CN101096943A

CN101096943A - 冷却装置

Info

Publication number: CN101096943A
Application number: CNA2007101273203A
Authority: CN
Inventors: J·尼斯
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2006-06-30
Filing date: 2007-07-02
Publication date: 2008-01-02
Anticipated expiration: 2027-07-02
Also published as: DK1881194T3; CN101096943B; US20080003105A1; ES2539827T3; EP1881194B1; US7621720B2; EP1881194A1

Abstract

本发明提供了用于风轮机的冷却装置(100)，所述冷却装置(100)包括至少一个部分充满液体冷却剂(120)的液体密封管(110)，其中管(110)的一端(112)位于第一区域和管(110)的另一端(114)位于第二区域，当风轮机运转时，所述第一区域和第二区域具有不同温度。

Description

冷却装置

技术领域

本发明涉及冷却装置，特别是用于风轮机的冷却装置，并且涉及冷却至少风轮机转子毂选定部分的方法。

背景技术

风轮机转子毂内的许多设备都会在运转期间产生热量。特别是，毂内热源是安装在开关柜、电池、电池充电器、斜度驱动电动机、径节齿轮箱和斜度磁盘机控制器、液压装置以及一些设计中主轴轴承的继电器。然而，一些部件的安全运转仅仅在某些温度范围内时才能得到保证。例如，当温度过高时，电子电路或者电池可能会发生故障。由于毂内存在数种热源，因此可能存在这些部件的过热问题，特别是在夏天。

发明内容

鉴于上述，本发明提供了用于风轮机的冷却装置。所述冷却装置包括至少一个部分充满液体冷却剂的液体密封管，其中所述管的一端位于第一区域和所述管的另一端位于第二区域，当风轮机运转时，第一和第二区域具有不同的温度。

此外，本发明提供了用于风轮机转子毂的热交换器。所述热交换器包括一个或者多个部分充满液体并且从冷却区域延伸至相对较热区域的导管，所述液体适用于吸收和分散热量，其中所述液体可以通过旋转风轮机转子毂在所述一个或者多个导管内得到搅动。

本发明还提供了冷却风轮机转子毂内至少选定部分的方法。所述方法包括以下步骤：(a)提供至少一个部分充满液体冷却剂并且在至少一个所述选定部分和相对于至少一个选定部分具有较低温度的容器之间延伸的通道，和(b)在所述至少一个选定部分和具有较低温度的容器之间移动液体冷却剂。

根据以下权利要求、说明书和附图，本发明的其它方面、优点和特征将会显而易见。

根据本发明第一方面，提供了用于风轮机的传热部件。所述传热部件包括至少一个保持液体冷却剂的封闭式冷却管。液体冷却剂的体积小于冷却管的内体积，其中所述冷却管在风轮机运转期间处于不同温度的两个容器之间延伸。由于风轮机毂的转动，液体冷却剂在冷却管的两端之间往复移动，由此将热量从较热容器传递到较冷容器。由此，毂设备的冷却可以通过无源冷却系统得到实现。所述传热部件无需活动部分或者电能。

根据本发明的另一方面，提供了冷却风轮机转子毂内特定区域的方法。所述方法包括以下步骤，提供至少一个含有液体冷却剂的导管，冷却剂的量小于导管的内部体积。所述导管在温度低于特定区域的区域连接毂内的特定区域。在该方法的另一步骤中，对所述液体冷却剂进行搅动并且使其在进行冷却的特定区域和较冷区域之间往复流动。

附图说明

对于本领域熟练技术人员，本发明的全部和整体公开内容，包括其最佳实施方式更特别地说明于以下说明书中，包括参考附图，其中：

图1是根据本发明一种实施方案的冷却装置的示意图。

图2是可以应用本发明的风轮机转子毂的侧视图。

图3是其中安装了根据本发明一种实施方案的冷却装置的风轮机转子毂的横剖面视图。

图4是其中安装了根据本发明另一实施方案的冷却装置的风轮机转子毂的横剖面视图。

图5是其中安装了根据本发明另一实施方案的冷却装置的风轮机转子毂的横剖面视图。

图6是其中安装了根据本发明另一实施方案的冷却装置的风轮机转子毂的横剖面视图。

图7是其中安装了根据本发明另一实施方案的冷却装置的风轮机转子毂的横剖面视图。

图8是在风轮机转子毂表面延伸的管的平面图。

图9是图8中所示管的横剖面视图。

图10是根据本发明一种实施方案的风扇-协助的冷却装置的示意图。

具体实施方式

现在参照本发明的多种例证性实施方案进行详述，其一种或者多种实施例图解说明于附图中。各个实施例基于说明本发明的目的进行提供，并不意图限制本发明。例如，作为一种实施方案一部分说明或者描述的特征可以用于其它实施方案中或者结合其它其它实施方案，从而得到另一种实施方案。本发明意图包括所述变型和变体。

图1是根据本发明一种实施方案的冷却装置100的示意图。其中，冷却装置100包括部分充满液体冷却剂120的管110。所述管100是液体密封型管，从而使得液体冷却剂120被安全地包含于其中。所述液体冷却剂一般具有相对低的粘度，并且可以选自水、醇、甲醇、乙醇、二醇或者其任意混合物。此外，还可以将空气调节领域应用的其它液体冷却剂用作本发明的液体冷却剂120。

所述管110具有位于不同温度区域的两端112，114。特别是，第一端112位于第一区域和第二端114位于第二区域，例如位于风轮机转子毂的外壁上。在第一区域中，欲进行冷却的设备200环绕安装接触或者邻接管110的热量吸收端112，从而使得设备200和管110内的液体冷却剂120之间能够传热。据此，管110的壁一般由具有优良导热性能的材料构成。换言之，根据本发明一种实施方案的冷却装置适用于将热量从处于相对较高温度的较热容器传递到处于相对较低温度的较冷容器。在这里，术语“容器”以热动方式使用，并且不应当限于贮液器等等。特别是，风轮机旋转结构部件以及旋转壳都可以充当容器。此外，转子毂内的空气或者旋转叶片内的空气还可以充当容器。最后，还应当理解，这些部件还可以不仅充当容器，而且还可以充当将吸收的热量消散于例如环境空气中的热量消散元件。

例如，欲进行冷却的设备200可以是开关柜、电池、充电器、控制器、电动机、齿轮箱、液压装置或者任何其它在运转期间可以产生热量的设备。特别是，期望设备200是安装在风轮机转子毂内的设备。

其次，参考图1对冷却装置100的运转进行描述。冷却装置100安装在可旋转部件之内或者之上，例如，在风轮机转子毂内。如图1所示，冷却装置100以及欲进行冷却的设备200一般定位于转动轴150的轴外。然而，所述冷却装置一般将接近转动中心安装，从而降低作用于液体冷却剂上的离心力。由于支座的旋转移动，在一个转动周期期间，所述冷却装置将位于位置A、B、C和D。在垂直位置A时，液体冷却剂120由于重力而被引入到管110的下部。因此，冷却剂将位于与设备200相邻的较热区域中。在该位置上，热量将由设备200传递到液体冷却剂120。随后，所述冷却装置顺时针旋转至中间位置B。如图1中所示，液体冷却剂120向管110的较冷端114流动。液体冷却剂120的上述流动由离心力和重力的共同作用诱发。然后，在位置C时，液体冷却剂120集中在管110的较冷端，和热量从液体冷却剂120分散到较冷容器114中。随后，冷却装置110将位于另一中间位置D，此时液体冷却剂120流回较热容器端112。最后，冷却装置100旋转回到垂直位置A和重复冷却周期。

根据本发明一种实施方案的冷却装置100可以有效冷却位于旋转支座之内或者之上的部件。所述冷却装置100并不需要移动部件或者外部电源。由此，所述冷却装置100是一种无源系统，并且由此其抗磨损和几乎不需要维护。此外，如果使用凝固点接近0℃的液体冷却剂，例如水或者醇的含水溶液，所述液体冷却剂在冬天将会凝固，由此以自然方式停止热交换。在这种情况下，管110需要设计能够抵抗冷冻，例如通过选择管的适宜横截面形状和/或适宜的管壁材料。例如，所述管可以具有椭圆截面和/或可以由可膨胀性材料构成。

图2是可以应用本发明的风轮机转子的侧视图。术语“风轮机转子”意指不仅包括转子毂500，而且还包括其它风驱动旋转部件，特别是旋转叶片600和主轴700。据此，还可以将本发明用于定位于旋转叶片600或者主轴700之内或者之上的设备中。通过风能旋转的转子毂500通过连接在转子毂上的旋转叶片600进行锁位。在转子毂500内，安装有机箱200，其中多种电力或者电子元件(未显示)都位于机箱200内。机箱200内的部件经供电线路210连接在能源上。在运转期间，机箱200内的电力和电子元件产生大量热量，由此升高机箱200内的温度。为了避免所述部件由于过热发生故障，需要对机箱200进行冷却。应当理解，机箱200是欲进行冷却的设备的实例。其它实例包括能够调节旋转叶片600倾斜角的斜度驱动机构。所述斜度驱动机构包括电动驱动马达、控制马达的控制器、作为斜度驱动备用电源的电池和电池充电器。所述斜度驱动机构还包括齿轮箱，在图2中未显示。替代或者另外，所述斜度还可以包括基于弹簧存储或者弹性带材的应急驱动，它们在运转时也会产生热量。

机箱200的冷却原理示于图3中，图3是风轮机转子毂的横剖面视图，其中相应的冷却装置100邻接位于旋转叶片600上的机箱200进行安装。各个管110从相对较热的机箱200延伸至毂的径向向外区域。该径向向外区域可以位于毂内或者毂外。例如，管110的冷却端114可以延伸直至处于环境空气温度的毂旋转器。根据本发明的另一实施方案，所述管甚至可以延伸穿过毂壁，从而使得所述径向端114暴露于环境空气。然而，根据以上说明的原理和参考图1，对于所有实施方案，冷却都类似进行。特别是，冷却装置100的管110吸收机箱200的热量(垂直位置)和将吸收的热量消散于较冷区域，例如毂套管上。

由于毂500的转动，液体冷却剂120在较冷和较热区域之间移动。由此，热量将由机箱200传递至毂套管500上，由此机箱200得到冷却。应当理解，机箱200仅仅是欲进行冷却的设备的一种实例，上述冷却装置还可以用于冷却其它毂设备，比如斜度驱动机构等等元件。

图4是其中安装了根据本发明另一实施方案的冷却装置的风轮机转子毂的横剖面视图。其中，冷却装置100包括具有翼片形状的几个管，从而增加管110和管内液体冷却剂120的热量传递。在该实施方案中，欲进行冷却的设备200是机箱，但是所述设备可以是任何欲进行冷却的闭合容器。冷却装置的管从机箱200内延伸至充当较冷容器的毂500的内部空间。此外，冷却装置的管在毂500内大致沿径向方向延伸。其基本工作原理类似于上述实施方案。特别是，当液体冷却剂120位于机箱200内时它吸收热量，和当其位于管的较冷端114时，它将热量消散于毂500的内部空间中。然而，应当理解，所述管沿风轮机转子径向方向定向对于本发明功能并不是必需的。特别是，还可以应用其它几何布置，如以下参考图5进行的说明。

图5是其中安装了根据本发明另一实施方案的冷却装置的风轮机转子毂的横剖面视图。其中，冷却装置形成围绕风轮机转子毂500内部空间的闭合环路。闭合环路100部分充满液体冷却剂，所述液体冷却剂由于重力作用集中在闭合环路100的下部。然而，由于毂500的旋转移动，液柱两端之间的液位差Δ将会产生。粘度、摩擦和流动阻力导致冷却剂在旋转方向上水平升高和在另一端较低。由此，由于与液柱一端的液柱高度Δ，恒定压力将会产生。换言之，液体冷却剂仍然保持在其位置上，然而冷却装置100的闭合环路110相对于冷却剂进行了移动。由此，当经过较热部分时，冷却剂120吸收区域112中的热量并且将热量消散于较冷区域。特别是，冷却剂120甚至可以恒定吸收毂500内的热量并且将热量消散于结构元件、毂套管或者毂500外。还应当理解，在图5所示的实施方案中，管110的一端或者部分位于相对较热的区域，例如位于毂500内，同时管110的另一端位于相对较冷的区域，例如位于毂500外套管上。同时，由于风转子的转动，液体冷却剂120在管110内得到了搅动。特别是，液体冷却剂120相对于管110进行移动，从而使得冷却剂120在较热和较冷区域之间往复移动。

图6是其中安装了根据本发明另一实施方案的冷却装置的风轮机转子毂的横剖面视图。其中，冷却装置形成围绕风轮机转子毂500内部空间的闭合环路。闭合环路100部分充满液体冷却剂，所述液体冷却剂由于重力作用集中在闭合环路100的下部。根据图6所示的实施方案，闭合环路具有通过切向延伸部件115连接的径向延伸部件113。所述切向延伸部件115一般位于半径附近或者在毂套管500上。因此，在该实施方案中，通过液体冷却剂120吸收的热量将主要消散在这些切向延伸部件115中，同时热量吸收将主要存在于径向延伸部件113上。当然，其它适宜的几何结构同样预期包含在本发明范围之内。此外，应当理解，管的径向和切向部件113，115可以用于吸收和消散热量。特别是，在图6中所示实施方案中所示的冷却装置类似于图5中所示的构件。因为冷却装置被成形为闭合环路，因此液体冷却剂将由于重力而位于环路的底部。然而，由于毂500的旋转移动，在液柱两端之间将会产生微小差别Δ。粘度、摩擦和流动阻力导致冷却剂在旋转方向上水平升高和在另一端较低。由此，由于与液柱一端的液柱高度Δ，恒定压力将会产生。换言之，液体冷却剂仍然保持在其位置上，然而冷却装置100的闭合环路110相对于冷却剂产生了移动。数种设备200邻近闭合环路进行安装，在转子毂转动期间都得到了冷却。

应当理解，所述闭合环路冷却装置还可以用于图3或者4所示的实施方案中。例如，图3的翼片状管可以彼此连接，从而形成闭合环路。所述管可以连接在它们的上端和/或下端，特别是以交替的方式进行连接，从而形成迂回形状。根据一种实施方案，各个设备200的管互相连接，但是并不连接在安装于另一设备上的管上。由此，三个独立的闭合环路得以形成。另外地，各个设备200的闭合环路可以互相连接，从而仅仅形成一个闭合环路。

图7是其中安装了根据本发明另一实施方案的冷却装置的风轮机转子毂的横剖面视图。该实施方案类似于图5和6中所示的实施方案，然而，冷却装置的切向延伸部件夹在毂的内骨架510和外套管(还称为旋转器)之间。内骨架510是毂500的结构部件，并且一般由铸钢、焊接钢、锻钢、纤维增强塑料或者铝构成。外部套管520一般由纤维增强塑性材料构成，但是当然还可以使用其它适宜的材料，例如铝。冷却装置100的如此布置具有以下优点，仅仅相对薄的毂套管520隔离切向延伸部件与环境温度。由此，同其中冷却装置100完全被内骨架510围绕的套管相比，热量消散可以得到增强。

根据本发明的另一实施方案，冷却装置100可以从毂500的内部延伸至外部。图8是在风轮机转子毂500表面520延伸的管110的平面图。该管经设置于外部套管520上的通孔525延伸穿过毂套管520。一般对通孔525进行密封，从而使得雨雪不能进入毂500内部。在毂表面520上，管110以迂回的方式延伸，从而增加热量散逸的管表面积。

图9是图8中所示管的横剖面视图。其中表明了液体冷却剂如何将吸收的热量消散于环境空气中。其中所示的管110具有圆形截面，但是如果适宜的话，同样可以使用其它截面形状。管110还被容纳在外部套管520的开槽内。然而，这仅仅是一种任选的特征，可以将开槽删除。

图10是根据本发明一种实施方案的风扇-协助的冷却装置的示意图。其中表明，可以装配风扇130，从而加速热量从液体冷却剂消散到较冷容器114中。当然，还可以将风扇装配在机箱200内，以促进将热量传递到液体冷却剂。此外，应当理解，还可以将风扇促进的传热方式用于以上说明的其它实施方案中。

如上所述，液体冷却剂通过重力和向心力而得到搅动。然而，可以安装一个或者多个泵，以主动泵送液体冷却剂。由此，液体冷却剂在热和冷容器之间的移动可以得到促进。然而，此时应当注意，因为根据本发明的冷却装置仅仅部分充满液体。因此，必须应用适于部分充满管的情形的特定泵送系统和方法。

以上说明书应用实施例公开了本发明，包括其最佳实施方式，并且还使得本领域熟练技术人员能够实施和应用本发明。虽然本发明已经根据多种具体实施方案进行了描述，但是本领域熟练技术人员应当认可，本发明可以使用在权利要求的精神和范围内的变型进行实践。特别是，如上所述实施方案的非相互排斥特征可以彼此结合起来。此外，在本发明范围内还意图包括加热设备的应用。本发明的专利范围由权利要求进行限定，并且可以包括本领域熟练技术人员可以预料的其它实施例。如果上述其它结构元件等同于权利要求文字表述或者如果它们包括与权利要求文字表述无显著差异的等同结构元件，那么所述其它实施例都包括在权利要求范围内。

部件列表

100 冷却装置

110 管

112 管的热容器端

113 环路径向部分

114 管的冷容器端

115 环路的切向部分

120 液体冷却剂

130 风扇

150 旋转中心

200 欲进行冷却的设备(开关柜)

210 能源线

500 风轮机转子毂

510 内骨架

520 外部套管

525 通孔

600 旋转翼片

700 主轴

A 第一位置

B 第二位置

C 第三位置

D 第四位置

Δ 冷却剂水平差

Claims

1.一种用于风轮机的冷却装置(100)，包括

至少一个部分充满液体冷却剂(120)的液体密封管(110)，其中所述管(110)的一端(112)位于第一区域和所述管(110)的另一端(114)位于第二区域，当风轮机运转时，第一和第二区域具有不同的温度。

2.权利要求1的冷却装置(100)，其中所述第一区域是风轮机转子毂(500)内部区域，和第二区域是风轮机转子毂(500)外部区域。

3.权利要求1的冷却装置(100)，其中所述第一区域是定位于风轮机转子毂(500)内的机箱(200)内部区域，和第二区域是所述机箱(200)外的风轮机转子毂(500)内部区域。

4.先前权利要求任一项的冷却装置(100)，其中所述液体冷却剂(120)具有低粘度和/或选自水、醇、甲醇、乙醇、二醇或者其任意混合物。

5.先前权利要求任一项的冷却装置(100)，其中至少一个管(110)具有翼片状形状。

6.先前权利要求任一项的冷却装置(100)，其中至少一个管(110)形成闭合环路。

7.先前权利要求任一项的冷却装置(100)，其中还包括至少一个用于向至少一个管(110)传入或者从至少一个管(110)中传出热量的风扇(130)。

8.先前权利要求任一项的冷却装置(100)，其中至少一个管(110)适于承受液体冷却剂(120)的冻结。

9.一种用于风轮机转子(500)的热交换器，包括

一个或者多个导管，其部分充满液体(120)和从冷区域延伸至相对较热区域，所述液体适于吸收和消散热量，

其中所述液体通过旋转风轮机转子在所述一个或多个导管内得到搅动。

10.权利要求9的热交换器，其中所述一个或者多个导管相对于风轮机转子(500)的转动中心具有径向部件。