進行熱交換，從而將該第二冷卻液所攜帶的熱量傳遞給制冷劑；最后，通過在冷凝器103中所進行的制冷劑與第一冷卻液之間的熱交換將變流器內(nèi)部空氣的熱量傳遞到變流器外部。
[0062]應(yīng)當理解的是，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進或變換，而所有這些改進和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種變流器的冷卻系統(tǒng)，所述變流器包括發(fā)熱元件，所述冷卻系統(tǒng)用于對所述發(fā)熱元件進行散熱，其特征在于，所述冷卻系統(tǒng)包括進液管道(401)、出液管道(402)、第一液冷裝置(20)、以及第二液冷裝置(10)； 所述第一液冷裝置(20 )包括液冷散熱器(201);該液冷散熱器(201)具有液冷散熱器進液口和液冷散熱器出液口 ；所述第二液冷裝置(10)包括冷凝器(103)、蒸發(fā)器(101)和壓縮機(102);所述冷凝器(103)、所述蒸發(fā)器(101)和所述壓縮機(102)通過管路連接成第一封閉回路；該第一封閉回路中設(shè)有制冷劑；所述冷凝器(103)具有冷凝器進液口和冷凝器出液口 ； 所述液冷散熱器進液口和所述冷凝器進液口分別與所述進液管道(401)連通；所述液冷散熱器出液口和所述冷凝器出液口分別與所述出液管道(402 )連通。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變流器的冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述第二液冷裝置(10)還包括蒸發(fā)器風機，該蒸發(fā)器風機通過風腔與所述蒸發(fā)器(101)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變流器的冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述第二液冷裝置(10)還包括第一液冷熱交換器(105)，所述第一液冷熱交換器(105)具有第一液冷熱交換器進液口和第一液冷熱交換器出液口，所述蒸發(fā)器(101)具有蒸發(fā)器進液口和蒸發(fā)器出液口 ； 所述蒸發(fā)器進液口與所述進液管道(401)連通，所述蒸發(fā)器出液口與所述第一液冷熱交換器進液口連通，所述第一液冷熱交換器出液口與所述出液管道(402 )連通。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變流器的冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述第二液冷裝置(10)還包括第一泵(104)、第二液冷熱交換器(106);該第二液冷熱交換器(106)具有第二液冷熱交換器進液口和第二液冷熱交換器出液口，所述蒸發(fā)器(101)具有蒸發(fā)器進液口和蒸發(fā)器出液口 ； 所述蒸發(fā)器出液口與所述第一泵(`104)的泵進液口連通，所述第一泵(104)的泵出液口與所述第二液冷熱交換器進液口連通，所述第二液冷熱交換器出液口與所述蒸發(fā)器進液口連通，從而構(gòu)成第二封閉回路；所述第二封閉回路中設(shè)有第二冷卻液。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的變流器的冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述第二冷卻液為水、乙二醇、丙二醇、乙二醇水溶液、丙二醇水溶液中任意一種。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5任意一項所述的變流器的冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述冷卻系統(tǒng)還包括設(shè)置在所述變流器外部的外部熱交換器(30)以及冷卻液供應(yīng)裝置(40);所述外部熱交換器(30)具有外部熱交換器進液口和外部熱交換器出液口，所述冷卻液供應(yīng)裝置(40)具有冷卻液供應(yīng)裝置進液口和冷卻液供應(yīng)裝置出液口； 所述出液管道(402)與所述外部熱交換器進液口連通，所述外部熱交換器出液口與所述冷卻液供應(yīng)裝置進液口連通，所述冷卻液供應(yīng)裝置出液口與所述進液管道(401)連通； 所述出液管道(402)、所述進液管道(401)、所述外部熱交換器(30)、所述冷卻液供應(yīng)裝置(40)及其相互連通的通道中設(shè)有第一冷卻液。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的變流器的冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述第一冷卻液為水、乙二醇、丙二醇、乙二醇水溶液、丙二醇水溶液中任意一種。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的變流器的冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述冷卻液供應(yīng)裝置(40)包括用于為所述第一冷卻液運動提供動力的第二泵。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-5任意一項所述的變流器的冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)熱元件包括IGBT發(fā)熱元件、電感 器、電容器、銅排、接觸器、斷路器、熔絲。
【文檔編號】H02M1/00GK103490597SQ201310449944
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年9月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月27日
【發(fā)明者】周澤平, 盛小軍, 周黨生 申請人:深圳市禾望電氣有限公司